【《甲苯甲醇烷基化生产对二甲苯典型工艺设备的设计与选型分析案例》6000字】

甲苯甲醇烷基化生产对二甲苯典型工艺设备的设计与选型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u9881甲苯甲醇烷基化生产对二甲苯典型工艺设备的设计与选型分析案例 1161731.1反应器设计计算 1236461.1.1甲苯甲醇烷基化反应器 1274431.1.2间二甲苯烷基化反应器 2312101.1.3全工段反应器设计尺寸 343071.2精馏塔设计计算 3258171.2.1精馏塔（T202）设计 3145161.2.2全工段精馏塔设计尺寸 6160771.3换热器设计计算 749241.3.1换热器（E101）设计 7242391.3.2全工段换热器设计尺寸 12274611.4泵的设计与选型 14238481.4.1甲苯进料泵（P102）设计说明 14213121.4.2全工段泵的设计选型 1655401.5储罐的设计与选型 1622091.1.1原料储罐 17185871.1.2产品储罐 17101291.1.3全工段储罐的设计选型 181.1反应器设计计算1.1.1甲苯甲醇烷基化反应器 本设计以烷基化工段的烷基化反应器R101举例来详细说明反应器的计算和设计过程。R101的反应条件为：反应温度为442.5℃，反应压力为0.4MPa，原料的组成为甲苯以及甲醇，反应器类型为固定床反应器。表1.SEQ表5.\*ARABIC1甲苯甲醇烷基化反应器反应条件参数甲苯进料量901.4kmol/h催化剂选择镁改性ZSM-5分子筛催化剂年工作时间8000h空时0.267s反应温度442.5℃反应压力0.4MPa从表4.1可知： R101体积流量为19676.6 填装系数：2/3 反应器体积V方案1： 根据化工原理上册[21]附录中查得，0.3~0.6MPa的气体流股气速u取10~20m/s，本方案采用15m/s D1=4 L1=V 方案2： 本方案操作气速u采用10m/s D2=4 L2=VRD 综合考虑安全因素、设备的投资以及操作成本和车间布局的难易度后，最终选择方案2进行反应器的设计，即操作气速为10m/s的条件下进行甲苯甲醇烷基化反应。1.1.2间二甲苯烷基化反应器 本设计以产品精制工段的一级间二甲苯烷基化反应器R301设计举例来详细说明反应器的计算以及设计过程。R301的反应条件为：反应温度为141℃，反应压力为0.2MPa。该反应涉及过程反应，AspenPlus中的计量反应器无法模拟该情况，因此将该反应器分成一级间二甲苯烷基化反应器R301以及二级间二甲苯烷基化反应器R302进行设计。表1.SEQ表5.\*ARABIC2间二甲苯烷基化反应器反应条件参数反应进料量264.199kmol/h催化剂选择三氯化铝年工作时间8000h空时0.267s反应温度141℃反应压力0.2MPa从表可知：R301体积流量为37.7651填装系数：2/3反应器体积V 根据文献，0.1~0.3MPa的与水粘度相似的液体流股气速u取0.5~2.0m/s，本设计采用1m/s D=4 L=1.1.3全工段反应器设计尺寸 表1.3为全工段反应器尺寸一览表表1.SEQ表5.\*ARABIC3全工段反应器尺寸一览表设备位号名称体积（m3直径（m）长度（m）R101甲醇甲苯烷基化反应器2.190.91.3R301一级间二甲苯烷基化反应器4.2×0.20.3R302二级间二甲苯烷基化反应器4.2×0.20.31.2精馏塔设计计算 甲苯分离工段的甲苯分离塔（T202），通过精馏手段对流股中未参与反应的甲苯进行分离并循环回甲苯甲醇烷基化工段，是甲苯分离工段的重要设备之一，因此本章节以T202作为塔设备的设计范例进行精馏塔设计流程的详细说明。1.2.1精馏塔（T202）设计 根据GB150-2011[22]，设计压力一般取操作压力P_w(塔顶气相压力)的1.1倍。从表4.7得知，T202的操作压力为0.20MPa,因此可以得出T202的设计压力为0.22MPa。在温度方面，设计温度一般高出操作温度15~30℃，同样由表4.7可以得知T202的最高温度为170.2℃，因此设计温度取190℃。 