2019年第十三届全国大学生化工设计竞赛 合肥工业大学作品 年产10万吨醋酸乙烯项目41-设备选型与设计计算说明书修改版

年产10万吨醋酸乙烯项目

设备选型与计算说明书

小组名称：合肥工业大学乙往酯前团队

程修龙池梓维龚瑞杰李俊达王强

目录

目录--------------------------------------------------------------------------1

第一章总述.....................................................................3

1.1过程设备的选型目的和基本要求-------------------------------------------3

1.2过程设备类别-----------------------------------------------------------3

1.3过程设备设计与选型原则-------------------------------------------------3

第二章塔设备设计--------------------------------------------------------------5

2.1设计规范----------------------------------------------------------------5

2.2设计要求----------------------------------------------------------------5

2.3塔的类型----------------------------------------------------------------5

2.3.1板式塔----------------------------------------------------------------7

2.3.2填料塔---------------------------------------------------------------11

2.4塔设备设计步骤........................................................16

2.5塔设备设计举例--------------------------------------------------------16

2.5.1醋酸乙烯分离塔T0202-----------------------------------------------------------------------------16

2.5.2醋酸乙烯产品塔T0304------------------------------------------------------------------------------39

2.6塔设备设计一览表------------------------------------------------------58

第三章换热器选型.............................................................60

3.1换热器选型依据--------------------------------------------------------60

3.2换热器分类............................................................60

3.2.1按工艺功能分类------------------------------------------------------60

3.2.2按传热方式分类------------------------------------------------------61

3.3换热器选型原则................-..............-……-......-.........63

3.4换热器选型举例--------------------------------------------------------65

3.4.1换热要求-------------------------------------------------------------65

3.4.2换热器型式选择------------------------------------------------------66

3.4.3换热器的结构--------------------------------------------------------71

3.4.4换热器校核结果.........-...........74

3.5换热器一览表----------------------------------------------------------90

第四章泵选型-----------------------------------------------------------------93

4.1泵类型和特点----------------------------------------------------------93

4.2泵选型原则-------------------------------------------------------------96

4.3泵选型P0101------------------------------------------------------------------------------------------------98

