ShaanGu

MUDA惇

“東華科技一陜鼓杯”

全國大學生化工設計競賽

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外長：沈鑫

以用：趙云感

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楊名硯

遼令石油把2丈學宗美噲

是尋蕤師：封瑞日

目錄

第一章總論......................................................-1-

1.1設計依據.................................................-1-

1.2化工中常見的設備.........................................-2-

1.3全廠設備概況.............................................-2-

第二章塔設備選型及設計..........................................-3-

2.1塔設備選型設計依據.......................................-3-

2.2塔設備選型...............................................-3-

2.2.1塔設備簡介.........................................-3-

2.2.2塔型選擇原則.......................................-5-

2.1.3塔設備設計方法.....................................-7-

2.1.3.1使用軟件列表..................................-7-

板式塔...............................................-8-

Cup-tower的使用.....................................-11-

填料塔..............................................-15-

填料塔水力學數據表..................................-15-

Sulpak軟件的使用....................................-18-

液體再分布器的選型..................................-20-

2.3塔體SW6強度校核....................................-22-

板式塔設備校核......................................-23-

內件及偏心載荷................................-24-

風載及地震載荷................................-28-

計算結果.........................................-31-

對接接頭校核...................................-32-

上封頭校核計算......................................-34-

下封頭校核計算......................................-36-

內壓圓筒校核........................................-37-

-1-

開孔補強計算.......................................-39-

填料塔設備校核.....................................-42-

內件及偏心載荷...............................-43-

風載及地震載荷...............................-44-

計算結果........................................-46-

對接接頭校核..................................-48-

上封頭校核計算.....................................-49-

下封頭校核計算.....................................-51-

內壓圓簡校核.......................................-52-

開孔補強計算.......................................-53-

第三章反應器設計..............................................-58-

3.1反應器設計思路.........................................-58-

3.2催化劑選擇.............................................-58-

3.2.1反應機理..........................................-58-

3.2.2當前主要催化劑體系介紹............................-59-

3.2.2.1多組合復合金屬鋸酸鹽催化劑...................-59-

3.2.2.2多組分鋅酸鹽催化劑...........................-59-

3.2.23我國的丙烯腌催化劑研究情況..................-60-

3.2.3反應器模擬模型驗證................................-61-

3.23.1軸向返混模型建立.............................-61-

3.2.4優化模擬年產20萬噸丙烯脂反應器參數...............-66-

3.2.4.1反應溫度的選擇..............................-66-

3.2.4.2反應壓力的選擇..............................-66-

3.2.43氨比（氨與丙烯摩爾比）對收率的影響.............-67-

3.2.5反應器及進料參數確定..............................-67-

3.2.6空比和催化劑負載量的二維尋優......................-68-

3.2.7反應器優化模擬小結................................-68-

3.3反應器類型選擇..........................................-69-

-2-

流化床......................................................-69-

3.3.1流化床概述.........................................-G9-

332本廠反應器選擇.....................................-70-

