7-设备选型与设计

中石化四川维尼纶厂30万吨/年醋酸乙烯项目设备设计与选型中石化四川维尼纶厂年产33万吨醋酸乙烯工艺项目广东石油化工学院 酯为烯炔团队队员：陈洪派、刘培锋、柯焘友、庄卓铭、庄佳璇指导教师：陈辉、黄燕青设备选型与设计说明书2019“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛中石化四川维尼纶厂年产33万吨醋酸乙烯工艺项目设备选型与设计说明书参赛学校： 广东石油化工学院 参赛团队： 酯为烯炔团队 参赛队员： 陈洪派、刘培锋、柯焘友 庄卓铭、庄佳璇 指导老师： 陈辉、黄燕青 完成时间： 2019.3-2019.7 中石化四川维尼纶厂33万吨/年醋酸乙烯工艺项目设备选型与设计说明书目录第1章塔设备的选型与设计11.1.塔设备设计依据11.2.塔设备设计要求21.3.塔设备类型的选择21.3.1.塔设备类型的比较21.3.2.塔设备类型的影响因素31.3.3.塔设备类型的初选61.3.4.板式塔分类及具体选择61.3.5.填料塔分类及具体选择91.4.设备选型方案111.5.塔设备主要结构尺寸111.5.1.塔板间距111.5.2.塔的顶部、底部空间及裙座高度121.6.塔设备选型结果131.7.塔设备设计与校核（以T0102冷凝塔为例）131.7.1.塔设备设计方法说明131.7.2.塔内件设计示例（以 T0102冷凝塔为例）141.7.3.T0102冷凝塔工艺尺寸设计201.8.设备条件图651.9.塔设备选型一览表66第2章换热器的选型和设计682.1.概述682.2.主要分类及特点682.2.1.主要分类682.2.2.特点692.3.换热器选型702.3.1.换热器选型基本原则702.3.2.选型步骤732.4.换热器的具体设计（以E0209为例）742.4.1.选型用软件742.4.2.换热器工艺参数742.4.3.换热器选型设计772.5.设备条件图1192.6.换热器选型一览表120第3章反应器的选型与设计1233.1.反应器设计依据1233.2.反应器的选择1233.2.1.反应器分类1233.2.2.固定床反应器分类1243.3.列管式固定床反应器的设计1253.3.1.催化剂的选定1253.3.2.反应方程式及动力学1263.3.3.新型组合式固定床反应器1273.3.4.设备内介质名称及组成及物料衡算1293.3.5.反应条件1303.3.6.催化剂填充量1313.3.7.催化剂填充高度1313.3.8.反应器列管数及尺寸1313.3.9.反应器床层压降1323.3.10.反应器壳体厚度1333.3.11.气压试验1333.3.12.封头1343.3.13.接管1343.3.14.反应器内部件1353.3.15.支座1353.3.16.反应器高度1363.4.反应器设计结果1363.5.反应器强度校核1383.6.设备条件图1703.7.反应器设计一览表171第4章泵的选型和设计1724.1.泵设备的介绍1724.1.1.概述1724.1.2.泵类型及特点1734.2.泵设备选型原则1744.3.泵的选型1764.3.1.选型计算示例1764.3.2.利用选泵软件进行选型1774.4.泵选型结果一览表182第5章压缩机选型1865.1.选型依据1865.2.主要分类1865.3.适用范围1885.4.压缩机选型1895.4.1.压缩机工艺参数1895.4.2.C0201选型实例（以C0201为例）1895.5.压缩机选型结果一览190第6章储罐、回流罐、缓冲罐的选型1916.1.选型依据1916.2.概述1916.3.储罐系列1926.4.选型原则1936.5.原料储罐的选型1946.5.1.乙炔1946.5.2.醋酸1956.5.3.选型结果1966.5.4.原料储罐选型一览表1976.6.产品储罐的选型1986.6.1.醋酸乙烯酯1986.6.2.乙醛1996.6.3.醋酸2006.6.4.产品储罐选型一览表2026.7.回流罐的选型2036.7.1.T0201回流罐2036.7.2.T0204回流罐2036.7.3.T0206回流罐2036.7.4.T0208-B回流罐2036.7.5.V0202液液分相罐2046.7.6.回流罐选型一览表2056.8.缓冲罐选型2066.8.1.醋酸进料缓冲罐（V0101）2066.8.2.缓冲罐选型结果2066.9.气液分离罐V0212的选型2086.10.气液分离罐V0213的选型2096.11.球罐强度校核结果2116.12.罐的选型一览表221第7章管道的选型设计2267.1.