化工设计竞赛7-设备设计计算书(0002)

长安大学 风与天幕

2019 “东华科技-恒逸石化杯” 第十三届全国大学生化工设计竞赛

宁夏长城能化年产10万吨高纯

VAM项目

设备设计计算书

设计单位 设计团队 成员姓名 指导教师

长安大学 风与天幕队

周慧、吴雪雪、穆原冰、王艺凡、卢楷彬 叶林静、罗钰、邢建宇、周昭辉、谈震

2019年7月18日

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1. 塔备计算说明书

本工艺含有6个塔设备，根据工艺条件对其进行设计与强度校核，输入数据与核算内容如下所示。

1.1 输入数据

在aspen中进行水力学校核，估算出塔高和塔径。

估算结果如下：

位号 T101 T102 T103 T104 T105 T106 T107 名称 醋酸洗涤塔 水洗塔 乙醛粗分塔 醋酸粗分塔 VAM精制塔 醋酸精制塔 乙醛精制塔 塔内直径mm 1800 1600 上段1400 下段1000 2000 上段1800 下段1500 上段3100 下段3300 上段500 下段600

1.2 核算优化

通过SW6-2011对塔设备对塔设备的设计压力、设计温度、设计直径进行了

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分析与优化。

位号 名称 设计温度℃ 设计压力MPa T101 T102 T103 T104 T105 T106 T107 醋酸洗涤塔 水洗塔 乙醛粗分塔 醋酸粗分塔 VAM精制塔 醋酸精制塔 乙醛精制塔 50 40 120 140 110 150 110 0.1 0.1 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12 1.3 计算结果

详见设备选型一览表。

关于塔设备设计与校核的具体设计细节请详见文档“塔设备计算说明书”、“初步设计说明书”。

2 换热器设计

2.1换热器设计结果表

全厂总共具有6台换热器，首先通过EDR对换热器壳体直径、管程、壳程数等进行估算，以下是换热器设计估算结果。

位号 名称 型号 数量 壳体直径 管长 mm mm 列管 规格 管数 管程数 长安大学 风与天幕

E101 醋酸蒸发器 BES500-0.12-61-3/25-1 I 1 500 3000 φ25×2.5 229 1 E102 原料预热器 BES750-0.12-40.8-4.5/25-2Ⅰ BEM1000-0.5-614-6/25-2Ⅰ 1 750 4500 φ25×2.5 155 2 E103 反应出口冷凝器 1 1000 6000 φ25×2.5 164 2 E104 醋酸洗涤塔加热器 BEM273-0.12-2.7-2/25-1Ⅰ 1 273 2000 φ25×2.5 46 1 E105 原料气回流加热器 BEM273-0.5-2.4-2/25-1Ⅰ 1 273 2000 φ25×2.5 44 1 E106 醋酸回流加热器 BES200-0.15-16.6-4.5/25-1Ⅰ 1 200 4500 Φ25×2.5 28 1 2.2 计算结果

通过SW6-2011进行强度校核，得到设备筒体壁厚、封头壁厚、管板厚度、设备法兰复核结果。

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关于换热器设计的详细输入与输出结果，请详见文档“换热器设计结果表”、“初步设计说明说”。

3 反应器设计说明书

本工艺有两台列管式反应器，请详见文档“反应器设计说明书”、“初步设计说明书”

4 加热炉设计说明书

本工艺有一台加热炉，以下是设计结果。

设备位号 -

名称 加热炉 直径/mm 1500/2500 高度/mm 5000/4000 材料 耐火纤维 重量/kg 8800 数量 1 长安大学 风与天幕

5 气液分离器选型设计

5.1 设计依据

《工艺系统工程设计技术规定气-液分离器设计》 HG/T20570.8-1995

5.2 气液分离器的分类

5.2.1 立式和卧式重力分离器

（1）重力分离器适用于分离液滴直径大于200μm 的气液分离。

（2） 为提高分离效率，应尽量避免直接在重力分离器前设置阀件、加料及引起物料的转向。

（3）液体量较多，在高液面和低液面间的停留时间在6-9min，应采用卧式重力分离器。

（4）液体量较少，液面高度不是由停留时间来确定，而是通过各个调节点间的最小距离100mm来加以限制的，应采用立式重力分离器。

5.2.2立式和卧式丝网分离器

（1）丝网分离器适用于分离气体中直径大于10~30μm的液滴；

（2）丝网分离器主要部件为一固定安装的丝网，由丝网和上下支承栅条组成。丝网材料可采用不同的金属或非金属材料。如：不锈钢、蒙乃尔合金、镍、铜、铝、碳钢、钽、耐腐蚀、耐热镍合金、聚氯乙烯和聚乙烯等；

