化工原理课程设计 塔结构设计及零部件选取

化工原理课程设计及零部件选取

塔结构设计 南京工业大学 化工原理课程设计

§5.塔结构设计及零部件选取

§ 5.1塔径计算

5.1.1气相密度 ρV = P顶×M /(R×T顶)

=0.016×126.587×106×10-3/8.3143×(99.5252+273.15) =0.6536615 kg/m3

P顶=120 mmHg = 0.016 MPa T顶---------------- K

M------------------- 平均分子量

5.1.2 CY型填料的泛点当量气速WLF = 2.2 m/s 在操作条件下75%液泛时气速:

WG = 0.75 × WLF × (1.2/ρV)0.5

=0.75×2.2×(1.2/0.6537)0.5=2.2356m/s

5.1.3. 最佳动能因子

F=WG× (ρV)0.5

=2.2356×0.65370.5=1.8075

5.1.4.塔径计算

DT=0.053

VMT/PF (《化学工程手册》第13篇)

化工1001 王艳虹 第 2 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

=0.053

6.3636126.587×(99.5252+273.15)/1201.8075

=0.4428m

V----塔顶蒸汽摩尔流率，kmol/h; M---塔顶混合蒸汽分子量； T-----------塔顶温度，K; P-----------塔顶压力，mmHg。 计算得DT=0.4428m, 选用8mm钢板卷制成内径为500mm的塔节，圆整后进行处理能力校核。（查化工工艺设计手册） 5.1.5塔处理能力校核

V’=(DT’/DT)2×V=(0.5/0.4428)2 ×6.3636

=8.1139 kmol/h

§5.2填料层及塔节分段、塔的总高度

① 精馏段高度：

精馏段理论板数N1=29块 29/5=5.8m

分3个塔节，3个塔节都为2500mm，其中2000mm为填料层，500mm为液体再分布器等。此时，精馏段为7500mm。

② 提馏段高度：

提馏段有N2=21块 21/5=4.2m

分3个塔节，其中每个塔节为2000mm，其中1500mm为填料层，500mm为液体再分布器等。此时，提馏段为6000mm。 ③塔的顶部空间（指塔顶第一层塔盘到塔顶封头切线的距离）：

化工1001 王艳虹 第 3 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

塔顶封头为100mm，为了减少塔顶出气口气体的夹带的液体量，顶部空间取1500mm。顶部装有液体分布器和除沫器。

④进料空间

为了调节进料管的进料位置，用3个进料口，在每个进料口下面加一个500mm的填料，在每个填料上方都加喷淋装置使液体分布均匀，进料口高度为200mm。此时，进料空间为2100mm。

⑤塔的底部空间高度

由于釜液需停留时间h>（15%×h填料）=0.15×12=1.8m 取h=2500mm

⑥支柱高度

塔底由裙座支撑 ∵H/DN=19.6/0.5=39.2>25 ∴选用圆形座圈2000mm ⑦塔高

H=7500+6000+1500+2100+2500+2000=21600=21.6m

§5.3筒体厚度和封头厚度

① 筒体：

DT=500mm<800mm，采用单面自动焊或手工焊并作局部透视，取 Φ=0.85。选取8mm，Q235-B钢板作外压校核计算，负偏差C1=0.8mm，腐蚀余量C2=1mm。 C=C1+C2=1.8mm

化工1001 王艳虹 第 4 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

δe=δn-C=8-1.8=6.2mm

L=21600-2000-200+（2/3）×100=19466.67mm D0=Di+2δn =500+2×8=516 mm L/D0=19466.67/516=37.73 D0/δe =516/7.2=71.67

查图（《化工设备机械基础》） A=0.000122 ∵t=99.5252℃<150℃ ∴E=2.00×105 Pa [P]=2EAδe/(3Do)