4.4泵选型一览表---------------------------------------------------------100

第七章气液分离器设计--------------------------------------------------------105

7.1设计依据--------------------------------------------------------------105

7.2气液分离器类型-------------------------------------------------------105

7.3气液分离器设计举例---------------------------------------------------105

7.4气液分离器设计一览表-------------------------------------------------109

第八章反应器设计------------------------------------------------------------130

8.1反应器概述------------------------------------------------------------130

1

8.2反应器类型------------------------------------------------------------130

8.2.1釜式反应器（反应釜）------------------------------------130

8.2.2管式反应器---------------------------------------------------------131

8.2.3固定床反应器.......................................................131

8.2.4流化床反应器-------------------------------------------------------132

8.3.1反应动力学---------------------------------------------------------133

8.3.2催化剂--------------------------------------------------------------134

8.3.3反应器设计过程-----------------------------------------------------134

8.4反应器设计一览表------------------------------------------------------141

第九章设备选型一览表--------------------------------------------------------206

9.1塔设备选型一览表.....................................................206

9.2换热器选型一览表-----------------------------------------------------207

9.3泵选型一览表---------------------------------------------------------209

9.4压缩机选型一览表.....................................错误!未定义书签。

9.5储罐选型一览表-------------------------------------------------------210

9.6气液分离罐选型一览表-------------------------------------------------211

9.7反应器设计一览表-----------------------------------------------------212

2

第一章总述

1.1过程设备的选型目的和基本要求

化工设备的工艺设计与选型是在物料衡算和热量衡算的基础上进行的，其目

的是决定工艺设备的类型、规格、主要尺寸和数量，为车间布置设计、施工图设

计及非工艺设计项目提供足够的设计数据。

过程设备的第一个基本要求是能满足工艺要求。对于工艺上所要求的温度、

压力、液位、流量等都需要过程设备来实现。在满足工艺要求的同时，过程设备

也必保证有足够的强度，不会在操作过程中遭到破坏。还有一个基本要求，经济

上要合理。在满足前一个基本要求之后，要考虑尽量降低设备的生产费用和操作

