焦炉煤气制甲醇毕业设计.pdf
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1、北方民族大学化学与化学工程学院过程装备与控制工程专业2010届本科毕业生毕业设计目 录目 录.1第一章前言.11.1 焦炉煤气制甲醇工艺技术.11.2 甲醇合成工艺简介.21.2.1合成工艺说明.21.2.2工艺流程说明.31.3 水洗塔的作用.3第二章设计方案简介.52.1 装置流程的确定.52.2 吸收剂的选择.5第三章水洗塔的化工工艺设计.63.1 塔填料的选择以及特性数据.63.2 吸收剂用量的确定.73.3 塔径的计算.83.3.1塔底液泛气速计算.103.3.2塔径计算.113.3.3塔径校核.113.4填料层高度计算.133.4.1传质单元高度计算.133.4.2传质单元数计算.
2、163.4.3填料层高度确定.173.4.4填料层压降计算.183.5塔附属高度估算.181北方民族大学化学与化学工程学院过程装备与控制工程专业2010届本科毕业生毕业设计第四章 筒体、封头、裙座的设计.194.1筒体设计.194.1.1筒体厚度计算.194.1.2筒体厚度验算.204.2封头设计.204.2.1封头厚度计算.204.2.2封头厚度校核.214.3裙座设计.22第五章填料塔主要附件结构设计.235.1 液体分布装置.235.2填料支承装置.235.3液体再分布装置及填料压板.245.4气体分布装置.255.5除雾沫器.255.6裙座.255.7吊柱.26第六章 管口结构设计.2
3、76.1进出口管的确定.276.1.1液体进口管.276.1.2液体出口管.286.1.3气体进口管.286.1.4气体出口管.296.2管法兰选择.306.3平台、扶梯的选择.306.4钢制管法兰紧固件.316.5人孔与卸料孔.312北方民族大学化学与化学工程学院过程装备与控制工程专业2010届本科毕业生毕业设计6.6焊接结构.31第七章开孔补强.327.1液体进口管补强.327.2液体出口管补强.327.3气体进口管补强.327.4气体出口管补强.357.5人孔补强.38第八章塔的强度和稳定性的计算.428.1设计条件.428.2塔的高度计算(估算).438.3塔的质量载荷计算.438.4
4、塔的自振周期.468.5地震载荷计算.478.5.1确定危险截面.478.5.2地震影响系数.478.5.3地震弯矩.488.6风载荷计算.518.6.1 风力计算.518.6.2风弯矩的计算.538.6.3最大弯矩.548.7 各种载荷引起的轴向力.558.8 筒体和裙座危险截面的强度和稳定性校.588.8.1筒体的强度与稳定性校核.588.8.2裙座的稳定性校核.598.9筒体和裙座水压试验应力校核.598.9.1筒体水压试验应力校核.593北方民族大学化学与化学工程学院过程装备与控制工程专业2010届本科毕业生毕业设计8.9.2裙座水压试验应力校核.618.10裙座基础环设计.628.1
5、1地脚螺栓的计算.64主要符号说明.65结论.67致谢.68参考文献.69外文翻译.71附录.924北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计第一章前言1.1 焦炉煤气制甲醇工艺技术2004年底,世界上第一套8万t/a焦炉煤气制甲醇项目在云南曲靖建成投产 以来,目前国内已有近10套焦炉煤气制甲醇装置已投入商业运行,单套装置设计规 模多为1020万t/a。首先,将来自焦化厂经过预处理的焦炉煤气送进储气罐缓冲稳压、压缩增压,接着进行加氢转化精脱硫,使其总硫体积分数W0.ix io6,此即焦炉煤气的净化;然后通过催化或非催化方法将焦炉煤气中的CH,、CH,转化为合成甲醇的有效气体
6、组 分(Hz+CO),再通过补碳(即用煤炭制气、压缩、脱硫、脱碳,制成碳多氢少的水 煤气加进原料气中)调整原料气的氢碳比,就制成了氢碳比符合甲醇合成所需的合 成气;将合成气压缩增压后送入甲醇合成塔进行合成反应,生成粗甲醇,然后对粗 甲醇进行精镭,就制成了煤基清洁能源和用途广泛的有机化工原料精甲醇。净化与 转化是整个焦炉煤气制甲醇的关键技术。据粗略统计,随着我国焦化工业的飞速发展,每年焦炉煤气的放散量已超过250 亿m30这个惊人的数据,不仅是能源的浪费,而且对环境也造成极大的污染。随着 当前国内甲醇热的升温,有富裕焦炉煤气的企业正在考虑用焦炉煤气生产甲醇。焦炉煤气制取甲醇的流程要比制取合成氨短
