4-4 泵与其他设备选型设计

2017年“东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛云天化合成氨装置废气深度脱硫资源化利用项目泵与其他设备选型设计团队名称： 碣石观沧海团队 团队成员：叶阳 曾伟 邵青楠 崔怡洲 王奥诚指导老师： 黄星亮 邓春 孟祥海 杜巍 徐建 2017年8月云天化合成氨装置废气深度脱硫资源化利用项目目 录目 录.1第一章 泵选型31.1泵选型原则31.2具体泵的选型51.3 P0101选型51.4新型屏蔽泵的应用81.5选型结果一览表9第二章 压缩机选型102.1选型依据102.2压缩机类型及特点102.3选型原则112.4 C0201选型112.5选型结果一览表12第三章 气液分离器的设计133.1设计依据133.3设计步骤133.3.1气体流速(uG)的确定133.3.2计算方法133.3.3尺寸设计143.3.4高度143.3.5接管直径153.3.6丝网装配163.4 V0301气液分离器设计163.4.1分离器类型的选择163.4.2立式重力分离器的尺寸设计173.5选型结果一览表18第四章 储罐及回流罐的选型194.1选型依据194.2概述194.3甲醇储罐的选型204.3.1甲醇的基本性质204.3.2工艺要求204.3.3选型结果204.4 T0303塔回流罐的选型214.4.1工艺要求214.4.2选型结果214.5选型结果一览表21第一章 泵选型泵是一种对液体增压从而达到输送液体的机械，它把原动机的机械能转换成 液体的能量。泵属于通用机械，在国民经济各部门中用来输送液体的泵种类繁多，用途很广,如水利工程、农田灌溉、化工、石油、采矿、造船、城市给排水和环境工程等。另外，泵在火箭燃料供给等高科技领域也得到应用。为了满足各种工作的不同需要，就要求有不同形式的泵。特别在炼油化工生产中，不仅数量大，种类多，而且因其输送的介质往往具有腐蚀性，或其工作条件要求高温、高压等，所以对泵有一些特殊的要求，这些泵往往比一般的水泵复杂。在各种泵中，尤以离心泵应用最为广泛，因为它的流量、扬程及性能范围均较大，并且具有结构简单、体积小、重量轻、操作平稳、维修方便等特点。1.1 泵选型原则在对泵进行选型时，应该主要考虑下述因素：（1）输送介质的物理化学性能：针对待输送的流体理化性质而选择合适的泵，对输送易燃、易爆有毒或贵重介质的泵，要求轴封可靠或采用无泄漏泵，如磁力驱动泵、隔膜泵、屏蔽对输送腐蚀性介质的泵，要求对流部件采用耐腐蚀性材料，如AHF氟塑料合金化工离心耐腐蚀泵，WPB屏蔽泵等。对输送含固体颗粒介质的泵，要求对流部件采用耐磨材料，必要时轴封采用清洁液体冲洗。所以尤其要考虑流体的腐蚀性、结垢性、挥发等因素。（2）现场条件：包括泵的安装位置（室内、室外），环境温度，相对湿度，大气压力、大气腐蚀状况及危险区域的划分等级条件。（3）工艺参数： 工艺参数是泵选型的最重要依据，应根流程和操作变化范围慎重确定。（a）流量Q是指工艺装置生产中，要求泵输送的介质的量，一般应给出正常、最小和最大流量。泵数据表上往往只给出正常和额定流量。选泵时，要求额定流量不小于装置的最大流量，或取正常流量的1.11.15倍。（b）扬程H指工艺装置所需的扬程值，也称计算扬程。一般要求泵额定扬程为工艺装置所需的扬程的1.051.1倍（c）进口压力Ps和出口压力Pd指进、出口压力泵进出接管法兰的压力，进出口压力的大小影响到壳体的耐压和轴封装置。（d）温度T指泵的进口介质温度，一般应给出工艺过程中泵进口介质的正常、最低和最高温度。（e）装置的汽蚀余量NPSHA。（f）操作状态分连续操作和间歇操作两种。本工艺中大部分泵处于连续操作状态。（4）机械维修方面：机械方面要求可靠性高、噪声低、振动小。离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。