年产25万吨二甲醚的精馏系统及二甲醚精馏塔设计

年产25万吨二甲醚的精馏系统及二甲醚精馏塔设计个人收集整理勿做商业用途个人收集整理勿做商业用途22作者:日期:

摘要作为LPG和石油类的替代燃料，目前二甲醚（DME）倍受注目。DME是具有与LPG的物理性质相类似的化学品，在燃烧时不会产生破坏环境的气体,能便宜而大量地生产。与甲烷一样，被期望成为21世纪的能源之一。目前生产的二甲醚基本上由甲醇脱水制得，即先合成甲醇，然后经甲醇脱水制成二甲醚•甲醇脱水制二甲醚分为液相法和气相法两种工艺，本设计采用气相法制备二甲醚工艺。将甲醇加热蒸发，甲醇蒸气通过yAL2O3催化剂床层，气相甲醇脱水制得二甲醚。气相法的工艺过程主要由甲醇加热、蒸发、甲醇脱水、二甲醚冷凝及精馏等组成。主要完成以下工作：1）全过程的物料及能量衡算；2）通过对ASPENPLUS的学习对精馏系统进行模拟；3）二甲醚精馏塔的选型设计计算；4）二甲醚精馏塔选型的校核；5）通过对塔的设计计算，利用CAD绘制出PID图、PFD图、设备图以及车间布置图.关键词：二甲醚，甲醇，工艺设计，二甲醚精馏精馏塔设计个人收集整理勿做商业用途个人收集整理勿做商业用途#进料板液相质量分率:0.3096x46==0.4660.3096x46+0.2781x32+0.4123x180.2781x32==0.29120.3096x46+0.2781x32+0.4123x180.4123x18af3=0.3096x46+0.2781x32+0.4123x18=0.2428所以，平均密度为:1Pfl=0.4660.29120.2428=651.19炮皿++527.75725.97965.3塔底液相平均密度由ASPENPLUS得到的结果知，在塔底，二甲醚含量很低，对塔底液相密度的影响几乎可以忽略不计，故而可以近似的将塔底二甲醚的含量看成为0。对塔底平均密度有影响的即为h2o、ch4o.由tW=149。8°C,查手册［18］得p=295.183kg/m1塔底液相质量分率：p=646.621kg/m32p=920.822kg/m330.3318x320.3318x32+0.6682x180.6682x18=0.4689aw3=0.3318x32+0.6682x18=0.5311所以，塔底平均密度:1pwl=P7689聞丁=768.1kg/m3+920.822646.621精馏段平均密度:P=63°・69[651・19=640.94kg/m3mL提馏段平均密度:P=651.19「768.1=709.65kg/m3nL全塔平均密度:640.94+709.65>2二675.30kg/m35。液体平均表面张力的计算液相平均表面张力依下式计算，即Q=ExQLmii塔顶液相平均表面张力的计算由tD=40。3oC，查手册［18］得b=69.940mN/m3b=9.815mN/mb=69.940mN/m312b=0.9978x9.815+0.0022x19.91=9.837mN/mDL进料板液相平均表面张力为由tF=71.90C，查手册得b=60.715mN/m3=30.034mN/b=60.715mN/m3=30.034mN/m12b=0.3096x3.55+0.2781x14.032+0.4123x60.715FL塔底液相平均表面张力的计算由tw=149o80C,查手册得b=0.224mN/mb=0.224mN/m1b2=7.949mN/mb=49.505mN/m3bWL=°3318X“49+0・6682X傢505=辽717mN/bWL=°3318X“49+0・6682X傢505=辽717mN/m精馏段液相平均表面张力的计算b=9・837+30・034=19.936mLmN/m提馏段液相平均表面张力的计算b=恥034+辽717=32.876nLmN/m全塔液相平均表面张力的计算b=卩936+32・876=26.406LmN/m6.液体平均粘度的计算塔顶物料粘度：tD=40。3°C,查手册［18］得卩1=0.133mPa-s卩=0.444mPa-s20.683mPa-slgR=0.9978xlg（0.133）+0.0022xlg（0.44）DLR=0.133mPa・sDL进料黏度：在tD=71.9°C,查手册得卩1=0.077mPa-s卩=0.255mPa・s2卩=0.315mPa3lgR=0.3096xlg（0.077）+0.2781xlg（0.255）+0.4123xlg（0.315）FLR=0.192mPa・sFL塔底物料粘度：在0=149。80C，查手册得R1=0.023mPa・s卩？=0.153mPa・slgR=0.3318xlg（0.153）+0.6682xlg（0.193）WLR=0.179mPa・sWL卩3=0.193mPa精馏段液相平均粘度：RmL=4竺=ON・sr=°.192+°.179=0.186mPa・s提馏段液相平均粘度：nLRr全塔液相平均粘度L°」63+°」83-0.175mPa・s4。2工艺尺寸的计算4。2。1气液相负荷与体积流率精馏段气液相负荷:L=R・D=0.438x680.846=298.21kmol/hV=（R+1）D=（0.438+1）x680.846=979.057kmol/hm提馏段气液相负荷:L=L+F=298.21+1706.38=2004.59nmV=V=979.057kmol/hnmkmol/h精馏段气液相体积流率:VMmV—3600pmVLM—mL—3600pmL979.057x40.015——0.8153600x13.36298.21x38.266==0.0053600x640.94提馏段气液相体积流率:VM=nV—3600pnVLM—nL—3600pnL-哂057X辽453-0.921m3/s3600x10.47-2004・59X26・6°4-0.021m3/s3600x709.65全塔气液相体积流率:V=°.815+°.921=0.868m3/s2L=0.021+°.°05=0.013m3/s24.2.2塔径的计算1。精馏段塔径的计算由u—CmaxP-P式中的C由式C=CP20V0.2计算，其中C20由史密斯关联图H9]查取，图的横坐标为:L—mVm3)

