空分精馏塔设计说明书(下塔提污氮)

目录设计任务书 (1)第一部分精馏计算 (2)一、下塔精馏计算 (2)到第六块塔板的时候氧浓度已经超过36了,故第I段取7块 (5)二、液空、污液氮、纯液氮节流气化率的确定 (5)三、液空节流后气液相组分的计算 (6)四、膨胀空气过热引起气化量的计算 (7)五、上塔的精馏计算 (7)六、实际塔板数的确定 (12)第二部分塔板流动工况及结构计算（下塔） (13)一、塔径的计算 (13)二、溢流斗结构设计计算 (15)三、塔板阻力计算 (16)四、溢流斗尺寸及塔板间距计算 (17)第三部分容器及强度计算 (19)一、塔体壁厚计算 (19)二、封头的设计计算 (20)三、塔体开孔及开孔补强 (21)四、支座设计 (24)五、支撑梁工字钢的选取 (27)设计任务书已知条件：上塔压力 MPa P 136.0=上下塔压力 MPa P 58.0=下氧产量 h Nm Vo /1000032=氧浓度 %6.992=o y 氮产量 h Nm V N /1000032=氮浓度 %99.992=N y加工空气量 h Nm V K /550003=液空氧浓度 O X21LK%36=过冷度 C t ︒=∆5冷过热度C t ︒=∆20热膨胀空气量14.0=PK V标准空气体积百分含量 20.95%2O ，0.93%Ar ，78.12%2N设计任务：1、三相液体精馏计算—确定上下塔板数；2、塔板动力工况及结构计算—确定塔径、塔板间距、溢流斗个数等；3、容器及强度计算—包括选材、壁厚、封头的选择计算；4、绘制下塔装配图—包括焊接形式及主要装配结构；5、书写设计说明书。

备注：1、 本设计中凡涉及标注1，2，3的均分别表示氧、氩、氮组分；2、 本设计为双高精馏塔，理论塔板数计算为三元逐板计算法；3、 假设纯产品为二元混合物，即纯2O 或2N 中杂质为Ar ；4、本设计中数据多采集自《深冷手册》和压力容器设计国家标准以及部分经验公式。

第一部分 精馏计算课程设计主要对精馏塔的塔板数、下塔装配结构作设计，下塔精馏采用中间抽污氮进入上塔参加精馏，另外一部分压缩空气进膨胀机节流提供冷量进入上塔。

其简单流程示意图见下图：图一 精馏塔流程示意图一、下塔精馏计算1、污氮量及其含氮浓度计算根据全塔物料守恒和组分平衡得到如下方程组：2222233332222K O CN WN K K O O CN CN WN WN K KO O CN CN WN WN V V V V V y V y V y V y V y V y V y V y ⎧=++⎪⎪=++⎨⎪=++⎪⎩ 1-1 将已知条件代入方程组1-1，得：325500010000100005500078.12%100000%1000099.99%550000.93%100000.4%100000.01%WN WN WN WN WNV V y V y =++⎧⎪⨯=⨯+⨯+⎨⎪⨯=⨯+⨯+⎩ 解得：332135000/94.2%1.34%4.46%WN WN WN WNV Nm h y y y ⎧=⎪=⎪⎨=⎪⎪=⎩2、下塔物料平衡计算由下塔物料守恒得到如下方程组： 33332222K K CN WN K K K K CN CN WN WN K K K K CN CN WN WNV L L L V y L x L x L x V y L x L x L x =++⎧⎪=++⎨⎪=++⎩ 1-2 其中： 3/K K V V Nm h =⨯⨯总（1-0.14）=550000.86=47300假设：（1）310000/CN CN L V Nm h ==且纯液氮与纯气氮组分一致 （2）2 1.618%K x =，浓度略少于污液氮中的氩浓度（3）污液氮与污气氮中氮组分相同，即33WN WN x y =。

将以上假设条件代入方程组1-2得： 247300100004730078.12%62.18%1000099.99%94.19%473000.93% 1.32%100000.01%K WN K WN K WN WNL L L L L L x ⎧=++⎪⨯=⨯⨯+⨯+⨯⎨⎪⨯=⨯+⨯+⨯⎩解得：332125723.93/11576.07/0.196%5.604%K WN WN WNL Nm hL Nm hx x ⎧=⎪=⎪⎨=⎪⎪=⎩ 3、回流比及操作线方程的确定为I 、II 两段，从污氮出口往下到液空上方为第I 段，从污氮出口往上到液氮出口下方为第II 段。

第I 段回流比及操作线方程的确定：全塔物料守恒得到：332135000/94.19%1.34%4.46%WN WN WN WNV Nm h y y y ⎧=⎪=⎪⎨=⎪⎪=⎩下塔物料守恒：332125723.93/11576.07/0.196%5.604%K WN WN WNL Nm h L Nm hx x ⎧=⎪=⎪⎨=⎪⎪=⎩回流比：25723.93()0.543847300K I K L L V V === 根据物料守恒得到操作线方程组： 11112222()()()()I K K I K KL y x x y VL y x x y V ⎧=-+⎪⎪⎨⎪=-+⎪⎩1-3 将回流比及假设条件21.32%K x =代入操作线方程组1-3得：11220.54380.0137320.54380.0005y x y x =+⎧⎨=+⎩ （2）第II 段回流比及操作线方程的确定： 回流比：4730010000()0.788647300K CN II K V L LV V --=== 根据物料守恒得到操作线方程： 111222II CN IIII CN CN II II CN CN II L L V L x L x V y L x L x V y +=⎧⎪+=⎨⎪+=⎩ 1-4并将 3331247300/10000/37300/0%0.01%II K CN II CN CN V V Nm h L Nm h L Nm h x x ======代入方程1-4得到第II 段操作线方程： 11220.78860.78860.000021y x y x =⎧⎨=+⎩ 4、下塔理论塔板数计算（逐板计算法）首先，根据吉普斯相率可以做以下假设：离开塔板的两股物质处于相平衡，进入塔板的两股物质浓度关系由操作线方程确定。

