【《正戊烷异构化工艺制取高纯异戊烷的工艺设备设计与选型综述》5000字】

正戊烷异构化工艺制取高纯异戊烷的工艺设备设计与选型综述目录TOC\o"1-3"\h\u31919正戊烷异构化工艺制取高纯异戊烷的工艺设备设计与选型综述 1290321.1塔设备 1129281.1.1塔设备设计（以T0101为例） 2172441.1.2塔机械结构设计 3160101.1.3接管设计 513241.1.4壁厚设计 511411.2反应器 6230371.2.1反应器设计过程 7144401.2.1.1催化剂选择 7134561.2.3反应器类型确定 773101.2.4反应器工艺设计 8100201.2.5结构尺寸的确定 9306881.2.6反应器封头设计 13193601.2.7反应器支座设计 13307771.3泵设备 14199261.1.1选用要求 145011.1.2选型依据 14125781.1.3选型示例——正戊烷进料泵（P0101） 14168181.4压缩机 15296121.4.1选用要求 16145701.4.2选型实例——压缩机C0101 161.1塔设备塔设备类型选择具体来讲，应着重考虑以下几个因素：与物性相关易起泡的物系选用填料塔为宜，因为填料能使泡沫破裂，在板式塔中易引起液泛。具有腐蚀性的介质，可选用填料塔。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。粘性较大的物系选用大尺寸填料。含悬浮物的物料和操作过程中有热效应的系统，以板式塔为宜。与操作条件相关若气相传质阻力大，大的液体负荷，可选用填料塔。液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔。操作弹性，板式塔较填料塔大，其中以浮阀塔最大，泡罩塔次之。其他对于多数情况，塔径大于800mm的，宜用板式塔，小于800mm时，则可用填料塔。一般填料塔比板式塔重。填料塔用于吸收和解吸过程，可以达到很好的传质效果，具有通量大、阻力小、传质效率高等性能。因此实际过程中，吸收、解吸和气体洗涤过程绝大多数都使用填料塔。1.1.1塔设备设计（以T0101为例）1.1.1.1塔内件条件设计异戊烷分离塔操作压力为2bar，设计压力一般为正常工作压力的1.05～1.1倍。根据《石油化工塔器设计规范》，工作压力小于0.22MPa的内压塔器，其设计压力不低于0.22MPa，故取塔设计压力为0.22MPa。全塔体系最高温度为58℃左右，设计温度要比操作温度高15～30℃，故取设计温度为80℃。原始工艺流股中，由Aspen模拟的理论板数为70块（含再沸器和冷凝器），理论加料板位置为44块。实际理论塔板数为68，加料板为第43块板。当塔板设计合理且操作条件在正常范围内时，则板效率比较固定，不易受设计条件或操作条件的变化而变化。因此，物料性质是影响塔板效率的主要因素，取O’connell法计算塔效率:，为塔顶、底温度算术算术平均值下，进料液体平均摩尔粘度，为轻、重关键组分相对挥发度。=0.1725cp，=1.3经计算得所以实际塔板数实际进料塔板1.1.1.2塔内件结构设计该塔为高纯异戊烷分离塔，分离要求较高，塔板数较多，对操作弹性要求不高，因此选用BDP浮阀塔。根据溢流类型与液体负荷及塔径的经验关系，液体流量大约为1.14m3/h，溢流类型选择单溢流。1.1.1.3水力学校核在Aspen中进行BDP浮阀塔设计，设置板间距为0.6m，圆整塔直径为1.4米。选择单溢流堰，堰径比取0.93，堰长为1.308m，堰高50mm，降液管宽度为450mm，降液管底隙高度为40mm,在Geometry中输入。如图1.1所示：图1.1T0101InteractiveSizing图1.2水力学校核由水力学数据可知，每块塔板的液泛因子均介于0.6-0.85之间，降液管液位高度/板间距的比值均介于0.2-0.5之间，且每块塔板上物料的停留时间大于3s，说明每块塔板均符合载荷条件，设计合理。1.1.2塔机械结构设计1.1.2.1塔直径的确定根据水力学校验以及圆整结果知塔的直径确定为1.4m。1.1.2.2塔顶空间高度塔顶空间高HD：安装塔板和开人孔的距离，且考虑回流口的大小及除沫器需求，使气体中的液体自由沉降，减少塔顶出口气中的液滴夹带，空间高度一般取1.0-1.5m，这里取HD=1.2m。1.1.2.3塔板间距计算得塔板间距=0.6m，开设人孔的板间距HT’取800mm(设有人孔板间距应≥600mm)。1.1.2.4人孔数及尺寸高度根据《石油化工塔器设计规范》，板式塔每隔10层设置一个人孔，相邻人孔间距离为5m左右，实际塔板97块，又塔设备上下口和进料口均要设置人孔用于检修，故总设10个人孔。选择每隔5～6m开设一个人孔，且布置在操作区，在垂直侧统一布置。开孔处塔板间距为0.8m，则高度HR=10×0.8=8m。