甲醇精餾塔設計（全套CAD圖+說明書+開題報告+翻譯）

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In this paper, methanol–water mixture as the object of study. Because methanol - water system has a wide relative volatility at atmospheric, so the design adopt atmospheric pressure distillation. According to the material properties, operating conditions and other factors, we select packed tower. This design uses a high bubble point feed, bottom and top of the tower reboiller gravity reflux condenser, methanol - water distillation column packing to separate. The design of known diameter and tower height of the tower can be calculated based on experience packing layer height and diameter can be packed under the support tower, liquid distribution, the construction of the skirt so the selection of the tower. According to the book with known conditions and parameters of the formula, the strength of the tower equipment design, the size of tower equipment design, and design of the tower equipment calibration and stability data to ensure that the design can meet the standards, the get packed distillation column of separating methanol and water. Keywords: packed tower; superiority; atmospheric distillation; tower building selection; strength design; stability check. 目 錄 引言…………………………………………………………………1 1 已知設計參數…………………………………………………… 4 2 設計方案的確定………………………………………………… 4 3 塔設備的選型…………………………………………………… 4 3.1 塔型………………………………………………………… 4 3.2 填料的選擇……………………………………………… 4 3.3 填料層的高度計算及分段………………………………… 5 4 填料塔內件的結構設計……………………………………… 5 4.1 填料支承裝置………………………………………………… 5 4.2 填料的壓緊及限位裝置……………………………………… 6 4.3 填料塔液體分布器…………………………………………… 7 4.4 液體收集再分布器…………………………………………… 8 5 塔設備的附件…………………………………………………… 9 5.1 除沫器………………………………………………………… 9 5.2 裙座…………………………………………………………… 9 5.3 地腳螺栓座…………………………………………………… 10 5.4 排氣管和排氣孔……………………………………………… 11 5.5 塔底接管引出孔……………………………………………… 11 5.6 檢查孔………………………………………………………… 12 5.7 塔內和裙座內爬梯…………………………………………… 12 5.8 地腳螺栓……………………………………………………… 12 5.9 地腳螺栓模板………………………………………………… 13 5.10 塔頂吊柱 ………………………………………………………13 5.11 塔釡隔板……………………………………………………… 13 5.12 接管…………………………………………………………… 13 5.13 