333反應器尺寸計算.....................................-71-

3.33.1反應器直徑的確定..............................-71-

33.3.2反應器床層高度計算...........................-71-

3.333分布板設計....................................-73-

33.3.4旋風分離器設計...............................-74-

33.3.5撤熱管設計.......................................-75-

3.853撤熱管參數設計................................-78-

334反應器設計小結.....................................-78-

3.4反應器SW6強度校核......................................-80-

反應器校核..........................................-80-

裙座...............................................-83-

風載及地震載荷......................................-84-

對接接頭校核........................................-89-

上封頭校核計算......................................-91-

下封頭校核計算......................................-93-

第1段簡體校核......................................-94-

第2段筒體校核......................................-95-

開孔補強計算........................................-97-

移動床.....................................................-100-

第一移動床反應器結構計算：.............................-100-

反應動力學計算：.......................................-101-

反應器體積計算.........................................-102-

反應器殼體壁厚設計.....................................-104-

裙座封頭設計...........................................-104-

SW6強度校核...............................................-105-

-3-

立式攪拌容器校核...................................-105-

內筒體內壓計算.....................................-10G-

內筒體外壓計算.....................................-108-

內筒下封頭內壓計算.................................-109-

夾套圓筒體計算.....................................-111-

夾套封頭計算.......................................-112-

開孔補強計算.......................................-114-

窄面整體法蘭計算...................................-118-

螺栓間距校核.............................-120-

第四章換熱器設計..............................................-122-

4.1換熱器概述.............................................-122-

4.2選型依據...............................................-122-

4.3換熱器的選型說明.......................................-123-

4.4換熱器的選型計算.......................................-127-

4.5EDR選型...............................................-135-

4.6換熱器SW6強度校核.....................................-137-

前端管箱筒體計算...................................-138-

前端管箱封頭計算...................................-139-

后端管箱封頭計算...................................-142-

殼程圓筒計算.......................................-143-

開孔補強計算.......................................-144-

不帶法蘭固定式管板計算?...........................-151-

換熱管內壓計算.....................................-159-

換熱管外壓計算.....................................-160-

管箱法蘭計算.......................................-162-

簡體法蘭計算.......................................-164-

第五章泵選型設計..............................................-168-

5.1選型依據...............................................-168-

-4-

5.2工業用泵的分類和適用范圍..............................-168-

5.3化工裝置對泵的要求....................................-1G9-

5.4泵的選型原則..........................................-170-

5.5工業常用泵情況介紹....................................-171-

5.6泵選型過程............................................-173-

第六章儲罐選型設計...........................................-176-

6.1總述..................................................-176-

