设备选型与典型设备设计说明书

ShaanGu

陕鼓集团

“华东科技”-陡技杯

第十一届全国大学看化工核计竞蹇

浙能兰溪发电厂深度脱硫脱碳

及资源化利用项目

设备选型与典型设备设计说明书

2017年“华东科技一陕鼓杯”

第十一届全国大学生化工设计竞赛

浙能兰溪发电厂

深度脱硫脱碳及资源化利用项目

设备选型与典型设备

设计说明书

团队名称：“硫”住蓝天

指导老师：郭高丽、张婷、仝芳、胡立新、阳飞

团队成员：金科、夏春光、郝家乐、刘云成、安然

完成时间：2017年7月

浙能兰溪发电厂深度脱硫脱碳及资源化利用项设备选型与典型设备设计说明书

目录

第一章总述...............................................................1

1.1过程设备的基本要求................................................1

1.2过程设备设计的作用................................................1

1.3过程设备设计与选型的主要内容......................................1

第二章反应器设计.........................................................3

2.1概述..............................................................3

2.2反应器类型........................................................3

2.2.1釜式反应器（反应釜）........................................3

2.2.2管式反应器..................................................4

2.2.3固定床反应器.................................................4

2.2.4流化床反应器................................................5

2.2.5反应器的设计条件............................................5

2.2.6反应器计算结果..............................................5

2.3二氧化硫催化氧化反应器设计........................................6

2.3.1催化剂的选取及反应条件......................................6

2.3.2反应器的选择................................................6

2.3.3反应动力学..................................................6

2.3.4反应器计算..................................................8

2.3.5SW6-2011强度校核..........................................25

2.4碳酸丙烯酯合成反应器设计.........................................31

2.4.1反应特征...................................................31

2.4.2反应动力学.................................................32

2.4.3反应工艺优化...............................................32

2.5分离方案的选择...................................................36

2.6反应器结构设计...................................................37

2.6.1预反应器的设计.............................................37

2.6.2反应器的设计...............................................37

2.6.3SW6-2011强度校核..........................................40

2.7反应器设备条件图.................................................47

第三章反应釜............................................................48

3.1概述.............................................................48

3.1.1反应釜的应用...............................................48

3.1.2搅拌反应釜的发展现状.......................................49

3.2釜体和夹套的设计.................................................50

3.2.1筒体的设计.................................................50

3.2.2材料选择...................................................51

3.2.3釜体的长径比与填料系数.....................................52

3.2.4釜体直径和高度计算.........................................53

3.3筒体及封头的厚度计算.............................................54

3.3.1简体的厚度计算.............................................55

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3.3.2封头的壁厚计算.............................................56

