1、南华大学机械工程学院毕业设计第 1 页，共 63 页甲醇精馏塔设计摘 要 ： 填 料 塔 为 连 续 接 触 的 气 液 传 质 设 备 ， 与 板 式 塔 相 比 ， 不 仅 结 构 简 单 ，而 且 具 有 生 产 能 力 大 ， 分 离 填 料 材 质 的 选 择 ， 可 处 理 腐 蚀 性 的 材 料 ， 尤 其 对于 压 强 降 较 低 的 真 空 精 馏 操 作 ， 填 料 塔 更 显 示 出 优 越 性 。 本 文 以 甲 醇 -水 的混 合 液 为 研 究 对 象 ， 因 甲 醇 -水 系 统 在 常 压 下 相 对 挥 发 度 相 差 较 大 ， 较 易 分离 ， 所 以 设
2、 计 采 用 常 压 精 馏 。 根 据 物 料 性 质 ， 操 作 条 件 等 因 素 选 择 填 料 塔 ，此 设 计 采 用 高 位 泡 点 进 料 、 塔 底 再 沸 器 和 塔 顶 冷 凝 器 的 重 力 回 流 方 式 ， 将 甲醇 -水 进 行 分 离 的 填 料 精 馏 塔 。 本 设 计 中 已 知 了 塔 径 和 塔 高 ， 可 根 据 经 验 公 式计 算 填 料 层 高 度 ， 而 且 可 根 据 塔 径 可 以 对 填 料 支 撑 ， 液 体 分 布 ， 裙 座 等 塔 的构 建 进 行 选 型 。 根 据 已 知 的 条 件 结 合 书 上 的 计 算 公 式 和
3、参 数 ， 对 塔 设 备 进 行强 度 的 设 计 ， 设 计 塔 设 备 的 尺 寸 ， 并 对 设 计 的 塔 设 备 数 据 进 行 稳 定 校 核 ， 以确 保 设 计 能 满 足 各 项 标 准 ， 从 而 得 到 分 离 甲 醇 -水 混 合 物 液 的 填 料 精 馏 塔 。关 键 字 ： 填 料 塔 ； 优 越 性 ； 常 压 精 馏 ； 塔 构 建 选 型 ； 强 度 设 计 ； 稳 定 校 核南华大学机械工程学院毕业设计第 2 页，共 63 页Methyl alcohol rectifying tower designAbstract: The Packed tower
4、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 oper
5、ation of low pressure drop vacuum distillation, and the packed column shows superiority. In this paper, methanolwater 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
6、 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 t
7、he 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 tow
8、er 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 distillatio
9、n; tower building selection; strength design; stability check.南华大学机械工程学院毕业设计第 3 页，共 63 页引 言甲醇（Methanol，Methyl alcohol）又名木醇，木酒精，甲基氢氧化物，是一种最简单的饱和醇。甲醇在生活中越来越受到重视，它即可用做有机化工原料，又可用于有机合成、农药、医药、涂料、染料和国防工业等领域。随着社会经济的快速增长，能源、环境问题日益突出，甲醇作为燃料应用的比例越来越大。近 20 年来，甲醇生产发展很快，技术不断提高，生产规模逐年扩大，生产工艺逐步成熟，各项技术指标不断完善，特别是近年来甲
10、醇汽、柴油的开发和应用，使其作为代用燃料，从技术性、经济性上具有了很强的竞争力。预计到 2015 年达到7200wta，供应能力大于市场需求，竞争将会加剧，一些不具竞争力的小装置或原料价格较高地区的甲醇装置将关闭。根据未来甲醇装置建设趋势，世界甲醇的生产中心正在向南美、沙特、伊朗和我国转移；同时这些国家和地区甲醇产品的目标市场主要是针对亚太地区和我国。合成甲醇可采用石脑油、减压渣油、煤和天然气为原料，在天然气丰富的地区，前几种原料的生产成本均无法与天然气竞争。天然气合成甲醇的各项经济指标要优于其他原料，适于加压转化，是合成甲醇最理想的原料。20世纪80年代以来，国外甲醇装置向大型化方向发展。甲
