典型塔設備設計1.1塔設備設計依據《壓力容器》GB150-2011《固定式壓力容器安全技術監察規程》TSG21-2016《化工設備基礎設計規定》HG/T20643-2012《石油化工塔器設計規范》SH/T3098-2011《鋼制化工容器結構設計規定》HG/T20583-2011《塔頂吊柱》G/T21639-2005《壓力容器封頭》GB/T25198-20101.2塔設備概述石化行業是國民經濟中能耗較高的產業部門，其能耗占工業能耗接近1/5，占全國總能耗的14%左右。在目前占有工業能耗接近五分之一的石化行業中，較大的能耗主要來源于化學原料及化學制品制造業能耗、石油天然氣開采業能耗、石油加工、煉焦及核燃料加工業能耗、橡膠制品業能耗。而在化工生產中，分離的能耗占主要部分，其中尤以精餾塔在分離設備中占有最大比例，因此，塔設計的好壞與否，對于整個工廠的經濟效益有著很重要的作用。所以在本設計中，對MTBE合成裂解聯合車間中第二甲醇回收塔進行詳細設計。1.3塔型選擇精餾塔主要有板式塔和填料塔兩種，它們都可以用作蒸餾和吸收等氣液傳質過程，但兩者各有優缺點，要根據具體情況選擇。表1-1精餾塔主要類型及特點類型板式塔填料塔結構特點每層板上裝配有不同型式的氣液接觸元件或特殊結構，如篩板、泡罩、浮閥等；塔內設置有多層塔板，進行氣液接觸塔內設置有多層整砌或亂堆的填料，如拉西環、鮑爾環、鞍型填料等散裝填料，格柵、波紋板、脈沖等規整填料；填料為氣液接觸的基本元件操作特點氣液逆流逐級接觸微分式接觸，可采用逆流操作，也可采用并流操作設備性能空塔速度（亦即生產能力）高，效率高且穩定；壓降大，液氣比的適應范圍大，持液量大，操作彈性小大尺寸空塔氣速較大，小尺寸空塔氣速較小；低壓時分離效率高，高壓時分離效率低，傳統填料效率較低，新型亂堆及規整填料效率較高；大尺寸壓力降小，小尺寸壓力降大；要求液相噴淋量較大，持液量小，操作彈性大制造與維修直徑在600mm以下的塔安裝困難，安裝程序較簡單，檢修清理容易，金屬材料耗量大新型填料制備復雜，造價高，檢修清理困難，可采用非金屬材料制造，但安裝過程較為困難適用場合處理量大，操作彈性大，帶有污垢的物料，多用于傳統蒸餾過程處理強腐蝕性，液氣比大，真空操作，要求壓力降小的物料，多用于吸收等過程類型選擇時需要考慮多方面的因素，如物料性質、操作條件、塔設備的性能，以及塔的制造、安裝、運轉和維修等。對于真空精餾和常壓精餾，通常填料塔塔效率優于板式塔，應優先考慮選用填料塔，其原因在于填料充分利用了塔內空間，提供的傳質面積很大，使得汽液兩相能夠充分接觸傳質。而對于加壓精餾，若沒有特殊情況，一般不采用填料塔。這是因為填料塔的投資大，耐波動能力差。同樣，吸收過程也分為液膜控制、氣膜控制和介于兩者之間的共同控制吸收三種類型。氣膜控制的吸收與真空精餾相似，應優先考慮選用高效規整填料塔；液膜控制的吸收與加壓精餾相似，往往選用板式塔或汽液湍動大、持液量高的散裝填料塔；介于兩者之間的，宜采用比表面積大、持液量高、液相湍動大的填料塔，一般多采用散裝填料塔。具體來講，應著重考慮以下幾個方面：（1）與物性有關的因素易起泡的物系，如處理量不大時，以選用填料塔為宜。因為填料能使泡沫破裂，在板式塔中則易引起液泛。具有腐蝕性的介質，可選用填料塔。如必須用板式塔，宜選用結構簡單、造價便宜的篩板塔盤、穿流式塔盤或舌形塔盤，以便及時更換。具有熱敏性的物料須減壓操作，以防過熱引起分解或聚合，故應選用壓力降較小的塔型。粘性較大的物系，可以選用大尺寸填料。板式塔的傳質效率太差。含有懸浮物的物料，應選擇液流通道大的塔型，以板式塔為宜。操作過程中有熱效應的系統，用板式塔為宜。（2）與操作條件有關的因素若氣相傳質阻力大，宜采用填料塔。大的液體負荷，可選用填料塔。液氣比波動的適應性，板式塔優于填料塔。操作彈性，板式塔較填料塔大，其中以浮閥塔最大，泡罩塔次之。（3）其他因素對于多數情況，塔徑大于800mm，宜用板式塔，小于800mm時，則可用填料塔。但也有例外，鮑爾環及某些新型規整填料在大塔中的使用效果也可優于板式塔。一般填料塔比板式塔重。大塔以板式塔造價較廉。