甲醇水精馏塔毕业设计

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1、目 录1 绪绪 论论 1 1.1 设计意义 1 1.2 塔设备类型简介.1 1.3 塔设备的发展状况及方向.2 1.4 塔设备选型及要求.2 1.5 设计步骤3 1.6 本章小结 3 2 精馏塔工艺设计计算精馏塔工艺设计计算4 2.1 精馏塔全塔物料衡算.4 2.1.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 4 2.1.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 4 2.1.3 物料衡算4 2.2 最小回流比的确定.5 2.3 塔板数的确定 6 2.3.1 理论板数的求取 6TN2.3.2 实际塔板数的求取7pN2.4 精馏塔有关物性数据的计算.7 2.4.1 平均温度计算7 2.4.2 平均密度计

2、算8 2.4.3 混合液体表面张力计算10 2.4.4 混合液体粘度计算.13 2.4.5 混合液的相对挥发度计算13 2.4.6 气液相体积流量计算13 2.5 塔体工艺尺寸计算.14 2.5.1 塔径的计算14 2.5.2 塔体有效高度的计算16 2.6 塔板工艺尺寸计算.16 2.6.1 溢流装置的设计计算16 2.6.2 塔板布置及筛孔数目与排列18 2.7 塔板流体力学验算.20 2.7.1 气相通过浮阀塔板的压降20 2.7.2 淹塔21 2.7.3 物沫夹带量22 2.8 塔板性能负荷图.23 2.8.1 物沫夹带线23 2.8.2 液泛线24 2.8.3 液相负荷上限线26 2

3、.8.4 漏液线26 2.8.5 液相负荷下限线262.9 本章小结 29 3 塔盘的结构设计塔盘的结构设计 .30 3.1 塔板结构30 3.1.1 矩形板30 3.1.2 通道板31 3.1.3 弧形板31 3.2 受液盘 32 3.2.1 凹形受液盘32 3.2.2 液封盘32 3.3 降液板 33 3.4 支持板和支持圈.33 3.5 紧固件结构 33 3.6 塔盘机械计算 .35 3.6.1 塔盘的载荷35 3.6.2 塔盘板的允许挠度35 3.6.3 矩形板稳定性校核35 3.6.4 通道板稳定性校核39 3.7 本章小结 40 4 辅助装置及附件设计辅助装置及附件设计41 4.1

4、 接管设计 41 4.1.1 进料管41 4.1.2 回流管42 4.1.3 塔釜出料管42 4.1.4 塔顶蒸气出料管43 4.1.5 塔釜进气管44 4.1.6 法兰44 4.2 除沫器设计 44 4.2.1 设计气速的选取45 4.2.2 除沫器直径计算46 4.3 吊柱 46 4.3.1 吊柱的选型46 4.3.2 吊柱的结构46 4.4 人孔 47 4.5 裙座 48 4.5.1 裙座选材48 4.5.2 裙座的结构48 4.6 操作平台和扶梯.50 4.7 本章小结 50 5 塔的强度塔的强度设计设计和稳定性校核和稳定性校核.51 5.1 已知设计条件 51 5.1.1 塔总体高度

5、计算51 5.1.2 其他主要已知条件51 5.2 按计算压力计算塔体和封头的厚度525.3 塔设备质量载荷计算.52 5.4 自振周期计算 54 5.5 地震载荷与地震弯矩计算.54 5.6 风载荷与风弯矩计算.56 5.7 圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核.58 5.8 塔设备压力实验时的应力校核.59 5.9 裙座轴向应力校核.60 5.10 基础环设计 61 5.11 地脚螺栓计算 63 5.12 校核结果 63 5.13 本章小结 .64 6 总结总结65 参考文献 66 专题论文 68 翻译部分翻译部分.79 英文原文 79 中文译文 97 致致 谢谢 112中国矿业大学 2010

