设备设计与选型-2010

镇海炼化厂石油炼制尾气深度脱硫装置设计及年产7.5万吨甲硫醇项目设备设计与选型目录1反应器的设计11.1概述11.2反应器的基本类型与特点11.3硫化氢和甲醇反应过程的特点41.4反应器的确定71.5反应工艺条件的确定81.6反应器工艺设计101.7使用SW6-2011详细计算191.8反应器设备条件图302塔设备设计（以T304为例）322.1塔设备设计依据322.2塔型的选择322.3塔盘的类型与选择352.4塔设备的初步设计362.5Cup-Tower在塔盘工艺结构计算的运用572.6初步设计结果682.7塔机械工程设计702.8最终设计结果792.9设备设计条件图793储罐设计与选型823.1储罐设计依据823.2储罐类型823.3罐区设计的原则823.4原料储罐的设计选型833.5产品储罐的设计选型843.6回流罐的设计选型（V304回流罐为例）853.7混合罐的设计选型（以V101为例）863.8缓冲罐的设计选型（V301为例）864压缩机选型884.1选型依据884.2化工装置对压缩机的要求884.3化工常见压缩机的类型和特点894.4选项参数894.5压缩机的选型结果905泵的选型925.1概述925.2选用原则925.3典型化工用泵的特点和选用要求955.4选型过程（以P201为例）965.5泵选型结果976换热器996.1概述996.2分类与特性996.3换热器选型1026.3.1选型依据1026.3.2选型原则1026.4换热器的选型计算（以E104换热器为例）1076.5使用SW6-2011详细计算1176.6换热器选型结果1336.7设备设计条件图1347小结1351351反应器的设计1.1概述化学反应过程和反应器是化工生产流程中的中心环节，反应器的设计往往占有重要的位置。在反应器中发生的是传热、传质等物理过程和化学反应过程共同以及交互作用的结果。反应器是化工生产过程中一系列设备中的核心设备。化工技术过程开发的成功与否很大程度上取决于反应器内流体的温度、浓度、停留时间及温度分布、停留时间分布的控制水平和控制能力。化工生产的工艺过程决定了反应器的结构型式，反应器的结构型式对工艺过程又有一个促进和完善的作用，同时反应器的结构型式在某种程度上也决定着产品的质量和性能。由于化学反应的多样性，化学反应工程理论在实际应用方面尚处于发展之中，一个好的反应器设计往往较多地倚重研究实验工作。1.2反应器的基本类型与特点反应器大致可以分为釜式反应器、管式反应器、固定床反应器、流化床反应器。下面分析四种反应器的特点。1、釜式反应器反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。绝大多数用于有液相参与的反应。2、管式反应器管式反应器具有如下特点：（1）由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化；（2）管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应；（3）由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高；（4）管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产；（5）和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体；（6）管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应，用于加压反应尤为合适。3、固定床反应器固定床反应器有三种基本形式：（1）轴向绝热式固定床反应器。流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。（2）径向绝热式固定床反应器。流体沿径向流经床层，可采用离心或向心流动，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小。但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。以上两种形式都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。（3）列管式固定床反应器。由多根反应管并联构成。管内或管间填充催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在2550mm之间，管数可多达上万根。