甲醇水分离塔降液管设计毕业论文.docx

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甲醇水分离塔降液管设计毕业论文

甲醇水分离塔降液管设计毕业论文

第一章概述

1.1板式精馏塔的简介

塔器在石油化工行业中具有广泛的应用。

从原料的精制，中间产物的分离，到产品的提纯和废水、废气的处理都有赖于化工分离技术和化工塔器。

由于分离过程是耗能过程，设备数量多，规模大，对工业生产的技术经济指标起着重要的作用。

精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。

有板式塔与填料塔两种主要类型。

根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。

蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发（低沸点）组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发（高沸点）组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。

由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。

塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。

气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。

精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，本设计是板式塔，所以将只介绍板式塔

板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成。

广泛应用于精馏和吸收,有些类型（如筛板塔）也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程。

操作时（以气液系统为例），液体在重力作用下,自上而下依次流过各层塔板,至塔底排出；气体在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板，至塔顶排出。

每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。

工业上最早出现的板式塔是筛板塔和泡罩塔。

筛板塔出现于1830年，很长一段时间内被认为难以操作而未得到重视。

泡罩塔结构复杂，但容易

操作，自1854年应用于工业生产以后，很快得到推广，直到20世纪50年代初，它始终处于主导地位。

第二次世界大战后，炼油和化学工业发展迅速，泡罩塔结构复杂、造价高的缺点日益突出，而结构简单的筛板塔重新受到重视。

通过大量的实验研究和工业实践，逐步掌握了筛板塔的操作规律和正确设计方法，还开发了大孔径筛板，解决了筛孔容易堵塞的问题。

因此，50年代起，筛板塔迅速发展成为工业上广泛应用的塔型。

与此同时，还出现了浮阀塔，它操作容易，结构也比较简单，同样得到了广泛应用。

而泡罩塔的应用则日益减少，除特殊场合外，已不再新建。

60年代以后,石油化工的生产规模不断扩大,大型塔的直径已超过10m。

为满足设备大型化及有关分离操作所提出的各种要求，新型塔板不断出现，已有数十种。

　　塔板又称塔盘，是板式塔中气液两相接触传质的部位，决定塔的操作性能，通常主要由以下三部分组成：

　　①　气体通道　为保证气液两相充分接触，塔板上均匀地开有一定数量的通道供气体自下而上穿过板上的液层。

气体通道的形式很多，它对塔板性能有决定性影响，也是区别塔板类型的主要标志。

筛板塔塔板的气体通道最简单，只是在塔板上均匀地开设许多小孔（通称筛孔）,气体穿过筛孔上升并分散到液层中（图2）。

泡罩塔塔板的气体通道最复杂，它是在塔板上开有若干较大的圆孔，孔上接有升气管，升气管上覆盖分散气体的泡罩（图3）。

浮阀塔塔板则直接在圆孔上盖以可浮动的阀片,根据气体的流量,阀片自行调节开度（图4）。

　　②　溢流堰　为保证气液两相在塔板上形成足够的相际传质表面,塔板上须保持一定深度的液层，为此,在塔板的出口端设置溢流堰。

塔板上液层高度在很大程度上由堰高决定。

对于大型塔板，为保证液流均布，还在塔板的进口端设置进口堰。

　　③　降液管　液体自上层塔板流至下层塔板的通道，也是气（汽）体与液体分离的部位。

为此，降液管中必须有足够的空间，让液体有所需的停留时间。

此外，还有一类无溢流塔板，塔板上不设降液管，仅是块均匀开设筛孔或缝隙的圆形筛板。

操作时，板上液体随机地经某些筛孔流下，而气体则穿过另一些筛孔上升。

无溢流塔板虽然结构简单，造价低廉，板面利用率高，但操作弹性太小，板效率较低，故应用不广。

操作特性：

各种塔板只有在一定的气液流量范围内操作，才能保证气液两相有效接触，从而得到较好的传质效果。

可用塔板负荷性能图（图5）来表示塔板正常操作时气液流量的范围，图中的几条边线所表示的气液流量限度为：

①漏液线。

气体流量低于此限时，液体经开孔大量泄漏。

②过量雾沫夹带线。

气体流量高于此限时，雾沫夹带量超过允许值，会使板效率显著下降。

③液流下限线。

若液体流量过小，则溢流堰上的液层高度不足，会影响液流的均匀分布，致使板效率降低。

④液流上限线。

液体流量太大时，液体在降液管内停留时间过短,液相夹带的气泡来不及分离,会造成气相返混，板效率降低。

⑤液泛线。

气液流量超过此线时，引起降液管液泛，使塔的正常操作受到破坏。

如果塔板的正常操作范围大，对气液负荷变化的适应性好，就称这些塔板的操作弹性大。

浮阀塔和泡罩塔的操作弹性较大，筛板塔稍差。

这三种塔型在正常范围内操作的板效率大致相同。

　　工业要求：

⑴气（汽）、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。

⑵操作稳定，弹性大，即当塔设备的气（汽）、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。

⑶流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。

对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。

⑷结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。

⑸耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。

⑹塔内的滞留量要小。

实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。

不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。

气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。

精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。

板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔（1813年）、筛板塔（1832年），其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。

