8万吨年MMA生产项目 4-设备选型与典型设备设计

目录

第一章总论.........................................................1

1.1设计依据....................................................1

1.2化工中常用设备.............................................1

1.3全厂设备概况...............................................2

第二章塔设备设计及选型.............................................1

2.1塔设备选型设计依据..........................................1

2.2塔设备选型..................................................1

2.2.1塔设备简介.............................................1

2.2.2塔型选择原则...........................................3

2.3塔设备设计方法..............................................5

2.3.1使用软件列表...........................................5

2.4MTBE反应精储塔的设计........................................6

2.4.1精储段设计.............................................6

2.4.2塔径的初步核算.........................................8

2.4.3塔板布置设计...........................................9

2.4.4流体力学计算与校核....................................15

2.4.5精傕段CupTower水力学校核.............................17

2.5反应段设计.................................................20

2.5.1填料类型的选择........................................20

2.5.2物性参数..............................................21

2.6塔体强度校核...............................................30

2.6.1设计条件..............................................30

2.7塔设备设计结果.............................................53

2.8设备条件图.................................................54

第三章反应器设计..................................................56

3.1反应器概述................................................56

3.2反应器选型.................................................56

3.2.1反应机理..............................................59

3.2.2动力学参数............................................59

3.2.3反应条件..............................................59

3.2.4停留时间及反应器体积计算..............................59

3.2.5反应器结构参数计算....................................60

3.2.6反应器结构参数验证....................................60

3.2.7传热计算..............................................61

3.3.8强度校核..............................................62

3.4工艺条件图..................................................78

第四章换热器选型及设计............................................79

4.1换热器选型设计............................................79

4.1.1换热器选型依据......................................79

4.1.2换热器类型简介......................................79

4.2换热器选型原则............................................81

4.2.1换热器类型............................................81

4.3选型示例...................................................84

4.3.1类型选择..............................................85

4.3.2管壳程选择............................................85

4.3.3温度..................................................86

4.3.4压力..................................................86

4.3.5污垢热阻..............................................86

4.3.6尺寸..................................................86

4.3.7选型结果..............................................87

4.3.8详细尺寸..............................................88

4.4强度校核...................................................89

4.5选型结果...................................................102

4.6工艺条件图.................................................102

第五章泵的选型...................................................103

5.1工业用泵的分类............................................103

5.2化工装置用泵要求..........................................103

5.3泵的选型原则..............................................104

5.4泵的选型过程.............................................105

5.4.1工艺参数和安装尺寸..................................105

5.4.2泵进出口液体流速....................................105

5.4.3扬程计算............................................106

5.4.4选型结果............................................107

第六章储罐选型设计...............................................108

