常减压精馏塔机械设计.docx

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常减压精馏塔机械设计

常减压精馏塔机械设计

DN4200/DN3000减压塔机械设计摘要本设计是对工艺设计中的常滴油精馏塔进行设计，设计过程主要依据GB150-1998《钢制压力容器》标准和JB/T4710-2005《钢制塔式容器》标准进行设计计算的。

该减压塔采用的是变径板式塔结构，并采用单溢流型塔盘与泡罩塔盘，操作介质为常底油。

精馏塔是目前石油化工领域应用的最多的塔设备。

在说明部分中，主要介绍塔设备在石油化工生产中的作用、地位、发展现状、特点以及分类，优先选用板式塔的条件，以及舌型塔盘和泡罩塔盘的结构和优缺点，同时又对塔的材料选择，筒体和封头的选用进行了说明和论述。

接下来又介绍了塔的附属构件结构，对筒体、裙座、封头、吊柱、地脚螺栓座、基础换班、筋板的选用进行了介绍并且校核了他们的强度，同时也对裙座与通体的连接方式与结构进行了说明。

在计算部分主要是针对塔体的筒体、封头的材料选择、壁厚的选取进行了计算，还有稳定性的校核。

对自振周期、地震载荷、风载荷进行了计算，同事又进行了该筒体的轴向强度以及稳定性的校核，全做的设计计算及其校核，地脚螺栓座的设计及其强度校核、筋板、盖板及开孔补强的设计计算校核。

最后经过计算以及强度校核，设计出合理的减压精馏塔的结构，并绘制出图纸。

关键词:

筒体、封头、强度、校核。

1说明部分1.1前言在石油炼化厂的生产装置中，气-液和液-液2相直接接触进行传质传热的工艺很多。

例如，精馏、吸收、解吸、萃取和气体增湿等。

这些公益大多数都在塔内完成。

因此，塔设备的性能对炼油、化工装置的生产能力、产品质量与消耗指标以及三废处理以及环境保护等各个方面都有较大影响。

据统计，在石油炼化厂中，塔设备的投资额占到总投资额的10-20，塔设备消耗的钢材量占总投资刚才量的25-30。

塔设备之所以被大量采用，是因为它可以为气-液之间的传质传热提供了适宜的条件。

这些条件除了维持一定的塔内压力、温度、气液流量以外，一些特定的塔内件还从结构上保证了上升气体和下降气体的充分接触时间、空间和表面积，从而能够达到较理想的传质、传热效果。

塔设备作为气-液或者液-液接触并且传质传热的设备已经有很悠久的历史。

随着生产的发展对塔设备的研究的深化和成熟，塔设备也应当变得日益广泛，已经成为十分重要的单元设备。

主要用于传质传热的的塔设备，首先给气-液或液-液2相的接触提供了必要的条件，从而可以获得高效的传质传热的效果。

此外，为了满足生产需要，塔设备还有满足以下几个需求条件:

生产能力大，效率高，产品质量好。

在较大的气-液或者液-液的复合作用下，不至于发生过量的雾沫夹带、拦液或者液泛等破坏正常操作的现象。

1.操作稳定、弹性大。

当气-液或者液-液的复合较有较大的波动的时候，塔的操作依然可以保持稳定和高的传质传热效率。

2.流体的流动阻力要尽量小。

流体流经通过塔内件的阻力降低。

阻力降低的塔内件可以提高空塔速度，降低能量消耗，对于负压操作，较小的阻力压降有利于准确维持系统的真空度，进而提高产品效率。

3.结构简单，材料消耗量尽量小，制造与安装比较容易。

4.耐腐蚀且不易堵塞，开工周期长，且操作方便，检修也方便。

5.选材合理。

塔设备的选材要综合考虑其塔设备的工作介质特性，操作条件以及经济特性方面的要求。

6.安全可靠。

要确保塔设备各个受力构件有足够的刚度、强度以及相应的稳定性，满足生产的正常运转。

1.2塔设备的概述1.2.1常减压蒸馏装置在石油化工生产中的地位和作用塔设备是石油炼化炼制、化工、医药、能源、环境保护等职能部门的一种重要的单元操作设备。

他的作用是给塔内的气-液或者液-液之间的充分接触时间进而达到相互传质传热的目的提供的必须的空间。

在塔设备里面我们

将常可以见到的单元操作有如下:

