毕业设计开题报告

题目名称：   脱丙烷塔设计        

题目类型：   设计                

学生姓名：                  

专    业：   过程装备与控制工程  

学    院：   机械工程学院        

年    级：   过092班            

指导教师：                 

一． 选题背景、研究意义及文献综述

1、 选题背景  

乙烯装置是石化的龙头装置，而分离装置又是乙烯的重要组成部分。目前世界上成熟的乙烯分离技术主要有3种：

（1）以Lummus公司为代表的顺序分离程序；

（2）以Linde公司为代表的前脱乙烷加氢流程；

（3）以KBR公司和S&W公司为代表的前脱丙烷加氢流程。

前脱丙烷前加氢及高、低压双塔脱丙烷流程由于具有开车容易、出合格乙烯时间短、操作简单及低能耗等优点逐渐被广泛使用，并且占据主流。在大型乙烯装置中脱丙烷塔是用于分离C3和C4以上组分的重要分离设备，脱丙烷塔的处理能力和分馏效果直接影响乙烯装置的生产能力和丙烯回收率。

2、 研究意义

随在化工领域，精馏是一个耗能非常大的过程，一般占整个流体分离耗能的95%，占整个社会生产过程能耗的3%左右。由于精馏过程复杂、能耗很大，如何减少能耗、优化精馏操作、提高产品的质量和产量一直是化工过程系统领域研究的重点之一。气体分馏装置是炼油化工行业一个具有代表性的装置，它具有典型的精密分馏过程。脱丙烷塔是气体分馏装置的重要生产设备之一，在脱丙烷塔的设计中更好的降低装置能耗，节约生产成本，提高产品质量,就能直接改善整个装置的运行庄状况，提高整个脱丙烷过程的稳定性，可靠性和经济性以及产品纯度的程度[

3、 文献综述

（1）塔设备技术发展

国内  从塔设备的化工设计到结构强度设计，国内也做出了不断的改进，并陆续引入了一些新的方法和标准规范。特别是由于电子计算机技术的发展，化工设计中计算工作量极大的逐板计算法，已能快速而方便地得到满意结果。在结构强度设计中，电子计算机也可以把受载情况异常复杂的塔设备强度问题，逐项加以考虑，并做出详细的计算。现有全国化工设备设计技术中心站组织编制的压力容器强度计算软件SW6中可对设备强度和刚度进行计算。目前正在考虑作塔设备的最优化设计。

国外  国外塔设备的发展已转向“要求在提高处理能力和简化结构”的前提下，保持一定的操作弹性和适当的压力降，并尽量提高塔盘的效率。至于新型填料的研究，则希望找到有利于气液分布均匀、高效和制造方便的填料。

（2）塔设备的分类

塔设备经过长期发展，形成了型式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要。为了便于研究和比较，人们从不同的角度对塔设备进行分类。例如：按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际接触界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的塔；也有按塔釜型式分类的。但是长期以来，最常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔两大类，还有几种装有机械运动构件的塔。    

在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相密切接触，进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。    

在填料塔中，塔内装填一定段数和一定高度的填料层，液体沿填料表面呈膜状向下流动，作为连续相的气体自下而上流动，与液体逆流传质。两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。

（3）塔设备的构件

除了种类繁多的各种内件外，其余构件则是大致相同的

塔体  塔体是塔设备的外壳。常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒和作为头盖和低盖的椭圆形封头所组成。随着化工装置的大型化，渐有采用不等直径、不等壁厚的塔体。塔体除满足工艺条件（如温度、压力、塔径和塔高等）下的强度、刚度外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所引起的强度、刚度问题，以及吊装、运输、检验、开停工等的影响。对于板式塔来说，塔体的不垂直度和弯曲度，将直接影响塔盘的水平度（这指标对板式塔效率的影响是非常明显的），为此，在塔体的设计、制造、检验、运输和吊装等各个环节中，都应严格保证达到有关要求，不使其超差。

塔体支座  塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分。它必须保证塔体坐落在确定的位置上进行正常的操作。为此，它应当具有足够的强度和刚度，能承受各种操作情况下的全塔重量，以及风力、地震等引起的载荷。最常用的塔体支座是裙式支座（简称为“裙座”）。

