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1、酸性水汽提塔设计酸性水汽提塔设计 姓名：李姓名：李 享享 指导教师：邱安娥指导教师：邱安娥 专业：过程装备与控制工程专业：过程装备与控制工程“The design about acidic water stripping tower”.一、塔设备与酸性水汽提塔简介一、塔设备与酸性水汽提塔简介二、塔的工艺计算二、塔的工艺计算三、塔的结构设计三、塔的结构设计四、塔的强度计算四、塔的强度计算五、塔的辅助结构设计五、塔的辅助结构设计目目 录录 塔设备，又称塔器，是一类塔形塔设备，又称塔器，是一类塔形的化工及石油化工等生产中最重要的化工及石油化工等生产中最重要的设备之一。用以使气体与液体、的设备之一。用
2、以使气体与液体、气体与固体、液体与液体或液体与气体与固体、液体与液体或液体与固体密切接触，并促进其相互作用，固体密切接触，并促进其相互作用，以完成化学工业中的热量传递和质以完成化学工业中的热量传递和质量传递过程。在塔设备中可以完成量传递过程。在塔设备中可以完成的，较为常见的单元操作有：精馏、的，较为常见的单元操作有：精馏、解吸、吸收和萃取等。此外，也可解吸、吸收和萃取等。此外，也可进行工业气体的冷却与回收、气体进行工业气体的冷却与回收、气体的干燥和湿法净制，另外还有气液的干燥和湿法净制，另外还有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。两相传质和传热的增湿、减湿等。酸性水汽提塔的酸性水汽提塔的重要性重
3、要性和发展现状和发展现状 在炼油加工等过程中，常常会伴随产生一些酸性水，如重油催化裂化装在炼油加工等过程中，常常会伴随产生一些酸性水，如重油催化裂化装置的分馏塔顶的冷凝水、重整加氢装置的分馏塔所产生酸性水、常减压装置置的分馏塔顶的冷凝水、重整加氢装置的分馏塔所产生酸性水、常减压装置的减顶酸性水、加氢裂化装置的酸性水以及焦化装置的富气洗涤水等。这些的减顶酸性水、加氢裂化装置的酸性水以及焦化装置的富气洗涤水等。这些酸性水中往往含有大量的硫化氢和氨，如不加以脱除就会严重污染环境，甚酸性水中往往含有大量的硫化氢和氨，如不加以脱除就会严重污染环境，甚至破坏生态体系。酸性水汽提塔装置是炼油厂最为主要的，用
4、于含硫含氨水至破坏生态体系。酸性水汽提塔装置是炼油厂最为主要的，用于含硫含氨水的处理设备。国内炼油厂原油加工量的大幅增加，环保要求的日益提高等，的处理设备。国内炼油厂原油加工量的大幅增加，环保要求的日益提高等，都迫切地要求污水汽提工艺具有更好的弹性和适应性，以应对污水量不断增都迫切地要求污水汽提工艺具有更好的弹性和适应性，以应对污水量不断增加的当前需求。同时，节能环保的压力也要求污水汽提工艺在提供更为纯净加的当前需求。同时，节能环保的压力也要求污水汽提工艺在提供更为纯净的净化水的同时，也能实现更少的能耗。因此，如何对酸性水汽提塔进行优的净化水的同时，也能实现更少的能耗。因此，如何对酸性水汽提塔
5、进行优化，使其满足在各项指标均满足更高要求的同时，降低投资及操作费用，显化，使其满足在各项指标均满足更高要求的同时，降低投资及操作费用，显得至关重要。得至关重要。 由于环保要求的日益提高，含硫原油加工量在不断的扩大。在中国石由于环保要求的日益提高，含硫原油加工量在不断的扩大。在中国石化集团公司属下的炼油厂中，酸性水汽提装置已从二十世纪七十年代的化集团公司属下的炼油厂中，酸性水汽提装置已从二十世纪七十年代的1 1套增套增至现在的至现在的3030余套。尽管现如今主要的污水汽提装置，所采用的工艺流程都不余套。尽管现如今主要的污水汽提装置，所采用的工艺流程都不尽相同，但仍存在着许多共性的问题：净化水的
