化工设计竞赛3-设备设计说明书（含塔、反应器、换热器等）

中国百油化匚股份有限公司

14IIIUUW/CHINAPETROLEUM&CHEMICALCORPORATION

茂名石化

年产二十万吨醋酸乙稀酯生产项目

微备微必饯叫布

团队成员：李爰多张颖李博文吴艳芬林勇弑

指导教师：余宗钟杨时颖胡朋号程韩媛媛于庆杰

目录

第一章设备设计总述......................................................1

1.1过程设备类别.....................................................1

1.2过程设备设计与选型原则...........................................1

1.3过程设备设计与选型的主要内容.....................................2

第二章塔设备设计........................................................3

2.1塔设备设计依据...................................................3

2.2设计要求.........................................................3

2.3塔设备简介.......................................................4

2.3.1板式塔.....................................................4

2.3.2填料塔.....................................................5

2.3.3塔型选择一般原则...........................................9

2.4塔设备设计（以板式塔T0203、填料塔T0202为例）..................11

2.4.1塔设备设计步骤............................................11

2.4.2塔体结构设计..............................................11

2.4.3填料塔详细设计（以T0202为例）............................12

2.4.4板式塔详细设计（以T0203为例）............................23

2.4.5塔盘结构具体设计..........................................29

2.5板式塔T0203机械结构设计与校核..................................35

2.5.1吸收塔塔高的确定..........................................35

2.5.2吸收塔T0203接管设计......................................37

2.5.3塔体机械强度校核..........................................40

2.6设备工艺条件图..................................................58

2.7设备装配图......................................................59

2.8塔设备设计一览表................................................60

第三章换热器的选型设计.................................................61

3.1换热器的选型设计依据............................................61

3.2换热器类型简介..................................................61

3.3换热器的选用原则................................................64

3.3.1基本要求..................................................64

3.3.2介质流程..................................................65

3.3.3终端温差..................................................65

3.3.4流速选择..................................................66

3.3.5压力降....................................................66

3.3.6传热膜系数................................................66

3.3.7污垢系数..................................................67

3.3.8换热管....................................................68

3.4换热器型号的表示方法............................................71

3.5换热器的选型软件................................................71

3.6选型范例（以E0101为例）........................................72

3.6.1工艺参数确定..............................................72

3.6.2EDR数据输入..............................................74

3.6.3选型结果..................................................78

3.6.4详细尺寸..................................................79

3.6.5换热器机械强度校核........................................80

3.6.6换热器设备装配图..........................................97

3.6.7换热器设备条件图..........................................98

3.7选型范例（以E0102为例）........................................98

3.7.1工艺参数确定..............................................98

3.7.2EDR数据输入.............................................100

3.7.3选型结果.................................................105

3.7.4详细尺寸.................................................106

3.7.5换热器机械强度校核.......................................107

3.8换热器选型一览表...............................................130

第四章反应器设计说明书................................................132

概述...............................................................132

4.1反应器设计目标.................................................132

4.2反应器详细设计（以R0101为例）................................133

4.2.1反应器进出口物料条件.....................................133

4.2.2主要反应及动力学参数.....................................134

4.2.3空速.....................................................134

4.2.4催化剂选择...............................................135

4.2.5反应器具体形式选择.......................................135

426反应器尺寸设计............................................136

427反应器其他零部件，结构，附件设计与选材....................141

4.2.8法兰选择.................................................146

4.2.9反应器强度校核...........................................147

4.2.10设备工艺条件图..........................................169

4.2.11设备装配图..............................................170

4.2.12反应器设计结果总结......................................171

第五章泵选型..........................................................173

5.1泵类型和特点...................................................173

5.2泵选型原则.....................................................175

5.3泵选型.........................................................178

5.3.1泵详细设计举例...........................................178

第六章压缩机选型......................................................186

6.1压缩机分类.....................................................186

6.2压缩机适用范围.................................................187

6.3压缩机选型.....................................................187

6.3.1压缩机详细设计举例.......................................187

6.3.2压缩机选型一览表.........................................188

第七章储罐、回流罐、缓冲罐选型........................................190

7.1概述...........................................................190

7.2设计依据.......................................................190

7.3储罐类型.......................................................190

7.4储罐系列.......................................................191

7.5储罐选型举例...................................................192

7.5.1醋酸乙烯酯储罐的选型.....................................192

7.5.2乙烯储罐的选型...........................................193

7.5.3醋酸储罐的选型...........................................194

7.5.4氧气储罐的选型...........................................195

7.5.5储罐选型一览表...........................................196

7.5.6反应精储塔回流罐的选型...................................197

第八章气液分离器设计..................................................200

8.1设计依据.......................................................200

8.2气液分离器的分类...............................................200

8.2.1立式和卧式重力分离器.....................................200

8.2.2立式和卧式丝网分离器.....................................200

8.3设计目标.......................................................201

8.4气液分离器的设计（以V0201为例）..............................201

8.4.1气液分离器工艺参数.......................................201

8.4.2类型选择.................................................202

8.4.3尺寸设计.................................................202

8.4.4气液分离器设计一览表.....................................211

第一章设备设计总述

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。过程设备最基本的要求是满足安全性与经济性，安全是核心，在

