年产27万吨丙烯腈项目设备设计说明书

XX集团XX石化27万吨/年丙烯腈项目设备设计说明书2016年8月目录第一章设备设计总述 第八章蒸发器8.1概述8.1.1循环式换热器（1）中央循环管式蒸发器这种蒸发器又称为标准式蒸发器，它的加热室由垂直管束组成，中间有一根直径很大的中央循环管，其余管径较小的加热管称为沸腾管。由于中央循环管较大，其单位体积溶液占有的传热面，比沸腾管内单位溶液所占有的要小，即中央循环管和其他加热管内溶液受热程度不同，从而沸腾管内的气、液混合物的密度要比中央循环管中溶液的密度小。加之上升蒸汽的向上的抽吸作用，会使蒸发器中的溶液形成由中央循环管下降、由沸腾管上升的循环流动。这种循环主要是由溶液的密度差引起，故称为自然循环。这种作用有利于蒸发器内的传热效果的提高。这种蒸发器由于具有结构紧凑、制造方便、传热较好及操作可靠等优点，应用十分广泛。但是由于结构上的限制，循环速度不大。加上溶液在加热室中不断循环，使其浓度始终接近完成液的浓度，因而溶液的沸点高，有效温度差就减小。这是循环式蒸发器的共同缺点。此外，设备的清洗和维修也不方便，所以这种蒸发器难以完全满足生产的要求。（2）悬筐式蒸发器为了克服循环式蒸发器中的蒸发液易结晶、易结垢且不易清洗等缺点，研究人员对标准式蒸发器结构进行了更合理的改进，悬筐式蒸发器，结构如图8-1所示。图8-1悬框式蒸发器这种蒸发器的优点主要有：这种蒸发器的加热室可由顶部取出进行清洗、检修或更换，而且热损失也较小。缺点主要是结构复杂，单位传热面积的金属消耗较多。（3）列文式蒸发器上述的自然循环蒸发器其循环速度不够大，一般均在1.5m/s以下。为使蒸发器更适用于蒸发粘度较大、易结晶或结垢严重的溶液，并提高溶液循环速度以延长操作周期和减少清洗次数，采用列文式蒸发器。加热室中的溶液不沸腾，在沸腾室内才开始沸腾，因而溶液的沸腾汽化由加热室移到了没有传热面的沸腾室，从而避免了加热管内结晶或污垢的形成。溶液循环速度可达2.5至3m/s以上，故总传热系数亦较大。列文式蒸发器也有一些缺点，比如液柱静压头效应引起的温度差损失较大，要求加热蒸汽有较高的压力。设备庞大，消耗的材料多，需要高大的厂房。（4）外热式加热室单独放置，好处之一是可以降低整个蒸发器的高度，便于清洗和更换；好处之二是可将加热管做得长些，循环管不受热，从而加速液体循环。循环速度可达1.5m/s。8.1.2单程型换热器这一大类蒸发器的主要特点是溶液在蒸发器中只通过加热器一次，不过循环流动即成为浓缩液排出。溶液通过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸发器。根据流向的不同又分为以下几种：（1）升膜式蒸发器料液在加热管内受热汽化，生成的蒸汽在加热管内高速上升（常压下汽速为20～50m/s，减压下汽速可达100至160m/s或更大些）。溶液被上升的蒸汽所带动，沿管壁成膜状上升并继续蒸发，汽、液混合物在分离器内分离。它的优点主要是：溶液在蒸发器中不循环，停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发；整个溶液的浓度，不象循环型那样总是接近于完成液的浓度，因而这种蒸发器的有效温差较大；由于溶液呈膜状流动，因而对流传热系数较大。缺点主要是：对进料负荷的波动相当敏感，当设计或操作不适当时不易成膜，此时，对流传热系数将明显下降。升膜式蒸发器主要适用于黏度较小的（小于0.05Pa·s）、蒸发量较大、易受热分解的热敏性溶液者；不适用于粘度很大，易结晶或易结垢的物料的蒸发。（2）降膜式蒸发器料液是从蒸发器的顶部加入，在重力作用下沿管壁成膜状下降，并在此过程中蒸发增浓，在其底部得到浓缩液。降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高、粘度较大（0.05～0.45Pa·s）、蒸发量较小、热敏性的物料。但因液膜在管内分布不易均匀，传热系数比升膜式蒸发器的较小，仍不适用易结晶或易结垢的物料。（3）刮板式蒸发器简称薄膜蒸发器，是一种利用外加动力成膜的单程型蒸发器。优点：热阻影响小，传热系数大，停留时间短，一般为数秒或几十秒，故可适应于高粘度（如栲胶、蜂蜜等）和易结晶、结垢、含固体、热敏性的物料。缺点：结构复杂，动力消耗大，处理量很小且制造安装要求高。