mL-Ip丿'mV丿0.005(640.94]0.815I13.36丿12二0.04取板间距HT=0・40m，板上液层高度hL=0-06m，则H-h=0.40-0.06=0.34mTL查史密斯关联图得C20=0。07C二0.07(C二0.07(19.936、o.220丿二0.0713.36卩=0・07」64°.94一13・36=0.48m/s13.36max取安全系数为0.7，则空塔气速为:|Li=0.7p=0.7x0.48=0.336m/smaxD-西“-1.758和3.14x0.336按标准塔径圆整后为D=2.0m

塔截面积为：兀A=D2=3.14m2T4实际空塔气速为：0.815==0.26m/s3.14（寻）詹）图4。1史密斯关联图2。提馏段塔径的计算提留段的汽液相负荷由u=C'PL-PV式中的C由式C=C（^^）0.2计算，其中c由史密斯关联maxMp20'2020*V图查取，图的横坐标为：、P—nL、P—nLP丿nV’1/20.021X3600[695.05]0.921x3600L7.07丿1/2=0.188取板间距，m，则TLH-h=0.40-0.06=0・34mTL

查史密斯关联图得C20=0。055C=0.055xf32.876T'2=0.061I20丿u=0.061u=0.061max：709.65-10.4710.47=0.498取安全系数为0。6,则空塔气速为:u=0.6u=0.6x0.498=0.3m/smax=1.98\4V=/4x0.921=1.98HT3.14x0.3按标准塔径圆整后为D=2m塔截面积为TOC\o"1-5"\h\z兀nA=D2=x22=3.14m2T44实际空塔气速为：0.9210/u==0.293m/s3.144・2。3精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为：Z=(N-1)H=(10—l)x0.45=4.05m精精T提馏段有效高度为：Z=(N-1)H=(10—1)x0.45=4.05m提提T在进料板上方开一人孔，其高度为：0.8m故精馏塔的有效高度为：Z=Z+Z+0.8=4.05+4.05+0.8=8.9m精提4。3塔板主要工艺尺寸的计算4.3.1溢流装置计算因塔径D=2m,可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下:堰长L取I=0.80D=0.80x2=1.6mW溢流堰高度hww由h=h-h』WLOW选用平直堰’堰上液层高度how由式h选用平直堰’堰上液层高度how由式h2.84OW1000Elw丿近似取近似取E=1,则2.84h=x1xow2.84h=x1xow1000(0.013x3600\1.62/3=0.027故h=0.06-0.027=0.033mW故h=0.06-0.027=0.033mW4。3。2弓形降液管宽度Wd和截面积Af由lw=0.80D查弓形降液管的参数图@0],得AfAf=0.14TWd=0.20D故A=0.14A=0.14x3.14=0.44m2fT=0.20D=0.20x2=0.4m3600AfH故A=0.14A=0.14x3.14=0.44m2fT=0.20D=0.20x2=0.4m3600AfH验算液体在降液管中停留时间，即Ln3600AH0=fT3600x0.44x0.40=13.5s>5s0.013x3600故降液管设计合理.4。3.3降液管底隙高度h0h=n03600lu'W0u'的一般经验数值为0.07~0.28m/s0取u'=0.28m/s0°.°13x3600=0.029m03600x1.6x0.28h-h=0.047—0.029=0.018m>0.006m0故降液管底隙高度设计合理.选用凹形受液盘，深度h'=50mm。W

