年产28万吨丙烯联产36万吨酚酮项目设备选型与典型设备设计

目录目录 ——设备选型说明概述设备工艺设计是工程设计的基础。化工设备从工艺设计的角度可以分为两类：一类是标准设备或定型设备，是成批、成系列生产的设备，并可以从厂家的产品目录或手册中查到其规格及型号，可直接从设备生产厂家购买；另一类是非标设备或称非定型设备，是根据工艺要求、通过工艺计算及设备专业设计人员设计、需要专门设计的特殊设备，然后由有资格的厂家制造。本章对工艺过程中的主要设备做了详细设计，确定单元操作所用设备的类型；确定设备的材质；确定设备的设计参数；确定定型设备（即标准设备）的型号或牌号以及数量；对非标设备，向化工设备专业设计人员提出设计条件和设备草图，明确设备的型式、材质、基本设计参数、管口、维修安装要求、支承要求及其他要求；并编制工艺设备一览表。详情请参展设备选型一览表。设计依据本项目各设备设计及选型参考规定如下表所示：表1-SEQ表1-\*ARABIC1设计参考规范名称标准号《钢制压力容器焊接规程》NB/T47015-2011《钢制化工容器设计基础规定》HG20580-2011《钢制化工容器材料选用规定》HG20581-2011《钢制化工容器强度计算规定》HG20582-2011《钢制化工容器结构设计规定》HG20583-2011《GB150-2011压力容器释义》978-7-5011-9900-6《设备及管道保温设计导则》GB8175-2008《压力容器封头》GB/T25198-2010《塔器设计技术规定》HG20652-1998《塔顶吊柱》HG/T21639-2005《衬不锈钢人孔和手孔》HG/T21594-2014《钢制人孔和手孔的类型与技术条件》HG/T21514-2014《塔式容器》标准释义与算例NB/T47041-2014《塔盘技术条件》JB/T1205-2001《钢制管法兰》HG/T20592-2009《不锈钢波形膨胀节》GB/T12522-2009《热交换器》GB/T151-2014化工工艺设计手册化工机械工程手册塔设备设计塔设备简介塔设备类型有很多，可以从不同的角度对塔设备进行分类。例如：按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际接触界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的塔；也有按塔釜形式分类的，但是长期以来最常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔。填料塔以填料作为气液接触元件，气液两相在填料层中逆向连续接触。它具有结构简单、压力降小、易于用耐腐蚀非金属材料制造等优点，对于气体吸收、真空蒸馏以及处理腐蚀性流体的操作，颇为适用。当塔径增大时，引起气液分布不均、接触不良等，造成效率下降，即称为放大效应。同时，填料塔还有重量大、造价高、清理维修麻烦、填料损耗大等缺点，以致使填料塔在很长时期以来不及板式塔使用广泛。但是随着新型高效填料的出现，流体分布技术的改进，填料塔的效率有所提高，放大效应也在逐步得以解决。板式塔是分级式接触型气液传质设备，种类繁多。根据目前国内外实际使用的情况，主要的塔型是泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔、浮动喷射塔、等等。精馏塔设计塔类型选择原则塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节。选择时考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能，以及塔设备的制造、安装、运转和维修等。物性因素易起泡的物系，如处理量不大时，以选用填料塔为宜。因为填料能使泡沫破裂，在板式塔中则易引起液泛。具有腐蚀性的介质，可选用填料塔。如必须用板式塔，宜选用结构简单、造价便宜的筛板塔盘、穿流式塔盘或舌形塔盘，以便及时更换。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。如可采用装填规整填料的散堆填料等，当要求真空度较低时，也可用筛板塔和浮阀塔。黏性较大的物系，可以选用大尺寸填料，板式塔的传质效率较差。含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔型，以板式塔为宜。可选用泡罩塔、浮阀塔、栅板塔、舌形塔和孔径较大的筛板塔等。不宜使用填料。操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。因塔板上积有液层，可在其中安放换热管，进行有效的加热或冷却。操作条件因素若气相传质阻力大（即气相控制系统。如低黏度液体的蒸馏，空气增湿等），宜采用填料塔，因填料层中气相呈湍流，液相为膜状流。反之，受液相控制的系统（如水洗CO2），宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气相在液层中鼓泡。大的液体负荷，可选用填料塔，若用板式塔时，宜选用气液并流的塔型（如喷射型塔盘）或选用板上液流阻力较小的塔型（如筛板和浮阀）。此外，导向筛板塔盘和多降液管筛板塔盘都能承受较大的液体负荷。低的液体负荷，一般不宜采用填料塔。因为填料塔要求一定量的喷淋密度，但网体填料能用于低液体负荷的场合。液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔，故当液气比波动较大时宜用板式塔。其他因素对于多数情况，塔径小于800mm时，不宜采用板式塔，宜用填料塔。对于大塔径，对加压或常压操作过程，应优先选用板式塔；对减压操作过程，宜采用新型填料。一般填料塔比板式塔重，大塔以板式塔造价较廉。因填料价格约与塔体的容积成正比，板式塔按单位面积计算的价格，随塔径增大而减小。塔类型介绍塔主要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程，但两者各有特点。板式塔塔内装有一定数量的塔盘，是气液接触和传质的基本构件；属逐级（板）接触的气液传质设备；气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层，使气液相密切接触而进行传质与传热；两相的组分浓度呈阶梯式变化。填料塔塔内装有一定高度的填料，是气液接触和传质的基本构件；属微分接触型气液传质设备；液体在填料表面呈膜状自上而下流动；气体呈连续相自下而上与液体作逆流流动，并进行气液两相的传质和传热；两相的组分浓度或温度沿塔高连续变化。两种塔设备的比较如下表所示：表2-SEQ表2-\*ARABIC1两种塔设备的比较项目板式塔填料塔压力降压力降一般比填料塔大压力降小，适于要求压力降小的场合空塔气速空塔气速大空塔气速小重量较轻较重安装维修较容易较困难材质要求一般用金属材料可用非金属耐腐蚀材料持液量较大较小气液比适应范围较大对液体喷淋量有一定要求塔效率效率较稳定，大塔板效率比小塔有所提高塔径Φ1.5m以下效率高；塔径增大，效率通常会下降造价直径大时一般比填料塔造价低直径增大，造价显著增加塔设备选择塔设备的选择有以下几项原则：蒸馏过程多选用板式塔，而吸收过程多选用填料塔；有侧线进料和出料的工艺过程，选用板式塔较为适宜；含有悬浮物的物料，应选择液流通道大的塔型，以板式塔为宜；对于液体密度极小的工艺过程，若采用填料塔，其分离效率明显下降，故宜选择板式塔；对于宜发泡物系的分离，因填料层具有破碎泡沫作用，宜选择填料塔。塔盘类型与选择板式塔塔板种类根据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式和溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。各种塔盘性能比较 工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求，迄今已开发和使用的塔板类型繁多。