1、南华大学机械工程学院毕业设计 第 1 页 /共 50 页 甲醇精馏塔设计 【 摘要 】 甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。 因此，甲醇在现实中需求量是比较大的，甲醇的大量生产也是很有必要的。本设计主要是化工容器 甲醇精馏塔的设计及压力控制系统设计，主要介绍了甲醇在工业中的应用，精馏塔的设计过程以及关于化工压力容器的设计的了解。本设计师通过课题壁厚的设计，填料的选择以及附件的设计，加 深对压力容器的认识达到研究
2、的目的和期望的结果，加深对涉及国内外先进的制造技术和有关压力容器的设计及工艺等方面的内容的学习和认识。 通过查阅各种相关的文献资料，据此熟悉研究内容、合理的安排课题进度和容器设计路线。设计过程主要包括校核方案的最优化选取，导向方案中材料参数的设定，校核方法的选择，采用此设计方案的原因及形状的选择；筒体等的计算；工件的加工精度分析等。 【 关键词 】 精馏塔 填料 压力控制系统 设计、校核方法 南华大学机械工程学院毕业设计 第 2 页 /共 50 页 Abstract: Methanol is widely used as based Organic chemical raw materials
3、 and High-quality fuel. It is mainly used in Fine Chemicals an, Plastic and other fuilds. Also， it is used to make of Formaldehyde Acetate Chloromethane Methylamine Dimethyle sulfate and many other Organic products. It is one of important Stuff of Pesticides and Medicine. Methanol can be used as a n
4、ew clean fuel after deep processing. It can be burned with gasoline. So it is a great requirement of methanol in our life, and it is necessary to produce a lot of it. The graduation project is mainly chemical containers-the design of methanol distillation and pressure control system design, the main
5、 pressure vessel. And it introduced the use of methanol in industry, the process of design of distillation as well as Chemical Pressure Vessel Design understanding. This design is through the sheel wall thickness, the filler picking and accessories designed to enhance awareness of the pressure vesse
6、l to achieve the study objectives and desired results better understanding of the involved in advanced manufacturing technology and the pressure vessel design and technology and other aspects of the study and understanding. Through inspection of all relevant documents, thus familiar with the researc
7、h content, reasonable arrangements and containers subject of the progress of the design route. The design process, including verification program as long as the optimal selection, program-oriented material parameter settings , Checking methods of selection, the use of this design and the shape of th
