20萬噸直餾柴油年氨精制裝置設(shè)計設(shè)計說明書1

1、參賽隊伍：環(huán)衛(wèi)工團隊參賽題目：20萬噸直餾柴油/年氨精制裝置設(shè)計所屬院校：廣東石油化工學院目 錄第1章 原始材料11.1 氣提塔進出物料情況11.2 氣提塔熱負荷21.3 操作壓力21.3.1 塔頂操作壓力21.3.2 塔底操作壓力2第2章 氣提塔設(shè)計計算32.1 試選傳熱系數(shù)初始值32.2 氣提塔尺寸的確定32.2.1 平均溫差32.2.2 估算傳熱面積32.2.3 氣提塔降膜熱管尺寸42.2.4 管數(shù)的確定42.2.5 塔徑的計算5第3章 傳質(zhì)過程計算63.1 列管內(nèi)氣速63.1.1 氣體流人點氣速63.1.2 氣體流出點氣速63.1.3 氣速平均值63.2 流體周邊流量63.2.1 液體

2、流入點周邊流量73.2.2 液體流出點周邊流量73.2.3 液體周邊流量平均值83.3 液膜厚度83.3.1 液體流入點液膜厚度83.3.2 液體平均液膜厚度93.4 液泛速度計算93.5 液體最小潤濕率計算103.6 液膜停留時間和液膜平均速度11第4章 復核傳熱系數(shù)134.1 管外蒸氣冷凝時的給熱系數(shù)134.2 管內(nèi)液體沿垂直壁面成膜下流時的給熱系數(shù)144.3 總傳熱系數(shù)14第5章 傳熱面積15第6章 精度計算15第7章 零部件及穩(wěn)定性167.1 塔壁厚的確定167.2 封頭的選擇167.3 塔高的計算167.4 塔設(shè)備的穩(wěn)定計算177.4.1 風載荷177.4.2 塔底部截面的最大彎矩1

3、77.5 裙座設(shè)計187.5.1 裙座尺寸187.5.2 基礎(chǔ)環(huán)187.6 管板和折流板217.6.1 管板設(shè)計217.6.2 折流板設(shè)計217.7 拉桿和定距管227.8 膨脹節(jié)227.9 塔體法蘭選擇227.10 液體分配器227.11 除沫器227.12 液體分布器23第8章附表24表8.1 氣提塔參數(shù)一覽表24表8.2 各符號物理意義一覽表26第1章 原始材料1.1 氣提塔進出物料情況表1.1 氣提塔進出料情況進料流量（kg/h）出料流量（kg/h）油相（40）27672油相（70）27643.33其中：柴油27632.34其中：柴油27632.34nh328.67nh30 乙二醇10

4、.78 乙二醇10.78 rcooh0.79 rcooh0.79置換氣（35）60氣提氣（60）88.67其中：n260其中：n2 nh36028.67合計27732合計27732表1.2 物料參數(shù)一覽表/18.053.23/69.751.272202.22.30276723.327643.333.0927657.662.26.3230.833.092.4234.71943806.72.147900.498798.351.2 氣提塔熱負荷 1.3 操作壓力1.3.1 塔頂操作壓力1.3.2 塔底操作壓力 第2章 氣提塔設(shè)計計算2.1 試選傳熱系數(shù)初始值針對本設(shè)計中氣提塔的進出物料情況和溫度、壓

5、力等參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗確定氣提塔傳熱系數(shù)的初始值：2.2 氣提塔尺寸的確定2.2.1 平均溫差管外以飽和蒸氣加熱，蒸氣溫度為。蒸氣和混合溶劑的平均溫差為：蒸氣：溶劑： 蒸氣和管內(nèi)氣體溫差為：蒸氣：氣體： 總的平均溫差應(yīng)以蒸氣和混合溶劑的平均溫差為主，也要考慮蒸氣和管內(nèi)氣體間的平均溫差，由下式計算：表2.1 平均溫差位置溫差/63.871.864.62.2.2 估算傳熱面積2.2.3 氣提塔降膜熱管尺寸傳熱面積估算后，進而對氣提塔降膜換熱管尺寸的計算。降膜換熱管管徑不宜太小，以免管數(shù)太多，導致布膜復雜且不勻，根據(jù)生產(chǎn)能力，選用材質(zhì)為cr17mn14mo2n，型號為的管子。由于液膜的傳熱阻力集中在靠近

