上海高桥石化年产15万吨丙烯腈项目塔设备设计说明书大学论文.doc

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1、上海高桥石化年产15万吨丙烯腈项目 塔设备设计说明书41目录目录1塔设备选型说明书11.1 塔型的选择原则11.2 填料塔和板式塔的比较11.2.1 板式塔塔型选择的一般原则21.2.2 板式塔的塔盘类型与选择31.2.3 填料塔填料选择41.3 塔型的结构与选择41.3.1 与物性有关的因素51.3.2 与操作条件有关的因素51.3.3 其他因素51.3.4 本厂实际情况的选择61.4 塔的设计61.4.1 塔的主要工艺尺寸计算71.5 CupTower校核181.6 塔负荷性能优化数据231.7 塔机械工程设计241.7.1 塔高的计算241.7.2 塔相关设计与校核参数251.7.3 S

2、W6塔强度校核26附 塔设备一览表40塔设备选型说明书1.1 塔型的选择原则 精馏塔主要有板式塔、填料塔两种，它们都可以用作蒸馏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。塔选型参考标准固定式压力容器GB 150-2011压力容器封头GB/T 25198-2010石油化工塔器设计规范SHT 3098-2011钢制化工容器结构设计规定HG/T 20583-2011工艺系统工程设计技术规范HG/T 20570-1995塔顶吊柱HG/T 21639-2005不锈钢人、手孔HG 21594-21604钢制人孔和手孔的类型与技术条件HG/T 21514-2005钢制塔式容器JB/T 47

3、10-2005钢制管法兰、垫片、紧固件HG/T 2059220635-20091.2 填料塔和板式塔的比较表1-1 精馏塔的主要类型及特点类型板式塔填料塔结构特点每层板上装配有不同型式的气液接触元件或特殊结构塔内设置有多层整砌或乱堆的填料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填料等散装填料，格栅、波纹板等规整填料操作特点气液逆流逐级接触微分式接触，可采用逆流操作，也可采用并流操作设备性能空塔速度（亦即生产能力）高，效率高且稳定；压降大，液气比的适应范围大，持液量大，操作弹性小大尺寸空塔气速较大，小尺寸空塔气速较小；要求液相喷淋量较大，持液量小，操作弹性大制造与维修直径在600mm以下的塔安装困难，金属材料耗

4、量大新型填料制备复杂，造价高，检修清理困难，可采用非金属材料制造，但安装过程较为困难适用场合处理量大，操作弹性大，带有污垢的物料处理强腐蚀性，液气比大，真空操作要求压力降小的物料1.2.1 板式塔塔型选择的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.下列情况优先选用填料塔：（1）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；（2）对于热敏性物料的蒸馏分离，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；（3）具有腐蚀性的物料，可选用填料塔。因为填料塔可采用非金属材料，如陶瓷、塑料等

5、；（4）容易发泡的物料，宜选用填料塔。2.下列情况优先选用板式塔：（1）塔内液体滞液量较大，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；（2）液相负荷较小；（3）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；（4）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。这是因为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；（5）在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式塔。1.2.2 板式塔的塔盘类型与选择1.塔板种类根据塔板上气、液两相的相对

6、流动状态，板式塔分为穿流式和溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。2.各种塔盘性能比较工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求，迄今已开发和使用的塔板类型繁多。这些塔板各有各的特点和使用体系，现将几种主要塔板的性能比较。表1-2塔板性能的比较塔板类型优点缺点适用范围泡罩板较成熟、操作稳定结构复杂、造价高、塔板阻力大、处理能力小特别容易堵塞的物系浮阀板效率高、操作范围宽浮阀易脱落分离要求高、负荷变化大筛板结构简单、造价低、塔板效率高易堵塞、操作弹性较小分离要求高、塔板数较多舌型板结构简单且阻力小操作弹性窄、效率低分离要求较低的闪蒸塔表1-