8、e reasons for selection; cylinder, such as the calculation; workpiece machining accuracy analysis. Keywords: Distillation Filler Pressure control system Design Checking methods 第一章 前言 产品介绍 ： 1.甲醇性能与用途 甲醇系结构最为简单的饱和 一元醇 ， CAS号 有 67-56-1、 170082-17-4， 分子量 32.04。又称“木 醇”或“木精”。是无色南华大学机械工程学院毕业设计 第 3 页 /共 5
9、0 页 有 酒精 气味易挥发的液体。有毒，误饮 5 10 毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡。用于制造甲醛和农药等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等。通常由一氧化碳与氢气反应制得。 其 应用 ： 1.基本有机原料之一。主要用于制造 甲醛 、醋酸 、 氯甲烷 、 甲胺 和 硫酸二甲酯 等多种有机产品： 2.用作涂料、清漆、 虫胶 、油墨、 胶黏剂 、染料、 生物碱 、 醋酸纤维素 、硝酸纤维素、乙基纤维素、 聚乙 烯醇缩丁醛 等的溶剂； 3.是制造农药、医药、塑料、合成纤维及 有机化工 产品如甲醛、甲胺、氯甲烷、硫酸二甲酯等的原料。其他用作汽车防冻液、金属表面清洗剂和酒精变性剂等； 4.是重
10、要的溶剂，可掺入 汽油 作替代 燃料 使用。 20 世纪 80年代以来，甲醇用于生产汽油辛烷值添加剂 甲基叔丁基醚 、甲醇汽油、 甲醇 燃料，以及 甲醇蛋白 等产品，大大促进了甲醇生产的发展和市场需要； 5.用作分析试剂，如作溶剂、甲基化试剂、 色谱分析试剂。还用于有机合成； 6.甲醇为清洗去油剂，MOS 级主要用于分立器件，中、 大规模集成电路 ， BV-级主要用于 超大规模集成电路 工艺技术。甲醇的用途：甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫二甲酯等多种有机产品，也是农药 、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为
11、一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。甲醇和氨反应可以制造一甲胺。甲醇的来源：甲醇可从煤制取，特别是可利用劣质高硫煤和焦炉气回收制取。也可自生物质（如林木、有机垃圾等）提取。 甲醇 生产是我国化工行业中的成熟产业，生产工艺简单，投资和生产成本都较低。 2012 年我国甲醇年产能力有 5074 万吨，年产量约 2640 万吨，产能过剩情况严重。新建一个年产 60万吨的装置，投资约20亿元 ，其生产工艺路线和装备完全可立足国内，并拥有自主知识产权。 生产方法： 工业上合成甲醇几乎全部采用一氧化碳加压催化加氢的方法，工艺过程包括造气、合成净化、甲醇合成和粗甲醇精馏等工序；（粗甲醇的净化过程包括精馏和化学
12、处理。化学处理主要用碱破坏在精馏过程中难以分离的杂质，并调节pH值 ；精馏主要是脱除易挥发组分如二甲醚，以及难挥发组分职乙醇、高碳醇和水。粗馏后的纯度一般都可达到 98%以上。）将工业甲醇用精馏的方法将 含水量降到 0.01%以下。再用次 碘酸钠 处理，可除去其中的丙酮。经精馏得纯品甲醇； 一般均以工业甲醇为原料，经常压蒸馏除去水分，控制塔顶 64 65，过滤除去不溶物即可；还可从木材干馏时得到的 焦木酸 分出；甲醇的制备主要采用精馏工艺。以工业甲醇为原料，经精馏、超净过滤、超净分装，得高纯甲醇产品。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 4 页 /共 50 页 国内生产情况和分析 1.1 国内主
13、要生产厂家 目前，现有甲醇生产厂家148家，生产总量为 480万吨，产量为 280 万吨，市场需求 390万吨。，预计 2005 甲醇需求量约 550万吨。有 30 多家设备处于停产或半停产状态，其中大多数是因为生产成本高、设备效益能力低等原因，部份技术落后、设备老旧、产能小的生产设备已经显现出将被淘汰的趋势较大的有上海焦化有限公司以煤为原料的生产装置；中石化四川维尼纶厂以乙炔尾气和天然气为原料的生产设备；以天然气为原料的甲醇生产企业还有陕西榆林天然气化工公司、大庆油田甲醇厂、陕西长庆油田、四川 江油甲醇厂等，生产规模多在 10 万公吨 /年左右，其它生产设备大多数采用联醇技术，生产规模多在
