27萬噸/年丙烯睛項目

設備設計說明書

I/—1—

刖5

本團隊依據相關標準及文獻，對“27萬噸/年丙烯睛項目”所涉及的化工設

備進行了設計與選型，其設計計算與選型結果列于本說明書第一章至第十章。

為使本團隊設備設計實用且符合標準，團隊成員本著認真負責嚴謹的態度，

做了大量的資料搜集、設計計算與設備校核工作，同時參考最新標準、規范、數

據資料、公式和圖表。審校人員反復多次校審并對個別章節進一步地完善。

目錄

第一章設備設計總述....................................................1

1.1過程設備類別................................................1

1.2過程設備設計與選型原則......................................1

1.3過程設備設計與選型的主要內容................................2

第二章反應器設計..................................................3

第三章塔設備設計.................................................4

3.1設計依據....................................................4

3.2塔的設計要求................................................4

3.3塔類型的選擇................................................5

3.3.1板式塔及塔板選擇.......................................7

3.3.2填料塔及填料選擇.......................................8

3.4T0503初偏塔的設計.........................................10

3.4.1T0503初儲塔水力學核算.................................11

3.4.2T0503初儲塔塔高設計..................................25

3.4.3T0503初儲塔接管設計..................................27

3.4.4T0503初儲塔機械強度核算..............................28

3.5塔設備設計一覽表...........................................55

第四章換熱器設計.................................................58

4.1設計依據...................................................58

4.2換熱器類型的選擇...........................................58

4.3換熱器選型原則.............................................61

4.3.1換熱介質流程..........................................61

4.3.2換熱介質終點溫差......................................61

4.3.3換熱介質流速..........................................62

4.3.4換熱器管殼層壓降......................................62

4.3.5傳熱膜系數............................................63

4.3.6污垢系數..............................................63

4.4管殼式換熱器E0707選型.....................................63

4.4.1換熱流體數據..........................................64

4.4.2類型選擇..............................................64

4.4.3E0707換熱器結構數據..................................65

4.4.4E0707校核結果........................................65

4.4.5E0707換熱器校核示意圖................................67

4.4.6E0707技術特性表......................................68

4.4.7E0707機械校核........................................68

4.5板式換熱器E0501選型.......................................87

4.5.1板式換熱器的結構......................................87

4.5.2換熱流體數據..........................................88

4.5.3類型選擇..............................................88

4.5.4E0501換熱器結構數據..................................90

4.5.5E0501校核結果........................................92