6、水质不达标，氨、硫化氢等尽相同，但仍存在着许多共性的问题：净化水的水质不达标，氨、硫化氢等含量严重超标；进料加热等负荷大，导致蒸汽能耗高；操作中对于工况变化含量严重超标；进料加热等负荷大，导致蒸汽能耗高；操作中对于工况变化的及时调节手段少等等。由此，酸性水汽提工艺仍然存在着极其巨大的进步的及时调节手段少等等。由此，酸性水汽提工艺仍然存在着极其巨大的进步空间和十分迫切的进步需求。空间和十分迫切的进步需求。 单塔加压侧线抽出汽提，是通过汽提塔装置将原料水中的氨、硫单塔加压侧线抽出汽提，是通过汽提塔装置将原料水中的氨、硫化氢等组分汽提出来，以此获得合格的净化水。所谓酸性水，是一种化氢等组分汽提出来，
7、以此获得合格的净化水。所谓酸性水，是一种由硫化氢、氨和二氧化碳等组成的多元水溶液。它们在水中以，等由硫化氢、氨和二氧化碳等组成的多元水溶液。它们在水中以，等铵盐的形式存在，这些弱酸弱碱盐在水中溶解后，分别产生游离态的铵盐的形式存在，这些弱酸弱碱盐在水中溶解后，分别产生游离态的硫化氢、氨和二氧化碳分子，此时它们分别与其气相中的分子呈平衡硫化氢、氨和二氧化碳分子，此时它们分别与其气相中的分子呈平衡状态。因此该体系是电离平衡，化学平衡和相平衡均共存的十分复杂状态。因此该体系是电离平衡，化学平衡和相平衡均共存的十分复杂的体系。因此，处理好酸性水和选择适宜操作条件的关键，是控制化的体系。因此，处理好酸性
8、水和选择适宜操作条件的关键，是控制化学、电离和相平衡的适宜条件。浓度和分子比是影响上述三个平衡的学、电离和相平衡的适宜条件。浓度和分子比是影响上述三个平衡的主要因素。水解是一个吸热反应过程，故加热可促进水解作用，使游主要因素。水解是一个吸热反应过程，故加热可促进水解作用，使游离的硫化氢、二氧化碳和氨分子数量增加。但这些游离中的分子，能离的硫化氢、二氧化碳和氨分子数量增加。但这些游离中的分子，能否从液相转入气相，则与它们在液相中的浓度、挥发度、溶解度的大否从液相转入气相，则与它们在液相中的浓度、挥发度、溶解度的大小以及溶液中其它分子或离子能否反应有关。二氧化碳在水中的溶解小以及溶液中其它分子或离
9、子能否反应有关。二氧化碳在水中的溶解度很小，最易从液相转入气相。而氨在水中的溶解度很大，并且它与度很小，最易从液相转入气相。而氨在水中的溶解度很大，并且它与二氧化碳和硫化氢的反应平衡常数也很大。只有当它在指定的条件下二氧化碳和硫化氢的反应平衡常数也很大。只有当它在指定的条件下达到饱和状态时，才能使游离态的氨分子从液相转入气相。可使用通达到饱和状态时，才能使游离态的氨分子从液相转入气相。可使用通入水蒸汽的方法，来起到加热和降低气相中硫化氢、二氧化碳和氨的入水蒸汽的方法，来起到加热和降低气相中硫化氢、二氧化碳和氨的分压的作用，以促进它们从液相进入气相的过程，从而达到水质净化分压的作用，以促进它们从
