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甲醇精馏塔的设计及技术改造


甲醇精馏塔的设计及技术改造
姓名: 摘要:甲醇精馏塔是精馏工段中的关键设备,对产品的质量和产量的稳定性起着 决定的作用。精馏塔主要有 2 个作用,1 将甲醇组分与水和重组分分离,得到精 甲醇产品。2 将水分分离出来,并尽量降低其他有机杂质的含量,排出系统外。 本文将介绍塔器的产生、发展过程,塔器的几种类型,综合比较二塔跟三塔的各 自优缺点,对甲醇精馏塔进行设计及改造,体现精馏技术在节能方面的意义,使 甲醇的生产往节能高效的方向更加好的发展。 关键词:甲醇精馏塔、精馏塔、塔器

1.塔器的简介
塔器是在石油、化工、轻工等部门广泛应用的工艺设备,主要用来处理流体 (气体或液体)之间的传热与传质,实现物料的净化和分离。气-液之间的相际 传质过程,如蒸馏、吸收、解吸、气提、增温等过程一般均在塔器中进行。 塔器的产生是与炼油、化工的发展相同步。Cellier 于 1813 年提出,最早的筛 板塔产生于 1832 年,但只有进入 20 世纪,随着炼油工业的发展,才使塔器称为 特有的一类传质设备而发展起来。整个 20 世纪塔器技术得到不断发展和充实, 塔器也始终保持了传质分离过程的首选设备。 自 1904 年起,填料塔用于原油蒸馏。开始时,塔内充填碎瓦、砖块或石块作为 “填料” ,也有加设挡板来增进气液接触和传热、传质。以后为提高气液接触的 效果,产生了专门制作的填料,使填料塔得以更有效的应用。 1912 年,筛板开始开始用于炼油工业。1920 泡罩塔引入炼油工业,此后在它们 的基础上不断改进、创新,形成了各种不同型式的板式塔。

2.塔器的发展
2.1 塔器的发展与炼油、化学工业的发展密切相关,大致分为以下几个阶段: 1)第二次世界大战结束前,炼油工业主要有泡罩塔,而无机化工(酸、碱工业) 主要用直径较小的填料塔。当时人们对筛板塔的认识是操作不稳定、弹性太小, 只能用于分离要求不高的过程中,取其造价低、处理能力大的特点。 2)第二次世界大战后至 20 世纪 50 年代,随着人们对筛板塔的性能的研究和新 了解,认为只要设计合理,筛板塔能够稳定操作,操作弹性也能满足要求,从而 在生产中逐步推广使用。 世纪 50 年代, 20 人们还针对泡罩塔结构复杂, 阻力大, 筛板塔操作弹性小的问题, 开发了一批新型塔板,包括能推动液体流动的 S 型塔 板,舌型塔板,具有浮动部件的各种浮阀塔板,如条形浮阀、A 型和 T 型浮阀、 V 型浮阀等。由于浮阀兼有结构简单、造价低廉、操作稳定和弹性大的特性,很 快在生产上得到推广应用。 填料塔由于放大后性能下降, 推广中一直有局限性,但人们也在原始填料的基础 上,规范了拉西环和鞍形填料,在众多中、小型化工装置特别是具有较强的腐蚀 性物系中应用。

3)20 世纪 60 至 70 年代,是世界石油化学工业迅猛发展的时期,在泡罩、筛板、 浮阀和舌形塔广泛应用的基础上, 人们对塔板的流体力学和传质性能进行了深入 研究。随着计算机的应用,使设计方法得到巨大改进,满足了石化工业发展的需 要,并在改善各类塔板性能的过程中,开发了浮舌、导向筛板、网孔塔板和垂直 筛板等。它们各具特色,而共同点则是提高了塔的处理能力,减少了塔板压降。 填料的开发进一步推出了鲍尔环,由于其良好的综合性能,得到广泛应用。 4)20 世纪 90 年代以后,填料塔虽以其低压降、高效率、高通量而有超过板式 塔的势头, 但由于填料塔固有的不适于含固体的的物料,也因物料的多次抽出和 送入使塔的结构过于复杂, 填料生产成本较高,以及填料塔对于加压物系传质效 率低等原因,自 20 世纪 90 年代起,人们又重新关注板式塔的改进,综合地从阀 孔、阀片、导向孔、降液管的改进结构到多降液管的开发,都取得了卓有成效的 创新和发展。比较具有代表性的如 Superfrac 塔板、Nye 塔板、Max-frac 塔板、 Triton 塔板、MVG 塔板、MD 塔板、ECMD 塔板、EEMD 塔板和导向浮阀塔板等。 此外,在 20 世纪 90 年代, 人们开始考虑并实践“液体并流”塔板,以改善塔 板效率。也有把填料与塔板结构起来,充分发挥各自的优点,创造出了复合塔, 然而这些新结构目前尚处于探索的过程中。 2.2 塔的研究方向 20 世纪 90 年代开始有关塔的理论与技术研究主要集中在以下几个方面: (1) 设计新型高效塔板与填料 (2) 提高蒸汽利用率,降低能耗 (3) (4) (5) 降低塔器的成本 适用于分离组成复杂的物料 大型化,稳定运行时间长,可靠性高

