9万吨年异丁烯资源化利用项目4-典型设备设计说明书

目录

第一章塔设备设计.........................................5

1.1塔设备设计依据................................................5

1.2塔设备概述....................................................5

1.3塔设备设计说明（以T0304为例）................................7

1.3.1甲醇回收高压塔模拟过程说明................................7

1.3.2T0304设计条件............................................9

1.3.3塔设备设计原则............................................9

1.3.4塔型选择原则.............................................10

1.3.5塔盘种类与选型...........................................10

1.3.6使用软件列表.............................................11

1.4塔设备参数设计与水力学校核（ASPENPLUS9.0）....................................11

141精微段设计................................................11

1.4.2提储段设计................................................14

1.5塔设备参数设计与水力学校核（手工计算过程）...................16

1.5.1精储段设计...............................................16

1.5.2提微段设计...............................................28

1.6塔机械工程设计...............................................38

1.6.1塔高的计算...............................................38

1.6.2塔设备附件...............................................39

1.6.3接管的计算...............................................40

164塔体和封头壁厚计算........................................42

1.7T0304设备工艺条件图.........................................59

1.8塔设备选型一览表.............................................60

第二章换热器设计.......................................62

2.1换热器设计依据...............................................62

2.2换热器概述...................................................62

2.3换热器设计说明...............................................63

2.3.1换热器选型原则...........................................63

2.3.2工艺条件选择原则.........................................64

2.3.3换热器设计选型步骤.......................................66

2.4换热器工艺结构设计计算（以E0202为例）.......................68

2.4.1物性数据的确定...........................................68

2.4.2估算换热面积.............................................69

2.4.3换热器工艺结构尺寸的确定.................................70

2.4.4换热器核算...............................................73

2.5EDR选型....................................................76

2.6换热器的机械设计及校核.......................................79

2.6.1选材.....................................................79

2.6.2管板的选择...............................................79

2.6.3管子与管板的连接.........................................79

2.6.4管板与壳体的连接.........................................80

2.6.5传热管...................................................80

2.6.6折流板...................................................80

2.6.7旁路挡板.................................................80

2.6.8结构参数汇总.............................................81

2.7强度校核.....................................................81

2.8E0202设备工艺条件图........................................110

2.9换热器选型一览表............................................112

第三章储罐的设计选型..................................118

3.1选型依据....................................................118

3.2原料储罐的选型..............................................119

3.2.1抽余碳四储罐............................................119

3.2.2甲醇储罐.................................................119

3.3产品储罐的选型..............................................120

3.3.1产品MMA储罐..........................................120

3.3.2副产品MAA储罐........................................121

3.4回流罐的选型................................................122

3.4.1T0101塔顶回流罐........................................122

3.4.2TO102塔顶回流罐........................................122

3.5储罐选型一览表..............................................124

3.6回流罐、混合罐和缓冲罐选型一览表............................125

第四章泵的设计选型....................................127

4.1选型依据....................................................127

4.2选型原则....................................................127

4.3泵的来源....................................................129

4.3.1泵产品概述...............................................130

4.4泵的具体设计选型............................................131

4.4.1选型方法................................................131

4.4.2泵的计算与选型..........................................132

4.5泵选型一览表................................................135

第五章压缩机的设计选型................................137

5.1概述........................................................137

5.2选型依据....................................................137

5.3压缩机类型及特点............................................137

5.4选型原则....................................................138

5.5具体选型....................................................138

5.6压缩机选型一览表............................................140

第六章气液分离器的选型设计............................141

6.1气液分离器选型...............................................141

6.2气液分离器的具体设计........................................141

6.2.1设计任务................................................141

6.2.2分离器类型的选择........................................141

6.3立式丝网分离器的尺寸设计....................................141

6.3.1浮动流速................................................142

632分离器直径...............................................142

6.3.3高度....................................................142

6.3.4进出口管径..............................................143

6.4气液分离器选型一览表........................................145

第一章塔设备设计

1.1塔设备设计依据

表1-1塔设备设计依据

专业书籍/标准国际标准书号/标准号

《塔式容器》NB/T47041-2014

《现代塔器技术》ISBN7-80164-429-8

《压力容器》GB150-2011

《化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列》HG/T20553-2011

《压力容器封头》GB/T25198-2010

《化工设备设计全书一一塔设备》ISBN7-5025-4906-4/THH52

《石油化工塔器设计规范》SHT3098-2011

《钢制化工容器结构设计规定》HG/T20853-2011

《钢制人孔和手孔》HG/T21514-21535-2014

1.2塔设备概述

塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气（或

汽）液或液液两相进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完

成的常见操作有：精储、吸收、解吸和萃取等。止匕外，工业气体的冷却与回收、

气体的湿法精制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。

在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产

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。据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比