（4）升、降膜式蒸发器升降膜式蒸发器将升膜和降膜蒸发器装在了一起，料液先经升膜蒸发器上升，然后由降膜蒸发器下降。适用于蒸发过程中溶液黏度变化很大、蒸发量不大场合。8.1.3直接接触传热的蒸发器实际生产中，有时还应用到直接接触传热的蒸发器。它是将燃料（通常是煤气和油）与空气混合后，在浸于溶液中的燃烧室内燃烧，产生的高温火焰和烟气经燃烧室下部的喷嘴直接喷入被蒸发的溶液中。高温气体和溶液直接接触，同时进行传热使水分蒸发汽化，产生的水汽和废烟气一起由蒸发器顶部排出。优点：传热效果很好，热利用率高，原因是直接接触传热；由于不需要固定的传热壁面，结构简单；特别适用于易结晶、结垢和具有腐蚀性物料的蒸发。缺点：若蒸发的料液不允许被烟气所污染，则该类蒸发器一般不适用；由于有大量烟气的存在，限制了二次蒸气的利用；此外喷嘴由于浸没在高温液体中，较易损坏。8.2蒸发器选型原则8.2.1选型应考虑的有关因素（1）溶液的组成；（2）处理量和生产能力；（3）溶液的初始浓度核供液温度；（4）完成液的终点温度和产品要求；（5）物料的热稳定性；（6）溶液的沸点升高；（7）溶液的发泡性、表面张力、液体粘度等；（8）生成垢的成分（硫酸钙、磷酸钙、硅等）；（9）可利用的热源（水蒸气、电力等）；（10）可利用的冷却水温、水量、水质和一年内的温度变化；（11）溶液的pH值，涉及设备和衬里的材料，特别是防腐措施及修补方法；（12）技术条件，现场条件（面积和高度），投资限额，操作方式（间歇或连续）及操作费用等。8.2.2选型的定性准则为便于选型，现将综合各种因素的选型准则列于表8-1。表8-1常用蒸发设备选型的准则蒸发器型式水平管式标准式外加热式强制循环式升膜式降膜式制造价格廉廉廉高廉廉总传热系数稀薄溶液0.001~0.05Pa•s较高较高高高高高高粘度溶液0.1Pa•s较低较低低高低较高停留时间长长较长较短短短料液循环与否否是是是否是浓缩液浓度是否能恒定可可可可尚可尚可浓缩比高高良好高良好良好设备处理量大大大大大大料液性质是否适合有稀薄溶液适适适适适较适高粘度溶液可可差可差可易产生泡沫尚适适尚适适好适易结垢较差适尚适好较差较差有结晶析出较差尚适适好不适不适属热敏性不适较差不适尚适适适有腐蚀性尚适尚适尚适不适适适8.3设计实例多效蒸发是典型化工操作，其特点是节约能源，经济性好，最常用的是顺流式。简单的多效蒸发器的设计方法基于下列几个假定：第一，几个蒸发器均采用相同的传热面积，除非工艺上不可以；第二，蒸发器的效数可为5~10；第三，最后一效的工艺条件是固定的；最后，要求热的产品和冷凝液体来加热进料液体，使其达到饱和温度。8.3.1原料物性表8-2物性参数表特性粘度/Pa•s易产生泡沫易结垢有结晶析出热敏性有腐蚀性程度0.0003不易易易非无丙丙烯腈四效蒸发器的特点是聚合物较多，容易结垢、堵住管路，但是不易产生泡沫，腐蚀性也较低等，为此，管中的流动速度必须高。综合考虑各方面因素，选取强制循环蒸发器。8.3.2蒸发器操作条件表8-3蒸发器设计参数名称数值F18727.9kg/hx00.0219W17163.3kg/hx10.1514D1564.59kg/hQ2.099MWT151.72/℃t181.77/℃K1200~6000W/(m2·K)8.3.3蒸发器选型设计根据标准，选取K为4000W/(m2·K)，则选面积裕度为20%，则传热面积为9m2.8.4蒸发器选型一览表表8-4蒸发器选型结果一览表设备位号设备名称类型型号功率/kw传热面积/m2传热系数/(W/(m2·K))数量E0601蒸发器强制循环蒸发器立式蛇管式四效强制循环式蒸发器3940001E0602蒸发器强制循环蒸发器立式蛇管式四效强制循环式蒸发器3940001E0603蒸发器强制循环蒸发器立式蛇管式四效强制循环式蒸发器3940001E0604蒸发器强制循环蒸发器立式蛇管式四效强制循环式蒸发器3940001第九章吸附塔设备设计吸附是指当流体与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄的现象。吸附属于一种传质过程，物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力，但物质表面的分子，其中相对物质外部的作用力没有充分发挥，所以液体或固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是表面面积很大的情况下，这种吸附力能产生很大的作用，所以工业上经常利用大面积的物质进行吸附，如活性炭、水膜等。