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[摘要]本文设计的主要内容是掌握脱C4的作用及工艺流程，根据温度、压力、流量等操作参数对脱C4塔的结构进行设计，确定出塔的主要尺寸，并对塔的强度和稳定性進行校核，同时要对塔的辅助设施和附件进行设计。
[关键词]精馏塔 物料衡算 强度计算 辅助结构
中图分类号：TH162
一、MTBE生产的工艺流程
用甲醇和含有异丁烯的C4馏分为原料，在催化剂作用下合成MTBE的工艺生产过程基本相似。所不同之处在于，一是因反应器不同，物料流向也不相同；二是反应热移走的方式不同，故流程也有所不同。但主要的两个部分都是必须的，即：
1、反应部分，不论采用哪一种反应器，都必须根据需要，控制适当的醇烯比，以达到所要求的异丁烯转化率；
2、分离回收部分，它的主要任务是将反应所得到的MTBE产品进行提纯，回收未反应的C4馏分中的过量甲醇并循环使用。在工业生产上，因原料不同或对产品的要求不同，在工业流程上有一反三塔、两反三塔等方式。
二、精馏塔的物料衡算
1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率
（1）C4的摩尔质量 MA=56 kmol/h
MTBE的摩尔质量 MB=88 kmol/h
则原料液及塔顶、塔底产品中C4（易挥发组分）的含量：
式中 ——原料液中易挥发组分的摩尔分数；
——馏出液中易挥发组分的摩尔分数；
——釜残液中易挥发组分的摩尔分数。
（2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
（3）原料处理量
总物料衡算
其中 F——原料液流量，kmol/h；
D——塔顶产品流量，kmol/h；
W——塔底产品流量，kmol/h；
C4物料衡算
联立解得
2、塔板数的确定
（1）取操作回流比为3，
则精馏塔的气、液相负荷：
式中 L——精馏段中下降液体的摩尔流量，kmol/h；
L’——提馏段中下降液体的摩尔流量，kmol/h；
V——精馏段中上升蒸汽摩尔流量，kmol/h；
V’——提馏段中上升蒸汽摩尔流量，kmol/h。
（2）求操作线方程：
精馏段操作方程为
提馏段操作方程为
由化工原理中的逐板计算得，
理论板数为 （包括再沸器）
进料板位置
精馏段实际塔板数为
提馏段实际塔板数为
三、塔的结构设计
1、塔径及封头的选择
根据工艺设计选取Di=1200mm，上下封头均采用标准椭圆封头。
其中：Di—塔的内径，mm。
2、确定抽出管口尺寸
根据液体和气体在管中流速，则管线直径尺寸计算如式（3-1）：
mm
对于输送液体管线
G—重量流率； —液体重度，kg；V—气体比容。
参考大庆石化公司同类设备尺寸，各侧线产品出口、中段回流入口、各关口尺寸确定见表3-1 。
表3-1管口尺寸表
名称 公称直径Dn，mm 伸出高度，mm
进再沸器口 150
再沸气体入口 200
塔顶气体出口 200 200
回流入口 80 200
进料口 80 200
塔底液相抽出口 50 150
3、塔高的设计
塔的顶部空间高度Ha（塔的顶部空间是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头切线的距离）取Ha=4500mm；吊柱高度（指的是吊柱顶端到上封头切线的高度）Hd=2298mm；
塔的主体高度Hz；
21层距离为H1=350 mm的塔盘，25层距离为H2=800mm的塔盘，人孔所在两边塔盘间距为H3=600 mm，液面控制口距底部第一块塔盘距离为H4=900 mm，取塔底高度Hb=2.5m；
考虑塔底抽出管线所占空间，取群座高度为Hc =5.5m。
则：
Hz=25 H1+24 H2+3 H3+ H4
H= Hd+ Ha+ Hz+ Hb+ Hc
式中 Hz — 塔的主体高度，mm；
H — 塔的总高，mm；
H1 — 其中21层塔盘之间的距离，mm；
H2 — 其中25层塔盘之间的距离，mm；
H3 — 人孔所在两边塔盘的距离，mm；
