年产5万吨碳酸二甲酯工艺流程的DMC加压精馏塔设计-毕业论文.doc

大连大学DALIAN UNIVERSITY2013届毕业论文(设计)题目名称： 年产5万吨碳酸二甲酯工艺流程的加压精馏塔设计 所在学院： 环境与化学工程学院 专业(班级)： 过程装备与控制工程102班 学生姓名： 指导教师： (副教授) 评阅人： (副教授) 院 长 ： (教授) 年产5万吨碳酸二甲酯工艺流程的加压精馏塔设计总 计：毕业论文：51 页表 格： 6 表插 图： 8 幅指导教师：（副教授）评 阅 人（副教授）完成日期：2014年05月20日51摘要碳酸二甲酯（DMC）是一种无毒、环保性能优异且用途广泛的化工原料。本设计采用尿素醇解法工艺生产DMC，该工艺的DMC回收率可达98%，产品纯度高于99.9%。本论文主要进行该工艺过程的加压精馏塔进行工艺和机械设计。运用Aspen plus模拟计算了塔的工艺条件，其计算结果为：回流比R=1.6，塔板数为40，塔径D=2.7，板间距为0.7。选用的塔器为浮阀塔，采用单溢流弓形降液管，凹形受液盘，取塔径D=2.8m，HT =0.7m，R=1.6.筛孔采用等腰三角形顺式排列，筛板塔的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制，操作弹性为2.52。塔的机械设计分别进行了壁厚及全塔质量载荷的计算，然后分别对每一段进行地震载荷、风载荷等校核计算。由地震弯矩和风弯矩引起的应力校核表明水压试压、 基础环等塔附件应力校核以及机械设计均全部符合标准。关键词：碳酸二甲酯、精馏塔、aspen plus、AUTO CADAbstractDimethyl carbonate (DMC) is a non-toxic, excellent environmental performance and the extensive use of chemical raw materials. This design uses an alcohol solution of urea, Recovery process up to 98%, the product purity higher than 99.9%.Aspen Plus software use sophisticated separation module for the process of distillation simulate various operating units, and then based on the results of the simulation results and processes Aspen mechanical design calculations tower equipment. Optional floating valve tower , using a single down comer overflow arcade concave liquid receiving plate, D = 2.7m, HT= 0.7m, isosceles triangle mesh using the arrangement of the operation cap plate column to control flooding, the lower limit for the leakage control, operating flexibility to 2.52.In mechanical design, the tower is divided into six sections, the first tower of the whole mass loading is calculated, and then separately for each section of the seismic loads, wind loads and other calculations. By SW6 stress check software that moment caused by the earthquake and wind moments are all in compliance with the standard, hydraulic pressure test standard. Stress tower attachment checking compliance. All qualified mechanical design.Keywords: dimethyl carbonate , rectifying tower, Aspen Plus, AUTO CAD目 录摘要iAbstractii目 录iii1绪论51.1碳酸二甲酯介绍51.1.1碳酸二甲酯概述51.1.2 