乙醇水精馏塔设计方案机械设计方案部分.docx
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乙醇水精馏塔设计方案机械设计方案部分
封面
作者:
PanHongliang
仅供个人学习
一.前言
乙醇(C2H5OH),俗名酒精,是基本的工业原料之一,与酸碱并重,它作为再生能源犹为受人们的重视。
工业上常用发酵法(C6H10O5)n和乙烯水化法制取乙醇。
乙醇有相当广泛的用途,除用作燃料,制造饮料和香精外,也是一种重要的有机化工原料,如用乙醇制造乙酸、乙醚等;乙醇又是一种有机溶剂,用于溶解树脂,制造涂料。
众所周知,在医药卫生方面,乙醇作为消毒杀菌剂而造福于人类。
人类餐饮饭桌上饮用各种酒品,乙醇也是其中不可或缺的组成部分,如:
啤酒含3%~5%,葡萄酒含6%~20%,黄酒含8%~15%,白酒含50%~70%(均为体积分数)。
据有关资料表明,乙醇对人体具有营养价值。
现在,乙醇成为了一种新型替代能源-乙醇汽油。
按照我国的国家标准,乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。
它可以有效改善油品的性能和质量,降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物排放。
它不影响汽车的行驶性能,还减少有害气体的排放量。
乙醇汽油作为一种新型清洁燃料,是目前世界上可再生能源的发展重点,符合我国能源替代战略和可再生能源发展方向,技术上成熟安全可靠,在我国完全适用,具有较好的经济效益和社会效益。
乙醇精馏是生产乙醇中极为关键的环节,是重要的化工单元。
其工艺路线是否合理、技术装备性能之优劣、生产管理者及操作技术素质之高低,均影响乙醇生产的产量及质量。
工业上用发酵法和乙烯水化法生产乙醇,单不管用何种方法生产乙醇,精馏都是其必不可少的单元操作。
本次设计的精馏塔是为了精馏乙醇以得到高纯度的乙醇,要求达到塔顶馏出物浓度(94%(wt%)),塔底浓度(0.1%(wt%))。
本设计采用筛板塔,板式塔有一下优点生产能力大,塔板效率高,压降低,操作弹性大,结构简单。
二.塔设备任务书
简图与说明
比例
设计参数与要求
工作压力MPa
0.004
腐蚀速率mm/a
0.01
设计压力MPa
0.0044
设计寿命a
20
工作温度ºC
99.05
浮阀个数
设计温度ºC
120
浮阀间距
介质名称
乙醇、水
保温材料厚度/mm
100
介质密度kg/m3
1000
保温材料密度kg/m3
300
基本风压Pa
300
存留介质高度mm
52.5/49
地震烈度
7
壳体材料
Q-235A
场地类别
Ⅱ
内件材料
塔形
筛板塔
裙座材料
Q-235A
塔板数目
48
偏心质量kg
3000
塔板间距mm
450
偏心距mm
1000
接管表
符号
公称
尺寸
连接面形式
用途
符号
公称尺寸
连接面形式
用途
a1,2
450mm
-
人孔
g
45
mm
突面
回流口
b1,2
-
突面
温度计
h1-3
25
mm
突面
取样口
c
-
突面
进气口
i1,2
-
突面
液面计
d1,2
38mm
突面
加料口
j
38
mm
突面
出料口
e1,2
-
突面
压力计
k1-3
450mm
突面
人孔
f
127
mm
突面
排气口
条件内容修改
修改标记
修改内容
签字
日期
备注
乙醇-水精馏塔设计
单位名称
化工系3班李黎
工程名称
提出人
李黎
日期
06.6.28
三.塔设备已知条件
塔体内径
1200
场土地类别
Ⅱ
塔体高度
24900
偏心品质
3000
设计压力
0.0044
偏心距
1000
设计温度/ºC
120
塔保温层厚度
100
塔
体
材料
Q-235A
保温材料密度
300
许用
应力
113
裙
座
材料
Q-235B
113
许用应力
113
设计温度下弹性模量
2×10-5
常温屈服点
235
常温屈服点
235
设计温度下弹性模量
2×10-5
厚度附加量
2
厚度附加量
2
塔体焊接头系数
0.85
人孔、平台数
5
介质密度
1000
地脚螺线
材料
Q-235A
塔盘数
48
许用应力
147
每块塔盘存留介质层高度
50
腐蚀裕量
3
基本分压值
300
个数
4
地震设防烈度
7
表二:
已知条件列表
四.塔设备设计计算
1、选择塔体和裙座的材料
设计压力是指设定的容器顶部的最高压力,由“工艺部分”的工艺条件可知塔顶表压为4kPa;通常情况下将容器在正常操作情况下容器顶部可能出现的最高工作压力称为容器的最大工作压力用表示,即=0.004MPa;取设计压力
0.0044MPa。
设计温度是指容器在正常操作情况下,在相应设计压力下,设定的受压组件的金属温度,其值不得低于容器工作是器壁金属达到的最高温度。
本设计塔内最高温度塔底取得ºC,设计温度可以取为ºC。
从上可知,设计压力和设计温度都属于低压、低温状态,塔体和裙座的材料可用:
Q235-A,GB912,热轧,厚度为3~4mm,常温下强度指标375MPa、235MPa,设计温度下的许用应力113MPa。
(查表8-6)
2、塔体和封头壁厚的计算
2.1塔体壁厚的计算
塔体的壁厚是值塔体计算出来的有效厚度,有效厚度可以用下式计算
(式中为理论计算厚度,mm;为除去负偏差以后的圆整值,mm;为名义厚度,mm;为钢板厚度负偏差,mm;为腐蚀裕量,mm。
)
2.1.1理论计算厚度
,其中指塔体的内径,由工艺部分计算可知=1.2m;为焊接头系数,本设计采用双面焊、局部无损探伤,=0.85。
