【异丙醇生产项目的设备设计与选型分析案例7500字】

异丙醇生产项目的设备设计与选型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u10551异丙醇生产项目的设备设计与选型分析案例 176681.1设备选型概述 2151861.2反应器设计 238161.2.1反应器类型选择 2301461.2.2催化剂性能 2118571.2.3反应器工作参数 3183031.2.4反应器中心管及管数计算 3217181.2.5反应器内径的计算 3322151.2.6反应器筒体壁厚计算 4155371.2.7反应器接管计算 430061.2.8反应器封头及支座计算 541541.2.9反应器设计结果汇总 5124341.2.10反应器设计一览表 6322731.3塔设计 687481.3.1产品塔T202设计 619251.3.2塔径的计算 9154021.3.3溢流装置的设计 1089881.3.4塔板计算 1217501.3.5流体力学验算 13236551.3.6塔高计算 17148831.有效传质高度 1791071.3.7接管计算 18177991.3.8壁厚设计 18210691.3.9异丙醇产品塔工艺参数 19275891.3.10塔设备一览表 20227701.4泵选型 20148151.4.1泵的性能负荷图 22241051.4.2泵安装图 2268601.4.3泵实物图 23113451.4.4泵选型结果一览表 2355411.5气液分离器 23254571.5.1浮动（沉降）流速的计算 24292811.5.2直径的计算 24234321.5.3高度计算 2585421.5.4进出口管径计算 25170021.5.5气液分离器V201设备一览表 25256731.6压缩机选型 2665501.7换热器选型 26274231.7.1设计条件 2670781.7.2传热系数及污垢热阻 26282531.7.4EDR设计结果 2736521.7.5选型结果 29224311.8混合器选型 30278511.9储罐选型 301.1设备选型概述根据物料衡算和能量衡算的结果，对设计项目的设备进行计算与选型，进而确定设备的类型规格、主要尺寸和数量，为车间布置设计及非工艺设计项目提供足够的设计数据，以确保设计项目的合理性、先进性。1.2反应器设计1.2.1反应器类型选择丙酮加氢法生产异丙醇工艺中主要反应器类型为固定床。结构简单，操作稳定，便于控制，易于实现连续化是固定床反应器的特点。催化剂在固定床反应器中不易磨损，与反混式的反应器相比，固定床反应器反应速率较快。因此本设计项目采用的反应器类型为固定床反应器。结合生产现状，本项目有一台固定床反应器，设备位号为R101。1.2.2催化剂性能本项目催化剂采用雷尼镍作为催化剂，催化剂的理化性能[20-23]见表6-1表6-1催化剂理化性能指标名称指标外观黑色柱状颗粒堆积密度/（g/ml）1.6形状规格/mm为4×4mm的柱状颗粒化学组成Ni/C抗压强度300空隙率0.45粒径/mm4×4mm以下对反应器R101进行设计催化剂床层体积如下计算得出由模拟的工艺流程得出，反应器进口总体积流率为315.58m3/h，既催化剂床层的总体积：

V式中：VR为催化剂的填充量，m3VON为原料体积流量，mSV体积空速，hV根据催化剂规格，该催化剂的空隙率为ε=0.52，由以下公式计算催化剂的实际体积：V催化剂填装密度为1600kg/m3，反应器催化剂质量为：M催=VR×ρ催=38.25×1600=61200kg1.2.3反应器工作参数本项目固定床反应器的工作参数见表6-2表6-2反应器主要工作参数设计压力/MPa设计温度/℃反应空速/h-14.001001600固定床反应器的床层截面积及高度计算：取标准状态下空管气速为uo=0.03m/s则床层截面积A=床层高度H=选用管长为14米的管子。1.2.4反应器中心管及管数计算根据相关的实际经验，本设计初步选用的是Φ34×2.5mm的碳钢钢管。列管内径为：d列管截面积为：S=列管根数为：N=V1.2.5反应器内径的计算反应器的内径如下式计算：D=t式中：D—壳体内径，m；t—管中心距，m；b’—管束中心线最外层管的中心至壳体的距离，b’=（11.5）do，本设计管子排列方式按正三角形排列，nt=1.4取bnc所以反应器的内径有D=0.048×圆整后反应器的内径取5.5m。1.2.6反应器筒体壁厚计算1.材料选择本次设计选用的筒体材料是12CrMo。在计算时，取不锈钢腐蚀裕的值为1mm；焊接的方式采取双面焊对接，100%无损探测，焊接系数φ=1。2.筒体壁厚计算根据筒体壁厚计算公式：Pδn=式中：δ—壳体厚度，mm；P—操作时可能的最大压力；[σ]t—操作温度范围内的许用应力，Pa；Φ—焊接系数；C1—厚度负偏差，mm，取0.3mm；C2—腐蚀裕量，取1mm；D—壳体内径，mm。