塔设备分类及设计步骤.docx

塔设备分类及设计步骤.docx

《塔设备分类及设计步骤.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《塔设备分类及设计步骤.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

塔设备分类及设计步骤

东北石油大学

课程综合实践

（四）

课程过程设备设计

题目过程设备设计有关标准概述

学院机械科学与工程学院

专业班级装备12-1班

学生姓名李早东

学生学号120403140111

指导教师林玉娟

2014年6月3日

目录

第一章塔设备都有哪些结构组成1

1.1常规塔设备分类1

1.1.1填料塔1

1.1.2板式塔1

1.2塔设备的基本组成部分1

第二章塔设备设计步骤3

2.1基本步骤3

2.2设计方案的确定3

2.2.1操作条件的确定3

2.2.2操作压力3

2.2.3进料状态4

2.2.4加热方式4

2.2.5冷却剂与出口温度4

2.2.6热能的利用4

2.3确定设计方案的原则4

2.3.1满足工艺和操作的要求4

2.3.25

2.3.35

第三章常规设计过程6

3.1.常规塔工艺及物料平衡计算6

3.1.16

3.1.2直接蒸汽加热6

3.2常规塔结构设计计算7

3.2.17

3.2.2塔的有效高度和板间距的初选7

3.2.3塔的有效高度板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高度，可按下式计算：

7

3.2.4塔的总体结构确定7

3.3附属设备的选用7

第四章塔设备中需要校核的轴向强度和稳定性8

4.1圆筒轴向应力校8

4.1.1圆筒轴向应力8

4.1.2圆筒稳定校核8

4.2塔设备压力试验时的应力校核8

4.3裙座轴向应力校核9

4.4裙座筒体10

4.5裙座与塔壳焊缝11

4.6塔设备法兰当量设计压力12

第一章塔设备都有哪些结构组成

1.1常规塔设备分类

1.1.1填料塔

填料塔属于微分接触型的气液传质设备。

塔内装填一定段数和一定高度的填料层，液体沿填料表面呈膜状向下流动，气体则呈连续相由下向上流动，与液体逆流传质和传热。

两相的组分浓度或温度沿塔高呈连续变化。

1.1.2板式塔

板式塔是一种逐级（板）接触的气液传质设备。

塔内装有一定数量的塔盘，气体白塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层，使气一液两相密切接触而进行传质与传热，两相的组分浓度呈阶梯式变化。

1.2塔设备的基本组成部分

无论是填料塔还是板式塔，除了各种内件之外，均由塔体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台等组成。

塔体塔体即塔设备的外壳，常见的塔体由等直径、等壁厚的简体及上下封头组成。

对于大型塔设备，为了节省材料也有采用不等直径，不等壁厚的塔体。

塔设备通常安装在室外，因而塔体除了承受一定的操作压力（内压或外压）、温度外，还要考虑风载荷、地震载荷、偏心载荷。

此外还要满足在试压、运输及吊装时的强度、刚度要求。

支座支座是塔体与基础的连接结构，它必须保证塔体坐落在确定的位置上进行正常的工作。

由于塔设备较高、重要较大，且又要承受各种动载荷，为保证其足够的强度及刚度，通常采用裙式支座。

接管接管用于连接工艺管线，使塔设备与其他相关设备相连接。

按其用途可分为进液管、出液管、回流管、进气管、出气管、侧线抽出管、取样管、仪表接管、液位计接管等。

除沫器主要用于捕集夹带在气流中的液滴。

除沫器工作性能的好坏对除沫效率、分离效果部具有较大的影响。

人孔及手孔为满足安装、检修、检查等需要，往往在塔体上设置一定数量的人孔或手孔。

不同的塔没备，其人孔或手孔的结构与位置的要求也不相同。

吊柱安装于塔顶，主要用于安装、检修时吊运塔内件。

第二章塔设备设计步骤

2.1基本步骤

（）设计方案确定和说明。

根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。

（）蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。

（）塔板设计：

计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。

接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。

（）管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。

（）抄写说明书。

（）绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。

2.2设计方案的确定

2.2.1操作条件的确定

确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。

例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式、余热利用方案以及安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。

