化工设计竞赛3-设备设计及选型说明书

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

设备设计及选型说明书

中石化镇海炼化分公司

一年产26万吨醋酸乙烯项目

团队名称：全村的烯望

指导老师：张定明

团队成员：徐青锋陈帅廖朝震陈丽琼曹艺

,5►节能减排低碳环保塞"持续发展《.绿色生态

中石化镇海炼化分公司年产26万吨醋酸乙烯项目设备设计及选型说明书

目录

第一章塔设备设计.................................................................1

1.1塔设备设计概述...........................................................1

1.1.1塔设备设计要求与原则..............................................1

1.1.2塔设备的设计目标..................................................1

L1.3塔型选择原则......................................................2

1.2塔设备选型实例：T0204...............................................................................................................6

1.2.1使用软件列表......................................................6

1.2.2塔设备选型设计条件................................................6

1.2.3塔设备结构参数设计...............................................33

1.2.4塔设备SW6-2011强度校核.........................................40

1.2.5设备条件图......................................................72

1.2.6塔设备设计结果一览表............................................72

第二章换热器的选型.............................................................75

2.1换热器选型设计概述.....................................................75

2.1.1设计依据........................................................75

2.1.2换热器类型......................................................75

2.1.3换热器的选型软件................................................78

2.2换热器设计示例：E0209.....................................................................................................78

2.2.1换热器选型设计条件..............................................78

2.2.2换热器结构参数设计..............................................84

2.2.3换热器设计结果表................................................89

2.2.5换热器SW6强度校核..............................................89

注：.......................................................................102

2.2.4换热器E0209设备条件图..............................................108

2.2.5换热器选型结果一览表................................................110

第三章反应器设计.....................................................113

3.1反应器设计目标.........................................................113

3.2常见反应器介绍........................................................113

3.2.1固定床反应器...................................................113

3.2.2流化床反应器..................................................114

3.2.3釜式反应器.....................................................115

3.3反应器设计示例：R0101.........................................................................................................116

3.3.1反应器设计条件.................................................116

3.3.2反应器结构参数设计..............................................126

3.3.3反应器设计结果表................................................132

3.3.4反应器SW6强度校核..............................................135

3.3.5反应器R0101条件图..............................................165

3.3.5反应器设计结果一览表............................................165

第四章气液分离器设计..........................................................167

4.1设计依据...............................................................167

4.2设计目标...............................................................167

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4.3气液分离器的分类.......................................................167