圆整后名义壁厚为69mm有效壁厚为：δ3.水压试验校核在进行水压试验时，[σ]=181MPa，ReL=305MPa。将上述的数据代入，则反应器的水压试验压力为：P将以上计算得出的数据代入校核公式得试验条件下的计算压力为：σ0.9φ因为有σT<0.9ΦReL，所以所选材料水压试验的强度足够。1.2.7反应器接管计算（1）反应器进料管原料进料体积流量为315.58m3/h，设定反应器进口流速为0.12m/s，则反应器进料管管径为：d=采用无缝钢管，选择φ1016×50mm。（2）反应器出料管反应物出口体积流量为58.52m3/h，选取出口流速为1m/s，管径为：d=采用无缝钢管，选用管径为ϕ200×30mm的管道。1.2.8反应器封头及支座计算选用椭圆型封头，取Pc取形状系数K=1，δ取C1=0.3mm，C2=1mm，则名义壁厚δ圆整后封头厚度为69mm，结合工业实际，取反应器的封头厚度69mm。下面对反应器封头进行水压试验设计，水压试验如下：P将数据代入校核公式得试验条件下的计算压力为：σ0.9φ故有σT<0.9ΦReL，故满足水压试验要求。1.2.9反应器设计结果汇总反应器R101工艺参数见表6-3表6-3反应器R101工艺参数项目数值及计算设计压力/MPa4设计温度/℃100摩尔流量/（kmol/h）492.45空速/h-11200反应器直径/mm5500筒体壁厚/mm69封头壁厚/mm69催化剂用量/kg61200出料管尺寸/mmΦ200×30进料管尺寸/mmΦ1016×50催化剂床层体积/m338.25反应器筒体材料12CrMo中心管尺寸/mmΦ34×2.51.2.10反应器设计一览表表6-4反应器一览表位号设备名称类型尺寸/mm封头操作温度/℃操作压力/MPa材料厚度/mm重量/kg数量R101丙酮加氢反应器固定床反应器Φ5500×14000标准椭圆封头100412CrMo696450011.3塔设计本项目共有两个塔设备，分别为回收塔T201、产品塔T202，根据《化工单元操作课程设计》[24]，以下对产品塔T202进行设计过程说明。1.3.1产品塔T202设计由Aspen模拟软件可得产品塔T202水力学参数分布见表6-5。表6-5产品塔水力学参数分布数据-1塔板液相温度汽相温度液相质量流量汽相质量流量液相体积流量汽相体积流量℃℃kg/hrkg/hrl/minl/min171.115171.393328197.928197.9643.775282511271.393371.598921958.728224.9501.623280593371.598971.789921971.328242.5502.233278684471.789971.976621989.928251.1502.725276798571.976677.161422001.828268503.167274940677.161477.345122013.228279.4503.592273109777.345177.528122024.928291.1504.019271307877.528177.710922037.428303.6504.462269532977.710977.89422051.428317.6504.9342677861077.89478.081529723.528781.7680.8112702311178.081578.265429750.128808.3681.6532685691278.265478.450429779.528837.7682.5432669411378.450478.64022981628874.2683.5742653541478.640278.840529861.628924.8684.92638201578.840579.062629943.529001.7681.7812623621679.062679.333330069.229127.4689.6942610211779.333379.3333941.798021.59730表6-5产品塔水力学参数分布数据-2塔板液相密度汽相密度液相粘度汽相粘度液相表面张力gm/ccgm/cccPcPmN/m10.7300140.001663530.555980.0091405124.276820.7295880.00167650.5532770.0091438322.229230.7292880.001689040.5509650.0091478822.188740.7290250.001701370.5487150.0091523622.147750.7287780.001713590.5464790.0091570422.105360.728540.001725770.5442490.0091617922.060270.7283090.001737950.5420210.0091665222.009880.7280830.001750