4-设备选型与典型设备设计_W

1、茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计目录总论1设计依据1化工中常用设备2全厂设备概况2塔设备设计及选型1塔设备选型设计依据1塔设备选型12.2.1 塔设备简介12.2.2 塔型选择原则3塔设备设计方法52.3.1 使用软件列表5MTBE 反应精馏塔的设计6第一章1.11.21.3第二章2.12.22.32.42.4.12.4.22.4.32.4.4精馏段设计6塔径的初步核算9塔板布置设计10流体力学计算与校核162.4.5 精馏段 CupTower 水力学校核18反应段设计212.5.1 填料类型的选择21

2、2.5.2 物性参数22塔体强度校核312.6.1 设计条件312.52.62.7 塔设备设计结果552.8 设备条件图55第三章 反应器设计573.1 反应器概述573.2 反应器选型573.2.13.2.23.2.33.2.43.2.53.2.63.2.73.3.8反应机理60动力学参数60反应条件61停留时间及反应器体积计算61反应器结构参数计算61反应器结构参数验证61传热计算62强度校核633.4 工艺条件图79第四章 换热器选型及设计804.1 换热器选型设计804.1.1 换热器选型依据804.1.2 换热器类型简介80WORTH DOING1茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产

3、项目设备选型与典型设备设计4.2 换热器选型原则824.2.1 换热器类型824.3 选型示例854.3.14.3.24.3.34.3.44.3.54.3.64.3.74.3.8类型选择86管壳程选择86温度86压力86污垢热阻87尺寸87选型结果87详细尺寸884.4 强度校核904.5 选型结果1024.6 工艺条件图102第五章5.15.25.35.4泵的选型103工业用泵的分类103化工装置用泵要求103泵的选型原则104泵的选型过程1055.4.15.4.25.4.35.4.4工艺参数和安装尺寸105泵进出口液体流速105扬程计算106选型结果107第六章6.16.26.3储罐选型设

4、计108选型依据108选型原则108储罐设计1096.3.1 储罐设计的一般程序1096.3.2 罐区基本情况1096.3.3 罐区防护要求110储罐计算示例110气液分离器设计112设计依据112设计目标112气液分离器类型112设计过程112强度校核115分相器设计125设计过程125强度校核126压缩机选型设计133概述1336.4第七章7.17.27.37.47.5第八章8.18.2第九章9.1WORTH DOING2茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计9.29.3选型原则133工艺参数和选型结果133WORTH DOING3茂名石化 8 万吨/年 MMA 生

5、产项目设备选型与典型设备设计第一章总论1.1 设计依据固定式压力容器GB150-2011 GB8175-1987 GB/T25198-2010 HG20652-1998 HG/T20583-2011 HG/T20570-1995 HG/T21639-2005 HG21594-21604 HG/T21514-2005 JB/T4710-2005 GBT 17261-1998SH/T 3007-2007HG 21502.1-1992HG 21504.1-1992JB/T 471492JB/T 471592GB 151-1999设备及管道保温设计导则压力容器封头塔器设计技术规定钢制化工容器结构设计规

6、定工艺系统工程设计技术规范塔顶吊柱不锈钢人、手孔钢制人孔和手孔的类型与技术条件钢制塔器容器钢制球形储罐型式与基本参数石油化工储运系统罐区设计规范钢制立式圆筒形固定顶储罐系列钢制卧式椭圆封头储罐系列浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数固定管板式换热器型式与基本参数管壳式换热器化工设备设计全书-球罐和大型储罐化工设备设计全书塔设备工业泵选用手册化工机械手册：流体输送机械WORTH DOING1茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计1.2 化工中常用设备（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

7、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馏、吸收、解析、萃取、洗涤、冷却及气体增湿等。（3）换热器换热器是用于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工装置中，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

8、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少，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 4 台，塔设备 9 台，储罐缓冲罐 20 台，泵设备 54台，换热器 30 台，压缩机 14 台，鼓风机 1 台，气液分离器 1 台，相分离器 1台，膜分离设备 1 台。共计 135 台设备。WORTH DOING2茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计第二章 塔设备设计及选型2.1 塔设备选型设计依据化工设备设

9、计全书塔设备固定式压力容器GB150-2011 GB8175-1987 GB/T25198-2010 HG20652-1998 HG/T20583-2011 HG/T20570-1995 HG/T21639-2005 HG21594-21604 HG/T21514-2005JB/T4710-2005设备及管道保温设计导则压力容器封头塔器设计技术规定钢制化工容器结构设计规定工艺系统工程设计技术规范塔顶吊柱不锈钢人、手孔钢制人孔和手孔的类型与技术条件钢制塔器容器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；按单元操作分为精馏塔

