甲醇芳構化法年產(chǎn)38萬噸對二甲苯項目初步設計說明書

.00317VS2將上述各式代入聯(lián)立得Vs2=115.457-125.921LS2/3-585.804Ls2操作線位介五條曲線之間，且有一定操作彈性空間，設計合理。結果如下圖7-5所示:圖7-5負荷性能圖（6）KG-TOWER設計校核用KG-TOWER對初步計算的塔盤工藝結構進行流體力學校核下面運用KG-TOWER對氣液相負荷較大的塔板進行流體力學校核。a.輸入工藝參數(shù)將不同序號塔板的工藝參數(shù)輸進軟件內(nèi)，并設定每塊塔板的操作范圍在90%到110%之間，參數(shù)設置如圖7-6所示。圖7-6篩板塔物性參數(shù)b.輸入塔盤結構參數(shù)選擇塔盤類型為篩板塔，根據(jù)上面計算所得數(shù)據(jù)設定塔徑之后，再設定其他結構參數(shù)，如溢流形式、浮閥類型、開孔率大小、塔板間距、降液管寬度、溢流堰長、溢流堰高度、降液管底隙高度等參數(shù)，其設定如圖7-7所示。圖7-7篩板塔板參數(shù)塔盤結構如圖7-8所示：圖7-8塔盤結構示意圖以下分別為塔盤在操作負荷為90%、100%、110%下塔盤的液泛率，降液管液泛率，降液管持液量，降液管出口速度，干板壓降，總板壓降，氣相負荷因子，流強度，堰上液層高度，以及降液管停留時間等的設計結果。操作負荷為90%、100%、110%時的結果如下圖7-9、圖7-10、圖1-11所示：圖7-9操作負荷為90%時結果圖7-10操作負荷為100%時結果圖7-11操作負荷為110%時結果校核曲線如圖7-12所示：圖7-12校核曲線校核結果如圖7-13，圖7-14，圖7-15，圖7-16，圖7-17所示：圖7-13第6塊塔盤校核結果圖7-14第7塊塔盤校核結果圖7-15第8塊塔盤校核結果圖7-16第9塊塔盤校核結果圖7-17第10塊塔盤校核結果根據(jù)模擬結果，可以得到精餾塔的塔板參數(shù)。（1）KG-TOWER計算結果和詳細設計計算結果都能夠滿足工藝要求。（2）通過比較，在110%操作負荷情況下，泛點率要低于80%。保證塔盤的操作彈性。（3）KG-TOWER可以用于不同類型的塔板，計算方便，便于塔盤的選型。表7-8精餾段和提餾段工藝設計結果項目數(shù)值及說明備注塔徑D/m6.8板間距HT/m0.6塔板形式雙溢流型溢流堰長lw/m4.76溢流堰高hw/m0.060板上液層高度hL/m0.1降液管底隙高度ho/m0.060篩孔數(shù)/個4840等邊三角形交叉方式閥孔動能因數(shù)F09排間距t/m0.06指相鄰二橫排的中心線距離孔心距t’/m0.052指同一橫排的孔心距液體在降液管中的停留時間τ/s塔機械工程設計塔高計算實際塔板數(shù)NTET=0.6535NT=N/ET=83/0.6535=110塔頂空間高度HD塔頂空間高度的作用是安裝塔板和開人孔的需要，也使氣體中的液體自由沉降，減少塔頂出口氣中液滴夾帶，空間高度一般取1.0～1.5m，這里取HD=1m。3）塔板間距HT由上面計算可知HT=0.6m。4）開有人孔的板間距HT’設有人孔的上下兩塔板間距應大于等于600mm，這里HT’=800mm。5）人孔數(shù)取20塊板設置一個人孔，實際塔板110塊，所以開6個人孔（包括塔底人孔數(shù)）。6）進料段空間高度HF進料段高度取決于進料口的結構形式和物料狀態(tài)，一般要比HT大，取HF=1000mm。7）塔底空間高度HB塔底空間高度具有貯存槽的作用，塔底釜液最好能在塔底有1～5min的儲量，以保證塔底料液不致排完。提取Aspen數(shù)據(jù)塔底料液出口體積流量V=0.0482m3/s，塔徑D=6.8m，t=5min，所以綜上可知塔筒體高度8）裙座高度筒體高度大于10m，塔徑6.8m>1m，所以采用圓柱形裙座，9）封頭高度H4=D/4+0.2=1.9m接管的計算1）塔頂蒸汽接管取塔頂蒸汽流速uv=20m/s，提取Aspen數(shù)據(jù)V=4363.989m3/h，則管徑：圓整后選取管子規(guī)格為φ300×12.5mm，則實際流速是：2）進料管1取進料氣體流速uv=20m/s，氣相體積流量V=11514.712m3/h，則進料1管徑圓整后選取管子規(guī)格為φ480×15mm所以實際流速為3）進料管2取進料液體2流速uv=2m/s，液相體積流量V=347.119m3/h，則進料2管徑圓整后選取管子規(guī)格為φ273×11.5mm所以實際流速為4）回流管徑取回流液體流速uv=2m/s，液相體積流量V=382.92m3/h，則進料管徑圓整后選取管子規(guī)格為φ325×12.5mm所以實際流速為5）塔底出料管徑取出料液體流速uV=2m/s，液相體積流量V=173.697m3/h，則進料管徑圓整后選取管子規(guī)格為φ219×9.5mm所以實際流速為6）再沸氣入口管徑取氣體入口速度uv=20m/s，氣相體積流量V=4922m3/h，則進料管徑圓整后選取管子規(guī)格為φ325×8mm所以實際流速為機械校核用SW6-2011進行機械校核，校核結果如表7-9所示.