6.1.1選型依據.........................................-176-

6.1.2選型簡述.........................................-176-

6.1.3選型原則.........................................-176-

6.2儲罐設計..............................................-178-

6.2.1儲罐設計的一般程序...............................-178-

6.2.2罐區基本情況.....................................-178-

6.2.3罐區防護要求.....................................-179-

6.2.4儲罐SW6校核....................................-180-

鋼制球形儲罐......................................-180-

開孔補強計算......................................-189-

第七章氣液分離器設計.........................................-193-

7.1設計依據..............................................-193-

7.2設計目標..............................................-193-

7.3氣液分離器類型........................................-193-

7.4設計過程..............................................-194-

7.5氣液分離器SW6強度校核................................-197-

立式容器校核......................................-197-

內筒體內壓計算....................................-198-

內簡上封頭內壓計算................................-200-

內簡下封頭內壓計算................................-201-

開孔補強計算......................................-202-

-5-

第8章壓縮機選型設計.........................................-208-

8.1概述..................................................-208-

8.2選型原則...............................................-208-

8.3壓縮機設計計算舉例....................................-208-

第九章設備設計選型匯總........................................-210-

塔器選型匯總表.............................................-210-

反應器選型匯總表...........................................-211-

換熱器選型匯總表...........................................-212-

泵選型匯總表...............................................-213-

儲罐選型匯總表.............................................-214-

氣液分離器選型匯總表.......................................-215-

壓縮機選型匯總表...........................................-215-

-6-

第一章總論

1.1設計依據

《固定式壓力容器》GB150-2011

《設備及管道保溫設計導則》GB8175-1987

《壓力容器封頭》GB/T25198-2010

《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

《不銹鋼人、手孔》HG21594-21604

《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

《鋼制球形儲罐型式與基本參數》GB/T17261-1998

《石油化工儲運系統罐區設計規范》SH/T3007-2007

《鋼制立式圓筒形固定頂儲罐系列》HG21502.1-1992

《鋼制臥式橢圓封頭儲罐系列》HG21504.1-1992

《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

《管殼式換熱器》GB151-1999

《化工設備設計全書-球罐和大型儲罐》

《化工設備設計全書一一塔設備》

《工業泵選用手冊》

《化工機械手冊：流體輸送機械》

-1-

1.2化工中常見的設備

（1）反應器

化學反應過程是化工生產流程中的中心環節，產品的附加價值主要是在反應

單元。因此反應器的設計往往會占有很重要的地位。雖然反應單元的設備投資往

往只占總設備投資的很小一部分，但卻是化工生產流程中的中心環節。

（2）塔設備

塔設備是化工及石油化工生產中最重要的單元設備之一。化工生產過程概括

的講是由動量傳遞、質量傳遞、熱量傳遞等過程組成。塔設備則是通過其內部設

備結構使氣液兩相或液液兩相之間充分接觸，進行質量傳遞和熱量傳遞。通過塔

設備完成的單元操作有精僮、吸收、解析、萃取、洗滌、冷卻及氣體增濕等。

（3）換熱器

換熱器是用F物料之間進行熱量傳遞的過程設備。通過這種設備使物料能打

到指定的溫度以滿足工藝的要求。在目前大型化工及石油化二裝置中，采用各種

換熱器的組合，就能充分合理地利用各種等級的能量，產品的單位的單位能耗降

低，從而降低產品成本，以獲得更好的經濟效益。

（4）泵設備

離心泵是常用的液體輸送設備，廣泛應用于石化，化工，輕工等工業部門以

及需要輸送液體的其他部門。流體輸送在生產過程中必不可〃，因此離心泵是這

些行業持續穩定生產必不可少的設備之一。

1.3全廠設備概況

全廠主要設備包括反應器5臺（包括一臺流化床反應器和4臺串聯的移動床

反應器），塔設備12臺，儲灌16個，泵設備58臺，換熱器47臺，壓縮機27

臺，氣液分離器10臺，共計175臺設備。

在此，對脫丁烷塔，流化床反應器，丙烯儲罐，脫乙烷塔進料泵，水吸收塔

預熱換熱器和四效蒸發第一個氣液分離器進行詳細的計算，編制了計算說明書，

并對全廠其它所有設備進行了選型，詳見設備計算說明書。

-2-

第二章塔設備選型及設計

2.1塔設備選型設計依據

《化工設備設計全書一一塔設備》

《固定式壓力容器》GB150-2011

《設備及管道保溫設計導則》GB8175-1987

《壓力容器封頭》GB/T25198-2010