3.3.3釜体的水压试验.............................................58

3.3.4釜体的压力表量程要求.......................................58

3.3.5釜体的水压试验操作过程.....................................58

3.4夹套及夹套封头厚度计算...........................................59

3.4.1确定夹套的直径和高度.......................................59

3.4.2夹套类型的选择.............................................59

3.4.3夹套厚度计算...............................................60

3.4.4夹套的水压试验及其强度校核.................................61

3.4.5夹套的压力表量程要求.......................................62

3.4.6夹套的水压试验操作过程.....................................62

3.5封头与筒体的连接.................................................62

3.6传热面积校核.....................................................64

3.7搅拌装置设计.....................................................64

3.8搅拌器的设计.....................................................66

3.8.1叶轮设计...................................................66

3.8.2搅拌器功率计算.............................................68

3.8.3搅拌轴的设计...............................................69

3.9反应釜传动装置...................................................71

3.9.1电动机的选择................................................71

3.9.2减速器的选择...............................................72

3.9.3机架.......................................................73

3.10反应釜的密封装置................................................74

3.10.1填料密封...................................................74

3.10.2机械密封..................................................76

3.10.3密封装置的选择.............................................78

3.10.4机械密封的设计计算........................................78

3.10.5辅助密封材料的设计选材....................................81

3.10,6密封装置整体设计..........................................83

3.11附件............................................................83

3.11.1凸缘法兰...................................................83

3.11.2安装底盖..................................................84

3.11.3联轴器的选择..............................................85

3.11.4设备支座..................................................86

3.11.5吊耳的设计.................................................88

3.11.6设备接管的设计............................................88

3.11.7开孔补强设计..............................................91

第四章气液分离器........................................................96

4.1设计依据.........................................................96

4.2分离器类型的选择.................................................96

4.3立式重力分离器的尺寸设计.........................................96

4.3.1V0101气液分离器...........................................96

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4.3.2直径计算...................................................98

4.3.3高度计算...................................................98

4.3.4入口接管...................................................99

4.3.5出口接管...................................................100

4.3.6壁厚计算..................................................100

4.3.7液压试验..................................................101

4.4卧式重力分离器的尺寸设计........................................101

4.4.1V0302气液分离器...........................................101

4.4.2浮动流速..................................................102

4.4.3直径计算...................................................102

4.4.4分离器圆筒部分的长度......................................103

4.4.5分离器液面高度............................................103

4.4.6进出口接管直径............................................103

4.4.7壁厚计算..................................................104

4.4.8液压试验..................................................104

4.5气液分离器一览表................................................105

第五章蒸发器...........................................................106

5.1概述............................................................106

5.1.1循环式换热器..............................................106

5.1.2单程型换热器...............................................107

5.1.3直接接触传热的蒸发器......................................108

5.2蒸发器选型原则..................................................108

5.2.1选型应考虑的有关因素......................................109

5.2.2选型的定性准则............................................109

5.3设计实例........................................................110

5.3.1原料物性..................................................110

5.3.2蒸发器操作条件............................................110

5.3.3各效蒸发量和完成液浓度的计算..............................111

5.3.4各效溶液沸点和有效温度差的确定............................111

5.3.5加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算........................114

5.4蒸发器的传热面积................................................115

5.5有效温度的再分配................................................116

5.5.1重新分配各效的有效温度差：.................................116

5.5.2重复上述计算步骤...........................................116

5.6计算结果如下表..................................................118

5.7蒸发器工艺尺寸计算..............................................119

5.8接管尺寸的确定..................................................122

5.8.1溶液进出口................................................122

5.8.2加热蒸汽进口与二次蒸汽出口................................122

5.8.3冷凝水出口................................................123

5.9蒸发装置的辅助设备..............................................123

5.9.1气液分离器................................................123

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5.9.2蒸汽冷凝器................................................123

5.9.3泵的选型...................................................125

5.9.4预热器的选择..............................................125

5.9.5主要设备强度计算及校核.....................................126

第六章换热器设计.......................................................129

6.1换热器设计依据..................................................129

6.1.1选型原则..................................................129

6.1.2换热器命名................................................130

6.2换热器工艺方案的确定............................................130

621换热器概述.................................................130

6.2.2换热器选型................................................131

6.2.3换热管规格选择............................................134

6.2.4壳程数和台数..............................................135

6.2.5工艺条件选择..............................................135

6.2.6换热器设计条件............................................139

6.2.7换热器计算结果............................................139

6.3换热器设计E0104/E0201举例......................................139

6.3.1工艺模拟数据(E0104)................................................................................139

6.3.3换热器E0201工艺模拟数据..................................147

6.4换热器的机械设计及校核..........................................149

6.4.1选材......................................................149

6.4.2管板的选择.................................................149

6.4.3E0104换热器强度校核.......................................150

6.4.4E0201换热器强度校核.......................................175

6.5换热器设备条件图................................................190

第七章结晶釜...........................................................191

7.1结晶釜的结构....................................................191

7.1.1结晶釜的功能和用途.........................................191

7.1.2结晶釜的反应条件...........................................191

7.2各部分结构尺寸的确定和设计计算..................................192

7.2.1筒体的设计.................................................192

7.2.2封头与简体的连接..........................................203

7.2.3传热面积校核..............................................204

7.2.4搅拌装置设计..............................................205

7.2.5反应釜传动装置............................................211

7.2.6反应釜的密封装置..........................................214

7.2.7附件......................................................223

728设备接管的设计.............................................228

7.2.9开孔补强设计..............................................230

第八章流化床干燥器选型设计.............................................235

8.1概述............................................................235

8.1.1流态化现象................................................235

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8.1.2流化床干燥器的特征........................................236