表7-9混合烴分離塔機械校核結果一塔設備校核青島科技大學-萬里晴空板式1液壓封頭材料名稱Q345RQ345R名義厚度(mm)1818腐蝕裕量(mm)11焊接接頭系數(shù)11封頭形狀橢圓形橢圓形圓筒設計壓力(Mpa)設計溫度(℃)長度(mm)名義厚度(mm)內(nèi)徑/外徑(mm)材料名稱(即鋼號)0.6520067600186800Q345R圓筒腐蝕裕量(mm)縱向焊接接頭系數(shù)環(huán)向焊接接頭系數(shù)外壓計算長度(mm)試驗壓力(立)(Mpa)試驗壓力(臥)(Mpa)11100.71.38062表7-9混合烴分離塔機械校核結果二裙座裙座結構形式圓筒形裙座底部截面內(nèi)徑mm6900裙座與殼體連接形式對接裙座高度mm7100裙座材料名稱Q345R裙座設計溫度℃200裙座腐蝕裕量mm1裙座名義厚度mm32裙座材料許用應力MPa189裙座與筒體連接段的材料Q345R裙座與筒體連接段在設計溫度下許用應力MPa183裙座與筒體連接段長度mm3500裙座上同一高度處較大孔個數(shù)1裙座較大孔中心高度mm3500裙座上較大孔引出管內(nèi)徑（或寬度）mm800裙座上較大孔引出管厚度mm10裙座上較大孔引出管長度mm1000地腳螺栓及地腳螺栓座地腳螺栓材料名稱Q235地腳螺栓材料許用應力MPa147地腳螺栓個數(shù)15地腳螺栓公稱直徑mm90全部筋板塊數(shù)0相鄰筋板最大外側間距mm2809.48筋板內(nèi)側間距mm150筋板厚度mm28筋板寬度mm220蓋板類型整塊蓋板上地腳螺栓孔直徑mm120蓋板厚度mm46蓋板寬度mm0墊板有墊板上地腳螺栓孔直徑mm93墊板厚度mm30墊板寬度mm160基礎環(huán)板外徑mm7262基礎環(huán)板內(nèi)徑mm6602基礎環(huán)板名義厚度mm50表7-9混合烴分離塔機械校核結果三18180.83418180.83318180.834裙座3232

表7-9混合烴分離塔機械校核結果四風載及地震載荷0－0A－A裙座與筒體連接段1－1(筒體)1－1(下封頭)2－23－35753685503335410635057495057493665903415553322843067293067293.11851e+063.09347e+063.0842e+065057495057492.381e+102.198e+102.193e+102.014e+102.014e+102.943e+062.943e+062.943e+062.943e+062.943e+06需橫風向計算時2.381e+102.198e+102.193e+102.014e+102.014e+10

表7-9混合烴分離塔機械校核結果五66.1766.178.488.187.9813.9113.9120.7517.2619.1033.2133.218.438.4371.2671.2645.9745.9645.4613.9113.939.979.97[]t189.00189.00183.00170.00183.00B104.92104.92104.9257.2457.24

表7-9混合烴分離塔機械校核結果六組合應力校核(內(nèi)壓),(外壓)85.4785.47204.00219.60(內(nèi)壓),(外壓)29.2325.4427.0841.6541.65125.91125.91125.9168.6968.6967.3267.32292.50292.5052.2051.1451.2023.8723.87112.59112.59112.5961.3473.61281.77281.77292.50292.50合格合格合格合格合格

表7-9混合烴分離塔機械校核結果七mm31.19153e+10mm27.18658e+06Nmmmm46.85合格MPa4.86MPa1.50MPa-0.29mm81.8506mm83.505合格kg505749Nmm2.01423e+10