170.5397880.0091711721.9590.7278630.001762450.5375410.0091757121.8728100.727650.001775130.5352680.0091793521.7625110.7273990.001787760.5331040.0091830721.5878120.727170.00180050.5308940.0091866821.2824130.7269630.001813570.5285610.0091898720.7232140.7267870.001827310.525990.0091921219.8535150.7266630.001842350.5229790.0091926119.0258160.7266310.001859840.5191570.0091899918.9947170.7267850.51383218.959表6-5水力学参数分布数据-3塔板起泡指数流量参数蒸汽减少量减少因子dyne/cml/min(g/ml.5/min10.03404671775.9250202.32-2.047580.02642891872.7852293.93-0.04045350.02658971862.3151988.24-0.04098430.02674791851.7751680.85-0.04240460.02690221841.0251367.46-0.04517880.02705121829.7951040.47-0.05034050.02719171817.6650687.98-0.05980430.02731881803.9250289.49-0.07726320.02742341787.3549809.510-0.1102150.02748811765.6949184.211-0.1747030.02747671734.6348289.512-0.3054380.02731221685.7446883.313-0.5592270.02687931607.344462614-0.8696810.02617871525.444221515-2.040820.109812173.4759891.116-0.0311010.1102182168.2359730.917-0.03561550.1106652161.959539.3以产品塔T202的1-17块塔板的水力物性参数的平均值进行设计，基本物性参数见表6-6。表6-6产品塔基本物性参数塔板1-17液相体积量/（m3/h）汽相体积量/（m3/h）液相密度/（kg/m3）汽相密度/（kg/m3）液相粘度/cp汽相粘度/cp液相表面张力/mN/m1-1733.1715292.27728.061.650.5350.008611.421.3.2塔径的计算以AspenPlusv11化工过程模拟软件模拟数据为依据，塔板间距取HT=0.6m，板上清液层高度=0.10m，有：HT由液气动能参数可算得：L图6-1史密斯关联图由0.045查图6-1史密斯关联图得到负荷系数C所以C=再将C=0.12，ρL=728.06kg/mu为了塔设备操作安全可控以及防止雾沫夹带及液泛的发生，在u=0.6~0.8umax中进行取值，本设计则u=0.6umax=0.6×2.52=1.51m/s根据塔径计算公式可得：D=圆整后塔径取2m。塔截面积A空塔气速u=1.3.3溢流装置的设计由于塔径为2m，以及液体体积流量为33.48m3/h，根据塔的直径和液体流量较小的情况，本项目设计选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘，则有：（1）溢流堰堰长lw：取lw=0.6D（2）溢流堰高度hW本设计选用的是平直溢流堰板，先计算：图6-2液流收缩系数图由VLlw2.5=21.03查图6-2h因为howh（3）弓形降液管宽度Wd和截面积图6-3弓形宽度和面积图根据lwD=0.6，查图6-3弓形宽度和面积图得：A（4）液体在降液管中停留的时间为：θ=因此本设计降液管的设计是合理的。（5）降液管底隙高度h0h所以降液管底隙高度设计合理，可以选用凹形受液盘。1.3.4塔板计算本次采用单溢流型塔板，开孔区面积的计算如下：A在式中：边缘区WC取值为50mm；安定区宽度Ws的取值为x=R=A=本设计采用筛孔直径为d0=0.0127m，筛孔的排列方式按正三角形排列，取孔中心距t为：t=3d采用正三角形排列，筛孔的数目为n=1.155A开孔率按以下计算得出ϕ=10.1%≤15%，符合工业要求开孔面积为Ao=0.101×0.92=0.093m2气体通过阀孔的气速为uo1.3.5流体力学验算塔板压降是气体在通过筛板的时后，需要克服筛板本身的干板阻力和板上气液层的阻力以及液体表面张力所造成的阻力。h1.求取干板压降h因为do=12.7mm，由图6-6筛孔流量系数图查得c0=0.81hc图6-4筛孔流量系数图2.