列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。4、流化床反应器流化床作为一种有效的反应器己被广泛地应用于催化反应、气固非催化反应、液-固和气-液-固反应以及物理操作过程。在流化床反应器内，由于固体小颗粒被气体或液体吹起，固体颗粒呈悬浮状态，可作上下左右剧烈运动，犹如沸腾的液体。流化床反应器有如下优点：（1）从对催化剂的要求来看，流化应采用小颗粒且粒度范围较宽的催化剂，可以消除内扩散阻力，催化剂的效能得到充分发挥；（2）传热上看，由于流化床可采用小颗粒催化剂(一般为0.010.5mm)，所以流体与催化剂颗粒的传热面积很大，加之催化剂颗粒的快速循环，使得催化剂之间，床层与反应器周壁以及浸泡在床层内换热器之间的给热系数增大。因此流化床反应器可以及时传递反应放出或需要的大量热量，使整个床层在近于等温条件下操作，易于控制；（3）从传质上看，由于催化剂颗粒与流体处于运动状态，其间的相界面不断更新，故传质系数较大，加之催化剂颗粒较小，每单位溶剂催化剂的表面积大，相接触面积大，即传质面积大，因此有利于传质；（4）从操作看，由于催化剂颗粒处于稳定的流动状态，所以催化剂可以连续装入和卸出，对于催化剂易失活反应，可使反应过程和催化剂再生过程连续化；（5）从生产规模上看，流化床传热传质性能好，设备结构简单，适用于大型化生产。但流化床也有一些缺点：（1）流体返混严重。由于催化剂颗粒与流体的返混，特别对于简单流化床来说，使得床内流体浓度接近出口浓度，即床内轴向无浓度差，其流动模型接近于理论返混，从而降低了反应推动，促进了副反应，使得反应收率低于固定床反应器；（2）气流状况不均，不少气体以气泡状态经过床层，气固接触效率不够有效；（3）由于催化剂颗粒间的相互剧烈碰撞，催化剂颗粒与器壁、内构件的磨擦，造成催化剂破碎增大，需设置旋风分离器等粒子回收系统，且对催化剂的耐磨性提出了较高的要求；（4）由于催化剂颗粒与设备的剧烈碰撞，易造成反应设备及管道的磨损，增大了设备消耗。几种反应器总结如下：表1-1反应器的总结反应器类型优点缺点固定床反应器转化率较高，工程化开发成熟活性逐渐衰减，产品分布不断变化，催化剂寿命较短流化床反应器温度均一，活性、产品分布稳定，易于大型化催化剂活性略低移动床反应器转化率较高，与固定床催化剂相当催化剂成型较难，工艺较复杂1.3硫化氢和甲醇反应过程的特点1、反应机理主要反应过程：CH3OH+H2S CH3SH+H2O2CH3OH+H2S CH32+H2O2CH3SH CH32+H2S以上3个反应是主反应，、为副反应，选用适当的催化剂和适宜的工艺条件可以减少副反应发生。反应以双分子亲核取代反应(Sn2)为主，其中CH3OH作为底物，H2S为亲核试剂，二者均参与整个反应，所以原料浓度大小影响整个反应速率。如图1-1所示，反应原料通人反应器中，在催化剂的作用下H2S离解出一SH，进攻底物CH3OH中发生SP3杂化的正碳离子，形成高能量不稳定的过渡态，此时C发生SP2杂化。随着过渡态CO键断裂和CS键形成，合成出目标产物CH3SH。图1-1 硫化氢甲醇合成甲硫醇反应历程2、工艺关键影响因素Sn2属二级反应，反应速率r=kCH3OHH2S。甲醇和硫化氢的浓度与活化能对反应速率均有很大影响，所以该工艺的研究，重点在增大反应物浓度和提高原料活化能。在一定浓度范围内，提高CH3OH和H2S浓度有利于反应的进行，但二者在高温高压下易燃易爆，实际生产中，反应器内CH3OH和H2S浓度过高存在很大安全隐患。因此，增大CH3OH和H2S浓度来提高反应速率受到限制。CH3OH中的OH碱性强，属难离去基团，自身不能或很难发生亲核取代反应。鉴于此，通常采取措施降低OH碱性，使其变为易离去基团。如对醇类进行质子化，或采用ZnCl2作为催化剂，使反应底物成为高反应活性的中间体RO+H：或RHO+ZnCl2。另外，因强酸的共轭碱属易离去基团，故通常还可使醇转化为酯，如磺酸酯和硫酸酯等。可见，使底物CH3OH中OH转变成易离去基团对硫化氢甲醇法合成甲硫醇工艺至关重要。与提高底物CH3OH的反应活性相比，增大H2S的亲核性能难度较大，且前人对H2S的活化研究相对较少。借助催化剂，H2S在催化作用下可随机失去一个H形成SH，SH相比H2S更易失去一个电子，亲核能力更强。可见，一SH的形成更有利于反应的进行。据介绍，钨系催化剂因原子表面对反应物分子具有强烈的吸附性能，在多相催化领域得到广泛的应用。H2、NH3、H2S等小分子气体可以在W表面发生快速离解吸附，脱H而形成带电基团。综上所述，选择一种可以同时提高CH3OH和H2S反应活性的高效催化剂是硫化氢甲醇法合成甲硫醇工艺的技术关键。