16 万吨年催化重整装置脱戊烷塔的计算设计目录、八、-丄前 言 1第一章 脱戊烷精馏塔概述 21.1 概述 21.2 精馏塔设计原则 21.3 设计方案 31.3.1 塔设备的选型 31.3.2 板式塔精馏操作流程 41.3.3 分离序列的选择 51.3.4 产品纯度或回收率 51.3.5 能量的利用 51.3.6 辅助设备的选择 61.3.7 系统控制方案 61.4 操作条件的选择 71.4.1 操作压力 71.4.2 进料状态 71.4.3 加热剂和加热方法 81.4.4 冷却剂 81.4.5 回流比 9第二章 脱戊烷塔体的设计 102.1 脱戊烷塔材料的选择 102.2 脱戊烷塔设计参照标准 10第三章 脱戊烷塔的强度校核 103.1 自振、风载及地震载荷分析 113.2 筒体和封头的强度校核 153.2.1 筒体的强度校核 153.2.2 椭圆封头的校核 233.3 开孔及接管的强度校核 293.3.1 人孔开孔补强的计算及接管的校核 293.3.2 塔底出料口的开孔及接管补强的计算 323.3.3 塔顶油气出口管开孔补强计算及校核 343.4 裙座的强度计算和校核 373.4.1 裙壳对接焊缝拉应力计算 373.4.2 裙壳的应力计算 393.4.3 螺栓座的强度校核 41第四章 塔的零部件设计 444.1 板式塔塔盘的结构 444.1.1 选取塔盘形式 444.1.2 降液管 444.1.3 受液盘 454.1.4 溢流堰 454.2 浮阀的类型 454.2.1 重盘式浮阀 454.2.2 盘式浮阀 464.2.3 锥心浮阀 464.3 裙座 464.3.1 裙座的材料 464 4 塔顶吊柱 474.5 操作平台和梯子 474.5.1 操作平台 474.5.2 梯子 47结 论 49参考文献 50致 谢 51石油是一个国家经济发展国家稳定的命脉。在石油、化工生产中，塔设备 是非常重要的设备之一， 塔设备的性能， 对于整个化工和炼油装置的产品质量 及其生产能力和消耗额等均有较大影响。 据相光关资料报道， 塔设备的投资和 金属用量，在整个工艺装置中均占较大比例，因此塔设备的设计和研究，始终 受到很大的重视。塔设备广泛应用于蒸馏、吸收、介吸、萃取、气体的洗涤、 增湿及冷却等单元操作中， 它的操作性能好坏， 对整个装置的生产， 产品产量， 质量，成本以及环境保护， “三废 ”处理等都有较大的影响。近些年来， 国内外对它的研究也比较多， 但主要是集中在常压塔的结构和 性能方面，例如：如何提高塔的稳定性、如何利用理论曲线解决常压塔在性能 方面存在的问题等。 在原油的一次加工过程中， 常压蒸馏装置是每个正规炼厂 都必须具备的， 而其核心设备 常压塔的性能状况将直接影响炼厂的经济效 益，由于在原油加工的第一步中， 它可以将原油分割成相应的直馏汽油， 煤油， 轻柴油或重柴油馏分及各种润滑油馏分等。同时， 也为原油的二次加工提供各种原料。 在进一步提高轻质油的产率或改善产品的质量方面， 都有着举足轻重 的地位。 考虑到常压塔在实际应用方面的价值和意义， 如何实现这样一种最经 济、最容易的分离手段，是本次毕业设计选题的重要依据。近年来，由于石油、化工企业不断向大型化的生产发展，因此塔设备的单 台规模也随之增大。例如：有的板式塔的直径可达 10m 以上，塔的总高度可 达到80m，而填料塔更有直径为 15m ,塔高为100m的大塔已经投产。应当指 出，设备大型化后，必须保证它在全负荷下运转，否则经济损失将是非常巨大 的。对于大型设备的设计、制造、操作和维修等，应提出更高、更严格的要求。 常压塔的研究也趋向于结构材料的探索， 提高设备的使用周期， 主要体现在所 选择材料的防腐性和一些防腐材料的研究， 同时也着眼于设备的安去性和环保 性，以上这些都成为了当今常压塔研究的热门课题。第一章 脱戊烷精馏塔概述1.1 概述蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和 部分冷凝达到轻重组分分离的方法。