2019年第十三届全国大学生化工设计竞赛作品 湖北文理学院 年产10万吨醋酸乙烯项目 设计文档03- 设备设计及选型说明书

2019年“东隼科技-恒通石化杯”

第十三届全国大学生T匕工设计竞赛

山东辰龙熊源分公司

10万P七得醋酸乙烯项目

设备设计及选型说明书

Greenland团队

裴斐李想徐迎迎章先刚

指导老师：鲁俊

目录

绪论.............................1

0.1过程设备的选型目的和基本要求....................................1

0.2设计依据和原则....................................................1

0.3过程设备设计与选型原则...........................................1

0.4设计标准与依据....................................................2

0.5全厂设备概况......................................................2

第一章塔设备设计.......................................................3

1.1塔设备设计依据.....................................................3

1.1.1塔设备设计原则.................................................3

1.1.2塔设备的设计目标..............................................4

1.1.3塔型选择原则...................................................4

1.1.4塔型选择一般原则...............................................9

1.2醋酸乙烯酯精偏塔的设计（T0303）...............................11

1.2.1T0303塔设计条件.............................................11

1.2.2塔体结构设计.................................................14

L3塔机械结构设计与校核.............................................21

1.3.1塔高的确定...................................................21

1.3.2接管设计.....................................................23

1.3.3壁厚设计.....................................................24

1.3.4地脚螺栓大小及个数..........................................26

1.3.5塔体机械强度校核............................................26

L4设备工艺条件图....................................................49

1.5设备装配图.......................................................49

1.6塔设计选型一览表................................................49

第二章换热器选型设计..................................................51

2.1换热器选型设计概述...............................................51

2.1.1设计依据......................................................51

2.2换热器简介......................................................51

2.3换热器选用原则.................................................54

I

山东人龙能源10万电/华若叫乙/❸项口以各设计及选型”,用指

2.3.1基本要求.....................................................54

2.3.2介质流程.....................................................54

2.3.3终端温差.....................................................55

2.3.4流速..........................................................55

2.3.5压力降.......................................................56

2.3.6传热膜系数...................................................56

2.3.7污垢系数.....................................................57

2.3.8换热管.......................................................58

2.4换热器型号表示方法..............................................59

2.4.1换热器的选型软件............................................60

2.5换热器选型示例：管壳式换热器E0102..............................60

2.5.1换热器选型参数设计...........................................60

2.5.2换热器选型结构设计..........................................65

2.5.3换热器设计小结表............................................70

2.5.4换热器工艺条件图...........................................71

2.5.5换热器E0102设备装配图......................................72

2.5.6换热器强度校核..............................................72

2.6换热器选型一览表................................................79

2.7“扭曲管”的使用.................................................80

2.7.1“扭曲管”使用背景...........................................80

2.7.2“扭曲管”结构原理...........................................81

2.7.3“扭曲管”作用原理...........................................82

2.7.4工程实例......................................................82

第三章反应器设计说明..................................................84

3.1反应器设计目标....................................................84

3.2主要反应机理及动力学.............................................85

3.3反应机理.........................................................85

3.4动力学方程........................................................87

3.5催化剂特性........................................................92

3.6催化剂失活........................................................93

3.6.1催化剂结焦...................................................93

11

山东人龙能源10万电/华若叫乙/❸项口以各设计及选型”,用指

3.6.2催化剂烧结...................................................94

3.6.3催化剂化学形态及化学组成变化.................................94

3.6.4催化剂活性.................................................95

3.6.5永久性失活.................................................95

3.7催化剂的再生方法..................................................95

3.7.1千空气吹扫...................................................95

3.7.2高温还原法...................................................95

3.8反应器类型选择................................................96

3.8.1反应器概述....................................................96

3.8.2流化床概述...................................................99

3.8.3本厂反应器选择..............................................100

3.9反应器模拟模型构建............................................100

3.9.1模型描述...................................................100

3.9.2晕相流动模型方程............................................101

3.9.3质平衡方程..................................................102

3.10工艺条件的选择..................................................103

3.10.1反应温度....................................................103

3.10.2反应压力....................................................103

3.10.3反应器体积..................................................104

3.11反应器设计条件..................................................104

3.11.1工艺参数....................................................104

3.12醋酸乙烯酯合成反应器结构参数设计.............................105

3.13撤热系统设计....................................................110

3.13.1热负荷Q.........................................................................................................110

3.13.2总传热系数K................................................................................................111

3.13.3传热温差................................................112

3.13.4换热面积A.....................................................................................................112