10、液相进入气相的过程，从而达到水质净化的目的。的目的。（1）单塔汽提侧线抽出工艺单塔汽提侧线抽出工艺 原料水分热进料和冷进料，分别由塔的上部和顶部进入汽提塔内；硫化氢等原料水分热进料和冷进料，分别由塔的上部和顶部进入汽提塔内；硫化氢等经分离后，经由塔顶排出；高浓度的氨蒸汽从塔中部侧线抽出，经过逐级的经分离后，经由塔顶排出；高浓度的氨蒸汽从塔中部侧线抽出，经过逐级的冷却分凝，分出纯度约为冷却分凝，分出纯度约为95% 95% 的氨气，经脱硫化氢精制后，进人氨压机得到的氨气，经脱硫化氢精制后，进人氨压机得到副产品液氨；净化水在塔底处排出。重沸器提供塔底汽提蒸汽。副产品液氨；净化水在塔底处排出。重沸器提
11、供塔底汽提蒸汽。（2）双塔汽提工艺双塔汽提工艺 酸性水经由原料水泵提升后，分两路进入硫化氢汽提塔内，一路与原料水进酸性水经由原料水泵提升后，分两路进入硫化氢汽提塔内，一路与原料水进行换热升温，之后进入硫化氢汽提塔的中上部。另一路做为冷进料，直接进行换热升温，之后进入硫化氢汽提塔的中上部。另一路做为冷进料，直接进入硫化氢汽提塔的上部，重沸器提供硫化氢汽提塔塔底的热源，酸性水中的入硫化氢汽提塔的上部，重沸器提供硫化氢汽提塔塔底的热源，酸性水中的硫化氢由塔顶经由气液分离罐分离后，排出装置用以作为硫磺回收装置的原硫化氢由塔顶经由气液分离罐分离后，排出装置用以作为硫磺回收装置的原料；料； 硫化氢汽体塔产
12、生的塔底净化水，进入氨汽提塔上部。重沸器提供氨汽硫化氢汽体塔产生的塔底净化水，进入氨汽提塔上部。重沸器提供氨汽提塔塔底热源，含氨蒸汽经由塔顶排出，经冷却分离后的氨气，用以配制氨提塔塔底热源，含氨蒸汽经由塔顶排出，经冷却分离后的氨气，用以配制氨水或用来进一步精制得到液氨，分液罐的液相，一部分作为塔顶冷回流，排水或用来进一步精制得到液氨，分液罐的液相，一部分作为塔顶冷回流，排回到装置；另一部分返回到原料罐或原料泵入口处，净化水排出装置。回到装置；另一部分返回到原料罐或原料泵入口处，净化水排出装置。（3）两种汽提工艺的比较两种汽提工艺的比较 单塔加压侧线抽出汽提和双塔加压汽提均可分别回收和。单塔加压
13、侧线抽出单塔加压侧线抽出汽提和双塔加压汽提均可分别回收和。单塔加压侧线抽出汽提比双塔加压汽提略好。单塔加压侧线抽出汽提，工艺流程相对简单，蒸汽提比双塔加压汽提略好。单塔加压侧线抽出汽提，工艺流程相对简单，蒸汽耗量较低，设备台数及占地减少，对酸性水中硫化氢及氨浓度的适用性很汽耗量较低，设备台数及占地减少，对酸性水中硫化氢及氨浓度的适用性很宽，并且其副产品液氨的质量可达到国家标准宽，并且其副产品液氨的质量可达到国家标准77。工艺计算部分，根据实际采集的汽提过程产出物的数据来确定物料平衡、塔盘数、进料及侧线的抽出位置、中段回流位置以及相应的温度和压力等。 本设计的工艺计算部分主要有：塔的物料衡算；塔
14、精馏段的操作条件与相关物性参数的计算；塔体工艺尺寸计算； 塔板主要工艺尺寸的计算。酸性水的摩尔质量：酸性水的摩尔质量：19kg /mol19kg /mol硫化氢硫化氢、氨气和二氧化碳的平均摩尔质量：、氨气和二氧化碳的平均摩尔质量：27 kg /mol27 kg /mol原料液中易挥发组分摩尔分数：原料液中易挥发组分摩尔分数：0.0530.053馏出液中易挥发组分摩尔分数：馏出液中易挥发组分摩尔分数：0.1960.196釜残液中易挥发组分摩尔组成：釜残液中易挥发组分摩尔组成：0.000710.00071联立总物料衡算方程和酸性水物料衡算方程联立总物料衡算方程和酸性水物料衡算方程解得：解得：D=