3.工艺流程与塔的选型分析
甲醇精馏是甲醇生产技术中重点研究与攻关的课题之一。 多年来世界各国对 此开展了大量的工作,特别是世界著名的英国,德国和日本三菱瓦斯等均开发出 了自己的独特的精馏技术。我国的精馏技术也在逐年改进,产品甲醇的质量不断 提高。三十年来甲醇标准共进行四次修定,GB338 一 85 标准已接近美国联邦级标 准,而 GB338 一 64 的一级品介于 GB338 标准二、三之间,GB338 一 76 的一级品相 当 GB338 一 85 的二级品,目前正在执行 GB338 一 92 标准,它比 85 标准又提高了 一步。标准的修定,指标的提高意味着精馏技术的进步。目前国内外已工业化应 用较多的甲醇精馏技术来说,基本上为两塔和三塔流程,而塔型上大多选用浮阀 塔。两塔流程也称常压流程,是使用最早,最多的技术,其示意图如图。三塔流程 是在加压下操作, 1、预塔 2、主塔 3、粗甲醇预凝器 4、预塔第一冷凝器 5、预 塔第二冷疑器 6、主塔冷凝器 7、精甲冷却器 8、杂醇油冷却器 9、预塔再沸器 10、主塔再沸器 11、预塔回流槽 12、主塔回面流槽 13、预塔回流泵 14、主甲醇 泵 15、主塔回流泵,图 1 两塔精馏流程图的角度开发的,故称为加压或节能型流 程。示意图如图 2。这两种工艺究竟如何合理选用,是目前设计和生产单位最关

心的问题。下面仅就部分工程指标作为分析参数,以便粗粗得出一个选用原则。 比较的基准是: 1 粗甲醇的组分组分溶解气,二甲醚,轻馏分,烃类,甲醇,乙醇,高级醇等水重量 分别为 0.28 0.14 0.10 0.019 3.02 0.05 0.10 6.30 100.00。 2 粗甲醇等级达到美国联邦 AAA 级 3 精馏残达到小于等于 0.05%醇含量 用上面的粗甲醇加工为精甲醇时,估算的不同规模的投资如表 1 所示。计算投资 时局限于单独建设一套精馏装置,考虑到了公用工程并建设期利息和流动资金。 可以看出三塔流程的投资高于二塔流程。但从经营者来说,选用那种流程合适, 最终以产品的成本作为基准。 4 常用塔器设备优缺点 1 泡罩型塔板: (1)操作弹性大 ; (2)结构复杂; (3)造价高; (4)压降大 2 筛孔型塔板: (1)结构简单; (2)造价低; (3)效率高; (4)稳定性好 3 浮阀型塔板: (1)结构简单; (2)效率高; (3)操作弹性大; (4)处理能力高 4 无溢流型塔板: (1)结构简单; (2)操作弹性小; (3)最大利用塔板面积; (4) 塔板效率不高 5 规整填料: (1)压降小; (2)传质效率高; (3)比表面积大; (4)不易清洗

4.甲醇精馏塔的设计
4.1 塔型及总体情况 为满足工艺要求, 本设备采用浮阀型板式塔的结构。 浮阁塔近年来发展很快, 其工作性能优于泡罩塔和筛板塔,它具有操作弹性大、分离效率高 、处理能力 大、压降较小、不怕脏枯物料、结构简单 、造价较低等优点。浮阀在塔板上的 排列,为使绝大部分液体内部有气泡透过,并使相邻两阀容易吹开,鼓泡均匀, 采用了对液流方向呈叉排的三角形排列方式,阀间距为 75mm, 每层阀数 133 个。本塔高 21m,塔径 1.2m,塔板 27 块,板间距 600mm ,入孔处板间距 800mm, 塔顶空间高度 1.2m,这一高度用以减少塔顶出口气体中夹带的液体量。塔底部 空间高 1.5m,这个高度用来保证釜液在塔内有一定的停留时间,釜液高度 1100mm ,设备采用裙座支承,裙座高度为 2m ,设备净重 13400kg。