7、得多。其中的脱硫、压缩、甲醇合 成、精储等工艺相对成熟。而焦炉煤气制取甲醇合成气的方法却处于发展初期。在 甲醇热的今天,利用焦炉煤气制甲醇,不仅开拓了合成甲醇的工艺路线,同时充分 利用了焦炉煤气。有焦炉煤气资源的生产企业,可根据企业自身的情况,选择适宜 的工艺路线,以实现经济效益和社会效益的双赢。1北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计1.2 甲醇合成工艺简介1.2.1 合成工艺说明甲醇的合成工艺按合成压力主要分为高压、中压和低压法。早期的高压法合成 使用活性较低的锌铭催化剂,合成压力为30 MPa,合成温度为300400。高压法 的缺点是能耗高、设备复杂、产品质量差,
8、现已淘汰。1970年以后,各国新建与改 造的甲醇装置几乎全部采用低压法。经典的低压法使用活性较高的铜锌基催化剂,合成压力为5l OMPa,合成温度为220280低压法相对于高压法设备简单、物料 和动力消耗低、产品质量好、节省造价,具有明显的优越性,是目前合成甲醇的主 要方法。低压法合成甲醇技术主要有英国IC1技术和德国Lurg i技术,这两家占据着世 界70%以上的甲醇技术市场份额。其他还有德国的林德技术、丹麦的托普索技术、日本东洋公司的MRF技术等。各种低压法甲醇合成工艺大同小异,主要区别在于甲 醇反应器的结构、反应热移走及回收利用方式和催化剂性能。甲醇合成反应是强放热反应,采用合适的甲醇反
9、应器结构来保证催化剂床层温 度相对恒定,是甲醇合成过程高效、稳定进行的关键。焦炉煤气制甲醇合成技术全 部为低压法,其设计规模多为1020万t/a,甲醇合成反应器多为管壳式等温反应 器。可采用合成塔双塔串联流程,其单程转化率高,循环气量小,能耗低,造价低。合成气经合成气压缩机加压至5.35.5 MPa后进入合成塔,在温度22026 0c 及铜基催化剂的作用下,合成气中的CO、CO2与已反应合成甲醇,其主要反应为:C0+2H2-CH3OH CO2+3H2-CH30H+H20甲醇合成是体积缩小的强放热可逆反应,且低压甲醇合成催化剂在温度280C 时易过热失活,因此必须及时将反应热移走,使合成反应尽可
10、能接近反应平衡曲线,同时避免因反应热的积累而烧坏催化剂。管壳式甲醇反应器利用管间沸腾水副产中 压蒸汽及时移走反应热来保持催化剂床层温度的稳定,既有利于合成反应的进行,又保护了合成催化剂。副产的中压蒸汽与催化转化工段的副产蒸汽并网过热后,用 2北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计于合成气压缩机驱动透平的动力。合成甲醇是一个多相催化反应过程,受催化剂选择性的限制以及合成压力、合 成温度、合成气组成等合成条件的影响,反应过程中CO、CO2与巴除生成甲醇外,还发生一系列副反应,生成烧、高碳醇、醛、酸、酯、酸及单质碳等逾40种副产品,合成产物是甲醇和水及多种有机杂质的混合物,即
11、粗甲醇。粗甲醇经冷却降温至 40,进入甲醇分离器,冷凝分离出的粗甲醇液体进入甲醇膨胀槽,减压闪蒸除去 溶解在粗甲醇中的气体后送入甲醇精储工段。分离和闪蒸出的气体大部分送合成气 压缩工段与新鲜合成气混合加压后进入合成塔循环反应,小部分作为弛放气,主要 用作转化加热炉的燃料。甲醇合成工艺的追求目标是:最高的反应物单程转化率和最低的副产物产率,对于生成物体积缩小且强放热的甲醇合成反应,低压法合成甲醇的单程转化率主要 取决于催化剂的活性和选择性及工艺操作水平。1.2.2工艺流程说明本工艺流程为焦炉气制甲醇生产工艺,是将来自焦化厂经过预处理的焦炉煤气 送进储气罐缓冲稳压、压缩增压,接着进行加氢转化精脱硫
12、,即焦炉煤气的净化;然后通过催化或非催化方法将焦炉煤气中的CH,、CN转化为合成甲醇的有效气体组 分(4+8),再通过补碳调整原料气的氢碳比,就制成了氢碳比符合甲醇合成所需 的合成气;将合成气压缩增压后送入甲醇合成塔进行合成反应,生成粗甲醇,然后 对粗甲醇进行精镭,就制成了煤基清洁能源和用途广泛的有机化工原料精甲醇。本 设计项目为24万吨/年甲醇合成工段水洗塔的工艺和设备设计。1.3 水洗塔的作用在甲醇合成工段生产工艺中,水洗塔主要是利用来自甲醇精镭的甲醇洗涤液(精 储残液)来吸收经过甲醇分离器分离后尾气中残余的甲醇成分,从而提高甲醇的收 率。甲醇水洗塔的循环气经循环机加压后,经塔外或塔内换热
13、器后进入触媒层,循 3北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计环气夹带水、氧分子、氯离子,水是甲醇合成过程中的副产物,若无水洗塔,则循 环气中水蒸气含量也约为水的饱和蒸气压,其含量也约为0.15%(不考虑过饱和状 态和雾沫夹带),它对活塞式和透平式循环机没有影响。理论和实践证明,少量水蒸 气进入触媒层可以抑制副反应的发生。甲醇水洗塔需要加水而吸收甲醇,水中溶解 一部分氧,由低压到高压的过程中,水中溶解的氧一般不会解吸出来,即使有微量 氧解吸出来,微量氧的存在可使甲醇合成的单程转化率大大提高。4北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计第二章设计方案简介