3、甲硫醇的收率和选择性硫化氢和甲醇合成甲硫醇在K2WO4/Al2O3催化剂的作用下，甲醇转化率可达90%，甲硫醇最高收率为98%（通常控到在92%），甲硫醇的选择性在85%92%之间，副产品甲硫醚可以在催化剂作用下转化为甲硫醇。4、硫化氢和甲醇合成甲硫醇反应动力学硫化氢与甲醇反应方程式主反应：甲醇与硫化氢反应生成甲硫醇 副反应：甲醇与硫化氢反应生成甲硫醚 甲醇分子内脱水生成二甲醚 假设甲醇和硫化氢的反应过程中，忽略了少量的和生成，硫化氢的化学吸附解离，表面甲氧基化和甲硫醇的脱附快速发生的简化机理被假定。此外，还考虑水对催化剂表面的占据作用。在催化剂的作用下，甲醇的解离随着表面的甲氧基化而发生： （）是催化剂表面的最初活性位，是覆盖点，所得甲氧基与活化的反应形成甲硫醇： ()接下来，气相中的甲醇和甲硫醇在其它位置被活化,也与甲氧基反应，生成甲硫醚和二甲醚： （） （）在这个过程中形成的水是吸附在活性位，然后形成被水覆盖的活性位： （）（）相比于步骤（）和（），步骤() 、（）和（）是很慢的，可以近似为拟平衡状态。文献通过数学模型计算得出甲硫醇的动力学方程：rCH3SH=kCH3SHK1PH2SPCH3OHPH2O+K1PCH3OH+K5PH2O2（其中，）根据文献Kinetic Model of the Reaction of Mthanol with Hydrogen查出的动力学参数并将其进行单位换算得到以下参数kCH3SH=1.05810-12e-69750R1T-1633K1=1618.5e-3430R(1T-1633) K5=2.904710-3e-19490R1T-1633故最终整理得到的反应动力学方程式为：rCH3SH=1.05810-12e-69750R1T-16331618.5e-3430R(1T-1633)PH2SPCH3OHPH2O+1618.5e-3430R(1T-1633)PCH3OH+2.904710-3e-19490R1T-1633PH2O21.4反应器的确定1、反应方程式通过查阅文献和对反应机理的研究，在甲硫醇合成反应中主要发生以下反应：主反应：甲醇与硫化氢反应生成甲硫醇 副反应：甲醇与硫化氢反应生成甲硫醚 甲醇分子内脱水生成二甲醚 2、催化剂和反应器的确定目前硫化氢和甲醇反应的催化剂种类繁多，按催化剂组成成分可分为氧化物和硫化物催化剂；硅铝化合物和分子筛；负载型催化剂；其中氧化铝负载钨酸钾催化剂的活性最佳，为现阶段主要的工业催化剂，将活性组分在负载上，可以降低活性金属的使用率量，提高活性金属的分散度，同时增强催化剂的热稳定性。甲硫醇合成反应为强放热反应,而经过优化进料温度为400进料温度，为了减少反应器催化剂由于温升而造成的损失，并且充分利用反应放出的热量，故采用多段侧线进料的栅板反应器。栅板反应器允许在催化床层（栅板）之间直接计量进入气态和液态的甲醇、硫化氢或尤其是包含甲醇和硫化氢的初始气体混合物，其中在栅板释放的反应热直接加热侧线进料的反应原料，并且在进入下一个栅板之前，气体混合物的温度下降。结果是，可以降低反应放出的热量对催化剂床层的影响，使整个催化床层的温度分布均匀。通过栅板中更快速的进行催化剂交换，与管束反应器（带填充和排空的数千根管）相比，可以实现整个过程的经济性。因此，各个栅板的催化剂可以单独地交换。如果甲硫醇的合成中催化剂的失活取决于反应物的浓度并由此取决于位置或反应进度，这是极其有利的。而且，与此可以方便地在反应器中使用各种催化剂。同时，能改善催化剂床层的结焦、积碳，改变栅板的开闭方式，从而降低催化剂的装卸难度，保证催化剂的更换时间，确保安全、稳定、满负荷生产。1.5反应工艺条件的确定1、进料温度优化随着进料温度的升高，甲醇的转化率和甲硫醇的选择性大幅提高，但在400左右选择性的变化减缓，此时反应对温度的依赖性降低，由于硫化氢和甲醇的反应为强放热反应，为了避免催化剂床层温度过高，造成严重积碳等副反应，综合考虑，在保证甲硫醇选择性高的条件下选择反应器的进料温度为400。图1-2 进料温度优化2、压力优化通过模拟发现，甲醇的比例随反应器压力变化的趋势在800kpa时逐渐变缓，对于甲硫醇的合成反应以及甲硫醚的合成反应是体积不变的反应，增大体系的压力，会增大反应速率，缩短反应达到平衡的时间。综合经济因素和积碳等副反应的影响，最后确定反应器压力为1Mpa。图1-3压力优化3、甲醇进料量优化在硫化氢量不变的条件下，通过模拟不同量的甲醇进料，比较反应器的出口产品的相对含量。可以明显的看出，在加大甲醇量的同时，甲硫醇的量会有一个最大值，但是副产物甲硫醚的量也会一直呈增加状态。综合经济因素和积碳等副反应的影响，最后确定甲醇的进料量为（）。