7、3 塔板性能的量化比较塔板类型生产能力操作弹性塔板效率压降结构成本泡罩板1.051.01复杂1浮阀板1.2-1.391.1-1.20.6一般0.7-0.9筛板1.2-1.431.10.5简单0.4-0.5舌型板1.3-1.531.10.8简单0.5-0.61.2.3 填料塔填料选择填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。填料的选择主要根据以下几个方面来考虑：（1）比表面积要大，有较高的传质效率；（2）有较大的通量；（3）填料层的压降小；（4）填料的操作性能好；（5）液体的再分布性能要好；（6）要有足够的机械强度；（7）价格低廉。填料的选取包括确定其种类、规格、及材质

8、等。颗粒填料包括拉稀环、鲍尔环、阶梯环等，规整填料主要有波纹填料、格栅填料、绕卷填料等。国内学者采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价如表所示：表1-4 九种常用填料性能对比填料名称评估值评价排序丝网波纹填料0.86很好1孔板波纹填料0.61相当好2金属Intalox0.59相当好3金属鞍形环0.57相当好4金属阶梯环0.53一般好5金属鲍尔环0.51一般好6瓷Intalox0.41较好7瓷鞍形环0.38略好8瓷拉西环0.36略好9填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。1.3 塔型的结构与选择塔设备的总体结构均包括：塔

9、体、内件、支座及附件。塔体是典型的高大直立容器，多由筒节、封头组成。当塔体直径大于800mm时，各塔节焊接成一个整体；直径小的塔多分段制造，然后再用法兰连接起来。内件是物料进行工艺过程的地方，由塔盘或填料支承等件组成。支座常用裙式支座。附件包括人、手孔，各种接管、平台、扶梯、吊柱等。具体来讲，应着重考虑以下几个方面：1.3.1 与物性有关的因素（1）易气泡的物系，如果处理量不大，宜选用填料塔。因为易起泡的物质容易在塔内产生泡沫，填料可以使泡沫破裂，而在板式塔上会产生液泛。（2）具有腐蚀性的介质可选用填料塔，若必须用板式塔，宜选用结构简单、造价较低的筛板塔盘、穿流式塔盘或者舌形塔盘，以便及时更换

10、。（3）操作过程中有热效应的系统，应选用板式塔。（4）粘性较大的物系，可以选用大尺寸填料。板式塔传质效率太差。（5）具有热敏性的物料必须减压操作，以防过热引起的分解或聚合，故应选用压力降较小的塔型。（6）含有悬浮物的物料，宜选择液通道较大的塔型，应选以板式塔。1.3.2 与操作条件有关的因素（1）液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔。（2）若气相传质阻力大，宜选用填料塔。（3）大的液体负荷，宜选用填料塔。（4）操作弹性，板式塔较填料塔大，其中以浮阀塔最大，泡罩塔次之。1.3.3 其他因素（1）一般填料塔比板式塔重。（2）大塔以板式塔造价较为经济。（3）对于多数情况，塔径大于0.8m的宜选用板式

11、塔，小于0.8m时可选用填料塔。但也有例外，某些新型填料在大塔中的使用效果优于板式塔。（4）填料塔用于吸收和解吸过程，可以达到很好的传质效果，它具有通量大、阻力小、传质效率高等性能。因此在实际过程中，解吸和洗涤气体的过程绝大多数使用填料塔。1.3.4 本厂实际情况的选择（1）在各个工段中，既含有腐蚀性小的物系，又含有腐蚀性较大的物系，因此在塔型选择时应分别考虑。（2）在部分工段会产生悬浮物。（3）常压、减压、加压操作均存在。（4）塔径一般较大，个别为小尺寸。（5）从成本出发，优先考虑板式塔，但在一些吸收过程中，同时使用填料塔。具体的选择结果如表1-5所示：表1-5 塔型确定塔设备编号塔设备名称