14、2.1 装置流程的确定该吸收过程可采用简单的一步吸收流程,同时考虑到资源的有效利用,应对吸 收后的水进行再生处理。混合气体进入水洗塔与水逆流接触后,得到净化气排放,吸收甲醇后的水,经富液泵送入再生塔顶,用燃料气进行汽提解吸操作,解吸后的 水经贫液泵送回吸收塔顶,循环使用,汽提气则进入燃料处理系统。2.2 吸收剂的选择吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解度来实现的,因此,吸收剂性能的 优劣,是决定吸收操作效果的关键之一,选择吸收剂是应着重考虑以下几个方面。(1)溶解度(2)选择性(3)挥发度要低(4)粘度(5)所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及
15、化学性质稳定等要求。根据所需处理的混合气体,可采用甲醇洗涤液(精储残液)为吸收剂,其中含 甲醇0.04,水0.96(均为摩尔分数),其廉价易得,物理化学稳定,选择性好,符 合吸收过程对吸收剂的基本要求。驰放气组成:甲醇9.91%,一氧化碳10.53%,二氧化碳3.16%,氢气76.40%其他组分含量很少,忽略不计5北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计第三章水洗塔的化工工艺设计3.1 塔填料的选择以及特性数据填料是填料塔的核心构件,它提供了塔内气一液两相接触而进行传质或传热的 表面,与塔的结构一起决定了填料塔的性能。对塔内填料的一般要求是:具有较大 的比面积和较高的空隙
16、率,较低的压降,较高的传质效率;操作弹性大、性能稳定,能满足物系的腐蚀性、污堵性、热敏性等特殊要求;填料强度高,便于塔的检修,经济合理。阶梯环是对鲍尔环的改进后发展起来的新型环形填料。环壁上开有窗口,环内 有一层互相交错的十字形翅片,翅片的角度是45度角。圆筒一端为向外翻卷的喇叭 口,其高度约为全高的1/5,而直筒的高度为填料直径的一半。由于两端形状不对 称,在填料中各环相互呈点接触,增大了填料的空隙率,使填料的表面积得以充分 利用,因此可使压降降低,传质效果提高。该吸收过程处理量不大,所用的塔径不会太大,以采用填料塔较为适宜,并选 用公称直径为5 0mm的钢质阶梯环塔填料,填料方式选为散装填
17、料,其主要性能参数 如下:表3T 选用5 0mn i的钢质阶梯环填料公称 直径/mm外径x高x厚(mmxmmxmm)比表面积aj(m 2 1nl 3)孔隙率/(m3/w3)个数 n/l/n i3堆积密 度Pp/kg/m3填料 因子(D505 0 x 30 x 1.5109.20.95116 00400127.4以上数据参考文献 16北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计3.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量可以根据过程的物料衡算,依据最小液气比确定,依据混合气组成 情况可知:吸收塔的进出口气相组成如下:力=0.0991y2=(1-0.99)x0.0991=9.91x104吸
18、收塔液相进口的组成应低于其平衡浓度,该系统的相平衡关系可以表示为:y=mx由甲醇一一水气液平衡组成与温度的关系表查得:(参考文献 2)当温度为70时,甲醇液相组成为6 8.49%,气相组成为84.92%则 甲醇在该温度下的相平衡常数为:V 84.92 m=-=1.24x 6 8.49则系统相平衡关系可以近似表示为:=1.24%于是可得吸收塔进口液相的平衡浓度为只击*IF-。”吸收剂入口浓度应低于7.99x10。,其值的确定应同时考虑其吸收和解吸的操 作,兼顾两者,经优化计算后方能确定,这里取:x2=5 x 10”气体混合物的平均分子量为:M=0.0991x 32+0.105 3x 28+0.0
19、316 x 44+0.76 40 x 2=9.038(依/加H)=15 00(m3/i)qnG=I。%2 4=66.96(kmo l/h)=6 6.96 x 9038=6 05.22(依/z)7北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计依据文献式(6-5),得(“=0.0991-(9.91XKT4)Qg厂。099%(5 x 10-4)一 取实际液气比为最小液气比的1.5倍,则可以得到吸收剂用量为摩尔流量:qnL=1.24x 6 6.96 x 1.5=124.5 5(6 o/h)吸收剂平均分子量为:M=0.96 x 18+0.04x 32=18.56(/kmo l)则质量流量