蒸馏操作在化工、石油化工、轻工等工业 生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作 特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。蒸馏过程按操作方式可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。 间歇蒸馏是一种不稳态 操作， 主要应用于批量生产或某些有特殊要求的场合； 连续蒸馏为稳态的连续 过程，是化工生产常用的方法。蒸馏过程按蒸馏方式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏等。简 单蒸馏是一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行。平衡蒸馏又称闪蒸，也是一 种单级蒸馏操作， 常以连续方式进行。 简单蒸馏和平衡蒸馏一般用于较易分离 的体系或分离要求不高的体系。 对于较难分离的体系可采用精馏， 用普通精馏 不能分离体系则可采用特精馏。 特殊精馏是在物系中加入第三组分， 改变被分 离组分的活度系数，增大组分间的相对挥发度，达到有效分离的目的。特殊精 馏有萃取精馏、恒沸精馏和盐溶精馏等。精馏过程按操作压强可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。一般说来， 当总压强增大时，平衡时气相浓度与液相浓度接近，对分离不利，但对在常压 下为气态的混合物，可采用加压精馏。1.2 精馏塔设计原则总的原则是尽可能多地采用先进的技术， 使生产达到技术先进、 经济合理 的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点。满足工艺和操作的要求： 所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定 的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需 要一定的操作弹性， 可方便地进行流量和传热量的调节。 设置必需的仪表并安 装在适宜部位，以便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。满足经济上的要求： 要节省热能和电能的消耗， 减少设备与基建的费用， 如合理利用塔顶和塔底的废热， 既可节省蒸汽和冷却介质的消耗， 也能节省电 的消耗。 回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响， 因此必须选择合适的 回流比。冷却水的节省也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操 作费用下降，但所需传热设备面积增加，设备费用增加。因此，设计时应全面 考虑，力求总费用尽可能低一些。保证生产安全： 生产中应防止物料的泄露， 生产和使用易燃物料车间的 电器均应为防爆产品。塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备 应具有一定刚度和强度。1.3 设计方案设计方案包括精馏流程、 设备的结构类型和操作参数等的确定。 例如塔设 备的形式、组分的分离顺序（多组分体系） 、操作压力、进料热状态、塔顶蒸 气的冷凝方式、余热利用的方案、安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。 限于篇幅，仅对其中一些内容作些阐述，其他内容可见参考文献。1.3.1 塔设备的选型 化工生产所处理的原料、中间产物、粗产品等几乎都是混合物，而且绝大 部分是均相物系。 为实现从这些混合物中得到所需的产品， 通常会将混合物分 离。而分离后得到的较纯净或几乎纯态的物质的方法，则通常使用精馏。精馏 操作一般是在塔中进行的， 可用板式塔亦可用填料塔。 