管口擋板……………………………………………………… 14 5.14 人孔和手孔 ……………………………………………………14 5.15 塔的保溫支撐件 ………………………………………………14 5.16 操作平臺和梯子 ………………………………………………14 6 設備的強度設計和穩(wěn)定校核 ……………………………………15 6.1 筒體和封頭尺寸計算……………………………………………15 6.2 載荷分析 ……………………………………………………… 17 6.3 自振周期計算 ………………………………………………… 20 6.4 風載荷和風彎矩計算 ………………………………………… 21 6.5 地震載荷和地震彎矩計算 …………………………………… 24 6.6 偏心載荷與偏心彎矩計算 …………………………………… 26 6.7 最大彎矩 ……………………………………………………… 26 6.8 強度校核 ……………………………………………………… 26 參考文獻 ……………………………………………………………… 36 附錄 英文原文……………………………………………………………………38 譯文…………………………………………………………………………52 謝辭 ………………………………………………………………………62 第63頁，共63頁 引 言 甲醇（Methanol，Methyl alcohol）又名木醇，木酒精，甲基氫氧化物，是一種最簡單的飽和醇。 甲醇在生活中越來越受到重視，它即可用做有機化工原料，又可用于有機合成、農藥、醫(yī)藥、涂料、染料和國防工業(yè)等領域。隨著社會經濟的快速增長，能源、環(huán)境問題日益突出，甲醇作為燃料應用的比例越來越大。近20年來，甲醇生產發(fā)展很快，技術不斷提高，生產規(guī)模逐年擴大，生產工藝逐步成熟，各項技術指標不斷完善，特別是近年來甲醇汽、柴油的開發(fā)和應用，使其作為代用燃料，從技術性、經濟性上具有了很強的競爭力。預計到2015年達到7200wt／a，供應能力大于市場需求，競爭將會加劇，一些不具競爭力的小裝置或原料價格較高地區(qū)的甲醇裝置將關閉。根據未來甲醇裝置建設趨勢，世界甲醇的生產中心正在向南美、沙特、伊朗和我國轉移；同時這些國家和地區(qū)甲醇產品的目標市場主要是針對亞太地區(qū)和我國。 合成甲醇可采用石腦油、減壓渣油、煤和天然氣為原料，在天然氣豐富的地區(qū)，前幾種原料的生產成本均無法與天然氣競爭。天然氣合成甲醇的各項經濟指標要優(yōu)于其他原料，適于加壓轉化，是合成甲醇最理想的原料。20世紀80年代以來，國外甲醇裝置向大型化方向發(fā)展。甲醇的經濟規(guī)模對投資與產品成本影響較大，一般來講裝置規(guī)模越大，產品成本越低。 近10多年來，世界合成甲醇技術有了很大的發(fā)展，其趨勢為原料路線多樣化、生產規(guī)模大型化、合成催化劑高效化、氣體凈化精細化、過程控制自動化以及聯(lián)合生產普遍化。從而使合成技術更加優(yōu)化。甲醇的總生產成本美國為145~146美 ，中東為69~71美 ，美國的甲醇生產成本高出中東一倍；中東地區(qū)甲醇產品10％的單位投資回報所占單位生產成本的比例也比美國高得多。因此，中東地區(qū)生產的甲醇具有很強的競爭力。建議用天然氣制甲醇的工藝路線采用ICI或Lur-gi生產技術。專家認為，天然氣價格在0．45～0．80元 。我國天然氣制甲醇項目才有經濟效益。 甲醇的生產工藝過程分為合成氣(氫和一氧化碳)的制造、甲醇的合成和精制3部分。 合成氣的制造根據原料的不同，有以下幾種方法： (1)天然氣蒸汽轉化法以天然氣為原料制合成氣生產甲醇，這是國內外發(fā)展的趨勢。此法優(yōu)點是：投資少，成本低，運輸方便，操作簡單。因此，充分利用天然氣合成甲醇，是國內外主要的發(fā)展方向。 (2)煤氣化法由煤制合成氣。 (3)重油部分氧化法油品(石腦油、重油、渣油等)部分氧化制合成氣的工藝，主要有德士古和殼牌兩個著名的方法。德士古系采用高壓氣化技術；殼牌系采用中壓氣化技術。 目前世界上合成甲醇的工業(yè)生產方法有美國卜內門(ICI)公司的低壓和中壓法，德國魯奇(Lur—gi)公司的低壓和中壓法，日本三菱瓦斯化學公司MGC低壓法，丹麥托普索公司節(jié)能型低壓法以及德國巴斯夫(BASF)公司的高壓法等。我國小規(guī)模裝置主要采用高壓法，引進裝置則采用低壓法。其中川維引進ICI法，齊魯引進魯奇法。與高壓法比較低壓法的優(yōu)點是：能量消耗少，操作費用低，產品純度高，設備費用低，故新建廠大多采用低壓法。國內低壓法已經投入生產，并對催化劑進行了研究，已取得了好的進展。 (1)德國巴斯夫公司的高壓法這是最先實現(xiàn)工業(yè)化的甲醇生產工藝，由于其操作條件苛刻，能耗大，成本高，所以已逐步被中、低壓法工藝所取代。 (2)ICI低壓法這是目前工業(yè)上廣泛采用的合成甲醇的方法。其工藝過程為：脫硫、轉化、壓縮、合成、精餾。特點：在采用不同原料時開車簡單，操作可靠，并且不同生產能力的工廠均能使用離心式壓縮機，產品純度高，能充分利用反應熱。 (3)魯奇渣油聯(lián)醇法，我國山東齊魯石化公司引進此方法。特點：熱利用率高，在能量利用方面經濟效果大。目前低壓法合成甲醇工藝中，魯奇法和ICI法在技術上比較成熟。 (4)中壓法(ICI)公司、丹麥托普索公司、日本三菱瓦斯化學公司都有成功的方法，中壓法與低壓法相比，工藝過程相同，但在投資和綜合指標上都要略高一點。 我國甲醇工業(yè)的發(fā)展情況我國甲醇工業(yè)始于20世紀50年代，主要是由原蘇聯(lián)援建的以煤為原料采用高壓法鋅鉻催化劑合成甲醇技術。1957年第一套鋅鉻催化劑高壓法甲醇合成裝置在吉林化學工業(yè)公司投產，設計能力為100t／d，然后在蘭州、太原、西安等地陸續(xù)建廠投產。60年代上海吳涇化工廠先后自建了以焦炭和石腦油為原料的甲醇裝置；同時南京化學工業(yè)公司研究院研制了聯(lián)醇用中壓銅基催化劑，推動了具有我國特色的合成氨聯(lián)產甲醇工業(yè)的發(fā)展。自2002年年初以來，我國甲醇市場受下游需求強力拉動，以及生產成本的提高，甲醇價格一直呈現(xiàn)一種穩(wěn)步上揚走勢。甲醇市場價格最高漲幅超過100％ ，甲醇生產的利潤相當豐厚，效益好的廠家每噸純利超過了1000元，因而甲醇生產廠家紛紛擴產和新建，使得我國甲醇的產能急劇增加。 2002年，我國甲醇生產能力達到4．5Mt，產量為2．31Mt，進口1．8Mt，出口量為10kt，表觀消費量為4．1 Mt，占市場需求的56％ ；2003年生產能力5 Mt，產量為3 Mt，進口量為1．4Mt，出口量為50kt，表觀消費量為4．35 Mt，占市場需求的69％ ；2004年生產能力達到7Mt，產量4．4Mt，進口量為1．36Mt，出口量約30kt，表觀消費量為5．73Mt，占市場需求的77％ ；2005年生產能力為10Mt，產量達到5 Mt，進口量為1．15 Mt，表觀消費量為6．15Mt，占市場需求的80％。2006年上半年我國共生產甲醇3．4Mt比2005年同期增長29．7％ ，下半年又有2 Mt的新建甲醇裝置陸續(xù)竣工投產，使得2006年我國甲醇產量突破7Mt大關，比2005年增加2Mt。同時，2006年我國的甲醇需求量仍將保持較高速度的增長，消費量將超過7 Mt，再創(chuàng)歷史新高。2006年我國甲醇出口(主要出口到韓國)量已超過100kt。我國現(xiàn)在已成為世界第二大甲醇消費國，同時也是甲醇生產增長最快的國家，并將繼續(xù)高速發(fā)展。 目前國內甲醇工業(yè)已經是供過于求，且發(fā)展趨頭越來越“猛烈”，在未來5年內我國甲醇產量將新增26～30Mt，總生產能力將達到36～40Mt。國內許多甲醇生產企業(yè)將面臨巨大的生存和發(fā)展壓力。建議有關部門加強宏觀調控，適當控制國內甲醇工業(yè)建設過熱的勢頭，應從長遠角度考慮，加大甲醇下游產品的開發(fā)力度。建議優(yōu)化甲醇資源，加大甲醇出口力度，把我國甲醇企業(yè)的注意力盡快轉移到甲醇下游產品的開發(fā) 1 已知設計參數 操作壓力： 常壓; 操作溫度： 120℃ 入塔物料： 甲醇; 塔高： 14.96米 塔徑： 0.8米; 環(huán)境： 衡陽室外 2 設計方案的確定 本設計任務為分離甲醇——水混合物。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。甲醇常壓下的沸點為64.8℃，而本任務要求采用常壓操作，符合題意。用30℃的循環(huán)水進行冷凝。塔頂上升蒸汽采用全凝器進行冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲槽。因所分離物系的重組分為水，故直接采用直接蒸汽加熱方式，釜殘液直接排放。 3 塔設備的選型 3.1 塔型 根據《塔設備》中塔型選擇一般原則，本設計中入塔物料有較弱腐蝕性，再結合已知的操作條件及塔徑，由表2-8塔型選擇順序表選擇填料塔，而且填料塔結構簡單，壓力降小，傳質效率高，便于采用耐腐蝕材料制造，過去，填料塔多推薦用于0.7m以下塔徑，近年來，隨著高效新型填料和其他高性能塔內件的開發(fā)，以及人們對填料流體力學、放大效應及傳質激勵的深入研究，使填料塔技術得到了迅速發(fā)展，目前，國內外已開始利用大型高效填料塔改造板式塔，并在增加產量、提高產品質量、節(jié)能等方面取得了巨大的成效。所以在塔設備的選擇上選擇填料塔更好。 