碳酸二甲酯用途51.2 塔设备介绍与设计选取51.2.1 气液传质塔设备61.2.2 板式塔61.2.3 填料塔61.2.4 设计选材61.3 板式塔的类型71.3.1 泡罩塔71.3.2 筛板塔71.3.3 浮阀塔71.4 碳酸二甲酯的合成方法72 DMC加压精馏塔的工艺设计82.1 塔径和塔高的计算82.1.1 计算允许空塔气速82.1.2 塔径82.1.3 塔高92.2 溢流装置92.3 塔板布置及浮阀数目与排列102.3.1 阀孔数102.3.2 塔板布置112.4 塔板流体力学验算122.4.1 阻力计算122.4.2 淹塔校核132.4.3 雾沫夹带校核132.4.4 塔板负荷性能图和操作弹性142.5 aspen plus软件模拟结果汇总及说明162.6 DMC加压精馏塔工艺设计结果一览表202.7 DMC加压精馏塔工艺设计主要符号说明223 DMC加压精馏塔的机械设计243.1 塔体选材243.2 塔体壁厚计算243.2.1 塔筒体壁厚计算243.2.2 塔封头壁厚计算243.3 塔重量载荷计算243.3.1 塔体和裙座的质量243.3.2 塔内构件的质量253.3.3 人孔，法兰，接管及附属物的质量253.3.4 保温材料的质量253.3.5 平台，扶梯的质量253.3.6 操作时塔内物料的质量263.3.7 充水的质量263.3.8 全塔操作质量263.3.9 全塔最小质量263.3.10 全塔最大质量263.4 塔的自振周期计算263.5 地震载荷计算273.5.1 地震影响系数273.5.2 高振型地震载荷和地震弯矩283.6 风载荷计算293.7 各种载荷引起的轴向应力303.7.1 计算压力引起的轴向拉应力303.7.2 重量载荷引起的轴向压应力303.7.3 最大弯矩引起的轴向应力313.8 基础环设计323.8.1 基础环尺寸323.8.2 基础环的应力校核323.8.3 基础环厚度323.9 地脚螺栓计算333.9.1 地脚螺栓承受的最大拉应力333.9.2 地脚螺栓直径333.10 DMC机械设计结果汇总343.11 DMC加压精馏塔机械设计主要符号说明364 结论38参考文献39致谢40附录I 外文翻译附录II 外文原文附图 1 绪论 1.1 碳酸二甲酯介绍 1.1.1 碳酸二甲酯概述碳酸二甲酯（Dimethyl Carbonate，以下简称DMC），常温下是一种无色的透明的、略带香气、微甜的液体。了解其性质：熔点4 ，沸点90.3 ，密度1.0694 ，着火点465，闪点18，粘度，燃烧热 ，难溶于水，但可以与乙醇、乙醚、酮等几乎所有的有机溶剂进行混溶。随着现代科技的发展，人们对环境保护的意识变得愈发强烈，DMC作为一种无毒、环保性能优异且用途十分广泛的化工原料，具有可代替毒性大腐蚀性强的光气等显著的优点1。因此DMC的合成技术受到了国内外化工界的广泛重视，我国化工部在“八五”和“九五”期间将其列为重点项目2。1.1.2 碳酸二甲酯用途DMC的优良性质和特殊分子结构决定了其广泛的用途3：（1） 代替光气作羰基化剂：（2） 代替硫酸二甲酯（DMS）作甲基化剂；（3） 低毒溶剂；（4） 合成聚碳酸酯；（5） 香醚制造；（6） 合成异氰酸酯；（7） 杀菌剂多茵灵的合成；（8） 碳酸二甲酯用作甲基化试剂；（9） 碳酸二甲酯用作燃油的添加剂；1.2 塔设备介绍与设计选取塔设备（又称塔器）作为气液和液液进行传质与传热的重要的化工设备，被广泛应用于石油化工、精细化工、炼油、化肥、农药、环保、医药等行业的物系分离中。其中涉及到蒸馏、吸收、萃取等化工单元操作4。由于本次设计为DMC的加压精馏塔的设计，属于典型的相际传质的单元操作。所以这个制作过程需要在一定的传质设备中进行。传质设备的种类较多，而他们的共同特点都是要求既能使两相物质能够充分接触传质，又能较好的实现两相物质的分离。1.2.1 气液传质塔设备 在气液传质塔设备中，所涉及到的流体是气、液两相，其结构特征是应能使气、液两相在加压精馏塔内能够充分的接触，在完成传质过程后，又能很好的实现气液相的分离。在工程中所广泛使用的精馏塔和吸收塔均属于气液传质设备，传质设备主要分板式塔和填料塔两大类5。1.2.2 板式塔板式塔是化工设备中精馏过程、吸收过程和萃取过程中所应用的最早的塔设备之一6。长期以来，人们对其进行的非常系统的研究，所以在技术上较为纯熟，是目前工程中应用的主要塔设备之一。板式塔的主要优点在于塔的生产能力很大、操作相对稳定且具有较大的操作弹性、造价低、维修及制造方便，所以其应用范围十分广泛7。1.2.3 填料塔 填料塔是化工分离过程的主要设备之一，与上述的板式塔相比，其具有生产能力大、塔内持液量小、分离效率高、塔的压降小、操作弹性大等相对突出的特点，因而在化工生产中同样得到了广泛的应用8。尤其是近20年来的新型高效塔填料和新型塔内件的成功开发，使其更加广泛的应用于分离过程。