=2×2.00×105×0.000122×7.2/(3×516) =0.2270 MPa>0.1 MPa

∴选用材料为Q235-B，厚度为8mm的钢板卷制筒体。 ② 封头

为了和筒体配合，选用Q235-B，8mm钢板试算。 δe=6.2 mm

对于标准椭圆形封头，取R=0.9Di=0.9×500=450mm A=0.125δe/R=0.125×6.2/450=0.00172 查图得 B=135 MPa

[P]=Bδe/R=135×6.2/450=1.86 MPa>>0.1 MPa ∴用8mm钢板冲压封头，封头深度为100mm。

§ 5.4塔体结构设计

化工1001 王艳虹 第 5 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

1．塔体结构

① 筒造：选用Q235-B，厚度为8mm的钢板卷制，分节制造，

法兰连接。

② 法兰选用：P≤1.6 MPa，T≤300℃，选用甲型平焊法兰JB4701-92。

由于物料是低压，无毒，选用平面密封面。 2．填料层及塔节分段

螺柱：M16 20个 垫片：耐油石棉橡胶板

外径D=439mm，内径d=403mm，厚度δ=3mm。 ③封头选用：

选用椭圆形封头 Dg500×9，JB11-73

化工1001 王艳虹 第 6 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

公称直径Dg 曲面高度M 直边高度h 内表面积F 厚度mm 500 125 25 0.223 8

§ 5.5 零部件选取

1. 接管口选取 ①塔顶蒸汽管出口

n=(6.3636×103)/3600=1.7677mol/s 体积V =nRT/P

=1.7677×8.3143×(99.5252+273.15)/0.016×106 =0.3423m3/s 取u=20 m/s

D=4V/(u)=40.3423/(3.1420)=0.1477m=147.7mm a． 选用普通无缝钢管[2] (YB231-70)

DN=150mm D外=159mm δ=4.5mm L=200mm m=3.4053Kg

b. 选用板式平焊法兰[3] HGJ45-91 如前图

D=265mm K=225mm L=18mm n=8

六角头螺栓、螺柱 Th=M16 螺栓l=70 螺柱l=90 密封面 d=202mm f1=3mm B=161mm 法兰及法兰盖厚度 20mm c. 选用橡胶石棉垫片[4]

外径 202mm 内径159mm 厚度2mm

化工1001 王艳虹 第 7 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

② 进料管：以第30块板为进料板 已知进料温度：tF=106.9519℃ 查前表得：

ρOCT 100℃=1.007 g/cm3 ρOCT 110℃=0.9977 g/cm3 ρOCT=[(0.9977-1.007)/(110-100)]×(106.9519-100)+1.007

=1.0005 g/cm3

ρPCT100℃= 0.9963 g/cm3 ρPCT110℃= 0.9870 g/cm3 ρPCT =[(0.9870-0.9963)/10]×(106.9519-100)+0.9963

= 0.98 g/cm3

ρm =ρOCTxf+ρPCT(1-xf)

=1.0005×0.4+0.98×0.6 =0.99408 g/cm3=994.08 kg/m3 F = (FM)/ρm

=(0.9875×126.587)/(994.08×3600) =3.493×10-5 m3/s

取u=1m/s DF =4F/(u)

=43.493105/(3.141) =6.671×10-3 m = 6.671 mm

a 选用普通无缝钢管[2] （YB231-70）

DN=10 mm D外=14 mm δ=3 mm L=600 mm m=0.3527 Kg

化工1001 王艳虹 第 8 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

b 选用板式平焊法兰[3] HGJ45-91

法兰外径 D=75 mm 螺栓孔中心圆直径K=50 mm

螺栓孔直径L=11 mm 螺栓孔数n=4

六角头螺栓、螺柱、螺纹Th=M10 螺栓长度l=45 mm 螺柱长度l=45 mm

密封面突面d=35 mm 突出高度f1=2 mm 法兰内径B=15 mm

法兰及法兰盖高度为12 mm

c 选用石棉胶板垫片[4] （HGJ69-91） 外径 35 mm 内径 14 mm 厚度1.5 mm ③回流液体管 Tl=99.5252℃

ρOCT,100℃=1.007 g/cm3 ρOCT,90℃=1.017 g/cm3 ρOCT =[(1.007-1.017)/10]×(99.5252-90)+1.017

化工1001 王艳虹 第 9 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

=1.0075 g/cm3

ρPCT,100℃=0.9963 g/cm3 ρPCT,90℃=1.006 g/cm3 ρPCT =[(0.9963-1.006)/10]×(99.5252-90)+1.006

=0.99676g/cm3 ρm=ρOCT xD+ρPCT (1-xD)