（3）丝网分离器通常规格是丝网的丝直径为0.22mm~0.28mm，丝网的厚度约为100mm~150mm。

（4）丝网参数如下：

表5-1 丝网参数一览

型 号 标准型 规格 40～100型 60～150型 空隙率（ε） 0.982 丝网密度kg/m3 150 丝径mm φ0.23 长安大学 风与天幕

140～400型 高效型 60～100型 80～100型 高穿透型 20～100型 30～150型 70～140型 0.990 150 0.975 150 φ0.23 φ0.12 φ0.23 5.3设计目标

（1）气液混合物进入气液分离罐时能均匀分散，利于气液分开； （2）气液分离罐的体积能满足气液体及负荷；

（3）气液分离罐有足够的壁厚，能满足分离的温度和压力要求。

5.4气液分离器的设计（以F101为例）

5.4.1 气液分离器工艺参数

表5-2 气液分离器工艺参数

参数 温度/℃ 压力/MPa 气相分率 摩尔流率/（kmol/h） 质量流率/（kg/h） 体积流率/（m3/h） 进口物料 50 0.1 0.481 809.70 34160.45 20042.12 液体出料 10 0.1 1 222.57 17057.24 17.48 气体出料 10 0.1 0 587.13 17103.21 13822.33 5.4.2 类型选择

因分离液体量较少，选择立式丝网分离器来完成该气液分离过程。

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5.4.3 尺寸设计

设备尺寸设计的依据是气液两相流量以及停留时间：

表5-3 气液两相数据

液相 VL=17.48m3/h 气相 VG=13822.33m3/h L975.871kg/m3 T=10℃ P=1bar Vmax=135% G1.237kg/m3 T=10℃ P=1bar Vmin=70% 停留时间设为T=6min。

3.4.3.1 丝网自由截面上的气体流速（uG）的计算

用常数(KG)的计算方法

GuGKGLG

式中

uG与丝网自由横截面积相关的气体流速,m/s;

