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1、 东 北 石 油 大 学 石化装备设计综合实训 2015 年 3 月 18 日 题 目 4 万吨/年甲醇-水板式精馏塔设计 学 院 机械科学与工程学院 专业班级 过程装备与控制工程 12-1 班 学生姓名 李早东 学生学号 120403140111 指导教师 李敏 杨志军 东北石油大学课程实训任务书 课程 石油装备设计综合实训 题目 4 万吨/年甲醇-水板式精馏塔设计 专业 过程装备与控制工程 姓名 李早东 学号 120403140111 主要内容： 1 设计方案的确定及工艺流程的说明和绘制； 2 塔的工艺计算； 3 塔和塔板主要工艺结构的设计计算； 4 塔内流体力学性能的设计计算、负荷性能图
2、的绘制； 5 塔体的强度校核； 6 绘制塔体装配图。 设计条件 原料含甲醇 0.35（质量分数，下同） ，泡点进料，处理量为 4 万吨/年。要求塔顶含甲醇 0.94，塔底含甲醇 0.02。每年工作 320 天，全塔效率%50tE。单板压降不大于 0.7kPa。试设计此连续精馏塔。 主要参考资料： 1 GB150-2011，压力容器S. 2 郑津洋，董其伍，桑芝富. 过程设备设计 M. 北京：化学工业出版社，2010. 3 NB47041-2014，塔式容器S. 4 SH3098-2011，石油化工塔器设计规范S. 完成期限 2015 年 4 月 3 日 指导教师 专业负责人 2015 年 3
3、月 9 日 摘 要 精馏的基本原理是根据各液体在混合液中的挥发度不同，采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。在现代的工业生产中已经广泛地应用于物系的分离、提纯、制备等领域，并取得了良好的效益。其中主要包括板式塔和填料塔，而板式塔的塔板类型主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛板塔板、舌形塔板、网孔塔板、垂直塔板等等,本次课程设计是筛板塔。 精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在
4、塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。精馏广泛应用于石油,化工,轻工等工业生产中,是液体混合物分离中首选分离方法。 本次设计针对二元物系的精馏问题进行分析、计算、核算、绘图，是较完整的精馏设计过程。精馏设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算物料衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、辅助设备的选型、工艺流程图的制作、主要设备的工艺条件图等内容。 关键词关键词：筛板塔；物料衡算；工艺流程图石化装备设计综合实训总结报告 I 目 录 第第 1章章 工艺综述工艺综述 . 1 1.1 干气脱硫工艺概述 1 1.2 两种脱硫方法对比 2 1.3 脱硫剂的
5、选用 2 1.4 管道介绍 2 1.5 贫胺溶液干气脱硫的工艺流程图见附图 3 第第 2章章 精馏塔工艺设计计算精馏塔工艺设计计算 . 4 2.1 设计条件 4 2.2 精馏塔的物料衡算 4 2.3 塔板数的确定 5 2.4 精馏塔的工艺条件计算 3 2.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 8 2.6 塔板主要工艺尺寸计算 10 2.7 筛板的流体力学验算 14 2.8 塔板负荷性能图 17 2.9 全塔工艺设计结果汇总 29 第第 3章章 结构设计结构设计 . 31 3.1 塔总体高度计算 31 3.2 塔的接管 32 第第 4章章 强度校核强度校核 . 35 4.1 筒体和封头厚度计算 35 4
6、.2 容器质量 36 4.3 塔的自振周期计算 38 4.4 地震载荷及弯矩计算 38 4.5 水平风力及风弯矩计算 41 4.6 各截面最大弯矩 43 4.7 圆筒轴向应力校核 44 4.8 容器液压试验时的压力校核 45 4.9 裙座厚度 46 4.10 基础环设计 48 4.11 基础螺栓计算 50 石化装备设计综合实训总结报告 II 4.12 裙座与壳体的对接焊缝验算 51 4.13 筋板的强度校核 51 4.14 盖板的强度校核 52 第第 5章章 设计结果汇总设计结果汇总 . 53 参考文献参考文献 . 54 附录附录 1 55 致致 谢谢 . 70 石化装备设计综合实训总结报告
7、1 第 1 章 工艺综述 1.1 干气脱硫工艺概述 气态烃是炼厂气的主要成分，有的主要是烷烃，有的还含有烯烃，有少量非烃组分及无机组分(如：2H、2H S、2CO、3NH等)。C1、C2 以及上述无机组分不易液化，通常都以气态存在。如不含大量液化气组分，则称为干气。有些非烃化合物，如：硫化氢、硫醇等，虽然含量不多，但却给炼厂气的进一步加工利用带来很多问题，如使催化剂中毒失去活性或造成设备腐蚀等。所以炼厂气在加工利用前,一般都需要进行净化处理。 1.1.1 干法脱硫工艺原理及流程 以干气硫含量 1800ppm、气量为 36003Nm /h ，脱硫剂装量为 2063m,更换周期为 1a。3018