4.3.1立式和卧式重力分离器............................................167

4.3.2立式和卧式丝网分离器............................................167

4.4设计步骤..............................................................168

4.4.1气体流速(uG)的确定............................................168

4.4.2计算方法.......................................................168

4.4.3尺寸设计.......................................................169

4.4.4高度...........................................................169

4.4.5接管直径.......................................................170

4.4.6丝网装配.......................................................171

4.5V0201气液分离器设计..................................................171

4.5.1分离器类型的选择................................................171

4.5.2立式重力分离器的尺寸设计........................................171

4.6选型结果一览表.........................................................173

第五章泵的选型................................................................175

5.1概述...................................................................175

5.2泵的类型和特点.........................................................175

5.3泵的选型原则...........................................................176

5.4泵的选型...............................................................179

5.4.1选型方法.......................................................179

5.5P0101选型............................................................180

5.6选型结果一览表........................................................182

第六章储罐的选型..............................................................184

6.1选型依据...............................................................184

6.2储罐简述...............................................................184

6.3储罐系列...............................................................185

6.4选型原则...............................................................186

6.5醋酸储罐的选型.........................................................187

6.5.1醋酸的基本性质.................................................187

6.5.2工艺要求.......................................................187

6.5.3选型结果.......................................................187

6.6V0301VAC粗分塔回流罐的选型..........................................188

6.6.1VAC的基本性质.................................................188

6.6.1工艺要求.......................................................188

6.5.3选型结果.......................................................188

6.7选型结果一览表........................................................188

第七章压缩机的选型............................................................191

7.1选型依据...............................................................191

7.2选型原则...............................................................192

7.3压缩机选型.............................................................192

7.3.1C0201选型......................................................192

7.4选型结果一览表.........................................................193

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第一章塔设备设计

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，塔可以使气液

相或者液液相之间进行紧密接触，达到较为良好的相际传质及传热的目的。

在塔设备中常见的单元操作有：吸收、精储、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。

1.1塔设备设计概述

1.1.1塔设备设计要求与原则

表1-1塔设备设计规范

参考标准及文献标准编号或出版日期

《化工设备设计全书——塔设备》2004.01

《石油化工设备设计便查手册》2002.10

《固定式压力容器》GB150-2011

《塔器设计技术规定》HG20652-1998

《钢制化工容器设计基础规定》HG/T20580-2011

《塔式容器》NB/T47041-2014

《塔顶吊柱》HG/T21639-2005

《不锈钢人、手孔》HG21594-21604

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

《钢制塔式容器》JB/T4710-2005

（1）具有适宜的流体力学条件，可使气液两相良好接触;

（2）结构简单，处理能力大，压降低；

（3）强化质量传递和能量传递。

1.1.2塔设备的设计目标

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

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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。对于减压蒸饵操作，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。

事实上，对于现有的任何一种塔器，都不可能完全满足上述所有要求，但是

我们可以在某些方面做到独特之处。以此来达到较大的生产效率，提高企业的生

产效益。

1.1.3塔型选择原则

1.1.3.1填料塔与板式塔的比较

塔主要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸储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。

表1-2板式塔与填料塔的对比

填料塔

项目板式塔

散堆填料规整填料

空塔气速稍小大比散堆填料大

压降小更小一般比填料塔大

塔效率小塔效率高对大直径塔无放大效应较稳定效率较高

液气比对液体喷淋量有一定要求范围大适应范围大

持液量较小较小较大

材质可用非金属耐腐蚀材料适应各类材料金属材料

造价小塔较低较板式塔高大直径塔较低

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安装检修较困难适中较容易

1.1.3.2塔型选择一般原则

类型选择时需要考虑多方面的因素，如物料性质、操作条件、塔设备的性能,

以及塔的制造、安装、运转和维修等。对于真空精储和常压精储，通常填料塔塔

效率优于板式塔，应优先考虑选用填料塔，其原因在于填料充分利用了塔内空间，

提供的传质面积很大，使得汽液两相能够充分接触传质。而对于加压精储，若没

有特殊情况，一般不采用填料塔。这是因为填料塔的投资大，耐波动能力差。

同样，吸收过程也分为液膜控制、气膜控制和介于两者之间的共同控制吸收

三种类型。气膜控制的吸收优先考虑选用高效规整填料塔；液膜控制的吸收往往

选用板式塔或汽液湍动大、持液量高的散装填料塔；介于两者之间的，宜采用比

表面积大、持液量高、液相湍动大的填料塔，一般多采用散装填料塔。

（一）物料性质对塔设备选择的影响

（1）易起泡的物系，如处理量不大时，以选用填料塔为宜。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、造价便宜的筛板塔盘、穿流式塔盘或舌形塔盘，以便及时更换。

（3）具有热敏性的物料须减压操作，以防过热引起分解或聚合，故应选用

压力降较小的塔型。如可采用装填规整填料的散堆填料等，当要求真空度较低时,

也可用筛板塔和浮阀塔。

（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、栅板塔、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。

（二）操作条件对塔设备选择的影响

（1）若气相传质阻力大（即气相控制系统。如低黏度液体的蒸镭，空气增

湿等），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（如水洗C02）,宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气相

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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时宜