表7-9混合烴分離塔機械校核結果八mm2665483mm31.14796e+09MPa9.57MPa122.4合格

表7-10上封頭機械校核結果上封頭校核計算計算單位青島科技大學-萬里晴空計算所依據(jù)的標準GB150.3-2011計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力Pc0.80MPa設計溫度t200.00C內(nèi)徑Di6800.00mm曲面深度hi1700.00mm材料Q345R(板材)設計溫度許用應力t170.00MPa試驗溫度許用應力185.00MPa鋼板負偏差C10.30mm腐蝕裕量C21.00mm焊接接頭系數(shù)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=1.25Pc=1.3806(或由用戶輸入)MPa壓力試驗允許通過的應力tT0.90s=292.50MPa試驗壓力下封頭的應力T==281.43MPa校核條件TT校核結果合格厚度及重量計算形狀系數(shù)K==1.0000計算厚度h==16.02mm有效厚度eh=nh-C1-C2=16.70mm最小厚度min=10.20mm名義厚度nh=18.00mm結論滿足最小厚度要求重量7129.36Kg壓力計算最大允許工作壓力[Pw]==0.83398MPa結論合格

表7-11下封頭機械校核結果下封頭校核計算計算單位青島科技大-萬里晴空計算所依據(jù)的標準GB150.3-2011計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力Pc0.65MPa設計溫度t200.00C內(nèi)徑Di6800.00mm曲面深度hi1700.00mm材料Q345R(板材)設計溫度許用應力t170.00MPa試驗溫度許用應力185.00MPa鋼板負偏差C10.30mm腐蝕裕量C21.00mm焊接接頭系數(shù)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=1.25Pc=1.3806(或由用戶輸入)MPa壓力試驗允許通過的應力tT0.90s=292.50MPa試驗壓力下封頭的應力T==281.43MPa校核條件TT校核結果合格厚度及重量計算形狀系數(shù)K==1.0000計算厚度h==13.01mm有效厚度eh=nh-C1-C2=16.70mm最小厚度min=10.20mm名義厚度nh=18.00mm結論滿足最小厚度要求重量7129.36Kg壓力計算最大允許工作壓力[Pw]==0.83398MPa結論合格

表7-12內(nèi)壓圓筒機械校核結果內(nèi)壓圓筒校核計算單位青島科技大學-萬里晴空計算所依據(jù)的標準GB150.3-2011計算條件筒體簡圖計算壓力Pc0.65MPa設計溫度t200.00C內(nèi)徑Di6800.00mm材料Q345R(板材)試驗溫度許用應力185.00MPa設計溫度許用應力t170.00MPa試驗溫度下屈服點s325.00MPa鋼板負偏差C10.30mm腐蝕裕量C21.00mm焊接接頭系數(shù)1.00厚度及重量計算計算厚度==13.02mm有效厚度e=n-C1-C2=16.70mm名義厚度n=18.00mm重量204588.70Kg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=1.3806(或由用戶輸入)MPa壓力試驗允許通過的應力水平TT0.90s=292.50MPa試驗壓力下圓筒的應力T==281.77MPa校核條件TT校核結果合格壓力及應力計算最大允許工作壓力[Pw]==0.83295MPa設計溫度下計算應力t==132.66MPat170.00MPa校核條件t≥t結論合格7.7.6塔選型一覽表表7-13塔器一覽表設備號名稱塔板類型塔徑(m)塔高（m）材料內(nèi)防腐封頭型式T0101混合芳烴分離塔篩板塔6.871.6Q345R是非標準橢圓封頭T0102脫甲苯塔篩板塔5.267.6Q345R否非標準橢圓封頭T0103C9分離塔篩板塔3.860Q345R否標準橢圓封頭T0104二甲苯分離塔篩板塔9.289.6Q345R否非標準橢圓封頭7.8氫氣變壓吸附設備設計7.8.1吸附材料的選擇——分子篩分子篩是一種微孔型具有立方晶格硅鋁酸鹽的多水化合物，有人工合成的，也有天然的，稱為泡沸石。合成沸石亦稱為沸石分子篩，目前制造方法主要采用的是水熱合成法，其次是堿處理法。