（5）经济方面：在经济上主要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。（6）装置系统的管路布置：条件指的是送液高度、送液距离、送液走向，吸入侧最低液面，排出侧最高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数量等，以便进行系统扬程计算和汽蚀余量的校核。（a）泵体不宜承受进出口管道和阀门的重量，故进泵前和出泵后的管道必须设置支持装置，尽可能做到泵移走时不设临时支架。（b）吸入管道应尽可能短，少拐弯，并避免突然缩小管径。（c）吸入管道的直径不应小于能的吸入口。采用的泵的吸入口为垂直方向，可配置同心异径管。（d）为防止泵停时物料倒冲，泵的排出管上应设止回阀。止回阀应设在切断阀之前，停车后将切断阀关闭，以免止回阀阀板长期受压损坏。（7）操作条件：内容很多，如液体的操作T、饱和蒸汽力P、吸入侧压力PS（绝对）、排出侧容器压力PZ、海拔高度、环境温度操作是间隙的还是连续的、泵的位置是固定的还是可移的。1.2 具体泵的选型（1）离心泵的工艺参数H：泵的有效压头，即单位量液体在重力场中从泵获得的能量，m；Q：泵的实际流量，m3/s；：液体密度, kg/m3；Ne：泵的有效功率，即单位时间内液体从泵处获得的机械能，W。有效功率可写成Ne = QHg由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率，以N 表示。有效功率与轴功率之比定义为泵的总效率，即=Ne/N。（2）泵选型方法将所需要的流量QV和扬程H画到该形式的系列型谱图上，看其交点M落在哪个切割工作区四边形中，即可读出该四边形内所标注的离心泵型号。如果交点M不是恰好落在四边形的上边线，则选用该泵后，可应用切割叶轮直径或降低工作转速的方法改变泵的性能曲线，使其通过M点。这就应从泵样本或系列性能表中查出该泵的泵性能曲线，以便换算。如果交点M并不落在任一个工作区的四边形中，这说明没有一台泵能满足工作要求。在这种情况下，可适当改变泵的台数或改变所需要的流量和扬程（如用排出阀调节）等来满足要求。（3）泵的选择本工艺由于输送流体特殊，具有较强的腐蚀性或者具有毒性，所以在对泵进行选型时，需要特别注意泵的抗腐蚀性还有密封性能。所以在此次泵的选择中，我们选取了密封性好同时耐腐蚀的CZ型卧式单级单吸悬臂式离心泵以及IHF型单级单吸式氟塑料合金化工离心泵。对于甲醇、甲硫醇以及二甲硫醚等有毒液体采用WPB型屏蔽泵进行流体输送。1.3 P0101选型表1-1 P0101进出口数据物料参数入口出口质量流量kg/hr34499.8134499.81体积流量l/min589.7613589.8748温度112.7113.1压强atm1.39.8蒸汽分率00焓cal/mol-74259.56-74245.97由管路特性计算管路所需扬程为，扬程安全系数取1.1，则计算所需扬程为。流量安全系数取1.1，设计流量为。通过选泵软件对泵进行选型，由于MDEA贫液具有一定的腐蚀性，所以泵的材料选择不锈钢，运用中联泵选型软件，选型步骤如下：图1-1 选泵主要参数输入选泵软件推荐使用CZ40-315型泵，CZ型流程泵是卧式单级单吸悬臂式离心泵，其尺寸符合DIN24256/IS02858标准。CZ型泵可输送低温或高温液体、中性或有腐蚀性液体、清洁或内含固体颗粒的液体，可广泛适用于化工、化肥、石油、冶金、电力、造纸、食品、制药、合成纤维等工业部门。表1-2 CZ40-315型泵主要参数额定参数：额定流量(m3/h)46.5额定扬程(m)142额定效率(%)50轴功率(kW)36汽蚀(m)4叶轮最大外径324(mm)转速(rpm)2900介质：介质温度（）-80+300电机：电机功率(kW)45kW电机型号Y225M-2结构尺寸：叶轮转向顺时针进出口口径尺寸类型DN进口口径65出口口径40其他：重量(kg)564图1-2 曲线性能图图1-3 CZ40-315型泵实物图 图1-4 CZ40-315型泵结构图图1-5 CZ40-315型泵安装尺寸图所以，P0101泵选用CZ40-315型泵，单台工作，一台备用。