6.1选型依据.................................................108

6.2选型原则..................................................108

6.3储罐设计..................................................109

6.3.1储罐设计的一般程序...................................109

6.3.2罐区基本情况.........................................109

6.3.3罐区防护要求.........................................110

6.4储罐计算示例.............................................110

第七章~液,八离器设计112

7.1设计依据.................................................112

7.2设计目标.................................................112

7.3气液分离器类型...........................................112

7.4设计过程.................................................112

7.5强度校核.................................................115

第八章分相器设计.................................................123

8.1设计过程.................................................123

8.2强度校核.................................................124

第九章压缩机选型设计.............................................131

9.1概述.....................................................131

9.2选型原则..................................................131

9.3工艺参数和选型结果........................................131

第一章总论

1.1设计依据

《固定式压力容器》GB150-2011

《设备及管道保温设计导则》GB8175-1987

《压力容器封头》GB/T25198-2010

《塔器设计技术规定》HG20652-1998

《钢制化工容器结构设计规定》HG/T20583-2011

《工艺系统工程设计技术规范》HG/T20570-1995

《塔顶吊柱》HG/T21639-2005

《不锈钢人、手孔》HG21594-21604

《钢制人孔和手孔的类型与技术条件》HG/T21514-2005

《钢制塔器容器》JB/T4710-2005

《钢制球形储罐型式与基本参数》GB/T17261-1998

《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T3007-2007

《钢制立式圆筒形固定顶储罐系列》HG21502.1-1992

《钢制卧式椭圆封头储罐系列》HG21504.1-1992

《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》JB/T4714—92

《固定管板式换热器型式与基本参数》JB/T4715—92

《管壳式换热器》GB151-1999

《化工设备设计全书-球罐和大型储罐》

《化工设备设计全书一一塔设备》

《工业泵选用手册》

《化工机械手册：流体输送机械》

1.2化工中常用设备

（1）反应器

化学反应过程是化工生产流程中的中心环节，产品的附加价值主要是在反应

单元。因此反应器的设计往往会占有很重要的地位。虽然反应单元的设备投资往

往只占总设备投资的很小一部分，但却是化工生产流程中的中心环节。

（2）塔设备

塔设备是化工及石油化工生产中最重要的单元设备之一。化工生产过程概括

的讲是由动量传递、质量传递、热量传递等过程组成。塔设备则是通过其内部设

备结构使气液两相或液液两相之间充分接触，进行质量传递和热量传递。通过塔

设备完成的单元操作有精情、吸收、解析、萃取、洗涤、冷却及气体增湿等。

（3）换热器

换热器是用于物料之间进行热量传递的过程设备。通过这种设备使物料能打

到指定的温度以满足工艺的要求。在目前大型化工及石油化工装置中，采用各种

换热器的组合，就能充分合理地利用各种等级的能量，产品的单位的单位能耗降

低，从而降低产品成本，以获得更好的经济效益。

（4）泵设备

离心泵是常用的液体输送设备，广泛应用于石化，化工，轻工等工业部门以

及需要输送液体的其他部门。流体输送在生产过程中必不可少，因此离心泵是这

些行业持续稳定生产必不可少的设备之一。

1.3全厂设备概况

全厂主要设备包括反应器4台，塔设备9台，储罐缓冲罐20台，泵设备54

台，换热器30台，压缩机14台，鼓风机1台，气液分离器1台，相分离器1

台，膜分离设备1台。共计135台设备。

第二章塔设备设计及选型

2.1塔设备选型设计依据

《化工设备设计全书一一塔设备》

《固定式压力容器》GB150-2011

《设备及管道保温设计导则》GB8175-1987

《压力容器封头》GB/T25198-2010

《塔器设计技术规定》HG20652-1998

《钢制化工容器结构设计规定》HG/T20583-2011

《工艺系统工程设计技术规范》HG/T20570-1995

《塔顶吊柱》HG/T21639-2005

《不锈钢人、手孔》HG21594-21604

《钢制人孔和手孔的类型与技术条件》HG/T21514-2005

《钢制塔器容器》JB/T4710-2005

2.2塔设备选型

2.2.1塔设备简介

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；按单元操作分为精镭塔、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、

真空蒸情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

表2-1各种板式塔的优缺点及用途

塔盘型式结构优点缺点主要应用范围

圆形泡费用高板间距大压力降用于具有特定要

泡复杂弹性好无泄漏

罩比较大求的场合

罩

S型泡简化了泡罩的型费用高板间距大压力降用于具有特定要

塔稍简单

罩塔板式，因此性能相似比较大求的场合

条形浮

简单

阀

浮有简单操作弹性较好；塔适用于加压及常

重盘式

阀的和稍板效率较高；处理没有特别的缺点压下的气液传质

浮阀

塔复杂的能力较大过程

T型浮

简单

阀

筛板正常负荷下的效率

（溢流简单高；费用最低；压

稳定操作范围窄；要么适于处理量变动

式）力降小

穿扩大孔径，否则易堵物少且不析出固体

比筛板压力降稍

流波纹筛料；容易发生液体泄漏物的系统

简单高，但具有同样的

型板

优点；气液分布好

处理能力大；压力

栅板简单适用于粗蒸镭

降小；费用便宜

表2-2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

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

2.2.2塔型选择原则

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。

与物性有关的因素

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

翼塔、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。

与操作条件有关的因素

若气相传质阻力大（即气相控制系统。如低黏度液体的蒸储，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C02）,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或选

