精馏塔开题报告.doc

DN700甲醇精馏塔设计
一、甲醇精馏塔设计的背景与意义
精馏塔是化工工业中广泛使用，是分离工艺中的重要设备。而精馏是甲醇生产的重要后处理工序，在甲醇生产中占据重要的位置。甲醇精馏塔是精馏的核心设备，它与产品质量回收率消耗定额三废排放及处理等方面密切相关甲醇精馏塔既可采用板式塔，也可采用填料塔。近年来，我国精馏塔内件技术有了长足发展，如高效导向筛板、新型垂直筛板、新型导向浮阀塔板及新型规整填料等技术开始被广泛采用[1]。
甲醇精馏装置是甲醇生产的重要处理工序，其能耗占甲醇生产总能耗20%左右。甲醇精馏技术的好坏直接关系到精甲醇的质量；先进、节能、高效的精馏装置，对降低成本、节能降耗、提高产品竞争力和企业经济效益起到重要的作用。
加强对甲醇精馏塔的研究与改进，不断满足化学工业的要求，达到低成本、低耗能、节能环保、绿色高效等要求，有利于我国化学工业科学快速的发展，不断赶上国际以及发达国家的脚步，提升自己的竞争实力。
二、国内外对本课题的研究现状
现阶段，国内外的研究聚焦于新型高效性能塔板的开发及工业应用；塔板设计、开发更趋于科学化的方向。在填料塔研究方面，不断研究新型、高效的填料来提高填料塔的效能。随着时代的发展，国内外对精馏塔的研究更趋向于经济、安全、高效、清洁方向发展，推动精馏设备的前进与发展。
2.1精馏塔的发展
从精馏设备的历史发展来看，精馏技术与石油、化学加工工业的发展是相辅相成、相互刺激、共同进步的发展关系。精馏技术的任何进步，都会极大刺激化学加工工业的技术发展，同样在石油、化学加工工业发展的每一个历史阶段都会对精馏设备技术提出更高的要求。
①.阶段一：20～50年代
l 1920年，有溢流的泡罩塔板开始应用于炼油工业，开创了一个新的炼油时代
l 泡罩塔板对设计水平要求不高、对各类操作的适应能力强、对操作控制要求低等特性在当时被认为是无可替代的板型
l Rachig环填料塔主要应用于较小直径的无机分离塔设备中，同时也开发了Pall环，标志着现代乱堆填料的诞生
②.阶段二：50～70年代
l 消除放大效应的研究：AIChE研究

l 浮阀塔板的开发
l FRI的成立
l 系统化的设计方法：1955年，Monsanto公司的Bolles发表了著名的“泡罩塔板设计手册”，首先提出了科学的、规范化塔板设计技术，该方法到目前为止仍然广泛流行
l 大孔筛板的研究
③.阶段三：70～90年代
l 大型液体分布器的基础研究，使得填料塔的放大研究成功，并在减压塔中应用获得极大的经济效益和社会效益
l 计算机应用（辅助精馏塔放大效应的研究，计算塔板效率；精馏过程设计）
l 新型高性能浮阀塔板的开发及应用
④.阶段四：80末至今
l 新型高效性能塔板的开发及工业应用
l 塔板设计、开发更趋于科学化的方向
现有精馏设备的优点：
l 结构简单，造价低；
l 生产能力大，分离效率高；
l 操作弹性大，精馏效率较高。
所存在的问题：
l 对原材料的适应性存在差异；
l 容易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料；
l 生产能力和工作效率有待提高。
新型精馏设备的研究与发展趋向是全面的把高速、高效与简化结构结合起来。较之旧型设备，性能都有所改进，材料与加工方面也有节约。但它们都多少还存在某些问题和不足，如操作稳定性尚差，气液分配还有一定的缺陷。当然随着进一步研究和生产数据的完善，新型精馏设备和其他化工设备一样，将不断更新换代，日趋完善。为国际化学生产服务，为经济社会发展服务。
2.2国内对甲醇精馏塔的研究现状
我国塔设备技术的发展，经历了一个漫长而又艰辛的过程。自新中国成立以后，随着我国工业的快速发展，我国陆续建立了一批现代化的石油化工装置。随着这些装置引进的新型塔设备，不仅在操作、使用这些设备方面提供了大量的第一手资料，还带动了塔设备的科研、设计工作，加速了这方面的技术开发。
塔器是工业广泛应用的重要单元设备。在目前操作的塔器中,仍以板式塔为主,但开发应用新塔,则以填料塔为主导。其中,金属环矩鞍、阶梯环、朗博帕克和各种波纹填料已接近理想填料,具有传质效率高、通量大、压降低和价格合理等特点,性能优于传统填料,集中代表了现代塔填料水平。填料塔的放大技术取得重大突破,出现了新型填料塔不仅取代传统填料塔而且也部分代替大型板式塔,乃至形成在炼油和石油化工行业与板式塔抗衡的新局面。估计世界应用新型填料塔已不下万座,产生了巨大的经济效益和社会效应。这就是新型填料塔分离技术主要发展趋势。我国要继续跟踪国外塔分离技术最新发展动向,在已有基础上及时赶上和达到国际先进水平,创造更大经济效益和社会效益[2]。