概述2267.2.选型依据2267.3.管道设计要求2277.4.管道选型方法2277.4.1.管道流速的确定2277.4.2.管道管径的确定2287.4.3.公称直径及管道壁厚的确定2297.5.管道选型结果一览表2317.5.1.醋酸乙烯反应单元管道选型2317.5.2.精制分离单元管道选型235广东石油化工学院4酯为烯炔团队第1章 塔设备的选型与设计塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一，它可以使气（或汽）液或液液相之间进行紧密接触，达到良好的相际传质及传热的目的。化工生产中常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿和减湿等效果。本项目为中石化四川维尼纶厂年产30万吨醋酸乙烯项目，该项目所涉及的塔设备共13座，其中板式塔10座，填料塔3座。本项目借助Aspen Plus V9.0软件获得塔设备水力学数据，并对塔设备进行交互尺寸设计及水力学校核，使用全国化工设备设计中心站研发的SW6软件对塔设备进行机械强度校核。1.1. 塔设备设计依据本项目涉及的塔设备众多，且各种各样的塔设备所涉及的功能也有所不同，故从多方面考虑对塔设备做出选择、设计以及规定，参考的依据如表 11所示。表 11 塔设备设计依据一览表设计依据标准号压力容器GB150-2011塔器设计技术规定HG20652-1998石油化工塔盘技术规范SH/T3088-2012压力容器封头GB/T25198-2010钢制人孔和手孔的类型与技术条件HG/T21514-2014化工设备设计基础规定HG/T20643-2012钢制化工容器设计基础规定HG/T20580-2011钢制化工容器材料选用规定HG/T20581-2011钢制化工容器强度计算规定HG/T20582-2011钢制化工容器结构设计规定HG/T20583-2011钢制化工容器制造技术要求HG/T20584-2011建筑抗震设计规范GB50011-2010建筑结构载荷规范GB50009-20121.2. 塔设备设计要求作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求：（1）生产能力大。在较大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液、或液泛等破坏正常操作的现象；（2）操作稳定、弹性大。当塔设备的气（汽）液负荷量有较大波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作，并且塔设备应保证能长期稳定操作；（3）流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低正常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度；（4）结构简单、材料耗用量小，制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用；（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。1.3. 塔设备类型的选择1.3.1. 塔设备类型的比较现代化学工业应用的塔设备主要有板式塔和填料塔两种，但二者各有优缺点，需要进行较为详细的分析。所以，本项目需要根据两种塔设备不同的特点进行塔设备的选型，选择一种合适的塔设备类型来满足化工生产的要求。故本项目依据塔设备的操作性能、成本费用等诸多方面考虑做出以下比较，如表 12所示。表 12 板式塔与填料塔对比一览表项目板式塔填料塔分散填料规整填料压力降较大较小较前两者小空塔气速较大大较前两者大塔效率较稳定，效率较高塔径小、效率高较前两者高，对大直径塔无放大效应液气比试用范围较大对液体喷淋量有一定要求试用范围较大持液量较大较小较小材质要求金属材料非金属抗腐蚀材料各类材料安装要求较容易较困难适中造价大直径塔造价比填料塔低一般比板式塔便宜，直径增大，造价显著最大较板式塔高质量较小大适中1.3.2. 塔设备类型的影响因素选择塔型时考虑的因素有：物料性质、操作条件、设备性能，以及设备的制造、安装、运转和维修等，故本项目对于塔设备的选型应注重于以下几个方面的因素：（1）与物性有关的因素1 易起泡的物系，如处理量不大时，以选择填料塔为宜。因为填料能使泡沫破裂，在板式塔中则易引起液泛。2 具有腐蚀性的介质，可选用填料塔，如必须用板式塔，宜选用结构简单造价便宜的筛板塔、穿流式塔盘或舌形塔盘，以便及时更换。