除沫器  除沫器用于捕集夹带在气流中的液滴。使用高效的除沫器，对于回收贵重物料、提高分离效率、改善塔后设备的操作状况，以及减少对环境的污染等，都是非常必要的。

接管  塔设备的接管是用以连接工艺管路，把塔设备与相关设备连成系统。按接管的用途，分为进液管、出液管、进气管、出气管、回流管、侧线抽出管和仪表接管等。

人孔和手孔  人孔和手孔一般都是为了安装、检修检查和装填填料的需要而设置的。在板式塔和填料塔中，各有不同的设置要求。

吊耳  塔设备的运输和安装，特别是在设备大型化后，往往是工厂基建工地上一项举足轻重的任务。为起吊方便，可在塔设备上焊以吊耳。

吊柱  在塔顶设置吊柱是为了在安装和检修时，方便塔内件的运送。

（4）板式塔的常用塔型及其选用

 泡罩塔  泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作所使用的塔设备中，曾占有主要地位，近三十年来由于塔设备有很大的进展，出现了许多性能良好的新塔型，才使泡罩塔的应用范围和在塔设备中所占的比重有所减少。但泡罩塔并不因此失去其应用价值。

筛板塔  筛板塔是很早出现的一种板式塔。20世纪50年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力大（20％～40％），塔板效率高（10％～15％），压力降低（30％～50％），而且结构简单，塔盘造价减少40％左右，安装、维修都较容易。从而一反长期的冷落状况，获得了广泛应用。近年来对筛板塔盘的研究还在发展，出现了大孔径筛板（孔径可达20～25mm）、导向筛板等多种型式。 筛板塔盘上分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等几部分。工业塔常用的筛孔孔径为3～8mm，按正三角形排列，孔间距与孔径的比为2.5～5。近年来有用大孔径（10～25mm）筛板的，它具有制造容易、不易堵塞等优点，只是漏液点稍高，操作弹性较小。 与泡罩塔操作情况类似，液体从上一层塔盘的降液管流下，横向流过塔盘，经溢流堰进入降液管，流入下一层塔盘。依靠溢流堰来保持塔盘上的液层高度。蒸气自下而上穿过筛孔时，分散成气泡，穿过板上液层。在此过程中进行相际的传热和传质。

浮阀塔  20世纪50年代起，浮阀塔已大量用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的精馏、吸收、脱吸等传质过程。大型浮阀塔的塔径可达10m，塔高达83m，塔板数有数百块之多。 浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。

(5)脱丙烷塔结构计算

圆筒和封头的强度计算：

选择圆筒和封头以及裙座的材料，并根据GB150-2010《压力容器》中的壁厚设计公式确定圆筒的计算厚度δ和封头的有效厚度hσ。

地震载荷、风载荷和偏心载荷的计算：

塔设备除了承受操作压力、内件、物料和自身重力外，一般还承受风力、地震力和偏心力。由于本塔在实验室内所以不考虑风载荷，因此必须考虑地震载荷对塔的影响（本塔不考虑偏心载荷）在这一过程中，把各段筒体的受力集中于该段中心处，主要依据GB150-2010《压力容器》，按公式计算各段筒体的受力及弯矩，确定塔体的危险截面。 

壳体稳定及强度验算：

其中圆筒轴向应力校核，包括由内压或外压引起的轴向应力1σ，由重力及垂直地震力引起的轴向应力2σ，由最大弯矩引起的轴向应力3σ；圆筒拉应力校核，按圆筒最大组合拉应力校核。

裙座壳底截面的应力校核及基础环、地脚螺栓的计算：

首先要确定裙座的危险截面（一般为裙座人孔截面和裙座与筒体衔接的截面），并对危险截面进行校核。在基础环设计中，先根据经验公式假设其内外径，再对其进行压应力的校核，如果不满足要求，则从新确定内外径，直到满足要求。肋板设计部分主要参照机械标准JB4710-2005中计算式计算，同时考虑肋板的腐蚀裕度和钢板的负偏差，确定其实际厚度。在选用地脚螺栓时，要根据计算出的0－0截面的弯矩来确定地脚螺栓所承受的最大拉应力，再根据选材确定螺栓螺纹小径，最后按标准选取螺栓。在焊缝验算中则依据筒节的受力分析中计算的危险截面Ⅱ－Ⅱ的弯矩及该截面以上的质量对截面的焊缝进行应力分析，确保其满足应力要求。以上过程主要依据是国标GB150-2010《压力容器》、机械标准JB/T4710-2005《钢制塔式容器》。 