在化工生产中，无论是精馏还是吸收、解析或萃取，其目的都是为了使得混合液中不同馏程的组分得以分离。
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[3]。目前板式塔的形式已有一百多种，在化工生产中最广泛应用的是泡罩塔、浮阀塔及筛板塔。
塔板技术的发展：
l 开孔方式及其新开孔构件的发展；
l 塔板空间的合理利用；
l 新降液管结构
l 气液接触构型的复合和交融
通过以上对现有塔设备技术发展的评述得出，国内现有板式塔设备技术的发展是在传统简单机制技术基础上的深化和完善，并在当前工业应用中表现出优良的操作性能，获得了可以满足现有生产要求的操作效果。
精馏是应用最广和规模最大的传质分离过程。在化学工业中精馏设备的研究占有较大的比重，特别是在改革开放初期，设备研究论文数量比例较大，精馏过程模拟也是被普遍关注的研究课题，这与我国化学工业的高速发展对精馏装备及其设计的需求是相适应的。进入21世纪以来，对采用反应精馏等非常规精馏方法实现精馏过程强化研究的关注显著增加，反映出我国精馏研究向复合过程创新研究方面发展的趋势。这和我国化学工业的发展以及节能的倡导有所相关[4]。
精馏塔设备在生产过程中维持一定的压力、温度和规定的气液流量等工艺条件，其设备的性能对产品质量、产量、生产能力和原材料消耗以及三废处理和环境保护等，都有重要的影响。是化工生产过程中必不可少的设备。
中国甲醇装置的整体技术装备水平，低生产工艺落后，发达国家以天然气合成甲醇的单位能耗一般低于30 GJ/t ，而中国生产能力较大的甲醇装置能耗多在40~50 GJ/t 小装置，由于采用国外已淘汰的高压法 ，单位能耗大多在60 GJ/t左右，显然满足燃料甲醇大宗化、低成本生产的需要，采用先进工艺、建设（超）大型化装置是唯一出路[5]。
甲醇精馏技术的好坏直接关系到甲醇的质量，先进、节能、高效的精馏装置，对降低成本、节能降耗、提高产品竞争力和企业经济效益起到重要的作用。目前甲醇三塔精馏技术具有热利用率高、消耗低、易操作、产品质量好、环保效益高等特点，越来越多地被广泛推广和应用[6]。
填料塔具有结构简单、压降小，且可用各种材料制造等优点。在处理容易产生泡沫的物料以及用于真空操作时，有其独特的优越性。过去由于填料本体及塔内构件的不够完善，填料塔大多局限于处理腐蚀介质或不适宜安装塔板的小直径塔。近年来由于填料结构的改进，新型高效、高负荷填料的开发，即提高了塔的通过能力和分离效能，又保持了压力降小及性能稳定的特点，因此填料塔已被推广到所有大型气液中，在某些场合，还代替了传统的板式塔。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔已被大量的应用于工业生产中。
2.3国外甲醇精馏塔的研究现状
国外目前塔设备的研究方向是“在提高处理能力和简化结构的前提下，保持适当的操作弹性和压力降，并尽量提高塔盘的效率”，在新型填料方面则在努力的研究发展有利于气液分布均匀、高效和制造方便的填料。
国外出现了分隔壁精馏塔(Divided Wall Column，简称DWC)是一种完全热耦合的蒸馏塔，具有能耗低、投资少的优点。早在1933年，Luster因裂解气分离而提出了DWC概念，并申请了美国专利。最简单的隔板塔是在普通精馏塔中放人1块隔板，这样相当于2个精馏塔。因此更大程度的利用了能量，降低了能耗。
DWCs[7]利用于一个广泛的化学物质的分离，如碳氢化合物、醇类、醛类、酮类、缩醛和胺。原则上，DWCs都应用在板式塔和填料塔。然而，到目前为止，绝大多数已经由Montz建造和由BASF SE利用作为填料塔。现有的DWCs在具体特征上的细节是主要的秘密。DWCs通常比普通蒸馏塔大，它们的直径可达5米。对于超过三种成分混合物的分离，仅仅只有两个工业应用程序被报道过。
DWC共沸概念的集成、采掘和反应蒸馏原理表明显著降低了投资和运营成本。目前，工业应用领域只存在萃取蒸馏（BASF SE和UOP）。关于共沸和采掘的DWCs的文献是很稀少的。一些调查已经进行了，从实验和理论上来讲，对于反应性DWCs。一些模型已经被发展了，但是没有可以用的工业应用。
相比与传统的蒸馏塔，DWCs更加节能，需要的投资资本更少。最近DWC应用的快速扩张允许我们预计大约350个工业应用可以预见直到2015年。