下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。

2.2.2操作压力

蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。

确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。

2.2.3进料状态

进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。

在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。

此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。

2.2.4加热方式

蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。

有时也可采用直接蒸汽加热。

若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大（如酒精与水的混合液）。

2.2.5冷却剂与出口温度

冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。

如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。

如果能用常温水作冷却剂，是最经济的。

2.2.6热能的利用

精馏过程是组分反复汽化和反复冷凝的过程，耗能较多，如何节约和合理地利用精馏过程本身的热能是十分重要的。

2.3确定设计方案的原则

确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。

为此，必须具体考虑如下几点：

2.3.1满足工艺和操作的要求

所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。

2.3.2满足经济上的要求要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。

如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。

2.3.3保证安全生产例如酒精属易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。

又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。

第三章常规设计过程

3.1.常规塔工艺及物料平衡计算

3.1.1常规塔指仅有一处进料和塔顶、塔底各有一个产品，塔釜间接蒸汽加热的精馏塔。

（）全塔总物料衡算总物料

（）

易挥发组分

（）

若以塔顶易挥发组分为主要产品，

则回收率为

（）

式中

、、分别为原料液、馏出液和釜残液流量，

；

、

、

分别为原料液、馏出液和釜残液中易挥发组分的摩尔分率。

3.1.2直接蒸汽加热

（）全塔总物料衡算总物料

（）

易挥发组分

（）

式中

直接加热蒸汽的流量，

；

加热蒸汽中易挥发组分的摩尔分率，一般

；

直接蒸汽加热时釜液流量，

；

直接蒸汽加热时釜液中易挥发组分的摩尔分率。

3.2常规塔结构设计计算

3.2.1板式塔主要尺寸的设计计算，包括塔高、塔径的设计计算，板上液流形式的选择、溢流装置的设计，塔板布置、气体通道的设计等工艺计算。

3.2.2塔的有效高度和板间距的初选

3.2.3塔的有效高度板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高度，可按下式计算：

（）

式中

塔的有效高度，；

全塔总板效率；

塔内所需的理论板层数；

塔板间距，。

3.2.4塔的总体结构确定

塔的外壳多用钢板焊接，如外壳采用铸铁铸造，则往往以每层塔板为一节，然后用法兰连接。

3.3附属设备的选用

精馏装置的主要附属设备包括蒸气冷凝器、产品冷凝器、塔底再沸器、原料预热器、直接蒸汽鼓管、物料输送管及泵等。

前四种设备本质上属换热器，并多采用列管式换热器，管线和泵属输送装置。

根据工艺参数合理选取相应附属设备。

第四章塔设备中需要校核的轴向强度和稳定性

4.1圆筒轴向应力校

4.1.1圆筒轴向应力

圆筒任意计算截面按下列公式计算：

由内压和外压引起的轴向应力：

操作或者非操作时重力及垂直地震力引起的轴向应力

仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入。

最大弯矩引起的轴向应力

4.1.2圆筒稳定校核

圆筒许用轴向压应力按下式确定：

取其中较小值

圆筒最大组合压应力按以下公式校核：

对内压塔器：

对外压塔器

4.2塔设备压力试验时的应力校核

对选定的各计算截面按下列式子进行各项应力计算：

试验压力引起的周向应力

试验压力引起的轴向应力

弯矩引起的轴向应力

重力引起的轴向应力

压力试验时，圆筒材料的许用轴向压应力按下式确定：

取其中较小值

压力试验时，圆筒最大组合应力按以下公式校核：

液压实验时：

气压实验时：

液压实验时：

气压实验时：

4.3裙座轴向应力校核

圆筒形裙座轴向应力校核首先选取裙座危险截面。

危险截面的位置，一般取裙座底截面（）或裙座检查孔和较大管线引出孔（）截面处。

然后按裙座有效厚度验算危险截面的应力。

裙座底截面的组合应力：

裙座底截面的组合应力按下列式子进行校核：

取其中较小值

仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入。

取其中较小值

裙座底部截面积，

裙座圆筒和锥壳的底部截面系数，

裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力：

裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力按下列式子进行校核：

取其中较小值

仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入。

取其中较小值

截面处裙座的截面积，

截面处裙座壳截面系数，

4.4裙座筒体

基础环设计

（1）基础环内、外径由下列参考式选取：

（）基础环厚度可由下式计算：

无筋板时（如图）基础环厚度为

基础环材料的许用压力，

有筋板时基础环厚度为

取矩形板、轴的弯矩、中绝对值较大者，查表计算。

无论无筋板或有筋板的基础环厚度均不得小于。

地脚螺栓

混凝土基础上的最大压力，

取其中较大值

4.5裙座与塔壳焊缝

搭接焊缝

搭接焊缝截面处（如图）的剪应力按下式校核

焊缝抗剪断面面积，；裙座顶部截面的外直径，；搭接焊缝处的垂直地震力搭接焊缝处的最大弯矩，

压力试验时塔设备的最大质

截面以上塔设备操作质量，

焊缝抗剪截面系数，；

设计温度下焊接接头的许用应力，取两侧母材许用应力的小值，。

图搭接焊缝

对接焊缝

对接焊缝截面处（如图）的拉应力按下式校核

仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入。

裙座顶截面内直径，；

图对接焊缝

4.6塔设备法兰当量设计压力

塔设备分段安装采用法兰连接时，考虑内压、轴向力和外力矩的作用，其当量设计压力按下式确定。

法兰的当量设计压力，

垫片压紧力作用中心圆直径，；

轴向外载荷，拉力时计入，压缩时不计，；

设计压力，；

外力矩，应计入法兰截面的最大力矩、管线推力引起的力矩

其他机械载荷引起的力矩，。