塔的设计参数透过AspenPlus软件中Radfrac模块的InteractiveSizing功能进行设计。在使用Radfrac模块完成精馏单元的模拟后，使用InteractiveSizing功能根据使用的塔类型、填料类型以及填料高度等参数的设置就可以确定该塔的塔径及塔体高度。T202选用的填料为Sulzur公司开发的MellapakPlus规整填料，该填料具有阻力小，气液分布均匀，放大效应不显著以及更高的传质效率等优点。透过查阅Sulzur公司提供的规整填料手册确定MellapakPlus填料的等板高度为0.31m。完成相应的参数设置的输入后，系统会提供适合当前参数设置的塔径如图1.1所示，水力学结果如图1.2所示。图1.SEQ图5.\*ARABIC1AspenPlusRadfrac模块下T202InteractiveSizing设计数据 根据InteractiveSizing计算出的塔径再进行圆整后，塔径为4m，填料尺寸不变，填料塔具体设计如图1.3所示，水力学结果如图1.4所示，水力学剖面表如1.4所示。图1.SEQ图5.\*ARABIC2InteractiveSizing水力学结果图1.SEQ图5.\*ARABIC3Rating功能下圆整后填料塔设置图1.SEQ图5.\*ARABIC4Rating功能下圆整后水力学校核结果表1.SEQ表5.\*ARABIC4水力学性能剖面图塔板填料层高度（m）能力因子（%）压降（bar）20.3150.08850.0004457330.6250.05100.0004456340.9350.01350.0004455451.2449.97620.0004454561.5549.93890.0004453671.8649.90160.0004452782.1749.86440.0004451892.4849.82720.00044509102.7949.79000.00044500表1.SEQ表5.\*ARABIC4水力学性能剖面图（续）塔板填料层高度（m）能力因子（%）压降（bar）113.1049.75270.00044491123.4149.71530.00044482133.7249.67780.00044473144.0349.64000.00044464154.3449.60170.00044454164.6549.56290.00044444174.9649.52340.00044432181.2749.48290.00044420191.5849.44120.00044407201.8949.39810.00044392216.2049.35340.00044376226.5149.30710.00044358236.8249.25960.00044338247.1349.21190.00044318257.4449.16550.00044299267.7549.12250.00044282278.0649.08550.00044271280.3160.07360.00049266290.6260.04600.00049222300.9360.01860.00049178311.2459.99120.00049147321.5559.96400.00049148331.8659.93690.00049149342.1759.91010.00049150352.4859.88540.00049152362.7959.86020.00049154373.1059.83730.00049159383.4159.82010.00049169393.7259.81560.00049190404.0359.83880.00049234414.3459.91800.00049325424.6560.09380.00049648434.9660.41500.00050455441.2760.89990.00051681451.5861.51590.00053272461.8962.18070.00055045476.2062.80190.00056759486.5163.31640.00058228496.8263.70360.00059366507.1363.97340.00060181表1.SEQ表5.