2016年全国大学生化工设计竞赛决赛参赛作品 辽宁石油化工大学 年产21万吨丙烯腈联产32万吨丙烯项目 设计文档 典型设备计算说明书

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“东华科技一陕鼓杯”

全国大学生化工设计竞赛

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外长：沈鑫

以用：赵云感

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目录

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

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

1.2化工中常见的设备.........................................-2-

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

第二章塔设备选型及设计..........................................-3-

2.1塔设备选型设计依据.......................................-3-

2.2塔设备选型...............................................-3-

2.2.1塔设备简介.........................................-3-

2.2.2塔型选择原则.......................................-5-

2.1.3塔设备设计方法.....................................-7-

2.1.3.1使用软件列表..................................-7-

板式塔...............................................-8-

Cup-tower的使用.....................................-11-

填料塔..............................................-15-

填料塔水力学数据表..................................-15-

Sulpak软件的使用....................................-18-

液体再分布器的选型..................................-20-

2.3塔体SW6强度校核....................................-22-

板式塔设备校核......................................-23-

内件及偏心载荷................................-24-

风载及地震载荷................................-28-

计算结果.........................................-31-

对接接头校核...................................-32-

上封头校核计算......................................-34-

下封头校核计算......................................-36-

内压圆筒校核........................................-37-

-1-

开孔补强计算.......................................-39-

填料塔设备校核.....................................-42-

内件及偏心载荷...............................-43-

风载及地震载荷...............................-44-

计算结果........................................-46-

对接接头校核..................................-48-

上封头校核计算.....................................-49-

下封头校核计算.....................................-51-

内压圆简校核.......................................-52-

开孔补强计算.......................................-53-

第三章反应器设计..............................................-58-

3.1反应器设计思路.........................................-58-

3.2催化剂选择.............................................-58-

3.2.1反应机理..........................................-58-

3.2.2当前主要催化剂体系介绍............................-59-

3.2.2.1多组合复合金属锯酸盐催化剂...................-59-

3.2.2.2多组分锌酸盐催化剂...........................-59-

3.2.23我国的丙烯腌催化剂研究情况..................-60-

3.2.3反应器模拟模型验证................................-61-

3.23.1轴向返混模型建立.............................-61-

3.2.4优化模拟年产20万吨丙烯脂反应器参数...............-66-

3.2.4.1反应温度的选择..............................-66-

3.2.4.2反应压力的选择..............................-66-

3.2.43氨比（氨与丙烯摩尔比）对收率的影响.............-67-

3.2.5反应器及进料参数确定..............................-67-

3.2.6空比和催化剂负载量的二维寻优......................-68-

3.2.7反应器优化模拟小结................................-68-

3.3反应器类型选择..........................................-69-

-2-

流化床......................................................-69-

3.3.1流化床概述.........................................-G9-

332本厂反应器选择.....................................-70-

333反应器尺寸计算.....................................-71-

3.33.1反应器直径的确定..............................-71-

33.3.2反应器床层高度计算...........................-71-

3.333分布板设计....................................-73-

33.3.4旋风分离器设计...............................-74-

33.3.5撤热管设计.......................................-75-

3.853撤热管参数设计................................-78-

334反应器设计小结.....................................-78-

3.4反应器SW6强度校核......................................-80-

反应器校核..........................................-80-

裙座...............................................-83-

风载及地震载荷......................................-84-

对接接头校核........................................-89-

上封头校核计算......................................-91-

下封头校核计算......................................-93-

第1段简体校核......................................-94-

第2段筒体校核......................................-95-

开孔补强计算........................................-97-

移动床.....................................................-100-

第一移动床反应器结构计算：.............................-100-

反应动力学计算：.......................................-101-

反应器体积计算.........................................-102-

反应器壳体壁厚设计.....................................-104-

裙座封头设计...........................................-104-

SW6强度校核...............................................-105-

-3-

立式搅拌容器校核...................................-105-

内筒体内压计算.....................................-10G-

内筒体外压计算.....................................-108-

内筒下封头内压计算.................................-109-

夹套圆筒体计算.....................................-111-

夹套封头计算.......................................-112-

开孔补强计算.......................................-114-

窄面整体法兰计算...................................-118-

螺栓间距校核.............................-120-

第四章换热器设计..............................................-122-

4.1换热器概述.............................................-122-

4.2选型依据...............................................-122-

4.3换热器的选型说明.......................................-123-