费用，这样才能使企'也获得更大的利益9

1.2过程设备类别

化工设备从总体上分为两类，一类称定型设备或标准设备，这是由一些加工

厂成批成系列生产的设备，通俗地说，就是可以买到的现成的设备，如泵、反应

釜、换热器、大型储罐等；另一类称非定型设备或非标准设备，是指规格和材料

都是不定型的、需要专门设计的特殊设备，如小的储罐、塔器等。

1.3过程设备设计与选型原则

(1)合理性

即设备必须满足工艺需求，与工艺流程、生产规模、工艺条件及工艺控制水

平相适应，在设备的许可范围内，能够最大限度地保证工艺的合理和优化并运转

可靠。

(2)可靠性和先进性

工艺设备的型式、牌号多种多样，实现某一化工单元过程，可能有多种设备，

要求设备运行可靠。在可靠的基础上考虑先进性，便于连续化和自动化生产，转

化率、收率、效率要尽可能达到高的先进水平，在运转的过程中，波动范围小，

3

保证运行质量可靠，操作上方便易行，有一定的弹性，维修容易，备件易于加工

等。

（3）安全性

设备的选型和工艺设计要求安全可靠、操作稳定、无事故隐患，对工艺和建

筑、地基、厂房等无苛刻要求，工人在操作时劳动强度小，尽量避免高温高压高

空作业，尽量不用有毒有害的设备附件、附材，创造良好的工作环境和无污染。

（4）经济性

设备的选择力求做到技术上先进，经济上合理。

4

第二章塔设备设计

2.1设计规范

《化工设备设计基础规定》HG/T20643

《钢制化工容器强度计算规定》20583-1998

《钢制化工容器结构设计规定》20581-1998

《石油化工塔型设备设计规范》SH3030-1997

2.2设计要求

（1）分离效率高达到一定分离程度所需塔的高度低。

（2）生产能力大单位塔截面积处理量大。

（3）操作弹性大对一定的塔器，操作时气液流量的变化会影响分离效率。若

将分离效率最高时的气液负荷作为最佳负荷点，可把分离效率比最高效率下降15%

的最大负荷与最小负荷之比称为操作弹性，易于稳定操作。

（4）气体阻力小可使气体的输送功率消耗小。对真空精福来说，降低塔器对

气流的阻力可减小塔顶、塔底间的压差，降低塔底操作的压强，从而可降低塔底

溶液泡点，降低对塔釜加热剂的要求，还可防止塔底物料的分解。

（5）结构简单，设备取材面广便于加工制造与维修，价格低廉，适用面广。

2.3塔的类型

工业上使用的塔类型主要是填料塔和板式塔两种，对于填料塔和板式塔的比

较和选择见下表。

表2.1板式塔和填料塔的比较

项目填料塔板式塔

适宜于小塔径的塔，但对大塔要解决液••般推荐塔径大于800mm的

塔径

体再分布的问题大塔

压力降压力较小，较适于要求压力降小的场合压力降一般比填料塔大

空塔气速空塔气速较大空塔气速大

分离效率高，塔径1.5m以下效率高，效率较稳定，大塔板效率比小

塔效率

随着塔径增大，效率常会下降塔板有所提高_________

5

项目填料塔板式塔

液气比对液体喷淋量有一定要求适用范围较大

持液量较小较大

安装检修较困难较容易

材料可用非金属耐腐蚀材料一般用金属材料

直径800mm以下，一般比板式塔便

造价直径大时一般比填料塔造价低

宜，直径增大，造价显著增加

重量较重较轻

类型选择时需要考虑多方面的因素，如物料性质、操作条件、塔设备的性能，

以及塔的制造、安装、运转和维修等。对于真空精储和常压精储，通常填料塔塔

效率优于板式塔，应优先考虑选用填料塔，其原因在于填料充分利用了塔内空间，

提供的传质面积很大，使得汽液两相能够充分接触传质。而对于加压精储，若没

有特殊情况，一般不采用填料塔。这是因为填料塔的投资大，耐波动能力差。

同样，吸收过程也分为液膜控制、气膜控制和介于两者之间的共同控制吸收

三种类型。气膜控制的吸收与真空精储相似，应优先考虑选用高效规整填料塔；

液膜控制的吸收与加压精播相似，往往选用板式塔或汽液湍动大、持液量高的散

装填料塔；介于两者之间的，宜采用比表面积大、持液量高、液相湍动大的填料

塔，一般多采用散装填料塔。

具体来讲，应着重考虑以下几个方面：

(1)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。

粘性较大的物系，可以选用大尺寸填料。板式塔的传质效率太差。

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。

操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。

(2)与操作条件有关的因素