H4 — 液面控制口距底部第一块塔盘的距离，mm。
四、塔壳强度计算
塔壳、裙座壳和封头材料选用16MnR
1、下段圆筒及下封头
圆筒：
mm
式中： δe — 圆筒壁厚，mm。
下封头： h
mm
式中： δh— 圆筒壁厚，mm。
2、上段圆筒及上封头
圆筒：
mm
上封头：
mm
壁厚附加量：C=C1+C2
其中：C1=钢板负偏差，取0；
C2=腐蚀余量，内径为1200mm取3mm；
即：C=0+3=3 mm
考虑高塔具有振动、运输、刚度等问题，塔壳厚度分别取12mm，裙座厚度取12mm。
五、辅助结构设计
1、人孔
在炼油装置塔器中，当油晶不断清洁时，每隔6～8块隔板外设一个人孔，当油品赃物需经常清理时，每隔3～4块隔板外设一个人孔，凡有人孔处塔板间距应等于或大于600mm，人孔的中心距操作平台一般为800mm～1200mm，人孔直径一般为450mm～550mm，特殊的也有长方形的人孔，人孔伸出塔器筒体长度为200mm～250mm。
根据以上实际经验和本装置的实际情况，开设人孔的位置如下：
1#人孔位于第48层塔板；
2#人孔位于第34层塔板；
3#人孔位于第23层塔板；
4#人孔位于第12层塔板；
5#人孔位于塔底。
2、吊住
吊柱属于标准件，在选用吊柱时应考虑以下几个问题：
（1）吊柱的吊装能力，由于吊柱用于吊装塔板内件，该吊柱的起重为500kN；
（2）应保证操作平台距书柄的距离在1.5m以内；
（3）应注意吊装吊起空间，即保证每个被吊起的塔盘内件能通过每个人孔进入塔内，该吊杆长6.4m；
（4）在吊柱的球面支撑设置防水器。
结论
塔设备是石油化工生产中最重要的设备之一，本次通过对2万吨/年MTBE装置脱C4分馏塔的工艺、结构、强度的设计计算，可以得出如下结论
1、通过结构设计得到了分馏塔的主要尺寸：塔高，塔径以及相应的进料和出料管线的尺寸等。
2、通过强度计算对分馏塔的壁厚进行设计，以及轴向应力校核、水压试验下的应力校核，设计结果满足强度要求。
参考文献
[1] 马旭之，马润宇，王松汗，谢立凡．碳四碳五烯烃工学[M]．北京：化学工业出版社，1998：73～81．
[2] 夏清，陈长贵．化工原理（下）[M]．天津：天津大学出版社，2005：157～177．
[关键词]精馏塔 物料衡算 强度计算 辅助结构
中图分类号：TH162
一、MTBE生产的工艺流程
用甲醇和含有异丁烯的C4馏分为原料，在催化剂作用下合成MTBE的工艺生产过程基本相似。所不同之处在于，一是因反应器不同，物料流向也不相同；二是反应热移走的方式不同，故流程也有所不同。但主要的两个部分都是必须的，即：
1、反应部分，不论采用哪一种反应器，都必须根据需要，控制适当的醇烯比，以达到所要求的异丁烯转化率；
2、分离回收部分，它的主要任务是将反应所得到的MTBE产品进行提纯，回收未反应的C4馏分中的过量甲醇并循环使用。在工业生产上，因原料不同或对产品的要求不同，在工业流程上有一反三塔、两反三塔等方式。
二、精馏塔的物料衡算
1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率
（1）C4的摩尔质量 MA=56 kmol/h
MTBE的摩尔质量 MB=88 kmol/h
则原料液及塔顶、塔底产品中C4（易挥发组分）的含量：
式中 ——原料液中易挥发组分的摩尔分数；
——馏出液中易挥发组分的摩尔分数；
——釜残液中易挥发组分的摩尔分数。
（2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
（3）原料处理量
总物料衡算
其中 F——原料液流量，kmol/h；
D——塔顶产品流量，kmol/h；
W——塔底产品流量，kmol/h；
C4物料衡算
联立解得
2、塔板数的确定
（1）取操作回流比为3，
则精馏塔的气、液相负荷：
式中 L——精馏段中下降液体的摩尔流量，kmol/h；
L’——提馏段中下降液体的摩尔流量，kmol/h；
V——精馏段中上升蒸汽摩尔流量，kmol/h；
V’——提馏段中上升蒸汽摩尔流量，kmol/h。
（2）求操作线方程：