精馏、吸收、解吸和萃取。

除此之外，工作气体的冷却和回收，气体的湿法净制和干燥，以及一些兼有气液2相的传质和传热的增、减湿度等等相关的工艺过程。

塔设备的应用范围非常广大，其设备的投资量占据整个工艺设备费用的较大比例，在石油化工炼制和化工生产中，塔设备的性能对所制造产品的产量、质量、生产能力等各个方面都具有重大影响。

因此，塔设备的研究和设计在石油炼化和化工生产领域都受到较大重视。

在石油炼制、化工生产的过程中，常常要将一些奇台或者业态的混合物分离成为较纯净的物质，这样的过程通常要依靠精馏、吸收或者萃取的方法来实现。

这些生产过程通常叫做物质分离过程和物质传递过程，他们大多数是要在塔内完成的。

塔设备的类型很多，用途很广泛，是完成石油化工炼制过程以及其他化工生产过程的重要场所。

塔设备一般都具有较为庞大的外形，塔直径最大可达10多米，高度可达数十米，金属质量可达数百万吨、一般露天安装。

在化工生产厂和石油炼化厂里面，由于石油炼化厂工艺和化工生产工艺的不约捌渌僮魈跫牟煌塔设备内部的结构形式和选用材料也不同。

这样对它的工艺性能，对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗量，以及环保方面，都有重要影响。

在石油炼化和化工生产的装置中，塔设备的投资占到整个投资的25-30，塔设备所消耗的钢材量在各类工艺中所占据的量也比较大。

例如:

250万吨的常减压炼油装置中的刚才消耗量占到62.4，在年生产600000-1200000

吨的催化裂化装置中占据的比例为48.9。

因此，塔设备的设计研究对石油炼化、化工生产等工业发展起着至关重要的作用。

目前的石油炼化厂里面应用最多的塔设备有如下几种:

分馏塔和精馏塔。

例如常减压装置的常压分馏塔、减压分馏塔可以将原油分离出汽油、柴油、煤油、润滑油等;铂重整装置的分馏塔可以将苯类的混合物分为如下:

苯、甲苯、二甲苯等;烷基化装置中的丙烷分馏塔可以将液态烃分流为丙烷-丙烯，异丁烷等相关的分流馏分。

1.2.2常减压蒸馏装置的工艺流程以及减压塔在装置中的作用所谓的工艺流程就是一个生产装置的设备（如:

塔设备、反应器设备、加热炉设备、泵体设备）等按照工艺管线生产的内在联系进而形成的有机组合。

目前的石油炼化厂中的最常用的原油蒸馏过程是两段气化流程和三段气化流程。

两段气化流程包括以下两个部分:

常压蒸馏过程减压蒸馏过程。

三段气化整流过程包括以下三个过程:

原油初馏过程、常压蒸馏过程和减压蒸馏过程。

常压蒸馏过程是否采用2段气化流程应根据具体条件来对有关因素进行分析，如果原油所轻馏分多，则原油经过一系列的热交换过后，温度上升，轻馏分气化，容易造成管路中巨大的压力降，其结果是原油泵出口压力升高，换热器耐压能力也增大。

另外，原油脱盐、脱水能力也不好，进入换热系统以后，尽管原油中轻馏分含量不高，水分的汽化也会造成管路中相当可观的压降。

当加工含S原油时，在温度位于160度-180度的条件下，某些含S的化合物会释放出H2S，原油中的盐可释放出Hcl，造成蒸馏塔顶部气象流出管线与冷凝等低温位的严重腐蚀。

采用两段气化蒸馏流程时，这些现象都会出现，都会给操作带来困难，影响到产品的产率，因此大型的石油炼化过程均会采用气化流程。

常压蒸馏是石油加工的“龙头装置”，后续二次加工装置的原料，及产品都是由常减压蒸馏装置提供。

常减压蒸馏主要是通过精馏过程，在常压和减压的条件下，根据各组分相对挥发度的不同，在塔盘上汽液两相进行逆向接触、传质传热，经过多次汽化和多次冷凝，将原油中的汽、煤、柴馏分切割出来，生产合格的汽油、煤油、柴油及蜡油及渣油等。

常减压蒸馏装置包括以下三大

部分:

1.原油预处理。

采用加入化学物质和高压电场的联合作用下的化学方法除去原油中多余含有的水分和盐类。

2.常压蒸馏。

原油在加热炉内被加热到370度左右，送入常压蒸馏塔下蒸馏出较低沸点的柴油，残余的叫做重油。

3.减压蒸馏。

常压重油再经过加热炉加热到410度左右，进入减压蒸馏塔在8.799KMPA下蒸馏，蒸馏出润滑油，残余的油就叫做渣油。

常减压蒸馏操作安全技术:

1认真巡回检查。

及时发现和消除炉、塔、贮槽等设备管线的跑、冒、滴、漏。

禁止乱排乱放各种油品和可燃气体，防止火灾发生。

2常减压蒸馏过程中许多高温油品一旦泄漏，遇空气会立即自燃着火，火灾危险很大。

造成热油跑料着火的原因主要有:

?