这些塔板各有各的特点和使用体系，板式塔主要塔盘的优缺点如下表所示：表2-SEQ表2-\*ARABIC2各种板式塔的优缺点及用途塔盘类型结构优点缺点主要应用范围泡罩塔圆形泡罩复杂弹性好无泄漏费用高；板间距大；压力降比较大用于具有特定要求的场合S型泡罩塔板稍简单简化了泡罩的型式，因此性能相似费用高；板间距大；压力降比较大用于具有特定要求的场合浮阀塔条形浮阀简单操作弹性较好；塔板效率较高；处理能力较大没有特别的缺点适用于加压及常压下的气液传质过程重盘式浮阀有简单的和稍复杂的T型浮阀简单穿流型筛板(溢流式)简单正常负荷下的效率高；费用最低；压力降小稳定操作范围窄；要么扩大孔径，否则易堵物，泄漏适于处理量变动少且不析出固体物的系统波纹筛板简单比筛板压力降稍高，但具有同样的优点；气液分布好栅板简单处理能力大；压力降小；费用便宜适用于粗蒸馏表2-SEQ表2-\*ARABIC3各种塔盘的比较塔盘型式蒸汽量液量效率操作弹性压力降价格可靠性泡罩良优良超差良优筛板优优优良优超良浮阀优优优优良优优穿流式优超差差优超可靠结论：浮阀塔盘在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比泡罩塔盘优越，筛板塔盘造价低、压力降小，除操作弹性较差外，其他性能接近于浮阀塔盘。塔型选用表2-SEQ表2-\*ARABIC4塔型选用顺序表考虑因素选择顺序塔径直径800mm以下，填料塔；大塔径，板式塔具有腐蚀性的物料①填料塔②穿流式塔③筛板塔④喷射型塔污浊液体①大孔径筛板塔②穿流式塔③喷射型塔④浮阀塔⑤泡罩塔操作弹性①浮阀塔②泡罩塔③筛板塔真空操作①填料塔②导向筛板③网孔塔板④筛板⑤浮阀塔板大液气比①多降液管筛板塔②填料塔③喷射型塔④浮阀塔⑤筛板塔存在两液相的场合①穿流式塔②填料塔设计实例以异丙苯生产工段T0302为例，进行塔设备的设计说明。以异丙苯生产工段T0302的作用是通过精馏，使异丙苯和多异丙苯这两种产物分离。设计此塔时，应满足如下设计要求：生产能力大，即气液处理量大；分离效率高，气液接触充分；操作稳定，保持高的分离效率；流体流动阻力小，及气液通过每层塔板的压降小；结构简单可靠，制造安装容易，设备投资小。由于异丙苯生产工段中该塔T0302要求两个重组分基本达到清晰分割，分离要求较高，而板式塔效率稳定，操作弹性大，维修方便，成本较低，且浮阀板在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比泡罩板优越，综合考虑上述因素，结合本项目实际情况，故异丙苯塔采用浮阀塔。塔设备设计方法设计思路塔高的计算包括塔的主体高度、顶部与底部空间的高度，裙座高度。塔径的计算装置的有关条件→给定塔板设计条件→准备事项→确定塔径溢流区的设计→气液接触区的设计→各项校核计算。塔内件的设计主要是塔盘的工艺和结构设计。此外还有塔的进出口、防冲挡板、放涡器、除沫器等的设计计算。设计参数设计参数主要考虑介质与选材、设计压力、设计温度、厚度及其附加量、焊接接头系数等。介质与选材操作环境中主要存在异丙苯以及二异丙苯、三异丙苯（下文将二异丙苯、三异丙苯统称为多异丙苯）等，异丙苯和多异丙苯质量分数之和几乎达到99.80%，由查《腐蚀数据手册》得若选用碳钢材料，则以上介质的对其腐蚀极小,考虑到综合强度等方面的要求，选择Q345R作为筒体材料。使用软件列表表2-SEQ表2-\*ARABIC5使用软件列表名称用途来源AspenPlusV8.4热量与能量衡算AspenTech公司CUP-Tower流体力学设计中国石油大学（华东）KG-Tower流体力学设计KG公司SW6-2011塔体强度结构设计全国化工设备设计技术中心站AutoCAD2014精馏塔平面布置图绘制Autodesk公司塔的初步计算在化工、石油化工及炼油中，由于炼油工艺和化工生产工艺过程的不同，以及操作条件的不同，塔设备内部结构形式和材料也不同。塔设备的工艺性能，对整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及“三废”处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。以T0302塔举例说明。本精馏塔目的是为了实现异丙苯与多异丙苯分离。异丙苯塔工艺条件及有关物性数据根据AspenPlus计算结果可知，异丙苯塔塔板数为NT=30。由于存在中间进料，所以需要对气液负荷较大的塔板进行设计，通过保证满足要求最高的塔板的分离效率，从而保证每块塔板都能满足分离要求，因此提取第2块塔板的物性数据如下表所示：表2-SEQ表2-\*ARABIC6异丙苯塔物性数据塔板数气体流量Vh（m3/h）液体流量Lh（m3/h）气体密度ρv（kg/m3）液体密度ρL（kg/m3）表面张力σ（mN/m）第2块塔板17581.919624.519943.4225742.575714.7975塔径计算塔板间距HT的选定很重要，它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性，以及塔的安装、检修等都有关。可参照下表所示经验关系选取：表2-SEQ表2-\*ARABIC7浮阀塔的塔板间距塔径D/mm塔板间距HT/mm600~700300350450800~10004505006001200~14004505006001600~30005006008003200~4200600800以精馏段为例。初选板间距HT=0.6m，取板上液层高度hL=0.05m，故：HT-hL=0.55m，气液两相流动参数为：欲求塔径应先求出空塔气速u，而式中C可由史密斯关联式查出，横坐标的数值，气液两相流动参数为：图2-SEQ图2-\*ARABIC1查史密斯关联图可查得：C20=0.11修正C为：为避免雾沫夹带及液泛的发生，一般情况，在0.6-0.8范围内取安全系数为0.7，则：；；塔截面积：按设计标准，将塔径圆整为2.6m，空塔气速0.92m/s，塔截面积为5.309m2。符合板间距与塔径的经验关系，所选板间距合理。因此确定设计过程中精馏塔的塔径为2600mm。溢流装置计算溢流类型与液体负荷及塔径的经验关系如下表所示：表2-SEQ表2-\*ARABIC8溢流装置塔径（mm）流体流量（m3/h）单溢流双溢流阶梯式双溢流2000<9090-1603000<110110-200200-3004000<110110-230230-3505000<110110-250250-4006000<110110-250252-450应用场合一般场合用于高液气比或大型塔板用于极高液气比或超大型塔板注：本次设计塔径2.6m，且液体流量不大，故选择单溢流。溢流堰长lw根据单溢流取lw为（0.6-0.8）D，取堰长lw为0.7D，则：故堰长出口堰hw堰高则由板上液层高度及堰上液层高度而定。堰上液层高度太小会造成液体在堰上分布不均匀，影响传质效果，设计时应使堰上液层高度how大于6mm，若小于此值需采用齿形堰。但how也不宜过大，否则会增大塔板压降及雾沫夹带量。一般设计时，how不超过60-70mm，超过此时可改用双溢流形式。采用平直堰，由《化工原理》(陈敏恒编制)图2-2液流收缩系数图查得：图2-SEQ图2-\*ARABIC2液流收缩系数可得E=1.01，则堰上液层高度：因此，可得：弓形降液管宽度Wd和面积Af由《化工原理》（陈敏恒编制）图2-3查弓形降液管的参数，如下图所示：由图可知图2-SEQ图2-\*ARABIC3弓形降液管的几何关系图则：，降液管的截面积应保证液体在降液管内有足够的停留时间，使溢流液体中夹带的气泡能来得及分离。为此液体在降液管内的停留时间不应小于3-5s，对于高压下操作的塔及易起泡的系统，停留时间应更长些。因此，在求得降液管面积之后，应按下式验算降液管内液体的停留时间：，故降液管尺寸合适。降液管底隙高度ho，取降液管底隙处液体流速：，取进口堰及受液盘在较大的塔中，有时在液体进入塔板处设有进口堰，；以保证降液管的液封，并使液体在塔板上均匀分布。而进口堰又要占较多塔面，还易使沉淀物淤积在此处造成阻塞，故不采用进口堰。受液盘有平行受液盘和凹形受液盘两种结构形式。由于凹形受液盘不适用于易聚合及有悬浮固体的情况，易造成死角而堵塞。故采用平行受液盘，深度为50mm。