20、为:qmL=124.5 5 x 18.5 6=2311.5 7(依/h)=2.31(/h)吸收剂平均密度为:p=0.96 x l 03x l+0.04x 786.46 74=991.46(依/m3)则体积流量为:9也=2311.5%91 46=2.3315(苏/田=6.476 4 x 10-4(m3/s)3.3 塔径的计算塔底的气相负荷和液相负荷均较塔顶大,为此,以塔底的气、液参数计算塔径。考虑到填料塔的压力降,可以取塔的操作压力为4.9MPa,依此可以计算出 混合气体的密度为:Pg=PMRT4.96 x 106 x 9.038x 1()-38.314x 343.15=15.5 23(依/加
21、3)液相密度为:处=991.46(口/m3)液相粘度可由文献2式(35)和式(36)计算计算如下:查文献得 30时水的粘度为:0.8007 mPa-s40时水的粘度为:0.6560 mPa s则由文献2式(35),得8北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计,A AIg A=-l T b式中,Ml液体温度为T时的粘度,mPa-s(31)T温度,KA,B液体粘度常数则1g 0.8007=A 303.15A B1g 0.6 5 6 0=A 313.15AB一 水的粘度常数为A=822.HB=292.73所以,70时水的粘度为:822.11343.15822.11292.73=
22、-0.4126查文献2表(314),得甲醇的液体粘度常数为:A=5 5 5.30,B=26 0.64则,70时甲醇的粘度为:,5 5 5.30=-343.155 5 5.3026 0.6 4=-0.5 123氏-0.307mP则由文献2式(3-6),得液相混合物粘度为:m 一乙;=1式中,人混合液的粘度,mPa s内i组分的液体粘度,mPa s囿=0.96x(0.387)%+0.04x(0.307)%(32)=0.6 996+0.0270=0.726 6馆4=l=0387mPa s9北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计-14=0.384 mPa-s 即为液相粘度3.3
23、.1塔底液泛气速计算利用文献1式(6-11)贝因一霍根关联式计算液泛气速,计算公式如下:式中,U)-泛点气速,m/S;g重力加速度,取9.81m/s2;at填料总比表面积,m2/m3;填料层空隙率,m7m3;Pv,Pl-气相,液相密度,kg/m3;K-液体粘度,mPa s”,在气相,液相的质量流量,kg/h;A,K关联常数 因选择散装填料,金属阶梯环,故 由文献3表(510)查得A=0.106,K=l.75又防二23H.5 7kg/h3 V=6 05.22kg/h则=0.106-1.75=-1.34902311.5 7)%6 05.22,15.5 231%991.46?句*就 2=0.0448
24、 g U AplJ_ 1o.O448x g pL aj p八前_/0.0448 x 9.81 x 0.953 x 99146-V 109.2x l 5.5 23x 0.38402=0.5 2(m/s)io北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计即,泛点气速为o.5 2m/s取空塔气速 u=0.85%=0.85 x 0.5 2=0.442(m/s)3.3.2塔径计算塔径的计算公式为n_瓯D=J-9 mV 7TU式中,Vs 一气体的体积流量,m3/su一适宜的空塔气速,m/s其中 Vs=15 00m3/h取=50%80%町则(34)u=0.85%=0.85 x 0.5 2=0
25、.442(m/s)D4x 15 00/36007i x 0.442=1.10(m)根据JB115 3-71圆整为0=1.20根所以,塔的总截面积为:5=-Z)2=0.785x 1.22=1.1304(m2)43.3.3塔径校核1.实际操作气速和泛点率校核气速1500/u=Vs/0.785 D2=/3600?=0.36 9(m/s)0.785 x l.22满足 u=(0.5 0.85)uF=(0.26 0.442)m/s泛点率=-x 100%=71.0%(在允许范围内)uP 0.5 211北方民族大学过程装备与控制工程专业2013届本科毕业生毕业设计2.液体喷淋密度校核取最小润湿速率为:08m3
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