4.4.6E0501換熱器校核示意圖................................93

4.4.6E0501板式、管殼式換熱器性能對比......................93

4.6換熱器結構形式優化.........................................94

4.7換熱器設計一覽表...........................................96

第五章容器選型..................................................105

5.1儲罐、回流罐..............................................105

5.1.1概述..................................................105

5.1.2設計原則.............................................105

5.1.3分類.................................................105

5.1.4材料的選擇...........................................106

5.1.5儲罐容積的選擇.......................................106

5.1.6設計實例.............................................107

5.1.7儲罐、回流罐設計一覽表...............................108

5.2氣液分離器................................................109

5.2.1概述.................................................109

5.2.2設計步驟.............................................109

5.2.3設計實例..............................................111

5.2.4氣液分相器一覽表.....................................113

5.3液液分相器.................................................114

5.3.1概述..................................................114

5.3.2設計步驟.............................................114

5.3.3設計實例.............................................115

5.3.4液液分相器一覽表.....................................116

第六章泵設備選型.................................................117

6.1泵的選型原則...............................................117

6.2泵的選型依據..............................................117

6.3設計實例..................................................118

6.3.1設計目標..............................................118

6.3.2設計過程.............................................118

6.3.3泵選型一覽表.........................................121

6.4真空泵的選型..............................................124

6.4.1真空泵選型一覽表......................................124

第七章加熱爐....................................................125

7.1設計實例...................................................125

7.2加熱爐選型一覽表..........................................128

第八章蒸發器....................................................129

8.1概述......................................................129

8.1.1循環式換熱器.........................................129

8.1.2單程型換熱器.........................................130

8.1.3直接接觸傳熱的蒸發器.................................131

8.2蒸發器選型原則............................................131

8.2.1選型應考慮的有關因素.................................131

8.2.2選型的定性準則.......................................132