充分保证安全的前提下尽可能做到经济。过程设备的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。

1.1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，如泵、换热器等；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，

如塔器、反应器等。

1.2过程设备设计与选型原则

在满足工艺要求的前提下，为了确保安全与经济，过程设备应满足以下基本要求，其

中包括合理性、可靠性和先进性、安全性、经济性。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。可靠性和先进性即工艺设备的型式、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。安全性即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。经济性即设备的选择力求做到技术上先进，经济上合理。

华侨人老TheElitesK1

1.3过程设备设计与选型的主要内容

（1）确定单元操作所用设备的类型。这项工作应与工艺流程设计结合起来进行。

（2）确定设备的材质。根据工艺操作条件（温度、压力、介质的性质）和对设备的工

艺要求确定符合要求的设备材质。

（3）确定设备的设计参数。设备的设计参数是由工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、

设备的工艺计算多项工作得到的。对不同的设备，它们有不同的设计参数。对塔设备，需

要确定进出口物料的流量、组成、温度、压力、塔径与塔的材质、填料类型与填料高度或

塔板类型与塔板数等，对于精僧塔还要确定塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷、换热流体

的种类等；对换热器，则需要知道热负荷、换热面积、冷热流体的种类及流量。

（4）确定定型设备（即标准设备）的型号或牌号以及数量。定型设备是一些加工厂成

批、成系列生产的设备，即那些可以直接向生产厂家订货或购买的现成设备。对已有标准

图纸的设备，确定标准图的图号和型号。随着中国化工设备标准化的推进，有些本来用于

非标设备的化工装置，已逐步走向系列化、定型化。这些设备包括换热器系列、容器系列、

搪玻璃设备系列以及圆泡罩、F1型浮阀和浮阀塔塔盘系列等，它们已经有了国家标准。

（5）对非标设备，向化工设备专业设计人员提出设计条件和设备草图，明确设备的型

式、材质、基本设计参数、管口、维修安装要求、支承要求及其他要求（如防爆口、人孔、

手孔、卸料口、液面计接口等）。

（6）编制工艺设备一览表。在初步设计阶段，根据设备工艺设计的结果，编制工艺设

备一览表，可按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制。初步设计阶段的工艺设备一览

表作为设计说明书的组成部分提供给有关部门进行设计审查。

华侨大学TheElites队2

第二章塔设备设计

2.1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》GB8175-2008

《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》HG20652-1998

《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

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。对真空精偶来说，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。

华侨人学TheElitesK3

2.3塔设备简介

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。而在化工生产中分离的能耗占主要部分，塔设备的投资

费用占整个工艺设备费用的四分之一。因此，塔设备的设计和研究，对石油、化工等工业

的发展起着重要的作用。

按塔的内件结构分为板式塔和填料塔，它们都可以用作蒸储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。

2.3.1板式塔

板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多。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

些塔的依据，诸如筛板塔、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2-1几类主要塔的性能比较

塔型

性能

泡罩塔浮阀塔筛板塔

生产能力差良优

分离效率良优优

操作弹性优优良

造价高良良

压力降差良优

华侨大学TheElites队4

表2-2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形筛孔波纹

筛板栅板

浮阀型浮阀浮阀板射塔板泡罩泡罩泡罩板板

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

444444213444

量

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

精僧塔塔型之一，并且在石油、化学工业中使用最为普遍。

2.3.2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。

华侨大学TheElites队5

表2-3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，金属双瓠形，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

2.3.2.1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2-3钢环鲍尔环E2-4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。

华侨大学TheElites队6

图2-5金属矩鞍环图2-6特纳环

（5）阶梯环。

图2-7阶梯环

23.2.2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40~300mm,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储塔器。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2-8丝网型图2-9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。

表2-4常见波纹填料

华侨大学TheElites队7

比表面积水力直径倾角孔隙密度

名称类型材料

a(m2/m3)dWmm0/°率E/%/(kg/m3)

AX250153095125

金属丝网BX不锈钢5007.53090250

丝网波

CY70054585350

纹填料

聚丙烯/聚丙

塑料丝网BX4507.53085120

125Y/125X125-45/3098.5100

不锈钢

金属薄板250Y/250X2501545/3097200

碳钢

Mellapak350Y/350X350-45/3095280

专口

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2-5工业常用波纹填料性能以及应用范围

气体负荷

每块理论板压降每米填料滞留量操作压力

填料类型F/[(m/s)-(kg填料适用范围

/Pa(mmHg)理论板数/%/Pa(mbar)

/m3)05]