3.2 填料的選擇 由于本塔設計為甲醇填料精餾塔，介質為甲醇，綜合其腐蝕性、成膜性、塔體的直徑、傳質效率及其他性質，而矩鞍環(huán)填料具有通過能力大，壓力降低，沸液量小，容積重量輕，以及填料層結構均勻等優(yōu)點，特別適用于真空蒸餾。最后選擇顆粒填料中的不銹鋼矩鞍環(huán)，類型為50。 而由《塔設備》中表5-20 不銹鋼矩鞍環(huán)的特性數據得，所選填料的尺寸為50×29×0.5，堆積個數n=11310個/m3，堆積密度為141kg/m3，比表面積為79，空隙率為0.982，干填料因子為83。 3.3 填料層高度的計算及分段 3.3.1等板高度計算 填料層的等板高度與許多因素有關，包括流體力學因素，物理因素，熱力學因素，傳遞因素和操作因素等。至今尚未有很完善的計算公式，計算中應采用直接測定的數據或主要性質相近的物系數據。近年來研究者通過大量數據回歸得到了常壓蒸餾時的HETP關聯(lián)式如下： 式中 HETP—等板高度，mm； σL—液體表面張力，N/m； —液體粘度，Pa/s； h—常數。 在《化工原理》附錄2 水的物理性質中查得，水在120℃時： σL=548.4N/m =237.4 Pa/s 查表5-15 HETP關聯(lián)式中的常數值得： h=7.0382 所以結合上式可得HETP值為1022.7mm，而本設計的塔高為14.96m，減去部分高度得填料層的大約高度為8000mm。 3.3.2填料層的分段 對于散裝填料，根據《化工設備手冊》表2-6-47散包裝填料分段高度 得矩鞍環(huán)填料塔中h/D為5～15，h max≤6m。所以精餾段分為三段，每段為2150mm；提餾段只有一段為2500mm。 4 填料塔內件的結構設計 4.1 填料支承裝置 梁型氣體噴射式填料支撐板具有支撐板上開孔的自由截面積大；支撐板上氣液流通的自由截面積大，允許較高的氣液負荷；氣體通過支撐板的壓降小。這種支撐板是最好的塔填料支撐件，推薦優(yōu)先采用。 支撐板結構形式為多塊波形梁型支撐板拼裝結構，每一塊支撐板之間用螺栓連接，整塊支撐板為可拆結構。《化工設備手冊》表2-6-36支撐板的波形尺寸查得當塔徑DN在400-800mm時波形尺寸為192。當DN1200mm的支撐板，可不設置邊圈。由表2-6-37支撐板結構尺寸知DN=800mm時支撐板外徑：780mm，支撐板分塊數：3，支撐圈寬度：40mm，支撐圈厚度：10mm。連接卡子由JB1119-81選卡子Ⅱ10，支撐板材料選擇0Cr18Ni9。填料 圖1.1升氣管式填料支承板 4.2 填料的壓緊與限位裝置 4.2.1填料壓板 當氣速較高或壓力波動較大時，會導致填料層的松動，從而造成填料層及層內各處的裝填密度產生差異，引起氣液相的不良分布，嚴重時會導致散裝填料的流化，造成填料的破碎，損壞和流失，為保證填料塔正常，穩(wěn)定的操作，在填料層的上部應當根據不同的材質的填料安裝不同填料壓緊器或填料層限位器。 4.2.2填料限位器 一般情況下陶瓷，石墨等脆性散裝填料適用于填料壓緊器，而金屬，塑料散裝填料則使用填料層限位器，本設計中使用的為金屬不銹鋼填料，故使用填料限位器。 在選擇填料層限位器時，由于塔徑DN=800mm，故采用網紋孔板整體限位器，柵板、格條間的間距t=200mm，柵條、邊圈厚度s=6-10mm，選擇的材料為0Cr18Ni9，用卡子緊固，采用卡子型號為Ⅱ10，Ⅱ10為M10螺栓卡子。 4.3 液體分布裝置 在填料塔操作，因為液體液體的初始分布對填料塔的影響最大，所以液體分布器是填料塔最重要的塔內件之一。液體分布器的設計應考慮液體分布點的密度，分布點的布液方式及布液的均勻等因素，其中包括分布器的結構形式、幾何尺寸的確定，液位高度或壓頭大小、阻力等。 為了保證液體初始分布均勻，應保證液體分布點的密度即單位面積上的噴淋點數，由于實際設備結構上的限制，液體分布點不可能太多，常用填料塔噴淋點數可參照下列數值： DN400mm時,每30cm的塔截面設一個噴淋點； DN750mm時,每60cm的塔截面設一個噴淋點； DN1200mm時,每240cm的塔截面設一個噴淋點； 由于本設計的塔徑D=800mm，所以每240cm2塔截面設一個噴淋點。而塔截面為： A==5024cm 所以噴淋點數為 5024÷240≈21個 為了滿足塔徑、液流量以及均布程度的要求，本設計選取篩孔盤式分布器。由《塔設備》中篩孔盤式分布器可知板上的篩孔按正三角形或正方形排列，孔徑為Φ3～Φ10mm，小孔數按噴淋點數確定。根據氣體負荷大小，在分布器上安裝升氣管，升氣管的直徑不小于Φ15mm。液體由位于分布盤上方的中心管注入盤內，管口高于圍環(huán)上緣50～200mm，本設計取160mm。塔的內徑與分布器定位塊外廊的間隙為8～12mm。分布盤直徑為D=（0.85～0.88）D。由于塔徑為600mm 800mm1200mm，所以分布盤設計成分塊結構，又由于每塊寬度不大于400mm，因此本設計篩孔分布器分成2塊。