=1.0075×0.8+0.99676×0.2=1.00535g/cm3 L = ML’/ρm×103×3600

=(126.587×6.0345)/( 1.00535×103×3600) =2.1106×10-4 m3/s D =4L/u

=42.1106104/3.14/1= 1.6397×10-2 m=16.397mm a 选用普通无缝钢管[2] (YB231-70)

DN=20 mm D外=25 mm δ=3 mm L=500 mm m=0.815 Kg b 选用板式平焊法兰HG20592

法兰外径D=90 mm 螺栓孔中心圆直径K=65 mm 螺栓孔直径L=11 mm 螺栓孔数量n=4 螺纹Th=M10

法兰厚度C 14mm 法兰内径 B=26 mm 法兰理论重量 0.60 kg c 选用橡胶石棉垫片HG20592 D外=90 mm D内=27 mm δ=1.5 mm ④塔底出料管 TB=111.1698℃

ρOCT110℃= 0.9977 g/cm3 ρOCT120℃= 0.9881 g/cm3

化工1001 王艳虹 第 10 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

ρOCT = [(0.9881-0.9977)/10]×(111.1698-110)+0.9977

= 0.9966 g/cm3

ρPCT110℃ = 0.9870 g/cm3 ρPCT120℃ = 0.9777 g/cm3 ρPCT = [(0.9777-0.9870)/10]×(111.1698-110)+0.9870

= 0.9859g/cm3

ρm = ρOCTxw+ρPCT(1-xw)

=0.9966×0.2+0.9859×0.8 =0.9880g/cm3 W = Mw/3600×ρm×103

= (126.587×0.658333)/(3600×0.9880×103) = 2.343×10-5m3/s

D=4W/u =42.343105/3.14/1 =5.463×10-3 m = 5.463mm a 选用普通无缝钢管[2](YB231-70)

DN=10 mm D外=14 mm δ=3 mm L=400 m= 0.2351Kg b 选用板式平焊法兰[3] HGJ45-91

D=75 mm K=50 mm L=11 mm n= 4

六角头螺栓、螺柱、螺纹Th=M10 螺栓l=45 mm 螺柱l=45 mm

密封面d=35 mm f1=2 mm B=15 mm 法兰及法兰盖厚度为12 mm

c 选用橡胶石棉垫片[4](HGJ69-91)

化工1001 王艳虹 第 11 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

D外= 35 mm D内= 14 mm δ= 1.5 mm ⑤ 塔釜蒸汽进口管

P底= 170.00148mmHg =2.2659×104Pa N’= V’/3600 = 6.3866×103/3600 = 1.7741 V = n’RT/P

=[1.7741×8.3143×(111.1698+273.15)]/2.2659×104 =0.2502m3/s u= 20 m/s D=4V/u

=40.2502/3.14/20)= 0.1262 m= 126.2 mm

a .选用普通无缝钢管[2](YB231-70)

DN=150 mm D外=159 mm δ=4 .5mm L=200 mm m=3.43 Kg

b .选用板式平焊法兰HG20592

法兰外径D=265 mm 螺栓孔中心圆直径K=225 mm 螺栓孔直径L=18 mm 螺栓孔数量n=8 螺纹Th=M16

法兰厚度C20mm 法兰内径 B=161 mm 法兰理论重量 5.14kg

c .选用橡胶石棉垫片HG20592

化工1001 王艳虹 第 12 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

D外=265 mm D内=169 mm δ=1.5 mm 2. 其它

① 液体分布装置（回流，进料）

 回流液体分布器

本设计选用莲蓬头喷洒器，莲蓬头一般用于直径在600mm以下的小型填料塔，其安装位置与填料层上表面的距离，通常为（0.5~1）DN。本设计莲蓬头安装在与填料层上表面的距离为300mm处。

莲蓬头直径d=0.25DN=125mm 喷洒半角α=40℃ 小孔直径Φ=6mm

弯曲直径R=2.5DH =2.5×17.717=44.29mm(DH为回流管外径)  进料液体分布器[3]

本设计采用直管多孔式喷洒器。

化工1001 王艳虹 第 13 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

孔径Φ=5mm，共3排。

小孔面积之和约与管截面积相等， 小孔数 n=d2/de2=102/52=4个

② 液体再分布装置[3]