图1-4甲醇进料量优化具体进料方式如下表所示：表1-3 反应器的进料流量质量流量kg/h体积流量m3/h摩尔流量kmol/h密度kg/m3顶部1704254506.699侧线12556381756.699侧线234075091006.699侧线342596361256.699侧线451117631506.699侧线559058811736.6991.6反应器工艺设计来自原料（含硫尾气）预处理工段的高浓度H2S，下一工段的循环H2S和甲醇经预热混合后，分多股从侧线进入装有催化剂的栅板反应器。1、热量衡算甲硫醇合成反应的基本热力学数据表1-4 热量衡算物质fH0KJ/molfG0kJ/molH2S-20.63-33.44CH3OH-200.93-162.32CH3SH-22.90-9.80C2H6S-37.247.30C2H6O-184.10-112.802、物料衡算运用Aspen V7.2对反应器进行模拟，得出反应器进出口物料如下表：表1-5 物料衡算反应器进口反应器出口温度 440670压力 MPa1.00.97气相分率11摩尔流量 mol/h670.197670.272质量流量 kg/h22843.71722843.5296体积流量 m3/s1.0971.558质量分率H2S0.547159170.18895555CH3OH0.360668640.00285166CH3SH0.037160780.36256946C2H6S0.000204800.02244581C2H6O0.000792730.00042787H2O0.000330890.38116545MDEA6.1245e-081.7518e-08CO20.053673530.04156999CH44.2087e-068.942e-06C2H63.4504e-063.9111e-06C3H81.713e-061.3246e-063、反应器工艺计算（1）床层体积在反应器选型、催化剂选择、机理分析、动力学确定之后，选择催化剂稳定时的最佳操作条件，即进料温度400，压力1MPa，硫化氢和甲醇的摩尔比1.4的条件下，利用comsol反应工程模块进行模拟绝热反应器，模拟结果如下：图1-5 反应停留时间图1-6 催化剂床层体积由各物质摩尔速率随时间的变化可以看出，当反应时间为55s的时候，甲醇的转化率和甲硫醇的选择性已基本达到稳定。此后，再延长反应时间，主反应和副反应也没有很大的变化，故可取反应停留时间为55s。由于在comsol模拟时是以均相处理得到，因此无需再考虑催化剂床层的空隙体积，再由Aspen可知反应器进口的体积流率3727.97768，故求得反应器的催化床层体积：由于本项目采用的是多侧线进料的栅板反应器，故根据Aspen优化得到各床层直径和高度如下表：表1-6 反应器各床层尺寸床层序号床层直径 m床层高度 mm14.830024.835034.840044.845054.850064.855074.8600Asepn模拟的催化床层体积如下：可以看出由停留时间算出的催化剂床层的体积与comsol和Aspen模拟的结果基本一致。（2）催化剂装填高度由于甲硫醇的合成反应是在多段式固定床反应器中进行，已知u=0.006m/s空床截面积催化剂床层高度所以催化剂床层的总高度为3.3m甲硫醇合成反应器分为七段（第一段是0.3m，第二段0.35m，第三段0.4m，第四段0.45m，第五段0.5m，第六段0.55m，第七段0.6m）。段间是加入硫化氢和甲醇的混合气体。 圆整后，反应器催化剂的装填高度的高度为3.15m。（3）反应器体积催化剂一般装填整个反应器的50%60%，此处我们选取催化剂的装填系数为，所以催化床层的体积为考虑催化床层与催化床层之间的间距，所以反应器的体积为（4）空时（5）反应器直径圆整后，反应器的直径为4.8m。（6）床层压降式中：L床层高度；f摩擦系数；流体密度；dp催化剂颗粒的当量直径；b床层空隙率。所以床层压力降：反应器的压力为1Mpa，满足床层压力降一般不超过床层内压力的15%的要求。（7）反应器高度筒体顶部空间：根据压力容器手册， ；筒体底部空间：根据压力容器手册， ；由工艺计算中可知，床层高度L=3.15m。催化床层之间的间距：根据化工设备设计手册 则筒体长度为：。由以上可得：再考虑到椭圆形封头深度第一个固定床反应器高度为： 圆整后，反应器的高度为12m3、反应器的强度计算（1）筒体器壁厚度计算反应器壁厚计算式：式中：圆筒的计算厚度，mm；PC计算压力，即圆筒承受的最大流体压力，本操作压力为1MPa，忽略液柱静压力，取Pc=1.1Pw =1.11=1.1MPa；Di圆筒的内径，mm，取4800mm；t钢板的许用应力，MPa，取本操作温度为700，压力为1MPa，选用材料为F304# (板材)，查得许用应力为t=27MPa。