精馏段操作方程为
提馏段操作方程为
由化工原理中的逐板计算得，
理论板数为 （包括再沸器）
进料板位置
精馏段实际塔板数为
提馏段实际塔板数为
三、塔的结构设计
1、塔径及封头的选择
根据工艺设计选取Di=1200mm，上下封头均采用标准椭圆封头。
其中：Di—塔的内径，mm。
2、确定抽出管口尺寸
根据液体和气体在管中流速，则管线直径尺寸计算如式（3-1）：
mm
对于输送液体管线
G—重量流率； —液体重度，kg；V—气体比容。
参考大庆石化公司同类设备尺寸，各侧线产品出口、中段回流入口、各关口尺寸确定见表3-1 。
表3-1管口尺寸表
名称 公称直径Dn，mm 伸出高度，mm
进再沸器口 150
再沸气体入口 200
塔顶气体出口 200 200
回流入口 80 200
进料口 80 200
塔底液相抽出口 50 150
3、塔高的设计
塔的顶部空间高度Ha（塔的顶部空间是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头切线的距离）取Ha=4500mm；吊柱高度（指的是吊柱顶端到上封头切线的高度）Hd=2298mm；
塔的主体高度Hz；
21层距离为H1=350 mm的塔盘，25层距离为H2=800mm的塔盘，人孔所在两边塔盘间距为H3=600 mm，液面控制口距底部第一块塔盘距离为H4=900 mm，取塔底高度Hb=2.5m；
考虑塔底抽出管线所占空间，取群座高度为Hc =5.5m。
则：
Hz=25 H1+24 H2+3 H3+ H4
H= Hd+ Ha+ Hz+ Hb+ Hc
式中 Hz — 塔的主体高度，mm；
H — 塔的总高，mm；
H1 — 其中21层塔盘之间的距离，mm；
H2 — 其中25层塔盘之间的距离，mm；
H3 — 人孔所在两边塔盘的距离，mm；
H4 — 液面控制口距底部第一块塔盘的距离，mm。
四、塔壳强度计算
塔壳、裙座壳和封头材料选用16MnR
1、下段圆筒及下封头
圆筒：
mm
式中： δe — 圆筒壁厚，mm。
下封头： h
mm
式中： δh— 圆筒壁厚，mm。
2、上段圆筒及上封头
圆筒：
mm
上封头：
mm
壁厚附加量：C=C1+C2
其中：C1=钢板负偏差，取0；
C2=腐蚀余量，内径为1200mm取3mm；
即：C=0+3=3 mm
考虑高塔具有振动、运输、刚度等问题，塔壳厚度分别取12mm，裙座厚度取12mm。
五、辅助结构设计
1、人孔
在炼油装置塔器中，当油晶不断清洁时，每隔6～8块隔板外设一个人孔，当油品赃物需经常清理时，每隔3～4块隔板外设一个人孔，凡有人孔处塔板间距应等于或大于600mm，人孔的中心距操作平台一般为800mm～1200mm，人孔直径一般为450mm～550mm，特殊的也有长方形的人孔，人孔伸出塔器筒体长度为200mm～250mm。
根据以上实际经验和本装置的实际情况，开设人孔的位置如下：
1#人孔位于第48层塔板；
2#人孔位于第34层塔板；
3#人孔位于第23层塔板；
4#人孔位于第12层塔板；
5#人孔位于塔底。
2、吊住
吊柱属于标准件，在选用吊柱时应考虑以下几个问题：
（1）吊柱的吊装能力，由于吊柱用于吊装塔板内件，该吊柱的起重为500kN；
（2）应保证操作平台距书柄的距离在1.5m以内；
（3）应注意吊装吊起空间，即保证每个被吊起的塔盘内件能通过每个人孔进入塔内，该吊杆长6.4m；
（4）在吊柱的球面支撑设置防水器。
结论
塔设备是石油化工生产中最重要的设备之一，本次通过对2万吨/年MTBE装置脱C4分馏塔的工艺、结构、强度的设计计算，可以得出如下结论
1、通过结构设计得到了分馏塔的主要尺寸：塔高，塔径以及相应的进料和出料管线的尺寸等。
2、通过强度计算对分馏塔的壁厚进行设计，以及轴向应力校核、水压试验下的应力校核，设计结果满足强度要求。
参考文献
[1] 马旭之，马润宇，王松汗，谢立凡．碳四碳五烯烃工学[M]．北京：化学工业出版社，1998：73～81．
[2] 夏清，陈长贵．化工原理（下）[M]．天津：天津大学出版社，2005：157～177．