毕业设计简介

2750吨/年糠醛精馏装置设计过程装备与控制工程10150405闫浩指导教师姜峰副教授贾小兵高工摘要本设计为糠醛-水二元物系精馏装置的设计，包括精馏塔和全凝器两部分。根据给定的设计任务，确定设计方案，进行精馏塔的设计，包括工艺计算、塔板设计、结构设计、强度设计和稳定性校核。并进行附属设备全凝器的设计，主要含工艺计算和机械设计。最后完成设备的性能及安全性评价。关键词：精馏塔；全凝器；工艺计算；机械设计AbstractThedesignisadistillationunitaboutfurfural–watersystem,whichincludestwoparts:adistillationcolumnsandafullcondenser.Accordingtothegivendesigntask,wedeterminethedesigningschemeandconductthedesignofthedistillationcolumn,thedesignincludesprocesscalculation,traydesign,structuraldesign,checkofstrengthandstability.Inaddition,thefullcondenserisanancillaryequipmentofdistillation,anditsdesignisnecessary.Thisdesigncontainsprocesscalculationandmechanicaldesign.Finally,wefinishtheperformanceoftheequipmentandsafetyevaluation.Keywords:distillationcolumns;fullcondenser;processcalculation;mechanicaldesign一、绪论精馏是石油及化学工业生产中最常见的单元操作，它利用液态混合物中各组分挥发度的不同实现分离，从而达到液态混合物的分离提纯或回收混合物中有用组分的目的。实现精馏分离过程必须有精馏装置，包括精馏塔、换热器、流体输送机械、管道等。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，本设计选用板式精馏塔。（一）确定设计方案表1设计参数表产量2750吨/年压力常压原料液浓度6%（质量分率）饱和液体进塔塔顶馏出液浓度35%（质量分率）塔底残液浓度0.2%（质量分率）（1）根据设计任务，本设计精馏过程操作压强为常压精馏，可达到分离要求。（2）塔板类型。浮阀塔板具有结构简单，制造方便，造价低等优点，且开孔率大，生产能力大，阀片可随气流量大小上下浮动，故操作弹性大，气液接触时间长，因此塔板效率较高，本设计采用浮阀塔盘。（3）进料方式及状态。采用泵直接加料，结构简单，安装方便。进料状态为泡点进料。（4）加热及冷却方式。原料液用蒸气预热到泡点，再沸器采用间接蒸气加热，全凝器采用循环水为冷却剂。（5）回流方式。回流方式分为重力回流和强制回流，为了便于检修和清理，且减小偏心弯矩，全凝器不适宜塔顶安装，故采用强制回流。（二）工艺流程糠醛和水原料液经预热器预热至泡点连续进入精馏塔内，塔顶蒸气经全凝器冷凝到饱和液体后，一部分馏分回流，其余部分经冷却器冷却进入分离罐，然后作为产品采出。塔底液一部分经塔釜再沸器气化后回到塔底，一部分釜液连续采出。进料和回流的输送采用离心泵。流程如下：图1.精馏装置设计工艺流程图二精馏塔的设计（一）精馏塔的工艺设计精馏塔的工艺设计主要包括工艺计算、塔板的流体力学验算、绘制塔板负荷性能图、接管尺寸的确定。其中工艺计算为：①精馏装置的物料衡算；②糠醛-水物性参数的确定；③塔板数的确定；④板式精馏塔塔体的设计；⑤板式精馏塔塔板的设计。（1）塔板数的计算采用图算法。恒摩尔流假设：气液两相在塔板上充分接触、传质，离开塔板的气液两相达到平衡；从每层板上升的蒸气摩尔流率均相等，下降的液体摩尔流率也相等（由于加料板有物料进入，精馏段与提馏段的液体或蒸气摩尔流率一般不相等）。