0.5L,G分别为液体和气体的密度，kg/m3

KG常数，通常KG0.107,

如果气流中有较大的液体量被分离，则建议采用KG0.0755。高粘度液体、高压或高真空工艺中, KG可采用0.06。

𝑢𝐺=𝐾𝐺√(

𝑃𝐿−𝑃𝐺975.871−1.237

√)=0.775×=2.175𝑚/𝑠

𝑃𝐺1.237

3.4.3.2 气液分离器尺寸计算

（1） 丝网直径 由𝐷𝐺=0.0188×√(

𝑉𝐺𝑀𝐴𝑋𝑢𝐺

)=0.0188×

13822.33×1.35

2.175

=1741𝑚𝑚

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圆整后取DG=1800mm（2） 容器直径

容器直径（D）至少要比丝网直径大100mm（考虑安装固定），取容器直径为2000mm。

（3） 高度(HL) 由

𝐻𝐿=

𝑉𝐿𝑀𝐴𝑋×𝑡

17.48/60×1.35×6

==0.75𝑚

0.785×22п2×𝐷4

图3-1 立式丝网分离器尺寸构图

则气液分离器的筒体高度为：

H=𝐻𝐿+0.4𝐷+0.5=0.75+0.4×2+0.5=2.15𝑚

圆整得H=2.2m 3.4.3.3 气液分离器接管计算

（1）入口接管

两相混合物的入口接管的直径应符合下式要求：

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2GuGL1500Pa

式中

uGL-接管内两相流速，m/s; G-气相密度，kg/m3; 由此导出

𝐷𝑃>3.02×10−3×√(𝑉𝐿+𝑉𝐺)×𝑃𝐺0.25

式中

Dp-接管直径，m; VL-液体体积流量，m3/h; VG-气体体积流量，m3/h; 则该气液分离器的入口接管直径为

𝐷𝑃>3.02×10−3×√(17.48+13822.33)×3.1950.25=0.475 取DP=508 （2）出口接管

液体、气体的出口接管的直径，不得小于连接管道的直径。液体出口接管可以用小于等于1m/s的流速来设计。

体出口流速取决于气体密度，密度小时，最大出口流速G20m/s。密度大时，选择较小的气体出口流速。

任何情况下，较小的气体出口流速有利于分离。 气体出口接管的直径如下：

𝑉𝐿13822.33/3600

√√d===521𝑚𝑚

0.785×𝑣0.785×18

圆整得d=525mm

液体出口接管的直径如下：

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𝑉𝐿14.78/3600

√√d===72𝑚𝑚

0.785×𝑣0.785×1

圆整得d=80mm

6储罐选型

6.1储罐选型依据

内容标准号 《石油化工储运系统罐区设计规范》 《钢制球形储罐型式与基本参数》 《钢制立式圆筒形固定顶储罐系列》 《钢制立式圆筒形内浮顶储罐系列》 《卧式椭圆形封头贮罐系列》 SH/T 3007-2014 GB/T 17261-2011 HG 21502.1-92 HG 21502.2-92 HG/T 3154-1985 6.2概述

储运设备主要是指用于储存与运输气体、液体、液化气体等介质的设备，在石油、化工、能源、环保、轻工、制药以及食品等行业应用广泛。在固定位置使用、以介质储存为目的的容器成为储罐。

储罐有多种分类方法，按几何形状分为卧式圆柱形储罐、立式平底筒形储罐、球形储罐；按温度划分为低温储罐、常温储罐（<90℃）和高温储罐（90-250℃）；按材料可划分为非金属储罐、金属储罐和复合材料储罐。单罐容积大于1000m3的可称为大型储罐。金属制焊接式储罐是应用最多的一种储存设备。

首先应根据储存介质的性质及腐蚀性进行储罐材料的选择，再根据存储介质的最高工作压力初步选择储罐类型。一般情况下，卧式圆柱形储罐和球罐可以承受较高的存储压力，而立式平底筒形储罐的承压能力较差，当存储介质的压力不大于0.1MPa时，可以选用立式平底筒形储罐，否则应选用卧式储罐或球罐。其次，贮罐形式的选择主要决定于单罐的容积大小和加工条件。当贮罐公称容积大于100立方米时选用球形罐，小于100立方米时选用卧式罐。进而力求：（1）减

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少蒸发损失；（2）防止空气污染；（3）保证储液不受空气污染。

和卧式罐相比，球形罐具有（1）表面积较小，即在相同容量下球罐所需钢材面积最小。（2）壳板承载能力比圆筒形容器大一倍，即在相同压力下，采用同样钢板时，球罐的板厚只需圆筒形容器板厚的一半。（3）占地面积小，且可向空间高度发展，有利于地表面积的利用等优点，但加工制造、安装比较复杂，焊接工作量大，安装费用高。卧式罐的壳体由筒体和封头组成。

6.3产品储罐的计算

产品年产量：12.26万吨 设计温度：80℃ 设计压力：0.1MPa 产品密度：930kg/m3

产品储存量：330×24×930=16.64𝑚3/ℎ 储存时间：7天 装填系数：0.85 储存量

16.64×7×24

V==3288.8𝑚3

0.85

根据HG21502.1-92 钢制圆筒形固定顶储罐标准，选择公称容积为800m3的立式圆筒形储罐，几何容积为880m3，筒体直径为10500mm，高度为10165mm，拱顶高度为1132mm，数量为4台。在顶部通气孔中安装氮封装置，达到外排硫蒸气的目的，储罐内层采用耐酸胶泥涂层或者热镀锌，达到防腐目的。