10、、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、WORTH DOING1茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计真空蒸馏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

11、，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WORTH DOING2塔盘型式结构优点缺点主要应用范围泡罩塔圆形泡罩复杂弹性好无泄漏费用高板间距大压力降比较大用于具有特定要求的场合S型泡罩塔板稍简单简化了泡罩的型式，因此性能相似费用高板间距大压力降比较大用于具有特定要求的场合浮阀塔条形浮阀简单操作弹性较好；塔板效率较高；处理能力较大

12、没有特别的缺点适用于加压及常压下的气液传质过程重盘式浮阀有简单的和稍复杂的T型浮阀简单穿流型筛板（溢流式）简单正常负荷下的效率高；费用最低；压力降小稳定操作范围窄；要么扩大孔径，否则易堵物料；容易发生液体泄漏适于处理量变动少且不析出固体物的系统波纹筛板简单比筛板压力降稍高，但具有同样的优点；气液分布好栅板简单处理能力大；压力适用于粗蒸馏茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计表 2-2 各种塔盘的比较结论：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

13、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。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。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。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。含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔

14、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。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。WORTH DOING3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降小；费用便宜茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计与操作条件有关的因素若气相传质阻力大（即气相控制系统。如低黏度液体的蒸馏，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 CO2），宜采用板式

15、塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气相在液层中鼓泡。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。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。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。其他因素对于多数情况，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，宜采用新型填料。一般填料塔比板式塔重。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，

16、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WORTH DOING4考虑因素选择顺序塔径800mm以下，填料塔大塔径，板式塔具有腐蚀性的物料填料塔穿流式塔筛板塔喷射型塔茂名石化8万吨/年 MMA生产项目设备选型与典型设备设计本次流程总共需要选型设计 9 个塔，选取 MTBE 反应精馏塔塔作为计算示例进行设计。2.3 塔设备设计方法2.3.1 使用软件列表表 2-4 使用软件列表WORTH DOING5污浊液体大孔径筛板塔穿流式塔喷射型塔浮阀塔泡罩塔操作弹性浮阀塔泡罩塔筛板塔真空操作填料塔导向筛板网孔塔板筛板浮阀塔板大液气比多降液管筛板塔填料塔喷射型塔浮阀塔筛板塔存在

17、两液相的场合穿流式塔填料塔茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计2.4 MTBE 反应精馏塔的设计反应精馏塔包括精馏段，反应段，提馏段。精馏段为板式段，反应段为填料段，提馏段为板式段。MTBE 反应精馏塔 T0101，操作压力 8bar，塔顶温度 52， 塔底温度 135，设计压力 0.875Mpa,设计温度 150。理论塔板数 38 块，其中精馏段理论板数 8 块，提馏段 20 块，反应段 10 块。塔内物料包括抽余碳四、甲醇。2.4.1 精馏段设计2.4.1.1 设计条件在设计中使用 Aspen Plus 进行模拟，计算得到精馏段为 8 块塔板，现将精馏段各个理论板

18、上的计算结果列于下表：表 2-5 精馏段各理论板上的流量及物性数据WORTH DOING6塔板号温度压力Mpa液相流量cum/hr气相流量cum/hr液相密度kg/cum气相密度kg/cum液相粘度cp表面张力N/m252.220.689149.855819.27553.9815.990.13810.00939356.080.693153.315847.86550.9516.160.13550.00915457.240.697156.415871.26548.1816.320.13300.00890558.250.700158.615880.58546.1516.440.13130.00870

19、名称用途来源Aspen Plus V8.4分离性能设计Aspen Tech公司Aspen Plus V9流体力学设计Aspen Tech公司Sulpak 3.0流体力学设计苏尔寿化工有限公司Cup-Tower流体力学设计中国石油大学SW6-2011塔体强度结构设计全国化工设备设计技术中心站AutoCAD2014精馏塔平面布置图绘制Autodesk公司茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计气相平均流量和平均密度：V = 5846.48m3 / h = 1.62m3 / srv = 16.45kg / m 3液相平均流量和平均密度：L = 157.57m3 / h = 0.