6、届本科生毕业设计 第 1 页1 绪 论1.1 设计意义甲醇水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色，具有毒 性、污染性和腐蚀性的液体混合物。因为具有这种良好的理化性能，甲醇被广泛地应用 于化工、日化等行业。 长期以来，甲醇多以精馏的方法进行生产。精馏是分离液体混合物最常用的一种单 元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程是在能量的驱动下， 使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相组分挥发度的不同，使挥发 组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，最终实现原料混合物中各组成 的分离。该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计甲醇水分

7、离塔，原 料为甲醇水二元混合溶液。甲醇水混合溶液不能直接作为产品使用，必须经过各种 加工过程，制成符合浓度要求的甲醇产品。 甲醇精馏塔在甲醇生产过程中起着非常重要的作用。但是由于甲醇水体系有共沸现 象，普通的精馏对于得到高纯度的甲醇来说产量不好，但是工业中常用的是甲醇的水溶 液，因此，研究和改进甲醇水体系的精馏塔非常重要，特别地对先进、节能、高效的 精馏塔的研究，对降低甲醇成本、提高产品质量起着非常重要的作用。1.2 塔设备类型简介1,2塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药等生产过程中广泛采用的气液传质设备。 根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。 板式塔内设置一定数量

8、的塔板，气体以鼓泡或咬射形式穿过板上的液层，进行传质 与传热。在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相织成呈阶梯变化，属逐级 接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气 体逆流向上(有时也采用并流向下)流动，气液两相密切接触进行传质与传热。在正常操 作下，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属微分接触逆流操作过程。 两种类型塔的简要比较，如下表所示。 板式塔作为重要的化工单元设备一直受到重视，在对原有塔板的改进和性能研究以 及新型塔板的开发和应用等方面都取得了进展3,4。在塔板研究方面，塔板是按泡罩、筛 孔和浮阀这三种塔型而发展的，一些新开发

9、的塔板多数也是这三种塔板的改进型，它们 均具有气液分散的共同特点。表 1-1 板式塔和填料塔性能的简要比较塔 型项目板式塔填料塔压力降压力降一般比填料塔大压力降小，较适于压力降小的场合空塔气速（生产能力）空塔气速大空塔气速小塔效率效率较稳定，大塔效率比小塔有所提高塔直径在 1400mm 以下效率较高，塔径增大，效率会下降中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计 第 2 页液气比适应范围较大对液体喷淋量有一定要求持液量较大较小材质要求一般用金属材质制作可用非金属耐腐蚀材料安装维修较容易较困难造价直径大时一般比填料塔造价低直径小于 800mm，一般比板式塔便宜，直径大时造价显著增加重量较轻较重板式

10、塔根据塔板上气液接触元件的不同可分为泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔、浮动舌形塔和垂直筛板塔等多种3,4,5，它们代表着板式塔的发展方向。1.3 塔设备的发展状况及方向6,7我国塔设备技术的发展，经历了一个漫长的过程。目前，我国常用的板式塔型仍为 泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌形塔等，填料种类除拉西环、鲍尔环外，阶梯环以及波纹 填料、金属丝网等规整填料也常采用。近年来，参考国外塔设备技术的发展动向，加强 了对筛板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型。对多降液管的塔盘、导 向筛板、网孔塔盘等，也都作了较多的研究，并推广应用于生产。其他如大孔径筛板、 浮阀-筛板复合塔盘，以及喷淋塔盘、角钢塔盘

11、、旋流塔盘、喷旋塔盘、旋液塔盘等多种 塔型和金属胺环填料的流体力学性能、传质性能和几何结构等方面的试验工作也在进行， 有些已取得了一定的成果或用于生产。按照当前化学工程的发展水平分析，新型板式塔的发展可以归类为两个主要方面： （1）传统塔设备构型的改进，属于简单机制的深化； （2）传统塔设备构型机制强化，属于简单机制的复杂化。 鉴于塔设备在炼油和石化工业中的作用、重要地位和当今我国石化工业面临的形势， 按照塔内件研究的历史发展规律，结合我国塔设备操作现状和现有塔内件的技术水平，可以得出我国现阶段和未来塔内件技术发展的方向，主要有三方面: (1) 塔内件现阶段实用技术的发展 (2) 塔内件储能技