用板上液流阻力较小的塔型。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。

表2-3塔型选用顺序表

考虑因素选择顺序

800mm以下，填料塔

塔径

大塔径，板式塔

填料塔

穿流式塔

具有腐蚀性的物料

筛板塔

喷射型塔

大孔径筛板塔

穿流式塔

污浊液体

喷射型塔

浮阀塔

泡罩塔

浮阀塔

操作弹性泡罩塔

筛板塔

填料塔

导向筛板

真空操作网孔塔板

筛板

浮阀塔板

多降液管筛板塔

填料塔

大液气比喷射型塔

浮阀塔

筛板塔

穿流式塔

存在两液相的场合

填料塔

本次流程总共需要选型设计9个塔，选取MTBE反应精俺塔塔作为计算示

例进行设计。

2.3塔设备设计方法

2.3.1使用软件列表

表2-4使用软件列表

名称用途来源

AspenPlusV8.4分离性能设计AspenTech公司

AspenPlusV9流体力学设计AspenTech公司

Sulpak3.0流体力学设计苏尔寿化工有限公司

Cup-Tower流体力学设计中国石油大学

SW6-2011塔体强度结构设计全国化工设备设计技术中心站

AutoCAD2014精储塔平面布置图绘制Autodesk公司

2.4MTBE反应精储塔的设计

反应精僧塔包括精储段，反应段，提储段。精僧段为板式段，反应段为填料

段，提储段为板式段。MTBE反应精镭塔T0101,操作压力8bar,塔顶温度52℃,

塔底温度135t，设计压力0.875Mpa,设计温度15CTC。理论塔板数38块，其中

精储段理论板数8块，提偏段20块，反应段10块。塔内物料包括抽余碳四、

甲醇。

2.4.1精偏段设计

2.4.1.1设计条件

在设计中使用AspenPlus进行模拟，计算得到精偏段为8块塔板，现将精僧

段各个理论板上的计算结果列于下表：

表2-5精偏段各理论板上的流量及物性数据

塔板号温压力液相流量气相流量液相密度气相密度液相粘度表面张力

度℃Mpacum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcpN/m

252.220.689149.855819.27553.9815.990.13810.00939

356.080.693153.315847.86550.9516.160.13550.00915

457.240.697156.415871.26548.1816.320.13300.00890

558.250.700158.615880.58546.1516.440.13130.00870

659.950.708159.915875.27544.8816.540.13030.00857

760.600.712160.595859.27544.1516.630.12970.00848

861.160.715160.905837.68543.7616.710.12940.00843

961.690.719160.945810.61543.7016.790.12930.00839

气相平均流量和平均密度:

V=5846.48m3/A=l.62m3/s

3

pv=16.45依/m

液相平均流量和平均密度：

L=157.57"/h=0.044/n3/s

心=546.97依//

液相平均表面张力和粘度：

cr=0.00875NIm=S.75dyne/cm

〃=0.1321cP

初算塔径：

令%=0.5m,假设瓦=0.07m,则％_0=0.43/n

又0.044f546.97V2

V[pv)1.62I16.45)

查Smith泛点关联图：

图2-1Smith泛点关联图

得：C20=0.085

\0.2

(J8.75

则气相负荷因子：C=GoX=0.085X0.072

20>

所以极限空塔气速:

546.97-16.45八仙。。.