求气体通过液层阻力hhu由ua=Fβ为充气系数，由图6-7充气系数关联图查得β=0.58图6-5充气系数关联图h3.求取干板压降hhhh∆本设计将计算得出的塔径、塔板间距等数据带入AspenPlusev11中的塔内件进行核算，数据参数的输入如图6-4、6-5所示。输入筛孔直径12.7mm图6-5塔内件精馏段参数图6-6塔内件提馏段参数在完成参数输入后，利用Aspen软件进行模拟，通过模拟获得了每块塔板的负荷性能图，以第10块进料板作为示例见图6-7，操作点位于操作范围内，同时未出现警告和错误，模拟是结果可行的。图6-7进料板负荷性能图其他的塔板负荷性能图见图6-8图6-8其他塔板负荷性能图1.3.6塔高计算1.有效传质高度根据Aspen模拟软件，本次设计的塔板效率ET取65%。则实际板数为：N=式中ET——全塔效率。2.料板间距选择进料板间距为HT3.塔顶空间高度对于塔顶空间，工业上一般取的值为(1.5~2.0)HT，本设计塔顶空间高度取值为HD=2×0.6=1.2m。4.塔底空间高度塔底空间指的是在塔内最下层塔底间距。它的大小是由两个因素决定，一是在塔底中驻液空间依贮存液量停留的时间而定；二是塔底液面最下层塔板之间要保留有1-2m的间距。使塔底空间高度起到缓冲储存的作用，保证塔底料液不致排完，因此取塔底空间高度HB5.裙座高度根据裙座高度H2H1.封头高度封头选取标准椭圆形封头，取直边高度h1=50mm，曲面高h2=D47.人孔(筒体)根据实际生产与满足在安装、检修时的需要，每隔6～8层塔板的位置应该设置有一个人孔。本设计精馏塔取每7块板设置一个人孔，需要的人孔数总共为4个，人孔的板间距应该要等于或大于600mm，此处本设计取700mm，人孔直径一般的取值450～600mm，本设计取500mm。⑧进料板间距取HF=0.8所以综上塔总高为：H=（n-nF-np-1）HT+nFHF+npHP+HD+HB+H1+H2=（40-1-4-1）×0.6+1×0.8+4×0.7+1.2+1.5+0.55+3.5=30.75m圆整后取31m。1.3.7接管计算1.混合液进料管混合液进料流速取μv=5ms，进料体积流量为d=选用管径是ϕ30×3mm的管道。对流速进行核算：u=2.塔顶出料管取塔顶出料流速μv=2.5msd=选用管径为ϕ45×4.5mm的管道。校核流速：u=3.塔底出料管取塔底出料流速μv=0.7ms，塔底出料液体积流量V选用管径为ϕ30×3mm的管道。校核流速u=1.3.8壁厚设计对于产品塔T202塔的设计有：P=0.09MPa，T=79℃，选取异丙醇产品塔塔釜设计温度为100℃，设计压力PC=0.125MPa。选择Q345R作为塔体和封头材料。腐蚀裕量为C2=2mm，厚度负偏差为C1=0.3mm，σt=189MPa，φ=0.8，Reδ=经计算，圆整后名义壁厚为4mm，符合Q345R材料在100℃下设计的壁厚。下面对异丙醇产品塔T202进行校核水压试验强度。σ0.9可见，σT＜故产品塔T202的水压试验强度足够。1.3.9异丙醇产品塔工艺参数表6-7异丙醇产品塔塔工艺参数设计参数符号单位数值气相流量VSm3/h15292.27液相流量LSm3/h33.17气相密度ρvKg/m31.65液相密度ρsKg/m3728.06液相表面张力δLmN/m11.42液相粘度μLcP0.535汽相粘度μVcP0.013塔径Dm2.0板间距HTm0.6堰型弓形堰长lwm1.2堰高hwm0.073降液管底隙高度hom0.0009开孔率Φ%0.101鼓泡区面积Aam20.92筛孔直径dom0.0127筛孔数目736塔板结构型式单溢流塔板数N40塔板形式筛板排列方式正三角形裙座高度mH1m3.5塔总高度HOm31封头厚度mm4塔体厚度mm41.3.10塔设备一览表本设计项目的塔设备一览表见表6-8表6-8塔设备一览表序号设备位号设备名称类型直径/mm塔高/mm设计温度/℃设计压力/MPa材料保温层材料重量/kg数量1T201回收塔板式塔100024000650.05Q345R岩棉1564012T202产品塔板式塔200031000790.09Q345R岩棉2586011.4泵选型本次设计用到的泵有：丙酮溶液输送泵、回收塔塔釜输送泵、是回收塔塔顶输送泵。下面主要以回收塔塔釜输送泵为例进行设计过程说明，其余设计结果见泵设备一览表6-9。本项目采用智能选泵软件进行选型，根据模拟得到该泵扬程为9.6m，流量为2.51l/s，模拟的结果见图6-9。图6-9回收塔塔釜输送泵回收塔塔釜输送泵选型结果如图6-10所示。图6-10回收塔塔釜输送泵选型结果1.4.1泵的性能负荷图图6-11回收塔塔釜输送泵负荷性能图由性能图可见，选型合理。