8.1.3流化床干燥器的形式........................................237

8.1.4干燥器选形时应考虑的因素..................................237

8.1.5干燥原理..................................................238

8.2主体设备设计及工艺计算..........................................238

8.2.1主体设备的选择............................................238

8.2.2辅助设备的选择............................................239

8.2.3物料离开干燥器的温度夕...................................240

8.2.4干燥器工艺尺寸设计........................................242

8.3干燥器结构设计..................................................245

8.3.1布气装置设计..............................................245

8.3.2分隔板设计................................................246

8.3.3物料出口堰高h..........................................................................................247

8.4干燥器设计结果表................................................247

8.5附属设备的设计与选型............................................249

8.5.1物料供给器的选择..........................................249

8.5.2空气加热器................................................250

8.5.3送风机和抽风机............................................250

第九章储罐的选型设计...................................................251

9.1储罐选型依据....................................................251

9.2概述............................................................251

9.2.1立式平底筒形储罐的选型方法................................252

9.2.2球形储罐的选型方法........................................252

9.3原料储罐........................................................252

9.3.1液氨储罐..................................................252

9.3.2环氧丙烷储罐..............................................253

9.4产品储罐........................................................253

9.4.1硫酸储罐..................................................253

9.4.2丙二醇储罐................................................254

9.4.3碳酸丙烯酯储罐............................................254

9.5储罐选型一览表..................................................255

第十章泵选型设计.......................................................256

10.1泵的概述及选型依据.............................................256

10.2工业用泵的分类和适用范围.......................................256

10.3化工装置对泵的要求.............................................257

10.4泵的选型原则...................................................258

10.5新型屏蔽泵（P0308）的选型......................................259

10.5.1选型方法.................................................259

10.5.2进出口液体流速...........................................260

10.5.3扬程计算.................................................260

10.5.4选型结果.................................................261

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10.6其他泵的选型........................................................261

10.7泵选型一览表.......................................................265

第十一章压缩机、鼓风机选型设计.............................................266

11.1选型原则............................................................266

11.2选型结果............................................................267

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第一章总述

1.1过程设备的基本要求

过程设备最基本的要求是满足安全性与经济性。安全是核心，在充分保证安全的前

提下尽可能做到经济。经济性包括经济的制造过程、经济的安装、使用与维护、设备的

长期安全运行本身就是最大的经济。在满足工艺要求的前提下，为了确保安全与经济，

过程设备应满足以下基本要求。

首先，结构合理、安全可靠，过程设备上所有部件都必须有足够的强度、刚度和稳

定性、可靠的密封性和一定的耐久性；其次，设备必须具有先进的技术经济指标，技术

经济指标是衡量过程设备优劣的重要参数；然后，运转性能好、操作简单、运转方便；

最后，还要具有优良的环境性能。

上述要求很难全部满足，设计选用时应针对具体问题具体分析，满足主要要求，兼

顾次要要求。

1.2过程设备设计的作用

设备工艺设计是工程设计的基础。化工设备从工艺设计的角度可以分为两类：一类

是标准设备或定型设备，是成批、成系列生产的设备，并可以从厂家的产品目录或手册

中查到其规格及型号，可直接从设备生产厂家购买；另一类是非标设备或称非定型设备,

是根据工艺要求、通过工艺计算及设备专业设计人员设计、需要专门设计的特殊设备，

然后由有资格的厂家制造。

1.3过程设备设计与选型的主要内容

（1）确定单元操作所用设备的类型：这项工作应与工艺流程设计结合起来进行。

（2）确定设备的材质：根据工艺操作条件（温度、压力、介质的性质）和对设备

的工艺要求确定符合要求的设备材质。这项工作应与设备设计专业人员共同完成。

（3）确定设备的设计参数：设备的设计参数是由工艺流程设计、物料衡算、热量

衡算、设备的工艺计算多项工作得到的。对不同的设备，它们有不同的设计参数。对塔

“硫”住蓝天

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设备，需要确定进出口物料的流量、组成、温度、压力塔径与塔的材质、填料类型与填