考虑到板式塔与填料塔 相比较，在压降、空塔气速、塔效率、液-气比、持液量、安装检修等方面有着更为优秀的一面， 对于物系无特殊工艺特性要求， 且生产能力不是过小的精 馏操作，选板式塔作为本次设计课题 年产 16 万吨精馏产品的精馏塔设备。不同类型的板式塔，例如泡罩塔、浮阀塔、喷射型塔、多降液管塔、无溢 流塔等，均有自身的特点，各有适合的场合。任何一种类型的塔都难以同时满足上述的要求，因此， 我们只能根据精馏物系的性质和要求，结合实际，通过几项主要指标的分析比较，选取一种相对 适宜的塔型。我们选取板式塔中的浮阀塔作为设计目标。 浮阀塔是 20 世纪 50 年代前后 开发和应用的，并在石油、化工等工业部门代替了传统使用的泡罩塔，成为当 今应用最广泛的塔型之一， 并因具有优异的综合性能， 在设计和选用塔型时常 是被首选的板式塔。浮阀塔塔盘上开有一定形状的阀孔， 孔中安装了可在适当范围内上下浮筒 的阀片，因而可适应较大的气相负荷的变化。阀片的形状有圆形、矩形等。实践证明，浮阀塔具有以下优点： 生产能力大，比泡罩塔提高 20-40%。 操作弹性大，在较宽的气相负荷范围内，塔板效率变化较小，其操作弹 性较筛板塔有较大的改善。 塔板效率较高， 因为它的气液接触状态较好，且气体沿水平方向吹入液 层，雾沫夹带较小。 塔板结构及安装较泡罩简单，重量较轻，制造费用低，仅为泡罩塔的 60%-80% 左右。浮阀塔的缺点为： 在气速较低时，仍有塔板漏液，故低气速时板效率有所下降。 浮阀阀片有卡死和吹脱的可能，这会导致操作运转及检修的困难。 塔板压力降较大，妨碍了它在高气相负荷及真空塔中的应用。浮阀塔操作时气、液两相的流程与泡罩塔相似，蒸汽从阀孔上升，顶开阀 片，穿过环型缝隙，然后以水平方向吹入液层，形成泡沫。浮阀能随气速的增 减在相当宽的气速范围内自由升降，以保持稳定的操作。1.3.2 板式塔精馏操作流程 板式精馏塔是一个在内部设置多块塔板的装置。 全塔各板自塔底向上气相 中易挥发组分浓度逐板增加； 自塔顶向下液相中易挥发组分浓度逐板降低。温度自下而上逐板降低。在板数足够多时，蒸汽经过自下而上的多次提浓，由塔 顶引出的蒸汽几乎为纯净的易挥发组分， 经部分冷凝， 未凝蒸汽作为塔顶产品 （或冷凝为馏出液） ，部分冷凝液引回到最上层的塔板上，称为回流。液体经 过自下而上多次变稀，经部分汽化器（常称为再沸器）后所剩余的液体几乎纯 净难挥发组分，作为塔底产品（亦称为釜液） ，部分汽化所得蒸汽 引入最下层 板上。当某块塔板上的浓度与原料的浓度相近或相等时，料液就由此板引入，加料板及其以下的部分称为提馏段。提馏段则起着回收原料中易挥发该板称为加料板。 其上的部分称为精馏段， 精馏段起着使原料中易挥发组分增浓的作用 组分的作用。精馏是组分在气相和液相间的传质过程， 任意塔板若缺少气相或液相， 过 程将无法进行。对塔顶第一层板有其下第二层板上升得蒸汽，缺少下降液体， 回流正是为第一层板提供下降液。由第二层塔板上升的蒸汽浓度已经相当高 了，依相平衡原理，与气相接触的液相浓度亦应很高才行。显然，用塔顶冷凝 器的一部分作为回流液是最简单的方法。 塔底最下一块塔板虽有其上一块塔板 流下的液体， 为保证操作进行还要有上升的蒸汽， 根据相平衡原理要求与塔板 上液体接触的蒸汽浓度亦应很低。 因此将再沸器部分汽化之蒸汽引入最下一层 塔板，正是为他提供低浓度上升蒸气。塔顶回流、塔底上升蒸汽是保证精馏过 程连续、稳定操作的充分必要条件。1.3.3 分离序列的选择对于二元混合物采用一个精馏塔分离，分别从塔顶、塔底获得轻、重组 分产品，显然分离序列唯一。 N 个组分的混合物采用简单精馏塔进行锐分离可 获取N个产品，则需要 N-1个塔。通过不同的组合，可得到2 ( N-1 ) !/ N!(N-1)! 个分离序列。不同的分离序列其操作费用及设备投资费用不同， 故选择分离序列是必要的， 也是混合物分离节能降耗的关键。 通常情况下多采 用顺序分流。 然而， 由于相邻组分之间的相对挥发度及其他参数存在较大差异 并非如此。故在设计流程方案时，应结合一些经验规则和方法确定。(详情请看参考文献