塔板布置因D800mm，故塔板采用分块式。塔板分为4块。无效区无效区也称边缘区，因靠近塔壁的部分需要留出一圈边缘区域，以供支撑塔板的边梁之用。宽度Wc视具体需要而定。小塔:；大塔:；取Wc=0.075m。破沫区鼓泡区与溢流区之间的区域为破沫区，也称安定区。此区域内不装浮阀，在液体进入降液管之前，设置这段不鼓泡的安定地带，以免液体大量夹带泡沫进入降液管。宽度Ws可按下述范围选取，即当D<1.5m,当D>1.5m,取Ws=0.1m（3）鼓泡区；；；溢流区降液管及受液盘所占的区域为溢流区。浮阀数目与排列取阀动能因子F0=10，则阀孔气速为：；每层塔板上的阀孔数：；塔板开孔率：塔板流体力学校验塔板的流体力学计算，目的在于验算预选的塔板参数是否能维持塔的正常操作，以便决定对有关塔板参数进行必要的调整，最后还要作出塔板负荷性能图。气相通过浮阀塔板的压强降计算塔板压强降公式：；干板阻力：；因，故按下式计算干板阻力，则：液柱高度为；板上充气液层阻力：本设备分离异丙苯和多异丙苯，即液相为碳氢化合物，可取充气系数，则；液体表面张力所造成的阻力：此阻力很小，忽略不计。因此，与气体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高度为则单板压降液泛为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液层高度：与气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度：；液体通过降液管的压头损失：因不设进口堰，故按下式计算，则：；板上液层高度：已知hL=0.05m；那么清液层高度取，已知，，则：综合上述可见：，符合防止液泛的要求。雾沫夹带按以下两式计算泛点率，则公式1：泛点率；公式2：泛点率；板上液体流径长度：；板上液流面积：；取物性系数，又查图得泛点负荷系数，将以上数值代入公式1得再按公式2计算泛点率，得根据以上两式计算出的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足eV<0.1kg(液)/kg(气)的要求。塔板负荷性能表雾沫夹带线根据公式可得：；取泛点率为70%，则；整理得(1)由式(1)知雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个Ls值，依式(1)算出相应的Vs值列于本例附表中。表2-SEQ图2-\*ARABIC4算出的相应的Vs值Ls/（m3/s）0.00660.0067Vs/(m3/s)4.9004.896注：据此，可做出雾沫夹带线(1)。液泛线由下式确定液泛线：；忽略hϭ，则：因物系一定，塔板结构尺寸一定，则HT、hw、lw、ρV、ε0及φ等均为定值，而u0与Vs又有如下关系，即，式中阀孔数N与孔径d0亦为定值，因此可将上式简化为Vs与Ls的关系式如下：，则(2)在操作范围内任取两个Ls值，依式(2)算出相应的Vs值列于本例附表中。表2-SEQ图2-\*ARABIC5算出相应的VsLs/(m3/s）0.0060.0070.008Vs/(m3/s)12.5314.4712.39注：据此，可做出液泛线(2)。液相负荷上限线液体的最大流量应保持在降液管中停留时间不低于3-5s。根据下式可知液体在降液管内停留时间为：；以作为液体在降液管中停留时间的下限，则：(3)漏液线对于F1型重阀，依计算，则，又知，则：以F0=5作为规定气体最小负荷的标准，则：(4)据此做出与液体流量无关的水平漏液线。液相负荷下限线取堰上液层高度how=0.02m作为液相负荷下限条件，则：，取E=1.01，故：(5)综合上述，精馏段的负荷性能表如下表所示：表2-6塔板负荷性能表项目数值及说明备注塔径D/m2.600塔间距HT/m0.600塔板形式双溢流降液管分块式塔板空塔气速u/m·s-10.920溢流堰长lw/m1.820板上液层高度hT/m0.063降液管底隙高度ho/m0.037浮阀数/个756阀孔气速uoc/m·s-15.405阀孔动能因数F018.909临界阀孔气速uoc/m·s-110.221孔心距t/m0.075同一横排孔心距排孔距t/m0.069相邻两横排中心线距离单板压降ΔP/Pa656.180液体在降液管内的停留时间θ/s36.400降液管内清液层高度Hd/m0.114泛点率%58.200Cup-tower的塔盘计算Cup-tower是中国石油大学（华东）研制开发，设计和计算塔盘的软件。根据初步计算以后，选择浮阀，溢流形式。图2-SEQ图2-\*ARABIC6塔板信息输入水力学数据：图2-SEQ图2-\*ARABIC7工艺条件填入上述详细计算中的塔径，板间距，开孔率，降液管尺寸等：图2-SEQ图2-\*ARABIC8塔板结构参数图2-SEQ图2-\*ARABIC9降液管尺寸输入完毕后，点击检验，开始计算。得出塔板结构参数和塔板工艺参数：图2-SEQ图2-\*ARABIC10塔板结构参数图2-SEQ图2-\*ARABIC11塔板工艺参数塔板性能负荷图由上述软件计算结果得T0302塔板性能负荷图如下：X液相体积流量m3/hY气相体积流量103*m3/h0-操作线1-液相下限线2-液相上限线3-漏液线4-雾沫夹带线5-液泛线图2-SEQ图2-\*ARABIC12塔板性能负荷图塔的机械设计机械设计是把工艺参数、尺寸作为已知条件，在满足工艺条件的前提下，对塔设备进行强度、刚度和稳定性计算，并从制造、安装、检修、使用等方面出发进行机构设计。介质和选材操作环境中主要存在异丙苯和多异丙苯，其中异丙苯和多异丙苯的质量分数之和达到99.99%，由查《腐蚀数据手册》得若选用碳钢材料，则以上介质的腐蚀速度均在0.05~0.5mm/a之间，综合强度等方面的要求，选择Q345R作为筒体材料。设计压力根据Aspenplus模拟结果，工艺采用的最高工作压力为PW=0.1MPa，设计压力取最高工作压力的1.05-1.1倍，故：，取设计压力为Pc=0.2MPa。设计温度工艺中塔顶和塔底的温度分别为152.097℃和213.285℃，考虑到操作弹性及意外情况，取其最高值并留一定的余量，取设计温度T=250℃。塔径计算该精馏塔T0301的塔径经圆整校核后为2600mm，详细计算见上文2.8.2节。塔设备的设计准则异丙苯塔设计遵循强度失效设计准则。塔设备壁厚的设计塔体和封头都选用Q345R，取焊接接头系数为0.85，在厚度为3~16mm时，塔顶温度150~200℃，屈服极限Rel=345MPa，许用应力σ=183MPa。塔径Di=2600mm，选用标准椭圆封头，则，，=0.85塔设备筒体壁厚计算取腐蚀余量为C2=2mm，考虑到钢板负偏差及钢材的标准系列，经圆整，取筒体名义厚度均为塔设备封头壁厚计算采用标准椭圆形封头：取腐蚀余量为C2=2mm，考虑到钢板负偏差及钢材的标准系列，经圆整，取筒体和封头的名义厚度均为（满足最小厚度要求）。校核水压试验强度式中，则而可见所以水压试验强度足够。塔高计算塔板段高度实际塔板数为30块，板间距为塔顶空间高度塔顶空间高度的作用是安装塔板和开人孔的需要，也使气体中的液体自由沉降，减少塔顶出口气中液滴夹带，空间高度一般取1.2~1.5m，此处取H2=1.5m。最后一块板到塔底的距离进液管顶部到最近一块板的距离；进气管管径；最后一块板到塔釜液面的距离。塔底空间高度具有贮存槽的作用，塔底釜液最好能在塔底有10~15min的储量，以保证塔底料液不致排完。对于塔底产量较大的塔，塔底容量可取小些，为保证塔底有10min的液体储量，进料，塔径。裙座壁厚裙座取与筒体相同的厚度即可。裙座高度由于塔径D=2.6m所以采用圆柱形裙座，根据工艺要求，高度为。封头高度查GBT25198-2010标准封头高度得：，椭圆封头曲面高度H=690mm.人孔数板式塔一般每隔米设置一个人孔，实际塔板30块，板间距0.6m，所以开个人孔（包括塔顶和塔底人孔数）。开人孔处塔板间距为。塔总高度质量载荷的计算塔体质量查资料得得内径为D=2600mm，厚度为6mm时，单位筒体质量为1320kg/m，单个封头质量为414.kg。