【《丁二烯生产塔设备设计及选型分析案例》5100字】

丁二烯生产塔设备设计及选型分析案例1.1设计规范本设计中塔设备的设计规范见表5-1。表5-1塔设备设计规范Tab.5-1Designspecificationfortowerequipment设计规范标准《压力容器》GB150-2011《钢制塔式容器》JB4710-2005《建筑结构荷载规范》GB50009-2012《中国地震动参数区划图》GB18306-2001《钢制压力容器用封头标准》JB/T4746-2002《固定式压力容器安全技术监察规程》TSGR0004-2009《碳素钢、低合金钢人孔手孔类型与技术条件》HG21514-95《碳钢、低合金钢制填料塔式压力容器技术要求》QSY-GDJ-JS121-008-20101.2塔设备类型选择1.2.1塔板类型选择原则在设计中选择塔型时，应综合考虑各种因素，并遵循以下基本原则[17]。要满足工艺要求，分离效率高。生产能力大，操作弹性足够。运行可靠性高，操作、维修方便，少出故障。结构简单，加工方便造价较低。塔板压降小。1.2.2.塔板类型和选择塔设备分类方法很多，最常用的分类是按照塔的内件结构分为板式塔和填料塔[23]。板式塔和填料塔各有其优点和适用性，两者的比较对照如表5-2。表5-2板式塔和填料塔的对比[18]Tab.5-2Comparisonofplatecolumnandpackedcolumn[18]项目板式塔填料塔（分散填料）填料塔（规整填料）压力降较大较小更小空床气速因子较大较小较前两者大塔效率效率稳定直径在1500mm以下效率高，随直径增大，效率常会下降较大液气比较大对液体喷淋量有一定要求范围较大持液量较大较小较小材质要求用金属材料可用非金属耐腐蚀材料无要求安装维修较容易较困难适中造价直径大时一般比填料塔造价低直径800mm以下，一般比板式塔便宜较高质量较小大适中由于板式塔工艺较成熟，运行成本低，便于采出且不易堵塞。因此，本设计选用板式塔。1.2.2.3板式塔塔板种类和选型板式塔大致可以分为两类[18]：有降液管塔板和无降液管塔板。表5-3是有降液管塔板性能比较，由于无降液管塔板适用范围有限，本设计不作推荐与设计。表5-3有降液管塔板性能比较[17]Tab.5-3Performancecomparisonofdownfalltubetrays[17]指标F形浮阀十字架型浮阀条形浮阀筛板舌型板浮动喷射塔板圆形泡罩条形泡罩S形泡罩液体和气体负荷高444444213液体和气体负荷低555233333弹性555334434压力降233324000续表5-3指标F形浮阀十字架型浮阀条形浮阀筛板舌型板浮动喷射塔板圆形泡罩条形泡罩S形泡罩雾沫夹带量334343112分离效率554433434单位设备体积的处理量444444213制造费用334443213材料消耗444454223安装和拆修434443113维修333333213污垢物料对操作的影响232123100注：0-不好；1-尚可；2-适合；3-较满意；4-很好；5-最好考虑到筛板塔结构最为简单，制造方便，处理量大，清洗、更换、维修均较容易等优点，并且本塔内物料较为清洁，不易造成堵塞，故T0119板式塔塔板全部选用筛板。1.3T0119塔设计条件1.3.1流股参数T0119是C4H6精制塔，通过精馏对C4H6进行分离提出，是本设计重要的设备之一。经过AspenPlus模拟和优化，得到T0119进出口流股信息如下表所示。表5-4塔T0119塔设计条件Tab.5-4DesignconditionsoftowerT0119进料塔顶出料塔釜出料相态液相液相液相温度（℃）9048.71141.29压力（bar）1.51.51.5流股组成C4H8000C4H60.13240.99620.0012ACN0.86750.00360.9987CO2000N2000H2O0.00010.00020.00011.3.2设计温度与设计压力根据国标GB150-2011，压力容器操作压力是指压力容器顶部气相压力，对于T0119而言，为1.5bar。