腐蚀裕量为C2=2 mm，C1=0mm。所以反应器壁计算厚度为：反应器壁有效厚度度为 de =dn - C1- C2= 100.00mm反应器壁的名义厚度为 dn = 102.00mm（2）封头厚度计算反应器壁厚计算式：式中：圆筒的计算厚度，mm； K形状系数，取1PC计算压力，即圆筒承受的最大流体压力，本操作压力为1MPa，忽略液柱静压力，取Pc=1.1Pw =1.11=1.1MPa；Di圆筒的内径，mm，取4800mm；t钢板的许用应力，MPa，取本操作温度为700，压力为1MPa，选用材料为F304#(板材)，查得许用应力为t=27MPa。腐蚀裕量为C2=2 mm，C1=0mm。焊接街头系数，1，我们选取焊缝系数=1。所以反应器壁计算厚度为：反应器壁有效厚度为deh =dnh - C1- C2= 100.00取其名义厚度为102mm4、反应器附件设计（1）支座的设计支座采用裙座，裙座形式可分为圆筒形和圆锥行两种。考虑到本设计反应器为大塔，固采用圆锥形裙座，裙座与塔体的链接采用对接式焊接，裙座高度取4 m，裙座壁厚取20 mm，则基础环内径：基础环外径：因为反应器筒体大、高，需要在裙座内部设置梯子。地脚螺栓的结构选择外螺栓作结构形式，螺栓规格为M486，个数为32个。裙座上开设2个人孔方便检查，选择公称直径为600 mm的人孔（根据HG21515-95）。（2）接管设计反应物进口管反应物进口流量为=254 m3/h=0.07m3/s，取进口气速为u=35m/s，则管截面积为：管径为：通过查阅HG/T20553-2011化工配管用无缝及焊接钢管尺寸，DN=80mm。同理可得，所有侧线进料的管口表：表1-7 侧线进料管口表侧线1侧线2侧线3侧线4侧线5管口直径/mm808080100100产物出口产物出口流量为=5212m3/h=1.45m3/s，取出口气速为u=35 m/s，则管截面积为：管径为：通过查阅HG/T20553-2011化工配管用无缝及焊接钢管尺寸，采用无缝钢管，钢管公称直径DN=250mm（3）吊柱安装在室外，无框架的整体塔设备，为了安装及拆卸内件，更换和补充催化剂，往往在塔顶设置吊柱。甲硫醇合成反应器塔径为4800 mm，根据吊柱标准系列尺寸表，选用悬臂长度S=1700 mm，起吊重量G=500 kg的吊柱，标准为HG 1373-80-23。（4）法兰设计考虑到生产工艺的需要以及制造、运输、安装和检修的方便，压力容器的筒体与筒体、筒体与封头、管道与管道、管道与阀门之间常采用可拆的密封结构。由于螺栓法兰连接具有密封可靠、强度足够和适用尺寸范围宽等优点，在压力容器和管道上都能应用，所以应用最为普遍。螺栓法兰连接是通过连接螺栓压紧垫片而实现密封的。预紧时，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上，当垫片表面单位面积上所受的压紧力达到一定值时，垫片就发生弹性或塑性变形，填满法兰密封面上凹凸不平的间隙，从而为阻止介质泄漏形成了初始密封条件。法兰结构类型可分为松式法兰、整体法兰和任意式法兰三种，按照连接方式法兰连接种类可分为：板式平焊法兰、带颈平焊法兰、带颈对焊法兰、承插焊法兰、螺纹法兰、法兰盖、带颈对焊环松套法兰、平焊环松套法兰、环槽面法兰及法兰盖、大直径平板法兰、大直径高颈法兰、八字盲板、对焊环松套法兰等。法兰密封面可分为突面、凹凸面和榫槽面。法兰的结构形式和密封面形式可根据使用介质、设计压力、设计温度和公称直径等因素来确定。查标准JB/T 4701-2000甲型平焊法兰，公称压力PN=1.1MPa，公称直径DN=5200mm，则法兰标记为：法兰C-RF5200-1.1JB/T4701-2000。查标准压力容器用非金属软垫片（JB/T 4704-2000），选用垫片为平形的耐油橡胶石棉板，标记为：垫片5200-1.1JB/T 4704-2000。