=0.03mm
对于碳素钢和低合金钢制容器,,而<,且(钢板厚度按8~25mm计)。
假设腐蚀裕量=2mm。
=+=5mm
=5-0.5-2=2.5mm
2.2封头壁厚的确定
根据塔径=1200mm,取用标准椭圆形封头,(查表8-27)可选用EHA的标准椭圆形封头(JB/T4746-2002),公称直径DN=1200mm,曲面高度300mm,直边高度25mm,内表面积1.665m2,容积0.255m3,厚度6mm,质量77kg。
3、设备质量载荷计算
塔设备的操作质量:
塔设备的最大质量:
塔设备的最小质量:
3.1塔体质量
单位长度筒体的质量:
=148.5kg/m
由工艺部分计算可知塔高H=21.6m,取裙座高度h=3m;
筒体质量:
=3207.6kg
裙座质量:
445.5kg
由前面可知一个封头质量G=77kg,则有封头质量:
77×2=154kg
=3807.1kg
3.2塔段内件质量
查数据可知筛板塔质量;由工艺部分计算可知塔盘数为N=48块
3526.8kg
3.3保温层质量
保温材料密度为300kg/m3,厚度为100mm
筒体部分保温层的质量:
=
封头部分保温层的质量:
直边部分+曲面部分
直边部分:
曲面部分近似计算为:
内表面积×厚度×密度1.665×0.1×300=50kg
封头部分质量=2×(0.166+50)=100.23kg
所以,=143+100.23=243.23kg
3.4平台、扶梯质量
本设计用5个钢制平台,笼式扶梯,查资料可知刚直平台和笼式扶梯的单位质量分别为:
,。
=
==3442.6kg
3.5操作时塔内物料质量
由工艺部分计算可知精馏段塔盘数为39,,,
;
提馏段塔盘数为9,,,
==0.785×=3335.66kg.
3.6附件质量
按经验取附件质量=0.25=0.25×3807.1=951.78kg
3.7充液质量
=24926.6kg
3.8偏心质量
当塔设备的外侧挂有分离器、再沸器、冷凝器等附属设备时,可将其视为偏心载荷。
本设计中将再沸器挂于塔上,所以再沸器构成塔的偏心质量,再沸器质量为3000kg,偏心距为1000mm。
所以=3000kg。
3.9操作质量、最小质量、最大质量
=3807.1+3526.8+243.23+3442.6+3335.66+951.78+3000=18308.23kg
=3807.1+0.2×3526.8+243.23+2950.89+951.78+3000=12150.13kg
=3807.1+3526.8+243.23+2950.89+24926.6+951.78+3000=39898.13kg
4、风载荷和风弯距的计算
塔设备受风压作用时,塔体会发生弯曲变形。
吃到塔设备迎风面上的风压值,随设备高度的增加而增加。
为了计算简便,将风压值按塔设备的高度分为几段,假设每段风压值各自均匀分布于塔设备的应分面上。
本设计中结合塔高,将风压值分为3段,请参考下图所示。
图一:
塔设备的风压示意图
4.1各段水平风力的计算
各段的水平风力可以用下式计算
式中各符号的含义:
-塔设备各计算段的水平风力;-空气动力系数,对于圆筒形设备=0.7;-风振系数,当H20m时,取=1.70,当H20m时,按下式计算
=(-脉动增大系数;-第i段的脉动影响系数;-第i段振型系数;风压高度变化系数),本设计中H20m;-基本分压值,厂址建在重庆的市区,基本分压为300Pa;-第i段计算段长度;-塔设备各计算段有效直径,当笼式扶梯与塔顶管线布置成180度时(本设计中按180度处理),
=。
=,通过查表近似估算处各段的值分别为1.06,1.06,1.21,1.8,1.8
对0-1段,
=0.7×1.06×300×0.54×1×(1210+200+400+127)×10-3
=232.84N
对1-2段
=0.7×1.06×300×0.54×2×(1210+200+400+127)×10-3
=465.67N
对2-3段
=0.7×1.21×300×0.54×5.9×(1210+200+400+300+127+2×100)×10-3
=1927.9N
对3-4段
=0.7×1.8×300×0.71×8×(1210+200+400+300+127+2×100)×10-3
=5232.34N
对4-5段
=0.7×1.8×300×0.94×8×(1210+200+400+300+127+2×100)×10-3
=9274.91N
4.2危险界面风弯距的计算
塔设备的危险接口应取在其较薄弱的部位,如:
塔设备的底部0-0、裙座上人孔或较大管线出孔处的接口1-1、塔体与裙座连接焊缝处的截面2-2,本设计将计算这三处塔设备的风弯距。
风弯距可以按下式进行计算:
……….
塔底部的风弯距0-0:
=273861N.m
裙座上人孔或较大管线出孔处的界面1-1:
=256844N.m
塔体与裙座连接焊缝处的截面2-2
=223508N.m
5、地震载荷和地震弯距计算
塔设备在地震波的作用下有三个方向的运动:
水平方向振动、垂直方向振动和扭转,其中以水平方向振动危害较大。
地震时使塔设备相对于地面运动的惯性力称为地震力。
在一般计算中只考虑水平地震力对设备的作用。
5.1地震载荷
5.1.1水平地震载力
任意高度处的集中品质引起的基本振型水平地震力/N按下式计算:
式中:
-综合影响系数,取0.5;-距地面处的集中品质;-对应于塔设备自振周期他T1的地震影
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- 乙醇 精馏塔 设计方案 机械设计 方案 部分