4.4换热器的选型计算.......................................-127-

4.5EDR选型...............................................-135-

4.6换热器SW6强度校核.....................................-137-

前端管箱筒体计算...................................-138-

前端管箱封头计算...................................-139-

后端管箱封头计算...................................-142-

壳程圆筒计算.......................................-143-

开孔补强计算.......................................-144-

不带法兰固定式管板计算©...........................-151-

换热管内压计算.....................................-159-

换热管外压计算.....................................-160-

管箱法兰计算.......................................-162-

简体法兰计算.......................................-164-

第五章泵选型设计..............................................-168-

5.1选型依据...............................................-168-

-4-

5.2工业用泵的分类和适用范围..............................-168-

5.3化工装置对泵的要求....................................-1G9-

5.4泵的选型原则..........................................-170-

5.5工业常用泵情况介绍....................................-171-

5.6泵选型过程............................................-173-

第六章储罐选型设计...........................................-176-

6.1总述..................................................-176-

6.1.1选型依据.........................................-176-

6.1.2选型简述.........................................-176-

6.1.3选型原则.........................................-176-

6.2储罐设计..............................................-178-

6.2.1储罐设计的一般程序...............................-178-

6.2.2罐区基本情况.....................................-178-

6.2.3罐区防护要求.....................................-179-

6.2.4储罐SW6校核....................................-180-

钢制球形储罐......................................-180-

开孔补强计算......................................-189-

第七章气液分离器设计.........................................-193-

7.1设计依据..............................................-193-

7.2设计目标..............................................-193-

7.3气液分离器类型........................................-193-

7.4设计过程..............................................-194-

7.5气液分离器SW6强度校核................................-197-

立式容器校核......................................-197-

内筒体内压计算....................................-198-

内简上封头内压计算................................-200-

内简下封头内压计算................................-201-

开孔补强计算......................................-202-

-5-

第8章压缩机选型设计.........................................-208-

8.1概述..................................................-208-

8.2选型原则...............................................-208-

8.3压缩机设计计算举例....................................-208-

第九章设备设计选型汇总........................................-210-

塔器选型汇总表.............................................-210-

反应器选型汇总表...........................................-211-

换热器选型汇总表...........................................-212-

泵选型汇总表...............................................-213-

储罐选型汇总表.............................................-214-

气液分离器选型汇总表.......................................-215-

压缩机选型汇总表...........................................-215-

-6-

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

《立式热虹吸式重沸器型式与基本参数》JB/T4716—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-

1.2化工中常见的设备

（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僮、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F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二装置中，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〃，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5台（包括一台流化床反应器和4台串联的移动床

反应器），塔设备12台，储灌16个，泵设备58台，换热器47台，压缩机27

台，气液分离器10台，共计175台设备。

在此，对脱丁烷塔，流化床反应器，丙烯储罐，脱乙烷塔进料泵，水吸收塔

预热换热器和四效蒸发第一个气液分离器进行详细的计算，编制了计算说明书，

并对全厂其它所有设备进行了选型，详见设备计算说明书。

-2-

第二章塔设备选型及设计

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；按单元操作分为精脩塔、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

-3-

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、

真空蒸僧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

费用高板间距

弹性好无泄用于具有特定

泡圆形泡罩复杂大压力降比较

漏要求的场合

罩大

塔简化了泡罩费用高板间艳

S型泡罩塔用于具有特定

稍简单的型式，因此大压力降比较

板要求的场合

性能相似大

条形浮阀简单操作弹性较

浮适用于加压及

有简单的和好；塔板效率没有特别的缺

阀重盘式浮阀常压下的气液

稍复杂的较高；处理能点

地冶传质过程

T型浮阀简单力较大

正常负荷下

筛板的效率高；费稳定操作范围

简单

穿（溢流式）用最低；压力窄；要么扩大适于处理量变

流降小孔径，否则易动少且不析出

型比筛板压力堵物料；容易固体物的系统

波纹筛板简单降稍高，但具发生液体泄漏

有同样的优

-4-

点；气液分布

好

处理能力大；

栅板简单压力降小；费适用于粗蒸储

用便宜

*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。

(一)与物性有关的因素

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

-5-

(6)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。

(二)与操作条件有关的因素

(1)若气相传质阻力大(即气相控制系统。如低黏度液体的蒸偏，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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(三)其他因素

(1)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，宜采月新型填料。

(2)一般填料塔比板式塔重。

(3)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一下，填料塔

塔径

大塔径，板式塔

(1)填料塔

(2)穿流式塔

具有腐蚀性的物料

(3)筛板塔

(4)喷射型塔

(1)大孔径筛板塔

(2)穿流式塔

污浊液体(3)喷射型塔

(4)浮阀塔

(5)泡罩塔

⑴浮阀塔

操作弹性(2)泡罩塔

(3)筛板塔

(1)填料塔

真空操作

(2)导向筛板

-6-

(3)网孔塔板

(4)筛板

(5)浮阀塔板

(1)多降液管筛板塔

(2)填料塔

大液气比(3)喷射型塔

(4)浮阀塔

(5)筛板塔

(1)穿流式塔

存在两液相的场合

(2)填料塔

塔器选型分析及结果

本次流程总共需要选型设计12个塔，选取脱丁烷塔作为计算示例进行

设计：

(一)与物性有关的特性：

主要含有大量碳四混合物和部分碳五直链烷烧，粘度相对较大；

(二)与操作条件有关的特哇：

气液负荷较大；

(三)其他特性：

塔径很大，初步估算5000mm以上；

2.1.3塔设备设计方法

2.1.3.1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

CUP-Tower流体力学设计中国石油大学(华东)