料高度或塔板类型与塔板数等，对于精储塔还要确定塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负

荷、换热流体的种类等；对换热器，则需要知道热负荷、换热面积、冷热流体的种类及

流量。

（4）确定定型设备（即标准设备）的型号或牌号以及数量：定型设备是一些加工

厂成批、成系列生产的设备，即那些可以直接向生产厂家订货或购买的现成设备。对已

有标准图纸的设备，确定标准图的图号和型号。随着中国化工设备标准化的推进，有些

本来用于非标设备的化工装置，已逐步走向系列化、定型化。这些设备包括换热器系列、

容器系列、搪玻璃设备系列以及圆泡罩、F1型浮阀和浮阀塔塔盘系列等已有相应的国

家标准。

（5）对非标设备：向化工设备专业设计人员提出设计条件和设备草图，明确设备

的型式、材质、基本设计参数、管口、维修安装要求、支承要求及其他要求（如防爆口、

人孔、手孔、卸料口、液面计接口等）。

（6）编制工艺设备一览表：在初步设计阶段，根据设备工艺设计的结果，编制工

艺设备一览表，可按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制。初步设计阶段的工艺设

备一览表作为设计说明书的组成部分提供给有关部门进行设计审查。

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第二章反应器设计

2.1概述

化学反应器是将反应物通过化学反应转化为产物的装置，是化工生产及相关工业生

产的关键设备。由于化学化学反应种类繁多、机理各异，因此，为了适应不同反应的需

要，化学反应器的类型和结构也必然差异很大。反应器的性能优良与否，不仅直接影响

化学反应本身，而且影响原料的预处理和产物分离，因此，反应器设计过程中需要考虑

的工艺和工程因素应该是多方面的。

反应器设计的主要任务首先是选择反应器的型式和操作方式，然后根据反应和物料

的特点，计算所需的加料速度、操作条件（温度、压力、组成）及反应体积，并以此确

定反应器主要构件的尺寸，同时还应该考虑经济的合理性和环境保护等方面的要求。

2.2反应器类型

2.2.1釜式反应器（反应釜）

这种反应器通用性很大、造价不高、用途最广。它可以连续操作，也可以间歇操作。

连续操作时可以多个釜串联反应，停留时间可以有效地控制。国家已有K型和F型两类

反应釜列成标准。K型是有上盖的釜，形状偏于“矮胖型”（长径比较小）。F型没有

上盖形状则偏于“瘦长型”（长径比较大），材质有碳钢、不锈钢、搪玻璃等几种。高

压反应器、真空反应器和常减压反应器、低压常压反应器都已系列化生产，供货充足。

有些化工机械厂家接受修改图纸进行加工，化工设计人员可以提出个别的特殊要求，在

一系列反应釜的基础上，加以改进。

釜式反应器的传热面积和搅拌形式基本上都是固定的。在选型设计时，如不能选用

系列化产品应当提出设备设计条件，依修改型加工。

釜式反应器比较灵活通用，在间歇操作时，只要设计好搅拌，可以使釜温均一、浓

度均匀、可以调控反应时间，也可以常压、加压、减压操作，范围较大，而且反应结束

后出料容易、清洗方便，其机械设计亦十分成熟。

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釜式反应器可用于串联操作，使物料从一端流入，在另一端出料形成连续流动。多