4.4塔板布置4。4.1塔板的分块因D>2000mm，故塔板采用分块板。查塔板分块表得，塔板分为6块。4・4。2边缘区宽度确定取Ws=0.05m,砖临血4。4.3开孔区面积计算开孔区面积A按式a开孔区面积A按式a计算TOC\o"1-5"\h\zc兀r2.=2xvr2-x2hsin-iI180其中x=f-(Wd+W)=2-(0・4+0・05)=0-55mr=T-Wc=1-0-035=0-965/A=20.55(0.9652—0.55/A=20.55(0.9652—0.552兀x0.9652180sin0.550.965=2.001丿m24。4。4筛孔计算及排列本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用§本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用§=4mm碳钢板，取利孔直径d0=10mm筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为:t=3d0=3x10=20mm筛孔数目n为1.115An=1.115An=0121.115x2.0010.032=2480开孔率为:申=0.907申=0.907=0.907=10.1%气体通过阀孔的气速为:Vu=-—=二0-868=4.29m/s0A0.101X2.00104.5塔板的流体力学验算4・5。1塔板压降1）干板阻力hc计算由式h=由式h=0.051(、u—02(p]c1c丿'o'IPL丿干板阻力hc计算由％/5=5/3=L67，查干筛孔的流量系数图@1］得，c0=0.772故h=0.051xc(故h=0.051xc(4.29)2(11.92)675.3丿=0.0314m液柱2)2)气体通过液层的阻力h1计算气体通过液层的阻力h］由式h产加L计算TOC\o"1-5"\h\zV0.868,u=s==0.321m/saA-A3.14-0.44TfF=VJp-0.321x7'11.92=1.108kg1/2/(s-m1/2)0av查充气系数关联图，得p=0。65。h=p(h+h)=0.65x(0.071+0.033)=0.039m液柱1WOW3)3)液体表面张力的阻力hg计算液体表面张力的阻力h可按式h=%l计算，即PgdL0h=耳=4x26.406x10-3=0.0032m液柱bpgd675.3x9.81x0.005L0气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算，即h=h+h+h=0.0314+0.039+0.0032=0.0736m液柱Pc1C气体通过每层塔板的压降为:AP=hpg=0.0736x675.3x9.81=487.58Pa<0.7kPa(设计允许值)ppL4。4。5.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响.4・5。3液沫夹带5.7x10-6e=V5.7x10-6e=V3.2uaH-h'Tf丿h=2.5h=2.5x0.06=0.15mfL

5.7x10一626.406x5.7x10一626.406x10-3故在本设计中液沫夹带量ev在允许范围内。4・5。4漏液对筛板塔，漏液点气速U.可由下式计算，即0,mmu=4.4C(0.0056+0.13h-h)p/p0,min0LQLV=4.4x0.77^./(0.0056+0.13x0.06-0.0032)x675.3/11.92=1.442m/s实际孔速u=4.29m/s>u00,min稳定系数为:K=-U^==2.98>1.5u1.4420,min故在本设计中无明显液漏。4。5.5液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度Hd应服从下式的关系，即Hd"(Ht+hW)二甲醚一甲醇一水物系属一般物系，取申=0.5，则TOC\o"1-5"\h\z9(H+h)=0.5(0.40+0.033)=0.217mTW而H=h+h+hdpLd板上不设进口堰，hd可由下式计算，即h=0.153(u')2=0.153x(0.28)=0.0120m液柱d0H=0.0736+0.06+0.0032=0.1368m液柱dH<9(H+h)dTW故在本设计中不会发生液泛现象。

4.6塔板负荷性能图4。6。1漏液线由卩=C(h+h-h)P/PO,min0wLbLV_V卩=―S,min0,minAoh=h+hLWOWh=2.84ow1000E(—hh=2.84ow1000E(—h)2/3

lVs,min=CA.{0.0056+0.13[h+00w2.841000E(”卜hb}PL/PVw=O.101』0.0056+0・13[0・033+誌x1x(潜)2/3]一0.0032}675.3心2整理得V=0.101p‘3.59L2/3+0.379TOC\o"1-5"\h\zs,mins在操作数据内，任取几个L值，依上式计算出V值，计算结果见表4.1SS表4。1漏液线Ls，m3/s00。00050。0010.00150.0020。00250。003Vs，m3/s0.0610.0630.0650。0660。0670。0670.068TOC\o"1-5"\h\z由上表数据即可作出漏液线4。6。2液沫夹带线以e=0.1kg液/kg气为限，求V-L关系如下vss5.7x10-6u、(a)3.2bH-hLTfVV—0.37Vsu—s——0.37VsaA-A3.14—0.44Tfh—h—2.5hfL—2.5(h+h)wowh=0.033wh=2.84h=2.84ow1000(3600LI1.6—0.488L2/3s故h=2.5(0.033+0.488L2/3)=1.22L2/3+0.0825fssH-h故h=2.5(0.033+0.488L2/3)=1.22L2/3+0.0825fssH-h二0.4-0.0825-1.22L2/3二0.3175-1.22L2/3T5.7x10-60.37V26.46x10-30.3175-1.22L2/30.1整理得y=5.846-22.465L2/3Ss在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果于表4.2L，m3/ss00。00050。0010。00150.0020。00250。003V，m3/ss5。8465。7045。6215.5515.4905.4325。379表4。2液沫夹带线由上表数据即可作出液沫夹带线4.6.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度h=0。005m作为最小液体负荷标准•由式得ow2.84how-1000E(3600L)2/3lw丿=0.005取E=1，则Ls,min(0.005x1000)Ls,min(0.005x1000)2.841.5x=0.00104m3/s36001.6据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线4・6。4液相负荷上限线以0=4s作为液体在降液管中停留时间的下限，由0=人巴=4得LsLsLs,max竺=044x04=0.044m3/s4据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线4。6。5液泛线=h+h+h;h=h+h+h;h=0h;h=h+hpLdpc1b1LLwow