12、设备类型备注T0101急冷塔浮阀塔T0201脱轻塔浮阀塔T0202磷铵解吸塔浮阀塔T0203氨精制塔浮阀塔T0301吸收塔填料塔Y250规整填料T0302回收塔浮阀塔T0303脱氢腈酸塔浮阀塔T0304丙烯腈精制塔浮阀塔T0401乙腈除氨塔浮阀塔T0402乙腈塔浮阀塔T0403乙腈双压精馏低压塔浮阀塔T0404乙腈双压精馏高压塔浮阀塔1.4 塔的设计对加压共沸精馏塔T0404进行设计：加压共沸精馏塔T0404是，操作压力为0.3MPa，塔顶温度111.17，塔底温度124.33，理论板数20块，一股进料，来自T0403的馏液从第4块板进料，T0404的详细计算过程如下所示：水力学参数获得采用A

13、spen Plus对T0404添加Tray Sizing，选用圆形浮阀型塔板。得到水力学参数表后，分为提馏段与精馏段，分别从中选择流量最大的塔板，作为设计的计算依据。表1-6 Aspen Plus对T0404精馏段的模拟结果塔板液相温度/气象温度/液相质量流量kg/h气相质量流量 kg/h液相体积流量 m3/h气相体积流量m3/h4.113.72116.9239157.5236935.2559.8210482.05液相分子量气相分子量液相密度kg/m3气相密度kg/m3液相粘度cP气相粘度cP液相表面张力dyne/cm37.5037.31654.613.520.190.0123.64发泡指数d

14、yne/cm气流参数减少蒸汽量m3/hr-5.860.08771.121.4.1 塔的主要工艺尺寸计算1.塔径计算塔板间距HT的选取与塔高、塔径、物性性质、分离效率、操作弹性以及塔的安装、检修等因素有关。初选塔板间距：HT=600mm；板上液层高度：hT=80mm；HT-hT=600-94=520mm；汽液两相流动参数：查史密斯关联图：图1-1史密斯关联图可查得：C20=0.08；矫正到表面张力为0.0236N/m：泛点气速：为避免雾沫夹带及液泛的发生，一般情况：在此取安全系数0.8：所以，初算塔径为D=2.56m；圆整后取D=2.6m；实际塔截面积实际空塔气速2.塔径的初步核算（1）雾沫夹带

15、，取故堰长由化工原理（陈敏恒编制）图1-2查弓形降液管的参数，如下图所示：图1-2弓形降液管的几何关系由图可知：，则弓形降液管截面积：所以，又因为=2.5=2.5=0.2m则雾沫夹带量：kg液/kg气0.1kg液/kg气，故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。（2）停留时间为降低气泡夹带，液体在降液管内应有足够的停留时间以使气体从液相中分离出，一般要求不应小于35s，而对于高压下操作的塔以及易起泡的物系，停留时间应更长些，为此必须进行校核。液体在降液管中停留时间：根据以上两步核算的结果，可以认为塔径D=2.6m合理。3.塔板布置设计（1）塔板结构形式降液管主要有圆形、弓形和倾斜弓形三种。三种降液

16、管的对比如下：表1-6 不同降液管的比较降液管形式圆形弓形倾斜弓形简图特点及适用范围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。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，塔板面积利用率较高。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。综合以上情况比较，这里选用倾斜弓形降液管。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。表1-7列出了溢流类型、塔径、液体负荷之间的关系。表1-7液体负荷与板上流型的关系塔径（mm）液体流量（m3/h）U形流单流型双流型阶梯流型10007以下4

17、5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110250250450由于高压塔精馏段流量为59.82m3/h，且估算塔径为2.6m，所以选择单流型。4.堰及降液管设计（1）堰的设计因为受液盘为凹形受液盘，所以没有内堰。图1-3 液流收缩系数由化工原理（陈敏恒编制）图8-18液流收缩系数图查得：E=1.03由弗朗西斯公式，堰上液层高度：由于堰上液层高度大于6mm，所以采用平堰。堰高，圆整后得堰高为0.05