11、醇的经济规模对投资与产品成本影响较大，一般来讲装置规模越大，产品成本越低。近10多年来，世界合成甲醇技术有了很大的发展，其趋势为原料路线多样化、生产规模大型化、合成催化剂高效化、气体净化精细化、过程控制自动化以及联合生产普遍化。从而使合成技术更加优化。甲醇的总生产成本美国为145146美 ，中东为6971美 ，美国的甲醇生产成本高出中东一倍；中东地区甲醇产品10的单位投资回报所占单位生产成本的比例也比美国高得多。因此，中东地区生产的甲醇具有很强的竞争力。建议用天然气制甲醇的工艺路线采用ICI或Lur-gi生产技术。专家认为，天然气价格在045080元 。我国天然气制甲醇项目才有经济效益。甲醇的
12、生产工艺过程分为合成气(氢和一氧化碳)的制造、甲醇的合成和精制3部分。合成气的制造根据原料的不同，有以下几种方法：南华大学机械工程学院毕业设计第 4 页，共 63 页(1)天然气蒸汽转化法以天然气为原料制合成气生产甲醇，这是国内外发展的趋势。此法优点是：投资少，成本低，运输方便，操作简单。因此，充分利用天然气合成甲醇，是国内外主要的发展方向。(2)煤气化法由煤制合成气。(3)重油部分氧化法油品(石脑油、重油、渣油等)部分氧化制合成气的工艺，主要有德士古和壳牌两个著名的方法。德士古系采用高压气化技术；壳牌系采用中压气化技术。目前世界上合成甲醇的工业生产方法有美国卜内门(ICI)公司的低压和中压法
13、，德国鲁奇(Lurgi)公司的低压和中压法，日本三菱瓦斯化学公司MGC低压法，丹麦托普索公司节能型低压法以及德国巴斯夫(BASF)公司的高压法等。我国小规模装置主要采用高压法，引进装置则采用低压法。其中川维引进ICI法，齐鲁引进鲁奇法。与高压法比较低压法的优点是：能量消耗少，操作费用低，产品纯度高，设备费用低，故新建厂大多采用低压法。国内低压法已经投入生产，并对催化剂进行了研究，已取得了好的进展。(1)德国巴斯夫公司的高压法这是最先实现工业化的甲醇生产工艺，由于其操作条件苛刻，能耗大，成本高，所以已逐步被中、低压法工艺所取代。(2)ICI低压法这是目前工业上广泛采用的合成甲醇的方法。其工艺过程
14、为：脱硫、转化、压缩、合成、精馏。特点：在采用不同原料时开车简单，操作可靠，并且不同生产能力的工厂均能使用离心式压缩机，产品纯度高，能充分利用反应热。(3)鲁奇渣油联醇法，我国山东齐鲁石化公司引进此方法。特点：热利用率高，在能量利用方面经济效果大。目前低压法合成甲醇工艺中，鲁奇法和ICI法在技术上比较成熟。(4)中压法(ICI)公司、丹麦托普索公司、日本三菱瓦斯化学公司都有成功的方法，中压法与低压法相比，工艺过程相同，但在投资和综合指标上都要略高一点。我国甲醇工业的发展情况我国甲醇工业始于20世纪50年代，主要是由原苏联援建的以煤为原料采用高压法锌铬催化剂合成甲醇技术。1957年第一套锌铬催化
15、剂高压法甲醇合成装置在吉林化学工业公司投产，设计能力为100td，然南华大学机械工程学院毕业设计第 5 页，共 63 页后在兰州、太原、西安等地陆续建厂投产。60年代上海吴泾化工厂先后自建了以焦炭和石脑油为原料的甲醇装置；同时南京化学工业公司研究院研制了联醇用中压铜基催化剂，推动了具有我国特色的合成氨联产甲醇工业的发展。自2002年年初以来，我国甲醇市场受下游需求强力拉动，以及生产成本的提高，甲醇价格一直呈现一种稳步上扬走势。甲醇市场价格最高涨幅超过100 ，甲醇生产的利润相当丰厚，效益好的厂家每吨纯利超过了1000元，因而甲醇生产厂家纷纷扩产和新建，使得我国甲醇的产能急剧增加。2002年，我
16、国甲醇生产能力达到45Mt，产量为231Mt，进口18Mt，出口量为10kt，表观消费量为41 Mt，占市场需求的56 ；2003年生产能力5 Mt，产量为3 Mt，进口量为14Mt，出口量为50kt，表观消费量为435 Mt，占市场需求的69 ；2004年生产能力达到7Mt，产量44Mt，进口量为136Mt，出口量约30kt，表观消费量为573Mt，占市场需求的77 ；2005年生产能力为10Mt，产量达到5 Mt，进口量为115 Mt，表观消费量为615Mt，占市场需求的80。2006年上半年我国共生产甲醇34Mt比2005年同期增长297 ，下半年又有2 Mt的新建甲醇装置陆续竣工投产，