4.2 材料的选用
设备材料的选择一方面要结合材料本身的特性,如焊接性能,耐腐蚀性能, 冷热加工性能等外,主要应依据工作介质的特性,工艺操作压力、温度及工作特 点。本设备工作介质比较复杂,含有多种组分,但主要为甲醇、水和一些有机成 分,按 HGJ43—91《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类 》的规 定,甲醉为中度毒性,易燃易爆介质,它对碳钢的腐蚀很小,年腐蚀率小于 0.05mm/年。设备的设计压力为 0.1Mpa,对应的设计温度为 104℃,设备为连续 操作,根据 GB150—89《?钢制压力容器 》 、HGJ15—89《钢制化工容器材料选用 规定 》中规定,既要满足工艺要求,又要做到经济合理,所以设备壳体、封头 的材料选用 Q235—B,在 JB4710—92《钢制塔式容器 》中规定、裙座壳体材料

按受压元件选取,经计算,裙座壳体厚度为 18mm,按 GB150—89 中规定,Q235 —B 材料的最大使用厚度限制为 16mm,所以,设备裙座材料选用 Q235—B 材料, 设备各接管选用无缝管,材料为 20#钢,塔盘上的塔板的各紧固螺栓为便于设备 检修和拆卸的方便,防止锈死,材料选用 1cr13、法兰紧固件,螺栓选用商品等 级 8.8 级,螺母选用商品等级 8 级。地脚螺栓、螺母材料为 Q235—B。塔内件材 料,包括支承梁、支持圈、塔板、受液盘、降液管等,由于介质腐蚀很小,故采 用 Q235—B 的材料。 所有的垫片材料均采用石棉板,因介质对石棉橡胶板有溶化 作用。 设备焊接材料按 HGJ15—89 中规定,根据主体材料为碳钢故焊条选用J4 22。接管法兰材料按 HGJ47—91《凹凸面带顶平焊钢制管法兰》的规定,材 料为 20 锻。 4.3 强度、刚度计算 (1) 容器壳体内压强度计算 按 GB150 — 89 的 内 压 圆 筒 壁 厚 计 算 公 式 : 计 算 厚 度 σ = pi di/2[σ ]?-pi=0.625mm, JB4710—92 ,最小厚度σ min=1mm。 按 考虑到高塔设备、 它的载荷除压力外,还有重量载荷,静液体载荷风载荷、地展载荷 ??,而且 这些载荷的危险组合往往是高塔失稳破坏的主要原因,所以还必须进行刚度设 计,壁厚取 6mm,裙座 6mm 经计算、校核、满足要求。 (2) 关于高振型问题 本设备高 21m、塔径 1.2m、高径比为 17.5,应视为柔性结构,在这种情况下, 应考虑高振型对设备的影响,高振型计算方法按《塔器 》附录 A 进行。此法缺 点在于求各个振型反应时都利用加速反应谱曲线求出各振型反应的最大值。 但事 实上各振型反应的最大值并不同时发生, 使计算结果偏大。 此外, 此法计算较繁, 故《塔器》规定,当塔的 H/D>15 或 H<20m 时,塔的地震弯距可按下式计算: 即 将基本振型的地震弯距增大 1.25 倍, 本计算采用了此法。

5.甲醇精馏塔的技术改造
5.1 新型垂直筛板 新型垂直筛板属于扳式塔的一种,主要结构在于它的喷射罩体。在气液接触原理 上它 与泡罩、 浮阀塔扳有着本质的区别。泡罩和浮阀的气掖接触是在鼓泡状况下进行 的。而新 型垂直筛板是在喷射状况下进行的, 气液经过罩内提升一混合—撞击—罩孔喷射 ( 液体被分散成大量小液滴)气液分离。由于喷射形成的大量小液滴,为气液接 触提供了很大的比表面积,从而具有很高的传质效率,极效率比浮阀高出 10% 以上。 由于气液喷射是水平方向, 即使在很高的板孔气速下也不会出现物沫夹带, 所以它具有很大的处理能力,比浮阀高出 50 %以上。大量工业塔的应用已得到 充分证明。最近,在垂直筛板塔的基础上又开发了径向导喷塔板,在性能上比新 型垂直筛扳又提高了一步,同时弥补了新型垂直筛板在某 些方面的不足。该装 置具有导喷特点, 其一是导喷降低了塔板液层的液面梯度,减小了由于液面梯度