18、m。所以板上清液层高度为.0832因为所以假设的合适。（2）降液管的设计降液管的截面积降液管管宽假设h0比hw少10mm则降液管底部距下一板的间距为5.孔布置阀孔直径，这里选用F1型浮阀，其阀孔直径为39mm。阀孔数，取决于操作时的阀孔气速u0，而u0由阀孔的动能因数F0决定，根据试验表明正常负荷下，希望浮阀刚好全开时F0=711，这里取F0=10，则所以阀孔数该塔板为整块式塔板，阀孔选择正三角形排列，则其孔心距为：。6.流体力学计算与校核（1）塔板压降1）干板阻力阀全开的临界气速解得：故浮阀全开，则干板压降：2）板上充气液层阻力取，则3）液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计。4）塔

19、板压降气体通过塔板的压降:（2）降液管液泛校核降液管液柱高度：其中，液体通过降液管的压头损失：板上液层高度，则故液泛符合要求，降液管不会发生液泛。（3）雾沫夹带量校核根据泛点负荷因数图可得：CF=0.135，由于乙腈-水属于发泡物系，取物性系数K=0.73图1-4 泛点负荷系数图或：F取较大值，因为F0.80，所以符合要求。7.负荷性能图（1）雾沫夹带线泛点率：按泛点率为80%计算：0.8整理得：（2）液泛线,对于易起泡物系，由此确定液泛线，式中可忽略，其中带入数据整理得： （3）液相负荷上限液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于35s。液体在降液管内停留时间以作为液体在降液管内停留时间的

20、下限，则：（4）漏液线对于F1重型浮阀，以F0=5作为规定气体最小负荷标准，则（5）液相负荷下限取堰上液层高度作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。取E=1.0，则由以上15作出塔板的负荷性能图如下：图1-5 塔板的负荷性能图上述各线围成的区域为稳定操作区，操作点在稳定操作区适中位置，有较好的操作弹性。综上所以塔0404精馏段设计合理。1.5 CupTower校核以双压精馏高压塔T0404为例，从Aspen plus中导出水力学数据，将塔分为精馏段与提馏段进行设计校核。选择流量最大的板进行Cup Tower塔校核设计，T0404校核设计结果如下。（Cup Tow

21、er 设计校核数据与CupTower源文件见Cuptower文件夹）表1-8 T0404精馏段Cuptower校核表基本信息1项目名称7校核人2装置名称8日期2016/8/163塔的名称T04049说明4塔板编号(实际)1#5#10计算选用的理论版4#5塔板层数511塔板编号(理论)#6塔板形式圆形浮阀12分段说明工艺设计条件液相气相1质量流量kg/h39157.547质量流量kg/h36935.232密度kg/m3654.618密度kg/m33.523体积流量m3/h59.829体积流量m3/h10482.054粘度cp0.1910粘度cp0.015表面张力dyn/cm23.6411安全因子

22、/0.826体系因子/0.5012充气因子/0.60塔板结构参数1塔径m2.606孔数#578.072板间距m0.60007开孔密度#/m2136.673塔截面积m25.30938溢流程数/14开孔区面积m24.22989堰的形式/平堰5开孔率%13.00溢流区尺寸两侧中心1降液管面积比%5.202堰径比%60.003降液管顶部宽度m0.26004弯折距离m0.09715降液管底部宽度m0.16296受液盘深度m0.05007受液盘宽度m0.26008堰高m0.05009降液管底隙m0.050010降液管顶部面积m20.276311降液管底部面积m20.138712顶部堰长m1.560013底