15、551.3897 kmol/hD= 551.3897 kmol/h，W= 1507.9164 kmol/h W= 1507.9164 kmol/h 。 操作线性方程的确定操作线性方程的确定: :精馏段操作方程为：精馏段操作方程为：0.70.74X+0.0494X+0.049提馏段操作方程为：提馏段操作方程为：1.1.68X-0.0004968X-0.00049塔板数量的确定塔板数量的确定: :由化工原理中的逐板计算，由化工原理中的逐板计算，理论板数为：理论板数为：17.517.5（包括再沸器）（包括再沸器）进料板位置：进料板位置：9 9 全塔效率：全塔效率：0.52 0.52 精馏段实际塔板数
16、为：精馏段实际塔板数为：18 18 提馏段实际塔板数为：提馏段实际塔板数为：1616塔的物料衡算塔的物料衡算塔径的计算：塔径的计算： 根据精馏段的气相体积流量和液相体积流根据精馏段的气相体积流量和液相体积流 取安全系数为取安全系数为0.7, ,则求出的塔径为则求出的塔径为2.998m 按标准塔径圆整后为按标准塔径圆整后为3.0m塔的有效高度计算：塔的有效高度计算： 精馏段高度为精馏段高度为: :5.6m 提馏段高度为提馏段高度为: :6.3m 故精馏塔的有效高度为故精馏塔的有效高度为: :14.3m溢流装置计算：溢流装置计算：因塔径因塔径D=3.0m2.2m，故选用双溢流弓形降液管故选用双溢流
17、弓形降液管因塔径因塔径 D=3.0m0.8m，故采用凹形受液盘。故采用凹形受液盘。 堰长：堰长：1.8m溢流堰高度：溢流堰高度：0.025m弓形降液管宽度：弓形降液管宽度：0.33m弓形降液管截面积：弓形降液管截面积：0.403m2 降液管底隙高度：降液管底隙高度：0.019m 考虑到塔的直径比较大，必须采用分块式塔板，考虑到塔的直径比较大，必须采用分块式塔板，而各分块板的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区而各分块板的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因而排间距应小于面积，因而排间距应小于93.3mm，故取，故取t=80mm。按。按t=75mm，t=80mm以等腰三角形叉排方式作以等腰三角形叉排
18、方式作图，排得图，排得633个浮阀。个浮阀。 按按N=633重新核算孔速及阀孔动能因数，重新核算孔速及阀孔动能因数， 阀孔动能因数变化不大且仍在阀孔动能因数变化不大且仍在912范围内。范围内。结构设计部分：主要对塔的主要尺寸参数，如塔径、塔高等进行设计。具体包括：1.塔径及封头的选择2.确定抽出管口尺寸3.塔高的确定参考大庆石化公司同类设备尺寸，参考大庆石化公司同类设备尺寸，得到各侧线产品出口、中段回流得到各侧线产品出口、中段回流入口、各管口尺寸入口、各管口尺寸 。塔高的确定塔高的确定塔高的确定塔高的确定 确定塔的顶部空间高度确定塔的顶部空间高度Ha 取取Ha=1600mm 吊柱高度吊柱高度H
19、d，取，取Hd=3750mm 118层塔段中塔盘之间的距离层塔段中塔盘之间的距离H1，取，取H1=600mm 1936层塔段中塔盘之间的距离层塔段中塔盘之间的距离H2，取，取H2=800mm 人孔所在两边塔盘间距人孔所在两边塔盘间距H3，取，取H3=800 mm。 液面控制口距底部第一块塔盘之间的距离为液面控制口距底部第一块塔盘之间的距离为H4=1400 mm 塔底高度取塔底高度取Hb=4600mm 因为塔底抽出管线占一定的空间，裙座高度取因为塔底抽出管线占一定的空间，裙座高度取Hc =7700mm 塔的主体高度：塔的主体高度：Hz=18 H1+16 H2+ H3+ H4 Hz =18600+