填料塔用于吸收和解吸過程，可以達到很好的傳質效果，它具有通量大、阻力小、傳質效率高等性能。因此實際過程中，吸收、解吸和氣體洗滌過程絕大多數都使用填料塔。第二甲醇回收塔中，介質甲醇腐蝕性小，塔壓為常壓，操作條件下，物系不起泡且無懸浮物質，物系分離難度不大，充分考慮各物系特點等因素，最大化權衡塔的通量、分離效率、操作彈性造價、檢修的難易程度等進行塔型的選取，最終確定第二甲醇回收塔為填料塔。1.4填料塔填料類型的選取表1-2常用填料的分類與名稱填料類型填料名稱散堆填料環形拉西環形拉西環，環，十字環，內螺旋環開孔環形鮑爾環，改進型鮑爾環，階梯環鞍形弧鞍形，矩鞍形，改進矩鞍形環鞍形金屬環矩鞍形，金屬雙弧形，納特環其他新型塑料球形，花環形，麥勒環形規整填料波紋型垂直波紋型網波紋型，板波紋型水平波紋型Spraypak，Panapak非波紋型珊格形GlitschGrid板片形壓延金屬板，多孔金屬板繞圈形古德洛形，Hyperfil填料的幾何特性數據主要包括比表面積、空隙率、填料因子等，是評價填料性能的基本參數。（1）比表面積單位體積填料的填料表面積稱為比表面積，以a表示，其單位為m2/m3。填料的比表面積愈大，所提供的氣液傳質面積愈大。因此，比表面積是評價填料性能優劣的一個重要指標。（2）空隙率單位體積填料中的空隙體積稱為空隙率，以ε表示，其單位為m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，氣體通過的能力越大且壓降低。因此，空隙率是評價填料性能優劣的又一重要指標。（3）填料因子填料的比表面積與空隙率三次方的比值，即a/ε3，稱為填料因子，以φ表示，其單位為1/m。它表示填料的流體力學性能，φ值越小，表明流動阻力越小。通常情況下，散堆填料應用于小直徑塔，而規整填料因為其規定了氣、液流徑，改善了氣、液分布狀況，在低壓降下也能提供很大的比表面積和高空隙率使塔的傳質性能和生產能力得到大幅提高，且規整填料幾乎無放大效應，應用于大直徑塔，可以強化傳質，降低塔高。綜合考慮各類型填料性能、造價及更換成本，對于T0105小直徑塔我們選用CMR階梯環填料，其錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，可以促進液膜的表面更新，有利于傳質效率的提高，同時節約成本。1.5塔設備詳細設計計算（T0105）T0105第一甲醇回收塔為填料塔，操作介質為甲醇、水、二異丁烯，操作溫度100℃，操作壓力0.1Mpa，由Aspen模擬結果知，塔頂溫度64.33℃，塔底溫度99.66℃，理論塔板數38，以下結合模擬數據對該塔進行詳細計算。1.5.1水力學參數的獲取由Aspen模擬得到塔內各板上氣液相流量分布，取流量最大的30塊塔板進行計算，其模擬得到結果如下：表1-3塔板水力學數據Stage液相溫度/℃氣相溫度/℃液相質量流量/（kg/hr）氣相質量流量/（kg/hr）3081.3090.646487.034609.40液相體積流量/（m3/hr）氣相體積流量/（m3/hr）液相分子量氣相分子量液相密度/（kg/m3）7.715959.5121.8123.19841.66氣相密度/（kg/m3）液相粘度/cP氣相粘度/cP液相表面張力（mN/m）0.80.30.0151.77表1-4散裝填料特性數據填料型號填料規格材質比表面積m2/m3空隙率尺寸CMRNO-2P金屬1520.97Φ43×Φ38×H14×0.4填料因子m-1體積密度m3/kgAK體積數量等板高度952300.1061.75331700.41.5.2填料塔工藝尺寸概算（1）液泛氣速和空塔氣速采用Bain-Hougen關聯式，可以計算填料的泛點氣速;lg將上表中各參數帶入式中求得泛點率的選擇主要考慮一下兩方面的因素，一是物性的發泡情況，對于易起