塔顶装有安全阀，而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：塔顶温度为48.71℃，体系的最高温度为141.29℃左右，设计温度需要比操作温度高15~30℃，设计温度为161℃，根据该操作条件，选择材料Q345R。1.3.3总板数与加料位置的确定由AspenPlus模拟结果可知，T0119塔板数为13块（包括冷凝器和再沸器），理论加料板位数为8块。1.3.4板型的选择根据1.2.2的说明可知T0119塔型为板式塔，并且综合各种因素选择塔板类型为筛板。1.4工艺参数优化通过灵敏度分析，对T0119进料位置、回流比、塔板数进行优化，分析它们对塔顶丁二烯纯度和塔釜再沸器热负荷的影响。1.4.1塔板总数优化利用AspenPlus灵敏度分析功能，对T0119溶剂回收塔的塔板总数与塔顶丁二烯纯度及塔釜再沸器热负荷的关系进行分析，结果如图5-1。图5-1塔顶丁二烯纯度与塔釜再沸器热负荷随塔板数变化关系图Fig.5-1diagramoftherelationshipbetweenButadienepurityatthetopofthetowerandtheheatloadofthereboilerwiththenumberofreturnplates从图中可以看出，当塔板数为11块时，丁二烯的纯度满足设计的要求，且塔釜再沸器热负荷在合理的范围之内。后续增加塔板数对丁二烯纯度以及塔釜再沸器热负荷的影响很小，会徒增设备费用，此处选择塔板数为11块塔板。1.4.2回流比优化利用AspenPlus灵敏度分析功能，对T0119溶剂回收塔的回流比与塔顶丁二烯纯度及塔釜再沸器热负荷的关系进行分析，结果如图5-2。图5-2塔顶丁二烯纯度与塔釜再沸器热负荷随回流比变化关系图Fig.5-2relationshipbetweenButadienePurityattopoftowerandheatloadofreboilerwithrefluxratio从图中可以看出，当回流比为6.5时，塔顶丁二烯的纯度满足设计要求，塔釜再沸器热负荷在合理范围内。回流比的提高有助于产物的分离，但是过大的回流比会加重整个设备的能量使用，因此要综合两者考虑，此处选择回流比为6.5。1.4.3进料位置优化利用AspenPlus灵敏度分析功能，对T0119溶剂回收塔的进料位置与塔顶丁二烯纯度及塔釜再沸器热负荷的关系进行分析，结果如图5-3。图5-3塔顶丁二烯纯度与塔釜再沸器热负荷随进料位置变化关系图Fig.5-3diagramofrelationshipbetweenButadienePurityattopoftowerandheatloadofreboilerwithfeedposition从图中可以看出，当组分在第4块板进料时，丁二烯的纯度达到要求，且再沸器热负荷在合理范围内。当组分在第4块板以后进料，对塔顶丁二烯纯度及塔釜再沸器热负荷影响很小，此处选择进料位置为第4块进料。1.5塔板参数与水力学校核1.1.1塔径及其高度的确定从AspenPlus中得到的塔体尺寸计算结果如下表：表5-5塔体尺寸确定Tab.5-5Determinationoftowerbodysize物性精馏段提馏段单位塔段起始塔板24塔段结束塔板410计算模式核算核算塔板类型SIEVESIEVE溢流数13塔板间距0.70.7meter塔段直径2.22.2meter塔段高度1.44.9meter段压降0.01350.0496bar塔段压头损失230.21803.46mm从上表可以看出塔径为2.2m，塔板间距为0.7m。1.1.2筛板结构参数确定通过AspenPlus模拟得到筛板详细结构参数如下图所示：图5-5筛板详细结构参数Fig.5-5Detailedstructuralparametersofsieveplate从图5-5可以看出，每一块塔板上塔孔总数为2144个，每个孔直径为13mm，筛孔面积与筛板面积之比为0.1，顶部厚度为3.4mm。