真空精馏塔设计说明书

本科生毕业设计年产 15000 吨马来酸二甲酯项目真空精馏塔设计说明书学院化工学院专业化学工程与工艺年级 2010 级姓名杨豪帆指导教师张国亮李阳于涛2014 年 2 月 20 日摘要马来酸二甲酯是一种重要的有机化工原料。为了满足经济发展对马来酸二甲酯的需求，开展了此年产 15000 吨马来酸二甲酯项目，本设计中，对真空分离塔进行了工艺设计、结构设计和强度设计校核。在工艺设计中，涉及了塔径、塔高、填料层高度及压降的计算。在结构设计中，对塔设备的内件、支座、接管及附件等进行选型和设计。除此之外，本设计叙述了过程控制方案和开停车方案并给出设备的管道仪表流程简图。对温度、压力、原料配比、通气速率、反应时间等因素进行了敏感性分析。考虑到对环境和社会的影响，还进行了HAZOP 分析和环境影响评价，形成了一份较为完整的设计。关键词：真空分离塔，工艺设计，过程控制，分析。ABSTRACTDimethyl maleate is an important organic chemical raw material. This design focuses on the Dimethyl maleate project with annual production of 15000t, which includes process design, structural design and verification of strength design of vacuum separation tower. In the design of process, involving the calculations of diameter and height of tower, packed bed height and pressure drop. In the structural design， we design and select the internal equipment, bearings, and accessories of the tower. In addition, the design describes the way of process control and gives the Piping and instrumentation diagram, as well as the sensitivity analysis of temperature, pressure, material ratio, aeration rate, reaction time and other factors. Considering the impact on the environment and society, a HAZOP analysis and environmental impact assessment are also involved,Keyword: vacuum separation tower, process design, process control, analysis1目录第一章初步设计条件 .11.1 概述 .11.2 设计条件与物性参数 .11.2.1 设计条件 .11.2.2 物性数据 .2第二章模拟计算 .4第三章设计方法说明 .63.1 综述 .63.2 塔设备的工艺设计 .63.2.1 塔径的计算 .63.2.2 填料层高度计算及分段 .83.2.3 填料层压降计算 .83.2.4 塔高的计算 .93.3 塔设备的结构设计 .93.3.1 填料支承装置 .93.3.2 填料压紧装置 .103.3.3 液体分布装置与液体收集及再分布装置 .103.3.4 除沫器 .113.3.5 裙座 .113.3.6 接管 .113.3.7 人孔 .123.3.8 法兰设计 .123.3.9 保温层设计 .123.3.10 吊耳 .153.4 塔设备的强度设计和稳定校核 .153.4.1 塔壁和封头壁厚设计 .153.4.2 质量载荷计算 .163.4.3 自振周期计算 .173.4.4 风载荷和风弯矩的计算 .173.4.5 地震设计 .193.4.6 偏心弯矩计算 .223.4.7 塔体的强度与稳定校核 .223.4.8 裙座的计算 .242第四章过程控制 .254.1 控制方案概述 .254.2 管道仪表流程图 .264.3 开停工方案 .274.3.1 真空分离塔开车方案 .274.3.2 真空分离塔停车方案 .27第五章敏感性技术分析 .285.1 回流比对产品浓度影响的灵敏度分析 .285.2 进料温度对产品浓度影响的灵敏度分析 .285.3 进料位置对产品浓度影响的灵敏度分析 .295.4 回流比对釜液产量影响的灵敏度分析 .29第六章安全、环境因素分析 .306.1 安全、环境因素分析 .316.2 HAZOP 分析 .32参考文献 .33附录计算举例 .341. 塔径计算 .342. 填料层高度计算及分段 .343. 填料层压降计算 .354. 法兰设计 .355. 塔高计算 .356. 塔壁和封头壁厚设计计算 .357. 质量载荷计算 .378. 裙座的计算 .389. 各接管的设计 .38年产 15000 吨马来酸二甲酯项目真空精馏塔设计1第一章 初步设计条件1.1 概述本项目为年产 15000 吨马来酸二甲酯工艺，本文设计精馏工段真空分离塔设备，用于将反应工序所得粗马来酸二甲酯产品提纯，塔顶产品为马来酸二甲酯产品，该馏分为最终所获得产品；塔底馏分为未转换的马来酸单甲酯，该馏分经进料泵送至酯化塔的中部继续精制以获得马来酸二甲酯产品，并在中间加入十二烷基苯磺酸。根据可行性研究报告结论，本设备应采用连续精馏形式，塔设备型式选用填料塔，塔内填料使用 CY700 金属丝网波纹规整填料 ，回流方式为内回流，分布器采用槽盘式分布器。选定轻关键组分为马来酸二甲酯，重关键组分为未转化的马来酸单甲酯，由于马来酸二甲酯熔点低沸点高，受高温易分解，故采用减压精馏以降低操作温度，塔顶操作压力为-0.08MPa(G)。根据本设备的设计要求及工艺总物料衡算结果，可确定对本设备详细设计各项条件。1.2 设计要求与物性参数1.2.1 设计要求对本设备设计选取轻关键组分为马来酸二甲酯，重关键组分为马来酸单甲酯，总物料衡算结果如下表所示。