102~103要求处理量与理论板不多

AX2.5~3.5约40(约0.3)2.52

(1-1000)的蒸储

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理论板的有机物蒸用，限

CY1.3~2.467(0.5)106

(50-1000)制高度的塔

塑料丝网102~105低温(V80C)下，脱除强

2-2.4约60(约0.45)约58~15

波纹BX(1-1000)臭味物质，回收溶剂

中等真空度以上压力及有

Mellapak>104

2.25~3.5100(0.75)2.53~5污染的有机物蒸々留，常压

250Y(>100)

和高压吸收(解吸)。

华侨大学TheElites队8

2.3.3塔型选择一般原则

2.3.3.1填料塔与板式塔比较

塔主要有板式塔和填料塔两种，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。

表2-6填料塔和板式塔相比较

填料塔

项目板式塔

散堆填料规整填料

空塔气速较小大比散堆填料大

压降较小小一般比填料塔大

塔效率小塔效率高高（对大直径无放大效应）较稳定，效率较高

液气比对液体喷淋量有一定要求范围大适应范围大

持液量较小较小较大

材质可用非金属耐腐蚀材料适应各类材料金属材料

造价小塔较低较板式塔高大直径塔较低

安装检修较困难适中较容易

2.332塔型选择一般原则

选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、运转、

维修等。

1）下列情况优先选用板式塔：

a.塔内液体滞液量较大，液相负荷较小，操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求

不敏感，操作易于稳定；

b.含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大的塔板，

堵塞的危险较小；

c.在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要在塔内设置内部换热组件，如加热

盘管，需要多个进料口或多个侧线出料口。一方面板式塔的结构上容易实现，此外，塔板

上有较多的滞液以便与加热或冷却管进行有效地传热；

d.在较高压力下操作的蒸循塔仍多采用板式塔。

华侨大学TheElites队9

2）下列情况优先选用填料塔：

a.在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填

料以降低塔的高度；

b.对于热敏性物料的蒸偏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先选择真

空操作下的填料塔；

c.具有腐蚀性且易发泡的物料，可选用填料塔。

综上，塔设备的选型可以依照下列顺序。

表2-7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

具有腐蚀性的原料

筛板塔

喷流型塔

大孔径筛板塔

穿流式塔

污浊液体喷流式塔

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

真空操作网孔筛板

筛板

浮阀塔板

大液气比多降液管筛板塔

华侨大学TheElites队10

填料塔

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

综上所述，在反应工段会有未反应完的醋酸等酸性物质，具有一定腐蚀性，故T0201

和T0202选用填料塔。

在对产品进行精制时，对醋酸乙烯的分离要求较高，故T0301也采用填料塔。

在回收甘油的过程中，所需塔径较小，故T0302采用填料塔。

在回收乙烯的过程中，所需塔径较大，且处理量较大，故T0203采用浮阀塔。

2.4塔设备设计(以板式塔T0203、填料塔T0202为例)

2.4.1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SULPAK计算出填料层高度；板式塔使用CUP-TOWER进行塔盘结

构设计，并进行塔的水力学校核。

(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。

表2-8设计所用软件

名称用途

AspenPlusV8.4初步估算

CUP-TOWER塔盘结构设计与校核

SULPAK填料设计与校核

SW6-2011机械强度设计与校核

2.4.2塔体结构设计

我们分别选取板式塔T0203、填料塔T0202为例进行塔体设计。

华侨大学TheElites队11

2.4.3填料塔详细设计（以T0202为例）

2.43.1塔设计条件及设备内介质名称及组成

醋酸分离塔T0202用于将混合液中的醋酸和水与醋酸乙烯分离开。醋酸分离塔在较低

压力下操作，选用填料塔。塔的介质名称及组成如下表所示。

表2-9T0202精储塔内介质名称及组成

介质名称进料组成（mol%）塔顶组成（mol%）塔底组成（mol%）

C2H489PPM218PPMtrace

CH3COOH0.378927PPM0.639

H2O0.3950.4510.355

VAC0.2270.5470.006

CO2824PPB2PPMtrace

C3H6O297PPM200PPM26PPM

CH3CHO210PPM515PPMtrace

C3H4O8PPM20PPM359PPB

2.4.3.2PackingSizing计算

在AspenPlus中进行模拟时，塔板数为13块，工程上填料分层一般为4~6米，按照等

板高度0.5m来计算。因此，将此填料塔分为两段填料段来处理，其间设置液体再分布器。

在AspenPlus的SizingandRating中选择PackingSizing进行塔设计得到表2-10、2-11

的设计结果。

表2-10T0202分段结果

塔段起始板位置结束板位置板数

1232

24129

华侨大学TheElites队12

表2-11T0202PackingSizingResults

第一段填料

Sectionstartingstage:2

Sectionendingstage:3

Columndiameter:2.28404894meter

Maximumfractionalcapacity:0.62

Maximumcapacityfactor:0.06629153m/sec

Sectionpressuredrop:0.001352542bar

Averagepres