这里根据吸附原理，选择合理的吸附剂，通过计算选出2台干燥塔，6台变压吸附塔。9.1干燥塔设计9.1.1吸附材料的选择—分子筛分子筛是一种微孔型具有立方晶格硅铝酸盐的多水化合物，有人工合成的，也有天然的，称为泡沸石。合成沸石亦称为沸石分子筛，目前制造方法主要采用的是水热合成法，其次是碱处理法。沸石分子筛具有以下特点：表9-1常用分子筛的化学组成及孔径型号分子比孔径Å典型化学组成3A(钾A型)23～3.34A(钠A型)24.2～4.75A(钙A型)24.9～5.610X(钙X型)2.3～3.38～913X(钠X型)2.3～3.59～10Y(钠Y型)3.3～59～10钠丝光沸石3.3～6约59.1.2吸附设备尺寸的确定气体处理量：V=209499.12m3/h；质量m=193418.64kg/h；原料进气压力为P=3.0Mpa，此时总体积流量为Vs=6983.304m3/h，此处我们取u=0.3m/s。塔内径的确定:9.1.3吸附器内吸附剂装填表9-2吸附塔内各类填料装填量（单吸附塔）序号名称规格装填量kg装填体积m3作用1AS吸附剂φ3～5球状白色2800030吸附水24A分子筛φ0.5～1球状白色100060吸附水，乙烷，乙烯等3惰性瓷球φ15球状8000.8保护吸附剂9.1.4吸附器高度的确定H=H1+H2（H1：填料层高度H2：塔空间预留高度）吸附塔的横截面积S=πd2/4=7.07m2故：H1=30/7.07+60/7.07+0.8/7.07=12.84mH2=4.2m总塔高H=12.84+4.2=17.04m，取塔高17m。9.2氢气变压吸附塔设计9.2.1吸附材料的选择——分子筛分子筛是一种微孔型具有立方晶格硅铝酸盐的多水化合物，有人工合成的，也有天然的，称为泡沸石。合成沸石亦称为沸石分子筛，目前制造方法主要采用的是水热合成法，其次是碱处理法。沸石分子筛具有以下特点：选择性好，净化效果高微孔孔径分布单一、均匀，凡被处理的流体中分子直径大于微孔尺寸的都不能进入微孔，吸附发生在孔穴内部，能把直径小于孔穴尺寸的分子吸入孔内，把直径大于微孔尺寸的分子挡在孔外，可以起到筛分的作用，所以称为分子筛，故能按照气体分子大小进行选择性吸附；吸附能力强，是一种强极性吸附剂对极性分子、不饱和分子和极化率大的分子有很高的亲和力，对水、二氧化碳和乙炔的吸附能力都很强；吸附效率高在低吸附质分压、高温、高气体线速度条件下，仍能保持较高的吸附容量；共吸附性能好在吸附水的同时，还可以吸附其它气体，如烃类、氨、H2S、SO2等；各种杂质气体分子的吸附能力顺序如下：吸附酸碱性气体的顺序：H2O＞H2S＞NH3＞SO2＞CO2吸附碳氢化合物的顺序：H2O＞C3H5＞C2H2＞C2H4，CO2，C3H8＞C2H6＞CH4CO2动吸附容量对压力变化不敏感，对温度变化敏感当温度从278K升高至318K时，分子筛对CO2的动吸附容量减小70％。分子筛的种类繁多，目前主要有A型、X型和Y型三种类型，每一类型的分子筛按其阳离子的不同，孔径和性质也有所不同。表7-14给出了集中常用分子筛的筛孔直径及化学组成。下表给出了各种组分分子的大小和分子筛的选择性。表9-3常用分子筛的化学组成及孔径型号分子比孔径Å典型化学组成3A(钾A型)23～3.34A(钠A型)24.2～4.75A(钙A型)24.9～5.610X(钙X型)2.3～3.38～913X(钠X型)2.3～3.59～10Y(钠Y型)3.3～59～10钠丝光沸石3.3～6约59.2.2吸附设备尺寸的确定9.2.2.1操作条件气体处理量：V=106936.92m3/h；质量m=130654.44kg/h；原料进气压力为P=3.95MPa,此时总体积流量为Vs=2707.26m3/h,根据工程经验，变压吸附的空塔气速一般为0.03m/s—0.06m/s，此处我们取u=0.06m/s。