1.4 新型屏蔽泵的应用为了保证装置运行的安全性、输送机械的低能耗以及维修的低成本少人力，本项目所用泵通过市场调查决定采用上海奥一泵业制造有限公司所生产的新型卧式屏蔽泵。屏蔽泵因能保证完全不泄漏，故可输送对人体和环境、设备有害的及价格昂贵的易泄漏的液体。该型泵叶轮采用先进的水力模型，具有效率高，性能好等特点。该屏蔽泵电机无冷却风扇，故运行噪音和振动都非常小，且电机顶部设有自动排气阀，当水泵使用时只要打开进水阀门松开排气阀边上的气嘴，泵体及电机内的空气就会自动从电机顶部的自动排气阀内自动排出，排气后又会自动立刻关闭，不会使介质流出泵外，能确保水泵的正常运行，而且在使用过程中，管道内如有空气进入，它都能自动将其排出，该功用使泵在使用过程中都无需专人经常去打开阀门排气，极大的降低了正常使用成本与人力。1.5 选型结果一览表根据上述选型方法，结合本厂工艺中的实际流体输送任务，综合考虑经济成本，借助于智能选泵软件对车间中的流体输送机械的选择如表1-3所示：表1-3 泵选型结果序号位号泵型号流量(m3/h)扬程H(m)输送介质工作方式功率(kW)1P0101CZ40-31535.39113.20MDEA混合液单台工作45.002P0102IHF40-32-125A(2900)5.0017.30MDEA混合液单台工作0.543P0103CZ50-16041.5022.86MDEA混合液单台工作3.594P0104CZ50-16040.2225.70MDEA混合液单台工作3.955P0105IHF40-32-125A(2900)6.5417.30MDEA混合液单台工作0.706P0106IHF32-25-160A(2900)3.5217.30MDEA混合液单台工作0.467P0301WPB32-200B3.2775.22甲醇两台串联1.5028P0302WPB65-250B/223.9154.20甲硫醇混合液单台工作11.009P0303WPB50-200A7.6677.01甲醇-水两台串联4.00210P0304WPB50-1607.4521.80甲硫醇-二甲硫醚单台工作3.0011P0305WPB32-1254.0916.60甲醇-水单台工作0.7512P0306WPB40-160A6.5617.50甲醇-水单台工作1.50注：P0301-P0306为卧式不锈钢屏蔽泵，每泵均备用一台。第二章 压缩机选型压缩机是用来压缩气体借以提高气体压力的机械，也称为“压气机”或“气泵”，一般提升压力小于0.2MPa时称为鼓风机，提升压力小于0.02MPa时称为通风机。根据压缩气体的原理，压缩机可分为“容积式”和“动力式”两类。压缩机的种类和形式很多，不同压缩机的结构和特点差别巨大，因而其适用的场合、性能、造价、尺寸重量等指标也相差甚远。2.1 选型依据化工工艺手册 2009化工设备设计手册 2004化工设备设计 20112.2 压缩机类型及特点表2-1 压缩机类型及特点比较类型特点往复式压缩机 适用于中小气量，进气流量约18000m3/h以下；大多采用电动机拖动，一般不调速；气量调节通过补助容积装置或顶开进气阀装置，功率损失较大；压力范围广泛，尤其适用于高压和超高压；性能曲线陡峭；气量基本不随压力的变化而变化；排气不均匀，气流有脉动；绝热效率高，；机组结构复杂，外形尺寸和质量大；易损件多，维修量大。离心式压缩机 适用于大中气量；要求介质为干净气体；高转速时常采用汽轮机或燃气轮机组推动；气量调节常通过调速实现；功率损失小；压力范围广泛，适用于高中低压；性能曲线平平坦，操作范围较宽；排气均匀，气流无脉动；多变效率；体积小，质量轻；连续运转周期长，运转可靠；易损件少，维修量小。