沸石分子篩具有以下特點：選擇性好，凈化效果高微孔孔徑分布單一、均勻，凡被處理的流體中分子直徑大于微孔尺寸的都不能進入微孔，吸附發(fā)生在孔穴內(nèi)部，能把直徑小于孔穴尺寸的分子吸入孔內(nèi)，把直徑大于微孔尺寸的分子擋在孔外，可以起到篩分的作用，所以稱為分子篩，故能按照氣體分子大小進行選擇性吸附；吸附能力強，是一種強極性吸附劑對極性分子、不飽和分子和極化率大的分子有很高的親和力，對水、二氧化碳和乙炔的吸附能力都很強；吸附效率高在低吸附質分壓、高溫、高氣體線速度條件下，仍能保持較高的吸附容量；共吸附性能好在吸附水的同時，還可以吸附其它氣體，如烴類、氨、H2S、SO2等；各種雜質氣體分子的吸附能力順序如下：吸附酸堿性氣體的順序：H2O＞H2S＞NH3＞SO2＞CO2吸附碳氫化合物的順序：H2O＞C3H5＞C2H2＞C2H4，CO2，C3H8＞C2H6＞CH4CO2動吸附容量對壓力變化不敏感，對溫度變化敏感當溫度從278K升高至318K時，分子篩對CO2的動吸附容量減小70％。分子篩的種類繁多，目前主要有A型、X型和Y型三種類型，每一類型的分子篩按其陽離子的不同，孔徑和性質也有所不同。表7-14給出了集中常用分子篩的篩孔直徑及化學組成。下表給出了各種組分分子的大小和分子篩的選擇性。表7-14常用分子篩的化學組成及孔徑型號分子比孔徑?典型化學組成3A(鉀A型)23～3.34A(鈉A型)24.2～4.75A(鈣A型)24.9～5.610X(鈣X型)2.3～3.38～913X(鈉X型)2.3～3.59～10Y(鈉Y型)3.3～59～10鈉絲光沸石3.3～6約57.8.2吸附設備尺寸的確定操作條件:氣體處理量：V=129705Nm3/h；質量m=77654kg/h；原料進氣壓力為P=3.95MPa,此時總體積流量為Vs=3404m3/h,根據(jù)工程經(jīng)驗，變壓吸附的空塔氣速一般為0.03m/s—0.06m/s, 此處我們?nèi)=0.05m/s。塔內(nèi)徑的確定（采用四塔流程）:筒體壁厚的計算：設計參數(shù)的相關確定已知吸附器的操作壓力為0.08MPa—4.1MPa,操作溫度為35℃計算壓力PC的相關確定計算壓力=設計壓力+液柱靜壓力由于此反應為氣相反應，其中液柱靜壓力=0設計壓力P：P=(1.05--1.1)×Pi此處我們?nèi)。篜=1.1Pi=1.1×4.1=4.51MPa故計算壓力Pc=4.51MPa設計溫度的相關確定取設計溫度50℃，采用16MnR鋼材，取焊接接頭系數(shù)（雙面焊對接接頭，100％無損探傷），則查化工設備設計手冊可知該材料在設計溫度50℃時的許用應力；腐蝕裕量。計算厚度設計厚度已知鋼板腐蝕裕量；負偏差，則：名義厚度7.8.3吸附器內(nèi)吸附劑裝填表7-15吸附塔內(nèi)各類填料裝填量（單吸附塔）序號名稱規(guī)格裝填量kg裝填體積m3作用1AS吸附劑φ3～5球狀白色5000.3吸附水24A分子篩φ0.5～1球狀白色50029.5吸附水，乙烷，乙烯，丙烯等35A分子篩φ3.0-3.3球狀白色100017.5吸附C3-C4正構烷烴等4HX5A-98分子篩φ2～3球狀灰白色2500050.2吸附CH4.等5惰性瓷球φ15球狀7500.5保護吸附劑7.8.4吸附器高度的確定H=H1+H2(H1:填料層高度H2:塔空間預留高度)吸附塔的橫截面積S=d2/4=9.6m2故：H1=0.3/9.6+29.5/9.6+17.5/9.6+50.2/9.6+0.5/9.6=10.3mH2=4.2m總塔高H=10.3+4.2=14.5m7.8.5吸附器細節(jié)設置吸附塔在使用期內(nèi)要承受數(shù)十萬次（每年交變次數(shù)30000）全幅度交變壓力的頻繁變化，屬于疲勞壓力容器，設計使用壽命20年。吸附塔底部氣體進口處設有特殊結構的氣流分布器，力求使吸附塔內(nèi)氣流分布均勻，防止發(fā)生返混現(xiàn)象，提高吸附劑的利用率，同時保護吸附劑免受損壞。在吸附塔頂部氣體出口處設有氣體收集器，防止吸附塔內(nèi)的吸附劑隨氣流被帶出系統(tǒng)，損壞程控閥門等。7.8.6解吸氣緩沖罐表7-16解吸氣緩沖罐操作條件及工藝參數(shù)設計壓力MPa工作壓力MPa設計溫度工作溫度內(nèi)徑mm切線高度mm總高度mm總容積m3筒體材質0.40.36035-452400210002327699Q325-B7.8.7解吸氣混合罐表7-17解吸氣混合罐操作條件及工藝參數(shù)設計壓力MPa工作壓力MPa設計溫度工作溫度內(nèi)徑mm切線高度mm總高度mm總容積m3筒體材質0.40.056035-452400175001977690Q325-B7.9閃蒸罐設備設計概述：閃蒸罐是一種特殊的氣液分離器，一般來說以立式重力氣液分離器最為常見，這種氣液分離器具有結構簡單、操作可靠等特點。