"max=C0.072.--------------=0.4088/n/s

16.45

选取空塔气速:

u=().8wmax=0.3270m/s

所以初算塔径：

1.62

2.112m

0.785x0.3270

圆整后取:

£)=2.8m

2.4.2塔径的初步核算

雾沫夹带：

取/©=0.6。=0.6x2.8=1.68〃？

塔截面积：

=0.842^=2.217m2

则弓形降液管面积：

4=0.052X4=0.052X0.842%=0.115m2

取物性系数K=1.0

查泛点负荷系数关联图：

G=0.13

图2-2泛点负荷系数关联图

16.45

1.62

2546.97-1645x100%=63.45%<80%

0.78KQ40.78x1.0x0.13x2.217

故可知雾沫夹带量能够满足.<()/版(液)/依(气)的要求

停留时间:

AFHT0.115x0.5

=5.37s>5s

L0.044

根据以上两步核算的结果，可以认为塔径0=2.8m是合适的。

2.4.3塔板布置设计

(1)塔板结构形式

降液管主要有弓形、圆形和倾斜弓形三种。

现将不同降液管的对比列于下表：

表2-6不同降液管的对比

特点及适用条堰与壁之间的全部截在弓形降液管内另装此形式有利于塔截面

件面区域均作为降液容圆管作为降液管，适用的充分利用，适用于

积，适用于较大直径的于液量较小的情况。大直径的塔及气液负

塔，塔板面积利用率较荷较大的情况。

高。

综合以上条件，选取弓形降液管。

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、单流型、双流型、阶梯流型。

下表列出了溢流类型、塔径、液体负荷之间的关系。

表2-7液体负荷与板上流型的关系

塔径液体流量（加3/h）

(mm)