泡沫的物系，泛點率應取低限值，而無泡沫的物系，可以取較高的泛點率；二是填料塔的操作壓力，對于加壓操作的塔，應取較高的泛點率，對于減壓操作的塔，應取較低的泛點率。取空塔氣速為泛點氣速的80%，即：u(2)氣相動能因子F與氣相負荷因子CsF=u?C(3)塔徑的計算D=經圓整后取塔徑為800mm。塔的橫截面積S=(4)填料裝填計算等板高度取HETP=0.4m，理論板數NT=38塊，則填料層高度：Z=HETP?填料堆積設計高度：Z填料裝填體積：V=填料裝填質量：M=ρ?(5)噴淋密度U潤濕速率是指在塔的橫截面上，單位長度的填料周邊上液體的體積流量。對于直徑不超過75mm的拉西環及其他填料，可取最小潤濕速率（Lw）min為0.08m3/(m?h);對于直徑大于75mm的環形填料，應取為此塔填料是直徑為38mm的金屬階梯環填料，所以取最小潤濕速率0.08mU操作條件下的噴淋密度為：U經核算，選用塔徑0.8m符合要求。（6）塔板壓降（濕填料壓降）縱坐標橫坐標W查埃克特通用關聯圖可知?P所以工作狀態下，填料層總壓降：?P=892.71×21.6=19282.5P(7)持液量填料層的持液量是指在一定操作條件下，在單位體積填料層內所積存的液體

體積，以（m3液體/m3填料，%）表示，持液量可分為靜持液量、動持液量和總持液量，總持液量是指在一定操作條件下存留于填料層中的液體的總量，即總持液量為動靜持液量之和。關于持液量的計算既可由實驗測定，也有相關的經驗公式，本塔選用金屬階梯環作為填料，所以去持液量為3-5%。1.5.3設計水力學校核利用CUP-TOWER對設計進行水力學校核，圖1-1CUP-TOWER校核結果結果如下頁表中所示，塔頂和塔頂的操作條件都在填料塔全負荷的80%左右，氣體動能因子在經濟適宜的F范圍內，噴淋密度符合范圍之內，填料層總壓降為15.2kPa，持液量6.3%。軟件計算結果與手動計算結果相似，進一步驗證了計算過程與結果的正確性，設計是合理的。T0105的流體力學校核結果如下表所示：表1-5流體力學校核結果基本信息1項目名稱2客戶名稱7塔板名稱CMR階梯環3項目號8計算人4裝置名稱9校核人5塔的名稱10日期2018/6/96塔段號1112說明工藝設計條件液相氣相1質量流量kg/h6487.034質量流量kg/h4609.402密度kg/m3841.665密度kg/m30.903粘度cp0.306體系性質不起泡體系1.00塔的結構參數1填料種類/CMR階梯環8塔徑m0.802材料/金屬9床層高度m21.603尺寸mm38.0000104厚度mm0.400011比表面積m2/m31515填料因子m-195.000012空隙率%97.006干填料因子m-122.000013堆積個數#/m380000.007堆積密度kg/m3234.000014每米理論級數/1.50工藝計算參數1液泛分率%83.20007填料層總壓降Pa2空塔氣速m/s2.83208單位填料層壓降Pa/m705.50003泛點氣速m/s3.40509持液量m3/m36.30204氣體動能因子Pa^0.52.687010液體噴淋密度m3/(m2.h)15.34125氣體負荷因子m/s0.093011最低噴淋密度m3/(m2.h)0.00006流動參數/0.046012理論級數/32.40操作負荷性能圖1操作點橫坐標0.052操作點縱坐標0.083操作上限百分比120%4操作下限百分比70%備注：1.5.4塔體附件設計（1）接管①進料管：原料進料質量W=4711.797kg/hr，密度V=5.532m3/hr，取流速d選取DN=32mm,規格為Φ42×5mm實際流速:u=W0.785?ρ?②塔頂蒸汽接管：取塔頂蒸汽流速uv=20m/s，根據Aspen模擬數據可知，塔頂氣相體積流量Vs=5440.72m3/hr，則：d=選取DN=350mm，規格為Φ356×22mm的熱軋無縫鋼管實際流速：u=③塔底流出管：取釜液流出速率uL=1.5m/s，根據Aspen數據VL=6.29m3/hr則管徑：d選取DN=40mm，規格為Φ45×3mm實際流速：u=④塔頂回流管直徑取回流液體流速為ul=0.5m/s，液相體積流量為L=4.46m3/h則管徑：d選取DN=65mm，規格為Φ76×10mm⑤裙座塔體內徑Di=800,取裙座壁厚14mm，選用圓筒形裙座。基礎環內徑D基礎環外徑D（2）筒體和封頭設計本塔設備設計壓力0.11Mpa，設計溫度120℃，介質無腐蝕性，選用一般碳鋼Q235B。