本設計對S1閃蒸罐進行了詳細計算，其它閃蒸罐計算方法類似。通過計算可知氣液分離器混合介質進口體積流量V=6397.912m3/h，溫度為15℃，壓力為0.65MPa，出口液相體積流VL=65.723m3/h，出口氣相體積流量VG=5763.185m3/h。7.9.1尺寸的設計分離器氣速浮動流速式中，浮動速度，m/s；系數(shù)，這里取液體直徑為200um，則，帶入得：因為容器內(nèi)氣體流速要低于浮動流速，所以ue=0.35m/s直徑計算分離器直徑由以下公式計算：帶入數(shù)據(jù)得D=2.41m，圓整D=2.6m。筒體高度根據(jù)工廠經(jīng)驗，H/D=2.5—5。本設計取3.5故H=3.5×2.6=9.1m封頭取封頭為標準橢圓封頭，公稱直徑DN=2600mm,則封頭曲面高度h1=650mm，取直邊段h2=40mm。7.9.2閃蒸罐設備選型表7-18閃蒸罐設備選型一覽表設備號名稱高度（m）直徑（m）材料內(nèi)防腐封頭形式F0201閃蒸罐4.21.2Q345是標準橢圓封頭F0202干燥前閃蒸罐144Q345是標準橢圓封頭F0101閃蒸罐9.12.6Q345是標準橢圓封頭7.10儲罐設備設計儲罐計算舉例以對二甲苯儲罐設計為例：對二甲苯儲存條件為常溫常壓，溫度為25℃，壓力為0.1MPa，選擇產(chǎn)品儲存天數(shù)為兩天，儲量為V=492.248m3取裝填系數(shù)為0.85，則實際所需的容積為V=492.248/0.85=579.115m3考慮到對二甲苯性質，從經(jīng)濟學、安全性和環(huán)境保護要求角度，選用鋼制立式圓筒形內(nèi)浮頂儲罐，由SW6-98計算出壁厚為60mm。本項目對二甲苯的儲罐選用鋼制立式圓筒形內(nèi)浮頂儲罐其公稱容積VN=200m3,共6個，公稱直徑DN=44000mm，該型號的儲罐滿足要求。儲罐設計數(shù)據(jù)表7-19儲罐設備一覽表項目甲醇對二甲苯溶劑油儲存天數(shù)/d225儲量/m37102.992492.248153.6所需容積/m38356.46579.115180.7儲罐個數(shù)862公稱容積/m31500200100罐壁高度/mm11500102605200拱頂高度/mm1468587554總高/mm12968108475754內(nèi)徑/mm1350055005200單個質量/Kg40344126206135儲罐型式鋼制立式固定頂儲罐鋼制立式圓筒形內(nèi)浮頂儲罐鋼制立式固定頂儲罐7.11換熱器的設計7.11.1選型依據(jù)《石油化工設備設計選用手冊--換熱器》2009-1《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》1990-5-9《鋼制壓力容器》GB150-1998《管殼式換熱器》GB151-1999《化工容器及設備簡明設計手冊》7.11.2選型原則換熱器是化工工藝中非常關鍵的部分，它保證了實際的化學化工反應的熱能，為化學反應的進行奠定基礎。同時也是化工分離中需要控制的部分。換熱器選型時所需要考慮的因素是多方面的，主要有一下幾個方面:熱負荷及流量大小流體的性質溫度、壓力及其允許壓降的范圍清洗、維修方面的要求設備結構、材料、尺寸、重量設備價格、使用安全性與壽命在換熱器選型過程中，除考慮上述因素外，還應對材料的結構強度、材料的來源、加工條件、密封性、安全性等方面加以考慮。這些又常常是相互制約、相互影響的，所以通過設計的優(yōu)化來加以解決。針對不同的工藝條件及操作工況，我們有時使用特殊型式的換熱器或特殊的換熱管，以降低成本。所以，這就需要我們綜合考慮工藝條件和機械設計的要求，選擇合適的換熱器型式來有效地減少工藝過程的能量消耗。對工程技術人員而言，在設計換熱器時，要對于換熱器型式的進行合理選擇、在經(jīng)濟運行和降低成本等方面應該做到足夠的重視，必要時，還得通過一定的化學化工計算來進行技術經(jīng)濟指標分析、進行投資和操作費用的確切對比，進行經(jīng)濟方面的衡算，從而使實際設計方案達到該具體條件下的最佳設計方案。7.11.3換熱器的分類換熱器的分類如下表7-20所示。