用板式塔。

（三）其他因素对塔设备选择的影响

（1）对于多数情况，塔径小于800mm时，不宜采用板式塔，宜用填料塔。

对于大塔径，对加压或常压操作过程，应优先选用板式塔；对减压操作过程，宜

采用新型填料。

（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

按单位面积计算的价格，随塔径增大而减小。

综上，塔设备的选型可以依照下列顺序：

表1-3塔型选用顺序表

考虑因素选择顺序

800mm以下，填料塔

塔径

大塔径，板式塔

填料塔

穿流式

具有腐蚀性的原料

筛板塔

喷流型塔

大孔径筛板塔

穿流式塔

污浊液体喷流式塔

浮阀塔

泡罩塔

操作弹性浮阀塔

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泡罩塔

筛板塔

填料塔

导向筛板

真空操作网孔筛板

筛板

浮阀塔板

多降液管筛板塔

填料塔

大液气比喷射型塔

浮阀塔

筛板塔

穿流式塔

存在两液相的场合

填料塔

1.1.3.3塔板选择一般原则

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，几

种主要塔板的性能比较如下：

表1-4几种主要塔板的性能比较

塔盘类型优点缺点适用场合

结构复杂、造价高、塔板阻力大、

泡罩板较成熟、操作稳定特别容易堵塞的物系

处理能力小

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

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1.2塔设备选型实例：T0204

1.2.1使用软件列表

表1-5使用软件列表

名称用途

AspenPlusV10.0初步估算与水力学校核

SW6-2011强度的校核

AutoCAD2017塔设备条件图绘制

1.2.2塔设备选型设计条件

(1)物性参数

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Aspenplus提取物性参数如下:

表1-6物性参数

DryTotalLiquid

%Downcomer%Side

TotalDrypressurepressureDowncomer%DowncomerLiquidmassvolume

%JetDowncomerbackupdowncomerFs(

Stagepressurepressuredrop(Hotdrop(Hotbackupbackuprate/Columnrate/

floodbackup(Unaeratechokearea

dropdropliquidliquid(Aerated)(Unaerated)areaColumn

(Aerated)d)flood

height)height)area

1barbarmmmmmmmmkg/hr-sqmcum/hr/sqm

264.0576450.00774528.6618360.00552866.49584493.154217186.301934113.25944717.4245303.9563664447.8944745.2465090.00

364.6680300.00780028.9277570.00559967.57480194.137420188.030420114.30730417.5857394.0962114589.6937875.4319580.00

464.8263290.00780529.0005770.00560867.80113294.363694188.503752114.59344217.6297604.1601224653.0690975.5167090.00

564.7749910.00778728.9833100.00558967.63070694.238290188.391514114.52430017.6191234.1882874679.9857395.5540590.00

664.6343640.00776028.9278910.00555767.29250793.964473188.031294114.30472617.5853424.2009224691.1561185.5708140.00

764.4577410.00772928.8573960.00552166.88816393.632369187.573073114.02571417.5424184.2070364695.7378785.5789220.00

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864.2676030.00769628.7815350.00548366.46044593.279873187.079975113.72555917.4962404.2104514697.5998595.5834500.00

964.0732220.00766428.7042930.00544666.02691092.922525186.577902113.41997417.4492274.2127534698.3453455.5865020.00

1063.8783790.00763228.6272790.00540865.59465392.566594186.077311113.11530117.4023544.2145934698.6331425.5889430.00

1163.6845930.00760028.5511280.00537165.16647992.214553185.582334112.81404717.3560074.2162414698.7329295.5911280.00

1263.4924600.00756828.4760820.00533464.74345291.867331185.094535112.51716017.3103324.2178044698.7547975.5932000.00

1363.3022010.00753728.4022210.00529764.32593091.525236184.614436112.22495717.2653784.2193274698.7437035.5952210.00

1463.1138850.00750728.3295600.00526263.91360791.188324184.142143111.93750117.2211544.2208294698.7179565.5972120.00

1562.9275180.00747728.2580910.00522663.50758390.856550183.677592111.65475417.1776544.2223174698.6849765.5991850.00