1.7使用SW6-2011详细计算表1-8 甲硫醇合成反应器圆筒设计立式搅拌容器校核计算单位重庆理工大学“火麒麟”团队筒体设计条件内筒设计压力pMPa1.1设计温度tC650内径Dimm4800名义厚度dnmm102材料名称F304#许用应力s137.571stMPa38.2压力试验温度下的屈服点s206钢材厚度负偏差C1mm0腐蚀裕量C2mm2厚度附加量CC1C2mm2焊接接头系数f1压力试验类型液压试验压力pTMPa1.5筒体长度Lwmm3610内筒外压计算长度Lmm封头设计条件筒体上封头筒体下封头夹套封头封头形式椭圆形椭圆形名义厚度dnmm102102材料名称F304#F304#设计温度下的许用应力stMPa2727钢材厚度负偏差C1mm00腐蚀裕量C2mm22厚度附加量CC1C2mm22焊接接头系数f11主要计算结果内圆筒体内筒上封头内筒下封头校核结果校核合格校核合格校核合格质量m kg4451320855.220855.2搅拌轴计算轴径mm备注表1-9 甲硫醇合成反应器圆筒体内压计算内筒体内压计算计算单位重庆理工大学“火麒麟”团队计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件筒体简图计算压力 Pc1.10MPa设计温度 t650.00 C内径 Di4800.00mm材料F304# ( 板材 )试验温度许用应力 s137.57MPa设计温度许用应力 st38.20MPa试验温度下屈服点 ss206.00MPa钢板负偏差 C10.00mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f1.00厚度及重量计算计算厚度d = = 70.12mm有效厚度de =dn - C1- C2= 100.00mm名义厚度dn = 102.00mm重量44513.02Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 1.5000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 185.40MPa试验压力下圆筒的应力sT = = 36.75MPa校核条件sT sT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力Pw= = 1.55918MPa设计温度下计算应力st = = 26.95MPastf38.20MPa校核条件stf st结论合格表1-10 甲硫醇合成反应器内筒上封头内压计算内筒上封头内压计算计算单位重庆理工大学“火麒麟”团队计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc1.10MPa设计温度 t650.00 C内径 Di4800.00mm曲面深度 hi1200.00mm材料F304# (板材)设计温度许用应力 st38.20MPa试验温度许用应力 s137.57MPa钢板负偏差 C10.00mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25Pc= 1.5000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 185.40MPa试验压力下封头的应力sT = = 36.38MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度dh = = 69.61mm有效厚度deh =dnh - C1- C2= 100.00mm最小厚度dmin = 7.20mm名义厚度dnh = 102.00mm结论满足最小厚度要求重量20855.21Kg压 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 1.57526MPa结论合格1-11甲硫醇合成反应器内筒下封头内压计算内筒下封头内压计算计算单位重庆理工大学“火麒麟”团队计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc1.10MPa设计温度 t650.00 C内径 Di4800.00mm曲面深度 hi1200.00mm材料F304# (板材)设计温度许用应力 st38.20MPa试验温度许用应力 s137.57MPa钢板负偏差 C10.00mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25Pc= 1.5000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 185.40MPa试验压力下封头的应力sT = = 36.38MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度dh = = 69.61mm有效厚度deh =dnh - C1- C2= 100.00mm最小厚度dmin = 7.20mm名义厚度dnh = 102.00mm结论满足最小厚度要求重量20855.21Kg压 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 1.57526MPa结论合格表1-12 