轴流式压缩机 适用于大气量；尤其要求介质为干净气体；高转速时常采用汽轮机或燃气轮机组推动；气量调节常通过调速实现，也可采用可调导叶和静叶，功率损失小，适用于低压；性能曲线陡峭，操作范围较窄；排气均匀，气流无脉动；多变效率；体积小，质量轻；连续运转周期长，运转可靠，易损件少，维修量小。螺杆式压缩机 适用于中小气量，或含尘、湿、脏的气体；大多采用电动机拖动；气量调节可通过滑阀调节或调速来实现，功率损失小，适用于中低压；性能曲线陡峭，气量基本不随压力的变化而变化；排气均匀，气流脉动比往复式压缩机小得多；绝热效率较高，低压力比、大气量时；高压力比、小气量时，；机组结构简单，形状尺寸和质量小，连续运转周期长，运转较可靠；与往复式压缩机相比，无气阀和活塞环等容易损件多；与离心式压缩机相比，无喘振。2.3 选型原则（1）由工艺要求选择，确定进出口压力，计算总压力比，得到压缩机的级数。（2）对于易燃易爆的介质需对密封性具有高可靠性。（3）对于腐蚀性气体，选择抗腐蚀材料。2.4 C0201选型由Aspen流程模拟得到C0201压缩机的进出口物料物料衡算结果以及模拟结果，如表2-2：表2-2 C0201压缩机的进出口物料物料衡算C0201压缩机入口出口Mole Flow（kmol/h）377.097377.097Mass Flow(kg/h)13051.613051.6Volume Flow(l/min)1619417180.928Temperature()43.753130Pressure(atm)125Vapor Fraction11Molar Enthalpy(cal/mol)-33717.44-33231.59Mass Density(kg/cum)1.34330.292根据其流量以及进出口压力，本位号压缩机我们选择科瑞压缩机有限公司的二级往复活塞式压缩机，型号为DW-50/25，材质不锈钢，由于处理气体流量较大，采用四台并联方式。DW-50/25型号压缩机参数如下：表2-3 DW-50/25压缩机参数型号DW-50/25生产厂家科瑞压缩机有限公司排气量50 Nm3/min进气压力常压排气压力2.5MPa外形尺寸（长宽高mm）518020702745轴功率（单台）560kW冷却方式水冷重量11500kg电压6000V2.5 选型结果一览表其余压缩机按照2.4选型方式进行选型，选择结果见表2-4：表2-4 压缩机选型结果序号位号类型型号厂家连接方式材料轴功率（单台）kW外形尺寸（长宽高mm）重量kg1C0101活塞式DW-60/10科瑞压缩机有限公司单台不锈钢400498820702745100002C0102活塞式LW60/2.2南京压缩机有限公司单台不锈钢18524601510229045003C0103活塞式LW40/2南京压缩机有限公司单台不锈钢13222701170230730004C0201活塞式DW-50/25科瑞压缩机有限公司四台并联不锈钢560518020702745115005C0401活塞式DW-66/2-10科瑞压缩机有限公司单台JT200300588050003200120006C0402活塞式VW-10/16科瑞压缩机有限公司单台JT200802750200016003500第三章 气液分离器的设计3.1 设计依据表3-1气液分离器设计依据内容出版日期及标准号压力容器GB150-2011压力容器封头GB/T25198-2010气-液分离器设计HG/T20570.8-953.2 概述气液分离器的作用是将气液两相通过重力的作用进行气液的分离，气液分离器在Aspen Plus 中用FLASH模块进行模拟，实际过程中可以用一个气液分离罐实现，气体从罐的上部出，液体从罐的下部出。3.3 设计步骤3.3.1 气体流速(uG)的确定气体流速对分离效率是一个重要因素。如果流速太大，气体在丝网的上部将把液滴破碎，并带出丝网，形成“液泛”状态，如果气速太低，由于达不到湍流状态，使许多液滴穿过丝网而没有与网接触，降低了丝网的效率。