23、部堰长m1.260214进口堰高度m15进口堰宽度m圆形浮阀参数1浮阀孔径m0.03952单阀重量kg0.03363748工艺计算结果正常操作150%操作60%操作1空塔气速m/s0.54840.82260.32902空塔动能因子m/s(kg/m3)0.51.02941.54420.61773空塔容量因子m/s0.04030.06050.02424孔速m/s4.21866.32782.53115孔动能因子m/s(kg/m3)0.57.918811.87824.75136漏点气速m/s2.66362.66362.66367漏点动能因子m/s(kg/m3)0.55.00005.00005.0000

24、8相对泄露量kg液/100kg液-9溢流强度m3/(h.m)38.344757.517123.006810流动参数/0.07780.07780.077811板上液层高度m0.08230.09230.073012堰上液层高度m0.03230.04230.023013液面梯度m-14板上液层阻力m液柱0.04110.04620.036515干板压降m液柱0.03910.05900.035816总板压降m液柱0.08030.10520.072317雾沫夹带kg液/kg气0.00390.02020.000518降液管液泛%44.407456.770838.219019降液管内液体高度m0.17320.

25、22140.149120降液管停留时间s9.97776.651816.629521降液管内线速度m/s0.06010.09020.036122降液管底隙速度m/s0.26370.39550.158223降液管底隙阻力m液柱0.01060.02390.003824稳定系数/1.58382.37560.950325降液管最小停留时间s3.00003.00003.0000负荷性能图参数1操作点横坐标m3/h59.822操作点纵坐标103m3/h10.483操作上限百分比-150.00%4操作下限百分比-60.00%55%漏液时漏点动能因子m/s(kg/m3)0.55.00610%漏液时漏点动能因子m

26、/s(kg/m3)0.5X液相体积流量m3/hY气相体积流量103*m3/h0-操作线1-雾沫夹带线2-液泛线3-液相负荷上限线4-漏液线5-液相下限线1-9 T0404提馏段提馏段Cuotower校核表基本信息1项目名称7校核人2装置名称8日期2016/8/163塔的名称T04049说明4塔板编号(实际)6#30#10计算选用的理论版15#5塔板层数2511塔板编号(理论)#6塔板形式圆形浮阀12分段说明工艺设计条件液相气相1质量流量kg/h46046.347质量流量kg/h43824.082密度kg/m3654.298密度kg/m34.033体积流量m3/h70.389体积流量m3/h10

27、882.804粘度cp0.1810粘度cp0.015表面张力dyn/cm16.6311安全因子/0.826体系因子/0.5012充气因子/0.60塔板结构参数1塔径m2.606孔数#578.072板间距m0.60007开孔密度#/m2143.743塔截面积m25.30938溢流程数/14开孔区面积m24.02169堰的形式/平堰5开孔率%13.00溢流区尺寸两侧中心1降液管面积比%7.162堰径比%66.003降液管顶部宽度m0.32344弯折距离m0.12215降液管底部宽度m0.20136受液盘深度m0.05007受液盘宽度m0.32348堰高m0.05009降液管底隙m0.050010降

28、液管顶部面积m20.380211降液管底部面积m20.189612顶部堰长m1.716013底部堰长m1.389714进口堰高度m15进口堰宽度m圆形浮阀参数1浮阀孔径m0.03952单阀重量kg0.03363748工艺计算结果正常操作150%操作60%操作1空塔气速m/s0.56940.85410.34162空塔动能因子m/s(kg/m3)0.51.14261.71390.68553空塔容量因子m/s0.04480.06720.02694孔速m/s4.37986.56982.62795孔动能因子m/s(kg/m3)0.58.789113.18365.27356漏点气速m/s2.49162.4

29、9162.49167漏点动能因子m/s(kg/m3)0.55.00005.00005.00008相对泄露量kg液/100kg液-9溢流强度m3/(h.m)41.011661.517424.607010流动参数/0.08240.08240.082411板上液层高度m0.08380.09430.074012堰上液层高度m0.03380.04430.024013液面梯度m-14板上液层阻力m液柱0.04190.04710.037015干板压降m液柱0.03940.07270.036016总板压降m液柱0.08130.11980.073017雾沫夹带kg液/kg气0.00870.04200.00111