甲硫醇合成反应器设备法兰校核窄面整体(或带颈松式)法兰计算计算单位重庆理工大学“火麒麟”团队设 计 条 件简 图设计压力 p1.100MPa计算压力 pc1.100MPa设计温度 t650.0 C轴向外载荷 F0.0N外力矩 M0.0N.mm壳体法兰材料名称F304#许用应力 38.2MPa材料名称F304#许用应力sf137.6MPastf64.0MPa材料名称NS336螺栓许用应力sb173.0MPastb132.0MPa公称直径 d B56.0mm螺栓根径 d 150.0mm数量 n90个垫片结构尺寸mmDi5200.0Do5500.0Db5350.0D外4860.0D内4800.0012.0Le75.0LA57.0h18.0118.0材料类型软垫片N30.0m2.00y(MPa)60.7压紧面形状1a,1bb9.80DG4840.4b06.4mm b= b0b06.4mm DG= ( D外+D内 )/2b0 6.4mm b=2.53b0 6.4mm DG= D外 - 2b螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷WaWa= bDG y = 9044527.0N操作状态下需要的最小螺栓载荷WpWp = Fp + F = 20897234.0 N所需螺栓总截面积 AmAm = max (Ap ,Aa ) = 158312.4mm2实际使用螺栓总截面积 AbAb = = 177039.8mm2力 矩 计 算操作MPFD = 0.785pc= 23349040.0NLD= L A+ 0.51= 66.0mmMD= FD LD= 1541036672.0N.mmFG = Fp= 655284.6NLG= 0.5 ( Db - DG )= 254.8mmMG= FG LG= 166965600.0N.mmFT = F-FD= -3117666.8NLT=0.5(LA + d1 + LG )= 164.9mmMT= FT LT= -514101024.0N.mm外压: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 内压: Mp = MD+MG+MTMp = 1193901184.0N.mm预紧 MaW = 29007960.0NLG = 254.8mmMa=W LG = 7391186944.0N.mm计算力矩 Mo= Mp 与Masft/sf中大者 Mo = 3438476032.0N.mm螺栓间距校核实际间距=186.8mm最小间距116.0(查GB150-2011表9-3)mm最大间距1561.6mm形状常数确定249.80h/ho=0.1K=Do/DI=1.0581.5由K查GB150-2011表9-5得T=1.892Z=17.847Y=34.334U=37.729整体法兰（查GB150-2011图9-3和图9-4）FI=0.90649VI=0.491760.00363松式法兰（查GB150-2011图9-5和图9-6）FL=0.00000VL=0.000000.00000d1/do得f=1.95790整体法兰=2759804.2松式法兰=0.079.8=fe+1=3.19g=y/T=1.693.92=81.53剪应力校核计算值许用值结论预紧状态0.00MPa操作状态0.00MPa输入法兰厚度f=604.0mm时,法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力49.01MPa=96.0或=95.5(按整体法兰设计的任意式法兰,取)校核合格径向应力0.09MPa=64.0校核合格切向应力60.68MPa=64.0校核合格综合应力=54.84MPa=64.0校核合格刚度系数0.239校核合格法兰校核结果校核合格1.8反应器设备条件图图1-8 反应器设备条件图2塔设备设计（以T304为例）在化工、石油化工及炼油中，由于炼油工艺和化工生产工艺过程的不同，以及操作条件的不同，塔设备内部结构形式和材料也不同。塔设备的工艺性能，对整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及“三废”处理和环境保护等各个方面，都有重大影响。因此，塔设备的设计和研究，对石油、化工等工业的发展起着重要的作用。