筒体质量：封头质量：裙座质量：塔体质量：塔段内件质量查书《化工设备机械基础》得，浮阀塔塔盘质量qN=75kg/m2，则塔体内件质量：。保温层质量平台、扶梯质量由由《化工设备机械基础》查得，平台质量：qp=150kg/m2；笼式扶梯质量：qF=40kg/m；笼式扶梯总高：HF=24.31m；平台数量：n=5；平台宽度：B=900mm；则：操作时塔内物料质量；说明：物料密度ρ1=742.58kg/m3,封头容积Vf=2.51m3，塔釜圆筒部分深度h0=1.8m；塔板层数N=30，塔上板液层高度hw=0.034m人孔等附件的质量。充水质量；则：偏心质量已知再沸器：me=4000kg。操作质量最小质量。最大质量地震载荷的计算当发生地震时，塔设备作为悬臂梁，在地震载荷的作用下发生弯曲变形。所以安装在7度及7度以上地震烈度地区的塔设备必须考虑其抗震能力。根据《建筑抗震设计规范》，查得青岛地区的地震烈度低于7度，无需进行地震载荷计算。风载荷计算图2-SEQ图2-\*ARABIC13示意图以2-3段为例计算风载荷P2,如上图所示。式中：K1——体型系数，对圆筒形容器，K1=0.7q0——10m高处基本风压值，q0=500N/m2f2——风压高度变化系数，由《化工设备机械基础（第七版）》表8-5查得f2=1.38（A类地区）l2——计算段长度，l2=6000mmv2——脉动影响系数，由《化工设备机械基础（第七版）》表8-7查得υ2=0.78（A类地区）。T1——塔的基本自振周期，对等直径、等厚度圆截面塔：——脉动增大系数，根据自振周期T1=0.93s，由《化工设备机械基础（第七版）》表8-6查得=2.36。ϕZ2——振型系数，由《化工设备机械基础（第七版）》表8-8查得ϕZ2=0.203K22——风振系数De2——塔有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成90°，取以下a，b式中较大者。取K2=400mm，do=400mm，==100mm取Dei=3714mm,得以上述方法计算出各段风载荷，列于下表中：表2-SEQ表2-\*ARABIC9各段塔风载荷计算结果计算段li/mmq0/(N/m2)K1υiφZiξ139505000.70.780.042.36260005000.70.780.2032.363100005000.70.830.692.36470505000.70.851.002.36计算段K2ifiHit/m平台数K4/mmDeiPi/N11.0800.923.950034144689.6521.2711.389.951300371413679.9931.8291.6319.952360431426483.3442.1461.7527.012511446541375.80液体进料管管径取进料液的流速，提取Aspen数据，液相体积流量则进料管径根据HGT20553-2011，圆整后取管子规格同理可得其他接管规格。接管规格接管规格具体见下表。表2-SEQ表2-\*ARABIC10接管规格表接管DN液体进料管液体出料管气体出料管取样口25mm压力计25mm液面计25mm人孔500mm温度计25mm裙座设计裙座选材裙座不直接与塔内介质接触，也不承受塔内介质的压力，因此，不受压力容器用材的限制，可选用较经济的普通碳素结构钢。常用的裙座材料为Q235-A.F、Q235-A、Q235-B以及Q345R等，裙座使用环境中最低温度为-10度，且不考虑以风载荷或地震载荷，确定裙座筒体壁厚的场合（如高径比小，质量轻或置于框架内的塔）。因此，裙座筒体材料选用Q345R。裙座厚度裙座厚度一般采用与筒体相同的厚度，故厚度为=7mm。裙座结构裙座与筒体的连接当直径较大时，为了制造方便，裙座一般选用圆筒形，也可采用锥形裙座。与筒体的连接采用对接，焊缝采用全焊透连续焊，要求裙座内径等于下封头外径。如果塔下部封头材料为低合金钢或高合金钢时，在裙座顶部应增设与封头材料相同的短节，操作温度低于0度或高于350度时，短节长度按影响范围确定。通常短节长度可定为保温层厚度的4倍，且不小于500mm。本工艺中异丙苯精馏塔采用圆筒形裙座，由于异丙苯塔封头采用的为低合金钢，故在裙座顶部增设长600mm的短节。焊接长度：排气管塔内温度约250度，故设置保温层，保温层的厚度为100mm，密度300kg/m3。塔内异丙苯和多异丙苯均为易燃物质，故考虑裙座的防火问题，由于裙座直径大于1000mm，在裙座的内外层敷设防火层。防火层厚度50mm，防火层材料为石棉水泥层。基于以上的结构，根据系列标准，塔径塔径Di在2400~3600m时，设置6个排气管，规格为，排气管距裙座筒体上部的距离为400mm。引出管通道引出管公称直径为250mm时，采用卷焊管，通道内径管规格为400mm。人孔与排气孔由于塔压力正常，裙座设置一个圆形人孔，直径为500mm，以方便检修。裙座距环板的高度为200mm。为了减小腐蚀以及塔运行过程中可能有气体逸出，设置2个排气孔，。地脚螺栓地脚螺栓作为外螺栓做结构型式，塔体直径为2600mm，地脚螺栓个数取20个。螺栓规格为M30⨯3.5，结合青岛当地的温度，所选材料为Q235A，使用温度范围：10~400℃，许用应力，C2=2mm，基础环的厚度为20mm。吊柱由于塔设备较高，且安装在室外，为了安装及拆卸内件，塔顶设置吊柱，吊柱的方位使吊柱中心线与人孔中心线间有合适的夹角，使人能站在平台上操纵手柄，使吊柱的垂直线可以转到人孔附近，以便取出塔内件，吊柱管通常采用20无缝钢管，其他部件可以采用16MnR，吊柱与塔连接的衬板应与塔体材料相同。除沫器在塔内操作气速较大时，会出现塔顶雾沫夹带，这不但造成物料的流失，也使塔的效率降低，同时还可能造成环境污染。为了避免发生这种情况，需在塔顶设置除沫装置，从而减少液体的夹带流失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。常用的除沫装置有丝网除泡器、折流板除泡器以及旋流板除泡器。丝网除泡器适用于清洁的气体，不宜用于液滴中含有或易析出固体物质的场合，以免液体蒸发后留下固体堵塞丝网。当雾沫中含有少量悬浮物时，应注意经常冲洗。另外合理的气速时除泡器取得较高除泡效率的重要因素，由于丝网除沫器具有比表面积大、重量轻、空隙率大以及使用方便等优点。特别是它具有除沫器效率高，压力降小的特点。所以这里选用丝网除沫器。SW6校核SW6是GB150、GB151、GB12337、JB4710及JB4731等一系列与压力容器、化工过程设备设计计算有关的国家标准、行业标准为计算模型的设计计算软件。塔的SW6-校核结果见下表：表2-SEQ表2-\*ARABIC11SW6-校核结果塔设备校核宁波工程学院“甬碳调”设计团队板式1液压封头材料名称Q345RQ345R名义厚度(mm)77腐蚀裕量(mm)22焊接接头系数0.850.85封头形状椭圆形椭圆形圆筒设计压力(Mpa)设计温度(℃)长度(mm)名义厚度(mm)内径/外径(mm)材料名称(即钢号)0.2250180072600Q345R圆筒腐蚀裕量(mm)纵向焊接接头系数环向焊接接头系数外压计算长度(mm)试验压力(立)(Mpa)试验压力(卧)(Mpa)20.850.8500.250.25续上表kg/m3742.576mm7701234浮阀30mm34mm22930mm55301234mmmmkg/m31234kg4000mm28750mm20000.25N/m2500mm30mm100kg/m3300mm50kg/m3300mm50mm630180IA低于7度第一组地震影响系数最大值max3.28545e-660.015mm900mm25000mm5100续上表裙座圆筒形mm2600对接mm3950Q345R℃250mm2mm7MPa189裙座与筒体连接段的材料Q345R裙座与筒体连接段在设计温度下许用应力MPa167裙座与筒体连接段长度mm245mm1650mm500mm12裙座上较大孔引出管长度mm200Q235MPa14720mm3630mm440.905mm440.905mm16mm130整块mm50mm22mm0有mm39mm16mm80mm2806mm2406mm20续上表上封头校核计算计算单位宁波工程学院“甬碳调”设计团队计算所依据的标准GB150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力Pc0.20MPa设计温度t250.00C内径Di2600.00mm曲面深度hi690.00mm材料Q345R(板材)设计温度许用应力t167.00MPa试验温度许用应力189.