14、15 万公吨 /年。 1995 年以来，国内甲醇工业发展迅速，生产所用原料由联醇法的合成气为主，向天然气和煤为主的方向发展，其主要发展因素是新天然气田的开发，如新疆、四川、内蒙等。另外由于国内甲醇下游产品的开发生产，如甲醛、烯烃、醋酸、甲酯系列、民用 /汽车燃料等，以及西南化工研究院和南化公司研究甲醇催化剂的开发生产。目前有多家以煤或天然气为原料的甲醇计画在申报和筹备之中，其中有 6 个设备规模在 10 万公吨 /年以上，最大的为 60 万公吨 /年。拟建装置总产能为 213万公吨 /年。 甲醇主要下游产品（甲醛、甲醇汽油、二甲醚等）市场前景分析 甲醇需求量与经济的总体发展有密切相关。 200
15、1 年国内甲醇的需求量为 350 万公吨，主要应用于：甲醇衍生物占 69%、燃料占 7%、溶剂占 5%、医药占 6.5%、农药医药占 8.5%、其它占 4%. 近年国内甲醇进口量及价格 国内每年进口大量甲醇来满足市场需求，市场价格趋向国际市场化。近年来，国内甲醛、醋酸的消费市场增加，甲醇需求量相对应增加，部份甲醇厂又因为种种原因停产或减产，因此不能满足国内市场的需求 。 市场分析预测 2005 年的甲醇需求将会大大增加 在目前的条件下要求一段确定的时间，以便从 2004 年中期新增生产能力中获利。这段时间还可能拖延到 2005 年中期。明年估计将有更多的新建产能投入使用。 2004 年甲醇的总
16、需求与 2003 年一样，据预测 2005 年的甲醇需求将会大大增加，其南华大学机械工程学院毕业设计 第 5 页 /共 50 页 原因是由于与甲基叔丁基醚无关的部门活跃起来。作出改 变 预测的依据是计划中有多少新增产能在考察期中实际投入使用，这些新增产能对市场的产品价格有哪些影响。 2004 后 5 年中投产的甲醇产能将超过 1800 万吨，这些新增产能主要分布于南美 、近东和澳大利亚、这些地区将变成主要的工业甲醇生产和供应中心，同时甲醇的需求增长为每年 500 万吨。除新增甲醇产能外，现有的大规模的甲醇产能分布在北美和欧洲。但是如果新增产能出现以外停产的话，现有的甲醇产能远远不能满足市场需求
17、。所以现有的位于中欧、独联体、印度、东南亚和东北亚地区甲醇生产厂家的负担很重 。 第二章 填料塔整体结构设计参数的选择 2.2.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： 1 米 环境： 衡阳室外 2.3.设计方案的确定 本设计任务是分离甲醇 水混合物。对于二元混合物分离，应采用连续精馏的流程。设计采用泡点进料，把原料通过预热器加热到泡点后送入精馏塔内。甲醇常压下沸点为 64.8，而本任务是采用常压操作，符合题意。采用 30的循环水进行冷凝。塔顶上升蒸汽用全凝器冷凝，冷凝液到泡点下一部分后回流至塔内，而其余部分经过产品冷却器冷却送至储
18、槽。由于所分离物系的重组分是水，所以直接采用直接蒸汽加热的方式，釜残液进行直接排放。 2.4.塔型的选择 2.4.1 塔型 因为入 塔物料是甲醇 水混合物，腐蚀性比较弱，所以根据操作条件和塔南华大学机械工程学院毕业设计 第 6 页 /共 50 页 的塔径为 D=1000mm，故选择填料塔。 填料塔是塔内填料作气液间接触构件 传质设备 。填料塔塔身 1-吊柱： 2-气体出口： 3-喷淋装置： 4-人孔： 5-壳体： 6-液体再分布器： 7-填料： 8-卸填料人孔： 9-支承装置： 10-气体入口 11-液体出口： 12-裙座： 13-检查孔 图 2-1 填料塔的整体结构 是一个直立式的圆筒，其底
19、部装填料支承板， 其中的填料以乱堆或整砌方式放置于支承板上。填料上方安装有填料压板，防被上升气流吹动。液体于塔顶经过液体分布器然后喷淋到填料上面，并沿着填料表面流下来。气体于塔底送进塔，经过气体分布装置分布后，跟液体呈现逆流的连续通过的填料层空隙，并在填料表面上，经气液两相密切接触后进行传质。由于填料塔属连续的接触式的气液传质设备，其两相的组成沿塔高连续的变化，并在正常操作状态下，其中的气相连南华大学机械工程学院毕业设计 第 7 页 /共 50 页 续相，而液相为分散相。 当有液体沿着填料层向下流动的时候，其有逐渐向塔壁集中的现象，使塔壁附近液流量增大，这现象称壁流。由于壁流效应造 成的气液两
20、相在填料层中的分布不均，使传质的效率下降。所以，填料层较高时，就需要进行分段，在中间设置再分布装置。而液体的再分布装置其中包括液体的收集器和液体的再分布器的两部分，在上层填料流下液体经过液体收集器的收集后，就送到液体的再分布器，经过重新的分布，喷淋到下层的填料上。 填料塔有生产能力大，分离的效率高，压降比较小，持液量较小，和操作弹性比较大的优点。 当然填料塔有一些的不足的地方，比如填料造价较高；而且当液体负荷小时不能够有效的润湿填料的表面，使传质的效率降低；不能够直接用有悬浮物或者容易聚合物料；对 于侧线的进料和出料等复杂的精馏不太适合等。 2.4.2 填料的选择 因为本塔设计是甲醇填料精馏塔