3 具有热敏性的物料需减压操作，以防过热引起分解或聚合时，应选用压力降较小的塔型，当要求真空度较低时宜用筛板塔和浮阀塔。4 黏性较大的物系，可以选用大尺寸填料，板式塔的传质效率较差。5 含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔型，以板式塔为宜，可选用泡罩塔、浮阀塔、舌形塔和孔径较大的筛板塔等，不宜使用填料。6 操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。因塔板上积有液层，可在其中安放换热管，进行有效的加热或冷却。（2）与操作条件有关的因素1 受气相控制，宜采用填料塔，因填料层中气相呈湍流，液相为膜状流。反之，受液相控制的系统，宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气体在液层中鼓泡。2 大的液体负荷，可选用填料塔，若用板式塔时，宜选用气液并流的塔型（如喷射型塔盘）或选用板上液流阻力较小的塔型（如筛板和浮阀）。3 低的液体负荷，一般不宜采用填料塔。因为填料塔要求一定数量的喷淋密度，但网体填料能用于低液体负荷的场合。4 液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔，故当液气比波动较大的宜用板式塔。5 操作弹性，板式塔较填料塔大，其中以浮阀塔为最大，泡罩塔次之。（3）其他因素1 对于多数情况，塔径大于800mm时，宜用板式塔，小于800mm时，宜用填料塔。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。2 一般填料塔比板式塔重；3 大塔以板式塔造价较廉。因填料价格约与塔体的容积成正比，板式塔按单位面积计算价格，随塔径增大而减小。综上所述，塔设备的选型可以参照表 13所示。表 13塔型选用顺序表考虑因素选择顺序塔径800mm以下，填料塔大塔径，板式塔具有腐蚀性的原料填料塔穿流式筛板塔喷流型塔污浊液体大孔径筛板塔穿流式塔喷流式塔浮阀塔泡罩塔操作弹性浮阀塔泡罩塔筛板塔真空操作填料塔导向筛板网孔筛板筛板浮阀塔板大液气比多降液管筛板塔填料塔喷射型塔浮阀塔筛板塔存在两液相的场合穿流式塔填料塔1.3.3. 塔设备类型的初选本项目从分离效率、生产效益等方面考虑，结合实际情况对工艺流程的塔设备做出具体选择。具体选择结果如表 14所示。表 14本项目工艺流程塔设备初选一览表设备名称位号设备类型脱气塔T0101板式塔冷凝塔T0102板式塔乙炔脱水塔T0103板式塔醋酸蒸发塔T0104板式塔脱气塔T0201板式塔第一洗涤塔T0202填料塔第二洗涤塔T0203填料塔粗分塔T0204板式塔乙醛萃取塔T0205填料塔乙醛精馏塔T0206板式塔醋酸乙烯精馏塔T0208-A板式塔T0208-B板式塔醋酸精馏塔T0209板式塔1.3.4. 板式塔分类及具体选择1.3.4.1. 板式塔的分类板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备。板式塔内沿塔高装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。板式塔在工业上运用的塔板主要有泡罩、筛板、浮阀、舌形等各种形式，各种塔板都有其优缺点。以下对各类板式塔进行简单的比较，如表 15所示。表 15板式塔主要类型塔板对比一览表塔板类型优点缺点适用场合泡罩弹性好，无泄漏，操作稳定结构复杂，设备费用高，压降大，处理能力小特殊场合，如容易堵塞的物系浮阀结构简单，操作弹性大，板效率高浮阀易脱落，安装困难，设备费用高分离要求高，负荷变化大的环境筛板结构简单，造价低易漏液，操作弹性较小用途广，多用于要求板数多的塔舌形结构简单，塔板阻力小操作弹性小，板效率低分离要求较低的闪蒸塔1.3.4.2. 板式塔的具体选择本项目的塔设涉及的板式塔有筛板塔和浮阀塔，使用传统筛板塔盘以及F1型浮阀，难免会出现塔板堵塞、传质效率中等和分离效果不太理想的状况。鉴于上述情况，采用新型筛板和新型浮阀代替传统塔件，改进塔设备工作性能。A. 筛板塔的具体选择醋酸乙烯精馏塔中的VAc易聚合生成PVAc等黏性物质、在生产过程中常出现堵塔、液泛等现象，回流比大，能量消耗高，直接会影响到装置的长周期运行和VAc产品质量。现采用高效导向筛板塔板对醋酸乙烯精馏塔进行改造。