20、16800+800+1400 =25800mm 塔的总高：塔的总高：H= Hd+ Ha+ Hz+ Hb+ Hc H=3750+1600+25800+4600+7700 =43450mm 11.已知条件已知条件2.材料的选择材料的选择3.塔壳厚度计算塔壳厚度计算4.塔器质量计算塔器质量计算5.塔器的基本自振周期计算塔器的基本自振周期计算6.地震载荷及地震弯矩计算地震载荷及地震弯矩计算7.风载荷和风弯矩计算风载荷和风弯矩计算8.各计算截面最大弯矩各计算截面最大弯矩9.圆筒应力校核圆筒应力校核10.容器液压实验时的应力校核容器液压实验时的应力校核11.裙座壳轴向应力校核裙座壳轴向应力校核12.基础环
21、厚度计算基础环厚度计算13.地脚螺栓计算地脚螺栓计算14.筋板筋板15.盖板盖板设计压力：设计压力： 0.7MPa 设计温度：设计温度： 180操作压力：操作压力： 0.5MPa 操作温度：操作温度： 160 塔塔 高：高：43450mm 塔内径：塔内径：3000mm保温层厚度：保温层厚度： 110mm保温材料密度：保温材料密度：300kg/m抗抗 震震 烈烈 度：度：7基本风压：基本风压：550N/ m 根据上述已知根据上述已知条件，考虑到处理条件，考虑到处理的介质腐蚀较小及的介质腐蚀较小及材料的焊接性能，材料的焊接性能，加工工艺和经济方加工工艺和经济方面，筒体及封头采面，筒体及封头采用用Q
22、345R，裙座采，裙座采用用Q245。圆筒壁厚按圆筒壁厚按GB1502011式计算式计算封头壁厚按封头壁厚按GB150-2011式计算式计算考虑到高塔具有震动、运输、刚度等问题，塔体有效壁考虑到高塔具有震动、运输、刚度等问题，塔体有效壁厚为厚为12mm，裙座厚度应取，裙座厚度应取16mm。封头厚度有效厚度为。封头厚度有效厚度为8mm，名义厚度为，名义厚度为12mm。 圆筒应力校核圆筒应力校核圆筒应力校核圆筒应力校核容器液压实验时的应力校核容器液压实验时的应力校核容器液压实验时的应力校核容器液压实验时的应力校核 基础环设计基础环设计基础环设计基础环设计人 孔吊 柱开孔补强设计裙座结构设计法兰设计
23、五、辅助结构设计五、辅助结构设计人孔人孔 在炼油装置塔器中，在油晶不断清洁的情况下，应每隔在炼油装置塔器中，在油晶不断清洁的情况下，应每隔68块隔板外设一个人孔。在油品赃物需经常清理的情块隔板外设一个人孔。在油品赃物需经常清理的情况下，应每隔况下，应每隔34块隔板外设一个人孔。凡有人孔处塔块隔板外设一个人孔。凡有人孔处塔板间距应板间距应 600mm，并且人孔的中心距离操作平台一般，并且人孔的中心距离操作平台一般应有应有800mm1200mm的距离。人孔的直径一般为的距离。人孔的直径一般为450mm550mm，特殊的也存在长方形的人孔，人孔外，特殊的也存在长方形的人孔，人孔外伸出塔器筒体的长度为
24、伸出塔器筒体的长度为200mm250mm。辅助结构设计辅助结构设计 作为标准件，吊柱在选用时应考虑以下作为标准件，吊柱在选用时应考虑以下几个问题：几个问题： 1.吊装能力。由于用于吊装塔板内件，该吊装能力。由于用于吊装塔板内件，该 吊柱的起重为吊柱的起重为500kN。 2.保证操作平台相距书柄的距离保证操作平台相距书柄的距离1.5m。 3.注意吊装吊起空间，保证每个塔盘内件在注意吊装吊起空间，保证每个塔盘内件在 吊起时，能通够过每个人孔以进入塔内。该吊起时，能通够过每个人孔以进入塔内。该吊杆长吊杆长6.4m。 4.在吊柱的球面支撑处设置防水器。在吊柱的球面支撑处设置防水器。法兰设计法兰设计法兰