成立条件：①各组分的摩尔气化潜热相等；②气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略；③塔设备具有良好的保温，热损失可以忽略。通过查表和计算，本设计满足恒摩尔流假设，故可采用图算法进行塔板数的计算。（2）板式精馏塔塔径的计算采用根据适宜的空塔气速求塔径的方法，所得到的塔径按塔径系列标准圆整。塔高的计算要考虑塔板间距，塔顶空间高度，塔底空间高度。其中塔底空间高度取1m左右，塔底空间高度取5min塔底液停留时间所对应的高度。（3）板式精馏塔塔板的设计。塔板主要由降液管、溢流堰、开孔区、安定区、边缘区等组成。其结构和尺寸参数包括塔径D，溢流堰堰长lw、溢流堰高度hw、弓形降液管宽度bd及截面积Ad、降液管底隙高度hb，出口安定区宽度bs，边缘区bc、开孔区面积Aa、开孔个数n、孔中心距t等。精馏段塔板流型选用单流型、弓形降液管、齿形堰、平形受液盘、不设进口堰。提馏段选用单流型、弓形降液管、平直堰、平形受液盘、不设进口堰。通过分析和调整以上各参数，从而获得最优的塔板负荷性能图，使塔具有较大的操作弹性和稳定裕度。（二）精馏塔的结构设计根据工艺计算结果，进行塔设备的结构设计。主要由以下几个部分组成：（1）塔体。由于塔的内径D=800mm，可将塔体分成若干段，各段之间用法兰连接。（2）内件。塔盘及支撑连接件属于塔内件。塔盘主要由塔盘板，塔盘圈，溢流堰及降液管等组成。由于塔径小于等于800mm，采用整块式塔盘。每个塔节中安装一定数量的塔盘，塔盘间采用定距管结构固定。（3）支座。塔底采用圆筒形裙座支撑，结构性能好，连接处产生的局部应力较小。裙座与塔体的连接采用对接焊接，对接焊缝受压，可承受较大的轴向力。裙座设置排气孔，用于排出积聚在裙座和塔底封头之间的逸出气体。此外，裙座上开设A型检查孔，以方便检修。（4）附件。塔设备附件包括接管、人孔、扶梯平台、吊柱、保温圈等。本设计属于小直径塔，不开设人孔。由于塔体采用分段法兰连接，故不设置扶梯平台、吊柱及包温圈。接管部分：进料管与回流管选用直管可拆结构。气体进出口管采用直管固定式结构，气体进口管内伸，设置斜切口改善气体分布。塔底出料管选用弯管出料。（三）精馏塔的强度设计和稳定性校核塔设备的机械结构设计完成后，必须进行强度和稳定性计算，以确定塔体、裙座的壁厚，使其满足强度、刚度和稳定性要求。由于塔设备至于室外，塔体除承受操作压力外，还承受着各种质量载荷、地震载荷、风载荷等联合作用。因此，单纯根据设计压力确定的塔体壁厚，不足以保证塔设备的安全运行，尚需按各种工况，对设备在多种载荷联合作用时的强度和稳定性进行校核。最后设计计算裙座、基础环和地脚螺栓等。1.设备选材与壁厚确定塔设备中受压元件的选材要满足GB150关于材料的规定。依据塔的操作条件，材料的焊接性能、冷热加工性能、热处理及容器的结构等，并考虑选材的经济合理性。塔体材料选用Q345R，裙座材料选用Q235-B。塔设备的壁厚按照中径公式计算，取2mm腐蚀裕量，0.3mm钢板负偏差，确定计算厚度、设计厚度、名义厚度和有效厚度。裙座壁厚取与壳体壁厚相等的数值。2.强度和稳定性校核塔设备承受介质压力、弯矩（风载荷、地震载荷和偏心载荷）和轴向载荷（塔设备、塔内介质及附件的质量）的联合作用。由于塔的内压力、弯矩、质量随塔设备所处状态而变化，组合轴向应力也随之发生变化。因此需在正常操作、停工检修和压力试验三种工况下进行危险截面的轴向强度和稳定性校核。保证组合轴向拉应力满足强度条件，组合压应力满足塔体的稳定条件。对于塔体，最大组合应力出现在裙座与筒体连接焊缝截面。对裙座，最大组合应力可能出现塔底部截面或开有人孔、大直径管道出口的截面处，因此需逐一校核危险截面的组合应力。三、全凝器的设计（一）全凝器的工艺设计全凝器的工艺设计包括：①根据换热任务和有关要求确定设计方案；②初步确定换热器的结构和尺寸；③核算换热器的传热面积和流体阻力；④确定换热器的结构尺寸。（1）设计方案的确定。