綜合考慮力學性能及制造成本，封頭選取標準橢圓形封頭。①筒體：δ=小于碳素鋼和低合金鋼制容器最小厚度3mm，取腐蝕裕量C2=1mm，考慮常壓容器制造、運輸、安裝時的剛度要求，取名義壁厚：δn(δ②上封頭Q:δ對于標準橢圓封頭，其最大薄膜應力位于橢球頂點，其厚度可與筒體取一致，以減弱應力集中。因此，取δ③下封頭：計算過程同上封頭，δ1.5.5填料塔內件的設計①液體分布裝置不良的流體初始分布難以達到填料層的自然流分布，會導致傳遞效率急劇下降，實踐證明，沒有良好的液體分布器，填料塔甚至不可能正常操作，新型高效填料的優越性難以發揮。性質優良的液體分布器除了常規的技術經濟要求外，還必須滿足操作的可行性、分布的均勻性、合適的操作，彈性和足夠的氣流通道。選用管式再分布器，其特點是結構簡單，供氣體流過的自由截面積大，阻力小。②填料支撐裝置填料支撐裝置的作用是支撐塔內填料床層。常用的填料支撐裝置有柵板型，孔管型，駝峰型等。在填料塔的工程設計中，對填料支撐裝置的基本要求是：應具有足夠的強度和剛度，能承受填料的質量、填料層的持液量以及操作中附加的壓力等；應具有大于填料層空隙率的開孔率，防止在此首先發生液泛，進而導致整個填料層的液泛；結構要合理，利于汽液兩相均勻分布，阻力小，便于拆裝。此塔填料為散裝填料，所以最終選用駝峰型填料支撐裝置。③填料壓緊裝置為防止在高壓力降下、瞬時符合波動等情況下填料床層發生松動和跳動，保持填料床層均勻一致的空隙結構，使操作正常穩定，在填料裝填后于其上方要安裝填料壓緊裝置。填料壓緊裝置分為填料壓板和床層限制兩大類，其中床層限制板用于金屬散裝填料。塑料散裝填料及所有規整填料。④液體收集再分布裝置液體沿填料層向下流動時，有偏向塔壁流動的現象，這種現象稱為壁流。壁流將導致填料層內汽液分布不均，使傳質效率下降。為減少壁流現象，可間隔一定高度在填料層內設置液體在分布器。選用槽盤式液體分布器，因為其具有集液和分液的功能，故槽盤式液體分布器是優良的液體收集及再分布裝置。1.5.6SW6校核結果上封頭校核計算計算單位中航一集團航空動力控制系統研究所計算所依據的標準GB/T150.3-2011計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力pc0.15MPa設計溫度t120.00C內徑Di800.00mm曲面深度hi200.00mm材料Q235-B(板材)設計溫度許用應力t111.00MPa試驗溫度許用應力116.00MPa負偏差C10.30mm腐蝕裕量C21.00mm焊接接頭系數1.00壓力試驗時應力校核壓力試驗類型液壓試驗試驗壓力值pT=1.25p=0.1437(或由用戶輸入)MPa壓力試驗允許通過的應力tT0.90ReL=211.50MPa試驗壓力下封頭的應力T==8.62MPa校核條件TT校核結果合格厚度及重量計算形狀系數K==1.0000計算厚度h==0.54mm有效厚度eh=nh-C1-C2=6.70mm最小厚度min=3.00mm名義厚度nh=8.00mm結論滿足最小厚度要求重量47.13Kg壓力計算最大允許工作壓力[pw]==1.85150MPa結論合格下封頭校核計算計算單位中航一集團航空動力控制系統研究所計算所依據的標準GB/T150.3-2011計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力pc0.11MPa設計溫度t120.00C內徑Di800.00mm曲面深度hi200.00mm材料Q235-B(板材)設計溫度許用應力t111.00MPa試驗溫度許用應力116.00MPa負偏差C10.30mm腐蝕裕量C21.00mm焊接接頭系數1.00壓力試驗時應力校核壓力試驗類型液壓試驗試驗壓力值pT=1.25p=0.1437(或由用戶輸入)MPa壓力試驗允許通過的應力tT0.90ReL=211.50MPa試驗壓力下封頭的應力T==8.62MPa校核條件TT校核結果合格厚度及重量計算形狀系數K==1.0000計算厚度h==0.40mm有效厚度eh=nh-C1-C2=6.70mm最小厚度min=3.00mm名義厚度nh=8.00mm結論滿足最小厚度要求重量47.13Kg壓力計算最大允許工作壓力[pw]==1.85150MPa結論合格塔設備校核中航一集團航空動力控制系統研究所填料1液壓封頭材料名稱Q235-BQ235-B名義厚度(mm)88腐蝕裕量(mm)11焊接接頭系數11封頭形狀?