25、设计法兰设计 法兰连接密封，是目前管道和设备中使用最为广泛的一种密封法兰连接密封，是目前管道和设备中使用最为广泛的一种密封形式。它属强制式密封结构，是由法兰（包括环及接管或圆筒），形式。它属强制式密封结构，是由法兰（包括环及接管或圆筒），紧固螺栓及垫片组成的。它的基本要求是：有足够的强度和钢度，紧固螺栓及垫片组成的。它的基本要求是：有足够的强度和钢度，密封可靠，装拆方便并且经济合理。密封可靠，装拆方便并且经济合理。 螺栓法兰密封系统的基本密封原则是：利用密封面上的比压，螺栓法兰密封系统的基本密封原则是：利用密封面上的比压，使介质通过密封口的阻力大于密封口两侧介质的压力差，从而达到使介质通过密封
26、口的阻力大于密封口两侧介质的压力差，从而达到密封效果。法兰密封的泄漏方式有渗透泄漏和界面泄漏之分。密封效果。法兰密封的泄漏方式有渗透泄漏和界面泄漏之分。 本次设计压力为本次设计压力为0.7Mpa，操作温度是，操作温度是160C。根据以上条件，。根据以上条件，选用梯形槽密封面，并且选用标准为选用梯形槽密封面，并且选用标准为GB9116.4-2000，结构如图所，结构如图所示。示。 在此处裙座与塔壳的连接方式我在此处裙座与塔壳的连接方式我们采用对接型式。裙座壳外径应与们采用对接型式。裙座壳外径应与相连塔壳外径相等。裙座壳和相连相连塔壳外径相等。裙座壳和相连塔壳封头的连接方式在此处采用全塔壳封头的连
27、接方式在此处采用全焊透连续焊。其焊接结构和尺寸如焊透连续焊。其焊接结构和尺寸如图所示。图所示。 取名义厚度取名义厚度ns=16mm，介质腐，介质腐蚀裕度蚀裕度C2=2mm，钢板负偏差初步取，钢板负偏差初步取C1=0.8mm，则有效厚度，则有效厚度es=13.2mm，裙座于塔壳的连接采用对接接头。，裙座于塔壳的连接采用对接接头。 本酸性水汽提塔设计按照设计任务提供的原始数据和本酸性水汽提塔设计按照设计任务提供的原始数据和工艺要求进行计算。通过对该塔的工艺、结构、强度计算工艺要求进行计算。通过对该塔的工艺、结构、强度计算和设计，本次设计结论如下和设计，本次设计结论如下 1.通过工艺计算得出各物料摩
28、尔流量，精馏段和提馏通过工艺计算得出各物料摩尔流量，精馏段和提馏段段 的操作线方程，塔盘数，塔有效高度，塔径，塔盘的相的操作线方程，塔盘数，塔有效高度，塔径，塔盘的相关参数，该设计数据符合生产要求。关参数，该设计数据符合生产要求。 2.通过结构设计得到了汽提塔的总体高度，塔径，以通过结构设计得到了汽提塔的总体高度，塔径，以及进料和出料管线的直径与伸出高度，均符合设计要求。及进料和出料管线的直径与伸出高度，均符合设计要求。 3.通过强度计算对塔的壁厚进行设计，对轴向应力、通过强度计算对塔的壁厚进行设计，对轴向应力、水压试验下的应力进行校核，得到的设计结果满足强度要水压试验下的应力进行校核，得到的设计结果满足强度要求。求。 4.通过对材料的选用，选择的通过对材料的选用，选择的Q345R既满足强度要求，既满足强度要求，同时也满足使用介质和温度等要求。同时也满足使用介质和温度等要求。 5.该设计符合生产要求，达到相应安全指标，材料选该设计符合生产要求，达到相应安全指标，材料选择经济合理。择经济合理。 敬请各位老师批评指正！