8.3設計實例..................................................133

8.3.1原料物性..............................................133

8.3.2蒸發器操作條件.......................................133

8.3.3蒸發器選型設計.......................................133

8.4蒸發器選型一覽表...........................................134

第九章吸附塔設備設計............................................135

9.1干燥塔設計................................................135

9.1.1吸附材料的選擇一分子篩................................135

9.1.2吸附設備尺寸的確定...................................135

9.1.3吸附器內吸附劑裝填...................................136

9.1.4吸附器高度的確定.....................................136

9.2氫氣變壓吸附塔設計........................................136

9.2.1吸附材料的選擇一一分子篩..............................136

9.2.2吸附設備尺寸的確定...................................137

9.2.3吸附器內吸附劑裝填...................................138

9.2.4吸附器高度的確定.....................................139

9.2.5吸附器細節設置.......................................139

9.2.6吸附器選型一覽表.....................................139

第十章壓縮機選型設計............................................140

10.1壓縮機設備概述............................................140

10.2選型原則.................................................140

10.3壓縮機設計計算舉例.......................................140

10.4壓縮機選型一覽表.........................................142

10.5鼓風機選型一覽表.........................................142

27萬噸/年丙烯睛項目?設備設計說明書

第一章設備設計總述

化工設備的工藝設計與選型是在物料衡算和熱量衡算的基礎上進行的，其目

的是決定工藝設備的類型、規格、主要尺寸和數量，為車間布置設計、施工圖設

計及非工藝設計項目提供足夠的設計數據。過程設備最基本的要求是滿足安全性

與經濟性，安全是核心，在充分保證安全的前提下盡可能做到經濟。過程設備的

基本要求是能滿足工藝要求。對于工藝上所要求的溫度、壓力、液位、流量等都

需要過程設備來實現。在滿足工藝要求的同時,過程設備也必保證有足夠的強度,

不會在操作過程中遭到破壞。

1.1過程設備類別

化工設備從總體上分為兩類，一類稱定型設備或標準設備，這是由一些加工

廠成批成系列生產的設備，通俗地說，就是可以買到的現成的設備，如泵、反應

釜、換熱器、大型儲罐等；另一類稱非定型設備或非標準設備，是指規格和材料

都是不定型的、需要專門設計的特殊設備，如小的儲罐、塔器、反應器等。

1.2過程設備設計與選型原則

在滿足工藝要求的前提下，為了確保安全與經濟，過程設備應滿足以下基本

要求，其中包括合理性、可靠性和先進性、安全性、經濟性。合理性即設備必須

滿足工藝需求，與工藝流程、生產規模、工藝條件及工藝控制水平相適應，在設

備的許可范圍內，能夠最大限度地保證工藝的合理和優化并運轉可靠。可靠性和

先進性即工藝設備的型式、牌號多種多樣，實現某一化工單元過程，可能有多種

設備，要求設備運行可靠。在可靠的基礎上考慮先進性，便于連續化和自動化生

產，轉化率、收率、效率要盡可能達到高的先進水平，在運轉的過程中，波動范

圍小，保證運行質量可靠，操作上方便易行，有一定的彈性，維修容易，備件易

于加工等。安全性即設備的選型和工藝設計要求安全可靠、操作穩定、無事故隱

患，對工藝和建筑、地基、廠房等無苛刻要求，工人在操作時勞動強度小，盡量

避免高溫高壓高空作業，盡量不用有毒有害的設備附件、附材，創造良好的工作

環境和無污染。經濟性即設備的選擇力求做到技術上先進，經濟上合理。

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1.3過程設備設計與選型的主要內容

（1）確定單元操作所用設備的類型。這項工作應與工藝流程設計結合起來

進行。

（2）確定設備的材質。根據工藝操作條件（溫度、壓力、介質的性質）和

對設備的工藝要求確定符合要求的設備材質。這項工作應與設備設計專業人員共

同完成。

（3）確定設備的設計參數。設備的設計參數是由工藝流程設計、物料衡算、

熱量衡算、設備的工藝計算多項工作得到的。對不同的設備，它們有不同的設計

參數。對塔設備，需要確定進出口物料的流量、組成、溫度、壓力、塔徑與塔的

材質、填料類型與填料高度或塔板類型與塔板數等，對于精儲塔還要確定塔頂冷