表7-20換熱器的分類管式管殼式固定管板式剛性結構：用于管殼溫差較小的情況(一般≤50°C)，管間不能清洗帶膨脹節(jié)：有一定的溫度補償能力，殼程只能承受較低壓力浮頭式管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合U型管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難填料函式外填料函：管間容易漏泄，不宜處理易揮發(fā)、易爆易燃及壓力較高的介質內(nèi)填料函：密封性能差，只能用于壓差較小的場合釜式殼體上都有個蒸發(fā)空間，用于蒸汽與液相分離套管式雙套管式結構比較復雜，主要用于高溫高壓場合，或固定床反應器中套管式能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預熱器螺旋盤管式浸沒式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝，或者管外流體的加熱噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝板式板式拆洗方便，傳熱面能調整，主要用于粘性較大的液體間換熱螺旋板可進行嚴格的逆流操作，有自潔作用，可回收低溫熱能傘板式傘形傳熱板結構緊湊，拆洗方便，通道較小，易堵，要求流體干凈板殼式板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高擴展表面式板翅式結構十分緊湊，傳熱效率高，流體阻力大管翅式適用于氣體和液體之間傳熱，傳熱效率高，用于化工、動力、空調、制冷工業(yè)蓄熱式回旋式盤式傳熱效率高，用于高溫煙氣冷卻等鼓式用于空氣預熱器等固定格室式緊湊式適用于低溫到高溫的各種條件非緊湊式可用于高溫及腐蝕性氣體場合7.11.4換熱器的類型及應用換熱器的類型及應用如表7-21所示。表7-21換熱器的類型及應用類型Types換熱面積Size(mP2P)溫度Temperaturet(°C)壓力(最大)Pressure(kgf/cmP2P)材料Material特點和應用FeaturesandApplication1．管殼式換熱器管殼式(標準型)S&T≤5000-270≤t≤1650600無限制這種類型的換熱器被廣泛地用在工藝裝置中，安全、可靠?？梢酝ㄟ^采用特殊類型的換熱管來提高其傳熱性能。折流桿式rodbaffle≤5000-100≤t≤600300無限制通過折流桿支承換熱管來消除振動。由于殼側流動是縱向的、和有規(guī)律的，因此壓力損失較小，適用于允許壓降小的氣液或氣體系統(tǒng)。多管式multitube≤50-100≤t≤600300無限制因流動為純逆流，故具有較好的傳熱推動力,當換熱面積相對比較小并且兩流體溫度交叉時，可考慮采用此型式。另外，若殼側傳熱不好，可使用翅片管來強化傳熱。蛇管式coiledtube≤2000-260≤t≤600200銅、鋁、不銹鋼、碳鋼在低溫系統(tǒng)中，因不宜采用鋁材板翅式換熱器，而經(jīng)常使用蛇管式換熱器。純逆流流動，傳熱可在兩股以上流體間進行高彈性的結構可以克服熱應力在高溫的氣氣換熱時，可采用不銹鋼材料。2．單管式換熱器套管式doubletube≤10-100≤t≤600300銅、鋁不銹鋼碳鋼當傳熱面積比較小(10mP2P20mP2P)時，一般選用套管式換熱器。流動為純逆流，制造成本低，維修容易，但是緊湊性較差。長號式Trombone≤100-50≤t≤300300銅、鋁不銹鋼碳鋼也稱作沖洗式，水被從管側上處噴下，加熱或冷卻管內(nèi)流體經(jīng)常用在利用海水作介質的液化石油氣加熱器中。結構簡單并易于維修，但是設備占地面積較大。蛇管式coil≤100≤t≤300300銅、鋁不銹鋼碳鋼蛇管式換熱管經(jīng)常被插在罐中用以加熱或冷卻罐內(nèi)的液體。類型Types換熱面積Size(m2)溫度Temperaturet(°C)壓力(最大)Pressure(kgf/cm2)材料Material特點和應用FeaturesandApplication板式plate(gasket)≤2000-40≤t≤20025鈦不銹鋼等結構緊湊，易維修。在液液換熱設備中傳熱系數(shù)較高，實際應用范圍廣泛。也可于氣體冷卻、冷凝或沸騰傳熱。螺旋板式spiral≤200-90≤t≤40020碳鋼不銹鋼鈦等主要有逆流和錯流兩種形式。當溫度存在交叉時，最好選用逆流形式,而當氣體冷卻或冷凝時,由于錯流流動壓力損失小，故常采用此形式。另外,要慎重選擇流體的流路盡量避免由于兩股流體流率不平衡而造成的設備傳熱性能的降低。3．