《苯乙烯生产的主要设备计算过程案例综述》4300字

苯乙烯生产的主要设备计算过程案例综述反应器该项目反应器主要分为三个部分，分别是烷基化反应器、烷基转移反应器和脱氢反应器。基于aspen获得反应器基本数据对反应器进行设计举例，以R0201脱氢反应器设计进行设计计算。反应器工艺设计反应器内原料组成（aspen数据）S0201(IN)S0210(IN)S0215(IN)S0202(OUT)温度℃750750750560压力bar1111气相分率1111体积流量cum/hr28142.45270477.173003.48265640.5焓流量Gcal/hr16.239-163.2021.803-147.949摩尔流量kmol/hr331.043180.0235.333836.81C2H400.006018.156CH400.008018.158C2H600.002018.154C6H60.0390036.341C7H8000.01718.168H2O0318003180C8H10330.56032.44536.3C10H140.446000.446C12H180000C16H260000C8H8002.8690H200.0050235.964质量流量kg/hr35157.70357288.9893744.98796191.604C2H400.160509.36CH400.120291.309C2H600.080545.866C6H63.080.01902838.73C7H8001.5711673.99H2O057288.59057288.6C8H1035094.7703444.623854.02C10H1459.850059.85C12H180000C16H260000C8H800298.79828654.21H200.010475.67质量密度kg/cum1.2490.2111.2460.362反应条件（1）设进料温度为750℃，反应温度为560℃，反应压力为0bar。（2）反应器为Z型径向反应器（3）反应进口流量V0=301623.1m3/h（4）催化剂采用GS-12催化剂，以下是催化剂参数：项目指标粒径/mm3长度/mm6堆积密度/kg/L1.35反应器催化剂用量的计算根据重时空速与催化剂的关系：m=式中，m为催化剂质量；G为进口原料气质量流速；WHSV为质量空速，查的乙苯质量空速为3h-1，故可得：m=催化剂的堆积密度为1350kg/m3，则催化剂床层体积：V催化剂一般装填整个反应器的40％~60％，本项目采用50％的装填量。则反应器体积：V=反应器直径和床层高度的计算根据有关规定，为了保证反应气流的稳定，固定床反应器的长径比一般为4~20之间，本项目采用6的长径比。床径的计算H=6D=12RV=πR=1.08mD=2R=2.16m床层高度的计算催化剂床层高度为：H=6D=12.96m反应器筒体壁厚的设计设计温度和设计压力的确定该反应器操作温度为560℃，取设计温度590℃；反应压力为0.1MPa，设计压力一般为反应压力的1.05~1.1倍，取设计压力0.11MPa。反应器材质的选择根据反应条件，以及本反应器中没有腐蚀性的物质，因此该反应器选用SS30408设备。反应器壁厚的计算筒体计算厚度：δ其中，Di为筒体内径2.16m；σtφ为焊接系数0.85；因此可得筒体厚度：δ取壁厚负偏差C1为0.5mm，腐蚀裕量C2为2mm因此δ向上圆整，名义厚度为5.0mm，为方便焊接、制造等。校核后壁厚更改为6mm。反应器筒体封头的设计封头选用标准型椭圆封头，材料与筒体相同采用SS30408，公称直径DN=2.16m，曲面高度h1=550mm，直边高度h2=40mm，封头高度为：H计算厚度：δ其中，Di为筒体内径2.16m；σtφ为焊接系数0.85；因此可得封头厚度：δ取壁厚负偏差C1为0.6mm，腐蚀裕量C2为2mm δ=向上圆整则名义厚度为5mm。校核后更改为6mm。反应器裙座设计因卸料的需要，要安装裙座，裙座采用圆柱型裙座。（1）裙座高度：H=2+（2）裙座厚度裙座厚度采用经验值20mm，同时开一个DN500mm的人孔管口设计该反应器有三个反应原料进口，根据基础数据可知进料流量分别是乙苯进料=28142.45m3/h、蒸汽进料=270477.17m3/h、循环乙苯进料=3003.48m3/h，其中原料气经济流速取10m3/s，蒸汽经济流速取50m3/s。