6、管壁邊界層中形成這種邊界層“成膜”需要一段膜的流過長度，稱為熱力人口端長度。在熱力入口端長度內(nèi)(一般為)，膜較厚，流速低，給熱系數(shù)小，因此，管長以以上為宜。只要液膜分布器結(jié)構(gòu)能確保布膜均勻，降膜管的長徑比可達200，故選管長：的一段結(jié)構(gòu)，保證傳質(zhì)傳熱在良好情況下進行，并盡量減少混合溶劑在塔內(nèi)的停留時間。2.2.4 管數(shù)的確定理論管數(shù)：選用正三角形排列，管心距為，查得中心管數(shù)為，總管數(shù)為169，去拉桿、排污管7根，故實有管數(shù)：圖2.1 降膜換熱管排列2.2.5 塔徑的計算管子采用焊接，降膜管的管徑、管長及管數(shù)估算后，即可估算塔徑：式中：降膜熱管外徑，。圓整得塔內(nèi)徑為，取管板徑為。第3章 傳質(zhì)過程

7、計算主要計算列管內(nèi)氣速是否達到液泛速度，液體潤濕率是否低于最小潤濕率。3.1 列管內(nèi)氣速3.1.1 氣體流人點氣速在氣體流入點氣體質(zhì)量流量為，溫度為，操作壓力為，換算為體積流量為：氣體流速：3.1.2 氣體流出點氣速在氣體流出點氣體流量為，溫度為，操作壓力，換算為體積流量為：氣體流速：3.1.3 氣速平均值表3.1 列管內(nèi)氣速位置氣速/(m/s)0.0580.2250.1413.2 流體周邊流量流體周邊流量：雷諾準數(shù)：液體物性參數(shù)采用在液膜溫度下之值。3.2.1 液體流入點周邊流量液體流入點質(zhì)量流量：液體流入點周邊流量：流入點混合柴油的粘度取柴油之值：液體流入點雷諾準數(shù)：3.2.2 液體流出點

8、周邊流量液體流出點質(zhì)量流量：液體流出點周邊流量：流出點混合柴油的粘度取柴油之值：液體流出點雷諾準數(shù)：3.2.3 液體周邊流量平均值液體平均質(zhì)量流量：液體周邊流量平均值：混合柴油的平均粘度：流體平均雷諾準數(shù)：表3.2 流體周邊流量和雷諾準數(shù)位置流體周邊流量(kg/m·h)2091.22089.12090.1位置雷諾準數(shù)1323270417763.3 液膜厚度3.3.1 液體流入點液膜厚度在液體流入點，采用下式計算：液體物性參數(shù)采用液體流人點液膜溫度下之值，(前面已出現(xiàn)過的，不再列出下同)?；旌喜裼偷拿芏龋簹馓釟饷芏龋阂耗づc水平面間的夾角：重力加速度：液體流入點液膜厚度：在有氣體逆流掃過

9、時，液膜厚度增大，取，則液體流入點實際液膜厚度：3.3.2 液體平均液膜厚度由于，采用下式計算：液體物性參數(shù)采用液體流入點和流出點物性參數(shù)之算術(shù)平均值。液體平均密度：氣體平均密度：液體平均液膜厚度：同樣，在有氣體逆流掃過時，取，則液體平均實際液膜厚度：表3.3 液膜厚度位置液膜厚度/m7.8×10-48.6×10-46.9×10-47.6×10-43.4 液泛速度計算由于氣體流出點，即液體流人點的氣速為最大值，液泛速度計算應(yīng)以此點為依據(jù)。液體開始溢出時的關(guān)聯(lián)式為：液體各特性參數(shù)采用流人點液膜溫度下之數(shù)值，氣體各物性參數(shù)采用流出點之值。混合柴油的表面張力，

10、取柴油之值：氣體粘度用平方根規(guī)律求得：則：因液體流人管子處的熱力入口端長度內(nèi)液膜較厚，計算液體重量流速時的液膜厚度采用正常成膜厚度的兩倍，則：液體的重量流速：氣體的重量流速：達到液泛所需要的速度：因，所以管內(nèi)氣速在允許范圍之內(nèi)。3.5 液體最小潤濕率計算由于液體流出點，即氣體流人點的液體潤濕率為最小植，核算液體潤濕率應(yīng)以此點為依據(jù)，最小潤濕率由下式求得：各物性參數(shù)采用液體流出點之值。柴油的表面張力：由于氣液間傳質(zhì)和傳熱引起的表面張力變化：液體最小潤濕率：液體在流出點的實際潤濕率為：因，故液體潤濕率在正常范圍之內(nèi)。3.6 液膜停留時間和液膜平均速度在液體周邊流量變化時，液膜在管內(nèi)停留時間為：、采