进料 出料塔顶 塔釜摩尔流量 kmol/h 13.6675 13.5500 0.1175体积流量 m3/h 1.9352 1.892 0.01516质量流量 kg/h 1939.893 1924.607 15.286顺酐 0 0 0甲醇 0 0 0马来酸单甲酯 15.591 0.309 15.282马来酸二甲酯 1920.262 1920.258 0.004水 4.040 4.040 0年产 15000 吨马来酸二甲酯项目真空精馏塔设计21.2.2 物性数据年产 15000 吨马来酸二甲酯项目真空精馏塔设计3第二章 模拟计算使用 Aspen Plus 软件进行真空分离塔模拟计算，选用 NRTL 作为物性计算方法。使用 RadFrac 模型进行严格计算。 使用 Vary-Design 功能优化计算得出理论板数、馏出量、回流比等初步设计参数，并将该初步设计数据作为进一步设计的依据。模拟计算结果如下：（表格做成三线表）Stage Temperature Pressure Heat duty Liquid from Vapor fromK MPa kW kmol/hr kmol/hr1 423.499 0.02 -308.397 21.38683 02 424.9091 0.0207 0 8.108416 21.386833 425.9366 0.0214 0 8.064623 21.358424 426.9497 0.0221 0 8.019898 21.314625 427.9595 0.0228 0 7.974171 21.26996 428.9712 0.0235 0 7.927149 21.224177 429.9899 0.0242 0 7.878588 21.17715年产 15000 吨马来酸二甲酯项目真空精馏塔设计48 431.0202 0.0249 0 7.828327 21.128599 432.0653 0.0256 0 7.776342 21.0783310 433.1268 0.0263 0 7.722784 21.0263411 434.2039 0.027 0 7.668003 20.9727812 435.2928 0.0277 0 7.613465 20.91813 436.7643 0.0284 0 17.00733 17.0032514 441.5796 0.0291 0 16.66189 16.770215 450.8181 0.0298 0 16.45597 16.4247516 462.3579 0.0305 0 16.62683 16.2188317 470.8571 0.0312 0 16.90256 16.389718 475.2181 0.0319 0 17.06927 16.6654219 477.3145 0.0326 0 17.14689 16.8321420 478.5204 0.0333 0 17.18591 16.9097521 479.4105 0.034 0 17.211 16.9487722 480.1876 0.0347 0 17.23125 16.9738723 480.9194 0.0354 242.7776 0.237135 16.99412气相摩尔组成 液相摩尔组成StageStageMMM DMM WATER MMM DMM WATER1 0.000269 0.985567 0.014163 1 0.000936 0.998473 0.0005912 0.000936 0.998473 0.000591 2 0.0032 0.996775 2.46E-053 0.001796 0.997829 0.000376 3 0.00612 0.993864 1.57E-054 0.002897 0.996729 0.000373 4 0.009839 0.990145 1.57E-055 0.004293 0.995333 0.000374 5 0.014513 0.985471 1.58E-056 0.006037 0.993588 0.000375 6 0.020303 0.979681 1.59E-057 0.008185 0.991439 0.000376 7 0.027357 0.972627 1.60E-058 0.010788 0.988836 0.000376 8 0.035793 0.964191 1.60E-059 0.013881 0.985741 0.000377 9 0.04567 0.954314 1.61E-0510 0.01748 0.982 0.000 10 0.05696 0.943 1.61E年产 15000 吨马来酸二甲酯项目真空精馏塔设计5142 378 2 022 -0511 0.021566 0.978055 0.000379 11 0.069534 0.93045 1.62E-0512 0.026082 0.973538 0.00038 12 0.083131 0.916853 1.62E-0513 0.036378 0.963569 5.30E-05 13 0.113095 0.886903 2.23E-0614 0.100555 0.899442 2.26E-06 14 0.272721 0.727279 8.65E-0815 0.262222 0.737778 8.77E-08 15 0.540076 0.459924 2.76E-0916 0.533353 0.466647 2.80E-09 16 0.786999 0.213001 6.93E-1117 0.783919 0.216081 7.03E-11 17 0.920132 0.079868 1.48E-1218 0.918997 0.081003 1.51E-12 18 0.972738 0.027262 2.96E-1419 0.972355 0.027645 3.01E-14 19 0.990999 0.009001 5.79E-1620 0.990874 0.009126 5.87E-16 20 0.997058 0.002942 1.13E-1721 0.997018 0.002982 1.14E-17 21 0.999041 0.000959 2.20E-1922 0.999029 0.000971 2.23E-19 22 0.999687 0.000313 4.32E-2123 0.999685 0.000315 4.38E-21 23 0.999898 0.000102 8.52E-23液相质量组成StageMMM DMM WATER1 0.000845 0.999