例；它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此，塔设备的设计和研

究，受到化工炼油等行业的极大重视。

塔主要有填料塔和板式塔两种，它们都可以用作蒸僧和吸收等气液传质过程,

但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。

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。填料的种类很多，根据装填方式可分为规整填料和散装填料两

大类。传统的规整填料分为板波纹型和丝网型，散装填料则有拉西环、鲍尔环、

阶梯环、弧鞍环、矩鞍环等。

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，属于逐

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。

常用的错流塔板主要有筛孔塔板、泡罩塔板、浮阀塔板、舌片塔板、喷射塔板、

穿流塔板和混排塔板等。在几种主要塔板中，应用最早的是泡罩塔板，目前使用

最广泛的是筛板和浮阀塔板。

由此，可相应做出以下分析：

表1-2板式塔和填料塔的比较

项目板式塔填料塔（散装填料）填料塔（规整填料）

压力降一般比填料塔大稍小，较适用于要求压力降小的场合更小

空塔气速比散装填料塔大稍小，但新型散装填料也可比板式塔身些较前两者大

效率稳定，大塔较直径1500mm以下效率高，较前两者高，

塔效率

小塔有所提高效率随塔径的增大而下降无放大效应

液气比适应范围较大对液体喷淋量有要求范围较大

持液量较大较小较小

一般用金属材料制

材质要求可用非金属耐腐蚀材料适应各类材料

作

安装维修较容易较困难适中

直径大时一般比填

造价直径800mm以下，一般比板式塔便宜较板式塔高

料塔造价低

质量较小大适中

根据塔的初步选型原则，对本项目塔设备进行初步选型如下表所示:

表1-3塔设备初步选型结果

位号名称塔盘形式

T0101异丁烯水合反应精储塔浮阀/填料/浮阀

T0102叔丁醇提纯塔填料塔

TO103叔丁醇水解反应精储塔浮阀/填料/浮阀

T0201急冷塔浮阀塔

T0202脱重塔填料塔

T0203脱轻塔筛板塔

T0301萃取塔萃取塔

位号名称塔盘形式

T0302正己烷汽提塔填料塔

TO3O3甲醇回收低压塔填料塔

T0304甲醇回收高压塔筛板塔

T0305正己烷回收塔筛板塔

T0306MMA精制塔填料塔

本设计对甲醇回收高压塔T0304进行详细说明，其它塔设备选型结果见塔

设备选型一览表。

1.3塔设备设计说明（以T0304为例）

1.3.1甲醇回收高压塔模拟过程说明

1.3.1.1平衡级计算模型

甲醇回收高压塔与甲醇回收低压塔的作用都是分离甲醇与水并回收甲醇。由

于普通精储分离甲醇和水耗能较大，采取双效精储可以实现热集成，并由此减少

公用工程的的耗量。因此，甲醇回收高压塔的操作情况既关系到甲醇回收效果，

又关系到热量的回收利用效果，需要对该塔进行优化。

在对甲醇回收高压塔的模拟过程中，我们选用了AspenPlus塔设备模型中的

RadFrac模块对其进行模拟，模块选择了平衡级模型进行计算。NRTL物性方法

采用NRTL计算液相活度系数，采用Idealgas计算气相逸度，可处理任意极性

和非极性组分的混合物，也适于强非理想性混合物，且其计算精度很高。考虑到

甲醇回收高压塔进料组分数较多，非理想性较强，因此我们最终选择物性方法为

NRTLo

1.3.1.2塔参数优化

（1）塔板总数优化

塔板总数关系到甲醇回收高压塔的分离效果以及该塔的设备投资大小，因此

对于塔板总数的优化显得非常重要。采用AspenPlus软件灵敏度分析对该塔塔板

总数进行优化，结果如下图所示（横坐标代表塔板总数大小，纵坐标分别代表塔

顶甲醇和塔顶水的摩尔流量）。

图L1总板数优化

由图1-1可以看出，随着总板数增大，甲醇和水含量都呈下降趋势，为了使

塔顶甲醇含水量满足要求，最终选取总板数为40块。

(2)回流比优化

回流比的确定关系到塔的分离效果以及后期操作费用，因此对甲醇回收高压

塔回流比的优化显得非常重要。采用AspenPlus软件灵敏度分析对该塔的回流比

进行优化，结果如图所示(横坐标代表回流比大小，纵坐标分别代表塔顶甲醇流

量、塔顶水流量和再沸器负荷)。

SemitivityRewltsCurve

♦CH4O39KMOUHR

H2O40KMOUHR

♦REBOUTYKW

1.501.55l£016s1.701.751^01.851.901552.002Q52J02.152.202.2S2.302352402.452.S02.552_6O2652.702.752映23s2.902.95300

VAFV:BlCO.-SPiCJKL5-JW

图1-2回流比优化

由图1-2可知，随着回流比增大，三项被优化目标都呈现降低的趋势，为了

使塔顶甲醇含水尽量少，最终选取回流比为2.5。

(3)进料位置优化

进料位置的确定关系到塔分离效果以及后期建造难易程度，因此对进料位置

的优化显得非常重要。采用AspenPlus软件灵敏度分析对该塔进料位置进行优化,

结果如下图所示(横坐标代表进料位置，纵坐标分别代表塔顶甲醇和水摩尔流量)。

SemitivityResultsGtfve

―CH4O39KMOL-HR

■H2O40KMOLHR

图L3进料位置优化

由图1-3可知，随着进料板数增加，塔顶甲醇和水含量分别增大和减小并最

终趋于稳定。综上，选取进料板为第34块板。

1.3.2T0304设计条件

在确定T0304塔的基本参数后，通过aspen可以确定以下设计条件：

表1-4T0304设计条件

项目参数项目质量分数流量(kg/h)