联立得甲H+(甲-p-1)h=(p+1)h+h+h+hTwowcdb忽略h，将h与L,h与L,h与V的关系式代入上式，并整理得TOC\o"1-5"\h\zowSdScSa'V2=b'-c'L2-d'L2/3SSS式中a'=卫江(牛)(Ac)2p00Lb'=申H+(申-p-1)hTwc'=0.153/(lh)2w0d'=2.84x10-3E(1+p)(型^)2/3lw将有关的数据代入，得0.051a=x(0.101x2.939x0.772)20.051a=x(0.101x2.939x0.772)2/11.92、675.3丿=0.01610.153b'=0.5x0.40+(0.5—0.65—1)x0.033=0.1621(1.92x0.029)2=49.35070.153d'=2.84x10-3x1x(1+0.65)x[丫3=0.8046I1.6丿故0.0161V2=0.1621—49.3507L2—0.8406L2/3sss在操作范围内，任取几个Ls依上式计算出V」十算结果列于表4。3表4。3液泛线Ls，m3/s00.00050。0010.00150。0020。00250.003Vs，m3/s3.1733.1213.0893.0623.0383.0152。992由上表数据即可作出液泛线根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图4.2所示在负荷性能图上，作出操作点A,连接OA,即作出操作线，由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为液漏控制，由上图查得V=5.9V=1.6S,maxS,min故操作弹性为

S，山ax==3.69V1.6S,min诫相负荷下舲诫相负荷下舲—渝相负荷上限线—线性離作性)图4。2筛板塔的负荷性能图将以上计算结果列于下表4.4表4.4筛板塔的主要结果汇总序号项目数值1平均温度t,°Cm95.052平均压力P,kPam9353气相流量Vs，(m3/s)0.8684液相流量L,,(m3/s)0.00135实际塔板数206有效段咼度乙m137塔径，m28板间距，m0。49溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长,m1.612堰咼，m0。03313板上液层高度，m0.0614堰上液层高度,m0。006315降液管管底隙高度，m0。033

续表序号项目数值16安定区宽度，m0.06517边缘区宽度，m0.03518开孔区面积，m22。00119筛孔直径，m0。00520筛孔数目1027221孔中心距，m0.01522开孔率，%10。123空塔气速，m/s1。10124筛孔气速，m/s4。2925稳定系数3。1626每层塔板压降，Pa35027负荷上限液泛控制28负荷下限液漏控制29液沫夹带eV，（kg液/kg气）0.0004830液相负荷上限,m3/s0.04431液相负荷下限，m3/s0。0010432操作弹性3.69第5章辅助设备计算5.1精馏塔接管5・1・1塔顶蒸气出口管的直径操作压力不大时，蒸气导管中常用流速为12〜20m/s,!~4v蒸气管的直径为忙£矿，其中mVd塔顶蒸气导管内径mV塔顶蒸气量m3/s，取u=12m/s，则VsmV=0.294d_：4x0.815=0.294V—3.14x12查表取申319.1x10mm5.1.2回流管的直径塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时，回流液靠重力自流入塔内，流速u可取0.2〜0.5Rm/so取u=0.5m/s，贝V回流管的直径dR:4dR:4x0.005\'3.14x0.5=0.113查表取弔193.7x5mm5o1.3进料管的直径采用高位槽送料入塔，料液速度可取u=0.4~0.8m/s，取料液速度u=0.8m/s，FF54611-48=0.0233m354611-48=0.0233m3/sVf3600x651.193.14x0.8进料管的直径：dF=4x0.0233=0.193查表取弔219.1x5mm5.1.4塔底出料管的直径一般可取塔底出料管的料液流速u为0o5〜1。5m/s,循环式再沸器取1o0~1.5wm/s，取塔底出料管的料液流速u为0.8m/s,贝V,塔底出料管的直径dw为:w

dw4L3.14x0.8皿udw4L3.14x0.8皿uF空連=0.183m查表取弔193.7x5mm5。1。5塔釜进气管当为了避免液体淹没气体通道，进口管应该安装在塔釜最高液面之上。本设计中采用直管，由于塔釜气体由泵打入，气速可以取20〜40,取气速u二40m/s,则:逊21逊21二0.171\3.14x40将其圆整至相应规格的管径为600mm,根据标准系列弔193.7x5mm。5.2人孔人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于进入任何一层塔板,由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设置过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求。一般每隔10〜20块塔板或5〜10m塔段，才设一个人孔；在气液进出口等须经常维修清理的部位，应增设人孔.本设计的塔中共20块板，需设置1个人孔；另外塔顶、塔釜各设一人孔，本设计中塔体共开3个人孔。根据HG21519-1995,本设计中采用垂直吊盖带颈平焊法兰非标准人孔，该人孔的尺寸突面RF型，公称压力PN二1.0MPa、公称直径DN二500mm，总质量m=154kg。人孔伸入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆，人孔法兰的密封面及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同，本设计也是如此。5.3裙座5.3o1裙座选材&3]常用的裙座材料为Q235—A・F和Q235—A。塔釜封头材料为低合金高强度钢、高合金钢。地脚螺栓一般用lCrl3钢，高塔可用A5或20号钢。当设计温度S-20°C、由风载或地震载荷控制的塔，应选用16Mn钢。本设计中裙座采用Q235—A，筒体及塔釜封头材料均用16MnR，地脚螺栓采用Q235-A钢。