《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

《不銹鋼人、手孔》HG21594-21604

《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

2.2塔設備選型

2.2.1塔設備簡介

可以從不同的角度對塔設備進行分類。例如：按操作壓力分為加壓塔、常壓

塔和減壓塔；按單元操作分為精脩塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應塔和干燥

塔；按形成相際接觸界面的方式分為具有固定相界面的塔和流動過程中形成相界

面的塔；也有按塔釜形式分類的，但是長期以來最常用的分類是按塔的內件結構

分為板式塔和填料塔。

填料塔以填料作為氣液接觸元件，氣液兩相在填料層中逆向連續接觸。它具

-3-

有結構簡單、壓力降小、易于用耐腐蝕非金屬材料制造等優點，對于氣體吸收、

真空蒸僧以及處理腐蝕性流體的操作，頗為適用。當塔徑增大時，引起氣液分布

不均、接觸不良等，造成效率下降，即稱為放大效應。同時，填料塔還有重量大、

造價高、清理維修麻煩、填料損耗大等缺點，以致使填料塔在很長時期以來不及

板式塔使用廣泛。但是隨著新型高效填料的出現，流體分布技術的改進，填料塔

的效率有所提高，放大效應也在逐步得以解決。

板式塔是分級式接觸型氣液傳質設備，種類繁多。根據目前國內外實際使用的情

況，主要的塔型是泡罩塔、篩板塔、浮閥塔、舌形塔、浮動噴射塔、等等

表2-1各種板式塔的優缺點及用途

塔盤型式結構優點缺點主要應用范圍

費用高板間距

彈性好無泄用于具有特定

泡圓形泡罩復雜大壓力降比較

漏要求的場合

罩大

塔簡化了泡罩費用高板間艷

S型泡罩塔用于具有特定

稍簡單的型式，因此大壓力降比較

板要求的場合

性能相似大

條形浮閥簡單操作彈性較

浮適用于加壓及

有簡單的和好；塔板效率沒有特別的缺

閥重盤式浮閥常壓下的氣液

稍復雜的較高；處理能點

地冶傳質過程

T型浮閥簡單力較大

正常負荷下

篩板的效率高；費穩定操作范圍

簡單

穿（溢流式）用最低；壓力窄；要么擴大適于處理量變

流降小孔徑，否則易動少且不析出

型比篩板壓力堵物料；容易固體物的系統

波紋篩板簡單降稍高，但具發生液體泄漏

有同樣的優

-4-

點；氣液分布

好

處理能力大；

柵板簡單壓力降小；費適用于粗蒸儲

用便宜

*2-2各種塔盤的比較

塔盤型式蒸汽量液量效率操作彈性壓力降價格可靠性

泡罩良優良超差良優

篩板優優優良優超良

浮閥優優優優良優優

穿流式優超差差優超可

結論：浮閥塔盤在蒸汽負荷、操作彈性、效率和價格等方面都比泡罩塔盤優越

篩板塔盤造價低、壓力降小，除操作彈性較差外，其他性能接近于浮閥塔盤

2.2.2塔型選擇原則

塔型的合理選擇是做好塔設備設計的首要環節。選擇時考慮的因素有：物

料性質、操作條件、塔設備性能，以及塔設備的制造、安裝、運轉和維修等。

(一)與物性有關的因素

(1)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。

(2)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。

(3)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。如可采用裝填規整填料的散堆填料等，當要

求真空度較低時，也可用篩板塔和浮閥塔。

(4)黏性較大的物系，可以選用大尺寸填料，板式塔的傳質效率較差。

(5)含有懸浮物的物料，應選擇液流通道較大的塔型，以板式塔為宜。

可選用泡罩塔、浮閥塔、柵板塔、舌形塔和孔徑較大的篩板塔等。

不宜使用填料。

-5-

(6)操作過程中有熱效應的系統，用板式塔為宜。因塔板上積有液層，

可在其中安放換熱管，進行有效的加熱或冷卻。

(二)與操作條件有關的因素

(1)若氣相傳質阻力大(即氣相控制系統。如低黏度液體的蒸偏，空氣

增濕等)，宜采用填料塔，因填料層中氣相呈湍流，液相為膜狀流。

反之，受液相控制的系統(如水洗C02),宜采用板式塔，因為板

式塔中液相呈湍流，用氣相在液層中鼓泡。

(2)大的液體負荷，可選用填料塔，若用板式塔時，宜選用氣液并流的

塔型或選用板上液流阻力較小的塔型。導向篩板塔盤和多降液管篩

板塔盤都能承受較大的液體負荷。

(3)低的液體負荷，一般不宜采用填料塔。因為填料塔要求一定量的噴

淋密度，但網體填料能用于低液體負荷的場合。

(4)液氣比波動的適應性，板式塔優于填料塔，故當液氣比波動較大時

宜用板式塔。

(三)其他因素

(1)對于多數情況，塔徑小于800mm時，不宜采用板式塔，宜用填料塔。

對于大塔徑，對加壓或常壓操作過程，應優先選用板式塔；對減壓

操作過程，宜采月新型填料。

(2)一般填料塔比板式塔重。

(3)大塔以板式塔造價較廉。因填料價格約與塔體的容積成正比，板式

塔按單位面積計算的價格，隨塔徑增大而減小。

表2?3塔型選用順序表

考慮因素選擇順序

800mm一下，填料塔

塔徑

大塔徑，板式塔

(1)填料塔

(2)穿流式塔

具有腐蝕性的物料

(3)篩板塔

(4)噴射型塔

(1)大孔徑篩板塔

(2)穿流式塔

污濁液體(3)噴射型塔

(4)浮閥塔

(5)泡罩塔

⑴浮閥塔

操作彈性(2)泡罩塔

(3)篩板塔

(1)填料塔

真空操作

(2)導向篩板

-6-

(3)網孔塔板

(4)篩板

(5)浮閥塔板

(1)多降液管篩板塔

(2)填料塔

大液氣比(3)噴射型塔

(4)浮閥塔

(5)篩板塔

(1)穿流式塔

存在兩液相的場合

(2)填料塔

塔器選型分析及結果

本次流程總共需要選型設計12個塔，選取脫丁烷塔作為計算示例進行

設計：

(一)與物性有關的特性：

主要含有大量碳四混合物和部分碳五直鏈烷燒，粘度相對較大；

(二)與操作條件有關的特哇：

氣液負荷較大；

(三)其他特性：

塔徑很大，初步估算5000mm以上；

2.1.3塔設備設計方法

2.1.3.1使用軟件列表

表2?4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流體力學設計中國石油大學(華東)

Sulpak流體力學設計蘇爾壽化工有限公司

SW6-1998塔體強度結構設計全國化工設備設計技術中心站

AutoCAD2007精^塔平面布置圖繪制Autodesk公司

-7-

塔設備選擇

塔設備選型設計需要對本次廠區使用的12個塔進行選型設計，并且選擇板

式塔T0102脫丁烷塔和填料塔T0402萃取塔進行詳細設計。

板式塔

流體力學數據

當精餛塔的精修段、提溜段的塔徑按照各自段內上升蒸汽量進行計算，由

于進料熱狀況的不同，致使兩段塔徑會有一些差異，若差異不大，圓整后尺寸相

同，則全塔采用等徑塔，反之，兩段塔徑差異很大，則用變徑塔。本塔精俺段、

提偏段氣液負荷相差不大，采用等徑塔，水力學方程如下表所示。

-8-

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246,4425747,24636393052.1458853.711717.08652800.6559.087111,70990.142489