则对于乙苯原料气进料来说，进口流速为7.8m3/s，可知：D=所以选取DN1000的管子。对于循环乙苯原料气进料来说，进口流速为0.8343m3/s，可知：D=所以选取DN350的管子。对于蒸汽进料来说，进口流速为75.13m3/s，可知：D=所以选取DN1400的管子。反应器设计小结表5-SEQ表5-\*ARABIC1反应器小结表反应器类型径向绝热固定床反应器设计压力/MPa0.11设计温度/℃590催化剂床层体积/m323.75内径/mm2160床层高度/m12.96筒体材质SS30408筒体壁厚/mm6封头材质SS30408封头壁厚/mm6曲面高度/mm550直边高度/mm40裙座类型圆柱型裙座裙座内径/mm2160裙座高度/m3.62裙座壁厚/mm20人孔直径/mm500人孔数量4反应器强度校核使用SW6-2011进行反应器强度校核，校核如下：图5-SEQ图5-\*ARABIC1校核结果图图5-SEQ图5-\*ARABIC2校核结果图塔设备塔设计条件流股参数基于aspen获得塔设备基本数据进行塔设计举例，以T0202提纯塔设计进行设计计算：首先确定T0202进料状态和组成，见下表5-2表5-SEQ表5-\*ARABIC2T0202进料状态与组成状态温度144.21℃压力1bar摩尔气相分率0摩尔液相分率1质量流量31804.55kg/h体积流量46.78m3/h摩尔组成％C7H8C8H10C10H14C8H80.005611.3350.14688.51然后确定T0202出料状态和组成。（1）塔顶采出塔顶采出主要是未反应的乙苯，见下表5-3表5-SEQ表5-\*ARABIC3塔顶采出状态与组成状态温度136.6℃压力1bar摩尔气相分率0摩尔液相分率1质量流量3744.99kg/h体积流量5.579m3/h摩尔组成％C7H8C8H10C10H14C8H80.048391.83微量8.12（2）塔底采出塔底采出为项目产品，主要成分是苯乙烯，见下表5-4表5-SEQ表5-\*ARABIC4塔底采出状态与组成状态温度145.36℃压力1bar摩尔气相分率0摩尔液相分率1质量流量28059.56kg/h体积流量41.21m3/h摩尔组成％C7H8C8H10C10H14C8H8微量0.7720.165699.06设计温度和设计压力根据GB150-2011，压力容器操作压力是指压力容器顶部气相压力，对T0202而言，为0.1MPa。塔顶装有安全阀，安全阀的整定压力是正常操作压力的1.05～1.1倍，设计压力应高于或等于安全阀的整定压力。因此设计压力为P=1.1Pw=0.11MPa塔顶温度为136.6℃，体系最高温度为146℃左右，设计温度需要比操作温度高15℃～30℃，因此取设计温度为170℃。介质名称及材料选择本操作含有乙苯和苯乙烯等无腐蚀性物质，故选择Q345R作为材料。总板数和加料板的确定由Aspen模拟出的理论板数为102块，理论加料板位置为第53块。图5-SEQ图5-\*ARABIC3理论板数优化图5-SEQ图5-\*ARABIC4进料板优化设计条件汇总设计温度/℃170设计压力/MPa0.11理论板数102加料位置53材料Q345R塔的选型选择板式塔里的浮阀塔，塔板效率高，处理能力较大，操作弹性好，且没有什么特别的缺点水力学校核水力学校核图5-SEQ图5-\*ARABIC5交互设计计算设计水力学结果如下图：图5-SEQ图5-\*ARABIC6交互设计计算水力学结果塔径圆整水力学校核根据国内塔径制造规定，当塔径大于800mm时，增长区间取100mm，故将塔径圆整为3700mm，浮阀塔具体设计如图：图5-SEQ图5-\*ARABIC7圆整后浮阀塔设置水力学结果如下图：图5-SEQ图5-\*ARABIC8圆整后水力学校核浮阀塔机械设计塔直径的确定根据水力学校核以及圆整的结果可以得到塔的直径确定3.7m。塔顶空间设计塔顶空间高HD：塔顶空间高度的作用是开人孔的需要，空间高度一般取1.0～1.5m，本设计中取HD=1m。塔底空间设计塔底空间具有储存槽以及开人孔的作用，塔底液最好能在塔底有10到15分钟的储量，以保证塔底料液不排完。对于塔底产量较大的塔，塔底容量可以取小一些，取2到5分钟的储量。