5・3。2裙座的结构空塔体常用裙座支承，裙座结构有两种型式，一种是锥型，另一种是圆筒形•一般多采用圆筒形，裙座较其他支座（如支脚）的结构性能好，连接处产生的局部应力也小，所以它是塔设备的主要支座形式.为了制造方便，本设计中选用标准椭圆形封头，其结构如图5。1所示。图5。1中座体为圆筒，上端与塔体封头焊接，下端与基础环、筋板焊接，且开有人孔通道。基础环上筋板间还组成螺栓座的结构，用以安装地脚螺栓，以将塔设备固定在基础上。图5.1圆筒形裙座1—塔体；2—保温支承圈；3—无保温时排气孔；4—裙座筒体；5—人孔；6-螺栓座;7—基础环；8—保温时排气孔；9—引出管通道；10—排液孔1。座体座体的设计包括厚度计算、焊接结构等。2。座体厚度座体有效厚度厚度先确定为14mm，经过机械计算厚得出最终厚度为14mm，满足裙座的强度要求.3。裙座与塔体的连接裙座与塔体的连接采用焊接，焊接接头可采用对接接头和塔接接头两种.裙座直接

焊在塔釜封头上，可采用对接焊缝；裙座焊在壳体外侧的结构，采用塔接接头焊缝。本设计中裙座与筒体连接采用对接接头，上端内直径与标准椭圆封头内直径相等，故裙座筒体上端面至塔釜封头切线距离h二1000mm，如图52所示。裙座缺口[25]本设计中封头的直径较大，所以塔釜封头为拼焊成型，为增加封头和裙座的强度性能，防止因焊缝集中引起的应力集中，则裙座与塔体封头连接时,在封头拼焊焊接接头处的裙座应开有缺口。因为封头厚度§=14mm，所以经验和实际加工要求，缺口的尺寸为K=100mm、R=50mm。地脚螺栓地脚螺栓座结构采用外螺栓座结构形式。初步取地脚螺栓数目为32个，地脚螺栓尺寸经计算后得出为64mm.为便于安装，且考虑到混凝土基础的强度,地脚螺栓的间距为450mm.检查孔裙座体上必须开检查孔，方便检查，检查孔有圆形和长圆形两种。本设计中采用圆形检查孔，数量为2个•其尺寸为：直径D=600mm、M=250mm、中心高H=950mm。5。4封头高度采用标准椭圆封头，材料为20R钢，壁厚与塔体相同，即:=1000=1000mm5。4吊柱对于较高的室外无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，既经济又方便的一项设施，一般高度在15m以上的塔都应该设吊柱。本设计中塔高度大，因此设吊柱.吊柱设置方位应使吊柱中心线与人孔中心线见有合适的夹角，是人能站在平台上操作手柄，让经过吊钩的垂直线可以转到人孔附近,以便从人孔装入或取出塔的内件。5.4.1吊柱的选型吊柱的起吊载荷塔内零件的质量决定，根据塔径决定其回转半径，然后根据化工部标准HG/T21639《塔顶吊柱》吊柱的结构形式及主要参数标准即可选取。吊柱立柱为20#无缝钢管，其他各件采用A3和A3F，吊柱与塔连接的衬板与塔体材料相同。因设计塔径D=2000mm，可选用吊柱500kg，S=2800mm，L=5450mm，H=1450mm，材料为A3。5。4。2吊柱的结构图5.3图5.3吊柱结构1—下支座;2—防雨罩；3—挡销；4—上支座；5—止动插销；6—手柄;7—吊杆;8—吊环；9—吊钩；10-封板；

本设计中吊柱的结构选用化工部标准HG/T21639中最常用的一种吊柱，其由一根弯曲90°的钢管组成。如图5。3所示，这种吊柱的受力较好，一般起吊质量可达1000kg。吊柱的支撑是将吊柱套在焊于塔体的上、下支座内，支撑较牢固.吊柱结构如图5—3所示.其中吊钩的结构为U型，吊柱的下端为一椭圆封头。5.5精馏塔高度精馏塔有效高度：Z=8.9m有精馏塔塔顶与塔底气液分离空间分别去3m、5m，群座高度为3m，吊住高度为5.4m.所以壳体高度：Z=8.9+3+5=16。9m壳塔高：Z=21。3m第6章二甲醚精馏塔内件机械强度设计及校核6.1精馏塔筒体和裙座壁厚计算选用16MnR钢板，查表［20］得：［可t=170MPa焊接采用双面焊100%无损探伤检查,焊接接头系数申=1.00，则由筒体的计算厚度为：APDo=w20」却—pW0.97x20002x170x1—0.97mm查表［20］得C1=0.8mm,加上壁厚附加量C=2mm,并圆整，还考虑刚度、稳定性及多种载荷等因素,取筒体、封头和裙座的名义厚度Sn为8mm,则有效厚度0=0—C=8—2=6(mm)en应力校核：采用水压试验，试验压力为:=1.25x0.97x170=1.21170MPa压力试验时的薄膜应力p(D+0)O=Jie-T20e1.21x(2000+6)