橢圓形圓筒設計壓力(Mpa)設計溫度(℃)長度(mm)名義厚度(mm)內徑/外徑(mm)材料名稱(即鋼號)0.11120216008800Q235-B10圓筒腐蝕裕量(mm)縱向焊接接頭系數環向焊接接頭系數外壓計算長度(mm)試驗壓力(立)(Mpa)試驗壓力(臥)(Mpa)11100.14370.1437kg/m30mm012345mmmmmm12345mm10700164002210026600mm5000107001640022100kg/m30.0040.0040.0040.00412345kgmmmm1.2N/m2700mm0mm0kg/m30mm0kg/m30mm0mm090I1A低于7度第一組地震影響系數最大值max3.28545e-660.010mm0mm0mm00.01管道力12345Nmm678910Nmm裙座圓筒形mm800對接mm5000Q235-B℃120mm2mm14MPa111裙座與筒體連接段的材料Q235-B裙座與筒體連接段在設計溫度下許用應力MPa111裙座與筒體連接段長度mm1502mm900mm406mm10裙座上較大孔引出管長度mm250Q345MPa1708mm240mm0mm70mm12mm100整塊mm40mm16mm0有mm27mm12mm50mm974mm654mm0注：基礎環厚度不得小于16毫米第二章換熱器設計2.1換熱器的概述換熱器是實現化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備，其噸位約占整個工藝設備的20%~30%。換熱器的類型很多，按工藝功能可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、再沸器、蒸發器和廢熱鍋爐等。依據傳熱原理和實現熱交換的方法，換熱器可分為間壁式、混合式和蓄熱式三類，其中以間壁式換熱器應用最普遍。2.2選型依據《浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數》JB/T4714—92《固定管板式換熱器型式與基本參數》JB/T4715—92《立式熱虹吸式重沸器型式與基本參數》JB/T4716—92《熱交換器》GB151-20142.3選型計算以E0206為例進行換熱器的選型2.3.1設計條件的確定表2-1設計條件表藝參數殼程管程介質AirToCondenser@T302_TO_34質量流量（kg/s）1.896.15進口溫度（℃）2564.3出口溫度（℃）3561.7進口力（bar）10.9出口壓力（bar）0.840.791由表可知該換熱器的殼程工作溫度為25-35℃，管程的工作溫度為61.7-64.3℃，低溫端溫差大于20℃，符合本項目最經濟溫差。這里取殼程設計溫度為40℃，管程設計溫度為70℃。【1】換熱器類型選擇：此換熱器的高溫端和低溫端的溫差都小于70℃，因為固定管板式換熱器具有結構簡單，制造成本低，所以選擇固定管板式換熱器。【2】換熱器走向選擇：ToCondenser@T302_TO_34的工藝物流成分比較多，較臟，容易結垢，且溫度比較高，因此選擇走管程。公用工程空氣組分少，比較干凈，因此選擇走殼程。【3】換熱器材料選擇：根據工藝參數和物性數據可得，管程溫度較高選擇16Mn，殼程的溫度、壓力等條件都比較適中，因此選擇Q345R2.3.2導入EDR進行換熱器的設計EDR數據輸入：將流股信息、允許壓力、污垢系數等數據導入EDR。2.3.3換熱器結構參數的選擇根據EDR初步設計結果，選擇其中較為合理的一組。結合JB/T4715-92規定，對于固定管板式換熱器，常用換熱管內徑有19mm和25mm，根據生產成本以及該換熱器實際換熱需求，選擇換熱管內徑為19mm，管厚2mm。根據初步設計換熱面積大小，殼程直徑選擇