目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。

筛板塔是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：

  ⑴结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。

  ⑵处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。

  ⑶塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。

  ⑷压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。

  筛板塔的缺点是：

  ⑴塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。

  ⑵操作弹性较小（约2～3）。

  ⑶小孔筛板容易堵塞。

1.2板式精馏技术及发展

在石油化学工业领域,塔设备几乎应用于所有的装置中,如原油常减压装置,以及化肥和乙烯裂解装置等。

塔器在各种分离过程中对装置的平稳运行、保证产品质量等方面起着重要作用。

塔设备的类型较多,按照两相接触的基本构件可分为2类:

板式塔和填料塔。

统计表明,石油化工企业塔设备中板式塔占92%。

板式塔属逐级逆流接触操作的单元设备,塔内件是以塔板作为两相接触的基本构件。

塔板可以分为有降液管和无降液管的2种。

在有降液管的塔板上,两相流动方向垂直,属错流型接触;在无降液管的塔板上,两相流动方向互相平行,属逆流型接触。

随着科学技术的进步,各种形式的高效塔板不断地被开发出来并应用于石油化学工业领域。

第二章塔结构设计

2.1塔设计内容

2.1.1设计参数

操作压力MPa

0.278

介质

水，甲醇

设计压力MPa

0.5/-0.1

介质特性

易燃中度危害

操作温度℃

99/141.38

压力容器类别

一类（D1）

设计温度℃

-10/170

地震基本烈度

7（0.1g）

设计风压N/㎡

400

地震分组

第一组

焊接接头系数

0.85

场土地类别

Ⅱ

壳体材料

16MnR

场地土粗糙类别

B

裙座材料

组合件

保温层材料与厚度mm

岩棉/90

腐蚀裕量mm

3

水压试验压力MPa

0.625

2.1.2塔结构简图

2.2主体材料强度指标

该设备属于钢制塔式容器，最高设计压力0.5MPa，属于低压容器，全容积为33.4m3，其最高工作温度为170℃，筒体和封头选用16MnR材料，裙座选用Q235—B。

对于16MnR，其在170℃时强度指标为[σ]t=170MPa。

对于Q235—B其在170℃时强度指标为[σ]t=113MPa。

2.3筒体、封头壁厚确定

2.3.1筒体厚度计算

按强度条件=

按刚度要求筒体所需最小厚度

故按刚度要求，筒体厚度只需。

因为此塔高度较大，受到的风载荷也较大，而塔内径不太大，故应适当增加壁厚，现选取塔体名义厚度

2.3.2封头厚度计算

本封头采用标准椭圆形封头，则

为了便于焊接，取封头厚度与筒体厚度相同，故封头名义厚度，有效厚度。

2.4塔体上各项载荷计算

2.4.1塔质量

①、壳体及裙座质量

②、人孔、法兰、接孔等附件质量

③、内构件质量

④、保温层质量

⑤、扶梯、平台质量选用笼式扶梯，扶梯单位质量为40kg/m。

操作平台每6米设置一层，共5层，每层质量500kg。

⑥、操作是塔内物料质量

⑦、冲水质量

⑧、塔器的操作质量

⑨、塔器最大质量

⑩、塔器最小质量

2.4.2风载荷和风弯矩计算

已知当地风压，将此塔沿高度分成三段。

风载荷，

式中；

；

对于0~10m段：

10~20m段:

20~30m段：

塔体有效直径：

扶梯附加宽度取

为了简化计算且偏安全计，各段均取。

=1324+2×100+400+600=2524mm.

塔体各段风力：

0~10m段：

0.7×1.7×400×1.00×10×2.524=12014N，

10~20m段：

0.7×1.7×400×1.25×10×2.524=15018N，

20~30m段：

0.7×1.7×400×1.42×10×2.524=17060N。

塔体底部离地面5米处（2-2截面）弯矩:

=

式中--塔底2-2截面到标高10m处的距离，=10-5=5m=5000mm

--对应于段的风力。

裙座检查孔（离地面800mm）处（1-1截面）弯矩：

裙座底部（0-0截面）弯矩：

式中

2.4.3地震力及地震弯矩计算

表1场地土的特性周期：

设计地震分组

场土地类型

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

第一组

0.25

0.35

0.45

0.65

第二组

0.30

0.40

0.55

0.75

第三组

0.35

0.45

0.65

0.90

表2地震影响系数的最大值：

设防烈度

7

8

9

0.08

（0.12）

0.16

（0.24）

0.32

注：

括号中数值分别用于GB50011-2001中规定的设计基本加速度为0.15g和0.3g的地区

所以，=0.08，=0.35，