化工原理课程设计 塔结构设计及零部件选取.docx
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化工原理课程设计塔结构设计及零部件选取
化工原理课程设计塔结构设计及零部件选取
§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）
=0.6536615kg/m3
P顶=120mmHg=0.016MPa
T顶----------------K
M-------------------平均分子量
5.1.2CY型填料的泛点当量气速WLF=2.2m/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
（《化学工程手册》第13篇）
=0.053
=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
=8.1139kmol/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）：
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
δe=δn-C=8-1.8=6.2mm
L=21600-2000-200+（2/3）×100=19466.67mm
D0=Di+2δn=500+2×8=516mm
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=2.00×105Pa
[P]=2EAδe/（3Do）
=2×2.00×105×0.000122×7.2/（3×516）
=0.2270MPa>0.1MPa
∴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=6.2mm
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=135MPa
[P]=Bδe/R=135×6.2/450=1.86MPa>>0.1MPa
∴用8mm钢板冲压封头，封头深度为100mm。
§5.4塔体结构设计
1．塔体结构
①筒体制造：
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≤1.6MPa，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：
M1620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，JB1154-73
公称直径Dg曲面高度M直边高度h内表面积F厚度mm
500125250.2238
§5.5零部件选取
1.接管口选取
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=20m/s
D=
=
=0.1477m=147.7mm
a．选用普通无缝钢管[2]（YB231-70）
DN=150mmD外=159mmδ=4.5mmL=200mmm=3.4053Kg
b.选用板式平焊法兰[3]HGJ45-91如前图
D=265mmK=225mmL=18mmn=8
六角头螺栓、螺柱Th=M16螺栓l=70螺柱l=90
密封面d=202mmf1=3mmB=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
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：
ρOCT100℃=1.007g/cm3ρOCT110℃=0.9977g/cm3
ρOCT=[（0.9977-1.007）/（110-100）]×（106.9519-100）+1.007
=1.0005g/cm3
ρPCT100℃=0.9963g/cm3ρPCT110℃=0.9870g/cm3
ρPCT=[（0.9870-0.9963）/10]×（106.9519-100）+0.9963
=0.9898g/cm3
ρm=ρOCTxf+ρPCT（1-xf）
=1.0005×0.4+0.9898×0.6
=0.99408g/cm3=994.08kg/m3
F=（FM）/ρm
=（0.9875×126.587）/（994.08×3600）
=3.493×10-5m3/s
取u=1m/sDF=
=
=6.671×10-3m
=6.671mm
a选用普通无缝钢管[2]（YB231-70）
DN=10mmD外=14mmδ=3mmL=600mmm=0.3527Kg
b选用板式平焊法兰[3]HGJ45-91
法兰外径D=75mm螺栓孔中心圆直径K=50mm
螺栓孔直径L=11mm螺栓孔数n=4
六角头螺栓、螺柱、螺纹Th=M10螺栓长度l=45mm
螺柱长度l=45mm
密封面突面d=35mm突出高度f1=2mm法兰内径B=15mm
法兰及法兰盖高度为12mm
c选用石棉胶板垫片[4]（HGJ69-91）
外径35mm内径14mm厚度1.5mm
回流液体管Tl=99.5252℃
ρOCT,100℃=1.007g/cm3ρOCT,90℃=1.017g/cm3
ρOCT=[（1.007-1.017）/10]×（99.5252-90）+1.017
=1.0075g/cm3
ρPCT,100℃=0.9963g/cm3ρPCT,90℃=1.006g/cm3
ρPCT=[（0.9963-1.006）/10]×（99.5252-90）+1.006
=0.99676g/cm3
ρm=ρOCTxD+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）
=2.1106×10-4m3/s
D=
=
=1.6397×10-2m=16.397mm
a选用普通无缝钢管[2]（YB231-70）
DN=20mmD外=25mmδ=3mmL=500mmm=0.815Kg
b选用板式平焊法兰HG20592
法兰外径D=90mm螺栓孔中心圆直径K=65mm螺栓孔直径L=11mm螺栓孔数量n=4
螺纹Th=M10
法兰厚度C14mm法兰内径B=26mm法兰理论重量0.60kg
c选用橡胶石棉垫片HG20592
D外=90mmD内=27mmδ=1.5mm
塔底出料管TB=111.1698℃
ρOCT110℃=0.9977g/cm3ρOCT120℃=0.9881g/cm3
ρOCT=[（0.9881-0.9977）/10]×（111.1698-110）+0.9977
=0.9966g/cm3
ρPCT110℃=0.9870g/cm3ρPCT120℃=0.9777g/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=
=
=5.463×10-3m=5.463mm
a选用普通无缝钢管[2]（YB231-70）
DN=10mmD外=14mmδ=3mmL=400m=0.2351Kg
b选用板式平焊法兰[3]HGJ45-91
D=75mmK=50mmL=11mmn=4
六角头螺栓、螺柱、螺纹Th=M10螺栓l=45mm螺柱l=45mm
密封面d=35mmf1=2mmB=15mm法兰及法兰盖厚度为12mm
c选用橡胶石棉垫片[4]（HGJ69-91）
D外=35mmD内=14mmδ=1.5mm
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=20m/s
D=
=
）=0.1262m=126.2mm
a.选用普通无缝钢管[2]（YB231-70）
DN=150mmD外=159mmδ=4.5mmL=200mmm=3.43Kg
b.选用板式平焊法兰HG20592
法兰外径D=265mm螺栓孔中心圆直径K=225mm螺栓孔直径L=18mm螺栓孔数量n=8
螺纹Th=M16
法兰厚度C20mm法兰内径B=161mm法兰理论重量5.14kg
c.选用橡胶石棉垫片HG20592
D外=265mmD内=169mmδ=1.5mm
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。
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=350mm
H=0.2DN=0.2×500=100mm
锥厚δ=4mm
③栅板及支承圈[3]
DN=500≤500mm采用整块式栅板
塔径
填料环直径
栅板
支承装置
允许装填填料高度
DN
25
R
h×s
t
支承圈宽×厚
筋板数目
500
240
30×6
25
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%
ρL=1.00535g/cm3ρV=0.6536615kg/m3k=0.116
V=
=0.116
=4.5476m/s
Q=MV/（ρv×3600）
=126.587×4.6576/（0.6537×3600）
=0.2505m3/s
D=
=
=0.2649m
采用不锈钢丝网1Cr18Ni9TiHG5-1406-81-50H=150mm
规格为140-400型金属丝0.1×0.4mm
§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=8495.69kg/h
考虑到10%的热损失，取冷却水用量
W水’=W（1+10%）=8495.69×1.1=9345.259kg/h
K=200kcal/（m2·h·℃）=836.82kJ/（（m2·h·℃）
tm=[（99.5252-30）-（99.5252-40）]/ln[（99.5252-30）/（99.5252-40）]=64.3958℃
Ac=Qc/K△tm=35.461×104/（836.82×64.3958）=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=122.62kg/h
考虑到10%的热损失，取蒸汽用量：
W汽’=122.62×1.1=134.882kg/h
K=1400kcal/（m2·h·℃）=5857.74kJ/（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）=2.0507m2
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
§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
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.
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