1.4.2泵安装图图6-12回收塔塔釜输送泵负荷安装图1.4.3泵实物图图6-13回收塔塔釜输送泵实物图1.4.4泵选型结果一览表表6-9泵设备选型结果一览表序号设备位号设备名称及规格型号单位数量重量/kg单重总重1P101丙醇原料输送泵XA150/40A台231.1062.202P201异丙醇回收塔塔釜输送泵IX180-65-100台227.9355.863P202回收塔塔顶输送泵IX150-32-100台214.0028.001.5气液分离器在本工艺中气液分离器V201的设计过程如下。气液分离器V201的气液相数据见表6-10。表6-10气液分离器V201的气液相数据气相数据液相数据气体体积流量VG/(m3/h)151.31液体体积流量VL/(m3/h)9.98气体密度ρG/（kg/m3）3.50液体密度ρL/（kg/m3）790.21气体粘度μG×10-5/（Pa.s）0.92液滴直径/（um）200.00可能达到最大体积流量VGmax1.2VGQUOTE可能达到最小体积流量Vmin0.8VL1.5.1浮动（沉降）流速的计算通过的初步估算，浮动流速如下：V式中：d=200μm,KVt精确计算如下：由浮动液滴的平衡条件，可以得：V由Vt=0.74m/s，则Re=dVtρGμG=350×10−6×0.74×3.500.92×通过第二次代入ReQUOTE的计算式得到Re=88.4，查图得Cw=1.25，代入Vt计算式得到Vt所以最终的V1.5.2直径的计算D=0.0188式中：VGmax——气体最大体积流量，m3/h；ue——容器中气体流速，m/s直径为：D=0.0188×圆整后直径取1m1.5.3高度计算容器高度分为液相高度和气相空间高度，此处的高度指的是设备的圆柱体部分，高液位（HL)与低液位（LL)的距离用下式计算：H=式中，H—液体高度，m；t—停留时间，min；VLmax—液体体积流量，m3/h；D—容器直径，m；停留时间t取5min，代入数据算得：H=液相的总高度：HL=H+0.05=1.32m气相的高度：Hv=1.3D+0.15=1.3×1+0.15=1.45m。取标准椭圆封头500mm，则有封头曲面高度h1所以总高度H=圆整后取3m。1.5.4进出口管径计算物料进口管径：Dp圆整后取800mm。气体出口管径：取管道内流速u=2m/s，则d=圆整后取200mm。液体出口管径：取液体流速u=0.15m/s，则：d=圆整后取100mm。1.5.5气液分离器V201设备一览表本项目的气液分离器V201设备一览表见表6-11表6-11气液分离器设备一览表序号位号设备名称材质重量/kg数量直径/mm高度/mm进口接管直径/mm液体出口接管直径/mm气体出口接管直径/mm1V202气液分离器Q345R8150110003000800.00200.00100.001.6压缩机选型本项目共有一台压缩机为氢气压缩机机采用一备一用，该压缩机机处理气体体积流量为141.79m3/min，从0.01MPa加压至0.3MPa，选型结果见压缩机一览表6-12。表6-12压缩机机一览表位号设备名称及规格型号单位数量重量/kg单重总重C101氢气压缩机VW7.5/16台22300.004600.001.7换热器选型本项目的换热器共四台，其中四台换热器不包括塔设备的冷凝器再沸器。以异丙醇冷却器E202的设计为例，并且参照《化工设备机械基础》[25]进行换热器的设计其余换热器设计结果见换热器设备一栏表6-14。1.7.1设计条件E202为异丙醇冷凝器，该冷凝器采用循环水将76℃的异丙醇冷却至常温25℃。E202流股参数如表6-13。表6-13E202流股参数表流股名称压力/MPa温度/℃质量流量/（kg/h）气相分率主要物质名称与组成壳程入口0.871.006261.430IPA：0.999水：0.001壳程出口0.625.006261.430IPA：0.999水：0.001管程入口9.008.008821.000水管程出口8.8130.008821.000水1.7.2传热系数及污垢热阻该换热器壳程介质产品异丙醇，管程介质为水。本换热器壳程介质污垢热阻为0.0001（m2.K)/W，管程介质污垢热阻为0.0003（m2.K）/W。1.7.3EDR数据输入将AspenPlus模拟数据导入EDR软件，EDR工艺数据输入如图6-14所示。图6-14EDR工艺数据输入界面1.7.4EDR设计结果EDR设计结构参数见图6-15，该设计参数均为经过圆整，该换热器的管径为25mm，管程数为单管程，管间距为32mm。图6-15EDR设计结构参数设计结果热力/水利学性能如图6-16所示。壳侧压力降为0.03451bar，管侧的压力降为0.0234bar，均小于允许压降；该换热器总传热系数为69.7W/（m2.K）。图6-16设计结果热力/水利学性能换热器管子排布见图6-17图6-17换热器管子排布图E202换热器尺寸图见图6-18。图6-18E202换热器尺寸图1.7.5选型结果根据换热器选型设计的依据以及上述EDR软件设计的结果，最终确定该换热器（E202）的型号为BES-275-0.18/5-10.85-4/19-