造成的气体偏流;其二是导喷沿着液流方向进行,降低了塔盘液体的返混程度, 有利于塔扳效率的提高。 5.2 甲醇预精馏塔萃取水加入方法的改进 ①将萃取水由直接加入预塔改为直接加入预塔冷凝液收集槽,加入量不变。 ②在预塔冷凝液收集槽侧面开一出油孔,用以排放油相。 ③为回收油相中的甲醇,须对其进行二次萃取。 因采出量小且为间歇,因此二 次萃取 器容积小,只需 0.3m3 即可。分离后水相去地下槽回到系统,油相到油水槽。 ④为防止预塔冷凝液收集槽抽空,造成萃取分层后上层油类物质重新回到系统, 在收集槽出口设置了“ U ”形弯管装置, 当液面低于标准值时回流泵抽空。 ⑤为减小甲醇冷凝液流入收集槽时,对槽内液体的冲击,加长了冷凝液入口管。 5.3 降低甲醇精馏蒸汽消耗的途径 5.3.1 尽量提高粗甲醇进料温度 进精馏预塔粗甲醇的预热是用甲醇精馏塔加热蒸汽的冷凝水间接加热的, 所以 粗甲 醇进料温度的高低, 直接影响甲醇精馏蒸汽的消耗。 由计算得知:粗甲醇进料温 度每升高 10 ℃,则每处理 1 t 粗甲醇少耗热量 35 744. 4k J ,折 0. 35 MPa 蒸汽 16 kg。 5.3.2 尽量减少萃取水用量 在甲醇精馏操作中,控制预精馏塔后甲醇液密度(ρ 20)指标在 0. 835~0. 865 g/ mL ,该指标的高低由萃取水的加入量来调节。根据计算,预精馏塔后甲醇液密度 (ρ 20)每降低 0. 01g/ mL ,处理每吨粗甲醇就少加萃取水 40 kg ,设萃取水进 塔温度为 50 ℃,主精馏塔底残液排出温度为 110 ℃,则少耗热量 10 049 k J , 折 0. 35 MPa 蒸汽约 5 kg。因此,在粗甲醇质量稳定、杂质含量不高的情况下, 应注意调节萃取水量,维持预精馏塔后甲醇液密度在指标下限,有利于降低甲醇 精馏蒸汽消耗。 5.3.3 适当减小甲醇回流量 甲醇精馏操作中, 通常控制回流比 (回流液量/ 粗甲醇进料量) 指标为: 预精 馏塔 0. 5~1. 0 ,主精馏塔 1. 5~2. 2。 回流比的高低代表甲醇液回流量的 大小, 它对甲醇精馏蒸汽消耗影响较大。 根据计算, 预精馏塔的回流比每降低 0. 2 , 则每处理 1 t 粗甲醇少耗热量 211 839 k J , 折 0. 35 MPa 蒸汽 100 kg; 主精馏塔的回流比每降低 0. 2 , 则每处理 1 t 粗甲醇少耗热量 213 084 k J , 折 0. 35 MPa 蒸汽 101kg。显然,在保证精甲醇质量的前提下,适当降低回流比, 对降低甲醇精馏蒸汽消耗作用很大。 5.3.4 稳定各层塔温和整个精馏系统物料 热量的平衡甲醇精馏操作中最忌精馏塔塔温不稳。 各层温度分布不合理和系统物 料与热量的失衡,不仅给操作带来麻烦,恶化生产,还将影响精甲醇产量、 质量和 加大蒸汽、 水、 电等的消耗。因此,甲醇精馏生产中精心操作、 稳定工况是降

低蒸汽等各项消耗的基本保证。 参 考 文 献 张明石,刘艳升等 . 《现代塔器技术》第二版 冯元琦.联醇生产化学工业出版社, 1994 柳振华.四川化工,1990, (2) 王柱祥,李志强,许庆茂.河北工业大学化工塔器设计中心 乔敬玲.太原化学工业集团公司设计研究院 汤太恒.河南化工,1990 , (10) :5~8 张文效.山西化工,1994 , (2) :15 李东辉.大连化工,1993 , (1) :43~46

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