20、044m3 / srL = 546.97kg / m3液相平均表面张力和粘度：o = 0.00875N / m = 8.75dyne / cmm = 0.1321cP初算塔径：令 HT = 0.5m ，假设hL = 0.07m ，则HT - hL = 0.43m1/2L r0.044 546.97 1/2= 0.1566又 L V rV1.6216.45查Smith 泛点关联图：WORTH DOING7659.950.708159.915875.27544.8816.540.13030.00857760.600.712160.595859.27544.1516.630.12970.008488

21、61.160.715160.905837.68543.7616.710.12940.00843961.690.719160.945810.61543.7016.790.12930.00839茂名石化8万吨/年 MMA生产项目设备选型与典型设备设计图 2-1 Smith 泛点关联图C20 = 0.085得： s0.2 8.750.2则气相负荷因子： C = C= 0.085= 0.072202020所以极限空塔气速：rL - rV546.97 -16.45 = 0.4088m / su= C= 0.072rmax16.45V选取空塔气速：u = 0.8umax = 0.3270m / s所以初算

22、塔径：V1.62D = 2.712m0.785u0.785 0.3270圆整后取：WORTH DOING8茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计D = 2.8m2.4.2 塔径的初步核算雾沫夹带：取lw = 0.6D = 0.6 2.8 = 1.68m塔截面积：A = 0.84 p = 2.217m22T则弓形降液管面积： 0.84 p = 0.115mA = 0.052 A = 0.05222fT取物性系数 K =1.0查泛点负荷系数关联图：CF = 0.13图 2-2泛点负荷系数关联图得WORTH DOING9茂名石化 8 万吨/年 MMA生产项目设备选型与典型设备

23、设计rVrL - rV16.45V1.62100% = 546.97 -16.45泛点率=100% = 63.45% 80%0.781.0 0.13 2.2170.78KCF AT故可知雾沫夹带量能够满足ev 5sq =L0.044根据以上两步核算的结果，可以认为塔径 D = 2.8m 是合适的。2.4.3 塔板布置设计（1）塔板结构形式降液管主要有弓形、圆形和倾斜弓形三种。现将不同降液管的对比列于下表：表 2-6不同降液管的对比综合以上条件，选取弓形降液管。WORTH DOING10降液管形式弓形圆形倾斜弓形简图特点及适用条件堰与壁之间的全部截面区域均作为降液容积，适用于较大直径的塔，塔板面

24、积利用率较高。在弓形降液管内另装圆管作为降液管，适用于液量较小的情况。此形式有利于塔截面的充分利用，适用于大直径的塔及气液负荷较大的情况。茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计液体在塔板上的流动路径是由降液管的布置方式决定的。常用的布置方式有以下几种形式：U 型流、单流型、双流型、阶梯流型。下表列出了溢流类型、塔径、液体负荷之间的关系。表 2-7液体负荷与板上流型的关系由于反应精馏塔精馏段液体流量为 157.57 m3 / h ，而初步计算塔径为2.8m，所以选双流型。（2）堰及降液管设计堰的设计因为受液盘为凹形受液盘，所以没有内堰。堰长：lw = 0.6D = 0.6

25、 2.8 = 1.68m则L157.57= 43.07)2.5(1.68)2.5(l查流体收缩系数图WORTH DOING11塔径（mm）液体流量（ m3 /h）U流型单流型双流型阶梯流型10007以下45以下14009以下70以下200011以下90以下90160300011以下110以下110200200300400011以下110以下110230230350500011以下110以下110250250400600011以下110以下110250250450700011以下110以下110250250600茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计图 2-3 流体收缩系

26、数图E =1.10m得则堰上清液层高度： L 2/3157.57 2/32.842.84h=1.101000= 0.0645mEow1000l1.68 w 由于0.006m how 1700VV0.37340查有效液层阻力图：有效液层阻力图 2-9得液层有效阻力所以气体通过塔板的总压降：hp = h1 + hc = 0.045+ 0.06 = 0.105m液柱（3）稳定性校核= 4s417.95= 0.00027m 液柱hs9810r d9810 546.97 0.05L0(0.0056 + 0.13h1 - hs)rLr(0.0056 + 0.13 0.1- 0.00027) 546.97

27、= 2.748m / su= 4.4C= 4.4 0.8om016.45VWORTH DOING17茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计则 K =1.55即按漏液气速考虑的负荷下限为设计负荷值的 64.4%。（4）雾沫夹带量校核rVrL - rV16.45V1.62100% = 546.97 -16.45泛点率=100% = 63.45% 80%0.781.0 0.13 2.2170.78KCF AT故可知雾沫夹带量能够满足ev 0.1kg （液）/ kg （气）的要求（5）液泛校核22L0.044= 0.153h41.68 0.03h = 0.153= 0.0072

28、8md4lw 0 液柱Hd = hL + hd + hp = 0.1+ 0.00728+ 0.105 = 0.21228m 液柱取f = 0.5H0.21228所以：- h =- 0.04 = 0.38456 100中等真空度以上压力及有污染得有机物蒸馏，常压和高压吸收Kerapak1.7-2.04-68-151-5000高温或有腐蚀性介质得蒸馏与吸收，热交换器、除雾器、催化剂载体等茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计气相平均流量和平均密度：V = 162.13m3 / h = 0.045m3 / sr =317.14kg / mV液相平均流量和平均密度：、L = 5