3.14气体分布器......................................................114

3.14.1压降和开孔率................................................114

3.14.2孔数和孔径的确定............................................116

3.14.3缝隙高度....................................................116

in

山东人龙能源10万电/华若叫乙/❸项口以各设计及选型”,用指

3.14.4风帽中心距..................................................117

3.15旋风分离器......................................................117

3.16接管设计.......................................................120

3.16.1原料气进料口................................................120

3.16.2催化剂固体进料口............................................120

3.16.3气体出料口..................................................120

3.16.4人孔.........................................................120

3.17控制系统.......................................................121

3.18强度校核.......................................................122

3.18.1材料的选择..................................................122

3.18.2筒体壁厚计算................................................122

3.18.3反应器强度校核.............................................125

3.19设备条件图.....................................................129

3.20设备装配图....................................................130

3.21反应器设计一览表...............................................130

第四章气液分离器设计.................................................131

4.1设计依据.......................................................131

4.2设计目标.......................................................131

4・3气液分离器的分类.................................................131

4.3.1立式和卧式重力分离器.......................................131

4.3.2立式和卧式丝网分离器.......................................131

4.4设计目标.......................................................132

4・5气液分离器的设计（以V0210为例）...............................132

4.5.1气液分离器工艺参数.........................................132

4.5.2类型选择...................................................133

4.5.3尺寸设计...................................................133

4.6气液分离器设计一览表...........................................144

第五章泵的设计.......................................................146

5.1概述............................................................146

5.2泵的类型和特点..................................................146

5,3泵的选型原贝心..........................................147

IV

山东人龙能源10万电/华若叫乙/❸项口以各设计及选型”,用指

5.4泵选型示例（以P0101为例）....................................149

5.4.1进出口流速..................................................150

5.4.2扬程计算....................................................150

5.4.3工艺参数输入...............................................151

5.4.4选型结果...................................................151

5.4.5性能负荷图.................................................152

5.5泵选型一览表...................................................154

5.6新型泵的选用...................................................156

第六章储罐、回流罐、缓冲罐的选型...................................157

6.1选型依据........................................................157

6.2储罐选型.......................................................157

6.2.1储罐系列....................................................158

6.2.2选型原则....................................................159

6.2.3储罐选型....................................................160

6.3储罐选型一览表...................................................162

6.4回流罐选型.......................................................163

6.4.1醋酸精储塔回流罐............................................163

6.4.2粗VAC精偏上塔回流罐.......................................163

6.4.3V0316回流罐................................................163

6.5回流罐选型一览表.................................................163

6.6缓冲罐选型......................................................164

6.6.1选型原则....................................................164

6.6.2缓冲罐选型..................................................164

6.6.3压空缓冲罐选型..............................................166

6.6.4气体分离缓冲罐选型.........................................167

6.6.5液液分相器选型..............................................167

6.7缓冲罐选型一览表...............................................167

6.8静态混合器.......................................................169

6.8.1静态混合器概念...............................................169

6.8.2静态混合器选型...............................................171

6.9静态混合器选型一览表............................................171

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第七章压缩机的选型...................................................173

7.1选型依据........................................................173

7.2选型原则........................................................174

7.3压缩机工艺参数..................................................175

7.4压缩机选型实例----C0202选型...................................176

7.4.1压缩机工艺参数.............................................176

7.5压缩机选型一览表...............................................177

VI

reenLand团队

绪论

0.1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

也必须保证有足够的强度，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，这样才能使企业获得更大的利益。

0.2设计依据和原则

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，如反应器、塔器等。

0.3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，

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

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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。

0.4设计标准与依据

表0-1设计标准与依据

标准号

名称1

《压力容器》GB150-2011

《锅炉和压力容器用钢板》GB713-2008

《奥氏体不锈钢焊接钢管选用规定》HG/T20537.1-1992

《化工装置用奥氏体不锈钢大口径焊接钢管技术要求》HG/T20537.4-1992

《工艺系统工程设计技术规定》HG/T20570.9-1995

《钢制化工容器设计基础规定》HG/T20580-2011

《钢制化工容器材料选用规定》HG/T20581-2011

《钢制化工容器强度计算规定》HG/T20582-2011

《钢制化工容器制造技术要求》HG/T20584-2011

《化工设备基础设计规定》HG/T20643-2012

《承压设备无损检测》（合订本）JB/T4730.1-6-2005

《石油化工塔型设备基础设计规范》SH/T3030-2009

《管壳式换热器》GB151-1999

《石油、重化学和天然气工业用离心泵》GB/T3215-2007

《离心泵效率》GB/T13007-2011

0.5全厂设备概况

经过工艺选择、组合、模拟以及优化，最终设计的工艺流程包括反应器1台，

塔设备8台，泵12台，换热器28台，各类储罐21台，气液分离器8台、静态

混合器5台，压缩机及风机5台，共计设备88台。

除塔设备、反应器、容器为自主设计非标设备外，其余设备均为定型设备。

对于非标设备，均详细书写了设计说明书，对于标准设备，均做了设备选型，并

整理了设备一览表。

全厂重型机器多，设备安装时多采用现场组焊的方式。

2

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第一章塔设备设计

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，塔可以使气液

相或者液液相之间进行紧密接触，达到较为良好的相际传质及传热的目的。

在塔设备中常见的单元操作有：吸收、精馆、解吸和萃取等。此外工业气体

的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿和

减湿等效果6

1.1塔设备设计依据

《化工设备设计全书——塔设备》

《化工设备设计基础规定》HG/T20643-2012

《设备及管道保温设计导则》GB8175-2(X)8

《钢制人孔和手孔的类型与技术条件》HG/T21514-2014

《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

《钢制压力容器焊接规程》JB/T4709-2007

《塔器设计技术规定》HG2O652-1998

《不锈钢人、手孔》HG21594-21604-2014

《压力容器封头》GB/T25198-2010

《压力容器封头》GB/T25198-2010

《钢制塔式容器》NB/T47041-2014

《塔顶吊柱》HG/T21639-2005

1.1.1塔设备设计原则

(D具有适宜的流体力学条件，可使气液两相良好接触;