\*ARABIC4水力学性能剖面图（续）塔板填料层高度（m）能力因子（%）压降（bar）517.4464.14910.00060726527.7564.25560.00061068538.0664.31360.00061266548.3764.33830.00061364558.6864.34040.00061395 精馏段与提馏段的填料层高度分别为8.6m和8.68m，总塔体高度为16.74m，填料层之间设置了液体再分布器以维持气液的均匀分布。从表1.4可知，每块塔板的能力因子都介于0.4~0.8之间，符合性能的设计与标准。1.2.2全工段精馏塔设计尺寸 其余精馏塔也采用与T202同样的计算与设计过程，可以得到全工段塔设备的设计压力，设计温度，塔径与塔体高度高。塔设备一览表如图1.5所示。表1.SEQ表5.\*ARABIC5塔设备一览表设备位号设备名称类型设计压力(Mpa)设计温度(℃)塔径（m）总填料高度（m）T201苯分离塔填料塔0.111452.313.64T202甲苯分离塔填料塔0.22190416.74T301一级对二甲苯精制塔填料塔0.111902.836.4T302二级对二甲苯精制塔填料塔0.111601.87.441.3换热器设计计算 换热器作为过程设备之一与整个流程的物料温度变化紧密连接，因此符合标准及合适的换热器设计是十分必要的。本章节将通过E102换热器的设计及选型过程举例说明进行详细说明。1.3.1换热器（E101）设计 透过AspenPlus软件的Heater模块以及HeatX模块对换热器E102进行简捷设计模拟，得到进入换热器个流股的物料参数，如表1.6所示。表1.SEQ表5.\*ARABIC6E102换热器冷热流股参数流股名称压力（bar）温度（℃）质量流量（kg∙s−1介质壳程入口4.20254.48甲醇壳程出口3.432404.48甲醇管程入口39.4382503.90高压蒸气管程出口39.3852403.90高压蒸气 在获取换热器冷热流股的物料参数后便可以确定使用的换热器类型。由于管壳式换热器结构不复杂，制造难度及成本不高，且具有材料选择多样及易于清理及维修等优点，在工业上被广泛运用，因此最终决定选用管壳式换热器为E102换热器的类型。通常情况下为了减低制造成本，都会使高温流体进入管程，减少壳体的厚度以及节省保温层的材料使用。 从表1.6可以得知，E102换热器的冷热流股的工作压力分别为4.2bar以及39.438bar。一般情况下换热器的设计压力为工作压力的1.1倍，因此通过计算可以得到E102换热器的管程设计压力为43.38bar,壳程设计压力为4.62bar。换热器的允许压降设置根据出口绝压大于1bar，压降小于进口压力的20%的条件进行确定，因此可以确定E102换热器在EDR中的管程的允许压降设置为7.10bar,壳程的允许压降设置为0.85bar。 设计温度方面，换热器的设计温度一般高于工作温度15~30℃，透过表1.6可以得知E101换热器的管程及壳程的工作温度分别为240~250℃以及25~240℃，因此可以确定E102换热器的管程设计温度为275℃，壳程设计温度为255℃。 最后是确定EDR中的传热系数设置。传热系数主要分为传热膜系数、固壁热阻以及垢层热阻三个部分，其中EDR对于换热器的传热膜系数以及固壁热阻系数都有给定的默认值，本设计采用EDR提供的默认值进行E102换热器的设计。垢层热阻方面则参照国标热交换器标准GB/T151-2014[23]以及冷热流股的物料介质进行垢层系数的选取工作。E102换热器的壳程介质为有机化合物，污垢热阻系数为1.76×10−4m 将AspenPlus软件中HeatX模块的数据导入EDR软件中并将上述的设计参数输入到EDR中的流股参数输入界面进行初步设计。图1.SEQ图5.\*ARABIC5换热器E102流股参数输入图 在换热器结构的选取方面，根据JB/T-4715-92[24]的规定，对于固定管板式换热器有外径为19mm以及25mm的换热管可以选用，换热器管径的大小直接影响换热器整体结构的排布以及设备制造的成本，压降也会随着管径越大而越低。