3.3.2 计算方法式中：uG为与丝网自由横截面积相关的气体流速，m/s； L、G为分别为液体和气体的密度，kg/m3； KG为常数，通常KG=0.107。3.3.3 尺寸设计丝网的直径为式中：为丝网自由截面积上的气体流速，m/s；DG为丝网直径，m；其余符号意义同前。3.3.4 高度容器高度分为气体空间高度和液体高度(指设备的圆柱体部分)。低液位和高液位之间的距离由下式计算：式中：D为容器直径，m；VL为液体流量，m3/h；t为停留时间，min；HL为低液位和高液位之间的距离，m。液体的停留时间(以分计)是用邻近控制点之间的停留时间来表示的，停留时间应根据工艺操作要求确定。气体空间高度的尺寸见图3-1所示。丝网直径与容器直径有很大差别时，尺寸数据要从分离的角度来确定。图3-1 立式分离器示意图气相高度可用HG=1.3D来计算,则H=HL+HG。3.3.5 接管直径（1）入口管径两相混合物的人口接管的直径应符合下式要求 式中： 接管内两相流速，m/s； 气相密度，kg/m3。 由此导出 式中: 为接管直径，m； 为液体体积流量，m3/h； 为气体体积流量，m3/h；其余符号意义同前。（2）出口管径液体、气体的出口接管的直径，不得小于连接管道的直径。液体出口接管可以用小于等于1m/s的流速来设计。气体出口流速取决于气体密度，密度小时，最大出口流速约为20m/s。密度大时，选用较小的气体出口流速。任何情况下，较小的气体出口流速有利于分离。3.3.6 丝网装配除考虑经济因素外，还应考虑工作温度、容器材料以及丝网本身的耐久性。采用聚丙烯或聚乙烯丝网时，应注意产生碳氢化合物的影响；采用聚四氟乙烯或不锈钢丝网时应考虑其受温度的限制；铝制容器内不能采用蒙乃尔丝网；在有水滴存在的条件下，钢制容器内不能采用铝制丝网。3.4 V0301气液分离器设计通过Aspen Plus模拟数据可知，V0301气液分离器混合介质在进口处体积流为：VLG=1138.26 m3/h。具体操作工况如表3-2所示：表3-2 V0301气液分离器的工艺参数出口液体流量VLm3/h出口气体流量VGm3/h出口液体密度Lkg/m3出口气体密度Vkg/m35.91890.44836.569.103.4.1 分离器类型的选择根据HG/T 20570.8-95气液分离器设计的第2部分：立式和卧式重力分离器设计应用范围如下：（1）重力分离器适用于分离液滴直径大于200m的气液分离。（2）为提高分离效率，应尽量避免直接在重力分离器前设置阀件、加料及引起物料的转向。（3）液体量较多，在高液面和低液面间的停留时间在6-9min，应采用卧式重力分离器。（4）液体量较少，液面高度不是由停留时间来确定，而是通过各个调节点间的最小距离100mm来加以限制的，应采用立式重力分离器。根据以上的数据可以看出液体体积流量较少，选用立式重力分离器。3.4.2 立式重力分离器的尺寸设计采用近似估算的方法进行初步设计。（1）浮动流速式中，Vt为浮动速度，m/s；KS为系数，这里取液体直径为200m，则取KS=0.0512。可以计算出Vt=0.4882m/s因为分离器内气体流速ue要低于浮动流速Vt，所以取ue=0.40m/s。（2）分离器直径。圆整为D=1.0m。（3）高度容器高度分为气相空间高度和液相高度，此处所指的高度为设备的圆柱体部分。假定t为停留时间，取t=5min，则有低液位LL与高液位HL之间的距离为：。液相段总高度为：气相段总高度为：气液分离器圆柱体部分总高度为：（4）进出口管径气液混合物进口管径根据GB/T17395-2008选择接管尺寸为。液体出口管径液体流速应小于等于1m/s，这里取液体流速=1m/s，则有；根据GB/T17395-2008选择接管尺寸为。气体出口管径气体出口管径要求不小于所接的管道直径，取管道内流速=15m/s，则有根据GB/T17395-2008选择接管尺寸为。