1673.6973600.01322031.0326200.00706385.861466160.697837372.391442226.37022318.8641852563505326.8415350.00

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1773.9962910.01324731.0682040.00710886.468737161.161703372.818443226.62819318.88568325.29917122626.77309926.9942490.00

1874.4598590.01329431.1216300.00718387.465765161.889623373.459562227.01588518.91799025.49395222778.21213527.2020810.00

1975.1261580.01336431.1607950.00729588.947836162.951991374.386741227.57689318.96474125.75328622980.91074027.4787910.00

2076.0176560.01346231.3058150.00745090.978023164.401935375.669784228.35351919.02946026.08567923241.03075427.8334540.00

2177.1242180.01358831.4457710.00764693.546113166.246116377.349249229.37035019.11419626.48965823556.51220328.2645010.00

2278.3917330.01373531.6167630.00787396.536689168.417848379.401153230.61285419.21773826.94952523913.95066128.7551800.00

2379.7271030.01389531.8095420.00811599.733160170.772628381.714506232.01375919.33448027.43614524289.68308629.2744040.00

2481.0217840.01405432.0088430.008351102.868449173.118768384.106114233.46202919.45516927.91410024655.82816729.7843830.00

2582.1824090.01419832.1978110.008562105.700112175.271877386.373731234.83508519.56959028.35187524607.31207330.2514890.00

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(2)设备材料的选择

操作环境中主要存在EAC、VAC、H20等，查《腐蚀数据手册》可得，若选用碳钢材料，以上介质对其腐蚀性基本可以忽略，考虑

到操作条件及综合强度，选择Q345R作为筒体及封头的材料。

(3)塔体结构设计

在AspenPluslO.0的ColumnInternal中选择OPT-RbSection-Results-summary进行板式塔分段设计，得到表1-9的设计结果。

表1-7T0204TrayingSizingResultandLimitingconditions

Sectionstartingstage2

Sectionendingstage15

CalculationModeSizing

TraytypeSIEVE

Numberofpasses1

Trayspacing0.6meter

Sectiondiameter2.6meter

Sectionheight8.4meter

Sectionpressuredrop0.107307147bar

Sectionheadloss(Hotliquidheight)1299.911451mm

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TrayswithweepingNone

PropertyValueUnitTrayLocation

Maximum%jetflood64.826328744

Maximum%downcomerbackup(aerated)29.000577164

Maximumdowncomerloading25.80640774cum/hr/sqm15Side

Maximum%downcomerchokeflood4.22231697315Side

Maximumweirloading12.88859594cum/hr-meter15Side

Maximumaeratedheightoverweir0.048164339meter6

Maximum%approachtosystemlimit35.370840555

MaximumCsbasedonbubblingarea0.085040582m/sec4

Sectionstartingstage16

Sectionendingstage25

CalculationModeSizing

TraytypeSIEVE

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中石化镇海炼化分公司年产26万吨醋酸乙烯项目设备设计及选型说明书

Numberofpasses1

Trayspacing1meter

Sectiondiameter2.6meter

Sectionheight10meter

Sectionpressuredrop0.13605815bar

Sectionheadloss(Hotliquidheight)1664.930325mm

TrayswithweepingNone

PropertyValueUnitTrayLocation

Maximum%jetflood82.182408825

Maximum%downcomerbackup(aerated)32.1978109425

Maximumdowncomerloading173.2840199cum/hr/sqm25Side

Maximum%downcomerchokeflood28.3518754625Side

Maximumweirloading73.30991582cum/hr-meter25Side

Maximumaeratedheightoverweir0.176244796meter25

Maximum%approachtosystemlimit51.3619580225

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MaximumCsbasedonbubblingarea0.104440576m/sec25

在AspenPluslO.0的ColumnInternal中选择OPT-Rl-Geometry数据输入参数

图1-1塔体分段设置

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图1-2塔板数