若气相传质阻力大，宜采用填料塔。

6

大的液体负荷，可选用填料塔。

液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔。

操作弹性，板式塔较填料塔大，其中以浮阀塔最大，泡罩塔次之。

（3）其他因素

1）对于多数情况，塔径大于800mm时，宜用板式塔，小于800mm时,

则可用填料塔。但也有例外，鲍尔环及某些新型填料在大塔中的使用效果可优于

板式塔。

2）一般填料塔比板式塔重。

3）大塔以板式塔造价较廉。

4）填料塔用于吸收和解吸过程，可以达到很好的传质效果，它具有通量大、

阻力小、传质效率高等性能。因此实际过程中，吸收、解吸和气体洗涤过程绝大

多数都使用填料塔。

（4）本厂的实际情况

本厂所有塔设备均为吸收塔和解吸塔，选用填料塔，填料为苏尔寿公司的规

整填料Mellapak250X。但除T0302外其余塔的塔径都较大，空塔气速大，持液

量大，从分离效率、成本和操作维修等方面考虑，结合实际情况，我们在设备选

择过程中优先考虑采用板式塔，控制设备投资成本和操作成本，既有较高的操作

弹性，同时操作维修也较为方便。选择结果如下：

表2.2塔设备型式

2.3.1板式塔

板式塔是在塔内有多层塔板，传热传质过程基本上在每层塔板上进行，塔板

的形状、塔板结构或塔板上气液两相的表现，就成了命名这些他的依据，诸如筛

7

板塔、舌形板塔、斜孔板塔、波纹形板塔、泡罩塔、浮阀塔、喷射板塔、波纹传

流塔、浮动喷射塔。下面简单介绍一下几种常见的板式塔性能。

（1）浮阀塔

生产能力大，弹性大，分离效率高，雾沫夹带少，液面梯度较小，结构较简

单，是新发展的一种塔。目前很多专家正力图对此改进提高，不断有新的浮阀类

型出现。

（2）泡罩塔

泡罩塔是工业上使用最早的一种板式塔，气液接触有充分的保证，操作弹性

大，但其分离效率不高，金属消耗量大且加工较复杂，应用逐渐减少。

筛板塔是一种有降液管、板形式结构最简单的板式塔，孔径一般为4-8mm,

制造方便，处理量大，清洗、更换、修理均较容易，但操作范围较小，适用于清

洁的物料，以免堵塞。

（3）波纹穿流板塔

波纹穿流板塔是一种新型板式塔，气液两相在板上穿流通过，没有降液管，

加工方便，生产能力大，雾沫夹带小，压降小，除污容易且不易堵塞，甚至在除

尘、中和、洗涤等方面应用更为广泛。

国内常用浮阀有3种：F1型、V-4型和T型。三种浮陶中，F1型浮阀最简

单，该类型浮阀已被广泛使用，我国已有颁布标准（JB1118-68）。F1型阀又分重

阀与轻阀两种，重阀用厚度2mm钢板冲成，阀质量约33g,轻阀用厚度1.5mm

钢板冲成，质量约25g0阀重则阀的惯性大，操作稳定性好，但气体阻力大。一

般采用重阀，只有要求压降很小的场合，如真空精微时才使用轻阀。3种阀的主

要尺寸见下表。

表2.3种阀主要尺寸

项目F1型（重阀）V-4型T型

筛孔直径/mm393939

阀片验/mm484850

阀片厚度/mm21.52

最大学度/mm8.58.58

静止开度/mm2.52.51.0-2.0

阀片质量/mm32-3435-2630-32

8

鼾I。万幅段流阴，超脂雌

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日长舌藤徽版

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10

填料塔是一个圆筒塔体，塔内装载一层或多层填料，气相由下而上、液相由

上而下接触，传热和传质主要在填料表面上进行，因此，填料的选择是填料塔的

关键。

填料的种类很多，许多研究者还在不断地试图改进填料，填料塔的命名也以

填料名称为依据，如金属鲍尔环塔、波网填料塔。常用的填料还有拉西环填料、

鲍尔环填料、矩鞍形填料、阶梯形填料、波纹填料、波网（丝网）填料、螺旋环

填料、十字环填料等。

填料塔制造方便，结构简单，便于采用耐腐蚀材料，特别适用于塔径较小的

情况，使用金属材料省，一次投资较少，塔高相对较低。

表2.5填料分类与名称

填料类型填料名称

拉西环形拉西环，环，十字环，内螺旋环

环形

开孑」环形鲍尔环，改进型鲍尔环，阶梯环

散装填料鞍形弧鞍形，矩鞍形，改进矩鞍形

环鞍形金属环矩鞍形，金属双弧形，纳特环

其他新型塑料球形，花环形，麦勒环形

垂直波纹型网波纹型，板波纹型

波纹型

水平波纹型Spraypak,Panapak

规整填料珊格形GlitschGrid

非波纹型板片形压延金属板，多孔金属板

绕圈形古德洛形，Hyperfil

（1）散装填料:

1）拉西环：目前已被淘汰。

图2.1拉西环图2.2矩鞍填料

2）矩鞍填料：属于乱埋敞开式填料

3）鲍尔环：是在拉西环壁面上开一层或两层长方形小窗

11

图2.3钢环鲍尔环图2.4度环鲍尔环

4）金属环矩鞍：1977年由美国诺顿公司开发成功，它结合了鲍尔环的空

隙大和矩鞍填料流体均布性好的优点，是目前应用最广的一种散装填料可用金属、

陶瓷做成

图2.5金属环矩鞍图2.6纳特环

5）纳特环：开发与20世纪80年代初，也是环和鞍组合成的填料

6）阶梯环：

图2.7阶梯环

规整填料：目前常用的规整填料为波纹填料，其基本类型有丝网形和孔板形

两大类，均是20世纪60年代以后发展起来的新型规整填料，主要是由平行丝网

波纹片或（开孔）板波纹片平行（波纹）、垂直排列组装而成，盘高约40・300mm,

12

具有以下特点：①填料由丝网或（开孔）板组成，材料细（或薄），孔隙率大，加

之排列规整，因而气流通过能力大，压降小。能适用于高真空及精密精饰塔器。

②由于丝网（或开孔）板波纹材料细（或薄），比表面积大，又能从选材（或加工）

上确保液体能在网体或板面上形成稳定薄液层，使填料表面润湿率提高、避免沟

流现象，从而提高传质效率。③气液两相在填料中不断呈Z形曲线运动（如图）、

液体分布良好、充分混合、无积液死角，因而放大效应很小。适用于大直径塔设

备。

近年来波纹填料发展较快，有逐步取代其他填料及部分板式塔的倾向，但造

价、安装要求较高，因而受到某种程度的影响。波纹填料的几何特征参数见下：

13

鼾I。万幅段流阴，超脂雌

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麴椭皴啊岫

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AX250153095125

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125Y/125

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X

250Y/250

250,s45/3097200

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35045/3095280

X

500Y/500

50045/3093400

X

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Mellapak250Y25015459775

Karapak

4506307555。

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(1-5000)尉墙」靴橄料

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15

年产10万吨醋酸乙饰项目•设计与选型

2.4塔设备设计步骤

(1)使用ASPENPLUS获得水力学数据和塔直径；

(2)填料塔使用SULCOL1.0计算出填料层高度，并进行塔的水力学校核；

板式塔使用KG-TOWER对塔板结构进行设计，同时进行水力学校核；

(3)设计封头、裙座、筒体等，确定塔高，使用SW6-2011进行塔的强度校

核。

2.5塔设备设计举例

2.5.1醋酸乙烯分离塔T0202

(1)工艺设计

经过ASPENPLUS模拟，醋酸乙烯精制塔共有16块理论塔板。使用

RadFrac模型中的PackingSizing进行填料设计。选择第1到第16块塔板，

Mellapak250X规整填料，根据工业上估计等板高度为0.5m。

Packingsection

Startingstage:1vEndingstage:16窃Type:MELLAPAK▼

Packingcharacteristics------------------------------------------------------------------------------------―—>

Vendor:SULZER▼Dimension:250X▼[^Update^parameters

Material:STANDA产二八，-----------------'kingfactor1/m

[TheSulzercompany।

Packedheight

9Heightequivalenttoatheoreticalplate(HETP):0.5meter▼

OSectionpackedheight:meter

图2.8塔设备模拟

输入完成后运行，得到塔直径为1.6m。

16

Sectionstartingstage:1

Sectionendingstage:16

ColurrndiameterL59793meter

MaximumfractioMCdpddty:0f2

Maximumcapacityfactor0.0673094Wsec

Sectionpressuredrop:472.44SN/sqm

Averagepressuredrop/Heigt59.0556N/cum

Maximumstageliquidholdup:0.0460938cum

Maxliquidsuperficialvelocity：0.00812064nVsec

Surfacearea:256sqm/cum

Vo«dtaction:0987

1stSti:hlmairconsunt1

2ndSlkhimairconstant1

3rdStchlmairconstant032

图2.9结果图

17

刚幅琳力鞠撤减2,8；

泉2.8水力物居

饿Bfi琳Smi气械赫佛体懒浙撇BO

如魁魁tkg/brikg/hr|'加n/hr/cP/cP励胧

15.425.65382.22机245U5湖,340.210.0116.08

26附5.69349.64148.6554.90343.980.210.0116.01

36.695闻3M511415354.87343出0.210.0116.01

4fi.u5.08315.22根23显79341.270.210.0116.03

56.085.68384.01183.0354.71337.900.210.0116.06

65.685.26阳9。M925463334170.210.0116409

15.265.80M2.43机M5U?330.1?0.220.0116.12

84.805.29314.92楣.9354.51325.820.220.0116.15

94295.70306.12I05J35447320.850.220.0116J8

103.705.93312.26111.275U6311710.220.0116.21J

1112.935.843阻70147.7254.49306.290.220.0116.25

12L845.0236L96160.925464292.920.220.011&28

135.025J436460B5?55.57325.660.220.0116.29

145用5.18359.89MS756,03翊850,220,0116.17

155.18166363.51102.4856.69313.810.220.0116.08

16U63.56372,08181.0558.63261.670.210.0115.89

18

年产10万吨醋酸乙饰项目•设计与选型

选取第1块和第16块塔板的水力学数据输入到SULCOL中:

图2.10输入数据

输入理论板数进行水力学校核，填料层能力因子合格，并获得填料层高

4.014x2rrio

Pwometerselection

SecbonPockDesignNTSreq.hTTSMreq.Ga«P4]Uquid[%]

|F1向l_2|Pncking1二必|16O|200E±|—IJL2

Min

Diam(mm)h6O0

DesignMaxMin

Packjng-Type|M250XParamelerslopIbtmtop1btmtop1btm

CAJSI(•DINF-(aclOf(Po0.5]165168165168132135

liqload[m3/h)?h]27.1329.2327.13292321702338

Motoriol11.4301二JCapaoy忤]599|621599621479497

Presdrop[mbo/A«]0.580.630.580.630360.38

Holdup(%]45454.1

Heightinpulbyuser厂Dpsection(mbar)486486295

linj|QQZo

图2.11得到校核结果

19

输出报告:

SULCOLVersion10SULZER

Reference:SulzerChemtech

Service:

Item:

DateRun:14-Aug-2017

PACKINGDESIGNSection1Geometry:Packing!