2.1塔设备设计依据化工设备设计全书塔设备2003-5压力容器GB 150-2011塔式容器NB/T 47041-2014压力容器封头GB/T 25198-2010化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列HG/T 20553-2011钢制管法兰、垫片和紧固件HG/T 2059220635-2009补强圈JB/T 4736-20022.2塔型的选择1、两种塔型的区分塔主要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。（1）板式塔。塔内装有一定数量的塔盘，是气液接触和传质的基本构件；属逐级（板）接触的气液传质设备；气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层，使气液相密切接触而进行传质与传热；两相的组分浓度呈阶梯式变化。（2）填料塔。塔内装有一定高度的填料，是气液接触和传质的基本构件；属微分接触型气液传质设备；液体在填料表面呈膜状自上而下流动；气体呈连续相自下而上与液体作逆流流动，并进行气液两相的传质和传热；两相的组分浓度或温度沿塔高连续变化。表2-1填料塔和板式塔的比较项目填料塔板式塔塔径适宜于大小塔径的塔，但对大塔要解决液体再分布的问题一般推荐使用塔径大于800mm的大塔压力降压力较小，较适于要求压力降小的场合压力降一般比填料塔大空塔气速空塔气速较大空塔气速大塔效率分离效率高，塔径1.5m以下效率高，随着塔径增大，效率常会下降效率较稳定，大塔板效率比小塔板有所提高液气比对液体喷淋量有一定要求适用范围较大持液量较小较大安装检修较困难较容易材料可用非金属耐腐蚀材料一般用金属材料造价直径800mm以下，一般比板式塔便宜，直径增大，造价显著增加直径大时一般比填料塔造价低质量大较小2、选型时需要考虑的因素（1）若气相传质阻力大，宜采用填料塔；（2）大的液体负荷，可选用填料塔；（3）液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔；（4）操作弹性，板式塔较填料塔大，其中以浮阀塔最大，泡罩塔次之；（5）对于多数情况，塔径大于800mm，宜用板式塔，小于800mm时，则可用填料塔。但也有例外，鲍尔环及某些新型填料在大塔中的使用效果可优于板式塔；（6）一般填料塔比板式塔重；（7）大塔以板式塔造价较廉；（8）填料塔用于吸收和解吸过程，可以达到很好的传质效果，它具有通量大、阻力小、传质效率高等性能。因此实际过程中，吸收、解吸和气体洗涤过程绝大多数都使用填料塔。3、塔型选择一般原则选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、运转、维修等。（1）下列情况优先选用填料塔在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度；对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先选择真空操作下的填料塔；具有腐蚀性的物料，可选用填料塔。因为填料塔可采用非金属材料，如陶瓷、塑料等；容易发泡的物料，宜选用填料塔。（2）下列情况优先选用板式塔：塔内液体滞液量较大，操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，操作易于稳定；液相负荷较小；含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大的塔板，堵塞的危险较小；在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要在塔内设置内部换热组件，如加热盘管，需要多个进料口或多个侧线出料口。这是因为一方面板式塔的结构上容易实现，此外，塔板上有较多的滞液以便与加热或冷却管进行有效地传热；在较高压力下操作的精馏塔仍多采用板式塔。综合考虑，本项目T304产品精制塔塔型初步采用板式塔。2.3塔盘的类型与选择根据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式和溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求，迄今已开发和使用的塔板类型繁多。这些塔板各有各的特点和使用体系，现将几种主要塔板的性能比较列表如下：表2-2几种主要塔板的性能比较塔盘类型优点缺点适用场合泡罩板较成熟、操作稳定结构复杂、造价高、塔板阻力大、处理能力小特别容易堵塞的物系浮阀板效率高、操作范围宽浮阀易脱落分离要求高、负荷变化大筛板结构简单、造价低、塔板效率高易堵塞、操作弹性较小分离要求高、塔板数较多舌型板结构简单、塔板阻力小操作弹性窄、效率低分离要求较低的闪蒸塔浮动喷射板压降小、处理量大浮板易脱落、效率较低分离要求较低的减压塔