当液体沿填料层由上向下流动时，常拌有液体在填料层

化工1001 王艳虹 第 14 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

内由中心向四周的横向流动发生，结果使得靠近塔壁的区域液体流量增大，而在塔的中心区域液体流量减少，为使流向塔壁的液体能重新流回塔中心部位，一般在流体流过一定高度的填料层装置一个液体再分布器。本设计选用分配锥，分配锥结构简单，它是小型填料塔（如直径小于1m）上常用的一种液体再分布器。其典型结构如下图：

D1=0.7DN=0.7500=350 mm H=0.2DN=0.2×500=100mm 锥厚δ=4 mm ③ 栅板及支承圈[3]

DN=500≤500 mm 采用整块式栅板

塔径 填料环栅板 直径 化工1001 王艳虹 第 15 页 共 20 页

支承装置 允许装填填料高度 南京工业大学 化工原理课程设计

DN 25 500 R 240 h×s 30×6 t 25 支承圈宽×厚 筋板数目 40×6 0 10DN

④ 丝网除沫器[4]

丝网除沫器用于分离塔体中气体夹带的液滴，用以保证传质效率，还可减少板间距。 t=99.5252℃ XD=80%

化工1001 王艳虹 第 16 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

ρL=1.00535g/cm3 ρV=0.6536615 kg/m3 k=0.116

V =K(LV)/V

= 0.116 (1.00535 103-0.6537)/0.6537 = 4.76 m/s Q = MV/(ρv×3600)

= 126.587×4.6576/(0.6537×3600) = 0.2505 m3/s D = 4Q/V

=4×0.2505/(3.14×4.76) =0.29m

采用不锈钢丝网1Cr18Ni9Ti HG5-1406-81-50 H=150mm 规格为140-400型 金属丝 0.1×0.4 mm

§6.辅助设备选用

6.1. 进料预热器 6.2. 全凝器

冷却水用量 W水= 8495.69 kg/h 考虑到10%的热损失，取冷却水用量

W水’=W(1+10%) = 8495.69 × 1.1 =9345.259 kg/h K= 200 kcal/(m2·h·℃)= 836.82 kJ/((m2·h·℃)

化工1001 王艳虹 第 17 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

tm=[(99.5252-30)-(99.5252-40)]/ln[(99.5252-30)/ (99.5252-40)] =.3958 ℃

Ac= Qc/K△tm= 35.461×104/(836.82× .3958) = 6.581m2

选用重力回流卧室冷凝器，其运转费用相对较少，结构紧凑，配管容易，适用小量生产。 6.3. 再沸器[4]

蒸汽用量 W汽=122.62 kg/h

考虑到10%的热损失，取蒸汽用量： W汽’= 122.62×1.1= 134.882 kg/h

K=1400 kcal/(m2·h·℃)=5857.74 kJ/(m2·h·℃) 0.3MPa下，饱和蒸汽温度 t= 133.3℃ △t= t-tW= 133.3 - 111.1698 = 22.1302 ℃

AB= QB/k△t= 26.5841×104/(5857.74× 22.1302)=2.0507 m2

选用卧室热虹吸式，传热系数中等，加热停留时间短，维护和清理方便，适应于真空操作。

§讨 论

化工1001 王艳虹 第 18 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

§8.主要设计结果汇总

主要设计结果： A． 理论板数：51 块

精馏段：29块 提馏段：21块

化工1001 王艳虹 第 19 页 共 20 页

南京工业大学 化工原理课程设计

B． 填料高度

精馏段：6m 提馏段：4.5m

C． 塔径：Φ=500mm，δ=9mm D． 塔顶温度：99.5252℃ E． 塔底温度：111.1698℃ F． 进料温度：106.9519℃ G． 塔高：21.6m

§9.参考文献

1.《化工工艺设计手册》(上、下两册)，第四版.国家医药管理局上海医药设计院编. 化学工业出版社.

2.《石油化工基础数据手册》.卢焕章编.化学工业出版社.

3.《化工设备结构手册》.《化工设备结构图册》编写组. 上海科技出版社.

4.《化工设备设计基础》.周志安等编.化学工业出版社. 5.《化工设备设计手册》第二卷《金属设备》.上海人民出版社. 6.《化学工程手册》第13篇《汽液传质设备》.化学工业出版社. 7.《材料与零部件》(上、下册).上海人民出版社.

化工1001 王艳虹 第 20 页 共 20 页