1.1.2.5最后一块板到塔底的距离塔底空间高度具有贮存槽作用，塔底釜液最好能在塔底有5～15min的储量，以保证塔底料液不至排完。取15min的储量，由Aspen数据塔底料液出口体积流量V=0.99m³/h。塔径D=1.4m，t=15min，则m1.1.2.6裙座高度以圆柱形裙座为例，裙座高度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。则裙座高度为：HS=U+V=0.75D+2.0=1.05m。1.1.2.7上封头高度选取标准椭圆形封头。根据《压力容器封头》，D=1.4m时，上封头直边段h=25mm，曲面高度为350mm，总高度为HF=375mm。1.1.2.8塔高度1.1.3接管设计1.1.1.1塔顶出料管取塔顶出料管液相流速为u1=1.5m/s，进料体积流量为0.0006m3/s，则管径：m圆整后选取管子规格为Φ25×3mm实际流速为1.1.1.2进料管取进料管液相流速为u1=1.5m/s，进料体积流量为0.0009m3/s，则管径：圆整后选取管子规格为Φ50×4mm实际流速为1.1.1.3塔底出料管取塔底出料管液体流速为1.5m/s，液相体积流量0.0003m3/s，则管径为：圆整后取管子规格为Φ20×2mm实际流速为1.1.4壁厚设计操作物料主要是正戊烷、异戊烷，塔压0.22MPa，为常压操作，材料选择Q370R。1.1.4.1筒体壁厚计算筒体壁设计厚度公式：式中：—计算压力，在液柱低时可认为与设计压力P近似相等；—筒体内径，1.4m；—材料在设计温度下许用应力，为196MPa；—焊缝系数为0.85；—腐蚀余量，取3mm；则取壁厚负偏差C1为0.3mm，因此筒体名义厚度为1.1.4.2封头壁厚计算封头设计厚度公式：则取壁厚负偏差C1为0.3mm，因此封头名义厚度为，下封头同理则算得名义厚度为7mm。1.1.4.3筒体、封头、裙座壁厚的确定为工业焊接方便，且考虑接管补强，取筒体、上下封头壁厚均为20mm，裙座壁厚为25mm。1.1.4.4地脚螺栓大小及个数由SW6校核结果可得，地脚螺栓公称直径为66mm，地脚螺栓个数为48个。1.2反应器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法，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、组成等）及反应器体积，并以此确定反应器主要构件的尺寸，同时还应考虑经济的合理性和环境保护等方面的要求。1.2.1反应器设计过程1.2.1.1催化剂选择1.2.1.1.1催化剂的性能采用钠型丝光沸石，经NH4NO3或HCI酸化处理，制得氢型丝光沸石(HM)。成型后HM经一定浓度的ZrOCl2溶液浸渍引入锆，再经氯铂酸溶液浸渍负载金属Pt制得Pt～ZrO2／HM催化剂。该催化剂颗粒呈球形，直径为5mm，堆积密度为1000kg/cum。1.2.1.1.2催化剂的失活与再生在工业生产过程中，由于催化剂的中毒，孔堵塞、高温烧结以及金属活性组份的相变或流失，都会使催化剂活性下降。催化剂的表面微孔因结焦而失活后，可将催化剂微孔中的含碳沉积物氧化为CO或CO2除去后复活，通过不断循环再生，催化剂寿命可达4~5年。1.2.2反应机理及动力学1.2.2.1反应机理金属-酸性双功能催化剂异构化过程由金属活性中心和酸性活性中心协同作用来完成，反应历程如下图所示：1.2.2.2反应动力学方程大庆石油学院化学化工院宋华采用固定床反应器研究了正戊烷异构化反应的动力学特征，按照传统动力学研究方法建立了正戊烷异构化的一级动力学模型。实验能够较好地揭示反应的本征动力学规律。其中的副反应为正戊烷歧化反应。1.2.3反应器类型确定针对正戊烷异构化反应，大庆石油学院化学化工院宋华对此做了研究，以下为反应条件对反应转化率、选择性影响图。图1.3反应温度对选择性、转化率影响图图1.3氢烃物质的量比的影响图研究结果表明，反应最优温度在280℃左右，氢油物质的量之比为2.0时反应转化率最好。综上分析，本项目初步选定固定床反应器。又正戊烷异构化反应是放热反应，受单程转化率、氢油比等因素的影响，反应的绝热温升较小，最后选用绝热固定床反应器。1.2.4反应器工艺设计1.2.4.1反应条件（1）设进料温度为258℃，反应压力为20bar。（2）反应器为绝热固定床反应器。（3）催化剂为球形，直径为5mm，床层空隙率ε为0.45。（4）反应进口流量V0=49.4719m3/h。（5）在258℃，20bar下反应混合物有关物性数据如下：热导率λ=0.2116J/m·s·K粘度μ=0.0000225pa·s密度ρ=0.333455kg/m3比热容1.2.5结构尺寸的确定1.2.5.1固定床反应器结构参数：操作压力20bar，床层进口温度258℃，催化剂床层堆密度1000kg/m3。1.2.5.2催化剂参数的确定催化剂总体积是决定反应器主要尺寸的基本依据，计算公式如下：式中：V0——原料气标准状况下体积流量，；SV——空速，。