法兰垫刺开跑料;?

年久腐蚀漏油;?

液面计、热电偶套管等漏油着火;?

原油含水多，塔内压力过高，安全阀起跳喷油着火;?

减压操作不当，空气进入减压塔内引起火灾爆炸;?

压力过大，造成爆炸着火;?

压力和真空度剧烈变化引起漏油等。

3火灾现场处理方法:

?

初期火灾可用蒸汽或石棉布扑盖火源，或用干粉灭火器灭火;?

减压塔火灾要向塔内吹人蒸汽，恢复常压。

不允许在负压系统管线上动火堵漏;?

火势大时要立即通知消防队灭火。

并紧急停车，将塔内油抽空。

4加热炉结焦处理加热炉内油品温度高、油晶轻、组分复杂。

如果加热炉进料量和炉温度控制不当，或仪表温度测量指示、仪表流量控制指示不准，都会导致炉管结焦。

炉管结焦不仅影响传热，严重时还会堵塞以致烧毁炉管，爆炸着火。

尤其是常压炉分四路进料，加热后又合为一路去常压塔;减压炉分两路进料，加热后也合为一路去减压塔。

如果各支路的进料量不平衡，易局部超温而加快炉管结焦。

针对加热炉的这些特点，操作中应特别注意以下问题:

?

加热炉各支路进料量均衡，严防偏烧。

如各支路间进料量不平衡，有的支路就会因进料量少，减缓或停止管内油品流动，使炉管局部超温结焦，烧坏炉管。

?

平衡好各塔底液面，稳定加热炉的进料流量。

?

不论是正常停车，还是异常情况下的紧急停车，加热炉进料降量时要维护局部循环，必须保证炉管内的油品流动，以防炉管结焦烧坏。

?

正常停炉要严格按规定程序进行，同时应特别注意控制加热炉的原油降量速度和降温速度;加热炉停止进油之后仍要改为热循环，并注意维持三塔液面平衡;常压炉降温至250?

，减压炉降温至230?

时，炉子全部熄火。

炉膛温度降到200?

时，自然通风降温;加热炉熄火后继续冷循环降温到90?

时开始退油。

?

加热炉紧急停车时也应该注意:

熄火后要向炉膛吹入适当蒸汽，尽量保证炉膛温度不要下降太快;减压塔恢复常压时，末级抽真空器放空阀要关闭，严防空气倒入减压塔;尽快退走设备内存油，但要尽量维护局部循环，防止超温超压。

5加热炉回火炉子回火是发生操作事故的主要原因之一。

加热炉回火原因主要有如下几个方面:

1燃料油大量喷入炉内或瓦斯带油。

2烟道气挡板开度过小，降低了炉子抽力，烟气排不出去。

3炉子超负荷运行，烟气来不及排放。

4升温点火时瓦斯阀门不严，瓦斯窜入炉内，造成炉膛爆炸着火。

加热炉回火时首先要及时打开炉子垂直挡板，然后熄火，待查明回火原因，处理后重新点火。

1.2.3塔设备的总体结构的说明及其相应简图1塔体:

塔体就是塔设备的外壳，常见的塔体外壳有等径塔设备、等厚度圆筒以及上下封头组成。

对于大型的塔设备，对于大型的塔设备也有采用不等直径、不等厚度的塔体。

塔设备通常安装在室外，而塔体除了承受一定的操作压力，温度以外，还应当考虑风载荷、地震载荷、偏心载荷等。

除此之外，还应该满足在试压条件，运输以及吊装时的强度、刚度以及相应稳定性的要求。

（2）支座:

塔体的支座与基础的链接结构。

因为塔体的设备较大，为了

保持足够的强度、刚度、常采用裙式支座。

（3）人孔和手孔:

为了安装、检修和检查等需要，往往会在塔设备上设置人孔或者手孔。

不同的塔设备，人孔或者手孔的结构以及安装位置都是不同的。

（4）接管:

用于连接工艺管线，使塔设备与其他的工艺设备相连接。

按照其用途分贝分为进液管、出液管、回流管、进气出气管、侧线抽出管、取样管、仪表连接管还有液位计管。

（5）除沫器:

用于捕集夹带在气流中的液滴。

除沫器的工作性能好与坏对除沫效率，分离效果都会有较大影响。

（6）吊柱:

安装于塔顶，主要用于安装，检修时搬运塔件。

塔设备的结构简图:

1.2.4塔设备所有材料及其结构的选择与论证压力容器使用的钢材料压力容器用钢的基本要求是有足够的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和介质相容性。

对于设备的筒体和封头部分采用Q345RQ345R是普通低合金钢是交货状态分:

锅炉压力容器常用钢材，属低合金钢。

热轧或正火，（16mm性能与Q34516Mn的钢板的屈服强度大于345Mpa）性能相近，抗拉强度为（510-640）之间，伸长率大于21，零度V型冲击功大于34J。

Q345R工艺参考标准GB713-2008。

Q345R钢是屈服强度为340MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。

磷、硫含量略低于低合金高强度钢板Q34516Mn钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q34516Mn钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。

它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。

Q345R钢板是屈服强度为265-345MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。

磷、硫含量略低于低合金高强度钢板Q34516Mn钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q34516Mn钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。

它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。

2.4.1各个部分材料的选择裙座不与塔内介质相接处，不承受塔内介质的压力，因而不承受压力容器选用材料的限制，可以选用较为经济的普通碳素结构钢。

常采用的裙座材料为Q235-A或者Q235-F，考虑到Q235-F有缺口且敏感带有夹层等缺陷，因此，不可以用于常温材料的操作，裙座设计温度高于-20度，且不以风载荷确定裙座筒体厚度的场合。

若t?

20o时，裙座材料应使用16Mn。

若塔下封头材料为低合金钢，或者高合金钢在裙座顶部应当增设与材料相同的短节，操作温度低于0度或者高于350度时，短节长度按照影响范围确定，通常短节长度取4倍的保温层厚度，且不小于500mm。

如果塔底温度在0度到350度之间的时候，可以考虑采用异种钢的过度。

18-8型号的不锈钢可以与任何碳素钢之间过渡，过度短节长度可以取200到300毫米。

2.4.2塔设备的分类及其结构塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。

塔是化工生产过程中可使气液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热目的的设备。

塔设备的分类方法很多。

（1）塔设备的分类按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔;按形成相斥接段界面的方式分为具有固定相界面的和流动过程中形成相界面的塔;按塔的内件构成分为板式塔和填料塔;按单元操作可以分为:

1、精馏塔精馏主要是利用混合物中各组分的挥发度不同而进行分离。

挥发度较高的物质在气相中的浓度比在液相中的浓度高，因此借助于多次的部分汽化及部分冷凝，而达到轻重组分分离的目的。

2、吸收塔吸收主要是利用一种或多种气体溶解于液体的过程。

3、解吸塔解吸是吸收操作的逆过程，即将液体混合物中的某一可挥发性组分转移至气体中。

4、萃取塔萃取塔是分离和提纯物质的。

目前工业上常用的塔设备有板式塔和填料塔。

填料塔属于微分接触型气液传质设备。

塔内填料作为塔内气液接触和传质传热的基本构件。

液体在填料表面膜状自上而下流动，气体呈现连续的自上

而下的逆流流动，并进行汽液两相的传质传热。

两相组分的浓度或者温度沿着塔高连续变化;板式塔是一种逐级接触的传质传热设备。

塔内以踏板作为基本构件，气体自塔底向上以鼓泡的形式或者喷射的形式穿过塔板的上层液，使得气-液密切接触并进行传质传热，两相组分浓度呈现阶梯式变化。

塔设备的主要结构:

塔体、盖板、接管、物料进出口、附件。

塔体是塔设备的外壳，用钢板卷制而成，直径随着处理量以及操作条件而定。

常见的塔体由等径、等厚度的圆筒和上下封头组成。

对于大型的塔设备，为了节省材料也可以采用不等直径或者不等厚度的塔体。

塔体的壳壁除了要满足工艺条件要求外，还应当考虑风载荷、地震载荷、偏心载荷引起的刚度、水压试验、吊装、运输、开工、停工等情况下，塔体的强度以及稳定性的要求。

塔设备的端盖大多采取标准椭圆形，用钢板压制焊接而成。

减压塔为了承受较高的压力，多采用半球形端盖。

塔体支座是支撑塔体并且连接寄出的部件，他提倡用裙式支座支承。

本设计封头采用标准椭圆形封头。

板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成。

广泛应用于精馏和吸收，有些类型（如筛板塔）也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程。

操作时（以气液系统为例），液体在重力作用下，自上而下依次流过各层塔板，至塔底排出;气体在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板，至塔顶排出。

每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。

（2）优先选用板式塔的条件:

?