翅片式換熱器空冷器air_cooled≤2000≤500(airtemp:-60+50)500碳鋼不銹鋼翅片：鋁、碳鋼空冷器和管殼式換熱器相比，安裝面積大，對空冷器需作包括結構價格、耗電等因素在內(nèi)的綜合費用分析。通常當物流出口溫度高于環(huán)境溫度15°C20°C或更高時，使用空冷器較為經(jīng)濟。板翅式platefin≤10000－260≤t≤100(鋁)70鋁不銹鋼銅板翅式換熱器通常用于低溫過程。其傳熱性能好、重量輕、結構緊湊，適應性廣，可用于單相流動、冷凝器和蒸發(fā)器中對高溫體系中的氣氣換熱，目前正逐漸使用材質為不銹鋼的板翅式換熱器。對鋁合金制造的板翅式換熱器，可利用其低溫延展性和抗拉性好的特點，特別適用低溫或超低溫場合。熱管heatpipe<2000-40≤t≤35010碳鋼不銹鋼銅流動阻力小、體積小、結構緊湊。由于熱管可在熱流體和冷流體兩側通過增加翅片來擴展受熱面，因而大大提高了氣氣換熱器的傳熱量，用在氣氣換熱器中最為有效。類型Types換熱面積Size(m2)溫度Temperaturet(°C)壓力(最大)Pressure(kgf/cm2)材料Material特點和應用FeaturesandApplication4．特殊材料的換熱器石墨carbon≤700≤1607不滲透性石墨結構有：管殼式換熱器、塊狀換熱器等。聚四氟乙烯teflon≤80≤1505聚四氟乙烯管殼式和浸泡式換熱器，重量輕、結構緊湊。機械性能較差，只適用于低壓工況。玻璃glass≤25≤2809耐熱玻璃玻璃換熱器有盤管式、噴淋式管殼式、套管式等型式。常用在空氣預熱器或節(jié)能裝置中，回收露點以下的排放氣熱量。5．特殊換熱管低翅管Lowfintube///碳鋼不銹鋼銅合金管子表面的翅片可增大換熱面積23倍。與普通管子有著相同管外徑的低翅管經(jīng)常用作管殼式換熱器的傳熱管。當殼側傳熱系數(shù)低于管側時，使用低翅管較為理想。低翅管也同樣可用在冷凝和沸騰傳熱中。沸騰用傳熱強化管///碳鋼不銹鋼銅合金典型的強化傳熱管即：高熱通量管(UCC)、Thermoexcell-E(日立)等。在沸騰傳熱系數(shù)低、溫差小(10°C)的蒸發(fā)器中，經(jīng)常使用強化傳熱管。上述管子均可提高傳熱系數(shù)1020倍。冷凝用傳熱強化管///碳鋼不銹鋼銅典型的強化傳熱管即：槽管、Thermoexcell-C(日立)、低翅管等。使用上述管子均可提高傳熱系數(shù)25倍。7.12換熱器選型標準7.12.1換熱器類型通過對上述換熱器的類型及應用進行分析，同時本工藝中所處理的物料及所使用的公用工程屬于一般常用物質，因而本設計就本工藝選取國家標準系列換熱器。結合工段中物料的溫度、壓力和粘度等特性，本工藝中多選擇浮頭式管殼式換熱器和固定管板式管殼式換熱器。7.12.2溫度工藝中冷卻水的溫度不宜高60℃，以避免管道結垢；一般情況下，高溫端的溫差不應小于20℃，低溫端不應小于5℃；當兩工藝流體之間進行熱交換時，低溫端的溫差不應小于20℃；當采用多管程、單殼程的管殼式換熱器，并用水作為冷卻劑時，冷卻劑的出口溫度不應高于工藝流體的出口溫度。在冷卻或冷凝工藝流體時，冷卻劑的入口溫度應高于工藝流體中易結凍組分的冰點，一般應高于5℃；當冷凝帶有惰性氣體的工藝流體時，冷卻劑的出口溫度應該低于工藝流體的露點，一般低于5℃；在冷卻反應物時，為了控制反應，應該維持反應流體和冷卻劑之間的溫差不小于10℃。7.12.3壓力管殼式換熱器工作時，增加工藝流體的流速，可相應增加傳熱膜的傳熱系數(shù)，從而提高總的傳熱系數(shù)，使換熱器結構更緊湊。但流速增加后將相應增大換熱器的壓力降，從而加劇換熱器的磨蝕和振動破壞等；同時，壓力降的增大也使得換熱器運行過程中的動力消耗增大。所以，一般應限制管殼式換熱器的最大壓力降，下表7-22列出了允許的壓力降范圍。表7-22換熱器壓力降允許范圍工藝流體的壓力允許的壓力降/MPa真空0.010.1～0.170.004～0.034>0.17>0.0347.12.4流體走向的選擇原則(1)當兩流體溫差大時，高溫流體一般走管程?？梢怨?jié)省保溫層和減少殼體厚度；有時為了便于高溫流體的散熱，也可以使高溫流體走殼程，單位了保證操作人員的安全，需設置保溫層。(2)較高壓力的流體走管程，以減少殼體厚度。(3)腐蝕性較強的流體宜走管程，以節(jié)省耐腐蝕材料。(4)較臟和易結垢的流體盡可能走管程，以便于清洗和控制結垢。如必須走殼程，則應采取正方形排列，并采取可拆式(浮頭式、填料函式、U型管式)的換熱器。