凝器和塔底再沸器的熱負荷、換熱流體的種類等;對換熱器，則需要知道熱負荷、

換熱面積、冷熱流體的種類及流量。

（4）確定定型設備（即標準設備）的型號或牌號以及數量。定型設備是一

些加工廠成批、成系列生產的設備，即那些可以直接向生產廠家訂貨或購買的現

成設備。對已有標準圖紙的設備，確定標準圖的圖號和型號。隨著中國化工設備

標準化的推進，有些本來用于非標設備的化工裝置，已逐步走向系列化、定型化。

這些設備包括換熱器系列、容器系列、搪玻璃設備系列以及圓泡罩、F1型浮閥

和浮閥塔塔盤系列等，它們已經有了國家標準。

（5）對非標設備，向化工設備專業設計人員提出設計條件和設備草圖，明

確設備的型式、材質、基本設計參數、管口、維修安裝要求、支承要求及其他要

求（如防爆口、人孔、手孔、卸料口、液面計接口等）。

（6）編制工藝設備一覽表。在初步設計階段，根據設備工藝設計的結果，

編制工藝設備一覽表，可按非定型工藝設備和定型工藝設備兩類編制。初步設計

階段的工藝設備一覽表作為設計說明書的組成部分提供給有關部門進行設計審

查。

TORCH2

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第二章反應器設計

化學反應是反應過程的主體，而反應裝置是實現這種反應的客觀環境。化學

反應過程和反應器作為化工生產流程中的中心環節，反應器的設計往往占有重要

的地位。而在工業中，運用最廣泛的有固定床、流化床和移動床反應器。

本項目主要涉及到三種反應，分別為丙烷脫氫反應、氫氣選擇性氧化反應以

及丙烯氨氧化反應。對于丙烷脫氫反應來說，由于反應吸熱而且工藝條件比較苛

刻，所以我們選用了移動床反應器使催化劑在里面循環移動并且一邊反應一邊再

生使之保持比較高的活性；從移動床反應器出來的物料由于反應溫度下降，所以

本項目組利用氫氣選擇性氧化放出的熱量給物料升溫，本項目組設計了列管式固

定反應器進行反應；最后反應生成的丙烯再經過流化床反應器，通過丙烯氨氧化

過程生產丙烯庸產品。

反應器的具體設計見《反應器設計說明書》。

TORCHS

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第三章塔設備設計

塔設備是化工、石油化工和煉油等生產中最重要的設備之一。它可使氣（或

汽）液或液液兩相進行緊密接觸，達到相際傳質及傳熱的目的。可在塔設備中完

成的常見操作有：精儲、吸收、解吸和萃取等。在化工廠、石油化工廠、煉油廠

等中，塔設備的性能對于整個裝置的產品產量、質量、生產能力和消耗定額，以

及三廢處理和環境保護等各個方面，都有重大的影響。因此，塔設備的設計和研

究，受到化工煉油等行業的極大重視。

本項目為27萬噸/年丙烯睛項目，該項目所涉及的塔設備共12座，其中板

式塔7座，填料塔4座，復合塔1座。本項目借助AspenPlusV8.4軟件得到塔

設備水力學數據，并利用中國石油大學（華東）自主研發的CupTower軟件對

板式塔進行水力學校核，使用SULZER公司研發的Sulpak軟件對填料塔進行水

力學校核，使用全國化工設備設計中心站研發的SW6軟件對塔設備進行機械強

度校核。

3.1設計依據

《化工設備設計全書一一塔設備》

《壓力容器》GB150-2011

《設備及管道絕熱設計導則》GB/T8175-2008

《壓力容器封頭》GB/T25198-2010

《中國地震動參數區劃分》GB18306-2001

《塔器設計技術規定》HG20652-1998

《鋼制化工容器結構設計規定》HG/T20583-2011

《工藝系統工程設計技術規范》HG/T20570-1995

《塔頂吊柱》HG/T21639-2005

《鋼制人孔和手孔的類型與技術條件》HG/T21514-2005

《鋼制塔器容器》JB/T4710-2005

3.2塔的設計要求

（1）生產能力大。在較大的氣液流速下,仍不致發生大量的霧沫夾帶、攔

液或液泛等破壞正常操作的現象。

TORCH4

27萬噸/年丙烯睛項目?設備設計說明書

（2）操作穩定、彈性大。當塔設備的氣液負荷量有較大的波動時，仍能在

較高的傳質效率下進行穩定的操作。并且塔設備應能保證長期連續操作。

（3）流體流動的阻力小，即流體通過塔設備的壓力降小。這將大大節省生

產中的動力消耗，以降低經常操作費用。對于減壓蒸儲操作，較大的壓力降還將

使系統無法維持必要的真空度。

（4）結構簡單、材料耗用量小、制造和安裝容易。這可以減少基建過程中

的投資費用。

（5）耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調節和檢修。

3.3塔類型的選擇

塔主要有板式塔和填料塔兩種，它們都可以用作蒸儲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。

（1）板式塔，塔內裝有一定數量的塔盤，是氣液接觸和傳質的基本構件；屬逐

級（板）接觸的氣液傳質設備；氣體自塔底向上以鼓泡或噴射的形式穿過塔板上

的液層，使氣液相密切接觸而進行傳質與傳熱；兩相的組分濃度呈階梯式變化。

（2）填料塔，塔內裝有一定高度的填料，是氣液接觸和傳質的基本構件；屬微

分接觸型氣液傳質設備；液體在填料表面呈膜狀自上而下流動；氣體呈連續相自

下而上與液體作逆流流動，并進行氣液兩相的傳質和傳熱；兩相的組分濃度或溫

度沿塔高連續變化。

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。對于真空精得和常壓精得，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。而對于加壓精鐳，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。氣膜控制的吸收優先考慮選用高效規整填料塔；液膜控制的吸收往往