29、543.37m3 / h = 1.54m3 / sL = 544.31kg / m 3液相平均粘度和表面张力m = 0.129637cPo = 0.08253N / m流体力学计算泛点泛点计算使用 Bain-Hougen法1/8 rVlg uF a rV m 0.2 = A1/ 4 L -1.75 r V Le 3rgL L查表可得 A=0.291， a= 450m-1e 3将已知条件代入公式1.54 1/4 17.141/8 u17.14lg F 4500.1296370.2 = 0.291-1.75 9.81 0.045 544.31544.31= 0.01654m / s解方程得： uF

30、WORTH DOING231363.630.7305703.83543.15162.7717.150.1290730.0082251463.950.7345677.72543.06162.8117.230.1291240.0082071564.270.7375648.49543.05162.7017.310.1292460.0081951664.610.7415613.57543.21162.3517.390.1295170.0081921765.000.7455567.53543.68161.5417.470.1301120.0082101865.530.7505499.39544.8115

31、9.7917.540.1314240.0082701966.380.7525412.32547.40157.1717.630.1314240.008273茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计操作空塔气速、塔径：空塔气速u = 0.45uF = 0.45 0.1654 = 0.07443m / s初估塔径：V1.54D = 2.74m0.785u0.785 0.07743圆整后塔径 D = 2.8m压降液体密度校正系数： = rw =1000= 1.8372rL544.31操作空塔气速：V0.045u = 0.0073m/s0.785D20.785 2.82Lrr10.

32、045 544.311)217.14 L ( V )2=(= 0.1647VrVrL1.54 17.14544.31uF f2 r 0.2 = 0.07443 2 4501.8372 17.14(0.129637) 0.2 = 0.10977 V ( )grL9.81544.31L查Eckert 压降通用关联图WORTH DOING24茂名石化8万吨/年 MMA生产项目设备选型与典型设备设计图 2-13 Eckert 压降通用关联图Dp = 200mmH O / m2z得单位压降填料则填料层总压降Dp = 200 6 = 1200mmH2O（4）持液量持液量使用 Leva 关联式进行计算总持液

33、量：0.6 0.045 0.6 VH = 0.143= 0.143= 0.0120m3 D t2.8液体/ m3 填料WORTH DOING25茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计4）塔内构件设计（1）填料层顶部压板由于rV2g17.14u = 0.01654 = 0.8736F2 9.81而rD101 N = 53500= 0.000241D2因为2.82rDrV2g N uFD2所以需要设置填料层顶部压板压板安装形式为固定式压板。RH = 0.87 ，填料的孔隙率e = 0.75压板的开孔率取压板静压力2ru2544.310.01654= L F = 0.0178

34、GH2g e RH 2 9.81 0.75 0.87 （2）支承板支承板用来承担填料重力和填料的持液量，其开孔面积要求接近于填料的空隙率，必要时要等于 100%的塔截面。支承板的结构型式很多，常见的为升气管型，其中包括圆筒形、圆锥形或将板冲制成瓦楞形。本设计中选择圆筒形，结构见图如下WORTH DOING26茂名石化8万吨/年 MMA生产项目设备选型与典型设备设计图 2-14 圆筒形支承板（3）液体分布器填料塔设计中一般考虑每平方米塔板上有 30 个以上的喷淋点。喷淋装置的结构型式很多，现将工业上常用的型式列于表3-6。表 2-11不同喷淋装置比较WORTH DOING27结构型式简图特征管式

35、喷淋器结构型式简单莲蓬式喷淋器一般用于直径600mm以下的塔，常用参数：莲蓬头直径d为塔径的1/31/5盘式分布器适用于直径800mm以上的塔，盘上开有310mm的小孔 或直径不小于15mm的溢流管，分布盘的直径为塔径的0.60.8茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计反应精馏塔反应段塔径为 2.8m，所以选择盘式分布器。填料层 Suplak 校核结果如下图所示图 2-15 填料负荷性能图软件计算结果与手动计算结果相似，进一步验证了计算过程与结果的正确性，设计是合理的。WORTH DOING28槽式分布器适用于塔径较大的场合茂名石化 8 万吨/年 MMA 生产项目设备选型与典型设备设计（4）反应精馏塔反应段的设计结果表 2-12反应精馏塔上部塔反应段的设计结果WORTH DOING29项目名称数值已知条件气相流量V0.045m3/s气相密度 rV317.14kg/m液相流量L1.54m3/s液相密度 rL3544.31kg/m液体表面张力0.08253N/m液体粘度0.129cP填料设计