通过能力要大，即单位塔截面能处理的气液流量大。

板式塔?

塔板效率要高。

?

塔板压力降要低。

?

操作弹性要大。

?

结构简单，易于制造。

在这些要求中，对于要求产品纯度高的分离操作，，主要是考虑首先应考虑高效率;对于处理量大的一般性分离（如原油蒸馏等）通过能力大。

（3）板式塔的结构板式塔的整体结构包括塔顶的气液分离部分，塔底的排除部分以及裙座。

塔顶气液分离部分具有较大的空间，用以降低气体上升的速度，便于以液滴的形式从气相中分离出来。

有的塔顶为了除掉气相中的雾滴与泡沫，还有除沫装置，气液两相充分接触，以达到传质传热的目的。

塔底是塔釜，具有较大的空间，用于储存部分液体。

1.塔盘板式塔的塔盘可以分为溢流式和穿流式两大类。

溢流?

塔盘上有降液管，塔盘上的液层高度可以通过调节溢流堰的高度来改变。

因此，操作弹性较大且能保持一定的效果。

穿流式塔盘上的气体与液体同时穿过孔道流动，因而处理能力大，压降小，但是塔盘的效率以及操作弹性也小。

塔盘按照塔径大小可以分为整体式和分块式。

DN?

700采用整块式，DN?

800采用分布式，本设计采用分块式。

以下用于研究分块式塔盘。

大直径板式塔，为了制造、安装、检修、可将塔盘分为数块，通过人孔进入塔内，装在焊接于塔内壁的塔盘支撑件上面。

分块式塔盘的塔体，通常为焊制整体圆筒，不分塔节。

塔盘的分块应当结构简单，拆装方便，具有足够的刚性且便与制造、安装和维修。

通常将塔盘板冲压成带有拆边，使其具有足够的刚性，这样一来，既使塔盘结构简单，又能节省材料。

为了进行塔内消耗与维修使人可以进入各层塔板，在塔盘板接近中央设置一块通道板。

各个层塔板上的通道最好开在同一个垂直位置，以便于安装和拆卸。

有时也可以用一块塔板来代替通道板。

在塔体不同高度处，通常开设若干个人孔，人可以从上方或者下方进入。

因此，通道板上应该为上、下均可以拆卸连接的结构，在连接的结构中，主要的紧固件是椭圆垫板和螺栓。

为了保证拆装的速度和方便度，紧固件常常采用不锈钢材料。

塔盘板与与支撑圈的连接常用卡子、卡板、椭圆垫板、

圆头螺钉和螺母组成。

（2）筒体通体的作用是提供工艺所需的承压空间，是压力容器的重要元件之一。

其内径与容积由工艺计算所确定。

圆柱筒体是工程中最常见的筒体结构。

通体直径小于500毫米时，圆通可以用无缝钢管制作，此时筒体上设置有焊缝;直径较大时，可以用钢板在卷板机上卷制成半个圆筒，在使用焊缝将两个焊接在一起，形成整圆筒。

由于焊缝方向与圆筒纵向平行，因此叫做焊缝。

若容器直径不是很大，一般只有一条纵焊缝，筒体焊缝有2条或者2条以上者，容器的直径会很大。

另外长度较短的容器可以直接在一个圆筒的2端连接封头，构成一个封闭的压力空间，也就这样支撑了一个压力容器的外壳。

但是容器较长的时候，由于钢板幅度面尺寸的限制，就需要先用钢板卷制而成并且焊接，再由2个或者多个圆筒筒节组成的焊接长度的筒体。

筒体与筒体之间，筒体与端节部分封头之间的连接焊缝由于其方向与筒体轴向垂直，因此称之为环向焊缝，统一称之为环焊缝。

圆通按照其结构分为单层式和双层式、组合式这几类。

单层式筒体在厚度上是由一整体材料构成，也就是说器壁只有一层，单层筒体按照其制造方式又可以分为单层卷焊式、整体断焊式，锻焊式等这几种。

整体的锻造式的筒体的材料晶相组织致密，强度高，因而质量较好，特别适合焊接性能较差的高强度钢板所制造的压力容器，但制造的时候需要非常大的冶金、锻造和机械加工设备，材料消耗量大，刚才利用率非常低（仅为26-28）机械加工量大，因此只适用于内径.