塔内径的确定（采用六塔流程）：9.2.2.2筒体壁厚的计算：设计参数的相关确定已知吸附器的操作压力为0.08MPa—4.1Mpa，操作温度为80.92℃计算压力PC的相关确定计算压力=设计压力+液柱静压力由于此反应为气相反应，其中液柱静压力=0设计压力P：P=(1.05~1.1)×Pi此处我们取：P=1.1Pi=1.1×4.1=4.51MPa故计算压力Pc=4.51MPa设计温度的相关确定取设计温度90℃，采用16MnR钢材，取焊接接头系数（双面焊对接接头，100％无损探伤），则查化工设备设计手册可知该材料在设计温度90℃时的许用应力；腐蚀裕量。计算厚度设计厚度已知钢板腐蚀裕量；负偏差，则：名义厚度9.2.3吸附器内吸附剂装填表9-4吸附塔内各类填料装填量（单吸附塔）序号名称规格装填量kg装填体积m3作用1AS吸附剂φ3～5球状白色5000.3吸附水24A分子筛φ0.5～1球状白色50029.5吸附水，乙烷，乙烯，丙烯等35A分子筛φ3.0-3.3球状白色100017.5吸附C3-C4正构烷烃等4HX5A-98分子筛φ2～3球状灰白色2500050.2吸附CH4.等5惰性瓷球φ15球状7500.5保护吸附剂9.2.4吸附器高度的确定H=H1+H2(H1：填料层高度H2：塔空间预留高度)吸附塔的横截面积S=πd2/4=12.57m2故：H1=0.3/12.57+29.5/12.57+17.5/12.57+50.2/12.57+0.5/12.57=7.796mH2=4.2m总塔高H=7.796+4.2=12m9.2.5吸附器细节设置吸附塔在使用期内要承受数十万次（每年交变次数30000）全幅度交变压力的频繁变化，属于疲劳压力容器，设计使用寿命20年。吸附塔底部气体进口处设有特殊结构的气流分布器，力求使吸附塔内气流分布均匀，防止发生返混现象，提高吸附剂的利用率，同时保护吸附剂免受损坏。在吸附塔顶部气体出口处设有气体收集器，防止吸附塔内的吸附剂随气流被带出系统，损坏程控阀门等。9.2.6吸附器选型一览表表9-5设备一览表设备位号设备名称塔径/mm塔高/mm设计温度/℃设计压力/kPa封头形式材料数量T0201干燥塔300017000903.0标准椭圆封头Q345R2T0202变压吸附塔400012000903.95标准椭圆封头Q345R6第十章压缩机选型设计10.1压缩机设备概述压缩机是用来压缩气体借以提高气体压力的机械，也称为“压气机”或“气泵”，一般提升压力小于0.2MPa时称为鼓风机，提升压力小于0.02MPa时称为通风机。从能量观点看，它是把原动机的机械能转变为气体的能量的一种机械。压缩机有多种分类:（1）按作用原理分类可分为容积式压缩机（螺杆压缩机、活塞压缩机、涡旋压缩机）和速度式压缩机（离心压缩机和轴流压缩机）。（2）按压力分类可分为超高压压缩机：排出气体压力大于100MPa；高压压缩机：排出气体压力10~100MPa；中压压缩机：排出气体压力1.0~10MPa；低压压缩机：排出气体压力0.25~1.0MPa。10.2选型原则活塞式压缩机优点是操作压力稳定，且压力范围广泛，最高压力可达35MPa；供气效率高，对材质无特殊要求。可用一般金属材料制造；但是缺点是外形尺寸和重量较大，需较大的基础；气流有脉冲性，易损件多、结构复杂。离心式压缩机的优点是：供气流均匀，运转平稳，调节方便：机械效率高，易损件少，维修方便，气缸内无润滑油，气体不被油污染；投资省，占地少，使用压力范围较小；缺点是结构复杂，噪音大。结合本工段工艺物流的特性，在考虑经济实用的原则，本工段的压缩机均选择活塞式压缩机。活塞式压缩机以气缸的相对位置可分为立式、卧式、角度式（L型、V型、W型、扇形）、对置式、单列、双列、对称平衡式（H型、M型）等。由工艺要求选择，确定进出口压力，计算总压力比，得到压缩机的级数。对于易燃易爆的介质需对密封性具有高可靠性。对于腐蚀性气体，选择抗腐蚀材料适当选择冷却介质。10.3压缩机设计计算举例下面对深冷分离塔进料压缩机C-0201的选型过程进行介绍，工艺要求进料气从Ps=0.1Mpa压缩至Pd=2.5MPa，气体进口流量为Vs=99735m3/h，温度Ts=354.1K，排气量为Vd=6290m3/h，温度为Td=558.3K，压缩比=2.5/0.1=25。考虑到烃类混合气体易燃易爆的特性，选择用4L型活塞式压缩机本系列为L型、两列、单级、双缸、复动、有十字头、水冷、固定式的活塞式压缩机。以ASPEN模拟结果为参考：表10-1AspenPlus模拟所得压缩机C201参数Compressormodel:IsentropicCompressorUnitPhasecalcul