17、使得2006年我国甲醇产量突破7Mt大关，比2005年增加2Mt。同时，2006年我国的甲醇需求量仍将保持较高速度的增长，消费量将超过7 Mt，再创历史新高。2006年我国甲醇出口(主要出口到韩国)量已超过100kt。我国现在已成为世界第二大甲醇消费国，同时也是甲醇生产增长最快的国家，并将继续高速发展。目前国内甲醇工业已经是供过于求，且发展趋头越来越“猛烈”，在未来5年内我国甲醇产量将新增2630Mt，总生产能力将达到3640Mt。国内许多甲醇生产企业将面临巨大的生存和发展压力。建议有关部门加强宏观调控，适当控制国内甲醇工业建设过热的势头，应从长远角度考虑，加大甲醇下游产品的开发力度。建议优化
18、甲醇资源，加大甲醇出口力度，把我国甲醇企业的注意力尽快转移到甲醇下游产品的开发南华大学机械工程学院毕业设计第 6 页，共 63 页1 已知设计参数操作压力： 常压; 操作温度： 120入塔物料： 甲醇; 塔高： 14.96 米塔径： 0.8 米; 环境： 衡阳室外2 设计方案的确定本设计任务为分离甲醇水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。甲醇常压下的沸点为 64.8，而本任务要求采用常压操作，符合题意。用 30的循环水进行冷凝。塔顶上升蒸汽采用全凝器进行冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送
19、至储槽。因所分离物系的重组分为水，故直接采用直接蒸汽加热方式，釜残液直接排放。3 塔设备的选型3.1 塔型根据塔设备中塔型选择一般原则，本设计中入塔物料有较弱腐蚀性，再结合已知的操作条件及塔径，由表 2-8 塔型选择顺序表选择填料塔，而且填料塔结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造，过去，填料塔多推荐用于 0.7m 以下塔径，近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质激励的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展，目前，国内外已开始利用大型高效填料塔改造板式塔，并在增加产量、提高产品质量、节能等方面取得了巨大的成效。所以在塔设备的选择上
20、选择填料塔更好。3.2 填料的选择由于本塔设计为甲醇填料精馏塔，介质为甲醇，综合其腐蚀性、成膜性、塔体的直径、传质效率及其他性质，而矩鞍环填料具有通过能力大，压力降低，沸液量小，容积重量轻，以及填料层结构均匀等优点，特别适用于真空蒸馏。最后选择颗粒填料中的不锈钢矩鞍环，类型为 50 。#南华大学机械工程学院毕业设计第 7 页，共 63 页而由塔设备中表 5-20 不锈钢矩鞍环的特性数据得，所选填料的尺寸为 50290.5，堆积个数 n=11310 个/m 3，堆积密度为 141kg/m3，比表面积为79，空隙率为 0.982，干填料因子为 83。3.3 填料层高度的计算及分段3.3.1 等板高
21、度计算填料层的等板高度与许多因素有关，包括流体力学因素，物理因素，热力学因素，传递因素和操作因素等。至今尚未有很完善的计算公式，计算中应采用直接测定的数据或主要性质相近的物系数据。近年来研究者通过大量数据回归得到了常压蒸馏时的 HETP 关联式如下：ln()=1.292ln+1.47式中 HETP等板高度，mm； L液体表面张力，N/m；液体粘度，Pa/s；h常数。在化工原理附录 2 水的物理性质中查得，水在 120时： L=548.4N/m =237.4 Pa/s查表 5-15 HETP 关联式中的常数值得：h=7.0382所以结合上式可得 HETP 值为 1022.7mm，而本设计的塔高为
22、 14.96m，减去部分高度得填料层的大约高度为 8000mm。3.3.2 填料层的分段对于散装填料，根据化工设备手册表 2-6-47 散包装填料分段高度 得矩鞍环填料塔中 h/D 为 515，h max6m。所以精馏段分为三段，每段为2150mm；提馏段只有一段为 2500mm。4 填料塔内件的结构设计4.1 填料支承装置梁型气体喷射式填料支撑板具有支撑板上开孔的自由截面积大；支撑板上南华大学机械工程学院毕业设计第 8 页，共 63 页气液流通的自由截面积大，允许较高的气液负荷；气体通过支撑板的压降小。这种支撑板是最好的塔填料支撑件，推荐优先采用。支撑板结构形式为多块波形梁型支撑板拼装结构，