采用的高效导向筛板塔板，相比于传统筛板塔塔板，其主要优点如表 16所示：表 16高效导向筛板塔板改进效果一览表项目单位传统筛板塔板高效导向筛板塔板改进效果进料量kgh-11600019000+3000回流比-1.72.01.2-0.5活度s650522.9-127.1运行稳定性-不稳定稳定抗堵性-不好很好新型板式塔塔板是以筛板塔为基础进行适当改进的，不但具有了传统筛板塔板的优点，还衍生了较多的优良性能。相较于传统筛板塔板，高效导向筛板塔板弥补了传统筛板塔板的缺陷，同时还具有以下优点：1. 生产能力大：高效导向筛板比传统塔板的生产能力高出50100。高效导向筛板克服了液流上游存在的非活化；导向孔的存在，既延长了气体夹带雾滴的运动轨迹，又提高了气速和生产能力。2. 效率高：高效导向筛板很好地克服了液相返混，消除了液面梯度，降低了漏液量和雾沫夹带，提高了塔板效率。3. 压降低：实验和生产经验表明，导向孔的阻力降比筛孔的低20左右，导向筛板的压降比筛板塔板的还低10左右。4. 抗堵能力强：由于从导向孔中喷出的气体推动物料在塔板上水平前进，这样可以强化液体在塔板上的流动，对粘性物料，可以多设置导向孔。5. 结构简单、拆装方便：由于高效导向筛板只是在钢板上开些筛孔和导向孔，而无其它组件，因此其结构简单，重量较轻，这样工人在拆装过程中非常方便。相应的造价也很低，高效导向筛板的造价相当于泡罩塔板的4050，浮阀塔板的6070。B. 浮阀塔的具体选择本项目应用的浮阀塔，采用的F1型浮阀仍存在不足，圆形浮阀周向不固定，在操作过程中容易旋转产生磨损，导致浮阀脱落，从而造成板式塔内气液相短路，严重降低塔板处理效率。现采用新型浮阀（专利申请号CN201820866085.5）代替传统F1型浮阀，改进效果如表 17所示：表 17新型塔盘浮阀改进效果一览表项目F1型浮阀新型塔盘浮阀改进效果操作弹性结构简单，操作弹性大结构改进，操作弹性较大塔板阻力浮阀流通面积随气体负荷变化而变化，塔板阻力小新型浮阀设置有弹簧，调节更加灵活，塔板阻力较小气液接触比面积气体由阀孔吹出，气液接触面积大部分气体由导向孔吹出，气液接触面积较大传质效率高较高综上所述，本项目用新型塔盘浮阀代替传统F1型浮阀，可以有效改善浮阀转动以及上下移动的状况，从而实现浮阀不易磨损、经久耐用的特点。同时，新型塔盘浮阀还具备以下优点：1 新型浮阀通过圆形阀片底部连接有转轴，气体进入塔盘浮阀后，促使浮阀发生旋转，起到了搅拌液体的作用，使液体中的含气率比较均匀，提高传质效率；2 新型浮阀通过转轴中部设置有弹簧，圆形阀片能随着气相负荷的不同而上下自由浮动，从而能适应不同气相负荷，增加了操作弹性，降低了塔板阻力；3 新型浮阀通过圆形阀片顶部设置有导向孔，部分气流经由的导向孔进入塔板液层，解决了传统浮阀上端存在传质死区的不足；4 新型浮阀通过圆形阀片边缘为向下倾斜的锯齿形边，使气体流出浮阀侧孔时被分割成许多股小气流，从而增加气液接触比面积，提高塔板传质效率。1.3.5. 填料塔分类及具体选择1.3.5.1. 填料塔的分类填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料作为填料塔的核心元件，它提供了气液两相接触传质与换热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性能。以下是对于填料塔选择的基本要求：1 传质效率高。要求填料能提供大的气、液接触面，也即要求具有大的比表面积，并要求填料表面易被液体湿润，只有湿润了的表面才是气液接触面。2 生产能力大，气体的压力降小，因此要求填料层的空隙大。3 不易引起偏流和沟流。4 经久耐用，即具有良好的耐腐蚀性、较高的机械强度和必要的耐热性。目前化工工业填料塔填料的主要形式是散装填料和规整填料两种，以下将对这两种填料进行介绍并进行本项目填料塔类型的选择，如表 18所示。表 18填料主要分类填料类型填料名称散装填料环形拉西环形拉西环，十字环，内螺旋环开孔环形鲍尔环，改进型鲍尔环，阶梯环鞍形弧鞍形，矩鞍形，改进矩鞍形环鞍形金属环矩鞍形，金属双弧形，纳特环其他新型塑料球形，花环形，麦勒环形规整填料波纹型垂直波纹型网波纹型，板波纹型水平波纹型Spraypak，Panapak非波纹型珊格形GlitschGrid板片形压延金属板，多孔金属板绕圈形古德洛形，Hyperfil1.3.5.2. 填料塔的具体选择本项目经过详细的选择及对比最终选择性能优良的规整填料作为工艺流程塔设备的填料。鉴于板波纹塑料填料，强度小，分离效果不太理想，限制了塑料填料的应用范围。现用天马工业陶瓷有限公司生产的格栅规整填料（专利申请号CN201820916068.8）代替板波纹填料，改进效果如表 19所示。