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甲醇精餾塔設(shè)計
摘要：填料塔為連續(xù)接觸的氣液傳質(zhì)設(shè)備，與板式塔相比，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且具有生產(chǎn)能力大，分離填料材質(zhì)的選擇，可處理腐蝕性的材料，尤其對于壓強降較低的真空精餾操作，填料塔更顯示出優(yōu)越性。本文以甲醇-水的混合液為研究對象，因甲醇-水系統(tǒng)在常壓下相對揮發(fā)度相差較大，較易分離，所以設(shè)計采用常壓精餾。根據(jù)物料性質(zhì)，操作條件等因素選擇填料塔，此設(shè)計采用高位泡點進料、塔底再沸器和塔頂冷凝器的重力回流方式，將甲醇-水進行分離的填料精餾塔。
本設(shè)計中已知了塔徑和塔高，可根據(jù)經(jīng)驗公式計算填料層高度，而且可根據(jù)塔徑可以對填料支撐，液體分布，裙座等塔的構(gòu)建進行選型。根據(jù)已知的條件結(jié)合書上的計算公式和參數(shù)，對塔設(shè)備進行強度的設(shè)計，設(shè)計塔設(shè)備的尺寸，并對設(shè)計的塔設(shè)備數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定校核，以確保設(shè)計能滿足各項標(biāo)準(zhǔn)，從而得到分離甲醇-水混合物液的填料精餾塔。
關(guān)鍵字：填料塔；優(yōu)越性；常壓精餾；塔構(gòu)建選型；強度設(shè)計；穩(wěn)定校核
Methyl alcohol rectifying tower design
Abstract: The Packed tower is continuous contact with the gas-liquid mass transfer equipment, compared with tray column, The Packed tower not only has a simple structure, but also has higher capacity to product, The Packed tower can choose the separation of packing materials and handle corrosive materials, especially for operation of low pressure drop vacuum distillation, and the packed column shows superiority. 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(shè)計參數(shù)…………………………………………………… 4
2 設(shè)計方案的確定………………………………………………… 4
3 塔設(shè)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(nèi)件的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(nèi)和裙座內(nèi)爬梯…………………………………………… 12
5.8 地腳螺栓……………………………………………………… 12
5.9 地腳螺栓模板………………………………………………… 13
5.10 塔頂?shù)踔?………………………………………………………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(shè)備的強度設(shè)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(fēng)載荷和風(fēng)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(nóng)藥、醫(yī)藥、涂料、染料和國防工業(yè)等領(lǐng)域。隨著社會經(jīng)濟的快速增長，能源、環(huán)境問題日益突出，甲醇作為燃料應(yīng)用的比例越來越大。近20年來，甲醇生產(chǎn)發(fā)展很快，技術(shù)不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模逐年擴大，生產(chǎn)工藝逐步成熟，各項技術(shù)指標(biāo)不斷完善，特別是近年來甲醇汽、柴油的開發(fā)和應(yīng)用，使其作為代用燃料，從技術(shù)性、經(jīng)濟性上具有了很強的競爭力。預(yù)計到2015年達到7200wt／a，供應(yīng)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(guān)閉。根據(jù)未來甲醇裝置建設(shè)趨勢，世界甲醇的生產(chǎn)中心正在向南美、沙特、伊朗和我國轉(zhuǎn)移；同時這些國家和地區(qū)甲醇產(chǎn)品的目標(biāo)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(chǎn)成本均無法與天然氣競爭。天然氣合成甲醇的各項經(jīng)濟指標(biāo)要優(yōu)于其他原料，適于加壓轉(zhuǎn)化，是合成甲醇最理想的原料。20世紀(jì)80年代以來，國外甲醇裝置向大型化方向發(fā)展。甲醇的經(jīng)濟規(guī)模對投資與產(chǎn)品成本影響較大，一般來講裝置規(guī)模越大，產(chǎn)品成本越低。
近10多年來，世界合成甲醇技術(shù)有了很大的發(fā)展，其趨勢為原料路線多樣化、生產(chǎn)規(guī)模大型化、合成催化劑高效化、氣體凈化精細(xì)化、過程控制自動化以及聯(lián)合生產(chǎn)普遍化。從而使合成技術(shù)更加優(yōu)化。甲醇的總生產(chǎn)成本美國為145~146美 ，中東為69~71美 ，美國的甲醇生產(chǎn)成本高出中東一倍；中東地區(qū)甲醇產(chǎn)品10％的單位投資回報所占單位生產(chǎn)成本的比例也比美國高得多。因此，中東地區(qū)生產(chǎn)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(chǎn)技術(shù)。專家認(rèn)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(jīng)濟效益。
甲醇的生產(chǎn)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(jù)原料的不同，有以下幾種方法：
(1)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法以天然氣為原料制合成氣生產(chǎn)甲醇，這是國內(nèi)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(nèi)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(shù)；殼牌系采用中壓氣化技術(shù)。
目前世界上合成甲醇的工業(yè)生產(chǎn)方法有美國卜內(nèi)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(xué)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(chǎn)品純度高，設(shè)備費用低，故新建廠大多采用低壓法。國內(nèi)低壓法已經(jīng)投入生產(chǎn)，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(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)能力的工廠均能使用離心式壓縮機，產(chǎn)品純度高，能充分利用反應(yīng)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(jīng)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(shù)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(xué)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(biāo)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(jì)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(shù)。1957年第一套鋅鉻催化劑高壓法甲醇合成裝置在吉林化學(xué)工業(yè)公司投產(chǎn)，設(shè)計能力為100t／d，然后在蘭州、太原、西安等地陸續(xù)建廠投產(chǎn)。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(xué)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)的利潤相當(dāng)豐厚，效益好的廠家每噸純利超過了1000元，因而甲醇生產(chǎn)廠家紛紛擴產(chǎn)和新建，使得我國甲醇的產(chǎn)能急劇增加。