bT==202.27MPa12x6查表9—^,16MnR的b=345MPas故o.9^b=0.9x1x345=310.5MPa>202.27MPa=osT所以满足水压试验要求。封头采用标准椭圆封头6.2精馏塔塔的质量载荷计算6。2.1塔壳和裙座的质量圆筒质量塔体圆筒总高度Z=14.9mm=—^D2-D2)Zp14in.0162-22)x14.9x7.85x103=5899.83kg46。2。2封头质量查的DN2000，壁厚8mm的椭圆形封头的质量为251kg，则m2=251x2=502kg6.2.3裙座质量圆筒裙座尺寸:D=2000mm，D=2016mmisosm=—(D2-D2)Hp34osiss钢兀=—(2.0162-22)x3x7.85x103=1187.88kg46。2.4吊住质量m4=500kg所以精馏塔壳体总质量：m=m+m+m=5899.83+502+1187.88+500=8089.71kg011236.2.5塔内构件质量塔盘单位质量为175.59kgm=175.59x20=3511.8kg026・2。6人孔、法兰、接管与附属物质量m=0.25m=0.25x8089.71=2022.43kga6.2。7保温材料质量m为封头保温层质量，查《化工工艺设计手册》选用硅酸钙制品，厚度为03150mmm03=—T(D+28)2-D2Hp+2m'034L0s0」0203=上x「(2.016+2x0.15)2-2.0162lx14.9x300+2x(0.587-0.398)x3004L」=4560.61kg

6・2。8平台、扶梯质量m=更「(D+25+2B)2-(D+25)2]x—nq+qH044L0s0s」2PFF=「(2.016+2X0.1+2X0.9)2—(2.016+2x0.1)2lx—x2x2x150+40x154L」2=3243.1kg式中：qp平台单位质量，为150kg/m?Hf扶梯高度，为15m；qF笼式扶梯的单位质量，为40kg/mn平台数量.6。2。9操作时塔内物料质量TOC\o"1-5"\h\z冗冗m=—D2HpNH—D2Hp+Vp054ILLP4i0LfL兀兀x22x0.06x14.9x675.3+x2x0.0371x675.3+0.868x11.9244=2737.65kg6。2。10充水质量兀cm——DHp+2VpW4i0wfwn—x22x14.9x1000+2x0.868x1000=48522kg4全塔操作质量m—m+m+m+m+m+m00102030405a—8089.71+3511.8+4560.61+3243.1+2737.65+2022.43—20065.3kg塔设备最小质量mminm—m+0.2m+m+m+mmin01020304a—8089.71+0.2x3511.8+4560.61+3243.1+2022.43—18618.21kg塔设备最大质量mmaxm—m+m+m+m+m+mmax01020304aw

=8089.71+3511.8+4560.61+3243.1+2022.43+48522=69949.65kg塔自振周期计算T1=90.33HmH

T1=90.33HmH

0ESD3eiX10-320065.3x21300=90.33X21.31.9x105x6x20003=0.41656.3地震载荷计算由表查得:amax0.45（设计地震烈度8级），Tg=0。3（2类场地土，近震）。max—g地震影响系数a1(0.3、0.9a地震影响系数a1(0.3、0.9amax<0.4165x0.45=0.3353结构综合影响系数CZ-0。5。213002000=10.65213002000=10.65确定危险界面，如附图.0-0截面为裙座基底截面，1-1截面为裙座人孔出截面，2-2截面为裙座与塔体焊缝处截面。计算危险截面的地震弯矩：0-0截面：M‘0-0=16CamgHE35Z1016=一X0.5X0.3353x20065.3x9.81x2130035=3.21x108N•mmM0-0=1.25M'0-0=1.25x3.21x108=4.013x108N•mmTOC\o"1-5"\h\zEE1-1截面:M'1-1=8Cz"1m0g(10H3.5-14H2.5h+4h3.5)图6。1精馏塔e175H2.58x0.5x0.3353x20065.3x9.81()=x\10x213003.5-14x213002.5x1000+4x10003.51175x213002.5=3.002x108N•mmM1-1=1.25M'1-1=1.25x3.002x108=3.753x108N•mmEE2—2截面：M'2-2=8Cza1m0g(10H3.5-14H2.5h+4h3.5)e175H2.5

8x0.5x0.3353x20065.3x9.81()二x110x213003.5一14x213002.5x2000+4x20003.5丿175x213002.5=2.791x108N-mmM2-2=1.25M'2-2=1.25x2.791x108=3.489x108N-mmEE6。4风载荷计算6.4.1风力计算(1)风振系数各计算塔段的风振系数由式K=1+匚“①zi计算。计算结果列于表6。1。2ifi表6。1风振系数塔段号12345计算截面距地面高度hit/m1471013脉动增大系数Z（B类）1.47脉动影响系数Vi（B类）0。720.720。720。720.72振型系数①zi0.0160。03750.4020.7531风压高度变化系数fi（B类）0.160.640.881。001。08匚V①K=1+iz^1。10581。0621.48351.79701.98002ifi（2）有效直径Dei设笼式扶梯与塔顶管线成90°角，取平台构建的投影面积ZA=0.5m2，则d取下列ei计算值中的较大者.D=D+25+K+KD=D+28+K+d+28TOC\o"1-5"\h\zeioisi34eioisi40ps式中，塔和管线的保温层厚度5=5=100mm,塔顶管线外径sips2XAd=862mm，K=400mm，K=—034li各塔段Dei计算结果列于表6.2。表6。2各塔段有效直径Dei塔段号123456塔段长度li100010002000300030003000K3400