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数0.85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=1.25Pc=0.2500(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力tT0.90s=310.50MPa试验压力下封头的应力T==75.32MPa校核条件TT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K==0.9249计算厚度h==1.69mm有效厚度eh=nh-C1-C2=4.70mm最小厚度min=3.90mm名义厚度nh=7.00mm结论满足最小厚度要求重量414.86Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==0.55431MPa结论合格续上表下封头校核计算计算单位宁波工程学院“甬碳调”设计团队计算所依据的标准GB150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力Pc0.21MPa设计温度t250.00C内径Di2600.00mm曲面深度hi690.00mm材料Q345R(板材)设计温度许用应力t167.00MPa试验温度许用应力189.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数0.85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=1.25Pc=0.2500(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力tT0.90s=310.50MPa试验压力下封头的应力T==75.32MPa校核条件TT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K==0.9249计算厚度h==1.79mm有效厚度eh=nh-C1-C2=4.70mm最小厚度min=3.90mm名义厚度nh=7.00mm结论满足最小厚度要求重量414.86Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==0.55431MPa结论合格续上表开孔补强计算计算单位宁波工程学院“甬碳调”设计团队接管:N1,φ330×12计算方法:GB150.3-2011等面积补强法，单孔设计条件简图计算压力pc0.2MPa设计温度250℃壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数φ0.85壳体内直径Di2600mm壳体开孔处名义厚度δn7mm壳体厚度负偏差C10.3mm壳体腐蚀裕量C22mm壳体材料许用应力[σ]t167MPa接管轴线与筒体表面法线的夹角(°)0凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)接管实际外伸长度100mm接管连接型式插入式接管接管实际内伸长度0mm接管材料Q345R接管焊接接头系数1名称及类型板材接管腐蚀裕量2mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差C1t0.3mm补强圈厚度负偏差C1rmm接管材料许用应力[σ]t167MPa补强圈许用应力[σ]tMPa开孔补强计算非圆形开孔长直径310.6mm开孔长径与短径之比1壳体计算厚度δ1.8329mm接管计算厚度δt0.1833mm补强圈强度削弱系数frr0接管材料强度削弱系数fr1开孔补强计算直径d310.6mm补强区有效宽度B621.2mm接管有效外伸长度h161.051mm接管有效内伸长度h20mm开孔削弱所需的补强面积A569mm2壳体多余金属面积A1891mm2接管多余金属面积A21162mm2补强区内的焊缝面积A321mm2A1+A2+A3=2074mm2，大于A，不需另加补强。补强圈面积A4mm2A<(A1+A2+A3)mm2结论:合格塔设备计算结果由塔设备工艺设计结果，查相关资料得到塔设备基本参数，汇总如下表：表2-SEQ表2-\*ARABIC12塔设备计算结果一览表塔体塔体内径Di2600mm塔体高度H27010mm设计压力P0.2MPa设计温度t250℃材料Q345R屈服极限Rel345MPa许用应力σ167MPa设计温度下弹性模量E 188000MPa常温屈服点345MPa筒体壁厚7mm厚度附加量C2mm塔体焊接接头系数ϕ0.85介质密度ρ742.58kg/m3塔盘数N756每块塔盘存留介质层高度hW34mm基本风压值q00.5KN/m2基本雪压值0.2KN/m2续上表地震防烈度6度场地土类别I类偏心质量me4000kg塔外保温层厚度δs100mm保温材料密度ρ2300kg/m3封头设计压力P0.2MPa设计温度t250℃材料Q345R屈服极限Rel345MPa许用应力σ167MPa设计温度下弹性模量E188000MPa常温屈服点345MPa封头壁厚7mm厚度附加量C2mm塔体焊接接头系数ϕ0.85介质密度ρ742.58kg/m3裙座材料Q345-A许用应力190MPa续上表常温屈服点σs225MPa厚度附加量Cs2mm裙座内径2600mm裙座厚度10mm圈座厚度5.5mm基础环厚度20mm人孔、平台数5个地脚螺栓材料Q235-A许用应力σbt147MPa腐蚀余量C23mm个数n20公称直径M303.5其他塔设备设计结果详见设备选型一览表。反应器的设计反应器概述化学反应过程和反应器是化工生产流程中的中心环节，反应器的设计往往占有重要的地位。由于反应器单元内部涉及很多复杂的过程，如：热量的传递，温度的变化，反应速率的不稳定，这都将影响产品的产量和质量。所以反应器一直以来都是化工设计的一个难题。本设计以R0405过氧化氢异丙苯分解反应器为例，进行详细描述。搅拌釜式反应器在化工生产过程中，用来完成化学反应过程的设备为反应器。常用的反应设备有固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器和搅拌釜式反应器。其中搅拌釜式反应器是应用最广泛的一种。在医药、农药、有机染料及三大合成材料（合成橡胶、合成塑料、合成纤维）等工业部门，都使用搅拌反应器来完成液-液、液-气和液-固相的化学反应过程。搅拌釜式反应器的特点是操作条件如温度、浓度和停留时间等可控范围较大，容积可大可小，操作方式或间歇或连续，相当灵活，设备的适应性强，特别适用于小批量、多品种的生产场合。搅拌釜式反应器的分类工业上应用的搅拌釜式反应器有成百上千种。按反应物料的相态分可分成均相反应器和非均相反应器两大类。非均相反应器包括固-液反应器，液-液反应器，气-液反应器和气-液-固三相反应器。按操作方式分分为间歇操作釜式反应器和连续操作釜式反应器。搅拌釜式反应器的选择间歇操作搅拌釜式反应器当采用间歇操作时，这是一个不稳定过程，随着反应的进行，釜内物料、浓度和反应速率要随时间而变化。根据反应的要求，可以改变换热器条件（如传热面积、载热体流量和温度等），维持等温操作或非等温操作。特：全部物料反应时间相同；物系参数（T.C）随τ而定；生产周期性进行；主要用于液相反应，液固相反应或气液鼓泡反应；缺：设备生产效率低；生产量小；生产辅助时间较长；优：结构简单，加工方便；传质效率高，温度分布均匀；便于控制和改变工艺条件；操作灵活，便于更换品种，小批量生产连续操作搅拌釜式反应器在搅拌良好的釜式反应器内进行连续操作，可近似地看成是理想连续釜式反应器。