表 19板波纹塑料填料与格栅规整填料对比一览表项目板波纹塑料填料格栅规整填料改进效果耐腐蚀性由塑料制作，耐腐蚀优良由聚乙烯、聚氯乙烯等聚合物制作，耐腐蚀优良填料强度小大分离效果不太理想理想造价高低由上表可以知道，格栅规整填料相较于板波纹塑料填料具有更好的工作性能以及强度大、重量轻、低压降、高比表面积、易更换等优点，适合于大液体负荷和高操作压力的过程，且更适用于气液交流反应。1.4. 设备选型方案塔内参数由多方面决定，尤其与工艺参数有着密切的关系。所以在设备选型中依据“两个标准，两个软件”的选型方法进行选型，如表 110所示。表 110设备选型依据一览表项目工具来源作用标准化工设备设计全书塔设备化学工业部设计技术中心站主编（2004）设计标准及理论效果化工工艺设计手册中国石化集团上海有限公司主编（2018）设计标准及理论效果软件AspenPlusV9.0AspenTech公司模拟出水力学参数及对选型结果核算SW6-2011全国化工设备设计技术中心站塔机械强度设计1.5. 塔设备主要结构尺寸工业上生产系统塔设备主要的结构有塔板间距、塔顶空间、塔底空间、裙座高度等，故本项目从多个方面进行塔设备主要结构尺寸的确定。1.5.1. 塔板间距塔板间距与塔高相关，且计算塔径时也必须预定塔板间距。选择塔板间距时，主要考虑以下几个因素：（1）雾沫夹带：在一定的气液负荷和塔径条件下，适当增加塔板间距，可减少雾沫夹带量。（2）物料的起泡性：易起泡物料的塔板间距应选得大些。（3）操作弹性：要求操作弹性较大时，可选较大的塔板间距。（4）安装和维修要求：例如开人孔处的塔板间距不小于600mm。由于塔板间距与处理能力、操作弹性及塔板效率以及塔径大小都密切相关，选用较大的塔板间距可允许较高的空塔气速，这样塔径可小些，但塔高增加了。对于塔板数较多或放在室内的塔，可选用较小的塔板间距，以适当增加塔径来降低塔高。当然，塔板间距的合理选择应通过塔盘液体力学计算和经济核算来确定，但从经济上看，增加塔高往往比增加塔径有利。以下是筛板塔、浮阀塔的塔板间距标准系列值如表 111、表 112所示。表 111筛板塔的塔板间距一览表塔径D塔板间距HT8001200300350400450500-14002400-400450500550600650700-26006600-450500550600650700750800表 112浮阀塔的塔板间距一览表塔径D塔板间距HT600700300350450-8001000-350450500600-12001400-35045050060080016003000-45050060080033004200-6008001.5.2. 塔的顶部、底部空间及裙座高度（1）塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔板到塔顶封头切线的距离。为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般取1.21.5m，但具体高度需要生产系统根据具体工况来确定。（2）塔的底部空间高度塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔板到塔底下封头切线处的距离。当进料系统有15分钟的缓冲时间时，釜液的停留时间可取35分钟，否则须取15分钟。但对釜液流量大的塔，停留时间一般也取35分钟，一般塔釜的空间高度取36米，但具体高度需要生产系统根据具体工况来确定。（3）加料板的空间高度加料板的空间高度取决于加料板的结构型式及进料状态。气相进料取决于进口形式，液相进料则与板间距相同或稍大些。（4）裙座高度塔体常由裙座支承，可分为圆柱形和圆锥形两种。裙座高度是由塔底封头切线至出料管中心线的高度U和出料管中心线至基础环的高度V两部分组成。裙座上的人孔通常为长圆形，其尺寸为600*（10001800）mm，以方便进出。1.6. 塔设备选型结果本项目整个工艺流程所涉及的塔设备一共有13个，板式塔10个，其中填料塔3个。以下选择T0102冷凝塔进行详细设计说明。1.7. 塔设备设计与校核（以T0102冷凝塔为例）本项目塔设备除了两个洗涤塔以及乙醛萃取塔采用填料塔之外，其余都采用板式塔。其中板式塔选型为工业上广泛应用的筛板塔和浮阀塔。本章节将对T0102冷凝塔进行详细设计。1.7.1. 塔设备设计方法说明1.使用 Aspen Plus V9.0 软件内置的塔内件设计模块 Column Internals 对塔的基础参数、塔内件结构进行详细设计，并进行水力学校核； 2.使用 SW6-2011 进行塔的机械计算与强度校核。 