两流体温度变化情况：热流体为100℃饱和蒸气冷凝为100℃糠醛水溶液，冷流体进出口温度分别为30℃和40℃，管壳程设计压力均为0.1MPa。选用固定管板式换热器，可满足设计要求，且结构简单，制造成本低；因冷却循环水较易结垢，为便于清洗，选定冷却水走管程，塔顶蒸气为常压的洁净流体，为方便冷凝液流出，选定蒸气走壳程。（2）冷凝器结构和尺寸。设备结构参数如下表：表2设备结构参数表换热器类型固定管板式台数1壳体内径/mm500管程数2管子规格/mm25x2.5壳程数1管长/mm4500管心距/mm32管子数目/根168管子排列组合排列传热面积/m253支持板数/块4（二）全凝器的结构设计冷凝器的结构设计主要包括左右管箱、分程隔板、管板、支持板、拉杆与定距管结构、进出口接管的设计等。（1）分程隔板。分程隔板材料选用Q235-B，隔板厚度取8mm。（2）拉杆与定距管。拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块支持板之间的间距用定距管固定，最后支持板用双螺母锁紧固定。拉杆直径d0=16mm，数量为4根。定距管采用与换热管相同的尺寸。（3）支持板。采用弓形支持板，支持板切口尺寸h=25％Di=125mm。共设置4块支持板，垂直安装。支持板外直径为496.5mm，支持板厚度取12mm。（4）管板。管板与壳程圆筒连为整体，其延长部分兼做法兰，与管箱用螺柱、垫片连接，管板厚度为41mm，采用16Mn锻造。（5）接管设计。a、g：冷却水进出口管，选用20号无缝钢管219x6mm，外伸长度为200mm，该接管定位尺寸：取接管中心线距左管板密封面290mm。b：产品入口管选用20号无缝钢管273x8mm，外伸长度200mm，该接管定位尺寸，取接管中心线距左管板密封面270mm。c、d、e分别为不凝气出口管，排气管，排液管，选用20号无缝钢管25x3mm，外伸长度取150mm。其中不凝气接管中心线距右管板密封面150mm，排气管与排液管中心线距右管板密封面195mm。f、产品出口管选用20号无缝钢管38x3mm，该接管中心线距右管板密封面150mm。（6）换热管与管板的连接。由于管程与壳程温差较大，采用强度焊加贴胀的连接方式，结构强度高，抗拉脱能力强，在高温高压下能保证连接处的紧密性和抗拉脱能力。（三）全凝器的强度计算全凝器的强度计算主要包括圆筒的壁厚确定与校核，管箱法兰的的校核，开孔补强计算，管板校核计算等。（1）冷凝器壳体的选材与壁厚的计算。材料选用Q345R，壁厚按照中径公式计算，取2mm腐蚀裕量，0.3mm钢板负偏差，确定计算厚度、设计厚度、名义厚度和有效厚度。（2）水压试验先进行壳程试验，再进行管程试验。水压试验压力：PT=1.25Pt][][式中：PT为内压容器的试验压力，MPa；P为设计压力，MPa；[]为试验温度下材料的许用应力，Mpa；[]t为设计温度下材料的许用应力，MPa。四、性能及安全性评价本次设计完成的精馏塔和全凝器满足设计任务给定的各项技术参数和指标要求，能够完成预定的生产任务，可保证其在给定的工作介质的条件下正常工作且有一定的裕度。为保证所设计的设备能够安全，正常地工作，除了设计合理外，还必须严格遵循相关的制造、检验、安装和维修的具体要求。参考文献[1]姚玉英、陈常贵、柴诚敬.化工原理上下册.天津：天津科学技术出版社，1992.11.[2]谭天恩、窦梅，周明华等.化工原理上下册.北京：化学工业出版社，2006.4.[3]王志文、蔡仁良.化工容器设计.北京：化学工业出版社，2005.5.[4]王卫东.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，2011.9[5]董大勤.化工设备机械基础.北京：化学工业出版社，2002.12.[6]路秀林、王者相等.塔设备.北京：化学工业出版社，2004.1.[7]匡国柱、史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，2001.10.[8]潘红良、郝俊文.过程设备机械设计.上海：华东理工大学出版学，2006.7.