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。

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表3-1板式塔與填料塔的對比

序號板式塔填料塔

①800mm以下，造價一般比板式塔低，直

1（D600mm以下時，安裝較困難

徑大則造價高

2效率較穩定，大塔效率比小塔高用小填料時，小塔的效率高，

3空塔速度高空塔速度（生產能力）低

4檢修清理比填料塔容易大塔檢修費用大，勞動量大

5壓降比填料塔大壓降小，對阻力要求小的場合較適用

6氣液比的適應范圍大對液相噴淋量有一定的要求

7多數不便于非金屬材料制作內部結構簡單，便于非金屬材料制作

8持液量大持液量小

本項目組根據實際裝置特點，根據塔內液體滯液量較大，操作負荷變化范圍

較寬，對進料濃度變化要求敏感程度進行選擇，板式塔有液流通道較大的塔板,

堵塞的危險較小；我們在設備選擇過程中優先考慮采用板式塔，控制設備投資成

本和操作成本，既有較高的操作彈性，同時操作維修也較為方便，但是對于吸收

和解吸塔，及氣液相負荷較小的塔，選用填料塔。選擇結果如表3-2所示：

表3-2塔設備型式

設備位號設備名稱選擇類型

T0203深冷分離塔板式塔

T0301丙烷丙烯精鐲塔板式塔

T0501急冷塔板式塔

T0502水洗塔填料塔

T0503初儲塔復合塔

T0504分水塔板式塔

T0505氫氟酸精儲塔板式塔

T0701萃取精微塔板式塔

T0702丙烯盾分離塔板式塔

T0703水分離塔填料塔

T0801常壓精儲塔填料塔

T0802高壓精儲塔填料塔

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3.3.1板式塔及塔板選擇

板式塔是在塔內有多層塔板，傳熱傳質過程基本上在每層塔板上進行，塔板

的形狀、塔板結構或塔板上氣液兩相的表現，就成了命名這些他的依據，諸如篩

板塔、舌形板塔、斜孔板塔、波紋形板塔、泡罩塔、浮閥塔、噴射板塔、波紋傳

流塔、浮動噴射塔。下面簡單介紹一下幾種常見的板式塔性能。

表3-3各類塔板性能比較

條s溢導圓條穿穿波異條舌文

內

序泡形形流向形形柵流流紋孔孔形丘

號罩泡泡篩篩浮浮板篩笆篩徑狀塔里

容

罩罩板板閥閥板排板篩班板板

I高氣、液相流量CBDEEEEEEEEEEEF

2低氣、液相流量DDDCDFFCDCDDEDB

3操作彈性大EBEDFEFBBBCDEDD

4阻力降小AAADCDCEDEDDECE

5霧沫夾帶量小BBCDDDEEEEEEEEF

6板上滯液量小AAADEDDEDECDEFF

7板間距小DCDEFEFFFEEFFEE

8效率高EDEEFFEEEDEEEDE

9塔單位體積生產能力大CBEEEEEEEEEEEEF

10氣、液相流量的可變性DCEDEFFBBACCDDD

11價格低廉CBDEDEDDFCDEEEE

12金屬消耗量少CCDEDEFFFCEFEFF

13易于裝卸BBDECBFFFCDFFEE

14易于檢查清洗和維修CBDDCDFFEEEEDDD

有固體沉積時用液體進

15BAABABEEDFEEECC

行清洗的可能性

16開工和停工方便EEECDECCDCDDDDD

17加熱和冷卻的可能性BBBDACDDDFDCCAA

18用于腐蝕介質的可能性BBCDCCEEEDCDDCC

其中A表示不合適；B表示尚可；C表示合適；D表示較滿意；E表示很好;

F表示最好。

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本項目選用中國石油大學（華東）設計的SFV浮閥，SFV全通導向浮閥塔

板技術的核心是其鼓泡元件一一SFV全通導向浮閥，如圖3-1所示。SFV全通

導向浮閥的主要特點是其閥面為矩形并開有微型固定閥，前閥腿開有導向孔，導

向孔的上端設有側條。它將導向浮閥和微分浮閥的優點集于一身：閥面上的微型

固定閥充分利用浮閥上方的空間，使氣體分散更加細密均勻，氣液接觸更加充分,

從而提高傳質效率；前閥腿上開的導向孔及矩形閥體可發揮氣流推液作用，將動

量傳遞給水平流動的液體，減小塔板上的液面梯度，減少塔板上液相返混，且可

消除塔板上液體滯留區；導向孔上端側條可有效地減少漏液；另外，氣體從閥體

SFV全通導向浮閥較普通F1浮閥塔板，SFV導向浮閥的性能特點：

（1）分離效率較F1浮閥塔盤提高5%?10%；

（2）處理能力比F1浮閥塔盤高5%；

（3）壓降較F1浮閥塔盤減少10%；

（4）操作彈性增加10%?20%。

3.3.2填料塔及填料選擇

填料塔是一個圓筒塔體，塔內裝載一層或多層填料，氣相由下而上、液相由

上而下接觸，傳熱和傳質主要在填料表面上進行，因此，填料的選擇是填料塔的

關鍵。

填料的種類很多，許多研究者還在不斷地試圖改進填料，填料塔的命名也以

填料名稱為依據，如金屬鮑爾環塔、波網填料塔。常用的填料還有拉西環填料、

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鮑爾環填料、矩鞍形填料、階梯形填料、波紋填料、波網（絲網）填料、螺旋環