PackingType:M25O.XMaterial:1.4301

ColumnDiameter[mm].1600

Packingheight[m]:8.028Df>-Weight[kg]:1452.41

FluidDataInput:

Flmd_2:DenonDesignMaxMaxMinMin

TopBtmTopBtmTopBtm

Vapor:

FlowMultiplier[%]:100100100100100100

MultV印orRate[kgh]:42681.245281.142681.245281.142681245281.1

Density[k^m3]:12.50413.79512.80413.79512.80413.795

Viscosity[cP]:0.01190.01130.01190.01130.01190.0113

QV[m3/s]:0.930.910.930.910.930.91

Liquid:

blowMulupher[%]:1W1UU1W10U1W1W

MultLiquidRate[kg/h]:34882237482.134882.237482134882237482.1

Density[kgin3]639.49637.8663949637.86639.4963786

SurfaceTension[mNm]:165815.8916.08158916.0815.89

Viscosity[cP]:0.2150.2140.21502140.2150214

QL[m3/h]:54.5558.7654.5558.76545558.76

SystemFactor:1.0)1.001.001001.001.00

CalculatedOutput:

Capacity[%J:59962.159.962.159.962.1

F-Factor[PaO.5J:1.651.681.651.681.651.68

Spec,hquidload[m3/m2h]:27.1329.2327.1329.2327.1329.23

Pressuredrop[mbar'm]:0.580.630.580.630.580.63

FlowParameter:0.120.120.120.120.120.12

LiquidHoldup[%J:4.54.54.5

Bedpressuredrop[mbar]:4.854.864.86

NTS:16.0NTSM[Vm]:2.00

De>ignNotts:

EngineerName:File:E:\ttif\Sulcol\T-0101.sulcol

Compmy:

Copyrt^hi'2006Tht:informationisthtercZurnvftop^rryofSulsarChmuchanditcannotMdutrtbvudtoampartyShoutwrittM

coniMfromSulur%figuremdicaiAhmtnartfort^rmancnpwpa4s0nfyandnotblwttngto&supplyAny

assuredqualt^gsaruaorspecificationjvtqyo母XCKC4p^d.tftxpr4ufyIdfntffi^dassuchPaft1of3

20

21

年产10万吨醋酸乙饰项目•设计与选型

（2）机械工程设计

1）填料层高度：由SULCOL计算得高度为8.028m。

2）塔顶空间：塔顶空间高度的作用时安装塔板和开人孔的需要。也使气体

中的液体自由沉降，减少塔顶出口气中的液滴夹带，空间高度一般取m,

这里取HD=1.5m。

3）塔底空间：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，以保证塔底料液不至排完。对于塔底产量较大的塔，塔底容量

可取小些，取2・5min的储量。提取Aspen数据塔底料液出口体积流量V=13.183

L/min,塔径D二塔6m,t=5min

%=5^^=2.43m

4）液体再分布器：槽式溢流型分布器，两段填料间距1.5m

5）人孔：在填料层顶部和底部各开一个人孔，即在塔顶、两段填料间、塔

底空间上各开一个人孔，人孔直径0.6m。筒体长度：14.359m

6）裙座：采用圆柱形裙座，高度H=2+g2=2+"/=3.2m

7）封头：标准椭圆形封头，直边长度40mm,曲面深度400mm。

（3）接管

1）塔顶蒸汽接管

查《化工工艺设计手册（第四版）》，取塔顶蒸汽流速％=10m/s,气体体积

流量V=4.02L/h,则管径

d=18.81xV05xu­0-5=0.3346m

圆整后选取管子规格为①350