设计压力0.45MPaCH30H0.534635623290.72027

设计温度170℃MMA0.0047133205.32915

塔板数39MAL0.04529561973.24732

加料板位置34MAA0.0142826622.20267

塔顶回流进

1质叔丁醇0.000827536.05114

料位置

称

1H200.398761417371.53175

丙酮0.00020198.795164233

MF0.001143949.83248

氢醍0.00013826.01887

8

C6H141.451X10-0.00063

1.3.3塔设备设计原则

(1)生产能力大。在较大的气液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、液

泛等破坏正常操作的现象。

(2)操作稳定、弹性大。当塔设备的气液负荷量有较大的波动时，仍能在

较高的传质效率下进行稳定的操作。并且塔设备应能保证长期连续操作。

（3）流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省生

产中的动力消耗，以降低操作费用。对于减压蒸储操作，较大的压力降还将使系

统无法维持必要的真空度。

（4）结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。这可以减少基建过程中

的投资费用。

（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。

1.3.4塔型选择原则

在塔型选择时，对精储塔设备的要求大致如下：生产能力大；效率高；流体

阻力小；有一定的操作弹性；结构简单、造价低、安装检修方便；能满足工艺的

特性（如腐蚀性、热敏性、发泡性等）。

优先选用情况如表1-5所示：

表1-5板式塔和填料塔和优先选用情况

板式塔优先选用情况填料塔优先选用情况

塔内持液量较大，操作负荷变化范围较在分离程度要求高的情况下，因某些

宽，对进料浓度变化要求不敏感，操作新型填料具有很高的传质效率，故可

易于稳定采用新型填料以降低塔的高度

含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料,对于热敏性物料的蒸僧分离，因新型

因为板式塔可选用液流通道较大的塔填料的持液量较小，压降小，故可优

板，堵塞的危险较小先选择真空操作下的填料塔

在操作过程中伴随有放热或需要加热

具有腐蚀性的物料，可选用填料塔。

的物料，需要在塔内设置内部换热组

因为填料塔可采用非金属材料，如陶

件，如加热盘管，需要多个进料口或多

瓷、塑料等

个侧线出料口。

液相负荷较小容易发泡的物料

在较高压力下操作的蒸储塔

由于甲醇回收高压塔（T0304）在较高压力下操作，且操作负荷变化范围较

宽，故该塔塔型选择为板式塔。

1.3.5塔盘种类与选型

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，现将几

种主要塔板的性能比较列于表1-6所示。

表1-6常用塔盘的性能比较

塔盘类型优点缺点适用场合

结构复杂、造价高、塔板

泡罩板较成熟、操作稳定特别容易堵塞的物系

阻力大、处理能力小

浮阀板效率高、操作范围宽浮阀易脱落分离要求高、负荷变化大

结构简单、造价低、塔板

筛板易堵塞分离要求高、塔板数较多

效率高

舌型板结构简单、塔板阻力小操作弹性窄、效率低分离要求较低的闪蒸塔

浮动喷射板压降小、处理量大浮板易脱落、效率较低分离要求较低的减压塔

甲醇回收高压塔塔板数较多，且分离要求较高，而筛板塔造价低、制造和维

修方便，尤其是早期形成的关于筛板性能缺陷观念，即操作弹性小、效率不高被

大量实验证据和生产实例所否定后，筛板似乎成为了一种比较完美的塔型。由于

筛板的研究较其他塔板要成熟一些，筛板的设计也就更合理一些。故本设计采用

筛板塔。

1.3.6使用软件列表

表1-7使用软件列表

名称用途来源

分离性能设计、

AspenPlusV9.0AspenTech公司

流体力学设计与校核

全国化工设备设计技术中

SW6-2011塔体强度结构设计

心站

AutoCAD2014精储塔装配图绘制Autodesk公司

1.4塔设备参数设计与水力学校核(AspenPhis9.0)

采用Aspen中的ColumnInternals功能，对塔进行设计和水力学校核。

1.4.1精馈段设计

在本设计中，塔板类型选用筛板，其中，筛孔直径取12mm,塔径取2.2m,

塔间距取0.6m,溢流形式选择单溢流，堰径比取0.7。具体设置如图所示:

运行结果如图1-5所示:

NameCS-1StatusActive

Sectionstartingstage1

Sectionendingstage33

TraytypeSIEVE

Numberofpasses1

Trayspacing0.6meter

Sectiondiameter2.2meter

Sectionheight19.8meter

Sectionpressuredrop0.269638bar

Sectionheadloss3.92951meter

TrayswithweepingNone

Limitingconditions

PropertyValueUnitTrayLocation

Maximum%jetflood71.50661

Maximum%downcomerbackup(aerated)38.46861

Maximumdowncomerloading121.236cum/hr/sqm1Side

Maximumweirloading27.5908cum/hr-metei1Side

Maximumaeratedheightoverweir0.0852677meter1

Maximum%approachtosystemlimit49.3641

MaximumCsbasedonbubblingarea0.0902277m/sec1

图1-5精馆段设计结果

精储段每一块塔板的水力学校核结果如表1一8所示:

表1-8精储段水力学校核结果

Downcomer

pressureDowncomerSidedowncomer

Stage%Jetfloodbackup/Tray

dropbackupresidencetime

space

barmetersec

171.506595210.0085055510.2500456860.416742814.489770263

271.399307620.0084984780.2496697070.4161161784.491910631

371.26784910.0084884990.2491991350.4153318924.495648382

471.118885210.008476350.2486630510.4144384184.500560699

570.957530460.0084628280.2480834380.4134723974.506184295

670.788839830.008448690.2474814340.4124690574.512075243

770.617492760.0084345580.2468759010.4114598354.517854152

870.447401210.0084208720.2462817430.4104695724.523251425

970.281273990.0084078380.2457081720.409513624.528149441

1070.120280790.0083954150.2451575460.408595914.532605453

1169.963948730.0083833290.244625290.4077088174.536843863

1269.810334850.008371140.2441010090.4068350154.541217521

1369.656413430.0083583190.243570430.4059507174.54615135

1469.498538510.0083443290.2430175250.4050292084.552087493

1569.332839140.0083286770.2424262060.4040436774.559447493

1669.155467050.0083109390.2417812850.4029688084.568617992

1768.962689890.0082907610.2410687250.4017812084.579957316

1868.750781230.0082678270.2402750650.4004584424.593818992

1968.515893030.0082418370.2393867930.3989779884.610580087

2068.25388770.0082124790.2383896210.3973160354.630672536

2167.960167630.0081794120.2372678150.3954463584.654614317

2267.629527790.0081422520.2360036950.3933394924.683040671

2367.256048910.0081005710.2345773620.390962274.716735033

2466.833057320.0080539150.2329667640.388277944.7566593

2566.35320260.0080018280.2311482760.3852471274.803979942

2665.808738930.0079439210.2290981190.3818301984.860081391

2765.192145910.007879960.2267950550.3779917584.926548615

2864.497282230.0078100210.2242249640.3737082735.005086617

2963.721268350.0077346780.2213877580.3689795975.097326765

3062.867186760.0076552220.2183065160.3638441935.204458523

3161.94733620.0075738330.215037320.3583955335.326637957

3260.986712140.0074937340.211678130.3527968835.462096449

由表可知，精储段各塔板的水力学数据符合标准，降液管液位高度/板间距

介于0.2〜0.5之间，每块塔板的液泛因子均介于0.6〜0.85之间，降液管停留时间

均大于4s,并且在由此绘制出的各塔板的负荷性能图中，操作点均位于操作范

围内，且具有一定操作弹性。

1.4.2提储段设计

因提储段液相负荷较大，所以采用双溢流筛板。塔径同样取2.2m,堰径比

取0.7,其余参数与精微段大致相同。具体设计参数如图1-6所示。

图1-6提馆段塔板设计参数

运行结果如图1-7所示:

NameCS-2StatusActive

Sectionstartingstage34

Sectionendingstage39

TraytypeSIEVE

Numberofpasses2

Trayspacing0.6meter

Sectiondiameter2.2meter

Sectionheight3.6meter

Sectionpressuredrop0.0595671bar

Sectionheadloss0.792088meter

TrayswithweepingNone

Limitingconditions

PropertyValueUnitTrayLocation

Maximum%jetflood80.714234

Maximum%downcomerbackup(aerated)43.253234

Maximumdowncomerloading153.145cum/hr/sqm34Center

Maximumweirloading28.8773cum/hr-metei34Side

Maximumaeratedheightoverweir0.0765293meter34

Maximum%叩proachtosystemlimit41.172134

MaximumCsbasedonbubblingarea0.102429m/sec34

图1-7提馆段设计结果

提储段每一块塔板的水力学校核结果如表1-9所示:

表1-9提馆段水力学校核结果

DryDowncomerSideCenter

%JetDowncomer

Stagepressurebackup/Traydowncomerdowncomer

floodbackup

dropspaceresidencetimeresidencetime

barmetersecsec

3480.71420.0108877080.2811456310.4685760524.8388032064.00921348

3580.05610.0107896860.2782750550.4637917584.8382428354.008749182

3678.17470.0105092990.270204220.4503403674.8442181214.013700034

3773.63240.0098604340.2516176430.4193627384.8818770824.044902546

3866.90830.0090091270.2264723150.3774538585.0096659924.150782657

3962.31710.0085108350.2108424260.3514040435.1841623794.295362471

由表可知，提储段各塔板的水力学数据符合标准，降液管液位高度/板间距

介于0.2〜0.5之间，每块塔板的液泛因子均介于0.6〜0.85之间，降液管停留时间

均大于4s,并且在由此绘制出的各塔板的负荷性能图中，操作点均位于操作范

围内，且具有一定操作弹性。

1.5塔设备参数设计与水力学校核（手工计算过程）

1.5.1精储段设计

由AspenPlus模拟的T0304塔的精储段塔板上的物性参数可知，选取精储

段塔板上气液相负荷最大的第1块塔板进行手工计算和校核。第1块塔板物性参

数如表1-10所示：

表1-10精储段第一块塔板参数

液相流量气相流量液相密度气相密度液体粘度气体粘度混合液表面张力

kg/hkg/hkg/m3kg/m3cPcPN/m

2971253077.3686.2764.122990.2204960.