(2)结构简单，处理能力大，压降低；

(3)强化质量传递和能量传递。

3

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1.1.2塔设备的设计目标

作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相能充分接触，以获得

较高的传质效率。此外，为满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求：

(1)生产能力大。在较大的气(汽)液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹

带、拦液、或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(汽)液负荷量有较大波动时，仍

能在较高的传质效率下进行稳定的操作，并且塔设备应保证能长期稳定操作；

(3)流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压降小。这将大大节省生产

中的动力消耗，以降低正常操作费用。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，

事实上，对于现有的任何一种塔器，都不可能完全满足上述所有要求，但是

我们可以在某些方面做到独特之处。以此来达到较大的生产效率，提高企业的生

产效益。

1.1.3塔型选择原则

1.1.3.1板式塔

板式塔是分级接触传质设备，广泛应用于精馆和吸收，有些类型也用于萃取，

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。板式塔一般由塔壳

体、塔板、工艺管口、进气分布器、液体分布器、丝网除沫器等组成。根据目前

国内外实际使用的情况，主要的塔型是筛板塔、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。对塔型的评价具体

可以从生产能力、塔板效率、操作弹性、气体通过塔盘的压力降、造价和操作是

否方便等方面来考虑。下面现将简单介绍几类主要塔的性能：

表1」几类主要塔的性能比较

塔型

住HE

泡罩塔浮阀塔筛板塔穿流式

生产能力差良优优

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分离效果良优优良

操作弹性优优良优

造价高良良优

压力降差良优优

本项目通过精馆粗分醋酸、VAC和水，处理流量较大，且操作弹性也较大,

故本项目优先考虑使用筛板塔。

表1-2各类塔板性量化比较

塔盘型式

指标F型十字架条型舌型浮动喷圆形条形S形栅筛孔波纹

筛板

浮阀型浮阀浮阀板射塔板泡罩泡罩泡罩板板板

高444444213444

气液负荷

低555233333233

操作弹性555334434112

压力降233324000433

雾沫夹带量334343112444

分离效率554433434444

单位体积设备处理量444444213444

制造费用334443213553

材料消耗444454223554

安装检修434443113553

污垢对操作的影响232123100244

注：0—差；1—及格；2—中；3—良；4—优；5—超

由上面两个表可知，浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔的优点，现在已成为国内应

用广泛的精俺塔塔型之一，并且在石油、化学工业中使用最为普遍。

1.1.3.2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。

填料塔中的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

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的关键。填料的种类很多，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1-3填料分类与名称

填料类型填料名称

拉西环形拉西环，十字环，内螺旋环

环形

开孔环形鲍尔环，改进鲍尔环，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

规整填料栅格形GlitschGrid

板片形压延金属板，多孔金属板

非波纹型

绕圈形古德洛形，Hyperfil

1.1.3.2.1散装填料

（1）拉西环：目前已被淘汰

（2）矩鞍填料：属于乱堆敞开式填料

（3）鲍尔环：是在拉西环壁面上开一层或两层长方形小窗

图1-3钢环鲍尔环图1-4瓷环鲍尔环

（4）金属环矩鞍：由美国诺顿公司开发成功，它结合了鲍尔环的空隙大和

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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1-5金属矩鞍环图1-6特纳环

（5）阶梯环

图1-7阶梯环

1.1.3.2.2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4（）~300mm,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像塔器。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。

图1・8丝网型图1・9孔板型

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:

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表1-4常见波纹填料

比表面积水力直径倾角孔隙率密度

名称类型材料

a(m2/m3)dx/mm9/°e/%/(kg/m3)

AX250153095125

丝网波金属丝网BX不锈钢5007.53090250

纹填料CY70054585350

塑料丝网BX聚丙烯/聚丙精4507.53085120

125Y/125X125-45/3098.5100

不锈钢

金属薄板25OY/25OX2501545/3097200

碳钢

Mcllapak35OY/35OX350-45/3095280

铝

板波纹500Y/500X500-45/3093400

填料塑料薄板125Y聚丙烯125-4598.537.5

Mellapak250Y聚偏氯乙烯25015459775

KarapakBX45063075550

陶瓷薄片陶瓷

Melladur250-45--

表1-5工业常用波纹填料性能以及应用范围

每块理论板

气体负荷每米填料滞留量操作压力

填料类型压降填料适用范围

F/[(m/s)*(kg/m3)0-5]理论板数/%/Pa(mbar)

/Pa(mmHg)

102~103要求处理量与理论板不

AX2.5〜3.5约40(约0.3)2.52

(1-1000)多的蒸馆

102~105热敏性，难分离物系的真

BX2-2.440(0.3)54

(1-1000)空精储

5X1O3-1O5理论板的有机物蒸锚，限

CY1.3〜2467(0.5)106