根据Aspen的模拟结果，塔底出料为0.687m3/min，塔径为3.7m，因此计算在塔底空间放置液体收集装置，综合人孔设置，强度校核等，取HB=2m。设备筒体壁厚计算圆筒计算厚度δ其中，Pc为计算压力，可认为与设计压力P近似相等;Di为筒体内径3.7mσtφ为焊接系数0.85；从而δcδ取壁厚负偏差C1为0.5mm，腐蚀裕量C2为2mm因此δ向上圆整，名义厚度为4.0mm，为方便焊接、制造等。校核后壁厚更改为14mm。封头计算（1）上封头本设计采用标准椭圆形封头，材料与筒体相同为Q345R，公称直径为3.7m，曲边高度h1=900mm，直边高度h2=50mm，封头高度为H计算厚度：δ其中，Pc为计算压力，对于上封头可认为与设计压力P近似相等；Di为筒体内径3.7m；σtφ为焊接系数0.85；从而δcδ取壁厚负偏差C1为0.5mm，腐蚀裕量C2为2mmδ=向上圆整，名义厚度为4mm。校核后更改为14mm。（2）下封头下封头同理高度为0.975m，厚度为4mm。校核后更改为14mm。裙座设计（1）裙座高度本工艺中选择圆柱形裙座，材料选择Q345R，裙座计算高度如下：HQ=0.75Di+2000=4775mm（2）裙座厚度其厚度采用经验值30mm，同时裙座开一DN500mm的人孔。塔筒体及总高度确定筒体高度不包括封头与裙座：H=HD塔的总高度通过上述部件的高度确定，最后算得塔的总高度为：H=HD地脚螺栓大小及个数确定在本塔中，选择材料为Q345R，公称直径为33mm的地脚螺栓36个接管设计（1）进料接管设计根据Aspen的模拟结果，进料的体积流量为0.013m3/s，取流体经济流速为2m/s。则管道内径为d=根据GB/T8163-2008，选择Φ108×7mm规格的无缝钢管（2）塔顶冷凝器接管设计根据Aspen的模拟结果，可以得到塔顶经冷凝器液体流量为5.578m3/h，取流体经济流速为2m/s。则管道内径为d=根据GB/T8163-2008，选择Φ38×3mm规格的无缝钢管（3）塔底液体采出接管设计根据Aspen的模拟结果，可以得到塔顶经冷凝器液体流量为0.0114m3/s，取流体经济流速为2m/s。则管道内径为d=根据GB/T8163-2008，选择Φ95×4mm规格的无缝钢管塔设计小结表设计压力/Mpa0.11设计温度/℃170塔直径/mm3700理论板数102理论进料板53壳体材料Q345R塔总高/m71.725人孔数目（含裙座）3塔筒体壁厚/mm14封头壁厚/mm14封头材料Q345R裙座厚度/mm30地脚螺栓材料Q345R地脚螺栓大小DN33mm地脚螺栓数量36换热器设计示例——乙苯换热器E0201设计条件确定流股参数确定首先确定换热器各流股参数，见下表5-5表5-SEQ表5-\*ARABIC5换热器各流股参数流股名称压力/bar温度/℃质量流量/kg/s气相分率主要介质名称和组成壳程入口1135.7359.7921乙苯壳程出口0.89750359.7921乙苯管程入口18009.7661烟道气管程出口0.897609.7661烟道气管程、壳程的设计压力及设计温度该换热器的壳程工作温度为135.7℃~750℃，管程工作温度为760℃～800℃,进出口温度大于15℃，符合本项目经济温差。设计温度以工作温度为依据，一般比工作温度高15～30℃。这里取壳程设计温度为770℃，管程设计温度为820℃。该换热器的操作压力为壳程1bar，管程1bar。换热器的设计压力应为设计温度下的最大工作压力，一般为正常工作压力的1.1倍。这里取壳程设计压力为1.1bar，管程设计压力为1.1bar。EDR中换热器的压降设置为自动默认值。传热系数和污垢热阻传热系数是由传热膜系数、固壁热阻和垢层热阻计算而得。其中传热膜系数和固壁热阻为EDR自动默认值。该换热器为加热换热器，壳程介质主要为乙苯；管程介质为烟道气。本换热器壳程和管程介质污垢热阻分别为0.00017m2流体空间选择冷流体走壳程，热流体走管程选用材质材质选用碳钢EDR数据输入图5-SEQ图5-\*ARABIC9EDR核算输入图换热器结构参数的确定换热器结构选择确定（1）前端管箱的确定选用B型前端管箱。（2）壳体型式选择换热器的壳体选用使用最广泛的壳体型式，E型壳体。（3）后端管箱确定采取工业上常用的M型管箱。换热器结构选择确定图5-SEQ图5-\*ARABIC10EDR初步设计结构参数换热管选择（1）管子