原料的体积流量为49.4719，则标准状况下该股物料的体积流量计算公式为：则原料气标准状况下体积流量为：则正戊烷异构反应器催化剂床层的体积为：取催化剂的装填密度为1000kg/m3，所以催化剂用量为：催化剂填充高度为8000mm，考虑到“催化剂封”，催化剂装填高度为8500mm。1.2.5.3中心管参数的确定反应进口流量V0=508.83m3/h=0.14m3/s。气体经济流速40m/s气相空速h-1中心管内径210mm,则中心管截面积中心管开孔直径d=6mm单孔面积：0.785*0.006^2=2.826e-5m2开孔率：设为0.025开孔面积：1.2.5.4外筒参数的确定截面积：外筒直径：筒体开孔率0.2311.2.5.5反应器直径的确定反应气体径向通过催化剂床层后流速：分流管道气体流速40m/s,分流管道面积：反应器内径：1.2.5.6修正的动量方程式中“+”表示分流流动，“-”表示集流流动P:压力项，Pau:速度项，m/sK:动量交换系数，需实验测定，无因次Z:轴向坐标，mD:当量直径，mρ:流体密度，kg/m31.2.5.7过孔压降式中：w——过孔速度：m/sζ：实验测定的过孔压降系数实验数据回归，得到两个半经验方程式，对于分流情况：对于集流情况：过孔阻力系数直接决定反应物的过孔流量，从而也是影响径向反应器轴向均匀布气的重要因素。在催化剂床层：Pa1.2.5.8压力场与速度场气固错流情况下，床层气相的压力场与速度场可以用Ergun方程及连续性方程描述：式中:d:催化剂颗粒μ:流体粘度pa.sαβ:Ergun公式系数，无因次ε：催化剂空隙率b:催化剂床层p:催化剂g:流体由于在径向反应器内气流通道截面积随中心轴的半径改变，因此质量流速也随之改变，考虑到这个特点，将径向床压降写成微分式：R由210mm增至225mm,故压降范围在0.006-0.011Mpa范围内。1.2.6反应器封头设计选择标准椭圆形封头，形状系数K＝1，则。其圆边高度取圆边高度为220mm封头最新执行标准是：GB/T25198-2010200以下的封头直边是：15mm；200mm——2000mm直边高度是：25mm；2000mm以上的封头直边高度是：50mm；故直边高度为25mm。椭圆形封头内径850mm，深度238mm，壁厚20mm，直边高度25mm。1.2.7反应器支座设计选用裙式支座，材质为Q235-A.F碳素钢，裙座与塔体的连接采用对接式焊接。裙座筒体内径为850mm，筒体厚度25mm，地脚螺栓座的结构选择外螺栓座结构型式，螺栓个数24个，基础环板厚度为25mm，规格为。因为筒体大、高，需在裙座内部设置梯子，裙座上开设2个人孔方便检查，选择公称直径为600mm的人孔。置保温圈以免引起不均匀热膨胀。反应器保温延伸到裙座与封头的连接焊缝以下4倍保温层厚度的距离为止。1.3泵设备1.1.1选用要求（1）选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀余量等工艺参数的要求。（2）必须满足介质特性的要求。（3）必须满足现场的安装要求。（4）机械方面要求泵可靠性高、噪声低、振动小。（5）经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。1.1.2选型依据泵的选择需要综合考虑输送介质的物理化学性能，工艺参数，现场等条件。输送介质的物理化学性能直接影响泵的性能、材料和结构。工艺参数是泵选型的重要依据，主要有以下几个方面：(1)流量Q：指工艺装置生产中，要求泵输送的介质量。(2)泵数据是额定流量不小于装置的最大流量，或正常流量的1.1-1.15倍。(3)扬程H:指工艺装置所需的扬程值，也称计算扬程。一般要求泵额定扬程为装置所需扬程的1.05-1.1倍。(4)进、出口压力：进出口压力指泵进出接管法兰处的压力，其大小影响到壳体的耐压和轴封的要求。(5)温度T:指泵的进口介质温度，一般应给出工艺过程中泵进口介质的正常、最低和最高温度。(6)装置汽蚀余量NPSH。(7)操作状态:操作状态分连续操作和简写操作两种。1.1.3选型示例——正戊烷进料泵（P0101）通过计算确定了流量、扬程等参数，并对泵的其它参数进行了选择。此处以正戊烷进料泵的选型为例。根据模拟的结果，液体进料流量为2.07m3/h，密度为627.39kg/m3，黏度0.05cP，取第一段管长15米，第二段12米，管道直径均为d=0.04，绝对粗糙度为。则，管内的相对粗糙度取钢管管内的液体流速为雷诺准数≥4000，故此时管内为湍流状态。由摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系图，可知：直管段的摩擦系数。第一段钢管沿程阻力为第二段钢管沿程阻力为标准弯头的当量直径为局部阻力为扬程根据《油泵选型手册》选择单极单吸离心泵，泵的型