K=2工A/'l4i00500333333333D377837784278411141114111ei(3)水平风力计算由下使计算各塔段的水平风力pi=KK12iqflDx10-6(N)；0iieiH厂Ft7-、/、、⑹,-T~f各段有大参数及计算结果列于衣6.3。表6.3各塔段水平风力计算结果塔段号123456K.10。7K2i1.0811。0921。2491。6162.1172.532q0/(N/m2)300f.10。640.81。01。231.391。52l/mm100010002000300030003000Dei/mm377837784278411141114111P./N1548.4644.62244。15147.97621.29967.76。4.2风弯矩计算风弯矩由下式计算:(l、l)l)/+i+1+pl+l+i+2|+・••+pl+l+l+•••+nIi2丿i+2(ii+12丿n、ii+1i+22丿M1-1=pl+Pwi2i+10—0截面:lM0-0=p-Tw122l\++•••+pl+l+l2丿l)~~62丿二548.4x竺2+644.6xf1000+'+2244.1x(2000\1000+1000+(2丿(3000\(2)+5147.9x+7621.2x(3000\(2)(3000、1000+1000+2000+3000+3000+一I2+9967.7x二2.16x1081—1截面:M1-1=P+Pw223fl+J}f+P\22丿41l122丿f3000、f3000)1000+2000++7621.2x1000+2000+3000+12丿2丿+5147.9x+9967.7x+2000]+2244.1x1000二644.6x竺‘1000+2000+3000+3000+3000=2.9x108N-mm2—2截面:=2.9x108N-mm2—2截面:lM2-2=P十w32fl\l+l+l+l+5+Pl+l(12342丿二2244.1x35002+5147.9x3500+7500\+7621.2xf7500\3500+7500+I2丿=3.75x108N-mmI2丿+9967.7xf3500+7500+7500+7500'6.5各种载荷引起的轴向应力6。5。1计算压力引起的轴向应力压力引起的轴向应力6为：b1=—=0.97x2000=80.83MPa114S4x6e6。5。2操作质量引起的轴向压应力0-0截面轴向压应力o2：m0-0gb0-0=02Am0-0gb0-0=02Asbm0-0ge—兀DSises1-1截面轴向压应力°2：mi-igbi-i=0——2Asmm1-1g—0—Asm(20065・3-341)x空=-3.84Mpa50441式中:A—

sm裙座人孔处截面的即积，由式得20065・3X9・81=-5.2MPa3.14x2000x6Asm40162-20002)=Asm2—2截面轴向压应力o2：m2-2gm2-2gb2-2=0=0—-2A兀DSsmie(20065・3-341-341)x9・81=-5.05Mpa3.14x2000x66.5.3最大弯矩引起的轴向应力最大弯矩Mi-i最大弯矩Mi-i取下式计算值中最大值：＜maxMi-imaxMi-imax=Mi-iw=Mi-i+0.25Mi-iEw计算结果如表6.4。表6。4最大弯矩引起的轴向应力截面0—01-12—2MM(N•mm)4.81x1084。54x1084.29x108各危险截面的b3计算如下:M0-0b0—M0-0b0—0=±max3Zsb±4.81x108xD2S4ises±4.81x108±0.785x20162x6=±26.3MPa=±34.83MPaM1-14.54x10=±34.83MPab1-1=±ma^=±——3Z0.785x16606000sm式中Z裙座人孔处截面的抗弯截面系数，由式得smZ=16606000mm3。sm

MPaM2-2M2-24.29X108MPaG2-2=+=+max=+=+22.783Z兀xdy0・785x20002x6xD2S4ie6。6筒体的强度与稳定性校核筒体危险截面2-2处的最大组合轴向拉应力Q2-2max组拉q2-2=q1+a2-2+a2-2=80.83-4.12+22.78=99.41MPaTOC\o"1-5"\h\zmax组拉23轴向许用应力：K[a]t©=1.2x132x0.85=134.64MPa因为Q2-2<K[q]tp，故满足强度条件。max组拉筒体危险截面2-2处的最大组合轴向压应力Q2-2:max组压Q2-2=q2-2+Q2-2=-4.12—22.78=-26.9MPamax组压23许用轴向压应力:[q]crKB]取其中较小值Kla]t按GB150《钢制压力容器》组合的规定，由0.094R..Sie0.0941150/6=0.00049取取[q]=60MPacr查相应的材料图得B=50MPa贝艸KB=1.2x50=60MPaK[Q]t=1.2x170=204MPa因为Q0-0max组压Q1-1max组压r.c故满足稳定性条件.第7章全厂平面布置7.1全厂平面布置的任务全厂平面设计为本设计的一项重要任务，总平面设计的是否合理，直接影响新建厂能否节约而有效的顺利进行，影响到建厂后的生产，管理，成本，能耗等各个方面,同时还影响到全厂的美观和今后的发展.总平面设计任务：在满足生产流程条件下，结合厂区地形情况经济合理的安排场内外各建筑物、构筑物、堆场等的相对位置；经济合理的竖向布置，正确选择标高；确定场内外运输方式、运输布置，合理组织人流、物流；布置综合管线；标高绿化美化，考虑卫生、消防条件，创造美好的工作条件。7.2全厂平面设计的原则全厂总平面设计的基本原则为建筑物之间相互配置应符合生产程序的要求，并能保证合理生产作业线；原材料、半成品、成品的生产作业线应衔接协调，流程疏通，避免交叉和往返；厂内一切运输系统布置应适合货物运转的特征，尽可能使货运路线和人员路线不交叉；适当划分厂区，建筑物之间的距离尽量缩小，但必须符合防火和卫生技术条件的要求；在保证安全生产的前提下力求缩小厂房战地面积，厂房布置尽量紧凑，根据生产的特点和设计拟建的工厂为中小型企业的情况，将工厂划分为几个区域,并按照区域进行布置，以保证各区域之间位置的协调配合，并符合卫生防疫和环境美化。7.3全厂平面布置内容全厂应主要包括厂前区、生产区、动力区、仓库区、三废处理区.