它可以单釜操作，也可以多釜串联操作多段连续釜式反应器。由于操作稳定，产品质量稳定，易于自动控制，节省劳动力，比较适合于大规模生产。理想连续釜式反应器内，物料达到了完全的混合，温度、浓度、反应速率等处处均一，不随时间改变，并与出料的浓度、温度相同。由于这一特点，新鲜原料一进入反应器，瞬间之内即与釜内物料完全混合，反应物浓度立即被稀释至出料时的浓度，整个化学过程都在较低的反应物浓度下进行。与理想管式流动反应器相比，相同温度下进行相同的反应，达到同样转换率时，理想管式流动反应器内反应物浓度是由高到低逐渐变化的，反应速率也由大逐渐变小，出口处反应速率最小。而理想连续釜式反应器内整个反应过程的反应速率不变，都与理想管式流动反应器出口处最小反应速度相同。由此清楚看出，为完成同样的反应，达到相同的转换率，理想连续釜式反应器需要的反应时间大于理想管式流动反应器的反应时间，或者说，为完成相同产量，理想连续釜式反应器所需体积大于理想管式流动反应器所以体积。连续釜式反应器采用多段串联操作，可以对上述缺点有所克服。串联段数越多，反应器内反应物浓度的变化越接近理想管式流动反应器。当段数为无穷多时，多段理想连续釜式反应器内的浓度变化与理想管式流动反应器内相同。但随着段数的增多而造成设备投资和操作费用的增加将超过因反应器总体积减小而节省的费用，因此，实际采用的段一般不超过四段。半连续操作釜式反应器指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。连续釜式反应器特点a．温度易于控制，特别对高活化能的反应或强放热反应。由于连续搅拌釜式反应器的返混特征，便于控制在较低的反应速率下进行，从而消除过热点，达到等温操作。b.对主反应级数比副反应级数低的平行反应系统，有利于提高反应选择性。适用于低反应速率、长停留时间的反应系统或某一反应组分在高浓度时易引起爆炸的场合。c.对某些自由基反应，聚合物生长期比它在反应器内停留时间短，链的终止速率受自由基浓度控制，而它又与单体浓度成正比，此时采用连续搅拌釜使反应器能均匀地保持低的单体浓度，使其具有相对恒定的链终止速率，从而获得较窄的分子量分布。综上所述，由于本反应段为过氧化氢异丙苯分解苯酚丙酮工段，结合工艺要求与设计规定，选用二釜串联连续搅拌反应釜进行反应。搅拌器型式选择搅拌器是反应釜关键部件之一，根据釜内不同介质的物理学性质、容量、搅拌目的选择相应的搅拌器，对促进化学反应速度、提高生产效率能起到很大的作用。搅拌方式的种类和适用范围搅拌方式分为机械搅拌和磁力搅拌。磁力搅拌的具有广泛的适用面，而且密封性能较好，采用磁力为动能，节能减耗，使用维修都非常的方便。缺点是不能使用在物料粘度过高或反应釜体积过大的情况下。机械搅拌是比较传统的搅拌方式，动力十足，剪切力也不错，对于大型反应釜基本都是采用的机械搅拌。但由于密封性的局限性往往会造成二次污染等问题。搅拌器的分类按搅拌桨叶片结构分类平叶搅拌桨、折页搅拌桨、螺旋页搅拌桨按搅拌用途分类用于低粘度物料和用于高粘度物料按物料流体流动形态分类轴向搅拌桨、径向搅拌桨、混合向搅拌桨搅拌桨适用情况分类桨式搅拌桨，主要用于流体的循环，不能用于气液分散操作。推进式搅拌桨适用于低粘度反应物料，属于轴向搅拌。涡轮式搅拌桨适用物料粘度范围比较大，剪切力较大，用于分散流体的效果比较好。框式和锚式搅拌桨则适用于粘度大，处理大量物料的反应釜，能最大限度达到表面传热系数。螺旋式搅拌桨使用则需要根据物料的粘度从低到高使用的搅拌桨顺序为：桨叶式<推进式<涡轮式<框式<锚式<螺杆式各式搅拌桨使用条件与选择各式搅拌桨使用条件如下表所示。表3-SEQ表3-\*ARABIC1搅拌桨使用条件表注：由于本反应为过氧化氢异丙苯分解苯酚丙酮过程，釜内液体粘度较小且无气体吸收，考虑反应条件，选用较为经济的平桨式搅拌器。反应釜换热方式选择反应釜应具备进行化学反应的条件之一是要有换热设施，但反应釜的换热方式受釜结构所限制，与塔式相比，釜式反应器D/H较大，有时，单纯依靠常见的釜外夹套换热面积是有限的，且釜径愈大，单位釜体积的换热面积势必愈小，而反应物料量却在不断增加，这时，将给放大工作带来困难，也即从换热面积考虑，放大效应是不容忽视的。为此，工业上采用如下措施，以弥补其不足：釜内换热利用夹套换热，还可以设置螺旋管。釜外换热根据不同情况，可以在釜外加泵使液体在釜外循环换热；当反应过程中存在低沸点溶剂使（如聚合反应），釜外要加设冷凝器，以回流溶剂并控制一定的反应温度。结合本反应的工艺条件与设计要求，由于过氧化氢异丙苯分解苯酚丙酮为放热反应，该反应过程对温控要求较高，当反应温度过高或过低不能及时调节使反应釜内温度在合理范围之内，因此不建议采用夹套换热。釜内为液固相反应，催化剂一定程度上会对蛇管有采取釜外加泵使液体以强制外循环方式进行换热，使换热效果明显且可控。反应原理该反应为过氧化氢异丙苯通过固体酸催化剂的一定作用，于一定温度与压力下，经过分解反应生成苯酚丙酮，该反应为放热反应，过氧化氢异丙苯分解反应主反应为：1.过氧化氢异丙苯分解生成苯酚、丙酮副反应：2.过氧化氢异丙苯分解生成苯乙酮和甲醇3.过氧化氢异丙苯分解生产α-甲基苯乙烯和水动力学参数过氧化氢异丙苯分解反应动力学参考韩明汉等人在磺酸树脂催化剂上进行的本征动力学研究结果。树脂催化过氧化氢异丙苯分解的本征反应为一级反应，动力学方程为：其中，w——过氧化氢异丙苯质量分数，%；m——催化剂质量，kg；V——反应液体积，m3。催化剂本工段过氧化氢异丙苯(CHP)分解，采用的是磺化苯乙烯型树脂，该催化剂具有反应温和、选择性好、易分离、寿命长等优点。CHP分解的磺化苯乙烯型树脂主要性能见下表：表3-SEQ表3-\*ARABIC2CHP分解的磺化苯乙烯型树脂主要性能表项目指标反应温度/℃80反应压力/kPa61质量空速/h-11过氧化氢异丙苯转化率%92~93苯酚选择性%97催化剂平均粒径/mm0.48反应釜设计参数经过查阅资料，发现该反应温度为80℃，反应压强为0.061MPa，且为放热反应。不需要夹套加热，采用釜外强制外循环方式进行传热（已在3.2.5中讨论）。釜体的设计设计内容反应釜设计的内容主要有：釜体的强度、刚度、稳定性计算和结构设计；夹套的的强度、刚度计算和结构设计；设计釜体的法兰联接结构、选择接管、管法兰；人孔的选型及补强计算；支座选型及验算；视镜的选型；焊缝的结构与尺寸设计；电机、减速器的选型；搅拌轴及框式搅拌桨的尺寸设计；选择联轴器；设计机架结构及尺寸；设计底盖结构及尺寸；选择轴封形式；设计参数的确定由工艺条件及ASPENPLUS运行结果可知，达到相应的工艺要求，过氧化氢异丙苯分解苯酚丙酮反应过程的工作温度为T=80℃，P=0.061MPa。设计条件釜式反应器的各项工作参数如下，由于釜内介质主要为过氧化氢异丙苯，苯酚丙酮以及固体酸催化剂，对碳钢的腐蚀较小，查《腐蚀数据手册》得，在操作温度条件下，腐蚀率皆小于0.05~0.5mm/a,考虑刚度要求，因此选用Q345R作为釜体材料。由于本工艺的特殊要求无法在反应器内安装蛇管而夹套的传热面积又不能满足工艺要求，因此采用强制外循环方式散热（即通过泵将反应器内的料液抽出，经过外部换热器换热后再循环回反应器中），不设置夹套。釜体实际盛装物料容积的确定由该工艺的操作条件以及各反应物体积与催化剂用量，反应釜内物料停留时间为15min，进料液体积流量为32.411m3/h,质量流量为30359.5kg/h。因此釜内液体体积为V=32.411/60×15=8.7m3。质量空速为100h-1。根据MR=MON/Sv，得催化剂装填量MR=386.595kg。催化剂颗粒湿密度为ρ=1.18×103kg/m3)，因此得催化剂所占釜内体积为VR=0.33m3。因此结合反应物料体积与催化剂体积，设定操作时盛装物料的容积Vg=10m3。釜体直径和高度的计算装料系数罐体的全容积V和罐体的公称容积（即操作时盛装物料的容积）Vg有如下关系：(m3)设计时应合理选用装料系数，尽量提高设备利用率。通常η可取。如果物料在反应过程中要起泡沫或呈沸腾状态，η应取低值，约为；如果物料反应平稳，η可取(物料黏度较大时可取大值)。