11、用液體流人點和流出點的算術(shù)平均值，周邊流量、分別采用液體流入點和流出點之值，所以：液膜平均速度：第4章 復核傳熱系數(shù)4.1 管外蒸氣冷凝時的給熱系數(shù)管外為的飽和水蒸氣，查得水蒸氣焓變：所以飽和蒸氣冷凝量：冷凝水周邊流量：物性參數(shù)在水液膜溫度下求取 ：水的粘度：所以殼內(nèi)雷諾準數(shù)：由于，采用下式計算：同樣，物性參數(shù)在液膜溫度下求?。航o熱校正系數(shù)：水的導熱系數(shù)：水的密度：所以：4.2 管內(nèi)液體沿垂直壁面成膜下流時的給熱系數(shù) 由于，給熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式如下：液體各物性參數(shù)采用流人點和流出點液膜物性參數(shù)之算術(shù)平均值。柴油的比熱：柴油的導熱系數(shù)：所以：4.3 總傳熱系數(shù)管外蒸氣熱阻，取液膜產(chǎn)生的氣泡熱阻，取不銹

12、鋼的導熱系數(shù)，取所以，總傳熱系數(shù)：第5章 傳熱面積由于前面計算過，所以：增加10%的設(shè)計裕量后，傳熱面積核算值為：實際傳熱面積復核：162根不銹鋼管長。由于，傳熱面積以內(nèi)壁計。所以，實際傳熱面積為：第6章 精度計算由于：由精度計算結(jié)果可知，滿足了設(shè)計要求，故氣提塔塔內(nèi)徑為。第7章 零部件及穩(wěn)定性7.1 塔壁厚的確定根據(jù)選材分析，本氣提塔選用鋼材來制作塔體和封頭, 本氣提塔的水蒸氣壓力為，溫度為，設(shè)計壓力為。塔壁厚根據(jù)下式計算：式中：焊縫系數(shù)（雙面對接焊，100%無損探傷），??；鋼板負偏差，??；腐蝕裕量，??；許用應(yīng)力，取。于是：圓整后得：。7.2 封頭的選擇由于，選擇橢圓型封頭,封頭高度為，直邊

13、高度，取壁厚。7.3 塔高的計算塔的底部空間高度是指塔底封頭直邊到下塔盤的高度為，因為塔底空間具有中間儲槽作用，停留時間一般35分鐘，這里取3分鐘，所以，塔釜體積為：所以：塔的頂部空間高度是指上塔盤到塔頂封頭直邊的高度為，為了減少塔頂出口氣體中夾帶的液體量，頂部空間一般去，故這里取塔頂高度：裙座高度：所以，塔總體高度為：7.4 塔設(shè)備的穩(wěn)定計算7.4.1 風載荷風載荷是安裝在室外的塔設(shè)備的基本載荷之一，塔除了使塔體產(chǎn)生應(yīng)力而外，還會使塔體產(chǎn)生方向與風向相同的順風向振動和垂直于風向的橫風向振動，振動的結(jié)果使塔設(shè)備產(chǎn)生撓度，過大的應(yīng)力會造成塔體的強度和穩(wěn)定失效，過大的撓度不僅會使塔的分離效果降低，

14、也會使塔的偏心矩增加。若產(chǎn)生共振，還可能導致塔體的破壞。因此，不可忽視風載荷的作用。由當?shù)刈畲箫L力12級，查得風速，風壓，塔高為。風載荷為：式中：體型系數(shù)，表示穩(wěn)定風壓在設(shè)備上的分布情況，它與設(shè)備的形狀有關(guān)。在塔設(shè)備計算中，通常取0.7；塔器各計算段的風振系數(shù)，與風壓脈動和塔體特征有關(guān)，通常當塔高時，?。伙L壓高度變化系數(shù)，查得。所以：7.4.2 塔底部截面的最大彎矩（1）風彎矩 ：（2）偏心彎矩：塔設(shè)備在使用中，有時要承受偏心載荷，故應(yīng)考慮偏心載荷在塔設(shè)備上引起的偏心彎矩。在本設(shè)計中認為偏心彎矩很小，所以忽略不計。由于：取其中較大值，所以：7.5 裙座設(shè)計7.5.1 裙座尺寸裙座高度：裙座厚度