3.5 选型结果一览表其他气液分离器计算方法类似，选型结果见表3-3。位号类型数量设计温度设计压力MPa直径mm高度mm材质V0101立式重力分离器1250.12100021000Cr13Al +Q235-BV0102立式重力分离器1250.1280024000Cr13Al +Q235-BV0103立式重力分离器1250.12100020000Cr13Al +Q235-BV0301立式重力分离器1650.63100022000Cr13Al +Q235-BV0302立式重力分离器1200.6380016000Cr13Al +Q235-BV0303立式重力分离器1550.3660020000Cr13Al +Q235-BV0401立式重力分离器1401.007001200Q345R表3-3 气液分离器选型结果第四章 储罐及回流罐的选型4.1 选型依据表4-1 储罐及回流罐选型依据内容出版日期及标准号石油化工储运系统罐区设计规范SH/T 3007-2014化工设备设计全书-球罐和大型储罐2005钢制球形储罐型式与基本参数GB/T 17261-2011压力容器GB 150.1-2011钢制立式圆筒形固定顶储罐系列HG 21502.1-92钢制立式圆筒形内浮顶储罐系列HG 21502.2-92卧式椭圆形封头贮罐系列HG/T 3154-19854.2 概述储运设备主要是指用于储存与运输气体、液体、液化气体等介质的设备，在石油、化工、能源、环保、轻工、制药以及食品等行业应用广泛。在固定位置使用、以介质储存为目的的容器成为储罐。储罐有多种分类方法，按几何形状分为卧式圆柱形储罐、立式平底筒形储罐、球形储罐；按温度划分为低温储罐、常温储罐（90）和高温储罐（90-250）；按材料可划分为非金属储罐、金属储罐和复合材料储罐。单罐容积大于1000m3的可称为大型储罐。金属制焊接式储罐是应用最多的一种储存设备。首先应根据储存介质的性质及腐蚀性进行储罐材料的选择，再根据存储介质的最高工作压力初步选择储罐类型。一般情况下，卧式圆柱形储罐和球罐可以承受较高的存储压力，而立式平底筒形储罐的承压能力较差，当存储介质的压力不大于0.1MPa时，可以选用立式平底筒形储罐，否则应选用卧式储罐或球罐。其次，贮罐形式的选择主要决定于单罐的容积大小和加工条件。当贮罐公称容积大于100立方米时选用球形罐，小于100立方米时选用卧式罐。进而力求：（1）减少蒸发损失；（2）防止空气污染；（3）保证储液不受空气污染。和卧式罐相比，球形罐具有（1）表面积较小，即在相同容量下球罐所需钢材面积最小。（2）壳板承载能力比圆筒形容器大一倍，即在相同压力下，采用同样钢板时，球罐的板厚只需圆筒形容器板厚的一半。（3）占地面积小，且可向空间高度发展，有利于地表面积的利用等优点，但加工制造、安装比较复杂，焊接工作量大，安装费用高。卧式罐的壳体由筒体和封头组成。4.3 甲醇储罐的选型4.3.1 甲醇的基本性质标准大气压下沸点64.7，临界密度为272 kg /m3，临界压力为80.9kPa，临界温度T=239.5，是一种易燃易爆的液体，常温下易挥发。4.3.2 工艺要求工业上通常采用常温常压下密封保存。表4-2甲醇储罐的选型参数储存温度储存压力MPa体积流量m3/h25.000.113.83本厂主要甲醇原料均来自于云天化集团水富分厂26万吨/年甲醇项目，可提供本厂所需，大大减少运输及储存费用，最终定储存期限为7天，7天的储罐体积V=qt=3.83247=643.44m3。4.3.3 选型结果由于储存量较大，主要考虑选用立式圆筒形大型储罐，主要类型为固定顶储罐和内浮顶储罐，由于甲醇的挥发性较大，用固定顶会有气体溢出，考虑到经济性、安全性和环境保护要求，选择内浮顶立式圆筒形储罐。内浮顶储罐的特点是，在液面上有一层隔绝大气的凝胶状浮盖，利用聚酰胺小圆盘覆盖自由表面，利用惰性气体覆盖层等结构来减少储液挥发的损失。按总体