所涉及的软件如表 113所示。 表 113塔设备设计所用软件一览表名称来源用途Aspen Plus V9.0Aspen Tech 公司初步计算+水力学校核+塔盘设计SW6-2011全国化工设备设计技术中心站机械强度设计与校核1.7.2. 塔内件设计示例（以 T0102冷凝塔为例）1.7.2.1. 冷凝塔T0102的基本信息首先通过Aspen Plus进行塔的工艺计算，获得T0102冷凝塔的进出口物流信息如表 114所示。表 114 冷凝塔T0102的进出口物流信息流股1-181-201-211-22相态液相气相气相液相温度/2.502.507.773.38压力/bar4.004.003.703.78平均分子量68.7131.5526.5467.16质量流量/(kg/hr)45472.73174531.00127991.7392012.00质量密度/(kg/m3)1031.116.174.20947.86体积流量/(m3/hr)44.128284.830444.697.1质量分率乙炔0.010.740.970.06醋酸0.510.020.000.30醋酸乙烯0.470.230.020.63乙醛0.000.000.000.00丙酮0.000.000.000.00水0.000.000.000.00二氧化碳0.000.000.000.00丁烯醛0.000.000.000.00氮气0.000.000.000.00高沸物0.010.000.000.00由Aspen Plus模拟出T0102冷凝塔理论板数为15块，液相理论进料板为第1块，气相理论进料板为第15块。冷凝塔理论板数如图 11和图 12所示。图 11 冷凝塔T0102理论板数图 12 冷凝塔T0102理论板数1.7.2.2. 设计温度与设计压力根据GB150-2011，压力容器操作压力指压力容器顶部气相压力，对于T0102而言，为3.7 bar。塔顶装有安全阀，而安全阀的整定压力为正常操作压力的1.051.1倍，设计压力应高于或等于安全阀的整定压力。因此取设计压力为P=1.13.7=4.07bar P=1.1Pw=1.1bar塔顶温度为8度，体系最高温度为10度左右，设计温度需要比操作温度高1530，取设计温度为 40 ，根据该操作条件，选择Q345R来作为塔设备的材料。 1.7.2.3. 塔内件水力学设计在Aspen Plus中的Column Internal中新建塔内件进行设计。全塔共15块塔板，液体从第1块塔板进料，气体从第15块塔板（板上）进料。在INT-1界面中，选择Auto Section（Based on Flows）进行分段设计，同时默认Interactive Sizing模式。选择V-1型浮阀，选用单溢流通道，塔板间距设为600mm，具体参数如图 13所示。图 13冷凝塔T0102塔内件基本参数对 T0102 中两段不同的塔板依次进行详细设计。参考化工设备设计全书塔设备对塔板参数进行调整，使塔内流体参数符合设计规定。两种塔板的参数如图 14和图 15所示。图 14 CS-1塔段（第1-14块塔板）详细参数图 15 CS-2塔段（第15块塔板）详细参数塔的水力学设计参数表如表 115所示。表 115冷凝塔T0102水力学设计参数塔板液泛因子/%(降液管液位高度/板间距)/%侧壁降液管停留时间/s181.4923.484.59281.3223.464.59381.1723.454.58481.0423.434.58580.9123.424.57680.7823.404.57780.6623.394.56880.5423.384.56980.4123.364.551080.2923.354.551180.1723.344.551280.0523.334.541379.9423.324.541480.0023.444.491584.3432.374.23塔的水力学性能图如图 16所示。图 16冷凝塔T0102水力学性能图从上表数据可知，T0102冷凝塔的液泛因子均介于0.60.85之间，（降液管液位高度/板间距）介于 0.20.5 之间，降液管液体停留时间大于 4秒，说明塔的水力学数据合理。同时，水力学性能图中每块塔板的操作点均处于合理的范围内，说明塔的操作状态良好。1.7.2.4. 塔内件水力学校核现将塔内件原先的交互尺寸设计（Interactive Sizing）改为校核（Rating），并对塔的直径进行圆整，其余参数不变，进行塔的水力学校核。以下是塔的直径参数圆整如图 17所示。图 17 冷凝塔T0102塔内件参数圆整水力学校核参数如表 116所示。