1.1.3溢流区和降液管尺寸确定由AspenPlus得到的溢流区和降液管的结构图如图所示：图5-6精馏段溢流区结构Fig.5-6Structureofoverflowzoneinrectificationsection图5-7提馏段溢流区接结构Fig.5-7Connectionstructureofoverflowzoneinstrippingsection图5-8精馏段降液管结构Fig.5-8Downcomerstructureinthedistillationsection图5-9提馏段降液管结构Fig.5-9Structureoftheriserinthestrippingsection降液管几何尺寸和堰几何尺寸如表5-6和5-7所示：表5-6降液管几何尺寸Tab.5-6Geometricdimensionsofdowncomer物性侧壁单位精馏段提馏段降液管间隙4545mm降液管顶部宽度344250mm降液管底部宽度344250mm降液管顶部面积0.37970.2386sqm降液管底部面积0.37970.2386sqm表5-7堰几何尺寸Tab.5-7Weirgeometricaldimensions物性侧壁单位精馏段提馏段堰高5858mm堰长1.61.4meter1.1.4水力学校核结果采用AspenPlus中的ColumnInternals功能，对塔进行设计和水力学校核。水力学校核结果如下图：图5-9Interactivesizing水利校核结果Fig.5-9ResultsoftheInteractivesizinghydrauliccheck从图中可以看出，降液管的负荷不会造成液泛现象，溢流堰的负荷在最大最小负荷之间，同时各板运行结果无报警、无报错，操作点均在合理的范围内，说明塔内件设计合理。1.6塔体结构参数设置1.6.1塔径的确定由水力学校验以及圆整后可得塔的直径为2.2m。1.6.2塔板布置、降液管以及溢流区尺寸设计液体在塔板上的流动路径是由降液管的布置方式决定的。常用的布置方式有以下几种形式：U型流、单溢流、双溢流、多溢流。本塔设计采用单溢流结构。溢流堰尺寸由水力学校核可知，精馏段堰高58mm，堰长1.60m，降液管底隙45mm。提馏段堰高58mm，堰长1.4m，降液管底隙45mm。1.6.3塔顶空间设计塔顶空间的高度的主要作用就是可以广泛的运用于对塔板进行安装设置、人工洞口的设置、发泡装置的安装以及使出塔夹带的液滴降落。设置通常将高度取为1.0~1.5m，这里取HD=1.2m。1.6.4塔板间距由表5-4可知塔板间距HT=0.7m1.6.5开设人孔的板间距设有人孔的上下两塔板间距应大于600mm，这里取HT’=700mm=0.7m。这里取5块板设置一个人孔，总板数11块，所以开3个人孔（包括塔顶和塔底的人孔），人孔直径取500mm。1.6.6进料空间板间距进料段高度取决于进料口结构形式和物料相态，HF一般要比HT大，取HF=1m。1.6.7塔底空间高度塔底空间高低具有一个贮存槽的作用，为了避免使塔底所有釜液全部排出，釜液最好能在塔底有10~15min的存放。如果塔底料液输出容量很大大，则塔底料液容量比例可取微小些，取2~5min的储量。根据AspenPlus的模拟结果，塔底出料为2.195m3/min，塔径为2.2m，取t=2min，塔底空间高度HB计算如下：（5-1）1.6.8设备筒体壁厚设计圆筒计算厚度：（5-2）式中：PC为计算压力。在液柱低时可认为与设计压力P近似相等；Di：筒体内径；[σt]：材料在设计温度下的许用应力，选材为Q345R，为185MPa；采用双面焊接对接接头及无损检测的长度比例为100%，ψ为1；从而可以得到：（5-3）取壁厚负偏差C1=0.6mm，腐蚀余量C2=2mm因此：（5-4）向上圆整则名义厚度为6.0mm。为了工业焊接方便，并考虑接管补强，取筒体厚度为15mm，经SW6强度校核后合格。1.6.9封头设计1.6.9.1上封头设计本设计采用标准椭圆形封头，材料与筒体相同为Q345R，根据JB/T4746-2002，取公称直径Di=2200mm，曲边高度H=590mm，直边高度35mm，封头高度为：（5-5）封头厚度计算：（5-6）其中PC=0.55MPa，Di=2200mm，[σt]=185Mpa，ψ=1，将数值代入公式可得：（5-7）取壁厚负偏差C1=0.6mm，腐蚀余量C2=2mm因此：（5-8）向上圆整后取名义厚度为6mm。