U流型单流型双流型阶梯流型

10007以下45以下

14009以下70以下

200011以下90以下90^160

300011以下110以下110^200200^300

400011以下110以下110^230230~350

500011以下110以下110^250250~400

600011以下110以下110^250250~450

700011以下110以下110^250250^600

由于反应精储塔精储段液体流量为157.57m3/A,而初步计算塔径为2.8m,

所以选双流型。

(2)堰及降液管设计

堰的设计

因为受液盘为凹形受液盘，所以没有内堰。

堰长：

/CO=0.6£>=0.6x2.8=1.68m

则

L157.57

=43.07

一(1.68产

查流体收缩系数图

图2-3流体收缩系数图

得E=1.10/71

则堰上清液层高度：

/\2/32/3

L.j157.57

^^xl.lOx=0.0645/n

%100010001.68

由于0.006m〈/I。”,<0.07加，所以采用平堰。

堰高：

%=hL-%=0.1-0.0645=0.0355团

圆整后得：儿=0.04m

(3)液面梯度

查弓形宽度与面积图

图2-4弓形宽度与面积图

得弓形降液管管宽机,

则平均溢流强度：

液体流道长度：

4=。-2叫=2.8—2x0.26=2.28m

塔板上鼓泡层高度：

%=2.5%=2.5x().1=0.25机

则液面梯度：

春OZlSQSO^+IOOO/RVoeOODZ10215x(250〉2.24+1000x0.25)2x0.1321x(3600x0044)>2.28

―(1000㈣)％一(1000x2.24*0.25)3x546.97~

液面梯度小，可以忽略。

(4)降液管的设计

降液管的面积：

Af-0.052x%=0.052x2.8?x%=1.28M

降液管管宽也=026机

降液管底隙人。=h-001=004-0.01=0.03m

(5)孔布置

筛孔按正三角形排列，取筛孔直径4，=5机"，_£_=3.5

d0

则孔心距，=17.5mm

查开孔面积与开孔区面积图：

图2-5开孔面积与开孔区面积图

得开孔率9=4)/A4=0.092

取安定区叱=0°叫边缘区宽度叱=0°5和

则：

/)28

X=__(w4-^)=--(0.08+0.05)=1.27

r\2R

r=——=---0.05=1.35

2c2

x_1.27

=0.94

7-135

查开孔区面积图

图2-6开孔区面积图

得开孔区面积

4=4.0592/

所以开孔面积

2

A,=(pAa=0.092X4.0592=0.3734m

查筛孔数求取图

IO22345681012

图2-7筛孔数求取图

得〃'=117个/m2

所以筛孔数：

〃==117x4.0592=475个

2.4.4流体力学计算与校核

(1)干板压降

取板厚5=0.004〃加？

则%=1.25

S

查干筛孔的流量系数图：

图2-8干筛孔得流量系数图

得

所以

4=0.()512(必］生=().()512(-^-］生=().05121一——］-16-45=0.045

(GJPL(AC(JPI.10.3734x0.8J546.97

（2）塔板压降

气相动能因数

稣==x/16.45=17.59>17

查有效液层阻力图：

图2-9有效液层阻力

得液层有效阻力h=0.06m

所以气体通过塔板的总压降：

h=%+4=0.045+0.06=0.105m液柱

（3）稳定性校核

4b4x17.95

%=0.00027加液柱

981004。9810x546.97x0.05

%=4.4C1幽空―‘°）P'=4.4x0.8xJ（）=2.748〃?/s

VPvV16.45

贝ijK=1.55

即按漏液气速考虑的负荷下限为设计负荷值的64.4%o

（4）雾沫夹带量校核

V

泛点率=Y-fX100%=63.45%<80%

0.78KG4。。%

故可知雾沫夹带量能够满足,<0.1炊（液）/依（气）的要求

（5）液泛校核

、22

（L0.044

砥=0.153=0.153|=0.00728根

）

41%4x1.68x0.03液柱

况=%+&+/=0・1+000728+0.105=0.21228机液柱

取O=0.5

0-21228

所以：—~h（）=-0.04=0.38456<0.5=Hr

0°0.5T

所以不可能产生降液管内液泛

2.4.5精僧段CupTower水力学校核

使用CupTower进行水力学校核，结果如下

塔板结构座数;1塔板工艺参数

物校核I

塔盘信息溢流区尺寸

两例中心

塔径：2.8mr

板间距：0.45n降液管顶部宽度>0.25660.2019

塔鼓面积：6.1575m2变折距商m0035007

开孔区面积：4.0592m2降港管底部宽度n0.22160.1319

开孔率：9.2%受淹盘深度»0.0.

图形浮阀数474.#受淹盘宽度»0.25660.2019

图形浮阀密度116.88#/>2堰高n0.0550.055

降液管底隙m00420.042

降淹管顶部面积a0.56370.5648

降液皙底部面积»0.45410.3692

顶部堰长n1.61562.7927

底部堰长*151172.7969

进口堰高度»0.0.

进口堰宽度*0.0.

图2-11塔板结构参数

塔板结构参数〕塔板工艺参数

浮阀校核I

0.0384

空塔气速0.2621„/s堰上浦居局度m

孔气速28491*/s总板压降01153n淹柱

溢流强度49.807»3/(h.M)降液管停留时间5.6738s

扳上渣层高度0.0934n降液管液泛75.1622%

干板压降00686M港柱降淹管底隙速度0.3521m/s

雾沫夹带量00114kg(DAg(V)稳XE系数2.3349

降液管内潜体高度02277m

降液管内线速度0.0793m/s

滂量参数0.1576

液面梯度0.m

空塔动能因子1074»/s(kg/»3)*0.5

孔动能因子116744m/s(kg/»3)*0.5

漏点气速12202m/s

图2-12塔板工艺参数

软件计算结果与手动计算结果相似，进一步验证了计算过程与结果的正确性,

设计是合理的。

MTBE反应精镭塔精福段的设计结果如下表

表2-8反应精储塔精储段设计结果

项目名称数值

气相流量V1.62m3/s

气相密度0V16.45kg/m3

液相流量L0.044m3/s

已知条件

液相密度PL546.97kg/m3

液体表面张力o8.75dyne/cm

液体粘度U0.1321cP

塔型浮阀

设计结果塔径D2.8m

塔板间距Hr0.5m

溢流型式双溢流

空塔气速U。0.73m/s

堰型平堰

堰长L1.68m

堰高鼠0.04m

板上清液层高度hi0.Im

降液管底与板距离h。0.02m

孔径d0.005m

孔间距t0.0175m

开孔区边缘与塔壁距离Wc0.05m

开孔区边缘与堰距离Ws