接管开孔补强的计算：

塔器的接管一般较多，但并非每一个开孔都需要补强，它的依据是国标GB150-2010规定：允许不另行补强的最大接管直径DN为89mm。所以在这部分计算过程之初，应该根据这一规定对每个接管进行判断，如需补强，则需确定开孔所需补强面积，再根据接管布置确定其有效补强范围和面积，最后计算出补强的面积并设计补强圈。

二、 研究的基本内容，拟解决的主要问题

（1）根据(GB/T150-2010)-钢制压力容器、（JB/T4710-2005)-钢制塔式容器计算出塔的主要尺寸。

（2）计算塔的地震载荷以及风载荷。

（3）筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核。

（4）筒体和裙座水压试验应力校核。

（5）基础环的设计和地脚螺栓计算。

（6）开口补强的计算。

（7）利用有限元分析软件对塔体进行模态分析。

三、 研究步骤、方法

1、说明部分

编写开题报告；查阅外文资料；

编写设计论文一份，其中包括：

（1）论文综述: 查阅中外文有关文献和专利,综述相关内容；

（2）脱丙烷塔总体结构设计说明；

（3）脱丙烷塔主要零部件结构设计与计算说明；

2、计算部分

（1） 总体结构分析

（2） 主要零部件的设计及计算

3、 绘图部分

（1）CAD绘制初分塔完整结构

（2）手工绘制脱丙烷塔结构图一张(0#)

4、 利用ANSYS进行模态分析

四、 研究工作进度

1-4周：查阅文献，翻译英文文献，熟悉有限元软件ANSYS，撰写开题报告，参加开题报告答辩；

5-9周：进行塔式容器设计，计算确定脱丙烷塔的外观尺寸；进行结构设计并对其结构进行校核。准备中期答辩；

10-11周：利用AutoCAD软件绘制脱丙烷塔的完整结构设计图以及零件图。

12-13周：对塔体进行有限元模态分析，得出模态分析结果；

13-15周：撰写毕业论文，准备毕业设计答辩。

五、 主要参考文献

[1] 景立新, 吴大可.气体分馏装置丙烯精馏塔操作条件的优化[J]. 贵州工业大学学报, 2005,34(1):

[2黄克谨，钱积新，孙优贤等．分段集结法建立精馏塔简化动态模型．炼油化工自动化．1992(4) [3]张秋利,兰新哲,宋永辉,郑英辉.  筛板塔设计过程的自动化实现[J]. 现代化工. 2008(S1)

[4]国家技术监督局. JB/T4710-2005,钢制塔式容器[S].北京:中国标准出版社，2005. 

[5]国家技术监督局.GB 150-2010.钢制压力容器[S].北京:中国标准出版社，2010.

[6]黄永杰.精馏塔自动控制系统设计与应用[J]. 化工技术与开发. 2012(01)

[7]史继森.精馏塔的控制[J].自动化博览，2008(8) 

[8] 钱建兵、朱慎林.板式塔及分离技术最新进展[J].浙江化工，2003，34(11)： 

[9] 刘剑锋. 板式塔的基本设计原理及发展方向[J].兰州石化职业技术学院院报，2002，2（2） 

[10] 陈强.塔的工艺计算.北京：石油工业出版社.2003.124~126 

[11] 刘福学.  精馏塔的研究与应用[J]. 中国石油和化工标准与质量. 2011(09)

[12] 董艳河,黄敬,王荣良,杜佩衡.  国外塔板技术的最新发展[J]. 过滤与分离. 2003(02)

[13] 李苏雅,王文建.  塔板技术应用研究进展[J]. 化工技术与开发. 2011(12)

[14] James R.Farr、Maan H.Jawad. Structural Analysis and Design Of Process Equipment, 2002.564~586 

[15] Andrew W Sloley. Should you switch to high capacity trays[J].Chemical Engineering progress，1999，95(l):23-35. 

[16] Jose L Bravo. Select structured packings or trays [J]. Chemical Engineering progress，1997，93(7):36-41. 

六、系（教研室）评议意见

评议人：           

      年    月    日