表 116 冷凝塔T0102水力学校核参数塔板液泛因子/%(降液管液位高度/板间距)/%侧壁降液管停留时间/s171.2823.604.82271.1923.594.82371.1323.584.82471.0823.584.81571.0423.574.81670.9923.574.81770.9523.564.81870.9023.564.80970.8623.554.801070.8123.554.801170.7723.544.801270.7323.544.791370.6923.544.791470.8123.664.751581.0532.384.30广东石油化工学院176酯为烯炔团队水力学性能图如表 18所示。图 18冷凝塔T0102水力学性能图（校核）从上表数据可知，校核后的水力学参数，T0102冷凝塔的液泛因子均介于0.60.85之间，（降液管液位高度/板间距）介于 0.20.5 之间，降液管液体停留时间大于 4秒，说明塔的水力学数据合理。同时，水力学性能图中每块塔板的操作点均处于合理的范围内，说明塔的操作状态良好。1.7.3. T0102冷凝塔工艺尺寸设计1.7.3.1. 塔板水力学数据根据Aspen Plus计算出来的每块塔板的水力学数据，如表 117所示。表 117冷凝塔T0102每块塔板水力学数据塔板液相温度气相温度液相质量流量气相质量流量液相体积流量气相体积流量液相密度气相密度液相粘度气相粘度液相表面张力单位kg/hkg/hm3/sm3/skg/m3kg/m3cPcPmN/m17.776.15473351298540.013508.531974.194.230.7100.0095724.7426.155.51473371298560.013508.504973.714.240.7170.0095424.7935.515.24473431298620.013518.484973.394.250.7200.0095424.8145.245.11473491298680.013528.468973.164.260.7200.0095324.8155.115.04473541298730.013528.454972.974.270.7200.0095324.8165.044.99473601298790.013528.440972.794.270.7200.0095324.8074.994.95473651298840.013538.426972.624.280.7200.0095324.8084.954.92473701298890.013538.412972.454.290.7190.0095324.7994.924.88473761298950.013548.398972.284.300.7190.0095224.79104.884.84473821299010.013548.384972.104.300.7180.0095224.78114.844.80473891299080.013548.371971.924.310.7180.0095224.78124.804.75473971299160.013558.357971.744.320.7170.0095224.77134.754.65474321299510.013568.342971.504.330.7170.0095224.76144.653.38480341305530.013758.305970.344.370.7110.0094724.75153.382.08920121313370.026968.292947.864.400.5890.0094224.25从Aspen Plus导出的水力学数据中，选择除进料板外流量最大的塔板（即第14块板）作为设计的计算依据。第14块板的水力学数据如下表 118所示：表 118第14块板水力学数据一览表塔板液相温度气相温度液相质量流量气相质量流量液相体积流量单位kg/hkg/hm3/s144.653.38480341305530.01375气相体积流量液相密度气相密度液相粘度气相粘度液相表面张力m3/skg/m3kg/m3cPcPmN/m8.305970.344.370.7110.0094724.751.7.3.2. 