Sulpak流体力学设计苏尔寿化工有限公司

SW6-1998塔体强度结构设计全国化工设备设计技术中心站

AutoCAD2007精^塔平面布置图绘制Autodesk公司

-7-

塔设备选择

塔设备选型设计需要对本次厂区使用的12个塔进行选型设计，并且选择板

式塔T0102脱丁烷塔和填料塔T0402萃取塔进行详细设计。

板式塔

流体力学数据

当精馄塔的精修段、提溜段的塔径按照各自段内上升蒸汽量进行计算，由

于进料热状况的不同，致使两段塔径会有一些差异，若差异不大，圆整后尺寸相

同，则全塔采用等径塔，反之，两段塔径差异很大，则用变径塔。本塔精俺段、

提偏段气液负荷相差不大，采用等径塔，水力学方程如下表所示。

-8-

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246,4425747,24636393052.1458853.711717.08652800.6559.087111,70990.142489

347,2463647,94679392669458270,511706.27mi559,05811,78865Q.141595

447.9048,56521392419.1458020.711700643116559.001711.869830.14089

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950,6903451,3522392035.6457637.211697.81620066.9558.5612,300750.139052

1051,352252,30395391821.6467423.211692.16615129558.524812,393690.138949

1152,3039553,86255391331.7456933.211676.31609539.8558.583612.040.139002

1253,8625556,55946390a4456014,911644.52602663.2558,794312,611110.139301

1356.5594660.99592389290.2454891.711604.72593802.8559.097512.W0.139869

1460,9959267,05232389522.2455123.711612.94588205.6559邯4712.895820M349

1567.9565277,73293440755.6435593.213112.76539698.9557.660513,451730.139596

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2297,2423997.㈱502275.8«711U15517.36539175.6539477515,366470.122415

2397.668998.02914503286.9498124.515563.15536疝538.972715.480.121985

2498,0291498,3582450ml026.715600.95533356.2538.523815.590790.121613

2598,3582498,67218504794」499632.315635.0553啾4」538.101715,700320.12127

2698.6721898,672185162.40160,0170537.69290.120942

-10-

典型设备计算说明书/edv

Cup-tower的使用

通过比较可以看出第1块板气液负荷最大，则以其为水力学数据进行选型，将其

导入CUP-TOWER之后进行设计和校核，最终校核结果如下表所示。

表2・6塔体计算结果

塔板层数1受液盘深，mm90

塔内径，m1堰型平堰

板间距，mm6.2塔板形式圆形浮阀

液流程数800溢流强度，m3/mh113.22

Ad/At,%2停留时间，s10.14

开孔率,％S.6降液管液泛，%77.83

堰长，mm7.217.20

CTILISUBKEj，\ni/s)kKg/mo>v.o

堰高，nun362的1821195.15

底隙/侧隙，mm80单位塔板压降，Pa0.08

降液管宽，mm60/60降液管内线速度,m/s0.55

受液盘宽，nm58明68降液管底隙速度,m/s10.14

表2・7塔板计算结果

基本信息

1项目名称7校核人

2装置名称脱乙烷塔8日期2016/5/30

3塔的名称T01029说明

4塔板编号（实际）1#—32#10计算选用的理论版1#

5塔板层数111塔板编号（理论）18—26#

6塔板形式圆形浮阀12分段说明无

工艺设计条件

-11-

Better

典型设备计算说明书

液相气相

1质量流量kg/h459210.977质量流量kg/h459211.31

2密度kg/m3559.088密度kg/m311.63

3体积流量m3/h821.389体积流量m3/h39470.80

4粘度cp0.1410粘度cp0.01

5表面张力dyn/cn9.7511安全因子/0.82

6体系因子/0.8512充气因子/0.60

塔板结构参数

1塔径m6.206孔数#1820.57

2板间距m0.80007开孔密度tt/m280.65

3塔截面积m230.19078溢流程数/2

4开孔区面积m222.21559堰的形式/平堰

5开孔率%7.20

溢流区尺寸

两侧中心

1降液管面积比%8.989.00

2堰径比%57.3699.75

3降液管顶部宽度