计算过程：由污氮中氧浓度和氩浓度算出1y 和2y ,再由0.58MPa 下氧-氩-氮三元系相平衡图中查得第一块塔板的1x 和2x ,从而查出y.如此循环最后使得氧浓度大于36%.下塔第I 段操作线方程：11220.54380.0137320.54380.0005y x y x =+⎧⎨=+⎩下塔第II 段操作线方程：11220.78860.78860.000021y x y x =⎧⎨=+⎩表格一 下塔第I 段逐板计算表到第六块塔板的时候氧浓度已经超过36了,故第I 段取7块5、下塔第II 段塔板数的确定二、液空、污液氮、纯液氮节流气化率的确定 1、液空节流气化率的计算（K α）已知液空的过冷度为5C ︒，从下塔0.58Mpa 节流到0.136Mpa ，根据空气T-S 图可查得11.6%K α=。

下塔理论塔板数： 第I 段：7 第II 段：1111.6%K α=2、污氮及纯氮气化率的计算（WN CN αα）由于污氮中氧和氩含量较低，将污氮近似处理成纯的氮来计算，所以查氮的T-S 图可得到：12.4%WN CN αα==三、液空节流后气液相组分的计算根据前面得到的数据计算：节流前液空量： 325723.93/K L Nm h = 1236%1.618%K K x x == 节流后气化量： ''311.6%25723.962983.98/K K R L Nm h α==⨯=''''12y y 节流后液体量： '(1)K K R L α=- ''12x x 根据组分平衡''''''111''''''222K K R y R x L x R y R x L x ⎧+=⎪⎨+=⎪⎩ 1-5 将数据代入方程组1-5得：'''11.60.1312110011.6K K R tgr R αα====-- 求得r=7.48。

然后确定液空节流后气液相组分。

在上塔压力（P=0.58Mpa ）下的三元系相平衡图11y x -图上（见示意图）纵坐标上找到节流前液空1x （36%）左一条水平线与11x y =线相交于点a ，如图所示，以a 点为原点作与水平线夹角为r （7.48）的斜线。

此时假设节流后液体中含氩量'2x （=1.618%），在11y x -图上找到'22x x =的等浓度线与前所做斜线交于点C ，C 点的横坐标即为节流后蒸汽中氧含量''1y =（16.3%），纵坐标即为节流后液体中的含氧量'1x （=42.1%）。

同样的方法可以在22y x -图上查到节流后蒸汽中的氩含量''2y （=0.84%）、节流后液体中的氩含量'2x （=1.47%）。

此时图表上查得的12.4%WN CN αα=='2x 与假设相同，计算完成。

图二 截流后组分浓度的求法四、膨胀空气过热引起气化量的计算已知：膨胀空气量30.14473000.146622/K V V Nm h ρ=⨯=⨯= 过热度 C t ︒=∆20热查得过热焓 /h Kcal Kmol ∆= 气化潜热1215/Kcal Kmol γ=因此膨胀空气过热引起气化量3401.96/h V V Nm h ργ∆⨯∆==五、上塔的精馏计算由于有污液氮、膨胀空气进入上塔，可以将上塔分为四段，第A 段从纯氮产品出口到污液氮入口，第B 段从污液氮进口到液空入口，第C 段从液空入口到膨胀空气入口，第D 段从膨胀空气入口到氧产品出口。

上塔逐板计算时用到压力P=1.36Mpa 的图，见下图：'1'2''1''242.1%1.47%16.3%0.84%x x y y ⎧=⎪=⎪⎨=⎪⎪=⎩膨胀空气量：37700/V Nm h ρ=气化量：3401.96/V Nm h ∆=图三 P=1.36Mpa 三相平衡图1、辅塔（第A 段）理论塔板数的确定根据设计参数及已求得参数可确定： 回流比：(1)()1(1)CN CN A CN CN L LV V αα-==-，（CN CN L V =） 操作线方程：根据上塔第1段物料守恒可得11112222CN A CN ACN CN A CN CN A CN CNA CN CN A V L L V V y L x L x V y V y L x L x V y +=+⎧⎪+=+⎨⎪+=+⎩ 1-6 因为CN CN L V =，代入数据到方程组1-6得：1122y x y x =⎧⎨=⎩ 通过操作线方程及污氮入口浓度从污氮入口向上逐板计算，当算至氧浓度接近零为止：表格二 上塔第A 段逐板计算表 组分 塔板数1y （%）2y （%）1x （%）2x （%）7 0.011 0.001 0.011 0.001 60.0170.0030.0170.003上塔第A 段操作线方程：1122y x y x =⎧⎨=⎩2、精馏塔（第B 段）理论塔板数的确定根据已求得参数可确定：回流比：(1)(1)()(112.4%)(1000011576.07)0.4466100003500012.4%(1000011576.07)CN CN WN WN B CN WN CN CN WN WNL L LV V V L L αααα---=+---+==+-+根据上塔第1段物料守恒可得操作线方程：11112222WN B WN B WN WN B WN WN B WN WN B WN WN B V L L V V y L x L x V y V y L x L x V y +=+⎧⎪+=+⎨⎪+=+⎩ 1-7 代入()B LV=0.4466数据到方程组1-7得到操作线方程：11220.44660.021550.44660.01054y x y x =+⎧⎨=+⎩ 此段从污氮进料口开始向下逐板计算，直到算至液相中氧浓度几乎不变，此时即为液空进料口。