21、，介质是甲醇，综合考虑腐蚀性，塔体直径和其他性质，选择颗粒型填料的不锈钢矩鞍环填料 38#填料。 而由化工设备设计全书 -塔设备的表 5-20 不锈钢矩鞍环的特性数据可知，所选的填料尺寸是 38 16.5 0.4，堆积个数为 n=38160 个 /m3，堆积密度181kg/m3，比表面积 =123，空隙率 =0.977，干填料因子 =132。 表 2-1 2.4.3 填料层 高度的计算及分段 2.4.3.1 等板高度的计算 由研究者通过大量数据回归，在常压蒸馏时的 HETP 关联式如下：LLhH ln47.1ln2 9 2.1)(ln 其中中 H 等板高度， mm； 南华大学机械工程学院毕业设
22、计 第 8 页 /共 50 页 L 液体表面张力， N/m； L 液体粘度， Pa/s； h 常数。 在化工原理附录 2 的物理性质 中查，在 120的液体表面张力是548.4N/m，粘度是 237.4Pa/s。查表 5-15 HETP 式中常数值得 h=7.0382. 故结合上式 HETP=1022.7mm。，因为本设计的塔高 =14.96m，减去部分高度得到填料层的高度约为 8000mm。 2.4.3.2 填料层的分段 对于散装填料，根据化工设备设计全书 -塔设备表 5-16 散装填料分段高度得到不锈钢矩鞍环填料塔中的 h/D=8 15， hmax 6m。故精馏段分成三段，每段 =2150
23、mm；提馏段一段 =2500mm。 第三章 塔的结构设计 3.1 液体分布装置 为使液体初始分布均匀，所以原则上增加单位面积的喷淋 点数。但是，因为结构的限制，故不能将喷淋点数设计的很多，而如果喷淋点数过多，塔中势必每一股液流流量过小，也难以保证均匀分配。另外，不同填料对液体均匀分布也有差别：像高效填料，流体不均匀分布对效率影响非常敏感，所以应有较严格的均布要求。 根据化工设备设计全书 -塔设备，常用填料喷淋点数参考以下指标。 D 1200mm，每 240cm2塔截面设置一个喷淋点。 因为本设计塔径 D=1000mm，故每 240cm2塔截面设立一个喷淋点。塔截面为： A=7850cm2 故喷
24、淋点数是 32.7 33 个。 为满足塔径、液流量和 均布程度要求，设计选取是筛孔盘式分布器。板上的筛孔是按正三角形排列，孔径是 3 10mm。根据气体的负荷大小，分布器上安装升气管，升气管的直径 D 15。液体从分布盘上方的中心管注入盘内，而管口高于围环上缘到 50 200mm，本设计选取 150mm。塔内径和分布器定位块外廊间隙约为 8 12mm。分布盘直径 Dt=（ 0.85 0.88） D。因为塔径是 1000mm600mm，南华大学机械工程学院毕业设计 第 9 页 /共 50 页 故分布盘设计为分块结构，本设计为 3块。 根据化工设备设计全书 -塔设备表 5-41 筛孔盘式分布器设计
25、参数可知，本设计筛孔盘式分布器参数：分布盘直径为 880mm，围环高度为 200mm，液体负荷的适用范围是 1.00 54.0m2/h。 图 3-1 筛孔盘式分布器 3.2 填料支承装置 填料的支承装置 对于保证填料塔操作性能有重大的作用。对于填料的支承装置基本要求：有足够强度来支承填料重量；并提供足够大自由截面，减小气液两相流动阻力；利于液体再分布；耐腐蚀性能很好；方便于用各种材料的制造；和安装拆卸方便等。 根据本设计要求，以及给定塔径和选择填料，故设计 用扁钢焊制栅板为填料支承。 因为塔径比较大，选分块式栅板，考虑分三段。栅板焊死在塔壁支承圈用于支持。塔径 900mm,所以需在支承圈下设加
26、强肋板。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 10 页 /共 50 页 分块式栅板 3.3 液体再分布装置 实践表明，喷淋液体沿着填料层向下流动的时候，不能保持的喷淋装置所提供原 始均匀的分布状态，液体有着向塔壁流动着的趋势。所以会导致壁流的增加、填料主体流量的减小，影响了流体的沿着塔横截面的分布均匀性，降低了传质效率。 为提高传质效果，填料层须分段，在各段填料中间安装了液体再分布装置，作用是为收集上一层填料层来的液体，并为下一层填料层建立了均匀的液体分布。 根据本设计的要求，设计采用了多孔盘式再分布器。而且分布盘上的孔数按喷淋点数确定，孔径为 3 10mm。升气管尺寸尽可能的大，底部铺设了金属网，为防填料吹进到升气管中。根据化工设备设计全书 塔设备表 5-56 多孔盘式再分布器 设计参考数据，塔径 D=1000mm 塔所采用的分布盘外径为 980mm，升气管数为 6。