考虑到实际的换热需求以及设备的投入成本后，对于E102换热器选取管厚2mm，外径19mm的换热管，以管心距为25mm，正方形45°进行排列。透过EDR软件对换热器进行初步设计后，软件会根据换热器结构的选择，提供几种换热器的优化方案，如图1.6所示。图1.SEQ图5.\*ARABIC6AspenEDR提供的优化换热方案 通过EDR软件计算得出所需的换热面积为73.25m2，软件提供的设计结构参数为387.35mm，管长5850mm,管程数为1。通过软件提供的结构参数作为参考并根据JB/T4715-92[24]选取符合标准的换热器参数，并透过EDR软件的Rating功能进行换热器的校核工作。最终确定E102换热器的壳径为500mm,管长为6000mm，管程数为1，管数为275，折流板间距按照标准调整至300mm。EDR的结构参数输入界面如图1.7所示，根据标准选取的换热器E102校核结果如图1.图1.SEQ图5.\*ARABIC7按照标准选取的结构参数设置图1.SEQ图5.\*ARABIC8换热器E102的校核结果 从图1.8中可以得知，E102换热器的换热面积为96.8m^2，设计余量为32%，除了壳程进料流股的雷诺数略低，其余流股的雷诺数皆大于4000，流体以湍流的形式流动于换热器中，符合设计要求。壳程压降为0.2626bar，管程压降为0.0330bar，皆在所设置的允许压降范围之内，总传热系数为826.6W/(m2∙K)。参照GB/T151-2014[23]，确定BEM500-3.9/0.4-98.7-6/19-1I为E102换热器的最终型号。E102换热器的装置平面图和管板布局设计图如图1.9和如图1.图1.SEQ图5.\*ARABIC9换热器E102的装置平面图表1.SEQ表5.\*ARABIC7换热器E102设计总结表固定管板式换热器E102型号：BEM500-3.9/0.4-98.7-6/19-1I换热面积：98.7m壳程圆筒直径500管程数1壳程管程设计温度275℃设计温度255℃设计压力4.62bar设计压力43.38bar换热器换热管详情换热管管径Φ19x2mm管心距25mm管长6000mm管排列方式正方形45°管数目275折流板（圆缺率设39%）300mm图1.SEQ图5.\*ARABIC10换热器E102管板布局设计图1.3.2全工段换热器设计尺寸 全工段的换热器的设计及选型的流程与E102换热器相同。换热器选型设计表如表1.8所示。表1.SEQ表5.\*ARABIC8全工段换热器选型一览表位号名称型号类型壳体规格（mm）管长（mm）列管规格（mm)管数管程数排列方式个数E101甲醇预热器BEM500-3.9/0.4-96.8-6/19-1I固定管板式Φ5006000Φ19x22751正方形45°1E102甲苯预热器BEM1000-3.9/0.4-332.8-4.5/19-1I固定管板式Φ10004500Φ19x212671正方形45°1E103流股冷却器BEM1400-0.4/0.1-1358.4-9/19-1I固定管板式Φ14009000Φ19x225571正方形45°1E201循环甲醇预热器BEM273-0.9/0.1-1.4-1.5/19-1I固定管板式Φ2731500Φ19x2651三角形30°1E202循环甲苯冷却器BEM700-0.1/0.1-101.1-3/19-1I固定管板式Φ7003000Φ19x26071三角形30°1E203流股冷却器BEM273-0.2/0.1-1.4-1.5/19-1I固定管板式Φ2731500Φ19x2651三角形30°1E204T201冷凝器BEM600-0.1/0.1-112.9-4.5/19-1I固定管板式Φ6004500Φ19x24301三角形30°1E205T201再沸器BEM1000-0.9/0.1-332.8-4.5/19-1I固定管板式Φ10004500Φ19x212671正方形45°1表1.SEQ表5.