15、：裙座直徑：。裙座人孔：7.5.2 基礎(chǔ)環(huán)基礎(chǔ)環(huán)壓在混凝土基礎(chǔ)之上，其結(jié)構(gòu)尺寸的確定應(yīng)考慮到地腳螺栓的位置及基礎(chǔ)混凝土的抗壓強度。混凝土基礎(chǔ)上的最大壓應(yīng)力考慮正常操作與水壓試驗兩種狀態(tài)，取其較大者。（1）基礎(chǔ)環(huán)的內(nèi)、外徑使用下列公式選?。汗蔬@里選?。核曰A(chǔ)環(huán)的實際受力面積為：（2）基礎(chǔ)環(huán)的厚度計算：本基礎(chǔ)環(huán)采用有筋板設(shè)計，故：式中：裙座外觀至基礎(chǔ)環(huán)緣間距離，；基礎(chǔ)環(huán)材料的許用應(yīng)力，對于鋼材；混凝土基礎(chǔ)上的最大壓應(yīng)力，。由下式計算：，取其中較大值。其中為基礎(chǔ)環(huán)截面系數(shù)：由已知得：所以：圓整得：。（3）裙座應(yīng)力校正：參照塔體的厚度，初定裙座的有效厚度，所選的基底截面按下述公式計算?；捉孛娴慕M合

16、應(yīng)力應(yīng)滿足以下要求：式中：僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時計入此項；壓力容器壁最大應(yīng)力，取；錐半頂角，這里；裙座圓筒底部截面積，；裙座圓筒截面系數(shù)，；荷載組合系數(shù)，取；有前面結(jié)果可知：所以：等式成立，故設(shè)計裙座厚度滿足應(yīng)力要求。（4）地腳螺栓的確定：塔設(shè)備必須用地腳螺栓牢牢地固定在基礎(chǔ)上，以防在風、地震等載荷的作用下使其翻到。塔設(shè)備的基礎(chǔ)環(huán)在軸向載荷和組合彎矩的作用下，在迎風側(cè)的地腳螺栓中可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，背風出現(xiàn)壓應(yīng)力，拉應(yīng)力通過地腳螺栓傳遞給基礎(chǔ)。因此，地腳螺栓必須有足夠的強度。地腳落地受的最大拉應(yīng)力：所以：由于時，塔設(shè)備必須設(shè)置地腳螺栓。地腳螺栓的螺紋小徑可按下式計算：式中：地腳螺栓螺紋小

17、徑，；地腳螺栓腐蝕裕量，??；地腳螺栓個數(shù)，??；地腳螺栓材料的許用應(yīng)力，。圓整后地腳螺栓的公稱直徑不得小于m24。地腳螺栓材料選用。所以：圓整后地腳螺栓的公稱直徑為m36。7.6 管板和折流板7.6.1 管板設(shè)計管板與換熱管采用脹焊連接，由于本設(shè)備用于一般場合，管板的最小厚度，應(yīng)符合如下要求：即：由于管板和法蘭連接在一起，為了使管板達到法蘭的強度，所選設(shè)計的管板厚度盡可能接近法蘭厚度，故管板厚度取為。7.6.2 折流板設(shè)計折流板采用弓形折流板，為了使流體通過缺口時與橫過管數(shù)時的流速相近，缺口大小用切去的弓弦高占圓筒內(nèi)直徑的百分比來確定，缺口弦高值宜取倍的圓筒內(nèi)直徑，所以可取弦高。折流板的間隔，在

18、允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦折流板的間隔最小值為殼內(nèi)徑的1/5或者不小于最大值決定于支持管所必要的最大間隔。本氣提塔設(shè)計的折流板間距為，所以折流板數(shù)為：由于氣提塔，查得折流板的厚度。7.7 拉桿和定距管為了折流擋板和管板能夠牢固地保持在一定位置上，通常采用拉桿和定距管使其固定。拉桿的直徑由表查得，當換熱管外徑時，拉桿的數(shù)量由表查得，當且時，可取6根。由折流擋板間距和拉桿的直徑選擇m25×3，長度l=140mm。7.8 膨脹節(jié)由于換熱管與管板焊接它們彼此約束，限制了管束的自由膨脹。其結(jié)果將在管壁的總截面和殼壁截面上產(chǎn)生應(yīng)力。此應(yīng)力為熱應(yīng)力，是由管壁與殼壁的溫度不同而引起的

19、，管壁與殼壁溫度差越大，應(yīng)力也越大，有可能造成管子與管板連接接頭泄漏，甚至造成管子從管板上拉脫，破壞整個列管式氣提塔。所以在氣提塔上加設(shè)膨脹節(jié)，使氣提塔滿足熱應(yīng)力。本設(shè)計管壁與殼壁溫差小于，殼程流體壓力為，所承受的溫度和壓力都不高，故選擇單波紋膨脹節(jié)，采用厚的不銹鋼厚板制造的型單波紋膨脹節(jié)。7.9 塔體法蘭選擇塔體的公稱直徑，工作壓力，選擇乙型平焊法蘭，公稱壓力為，材料為。7.10 液體分配器目前，用于降膜塔的液體分配器有旋液式、鋸齒型、二次分配塑、導流管式、孔式、管內(nèi)再分配型、加壓噴霧型、填充物式等各種結(jié)構(gòu)。經(jīng)過試驗和分析比較，我們最終選用了孔式液體分配器。此結(jié)構(gòu)原為荷蘭斯太米卡飯(stam