考虑到本反应过程中有部分丙酮会蒸发，本设计取0.7。计算罐体直径（1）反应釜的H/Di值如下表所示。表3-SEQ表3-\*ARABIC3反应釜的H/Di值种类设备内物料类型H/Di一般搅拌釜液-固相或液-液相物料1～1.3气-液相物料1～2发酵罐类气液相物料1.7～2.5根据以上的设计要求，对于液－液相类型或液固相物料以及气液相物料，本设计选取，。（2）确定罐体的长径比和装料系数后，为了便于计算，忽略封头的容积，认为将筒体长径比代入上式，得整理得，计算得直径为2.55m，圆整得标准直径为Di=2.6m。确定罐体直径和高度算出罐体高度（V0为封头容积，根据上节釜体直径查得对应封头尺寸），计算得釜体高度为2.60m，圆整得H=2.60m。釜体H/Di及η的核算上述计算得到Di=2.60m，H=2.60m，因此，在范围内，且η=0.80符合规范要求。设计压力和设计温度的确定设计压力内筒的材料选取Q345R，查资料可以知道，板厚在3～16mm，设计温度在T100℃时，许用应力，设计压力,本设计取1.1。液体静压PL：；所以不可以忽略PL；计算压力Pc：；因此釜体设计压力为P=0.0803MPa。设计温度根据工艺条件要求，反应釜釜内反应温度为80℃，考虑到操作弹性及意外情况，保留一定余量，取设计温度为T=100℃。确定釜体的壁厚设计参数的确定设计温度t：100℃；计算压力p：0.0803MPa焊接接头系数如下表所示：表3-SEQ表3-\*ARABIC4焊接接头系数接头型式焊接接头系数全部无损检测局部无损检测双全焊或相当于双面对接焊的全焊透对接焊缝1.000.85带垫板的单面对接焊缝0.900.80无法进行探伤的单面焊环向对接焊缝，无垫板0.60注：本设计采用局部无损检测，取焊接接头系数φ=0.85。筒体材料和壁厚的设计查资料可知，一般容器的厚度，分为四个，分别为计算厚度，设计厚度，名义厚度以及有效厚度。一般说的常用厚度指的是名义厚度。各项厚度之间的关系如下图所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC1各项厚度之间的关系图材料选取Q345R，查资料可以知道，板厚在3～16mm，设计温度在100℃时，许用应力，弹性模量。由于筒内压力低于常压，因此进行外压筒体壁厚的设计。取腐蚀裕量C2=2mm，考虑到钢板负偏差及钢材的标准系列，假设筒体为。得,得根据GB150-2011查取应变系数：A=2.50×10-4，可得A点落在设计温度下材料线的右方，因此查《化工机械设备基础（第七版）》图5-8，得B=40MPa。由下一节水压试验压力壁内应力结果检验釜体的筒体厚度。夹套的设计由于本工艺的特殊要求无法在反应器内安装蛇管而夹套的传热面积又不能满足工艺要求，因此采用强制外循环方式散热（即通过泵将反应器内的料液抽出，经过外部换热器换热后再循环回反应器中），不设置夹套。因此无夹套的一系列计算说明。釜体封头的设计封头的选型釜体的封头选标准椭球型，代号EHA。设计参数的确定由上节条件确定，取计算压力为Pc=0.0803MPa;取焊接接头系数为φ＝0.85；C1＝0.3mm；腐蚀裕量为C2＝2.0mm，C1＝0.3mm。封头壁厚的设计根据有关规定，取封头壁厚与筒体壁厚一致。封头直边尺寸、体积及重量的确定查标准封头参数资料得,Di=2.6m时，查得标准椭圆封头高度，直边高度h2=40mm内表面积，容积。传热面积的校核由于釜内进行的反应是放热反应，产生的热量不仅能够维持反应的不断进行，且会引起釜内温度升高。为防止釜内温度过高，在反应釜外部进行强制外循环换热，因此不需要进行传热面积的校核。反应釜釜体水压试验水压试验压力取两者之中大的。即。壁内应力由，得因为，故筒体厚度满足水压试验时强度要求。许用压力故夹套在进行水压时筒体内不需要进行充压才能保持筒体稳定。反应釜附件的选型及尺寸设计釜体法兰联接结构的设计设计内容包括：法兰的设计、密封面形式的选型、垫片设计、螺栓和螺母的设计。法兰的设计确定法兰类型根据Di=2600m，P筒体=0.0903MPa，查NB/T47020-2012得，选用板式乙型平焊法兰。确定为RF型、乙型平焊法兰。其具体结构和尺寸见下表（参见NB/T47022-2012）。表3-SEQ表3-\*ARABIC5法兰结构尺寸公称直径DN法兰/螺栓DD1D2D3D4规格数量2600276027152676265626539627M2472垫片的设计垫片材料选为耐油橡胶石棉板，选用垫片为2605×2620×3。垫片示意图如下图所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC2垫片示意图密封面形式的选型根据＝0.0671＜1.6、介质温度80℃和介质的性质，由《化工设备基础（第二版）》查得密封面形式为光滑面。螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格本设计选用六角头螺栓（C级、GB/T5780-2000）、Ⅰ型六角螺母（C级、GB/T41-2000、平垫圈（100HV、GB/T95-2002）螺栓长度的计算：螺栓的长度由法兰的厚度（）、垫片的厚度（）、螺母的厚度（）、垫圈厚度（）、螺栓伸出长度确定。其中=96、=3、=30、=2、螺栓伸出长度取=0.3×27螺栓的长度为：计算可得L=237.1mm，圆整后取＝240螺栓标记：GB/T5780-2000螺母标记：GB/T41-2000垫圈标记：GB/T95-200224-100HV法兰、垫片、螺栓、螺母、垫圈的材料根据乙型平焊法兰、工作温度=80℃的条件，《化工设备设计手册（上、下卷）》附录8法兰、垫片、螺栓、螺母材料匹配表进行选材，结果如下表所示。表3-SEQ表3-\*ARABIC6法兰、垫片、螺栓、螺母的材料法兰垫片螺栓螺母垫圈0Cr18Ni10Ti耐油橡胶石棉3520100HV工艺接管的设计由GB/T17395-2008查无缝钢管工艺物料进口接管取进料液的流速提取Aspen数据，液相体积流量,强制外循环回流液流量，因此反应釜进料量为V=V1+V2,得VS=0.0128m3/s。则根据得进料管径为d1=0.104m,根据HGT20553-2011，圆整后取管子规格,罐内的接管与釜体内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰。同理可得其他接管规格。工艺物料出口接管取出料液的流速，提取Aspen数据，液相体积流量,则根据得进料管径为d1=79.44mm,根据HGT20553-2011，圆整后取管子规格,接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰,与其配套的是手动下展式铸不锈钢放料阀。同理可得其他接管规格。安全阀接口采用无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰。温度计接口采用无缝钢管，伸入釜体内一定长度。配用突面板式平焊管法兰。卸料口采用无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰。视镜接口采用无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰。管法兰尺寸的设计工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的结构如图。由《化工设备设计手册（上、下卷）》表12-149得并根据和接管的公称直径，由乙型板式平焊管法兰标准（HG20592）确定法兰的尺寸。图3-SEQ图3-\*ARABIC3乙型板式平焊管法兰

表3-SEQ表3-\*ARABIC7板式平焊管法兰的尺寸（HG20592）接管名称公称直径接管外径连接尺寸法兰厚度密封面法兰内径B1厚度AB工艺物料进口10010821017018416181482116110工艺物料出口80881901501841618128290.591安全阀接口253010075114101460234.533温度计接口20229065114101450227.526视镜1、280881901501841618128290.591卸料口4048130100144121680249.546垫片尺寸及材质工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的垫片尺寸、材质根据《化工设备设计手册(上、下卷)》所示,得下图和下表。垫片的结构:图3-SEQ图3-\*ARABIC4管道法兰用软垫片密封面形式及垫片尺寸