塔体工艺尺寸设计1 塔径根据流量公式可算塔径，即D=4VSuumax=CL-VV其中的C由C=C20200.2计算，C20可由史密斯关联图查得，图的横坐标为LhVhLV0.5=0.013758.305970.344.370.5=0.0247图 19史密斯关联图取板间距HT=0.6m，取板上液层高度hL=0.075m，则HT-hL=0.6-0.075=0.525 m查图 19得C20=0.13，则C=C20200.2=0.1324.75200.2=0.14umax=0.14970.34-4.374.37=2.08 m/s取安全系数0.6，则空塔气速u=0.6umax=0.62.08=1.25 m/s所以：D=48.3051.253.14=2.91 m按标准塔径圆整后D=3.0 m2 塔截面积AT=4D2=0.7853.02=7.06 m2实际空塔气速为u=8.3057.06=1.18 m/s3 塔板效率和实际板数塔效率与系统的物性、塔板结构及操作条件等都有密切的关系。由于影响因素多且复杂，目前尚无精确的计算方法。工业上测定值通常在0.30.7之间。故取全塔效率0.5作为冷凝塔的塔效率。4 实际塔板数冷凝塔的塔板数为15块。所以：N=150.5=30 块实际板数为30块。5 有效高度Z=N-1HT=30-10.6=17.4 m1.7.3.3. 塔板工艺尺寸设计（1）溢流装置计算由于塔径较大，所以设置出口堰、进口堰和受液盘，并选用单溢流型弓型降液管。 堰长 lw取堰长lw=0.6D=0.63=1.8 m 溢流堰高度 hw由hw=hL-how计算选用平直堰，堰上液层高度how由下式计算，即how=2.841000ELhlw23=2.84100010.0137536001.823=0.026 m=26 mm由前面已知板上清液层高度hL=75 mm，故：hw=hL-how=75-26=49mm 弓形降液管宽度 Wd和截面积 Af对于单溢流型，一般取lwD=0.60.75；故取 lwD=0.6根据弓形降液管参数图图 110弓形降液管参数图查图得AFAT=0.054，WdD=0.108所以：AF=0.0547.06=0.381 m2Wd=0.1083.0=0.324m=324 mm根据=AfHTLs验算降液管停留时间，即=AfHTLs=0.3810.60.01375=16.62 s 5 s所以，停留时间 符合要求。 降液管底隙高度 h0降液管底隙高度是指降液管下端与塔板间的距离，降液管高度应小于出口堰高度，才能保证降液管底端有良好的液封，一般按下式计算： h0=LslWu0一般u0值取0.070.25m/s，故取 u0=0.20 m/s则h0=LslWu0=0.013751.80.20=0.038m=38 mmhw-h0=0.49-0.38=0.11m（0.0060.012)m故降液管底隙高度设计合理（2）塔板布置 塔板的分块本设计塔径D=3.0m，故采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。 安定区宽度确定当塔径D1.5 m 时，Ws=80110mm。故安定区宽度：Ws=100mm=0.1m，取边缘区宽度：Wc=0.06m 开孔区面积计算对于单溢流塔板，开孔区面积按下式计算，即Aa=2xr2-x2+180r2arcsinxr其中：x=D2-WS+Wd=3.02-0.1+0.324=1.08 mr=D2-Wc=3.02-0.06=1.44m代入数据，得Aa=21.081.442-1.082+1801.442arcsin1.081.44=5.58m2 阀孔计算及其排列取阀孔动能因子F0=12，用下式求孔速u0=F0V=124.37=5.74 m/s所以，一块塔板上浮阀数为N=Vs4d02u0=8.3050.7850.03925.74=1211.79浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一横排的孔心距t=75mm，则可按下式估算排间距t，即t=AaNt=5.581211.790.075=0.062 m=62 mm考虑到塔的直径比较大，必须采用分块式塔板，而分块式板的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用62mm，因小于此值，取t=50mm按t=75mm，t=50mm，等腰叉排重新排得阀数1260个。按N=1260重算孔速及阀孔动能因数：u0=8.3050.7850.03921260=5.523m/sF0=5.5234.37=11.546阀孔动能因数F0变化不大，仍在812范围内，设计合理塔板开孔率为=4d02n4D2=nd02D2=12600.03923.02=21.3 %1.7.3.4. 流体力学检验（1） 塔板压降 干板阻力 hc先求：uoc=1.82573.1v=1.82573.14