2002年，我國甲醇生產(chǎn)能力達到4．5Mt，產(chǎn)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(chǎn)能力5 Mt，產(chǎn)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(chǎn)能力達到7Mt，產(chǎn)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(chǎn)能力為10Mt，產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)，使得2006年我國甲醇產(chǎn)量突破7Mt大關(guān)，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(chǎn)增長最快的國家，并將繼續(xù)高速發(fā)展。
目前國內(nèi)甲醇工業(yè)已經(jīng)是供過于求，且發(fā)展趨頭越來越“猛烈”，在未來5年內(nèi)我國甲醇產(chǎn)量將新增26～30Mt，總生產(chǎn)能力將達到36～40Mt。國內(nèi)許多甲醇生產(chǎn)企業(yè)將面臨巨大的生存和發(fā)展壓力。建議有關(guān)部門加強宏觀調(diào)控，適當(dāng)控制國內(nèi)甲醇工業(yè)建設(shè)過熱的勢頭，應(yīng)從長遠(yuǎn)角度考慮，加大甲醇下游產(chǎn)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(zhuǎn)移到甲醇下游產(chǎn)品的開發(fā)
1 已知設(shè)計參數(shù)
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(shè)計方案的確定
本設(shè)計任務(wù)為分離甲醇——水混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進料，將原料通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。甲醇常壓下的沸點為64.8℃，而本任務(wù)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(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)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(shè)備的選型
3.1 塔型
根據(jù)《塔設(shè)備》中塔型選擇一般原則，本設(shè)計中入塔物料有較弱腐蝕性，再結(jié)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(jié)構(gòu)簡單，壓力降小，傳質(zhì)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(nèi)件的開發(fā)，以及人們對填料流體力學(xué)、放大效應(yīng)及傳質(zhì)激勵的深入研究，使填料塔技術(shù)得到了迅速發(fā)展，目前，國內(nèi)外已開始利用大型高效填料塔改造板式塔，并在增加產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能等方面取得了巨大的成效。所以在塔設(shè)備的選擇上選擇填料塔更好。
3.2 填料的選擇
由于本塔設(shè)計為甲醇填料精餾塔，介質(zhì)為甲醇，綜合其腐蝕性、成膜性、塔體的直徑、傳質(zhì)效率及其他性質(zhì)，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(jié)構(gòu)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(shè)備》中表5-20 不銹鋼矩鞍環(huán)的特性數(shù)據(jù)得，所選填料的尺寸為50×29×0.5，堆積個數(shù)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(guān)，包括流體力學(xué)因素，物理因素，熱力學(xué)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(yīng)采用直接測定的數(shù)據(jù)或主要性質(zhì)相近的物系數(shù)據(jù)。近年來研究者通過大量數(shù)據(jù)回歸得到了常壓蒸餾時的HETP關(guān)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(shù)。
在《化工原理》附錄2 水的物理性質(zhì)中查得，水在120℃時：
σL=548.4N/m =237.4 Pa/s
查表5-15 HETP關(guān)聯(lián)式中的常數(shù)值得：
h=7.0382
所以結(jié)合上式可得HETP值為1022.7mm，而本設(shè)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(jù)《化工設(shè)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(nèi)件的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)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(jié)構(gòu)形式為多塊波形梁型支撐板拼裝結(jié)構(gòu)，每一塊支撐板之間用螺栓連接，整塊支撐板為可拆結(jié)構(gòu)?！痘ぴO(shè)備手冊》表2-6-36支撐板的波形尺寸查得當(dāng)塔徑DN在400-800mm時波形尺寸為192。當(dāng)DN1200mm的支撐板，可不設(shè)置邊圈。由表2-6-37支撐板結(jié)構(gòu)尺寸知DN=800mm時支撐板外徑：780mm，支撐板分塊數(shù)：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(dāng)氣速較高或壓力波動較大時，會導(dǎo)致填料層的松動，從而造成填料層及層內(nèi)各處的裝填密度產(chǎn)生差異，引起氣液相的不良分布，嚴(yán)重時會導(dǎo)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(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的材質(zhì)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(shè)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(wǎng)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(nèi)件之一。液體分布器的設(shè)計應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)保證液體分布點的密度即單位面積上的噴淋點數(shù)，由于實際設(shè)備結(jié)構(gòu)上的限制，液體分布點不可能太多，常用填料塔噴淋點數(shù)可參照下列數(shù)值：
DN400mm時,每30cm的塔截面設(shè)一個噴淋點；
DN750mm時,每60cm的塔截面設(shè)一個噴淋點；
DN1200mm時,每240cm的塔截面設(shè)一個噴淋點；
由于本設(shè)計的塔徑D=800mm，所以每240cm2塔截面設(shè)一個噴淋點。而塔截面為：
A==5024cm
所以噴淋點數(shù)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(shè)計選取篩孔盤式分布器。由《塔設(shè)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(shù)按噴淋點數(shù)確定。根據(jù)氣體負(fù)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(nèi)，管口高于圍環(huán)上緣50～200mm，本設(shè)計取160mm。塔的內(nèi)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(shè)計成分塊結(jié)構(gòu)，又由于每塊寬度不大于400mm，因此本設(shè)計篩孔分布器分成2塊。