1.2.4 设计选材本次设计的DMC加压精馏塔是基于年产5万吨碳酸二甲酯生产工艺流程分离工段的精馏塔器。DMC加压精馏塔的作用是将碳酸二甲酯、甲醇这两组物料分离。其轻组分为碳酸二甲酯和甲醇的共沸物；重组分为是碳酸二甲酯含量接近100%（99.9%）的产品。此塔器的生产负荷和分离效果将直接影响产品的数量和质量。所以在此塔器的设计时，希望它能够满足以下设计要求： 生产能力要大，即气液处理量大； 分离效率高，气液能够接触充分； 塔器操作弹性大，对气液相负荷波动具有很强的适应性，即能够较好的维持操作的稳定性，同时能够保持较高的分离效率； 流体流动阻力小，即气相通过每层塔板的压降小； 结构简单，材料耗用量小，制造安装相对容易，尽量减少设备的投资，同时尽量降低操作的费用；对比上述两种类型的塔器，本次我们选取板式塔进行设计。1.3 板式塔的类型从1813年Cellier首次提出泡罩塔至今，板式塔已经出现了许多不同类型的塔板。最常用的板式塔有泡罩塔、筛板塔和浮阀塔9。1.3.1 泡罩塔 泡罩塔是最早的板式塔，它在化工工艺上的应用已经有近两百年的历史。泡罩塔因其操作弹性大、塔板效率高、生产能力大等优点，被广泛应用于蒸馏、吸收等重要领域。泡罩塔板的结构包括塔板、泡罩、进口堰、溢流堰、和降液管10等。1.3.2 筛板塔在塔设备中，筛板塔是最早出现的结构类型之一。筛板塔以其构造简单、造价低廉、维修方便等而著称。与上述的泡罩塔相比，其生产能力大、塔效率高、压降低、塔板造价低、安装与维修较为方便。正式这些非常突出的优点，目前筛板塔在国外已经占有优势地位11。1.3.3 浮阀塔浮阀塔板，安置能上下浮动的阀件。由于浮阀塔板的气体流通面积能随气体负荷变动自动调节，因而可以在较宽范围下的气体负荷下保持稳定操作12；与此同时气体在浮阀上由水平方向吹出，气液接触时间长，雾沫夹带少，同时具有良好的操作弹性和较高的塔板效率，因此在工业中得到较为广泛的应用13。浮阀的类型很多，目前国内最常用的浮阀类型为F1型和V4型。本次设计我选用的是F1型浮阀，因为F1的浮阀制造方便、结构简单、节省材料同时性能良好，因此广泛用于化工及炼油生产中14。F1浮阀分轻阀和重阀两种，本次设计选用重阀，因为考虑到重阀需要较高的气速才能将阀吹开、关闭迅速，所以可以有效的减轻漏液，增加效率。1.4 碳酸二甲酯的合成方法关于碳酸二甲酯的合成方法，有以下几种方法15：1、 酯交换法合成碳酸二甲酯2、 甲醇氧化羟基化合成碳酸二甲酯3、 尿素醇解法合成碳酸二甲酯4、 以二氧化碳和甲醇俄日原料直接合成碳酸二甲酯本论文采用尿素醇解法生产碳酸二甲酯。尿素醇解法工艺分间歇和连续两种。间歇工艺具有操作简单、运行成本低、影响因素少等优点。2. DMC加压精馏塔的工艺设计2.1 塔径和塔高的计算2.1.1 计算允许空塔气速根据给出条件查得：气相负荷V=1.80 m3/s,液相负荷L=0.059m3/s,Error! No bookmark name given.气相密度=14.85kg/m3，液相密度=637.3kg/m3，物系表面张力=10.3mN/m，取板间距H=0.7 m，并取板上液层高度h=0.06 m，则H- h=0.70-0.06=0.64 （2-1）动能参数： =0.215 （2-2）C可由史密斯关联图查出。查得C=0.07m/s。C=C（）= 0.07（）=0.0186 （2-3）最大允许气速： （2-4）因此空塔气速u由下式计算： （2-5）取安全系数k为0.75，则空塔气速为：u=0.750.1204=0.09032.1.2 塔径液体负荷V =0.059 m3/s忽略降液管所占截面，直接计算塔径： （2-6）将数据代入得： 塔径： 按标准塔径圆整为D=2.8m，可见这里的D和H的关系与经验关系相符。塔截面积： （2-7）实际空塔气速： （2-8）2.1.3 塔高根据aspen plus模拟出来的实际塔板数： N=40，=0.7 Np=32 =0.80塔顶空间高度要大于1-2倍板间距,所以取两倍塔板间距,取塔顶空间高度： 。取塔底空间高度：为保证塔底有10min的液体储存，所以：裙座高度： 人孔布置塔顶、塔底和裙座各设有1个人孔，其它板间设5个人孔，总共8个人孔。设人孔处的板间距为0.95m，人孔直径定为600mm，其伸出塔体的筒为200mm，人孔中心的操作平台约为1200mm。所以综上计算塔高：+7（0.95-0.7） +70.15 （2-9）2.2 溢流装置选用双溢流弓形降液管，不设进口堰。堰长： 取堰长=0.65D=0.652.8=1.82校核液体在降液管中的停留时间，由，弓形降液管宽度和面积，求取和，查弓形降液管的宽度与面积图得： 该值与表查得的一致，所以：验算液体在降液管终的停留时间： （2-10）故降液管尺寸符合要求。