23、每一块支撑板之间用螺栓连接，整块支撑板为可拆结构。 化工设备手册表 2-6-36 支撑板的波形尺寸查得当塔径 DN 在 400-800mm 时波形尺寸为 192 。当 DN 1200mm 的19250支撑板，可不设置边圈。由表 2-6-37 支撑板结构尺寸知 DN=800mm 时支撑板外径：780mm，支撑板分块数：3，支撑圈宽度：40mm，支撑圈厚度：10mm。连接卡子由 JB1119-81 选卡子10，支撑板材料选择 0Cr18Ni9。图 1.1 升气管式填料支承板4.2 填料的压紧与限位装置4.2.1 填料压板当气速较高或压力波动较大时，会导致填料层的松动，从而造成填料层及层内各处的装填
24、密度产生差异，引起气液相的不良分布，严重时会导致散装填南华大学机械工程学院毕业设计第 9 页，共 63 页料的流化，造成填料的破碎，损坏和流失，为保证填料塔正常，稳定的操作，在填料层的上部应当根据不同的材质的填料安装不同填料压紧器或填料层限位器。4.2.2 填料限位器一般情况下陶瓷，石墨等脆性散装填料适用于填料压紧器，而金属，塑料散装填料则使用填料层限位器，本设计中使用的为金属不锈钢填料，故使用填料限位器。在选择填料层限位器时，由于塔径 DN=800mm，故采用网纹孔板整体限位器，栅板、格条间的间距 t=200mm，栅条、边圈厚度 s=6-10mm，选择的材料为0Cr18Ni9，用卡子紧固，采
25、用卡子型号为10，10 为 M10 螺栓卡子。4.3 液体分布装置在填料塔操作，因为液体液体的初始分布对填料塔的影响最大，所以液体分布器是填料塔最重要的塔内件之一。液体分布器的设计应考虑液体分布点的密度，分布点的布液方式及布液的均匀等因素，其中包括分布器的结构形式、几何尺寸的确定，液位高度或压头大小、阻力等。为了保证液体初始分布均匀，应保证液体分布点的密度即单位面积上的喷淋点数，由于实际设备结构上的限制，液体分布点不可能太多，常用填料塔喷淋点数可参照下列数值：DN 400mm 时,每 30cm 的塔截面设一个喷淋点；2DN 750mm 时,每 60cm 的塔截面设一个喷淋点；DN 1200mm
26、 时,每 240cm 的塔截面设一个喷淋点；2由于本设计的塔径 D=800mm，所以每 240cm2塔截面设一个喷淋点。而塔截面为：A= =5024cm24 2所以喷淋点数为502424021 个为了满足塔径、液流量以及均布程度的要求，本设计选取筛孔盘式分布器。南华大学机械工程学院毕业设计第 10 页，共 63 页由塔设备中筛孔盘式分布器可知板上的筛孔按正三角形或正方形排列，孔径为 310mm，小孔数按喷淋点数确定。根据气体负荷大小，在分布器上安装升气管，升气管的直径不小于 15mm。液体由位于分布盘上方的中心管注入盘内，管口高于围环上缘 50200mm，本设计取 160mm。塔的内径与分布器
27、定位块外廊的间隙为 812mm。分布盘直径为 D =（0.850.88）D。由于塔径为T600mm 800mm 1200mm，所以分布盘设计成分块结构，又由于每块宽度不大于400mm，因此本设计筛孔分布器分成 2 块。根据表 5-41 筛孔盘式分布器的设计参考数据可知，本设计的筛孔盘式分布器的参数为：分布盘直径为 700mm，围环高度为 175mm，液体负荷的适用范围为 0.7035.0m 3/h。4.4 液体收集再分布器4.4.1 液体收集器斜板液体收集器自由面积大，气体阻力小，一般不超过 2.5mm 水柱。因此适用于操作压力较低，特别是真空操作，而且斜板液体收集器结构简单，造价低，安装方便。本设计的工作压力为常压，因此采用斜板液体收集器能满足要求。4.4.2 液体再分布器本设计由于塔的直径 DN=800mm，根据各类液体分布器的使用范围，带升气管盘式筛孔型液体再分布器适用塔径 DN 1200mm。本设计采用多孔盘式再分布器。分布盘上的孔数按喷淋点数确定，孔径为 36mm 。升气管的尺寸应尽可能的大，其底部铺设金属网，以防填料吹进升气管中。根据表 5-56 多孔盘式再分布器的设计参考数据得，塔径为 800mm 的塔所采用分布盘外径D1=785mm，升气管数为 6。