近几年来, 国外对DWC技术的研究和应用都十分重视。美国、德国、日本、英国等都有专门的研究机构。而我国在这方面还没有进行研究, 加快这一技术的开发和工业化步伐，有自己的知识产权, 是推进我国炼油、石化及化工行业的一项重要内容。
总之, DWC 技术是具有独特作用的精馏。它在化学工业中的应用越来越广泛, 将取得的成果逐步加以推广, 必将创造极大的经济效益。
三、甲醇精馏塔的设计
3.1甲醇精馏塔设计的原始资料
设计一套甲醇回收装置，进料温度86℃，回流液温度63℃，进料中含甲醇76.39%（质量），进料流量2000kg/h，塔顶出料中含甲醇99.5%，经精馏后残液含甲醇1%。精馏塔直径为Φ700，设计压力0.55MPa，设计温度160℃，介质为甲醇和水的混合物；再沸器直径为Φ1100，采用内置管盘加热，管内压力为0.9MPa，设计温度200℃，介质为水蒸汽。再沸器采用立式容器结构，整套装置支撑在裙座上。
3.2设计要求
l 完成装置总体结构设计，重点完成再沸器结构设计，以及各零部件的强度计算。
l 完成设计说明书1份
l 完成设计图纸（总装配图和零部件图等折合3张零号图纸）
l 完成文献综述1份
l 完成外文翻译1份
3.3设计步骤
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高、塔径的最基本设计，主要是与填料有关的各种计算，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。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
l 物料衡算
l 热量衡算
l 理论塔板数的计算
l 确定填料高度，确定塔高、塔径
②.结构设计计算
l 塔体总体结构设计
l 附属设备以及主要附件的选型计算（冷凝器、再沸器、液体分布器、进料液分布器、除沫器、填料支撑板）
l 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
3.4预期需要解决的困难
l 采用内置管盘加热，需要解决内置管盘结构、安装、热力学以及力学强度计算等困难
l 采用立式容器结构，整套装置支撑在裙座上，需要查阅相关标准，认真计算强度，选择合适的材料以及适当的配件，达到安全、节能、高效的要求
l 介质为甲醇和水的混合物，设计压力0.55MPa，设计温度160℃，需查阅相关国家标准，进行热力学计算
3.5选题特色
精馏塔是化工工业中广泛使用，是分离工艺中的重要设备。而精馏是甲醇生产的重要后处理工序，在甲醇生产中占据重要的位置。进行此次课题的研究，可以了解目前化工工业的发展与现状，了解目前最新的科研成果和发展动向，有利于加强未来从事这方面工作的我对化工工业工作的认识。而对本课题甲醇精馏塔的设计也将为满足低成本、低能耗、高效率、节能环保的要求而不懈努力。最后结合画图软件CAD或者SolidWorks进行制图工作，完成甲醇精馏塔的设计工作。
4、研究工作总体安排与时间进度
序号
起止时间
内容
1
2
3
4
5
6
7

参考文献
[1] 王海义. 甲醇精馏塔新型高效塔板及填料简介[J]. 民营科技, 2010, 11: 013.
[2] 褚雅志, 向小凤, 付亚玮, 等. 塔器技术新进展[J]. 化工进展, 2007 (z1): 1-7.
[3] 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.
[4] 余国琮, 袁希钢, 李根浩. 六十年来《 化工学报》 上发表有关精馏过程论文的回顾[J]. 化工学报, 2013, 64(1): 11-27.
[5] 王乃继, 纪任山, 王昕, 等. 含氧燃料—甲醇合成技术发展现状分析 (一)[J]. 洁净煤技术, 2004, 10(1): 29-34.
[6] 褚立志. 甲醇三塔精馏工艺[J]. 河北化工, 2010 (6): 50-52.
[7] Ömer Yildirim， Anton A. Kiss， Eugeny Y. Kenig. Dividing wall columns in chemical process industry: A review on current activities. Separation and Purification Technology 80 (2011) 403–417.
[8] 陈敏恒，丛德滋，方图南等，化工原理[M]，北京：化学工业出版社，1999.

5