12.26×107

6.4原料储罐的计算

6.4.1 乙炔储罐

原料醋酸用量：4701.3m3/h 设计温度：40℃ 设计压力：0.15MPa

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原料密度：0.9kg/m3 装填系数：0.8

由于乙炔气存在循环，因此储存时间较短，且乙炔的体积较大，因此我们选择储存时间为1小时计算：

储存量：V=

4701.3×1

0.8

=5876.625𝑚3

V6.124183m3 0.8根据《GBT17261-2011钢制球形储罐形式与基本参数》，由于乙炔气存在消耗情况，因此需要补加，根据ASPEN数据补加量很少，当原料储罐中的乙炔送至反应器，可以继续补充乙炔至储罐中用以补加，最终我们确定选择公称容积为1000m3的橘瓣式储罐，球壳内直径12300mm，个数是6个。

6.5回流罐

设计压力：0.11MPa 设计温度：50℃ 介质：醋酸

回流量：14.64m3/h(ASPEN模拟数据) 停留时间：0.25h 填充系数：0.85 回流罐体积：

0.25×14.64

0.85

=4.3𝑚3

根据HG5-1580-85 卧式储罐尺寸表，我们选择公称容积为5m3的卧式椭圆形封头储罐，全容积为5.03m3，筒体直径为1200mm，筒体壁厚为5mm，长度为4000mm，封头厚度为6mm，总长为4666mm,储罐质量为935kg.数量为1台。

其他储罐计算方法类似，具体结果请见《设备选型一览表》。

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7泵的选型

7.1 概述

泵属于通用机械，在国民经济各部门中用来输送液体的泵种类繁多，用途很广，如水利工程、农田灌溉、化工、石油、采矿、造船、城市给排水和环境工程等。另外，泵在火箭燃料供给等高科技领域也得到应用。在各种泵中，尤以离心泵应用最为广泛，因为它的流量、扬程及性能范围均较大，并具有结构简单、体积小、重量轻、操作平稳、维修方便等优点。

7.1.1选型依据

《石油、重化学和天然气工业用离心泵》 《离心泵效率》 《离心泵名词术语》 《化工原理》谭天恩，窦梅等编 GB/T3215-2007 GB/T13007-2001 GB/T7021-1986 化学工业出版社 7.1.2 选型原则

（1）使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。

（2）必须满足介质特性的要求。对输送易燃、易爆有毒或贵重介质的泵，要求轴封可靠或采用无泄漏泵，如磁力驱动泵、隔膜泵、屏蔽泵对输送腐蚀性介质的泵，要求对流部件采用耐腐蚀性材料，如 AFB 不锈钢耐腐蚀泵，CQF 工程塑料磁力驱动泵。对输送含固体颗粒介质的泵，要求对流部件采用耐磨材料，必要时轴封用采用清洁液体冲洗。

（3）机械方面可靠性高、噪声低、振动小。

（4）经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。 （5）离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。

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因此除以下情况外，应尽可能选用离心泵： （1）有计量要求时，选用计量泵。

（2）扬程要求很高，流量很小且无合适小流量高扬程离心泵可选用时，可选用往复泵，如汽蚀要求不高时也可选用旋涡泵。

（3）扬程很低，流量很大时，可选用轴流泵和混流泵。

（4）介质粘度较大（大于650~1000mm2/s）时，可考虑选用转子泵或往复泵（齿轮泵、螺杆泵）。

（5）介质含气量75%，流量较小且粘度小于37.4mm2/s 时，可选用旋涡泵。 （6）对启动频繁或灌泵不便的场合，应选用具有自吸性能的泵，如自吸式离心泵、自吸式旋涡泵、气动（电动）隔膜泵。