出口堰高： （2-11）采用平直堰，堰上液层高度可计算，即因为，查得E=1.03，因此校正后：则： 取降液管底隙高度取液体通过降液管底隙时的流速=0.15m/s故取h=0.045m(符合降液管的液封要求)2.3 塔板布置及浮阀数目与排列本次设计取标准F浮阀，重阀2.3.1 阀孔数取阀孔动能因子F=10，求孔速u，即：每层塔板上的浮阀数：2.3.2 塔板布置已知，所以，取边缘宽度 W=0.05m两边安定区宽度W=0.065m浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。等腰三角形的高取t=75mm=0.075m,则估算排间距t，即： ，取t=75mm。塔板上的鼓泡区面积计算： ） = =3.77 （2-12）具体的排列见下图（图2-1），共安排浮阀个数N=698个。图2-1：浮阀塔孔布置图（塔径2.8m 浮阀个数 698个）因此，实际阀孔中气体速度为：由于阀孔实际排列的个数不等于理论个数，因此需重新核算孔速及阀孔动能因数： （2-13）阀孔动能因素变化不大，因此阀孔数N=698个适宜。塔板开孔率= （2-14）2.4 塔板流体力学验算2.4.1 阻力计算计算塔板压强降，即： （2-15）干板阻力临界气速计算:,采用下式计算： 为液柱湿板阻力用下式计算气体通过板上液层阻力液体表面张力造成的阻力很小，可忽略不计。因此，气体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高度为：因此，单板总压降为： （2-16）该值偏大些。2.4.2 淹塔校核为了防止淹塔现象发生，要求控制降液管终清液层的高度，计算，即： （2-17）因设置进口堰，根据之前得出的数据，计算液体通过降液管的压头损失，即：则降液管的清液高度H=hp+hL+hd=0.0389+0.06+0.1125=0.2114取系数，则：计算结果表明，设计的塔板结构在给定的操作下，降液管不会发生液泛。2.4.3 雾沫夹带校核计算泛点百分率校核雾沫夹带用以下两种方法计算泛点率：泛点率= （2-18）泛点率= （2-19）式中，。两者结果取其中较大值。由表查取物性系数K，查得泛点负荷系数C=0.14代入得： 由式（2-18）得出泛点率=60.7%；由式（2-19）得出泛点率=44.4%根据经验，对于大塔，为避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%。以上两个式中得出的泛点率都小于80%，故在给定操作条件下，雾沫夹带量能够满足e，故满足要求。3.8.3 基础环厚度 按有筋板时，计算基础环厚度 (3-31) 设地脚螺栓直径为M24，l=160mm，则b/l=0.9，查表得矩形板计算力矩计算： (3-32) MM取 基础环材料的许用应力基础环厚度： (3-33)取3.9 地脚螺栓计算3.9.1 地脚螺栓承受的最大拉应力 取其中较大值 (3-34) (3-35)取 (3-36)3.9.2 地脚螺栓直径 由于，故此塔设备必须安装地脚螺栓,选Q235-A 取地脚螺栓个数n=28，地脚螺栓材料的许用应力地脚螺栓螺纹小径为： (3-37)查表，取地脚螺栓为M24，故选用28个M24的地脚螺栓，满足要求。3.10 DMC机械设计结果汇总精馏塔机械设计结果如表（表3-2）所示：表3-2机械设计结果汇总项目参数设计温度（） 65设计压力（MPa) 0.1最低工作温度（） 65最高工作压力（MPa) 0.1物料名称 DMC，甲醇容器类型 立式上封头形状标准椭圆形封头材料Q245R名义厚度（mm)12深度（mm)1000直边段（mm)200焊接系数0.85质量(kg)315.4下封头形状标准椭圆形封头材料Q245R壁厚（mm)12深度（mm)100直边段（mm)200焊接系数0.85质量(kg)315.4筒体体材料Q245R内径（mm)2800高度（mm)2900壁厚（mm)12焊接系数0.85质量(kg)18128.22塔盘类型浮阀塔板厚度（mm)12材料Q245R组合方式拼接隔板材料 厚度(mm)Q245R裙座类型圆筒形材料Q245R内径（mm)2800壁厚（mm)12高度（mm)4025基础环厚度（mm) 20螺栓材料Q235-A公称直径20数量28防火层材料石棉水泥层密度（kg/m3)1900厚度（mm)50排气管规格（mm）108x4数量4距裙座顶部距离(mm)质量裙座质量（kg)3500开孔补强接管名称接管尺寸补强圈外径厚度材料塔顶排气4801476032Q245R塔顶回流3561261032Q245R塔釜排液5081680026Q245R塔釜再沸汽5081880026Q245R进料管2191040026Q245R塔体的自震周期（s) 1.1455设计风压值（Pa) 550地震烈度736025总长高度（mm)全塔最小质量（kg) 62773全塔最大质量（kg) 2388683.11 DMC精制塔机械设计主要符号说明表3-3 机械设计主要符号说明符号意义单位操作平台