釜串联时，可以认为形成活塞流，反应物浓度和反应速度恒定，反应还可以分段进行控

制。

2.2.2管式反应器

近年来此种反应器在化工生产使用越来越多，而且越来越趋向大型化和连续化。它

的最大特点是传热面积大、传热系数高、反应可以连续化、流体流动快、物料停留时间

短，经过一定的控制手段，可以使管式反应器具有一定的温度梯度和浓度梯度。根据不

同的化学反应，可以有直径和长度千差万别的形式。此外，由于管式反应器直径较小(相

对于反应釜)因而能耐高温、高压。由于管式反应器结构简单、产品稳定，塔的应用范

围越来越广。

管式反应器可以用于连续生产，也可以用于间歇操作，反应物不返混。管长和管径

是反应器的主要指标，反应时间是管长的函数，管径决定于物料的流量，反应物浓度在

管长轴线上，浓度呈梯度分布，但不随时间变化，不像单间歇釜操作那样。

2.2.3固定床反应器

此种反应器主要用于气/固相反应，其结构简单、操作稳定、便于控制、易于实现连

续化。床型多种多样、易于大型化，可根据流体流动的特点，设计和规划床的内部结构

和内构件排布。固定床反应器是近代化学工业使用较早由较普遍的反应器，此类反应器

有较高的反应温度、较大的传热面积、较高的气体流速、较高的传热和传质系数，加热

的方式比较灵活。

基本类形有以下3种：

(1)轴向绝热式：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：流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动形式，床层与

外界不发生热交换。与轴向绝热式反应器相比，径向绝热式反应器中流体流动的距离较

短、流道截面积较大、流体的压力降较小，但结构较复杂。轴向绝热式固定床反应器和

径向绝热式固定床反应器都属于绝热反应器，适用于反应热效应不大或反应系统能够承

受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。

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（3）列管式固定床反应器：是由多根反应管并联构成，适用于热效应较大的反应。

但是固定床反应器床层的温度分布不容易均匀，由于固相粒子不动，床层导热性不太好，

因此对于放热量较大的反应，应在设计时增大传热面积、及时移走反应热，但相应地减

小了有效空间，这是此类床型的缺点，尽管后起的流化床在传热上有很多优点，但由于

固定床结构简单、操作方便、停留时间较长且易于控制、加上化工工程使用的习惯，因

此固定床仍不能完全被流化床所取代。

2.2.4流化床反应器

流化床反应器的特点是细的或粗的固体粒子在床内不是静止不动的，而是在高速流

体的作用下，被扰动悬浮起来，剧烈运动，固体的运动形态接近于可以流动的流体，故

称为流化床。由于物料在床内如沸腾的液体（被很多气泡悬浮），因此又称沸腾床。使

固体流态化的介质（也可以是液体），因此流化床越来越被化工工程师重视，适用于气

/固和液-固相反应。

流化床反应器的最大优点是传热面积大，传热系数高，传热效果好。流态化较好的

流化床，其床内各点温度相差不会超过5C,可以防止局部过热。流化床的进料、出料、

排废渣都可以用气流流化的方式进行，易于实现连续化、易于实现自动化生产和控制，

生产能力较大，在气相/气相反应物（固相催化）、气相/固相反应物、气相/液相反应物

（固相催化）、液相/液相反应物（固相催化）以及液相/固相反应物体系中越来越普遍

地被应用。

由于流化床体系内物料返混严重，粒子磨损严重，通常要有粒子回收和集尘的装置，

另外存在床型和构件比较复杂、操作技术要求高以及造价较高等问题。

2.2.5反应器的设计条件

本项目所采用的反应器为固定床管壳式反应器，详细的设计条件一览表见《附录-4

设备选型一览表》1.2节反应器选型一览表。

2.2.6反应器计算结果

本项目反应器的计算结果包括：设备筒体壁厚、封头壁厚、管板壁厚、设备法兰复

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核，详细计算结果见《设计源文件》中《SW-6强度校核设计源文件》的反应器强度设计