7.3工业常用泵

泵名称 特点 选用要求 进料泵（包括流量稳定；一般扬程较高；有些原一般选用离心泵；扬程很原料泵和中间料黏度较大或含固体颗粒；泵入口高时，可考虑用容积式泵给料泵） 温度一般为常温，但某些中间给料或高速泵；泵的备用率为泵的入口温度也可大于100℃；工作100% 时不能停车 回流泵（包括流量变动范围大，扬程低；泵一般选用离心泵；泵的备塔顶、中段及入口温度不高，一般为30～60℃；用率为50% ～ 100% 塔底回流泵） 工作可靠性要求高 塔底泵 流量变动范围大（一般用液位控制一般选用离心泵；选用低流量）；流量较大；泵入口温度较汽蚀余量泵，并采用必要高，一般大于100℃；液体一般处于的灌注头；泵的备用率为气液两相态，NPSHa小；工作可靠100% 性要求高；工作条件苛刻，一般有污垢沉淀 长安大学 风与天幕

循环泵 流量稳定，扬程较低；介质种类繁选用离心泵；按介质选用多 泵的型号和材料；泵的备用率为50% ～ 100% 流量较小；扬程较低；泵入口宜选用离心泵；对纯产品泵 温度低（塔顶产品一般为常温，中度高或贵重产品，要求密间抽出和塔底产品温度稍高）；某封可靠，泵的备用率些产品泵间断操作 100%；对连续操作的产品泵，备用率为50% ～ 100%；对间歇操作的产品泵，一般不设备用泵。 注入泵 流量很小，计量要求严格；常选用柱塞或隔膜计量温下工作；排压较高；注入介质为泵；对有腐蚀性介质，泵化学药品、催化剂等，往往有腐蚀的过流元件通常采用耐腐性 蚀材料；一般间歇操作，可不设备用泵 排污泵 流量较小，扬程较低；污水中选用污水泵、渣浆泵；往往有腐蚀性介质和磨蚀性颗粒；常需采用耐腐蚀材料；泵连续输送时要求控制流量 燃料油泵 流量较小，泵出口压力稳定（一的备用率为50% ～100% 根据不同黏度，选用般为1.0~1.2MPa）；黏度较高；泵转子泵或离心泵；泵的备入口温度一般不高 润滑油泵和封液泵 润滑油压力一般为0.1～ 用率为100% 一般均随主机配套供0.2MPa；机械密封封液压力一般比应；一般均为螺杆泵和齿密封腔压力高0.05～0.15MPa 轮泵，但离心压缩机组的集中供油往往使用离心泵 根据aspen提供的体积流量和由aspen计算出来的扬程，依据厂家提供的型号，可选出泵的型号和大小。

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8压缩机

8.1 压缩机类型及特点

表10-1 各种压缩机热力性能与结构特点比较

名称 排气压力/MPa 容积流量/(m3/min) 调节性能 结构、零部件 可靠性 制造要求 安装维修 寿命 往复式 回转式 离心式 一般0.2-0.3 一般0.2-1.0 一般0.2-15 最高700 最高4.5 最高70 0.1-400 0-500 10-3000 最小0.01 排气压力随流排气压力稳定 排气压力稳定 量变化 复杂 一般 一般 较复杂 一般 较简单 高 大多很高 较简单 较长 简单 高 高 较简单 长 轴流式 一般0.2-0.8 200-10000 排气压力随流量变化 简单 高 高 较简单 长 具体示意图如下。

图10.1 各种压缩机热力性能与结构特点比较

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8.2 选型原则

（1）由工艺要求选择，确定进出口压力，计算总压力比，得到压缩机的级数。

（2）对于易燃易爆的介质需对密封性具有高可靠性。 （3）对于腐蚀性气体，选择抗腐蚀材料 （4）适当选择冷却介质。

8.3 选型介绍

下面对空气压缩机COMP101选型过程进行介绍，工艺要求塔顶蒸气从Pt=1.0MPa，压缩至Pd=1.2MPa。气体进口流量为5192m3/h。进口温度Ts=72.2℃，出口温度Td=77.8℃。

压缩机实际排气量为：

V=VS×PS×Td=4662m3/h=77.7m3/min

d

S

PT

总的压缩比为1.2/1=1.2，可选用一级级压缩。

本项目选用沈阳气体压缩公司2MCW524离心式压缩机，其额定排气量为50m3/min，额定排气压力1.4MPa，电机额定功率为420kW，外形尺寸为1250×3800×3650mm，再选择另外一台小压缩机与其相连，可达到压缩效果。