厂前区：包括行政楼、研发楼、职工食堂、医务室等主要建筑.生产区：应包括七大车间：原料车间、热电车间、造气车间、压缩车间、碳化车间、合成车间和尿素车间。还应有备件库、机修车间、消防车间等辅助车间。动力区：包括变电站、锅炉房等.他们尽量靠近其服务的车间。这样可以减少管路的铺设和运输过程的损耗。仓库区：应靠近主干道以便于运输。7。4全厂平面布置的特点平面布置有以下几个特点：厂房建筑物的布置与生产工艺流程相适应•原料、半成品和成品形成整个顺序，尽量保证流水作业，避免逆行和交叉；锅炉房、水泵房、配电站等辅助车间尽量靠近其主要部门，以缩短期间距离，节省投资；由前区到生产区主要干道，应避免与主要运输道路交叉；尽量使大多数厂房向阳、背风、避免瓦斯等，尽可能使各厂区有条件采用自然采光和自然通风等；按防火规范的要求，保证建筑物之间的距离，符合规定;根据卫生规范的要求，保证厂区内卫生符合规定；根据环境发展的要求，生产区设在有废渣处理系统、废水处理系统、废气处理系统等设施；考虑工厂今后的发展，在厂区留有建筑余地；尽量做到以生产区为轴线，再考虑辅助车间、行政楼和道路的安排。7.5全厂平面布置本设计中的设备主要有：反应器1个，精馏塔2个，缓冲罐2个，泵6个，各种换热设备共14个，回流槽2个，收集槽1个，闪蒸罐与蒸发器各1个。主设备有：反应器、精馏塔、缓冲罐、收集槽、闪蒸罐等.辅助设备有：换热设备、泵、回流槽、蒸发器。主要设备的布置主要设备在布置时，可以根据物料流程来放置，依次为：进料闪蒸罐、二甲醚反应器、二甲醚精馏塔进料缓冲罐、收集槽、二甲醚精馏塔、甲醇精馏塔、甲醇缓冲罐。辅助设备的布置1）泵本设计中有6个泵，而泵在运行过程中，产生的无论是噪音还是震动，都比较大。特别是产生的震动，对各种设备都具有一定的影响•所以，泵应尽量不要分散放置。

本设计中有6个泵，可以放置在一起。2）其他辅助设备对于各种换热设备如冷凝器等，可以根据物料的流程进行放置。放置时，各个管线不能纵横交错，要规则放置•同时，管线应尽量短，以减少费用。第8章总结讨论8.1设计主要完成任务1）二甲醚制取全过程的物料及能量衡算2）二甲醚精馏塔的选型计算3）辅助设备的计算4）二甲醚精馏塔塔内件机械强度设计及校核5）绘制PID图、PFD图、精馏塔装配图、车间布置图8。2设计过程的评述和有关问题的讨论本次设计制取二甲醚的方法选用了甲醇气相法，甲醇气相法制取二甲醚的优点：（1）生产二甲醚的原料可为精甲醇或粗甲醇，蒸汽消耗和生产成本较低.（2）二甲醚反应器是多段冷激式固定床，催化剂装填容量大，反应温度低，副反应少,装置易大型化。（3）采用先进塔器内件和分离工艺，回收效果好，流程简化，醇耗低。二甲醚的精馏采用的是筛板精馏塔，采用筛板精馏塔的原因主要是其具有结构简单，造价低，生产能力较大，气体分撒均匀，传质效率较高等优点，但也有操作弹性小、筛孔小易堵塞等缺点.由塔板负荷性能图可以看出，在本设计中的塔板的设计点在正常操作范围内，气液两相流量的变化对塔板效率影响不大，可以获得较理想的塔板效率。参考文献魏文德.有机化工原料大全(第二卷)[M]。北京：化学工业出版社。1989:177张正国.二甲醚(DME)生产技术及传统工艺优