20、iearbon)公司用于co2氣提塔的專利設(shè)計。液體是通過分配頭上6個的小孔沿內(nèi)管壁往下流，形成一層液膜，上升的氣體與呈膜狀下流的液體在管內(nèi)逆流接觸進行氣提。7.11 除沫器根據(jù)容器結(jié)構(gòu)、人孔開設(shè)位置來確定絲網(wǎng)除沫器的型式。當人孔開設(shè)在除沫器下方時，采用下裝絲網(wǎng)除沫器。根據(jù)氣提塔公稱直徑，選用的除沫器公稱直徑。根據(jù)除沫效率要求，來確定除沫器的網(wǎng)塊厚度。因為除沫要求不高，所以可采用厚度為。過濾網(wǎng)型式為hp，材料為。所以所選用的除沫器標記為：hg/t 21618 絲網(wǎng)除沫器 x700-100 hp q235/q2357.12 液體分布器蓮蓬頭式是一種應(yīng)用廣泛的液體分布器，是開有許多小孔的球面分布器

21、。它懸掛于填料上方的正中，液體借助泵或高位槽產(chǎn)生的靜壓頭自小孔噴出，噴灑半徑的大小隨液體壓力的高度不同而不同。在壓力穩(wěn)定的場合下，可以達到較均勻的噴灑效果。小孔在球面上一般采用同心圓排列，為了使噴灑均勻，球面上各小孔的軸線匯交于一點。蓮蓬頭上的小孔易堵塞，霧沫夾帶嚴重，由于須改變噴淋壓頭才能改變噴淋液量，為了便于檢修蓮蓬頭，采用法蘭連接。由于本設(shè)計的液體流速較小，液體產(chǎn)生泡沫也相對較小，使得氣提塔內(nèi)霧沫夾帶小，因此液體分布器采用蓮蓬頭式分布器。液體分布器安裝一般應(yīng)高于填料層表面，以提供足夠的空間讓上升氣流不受約束地穿過分布器。所以本設(shè)計液體分布器安裝在離液體分配器上管口。由于氣提塔公稱直徑，所

22、以噴淋角設(shè)計為，由液體進料流量和流速確定開孔直徑，開孔數(shù)共5圈，總數(shù)121個。由此確定蓮蓬式分布器半徑。第8章附表表8.1 氣提塔參數(shù)一覽表降膜換熱管管長：管心距：材料：cr17mn14mo2n管數(shù)：型號：塔體塔內(nèi)徑管板徑塔壁厚材料鋼材封頭型號封頭高度直邊高度壁厚裙座高度厚度直徑人孔基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑外徑厚度地腳螺栓公稱直徑m36塔高底部空間高度頂部空間高度裙座高度塔體總高折流板弦高間距板數(shù)厚度拉桿直徑數(shù)量6根定距管型號膨脹節(jié)型號單波紋膨脹節(jié)厚度材料法蘭型號乙型平焊法蘭：材料液體分配器型號孔式液體分配器分配頭6個小孔除沫器標記hg/t 21618 絲網(wǎng)除沫器x700-100 hp q235/q235液

23、體分布器型式蓮蓬式分布器開孔直徑開孔數(shù)5圈總數(shù)121個噴淋角半徑表8.2 各符號物理意義一覽表，熱負荷，塔頂操作壓力， ，塔底操作壓力， ，傳熱系數(shù)初始值， ，蒸氣和混合溶劑的平均溫差， ，蒸氣和管內(nèi)氣體溫差， ，蒸氣與氣提塔平均溫差， ，傳熱面積估算值， ，管長， ，降膜熱管內(nèi)經(jīng)， ,降膜熱管外徑， ，理論管數(shù)，根，管數(shù)，根，中心管數(shù)，根，管心距， ，塔內(nèi)徑， ，管板徑， ，氣體流人點體積流量， ，氣體流出點體積流量， ，氣體流人點氣體流速， ，氣體流出點氣體流速， ，氣速平均值， ，液體流入點質(zhì)量流量， ，液體流出點質(zhì)量流量， ，液體平均質(zhì)量流量， ，液體流入點周邊流量， ，液體流出點周邊流量， ，液體周邊流量平均值， ，柴油的粘度， ，柴油的粘度， ，混