表3-SEQ表3-\*ARABIC8密封面形式及垫片尺寸接管名称密封面型式垫片尺寸()垫片材质外径内径厚度工艺物料进口RF2101152耐油石棉橡胶板工艺物料出口RF190802耐油石棉橡胶板安全阀接口RF100342耐油石棉橡胶板温度计接口RF90272耐油石棉橡胶板卸料口RF130492耐油石棉橡胶板视镜RF190892耐油石棉橡胶板视镜的选型由于釜内介质压力较低（＝0.671）且考虑DN=2600mm，本设计选用两个=80的带颈视镜。其结构见下图。由《机械设计手册减（变）速器电机与电器》确定视镜的规定标记、标准图号、视镜的尺寸及材料。图3-SEQ图3-\*ARABIC5视镜的结构

表3-SEQ表3-\*ARABIC9视镜的相关尺寸视镜玻璃DD1h双头螺柱数量直径801601303624861331408M12表3-SEQ表3-\*ARABIC10附件相关尺寸件号名称数量材料件号名称数量材料1视镜玻璃1硼硅玻璃4压紧环1Q235A2衬垫2石棉橡胶板5双头螺柱8Q235A3接缘11Cr18Ni9Ti6螺母16Q235A支座的选型及设计因为反应釜因不需另外保温,容器的Di为2600mm，初选支座为B6—I。此支座的允许载荷[Q]=150KN，JB/T4712.3—2007。耳式支座实际承受载荷可按下式近似计算:式中:Q—支座实际承受的载荷，KN；D—支座安装尺寸，mm；g—重力加速度，取g=9.8m/s2；Ge—偏心载荷，N；h—水平力作用点至底板高度，mm;k—不均匀系数，安装3个支座时，取k=1；安装3个以上支座时，取k=0.83；m0—设备总质量(包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量)，kg；n—支座数量，这里选4个；Se—偏心距，mm；P—水平力，取PW和Pe+0.25Pw的大值，N。当容器高径比不大于5,且总高度H0不大于10m时Pe和Pw可按以下计算，超出此范围的容器本部分不推荐使用耳式支座。Pe—水平地震力，N；地震影响系数，对7,8,9度地震设防烈度分别取0.08(0.12),0.16(0.24)、0.320。水平风载荷:D0—容器外径，mm，有保温层时取保温层外径；fi—风压高度变化系数，按设备质心所处高度取；对于B类地面粗糙度如下表所示:表3-SEQ表3-\*ARABIC11设备质心所在高度与风压高度变化系数的关系设备质心所在高度/m≤101520风压高度变化系数fi1.001.141.25Ho—容器总高度，mm；Q0—10m高度处的基本风压值，N/m2。支座处圆筒所受的支座弯矩ML的校核：式中：ML—耳式支座处圆筒所受的支座弯矩，KN·m；[ML]—耳式支座处圆筒的许用弯矩，KN·m。支座的选型及尺寸的初步设计：由于设备外部设置有80mm的保温层，根据《化工设备基础（第二版）》选耳式B型支座，支座数量为4个反应釜总质量的估算：式中：m1—釜体的质量（kg）；m2—夹套的质量（kg）（本设计中其为0kg）；m3—搅拌装置的质量（kg）；m4—附件的质量（kg）；m5—保温层的的质量（kg）物料总质量的估算：mW=mj+md式中：mj—釜体介质的质量（kg）；md—夹套内导热介质的质量（kg）(本设计中其值为0kg)反应釜的总质量估算为27650kg，物料的质量为12217kg（以水装满釜体计算），水13804kg。装置的总质量：m=27650+12217+13804=53671（kg）每个支座承受的重量Q约为：53671×9.81/4＝131.63（KN）根据DN=2600mm，Q=131.63KN由《化工过设备机械基础(第七版)》选B型耳式支座，支座号为6,材料：Q235A经计算Q=131.63KN<150KN,所以所选支座适用。系列参数尺寸如下表。表3-SEQ表3-\*ARABIC12支座的系列参数底板筋板垫板地脚螺栓支座重量规格4003202302011538023014500400126036M3053.9搅拌装置的确定由反应釜规格查得，搅拌装置配制的电机功率2.0，搅拌轴的转速为85，搅拌桨型式为平桨式。确定搅拌器、搅拌轴和联轴器1）根据工艺条件要求，选取平桨式搅拌器。2）查阅相关标准，公称容积VN为14000L，容器Di为2600时。搅拌轴直径d1＝140mm，平桨式搅拌器外径d为1280mm。轴的材料选取45钢。常用轴材料的如下所示。表3-SEQ表3-\*ARABIC13几种常用轴材料的值轴的材料Q235,20Q275,354540Cr,35SiMn,40mNb,38SiMnMo,3Cr13[]/MPa12～2020～3030～4040～52轴强度校核：查资料可得，满足强度要求的所需的最小搅拌轴直径公式如下：式中，P—搅拌传递功率，KWn—搅拌轴速率，r/min可知，所选取的搅拌轴完全符合。3）查阅标准《搅拌传动装置—联轴器》中夹壳式联轴器形式、尺寸、技术要求、选用立式夹壳联轴器。公称直径140mm的联轴器的最大扭矩。验算联轴器的扭矩从下表查得，选取工作情况系数K＝1.5，联轴器的计算扭矩[Mnj]为：表3-SEQ表3-\*ARABIC14工作情况系数K原动机工作机扭矩变化很小的机械扭矩变化很小的机械扭矩变化中等的机械扭矩变化和冲击载荷中等的机械扭矩变化和冲击载荷很大的机械电动机1.31.51.71.92.3注：夹壳联轴器的标记为——联轴器DN140。传动装置的选型和尺寸计算电动机的选型由于反应釜里的物料具有易燃性和一定的腐蚀性，故选用隔爆型三相异步电机（防爆标志Ⅱ）。减速器的选型根据电机的功率P＝2.0KW、搅拌轴的转速N＝85r/min、传动比为1500/85＝17.65,选用直联摆线针轮减速机。机架的设计由于反应釜传来的轴向力不大，减速机输出轴使用了带短节的夹壳联轴节，且反应釜使用不带内置轴承的机械密封，故选用WJ型单支点机架。由搅拌轴的直径d＝50mm可知，机架的公称直径DN250。底座的设计对于不锈钢设备，本设计如下底座的结构，其上部与机架的输出端接口和轴封装置采用可拆相联，下部伸入釜内。反应釜的轴封装置设计反应釜的轴封装置的选型：反应釜中应用的轴封结构主要有两大类，填料箱密封和机械密封。考虑到釜内的物料具有易燃性和一定的腐蚀性，因此选用机械密封。焊缝结构的设计釜体上的主要焊缝结构及尺寸如图A．筒体的纵向焊缝B.筒体与下封头的环向焊缝C.固体物料进口接管与封头的焊缝D.进料管与封头的焊缝E.冷却器接管与封头的焊缝F.温度计接管与封头的焊缝H.出料口接管与封头的焊缝R0405计算结果通过设备计算及SW6校核可得，确定设备筒体壁厚为10mm，封头壁厚为10mm，设备法兰等校核详细结果见如下SW6校核表：表3-SEQ表3-\*ARABIC15SW6校核立式搅拌容器校核计算单位宁波工程学院“甬碳调”团队筒体设计条件内筒设计压力pMPa0.0671设计温度tC80内径Dimm2600名义厚度nmm10材料名称Q345R许用应力189tMPa189压力试验温度下的屈服点EQ\s(t,s)345钢材厚度负偏差C1mm0.3腐蚀裕量C2mm2厚度附加量C＝C1＋C2mm2.3焊接接头系数0.85压力试验类型液压试验压力pTMPa0.0803筒体长度Lwmm2600内筒外压计算长度Lmm封头设计条件筒体上封头筒体下封头夹套封头封头形式椭圆形椭圆形名义厚度nmm1010材料名称设计温度下的许用应力tMPa189189钢材厚度负偏差C1mm0.30.3腐蚀裕量C2mm22厚度附加量C＝C1＋C2mm2.32.3焊接接头系数0.850.85主要计算结果内圆筒体内筒上封头内筒下封头校核结果校核合格校核合格校核合格质量mkg1673.48603.96603.96搅拌轴计算轴径mm87.3备注续上