同样，为了工业焊接方便，并考虑接管补强，取封头厚度为15mm，经SW6强度校核后合格。1.6.9.2下封头设计同理可以计算出，下封头的高度为0.77m，厚度为6mm。为了工业焊接方便，并考虑接管补强，取封头厚度为15mm，经SW6强度校核后合格。1.6.10裙座设计1.6.10.1裙座高度本工艺选择圆柱形裙座，材料选择Q345R，裙座计算高度如下：（5-9）1.6.10.2裙座厚度裙座厚度采用经验值30mm。同时裙座开一Di500mm的人孔，并通过SW6来校验裙座厚度合格。1.6.10.3检查孔裙座上必须开设检查孔，以便于检修。本塔选择圆形检查孔，由于裙座直径1600mm以上，所以圆形检查孔数量为1，直径Di=500mm，中心高Hi=950mm。1.6.11塔筒体及总高度确定塔筒体总高度（不包括封头和裙座）：（5-10）塔的总高度:（5-11）1.6.12接管设计1.6.12.1进料接管设计根据AspenPlus的模拟结果，进料的体积流量为141.495m3/h，参照文献《化工管路设计手册》[22]后取流体经济流速为1.2m/s。则管道内径为：（5-12）据GB/T17395-2008，选取规格为Ф=200×20mm的无缝钢管，具体方位见设备装配图。1.6.12.2塔顶蒸汽接管设计根据AspenPlus的模拟结果，可以得到塔顶蒸汽出口进入冷凝器的流量为21.36m3/h,参照《化工管路设计手册》[22]后取流体经济流速为1m/s。 （5-13）据GB/T17395-2008，选取规格为Ф=89×8mm的无缝钢管，具体方位见设备装配图。1.6.12.3塔底至再沸器液体接管设计根据AspenPlus的模拟结果，可以得到塔顶蒸汽出口进入冷凝器的流量为1.73m3/h,参照《化工管路设计手册》[22]后取流体经济流速为0.5m/s。（5-14）据GB/T17395-2008，选取规格为Ф=70×6mm的无缝钢管，具体方位见设备装配图。1.6.12.4塔顶回流接管设计根据AspenPlus的模拟结果，冷凝器回流进入塔的流量为20.21m3/h，参照《化工管路设计手册》[22]后取流体经济流速为1m/s。（5-15）据GB/T17395-2008，选取规格Ф=89×8mm的无缝钢管，具体方位见设备装配图。1.6.12.5塔底回流接管设计根据AspenPlus的模拟结果，冷凝器回流进入塔的流量为20.21m3/h，参照文献[22]《化工管路设计手册》后取流体经济流速为1m/s。（5-16）据GB/T17395-2008，选取规格为Ф=65×6mm，具体方位见设备装配图。1.6.13地脚螺栓大小及个数地脚螺栓座位外螺栓做结构型式，当直径为3600mm时，数目为24。螺栓规格为M30，材料为16Mn。基础环的厚度为16mm。1.6.14吊柱设计安装在室外、无框架的整体塔设备，为了安装及拆卸内件，更换或补充填料，往往在塔顶设置吊柱。具体尺寸参照《化工设备机械基础》[22]中表16-17，具体尺寸间塔设备装配图。1.6.15塔体机械强度校核塔体SW6强度校核结果如表5-8至5-14所示：表5-8上（下）封头校核计算Tab.5-8Checkcalculationofupperhead上封头校核计算计算所依据的标准GB150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力pc0.55MPa设计温度t0.00°C内径Di2200.00mm曲面深度hi590.00mm材料Q345R(板材)设计温度许用应力[s]t189.00MPa试验温度许用应力[s]189.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数f0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值pT=1.25p=1.1000(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力[s]t[s]T£0.90