347,2463647,94679392669458270,511706.27mi559,05811,78865Q.141595

447.9048,56521392419.1458020.711700643116559.001711.869830.14089

548糊52149.12228392267，457868.9IM04sm5隊9267IL95294M40333

649.1222849.643921847457786.311696.43633827.2558.838212,03762O.?

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149.6450,1476m?11697.19629270J558,741412,123660.139536

850.147650,69034392109457710.611698.25624715.6558.643212,211170.139256

950,6903451,3522392035.6457637.211697.81620066.9558.5612,300750.139052

1051,352252,30395391821.6467423.211692.16615129558.524812,393690.138949

1152,3039553,86255391331.7456933.211676.31609539.8558.583612.040.139002

1253,8625556,55946390a4456014,911644.52602663.2558,794312,611110.139301

1356.5594660.99592389290.2454891.711604.72593802.8559.097512.W0.139869

1460,9959267,05232389522.2455123.711612.94588205.6559邯4712.895820M349

1567.9565277,73293440755.6435593.213112.76539698.9557.660513,451730.139596

1677J329386,03006W449773.61369525536138.2553.642213,981890.13娜

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1994,273795,78771494008.74嬲315182.08544773542.315414,955660.1250?

2095.7877196,67189498352.5493190.115353.550254076115.114760.123778

2196.6718997,24239500807.3495644.915454.13541795.4540.10115,246990.122968

2297,2423997.㈱502275.8?711U15517.36539175.6539477515,366470.122415

2397.668998.02914503286.9498124.515563.15536疝538.972715.480.121985

2498,0291498,3582450ml026.715600.95533356.2538.523815.590790.121613

2598,3582498,67218504794」499632.315635.0553啾4」538.101715,700320.12127

2698.6721898,672185162.40160,0170537.69290.120942

-10-

典型設備計算說明書/edv

Cup-tower的使用

通過比較可以看出第1塊板氣液負荷最大，則以其為水力學數據進行選型，將其

導入CUP-TOWER之后進行設計和校核，最終校核結果如下表所示。

表2?6塔體計算結果

塔板層數1受液盤深，mm90

塔內徑，m1堰型平堰

板間距，mm6.2塔板形式圓形浮閥

液流程數800溢流強度，m3/mh113.22

Ad/At,%2停留時間，s10.14

開孔率,％S.6降液管液泛，%77.83

堰長，mm7.217.20

CTILISUBKEj，\ni/s)kKg/mo>v.o

堰高，nun362的1821195.15

底隙/側隙，mm80單位塔板壓降，Pa0.08

降液管寬，mm60/60降液管內線速度,m/s0.55

受液盤寬，nm58明68降液管底隙速度,m/s10.14

表2?7塔板計算結果

基本信息

1項目名稱7校核人

2裝置名稱脫乙烷塔8日期2016/5/30

3塔的名稱T01029說明

4塔板編號（實際）1#—32#10計算選用的理論版1#

5塔板層數111塔板編號（理論）18—26#

6塔板形式圓形浮閥12分段說明無

工藝設計條件

-11-

Better

典型設備計算說明書

液相氣相

1質量流量kg/h459210.977質量流量kg/h459211.31

2密度kg/m3559.088密度kg/m311.63

3體積流量m3/h821.389體積流量m3/h39470.80

4粘度cp0.1410粘度cp0.01

5表面張力dyn/cn9.7511安全因子/0.82

6體系因子/0.8512充氣因子/0.60

塔板結構參數

1塔徑m6.206孔數#1820.57

2板間距m0.80007開孔密度tt/m280.65

3塔截面積m230.19078溢流程數/2

4開孔區面積m222.21559堰的形式/平堰

5開孔率%7.20

溢流區尺寸

兩側中心

1降液管面積比%8.989.00

2堰徑比%57.3699.75

3降液管頂部寬度