填料、十字環填料等。

填料塔制造方便，結構簡單，便于采用耐腐蝕材料，特別適用于塔徑較小的

情況，使用金屬材料省，一次投資較少，塔高相對較低。

表3-4常用填料的分類與名稱

填料類型填料名稱

拉西環形拉西環，環，十字環，內螺旋環

環形

開孔環形鮑爾環，改進型鮑爾環，階梯環

散裝填料鞍形弧鞍形，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

垂直波紋型網波紋型，板波紋型

波紋型

水平波紋型Spraypak,Panapak

規整填料珊格形GlitschGrid

非波紋型板片形壓延金屬板，多孔金屬板

繞圈形古德洛形，Hyperfil

本項目選用蘇爾壽公司生產的Mellapak的板波紋填料，其結構特征是：板

波填料的波紋片上有若干壓延小孔，孔刺向外突出,能起毛細管的作用，有利于填

料的濕潤與液體的均布。波紋片上打有若干的小孔起壓力均衡作用，有利于汽液

的均勻分布。它與網波填料相比，造價低，具有較強的抗污能力，與散堆填料相

比，有更好的操作性能。MELLAPAK系列填料的技術數據如表3-5所示：

表3-5MELLAPAK系列技術數據

Mellapak250.X250.Y170.X170.Y

Specificsurfacearea250m2/m3250m2/m3170m2/m3170m2/m3

Elementheight(approx)500mm400mm500mm800mm

Surfacestructuresmooth

Materialthickness0.5to2mm

MaterialCeramic,plastic,stainlesssteel

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本項目使用中的填料塔，我們使用性能更為優異的MELLAPAK系列M250.Y

填料，填料實物圖如圖3-2所示:

圖3-2MELLAPAK系列填料實物圖

本項目使用中的MELLAPAK系列M250.Y填料，填料性能如圖3-3所示:

MeBapak250.YMellapak250/

960----------------------960-

400—400

100----------------------100—

50—50———

parameter=headpressurep/mbar

圖3-3MELLAPAK系列性能圖

3.4T0503初儲塔的設計

表3-6使用軟件列表

名稱用途來源

AspenPlusV8.4分離性能設計AspenTech公司

CUP-Tower板式塔流體力學設計中國石油大學（華東）

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Sulpak填料塔流體力學設計SULZER公司

SW6-2011強度校核全國化工設備設計中心站

3.4.1T0503初福塔水力學核算

3.4.1.1初t留塔frayingSizing計算

在AspenPlus的SizingandRating中選擇TrayingSizing進行塔設計得到表

3-7、3-8的設計結果。

表3-7T0503TrayingSizingResult

Sectionstartingstage:2

Sectionendingstage:24

Columndiameter:2.2meter

Downcomerarea/Columnarea0.17

Sidedowncomervelocity0.12m/sec

Flowpathlength1.20meter

Sidedowncomerwidth0.50meter

Sideweirlength1.85meter

表3-8T0301TrayingSizingProfile

StageDiameterTotalareaActiveareaperpanelSidedowncomerarea

metersqmsqmsqm

2.000.720.410.330.04

3.000.720.410.320.04

4.000.720.400.320.04

5.000.720.400.320.04

6.000.720.400.320.04

7.000.720.410.330.04

8.002.043.262.080.59

9.002.193.772.470.65

10.002.203.792.490.65

11.002.193.782.480.65

12.002.193.782.480.65

TORCH11

27萬噸/年丙烯睛項目?設備設計說明書

13.002.193.782.480.65

14.002.193.782.480.65

15.002.193.782.480.65

16.002.193.782.480.65

17.002.193.782.480.65

18.002.193.782.480.65

19.002.193.782.480.65

20.002.193.782.480.65

21.002.193.782.480.65

22.002.193.782.480.65

23.002.193.782.480.65

24.002.203.812.500.65

根據AspenPlus的TrayingSizing塔設計結果，初儲塔T0503精微段和提鐳

段氣液相負荷太大，需分別進行設計校核，T0503采用變徑復合塔，精譙段使用

MELLAPAK系列M250.Y填料，使用SULZER公司研發的Sulpak軟件對填料段

進行水力學校核，提儲段使用中國石油大學（華東）設計的SFV全通導向浮閥

塔板，使用中國石油大學（華東）自主研發的CupTower軟件對提儲段進行水

力學校核。

3.4.1.2初儲塔提儲段TrayingRating核算

將結果代入TrayingRating中去，輸入塔徑與塔板間距、降液管底隙高度進

行初儲塔T0503提儲段的核算，得到結果如表3-9,3-10,3-11所示:

表3-9T0301TrayingRatingResult

Sectionstartingstage:8

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