8、高硫容干法脱硫剂的干法催化氧化脱硫技术的原理是：在有氧条件下将2H S催化氧化为单质硫， 并储存于脱硫剂中。 反应方程式：2221H S+O =H O+S2 该脱硫剂无毒，操作简便，无需二次脱硫，脱硫产物为单质硫，不产生二次污染，是环境友好的脱硫技术。 流程简介：脱硫流程采用双塔串/并联操作，既可提高脱硫剂效率、达到脱硫精度，又可在不停车状态下更换脱硫剂。即：脱硫系统首次开工时，可先开第一塔，待第一塔尾气硫含量即将超过标准时，与第二塔串联，在第二塔穿透前，总硫达 15ppm时，更换第一塔脱硫剂，双塔倒换操作，将第二塔作为第一塔使用，原第一塔可为脱硫把关。这样，既保证了脱硫产品气的质量达标，又使
9、脱硫剂得到充分利用。 氧是本技术脱硫反应必需的反应物。含氧量多少直接影响脱硫剂的脱硫效果。系统无氧时本脱硫剂不能氧化脱硫，反应速度随22O /H S增加而增加。 1.1.2 湿法脱硫工艺原理及流程 湿法脱硫中最为普遍使用的为醇胺法脱硫。醇胺是一种弱碱,在 2540时,醇胺能吸收气体中的2H S和2CO， 分别生成硫化物和酸式硫化物及碳酸盐和酸式碳酸盐。当温度升高到 105或更高时，则分解逸出原吸收的2H S和2CO，醇胺得到石化装备设计综合实训总结报告 2 再。反应过程如下: 对2H S、2232RNH +H S RNH2S硫化物 323RNH2S+H S2RNH HS酸式硫化物 对23223
10、3CO 2RNH +H O+CORNH2CO碳酸胺盐 332233RNH2CO +H O+CO 2 RNHHCO 酸式碳酸、胺盐 上述反应均为可逆反应。 在较低温度(2040)下,反应向右进行(吸收),吸收气体中的2H S和2CO。在较高温度(105)下，反应向左进行(解吸),此时生成的胺的硫化物和碳酸盐分解,析出吸收的2H S和2CO，因此乙醇胺可以循环使用。 1.2 两种脱硫方法对比 干法脱硫：主要用于精脱硫的场合。其缺点是: 脱硫剂用量大、使用寿命短、需定期更换，废脱硫剂处理量大、处理费用高,因而生产运行费用高。 湿法脱硫：利用液体吸收剂洗涤气体，以除去气体中的硫化氢。此工艺的脱硫效果虽
11、不如干法脱硫,但它具有可连续操作、流程简单、处理量大、投资和操作费用较低等优点，因而在干气脱硫中得到了广泛的应用。 根据炼化公司储运厂干气的性质、产品方案及质量要求，拟选择湿法脱硫的工艺路线。 1.3 脱硫剂的选用 近年来我国很多炼厂选择 N-甲基二乙醇胺作为脱硫溶剂。不但在新建脱硫装置中应用,而且原来使用一乙醇胺、二乙醇胺或二异丙醇胺作脱硫剂的也逐渐用 N-甲基二乙醇胺代替。 1.4 管道介绍 管道是用管子、管子联接件和阀门等联接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。通常，流体经鼓风机、压缩机、泵和锅炉等增压后，从管道的高压处流向低压处，也可利用流体自身的压力或重力输送。管道的用途
12、很广泛，主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。 石化装备设计综合实训总结报告 3 图 1- 1 管道图 1.5 贫胺溶液干气脱硫的工艺流程图见附图 石化装备设计综合实训总结报告 4 第 2 章 精馏塔工艺设计计算 2.1 设计条件 原料含甲醇 0.35（质量分数，下同） ，泡点进料，处理量为 4 万吨/年。要求塔顶含甲醇 0.94，塔底含甲醇 0.02，每年工作 320 天，全塔效率 E=50。单板压降不大于 0.7kPa。设计此蒸馏塔。 完成包括物料衡算，热量衡算，理论塔板数，回流比，塔高，塔径，塔板设计，流体力学验算，塔板负荷性能图及
13、相关设计分析。 2.2 精馏塔的物料衡算 2.2.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 甲醇的摩尔质量：=32.05kg/kmolM甲醇, 水的摩尔质量：=18kg/kmolM水, 0.35 32.050.2320.35 32.050.65 18.02Fx0.9432.050.8980.9432.050.06 18.02Dx0.0232.050.0110.0232.050.98 18.02wx2.2.2 塔顶，塔底产品的平均摩尔质量 FFF1=0.232 32.05(1 0.232) 18.02=21.248kg/kmolABMxMxM DDD1=0.898 32.02(1 0.898) 18
14、.02=30.62kg/kmolABMxMxM WWW1=0.011 32.05(1 0.011) 18.02=18.17kg/kmolABMxMxM 石化装备设计综合实训总结报告 5 2.2.3 物料衡算 进料量： 40000273.693kmol/h320 24 21.28F 总物料衡算： wFDwxxDFxx（2-1） FD W （2-2） 0.2320.011252.770.8980.011D解得59.162kmol/hD， =178.531kmol/hW 2.3 塔板数的确定 2.3.1 理论板层数的求取 （1）图解法 查表根据下列数据绘制平衡相图。 表 2- 1 常压下甲醇水溶液的
15、平衡数据 温度 t 液相中甲醇的摩尔分率 气相中甲醇的摩尔分率 温度 t 液相中甲醇的摩尔分率 气相中甲醇的摩尔分率 100 0.0 0.0 75.3 0.40 0.729 96.4 0.02 0.134 73.1 0.50 0.779 93.5 0.04 0.234 71.2 0.60 0.825 91.2 0.06 0.304 69.3 0.70 0.870 89.3 0.08 0.365 67.6 0.80 0.925 87.7 0.10 0.418 66.0 0.90 0.958 84.4 0.15 0.517 65.0 0.95 0.979 81.7 0.20 0.579 64.5 1.0 1.0 78.0 0.30 0.665 根据上述表格数据结合精馏段和提留段数据绘制得到