12、术的开发 (3) 大型塔设备的应用基础研究及科学话塔内件设计技术基础研究1.4 塔设备选型及要求8,9对于一个具体的分离过程，设计中选择何种塔型，应根据生产能力、分离效率、塔 压降。操作弹性等要求，并结合制造双修造价等因素综合考虑。例如，对于热敏性物系 的分离，要求塔压降尽可能低，选用填料塔较为适宜；对于侧线进料和出料的工艺过程， 选用板式塔较为适宜；对于有悬浮物或容易聚合物系的分离，为防止堵塞，宜选用板式 塔。对于液体喷淋密度极小的工艺过程，若采用填料塔，填料层得不到充分润湿，使其 分离效率明显下降，故宜选用板式塔；对于易发泡物系的分离，因填料层具有破碎泡沫 的作用，宜选用填料塔。 为保证精

13、馏过程的稳定、高效地操作，实现优质、高产、经济的分离，适宜的塔型 及合理的设计是十分关键的，因此设备应满足一下要求：中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计 第 3 页(1) 生产能力大，即单位塔截面气、液两相通过能力大。不会产生液泛等不正常流动。(2) 效率高、操作稳定弹性大。当塔设备的气液负荷量有较大的波动时，仍能在较高 的传质效率下进行稳定的操作，并且塔设备应保证能长期连续操作。 (3) 流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省成产过程中的动能消耗，以降低常规操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统 无法维持必要的真空度。 (4) 结构简单、材料耗用量小、制造

14、和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用。(5) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 结合以上对塔设备发展状况、选型要求的简介，为满是工艺要求, 本设计采用浮阀塔。1.5 设计步骤10,11本设计的研究方法主要是结合设计内容和设计条件，参阅相关塔设备设计的资料， 按照塔设备设计的要求进行设计，以达到培养我们设备设计工程概念的目的。塔设备的设计一般主要包括两个部分：工艺设计和机械设计。工艺设计中要初步确 定各阶段混合物的物理特性，由计算得出的具体数据再进行塔板的最基本设计，主要是 与塔板有关的各种计算，在工艺设计的最后还要进行塔的附属设备设计。进入塔设备的 机械设计部分后，塔的结构形式渐

15、渐明朗化。机械部分要解决的问题，除了确定塔设备 的各细节结构外，更重要的就是要做各种校核工作，以保证设计完成的塔设备不仅能够 正常运转，而且必须符合国家安全生产的标准。其校核内容主要包括：质量载荷、地震 载荷、风载荷等，还包括强度及稳定性校核。在完成设计部分的任务后，就进入画图阶 段。图纸包括一张装配图和若干零件图，均采用计算机绘图，并严格按照设计尺寸进行 绘制。本设计的研究的步骤： (1) 工艺设计计算 计算理论塔板数，塔板效率，确定实际塔板数； 计算塔径（空塔气速） ； 塔盘设计，溢流装置设计，进行流体力学计算，绘制塔板负荷性能图； 选择塔板间距，初步确定塔高。 （2）结构设计计算 塔体总

16、体结构设计 设计塔盘结构，包括塔盘板、溢流装置、紧固件及支撑件结构； 零部件设计，包括接管、裙座、人孔、塔内件、塔体辅助设备、法兰、吊柱以 及平台扶梯。 （3）强度校核 对塔体、封头、裙座等进行强度计算和稳定性校核。 （4）绘制图纸。 （5）提出技术要求。 （6）编写设计说明书，整理图纸。中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计 第 4 页1.6 本章小结本章主要阐述了本设计的意义，简单分析了塔设备的类型、发展状况及选型要求， 在此基础之上形成了本设计的基本设计方法和步骤，阐明了本设计的基本思路。2 精馏塔工艺设计计算11,12,13,14,15设计条件： 进料：；组成(mol%)：CH3OH（液）：0.49，H2O（液）：0.51 塔顶：D=300kt/