\*ARABIC8全工段换热器选型一览表（续）位号名称型号类型壳体规格（mm）管长（mm）列管规格（mm)管数管程数排列方式个数E206T202冷凝器BEM1800-0.2/0.1-1474.3-6/19-1I固定管板式Φ18006000Φ19x240481三角形30°1E207T202再沸器BEM1800-3.9/0.1-1122.7-6/25-1I固定管板式Φ18006000Φ25x2.524244三角形30°1E301溶剂预热器BEM273-0.9/0.1-1.4-1.5/19-1I固定管板式Φ2731500Φ19x2651三角形30°1E302T301冷凝器BEM700-0.1/0.1-109-3/19-1I固定管板式Φ7003000Φ19x26071三角形30°1E303T301再沸器BEM1800-3.9/0.1-1474.3-6/19-1I固定管板式Φ18006000Φ19x340486正方形45°1E304T302冷凝器BEM278-0.1/0.1-1.4-1.5/19-1I固定管板式Φ2781500Φ19x4651三角形30°1E305T302再沸器BEM700-3.9/0.1-159.4-4.5/19-1I固定管板式Φ7004500Φ19x56071正方形45°11.4泵的设计与选型 本设计通过AspenPlus软件的模拟以及智能选泵软件进行泵的设计与选型。本章节将详细说明泵的设计与选型过程。1.4.1甲苯进料泵（P102）设计说明 泵的选型与设计以新鲜甲苯进料泵P102来进行说明设计与选型过程。首先，透过AspenPlus的模拟结果可以得到新鲜甲苯进料泵P102的流量与扬程，流量为28.12m^3/h,扬程为37.74m。新鲜甲苯进料泵P102的流股参数为表1.9所示。表1.SEQ表5.\*ARABIC9新鲜甲苯进料泵P102流股参数流股进口出口压力（bar）14.2温度（℃）2525体积流量（m328.1228.12 将以上的参数输入进选泵软件后，软件将根据提供的参数排列出效率由高到低的泵型号供使用者选择。从选型结果中可以获取泵的安装尺寸图、性能工作曲线图、实物图和结构图等相关信息。最终确定泵P102的型号为ISW65-100-1，选型结果参数如表1.10所示，泵的性能曲线图、安装尺寸图及实物图分别为图1.11、图1.12以及图1.13。表1.SEQ表5.\*ARABIC10新鲜甲苯进料泵P102选型结果参数表ISW65-100-1电机电机功率（kW）1.5电机型号Y90S-2额定参数（最大叶轮）额定流量（m325额定扬程（m）12.5额定效率（%）70轴功率（kW）1.22汽蚀（m）2.5转速（rpm）2950结构尺寸进出口口径尺寸类型DN进口口径65出口口径65介质介质温度≤80℃图1.SEQ图5.\*ARABIC11新鲜甲苯进料泵（P102）选型结果性能曲线图图1.SEQ图5.\*ARABIC12新鲜甲苯进料泵（P102）选型结果安装图图1.SEQ图5.\*ARABIC13新鲜甲苯进料泵（P102）选型结果实物图1.4.2全工段泵的设计选型 通过与新鲜甲苯进料泵P102相同的选型过程来进行其他泵的设计与选型。全工段泵的选型一览表如表1.11所示。表1.SEQ表5.\*ARABIC11全工段泵选型一览表设备位号名称规格型号长x宽x高（mmxmmxmm）参数流量（m3扬程（m）功率（kW）P101甲醇进料泵ISW65-100454x273x3612512.51.5P102甲苯进料泵80GDL36-12x3300x300x118036367.5P103甲醇进料泵50YW25-40-7.5400x520x110025407.5P201甲苯回流泵ISG250-2501100x506x9401502011P202T202进料泵IR10065-250A-93.57030P301溶剂进料泵ISG20-110260x152.5x3822.5150.751.5储罐的设计与选型 储存罐的选型以原料甲苯和产品对二甲苯作为举例进行详细说明设计选型。1.1.1原料储罐 甲苯的常压沸点为110.6℃，相对密度为0.866，闪点为4.4℃（闭式），临界温度为298.6℃，临界压力为4.108MPa。一般状况下表现安定，在工业上一般于常温常压下密封保存，并储存在阴凉、干燥、通风良好且阳光无法照射的地方，远离热源