计算书。

2.3二氧化硫催化氧化反应器设计

2.3.1催化剂的选取及反应条件

S109-1型宽温区锐催化剂兼具中、低温帆催化剂的特性。起燃温度低，低中温活性

好，在一转一吸和两转两吸制酸系统的转化器各段中均能使用。在硫酸厂中实际应用证

明，S109-1可缩短开车时间，降低能耗,提高转化率，减轻环境污染。S109-1可同时代

替S108型低温催化剂和S101型中温催化剂。

表2-1S109-1锐催化剂性能及反应条件

化学组成：〜

V2O5：8.2〜8.6%SiO2：60〜65%K/V2.652.75%

颜色：黄色或棕黄色外形：05X5-堆积密度：0.65〜

15圆柱形颗粒0.70kg/L

物理性质

活性（S02转化率）：410（时230%；485℃径向压裂强度（酸泡）：》

时281%5kg/cm

工业起燃温度340〜35（TC操作温度范围380〜640℃

操作压力常压空速2000b-1

2.3.2反应器的选择

本工艺反应为S02催化氧化反应，进反应器前原料气体组成：21.7%SO2,17.1%02,

61.2%N2O由于原料气中的SO2很高，为了很好的控制反应温度，便于传热，故选择列

管式固定床反应器。它的优点有：传热较好、管内温度较易控制；返混小、选择性较高;

催化剂机械损耗小；结构简单、投资和操作费用相对较小。

2.3.3反应动力学

目前硫酸工业中二氧化硫催化氧化反应所用催化剂仍然是钢催化剂，也称为帆触

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媒。以五氧化二钢（V2O5含量5%〜10%为主催化剂，氧化钾（库0）为助催化剂，以

硅藻土（主要成分是SiCh）为载体而制成的。在工业生产条件下，二氧化硫催化氧化作

为气-固相催化反应，反应分为吸附、表面反应和脱附三个过程。

1、帆催化剂上存在着活性中心，氧分子吸附在它上面后，0-0键遭到破坏甚至断

裂，使氧分子变为活泼的氧原子，它比氧分子更易与S02反应

2、SO2吸附在锐催化剂的活性中心，S02中的S原子受活性中心的影响被极化。因

此很容易与原子氧结合在一起，在催化剂表面形成络合状态的中间物种。

3、这一络合状态的中间物种，性质相当不稳定，经过内部的电子重排，生成了性

质相对稳定的吸附态物。催化剂•SO2•0-＞催化剂•SO3

4、吸附态物种在催化剂表面解吸而进入气相。

根据所使用S02催化氧化的催化剂，反应模拟使用的反应动力学模型为

T.K.Bopeck\方程:

KTP。。-时

r=---------------...........—

1+A.以

Pso,

式中：lg/G=粤亘—4.6455；---------加示一。

Pso；P。2Kp

在653K~733K范围内A=0.80,在733K~843K范围内A=0.89。

根据反应的不同温度范围，动力学模型分别为：

在653K~733K范围内

-123035（2、

4.8713x10xe/尸o

Y=----------------

p

l+0.8x^oi

Po,

在733K~843K范围内

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浙能兰溪发电厂深度脱硫脱碳及资源化利用项设备选型与典型设备设计说明书

-67300

5.3824X©

r=------------

l+0.89x

2.3.4反应器计算

为了达到较高的转化率，固定床列管式反应器采用四段催化剂床层进行so,气体的

转化，经过前三段转化后的气体进入到第一吸收塔T0202进行吸收后，再经过第四段催

化剂转化的气体进入到第二吸收塔T0203。

表2-2反应器进出物流信息

第一段第二段第三段第四段

inoutinoutinoutinout

温度。C430583.08480510.37440467.36420425.07

压力0.10.10.10.10.10.10.10.1

MPa

气相分11111111

率

质量流1737.181694.331694.331737.171737.171737.17923.64923.64

率kglh3656564747343736

体积流1065.14965.932965.932971.980971.980950.936723.53721.94

248888123

m/h

密度1.63091.75411.75411.78731.78731.82681.27661.2794

kgini

组分质量流率总/〃

so2659.869263.947263.94792.38192.38176.59879.48160.3972

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