30、8降液管液泛%45.425061.882138.824819降液管内液体高度m0.17720.24130.151420降液管停留时间s11.66997.779919.449821降液管内线速度m/s0.05140.07710.030822降液管底隙速度m/s0.28130.42200.168823降液管底隙阻力m液柱0.01210.02720.004424稳定系数/1.75782.63671.054725降液管最小停留时间s3.00003.00003.0000负荷性能图参数1操作点横坐标m3/h70.382操作点纵坐标103m3/h10.883操作上限百分比-150.00%4操作下限百分比-6

31、0.00%55%漏液时漏点动能因子m/s(kg/m3)0.55.00610%漏液时漏点动能因子m/s(kg/m3)0.5X液相体积流量m3/hY气相体积流量103*m3/h0-操作线1-液相下限线2-液相上限线3-漏液线4-雾沫夹带线5-液泛线1.6 塔负荷性能优化数据将Cup Tower 塔校核数据输入Aspen plus，进行tray rating，进行flooding factor校核，要求flooding factor 介于0.60.85,降液管液体停留时间大于4秒。以双压精馏高压塔T0404为例，其Aspen plus中导出每块塔板性能数据，如表1-10。（其余精馏塔负荷性能见“as

32、pen塔负荷优化源文件”文件夹或“优化后塔负荷性能数据”文件夹）表1-10 T0404塔板负荷性能数据StageFlooding factorDowncomer velocityVelocity / Design velDowncomer backupBackup / Tray spacePressure dropDowncomer res. time m/sec meter barsec20.66350.01920.30780.10430.20860.002525.994730.69390.02090.33490.10670.21340.002623.890140.69240.03010.4

33、0130.12850.21420.002919.935650.73510.03260.43480.13190.21980.003018.397460.76160.03410.45470.13440.22400.003117.593670.78260.03480.46340.13630.22720.003217.262880.78960.03500.46680.13700.22830.003217.139990.79130.03510.46810.13720.22860.003217.0922100.79120.03520.46870.13720.22860.003217.0696110.790

34、60.03520.46910.13720.22860.003217.0552120.78980.03520.46940.13710.22850.003217.0434130.78890.03520.46970.13710.22850.003217.0325140.78800.03520.47000.13700.22840.003217.0219150.78710.03530.47030.13700.22830.003217.0114160.78620.03530.47060.13690.22820.003217.0010170.78530.03530.47090.13690.22810.003

35、216.9906180.78440.03530.47110.13680.22800.003216.9802190.78350.03540.47140.13680.22800.003216.9699200.78270.03540.47170.13670.22790.003216.9596210.78180.03540.47200.13670.22780.003216.9493220.78090.03540.47230.13660.22770.003216.9390230.78010.03540.47260.13660.22760.003216.9287240.77920.03550.47290.

36、13650.22760.003216.9185250.77840.03550.47310.13650.22750.003216.9083260.77750.03550.47340.13640.22740.003216.8981270.77670.03550.47370.13640.22730.003216.8880280.77580.03560.47400.13640.22730.003116.8778290.77500.03560.47430.13630.22720.003116.86771.7 塔机械工程设计1.7.1 塔高的计算1）实际塔板数N：经计算可得实际塔板数为30块2）塔顶空间高HD：塔顶空间高度的作用时安装塔板和开人孔的需要，也使气体中的液体自由沉降，减少塔顶出口气中的液滴夹带，空间高度一般1.01.5m，这里取HD=1m。3）塔板间距HT：由上面计算可知HT=0.6m。4）开设人孔的板间距设有人孔的上下两塔板间距应大于等于600mm，这里取。5）人孔数:每8块板设置一个人孔，实际塔板30块，所以开4个人孔（包括塔顶和塔底人孔数）。6）进料段空间高度：进料段高度取决于进料口结构形式和物料状态，一般要比大，取=1000mm