(5)黏度較大的流體應走殼程，以得到較高的傳熱系數(shù)。(6)流量較小的流體應走殼程，易使流體形成湍流狀態(tài)，從而增加傳熱系數(shù)。7.12.5換熱管換熱管其具有多項參數(shù)，每項參數(shù)會對具體的換熱效果產(chǎn)生影響，所以選擇最優(yōu)參數(shù)是我們首要解決的問題，下面將就換熱管的各項參數(shù)作一定的討論。管徑：管子的尺寸和形狀對傳熱的效果有很大影響。采用小管徑時，換熱器單位體積的換熱面積較大，設備較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也高。據(jù)估算，將同直徑換熱器中的換熱管由Φ25mm改為Φ19mm，其傳熱面積可增加40%左右，節(jié)約20%金屬以上；但增加了制造難度，且小管子容易結垢，不易清洗。所以需要綜合考慮。下表為換熱管常用直徑規(guī)格。表7-23換熱管常用直徑規(guī)格碳素鋼、低合金鋼Φ19×2mmΦ25×2.5mmΦ32×3mmΦ38×3mm不銹鋼Φ19×2mmΦ25×2mmΦ32×2.5mmΦ38×2.5mm管程數(shù)：管程數(shù)增加，管內(nèi)流速增加，傳熱系數(shù)增加，但不必選用過高的管程數(shù)，以免壓力降過大，一般選在1～2左右。換熱面積：有些物流所需的換熱面積大，采用多個換熱器并聯(lián)，而不采用串聯(lián)，避免壓力降過高，導致傳熱系數(shù)變化。排列形式：如圖所示，換熱管在管板上的排列方式主要有正三角形、正方形和轉角正三角形、轉角正方形。正三角形排列形式使用最為普遍，由于管距都相等，可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)。但因管外不易清洗，其使用場合收到限制，主要適用于殼程介質污垢少，且不需要進行機械清洗的場合。而采用正方形和轉角正方形排列的管束，能夠使管間小橋形成一條直線通道，便于管外機械清洗。圖7-18換熱管排列型式管間中心距：換熱管中心要保證管子與管板連接時，管橋有足夠的強度和剛度。管間需要清洗時還要留有進行清洗的通道。換熱管中心距一般不小于1.25倍的換熱管外徑，常用的換熱管中心距下表所示。表7-24常用換熱管中心距換熱管外徑/mm1214192532384557換熱管中心距/mm1619253240485772管長：在滿足換熱面積和設計要求的條件下，應該盡量選用較短的管子，以降低壓降。余量：對于工藝物流間的換熱，一般留有40～70%的余量；對于工藝物流與公用工程間的換熱，一般留有10～35%的余量；對于操作相對穩(wěn)定的換熱留有余量可相對減少。密封條數(shù)：根據(jù)換熱器設計說明，一般每五排管設置一對密封條。折流板：折流板數(shù)目和間距按照《化工工藝設計手冊》的推薦值設定。表7-25折流板間距常用數(shù)值公稱直徑DN/mm管長/mm折流板間距/mm<500<3000100200300450600/4500～6000/600～8001500～6000150200300450600/900～1300<6000/200300450600/7500,90007501400～16006000//3004506007507500,9000/1700～18006000～9000///450600750表7-26折流板數(shù)目DN/mm數(shù)量/對5001500～10002>1000>37.12.6換熱器命名方法換熱器選型是按照GB151-1999管殼式換熱器標準上的標準管殼式冷卻器系列進行換熱器的選型。在該系列中，各符號表示的意義示例說明如下：AES500-3.5-62.5-6/20-2I其中：A表示前端管箱形式為平蓋管箱；E表示殼體形式為單進單出冷凝器殼體；S表示后端結構型式為浮頭式；3.5表示公稱壓力3.5MPa；62.5表示公稱換熱面積為62.5mP2P；6表示公稱長度為6m；20表示換熱管外徑為20mm；2表示管程數(shù)為2；I表示管束為I級，采用較高級冷拔鋼管對于換熱器殼程和管程的載熱流體的流量以及物性等參數(shù)，詳見工藝物料流程圖以及ASPEN模擬文件。7.13選型結果7.13.1E0102一級閃蒸冷凝器閃蒸罐閃蒸前冷凝器。選擇固定管板式換熱器。管程待預熱甲醇進料，最高工作溫度為121℃。殼程通甲醇芳構化反應器高溫產(chǎn)品物流，最高工作溫度為265.7℃。材料均選擇CS。列管排列采用正三角形排布，前端管箱為封頭管箱，后端為與封頭管箱相類似的固定管板式結構，殼體與列管溫差較大，殼體設計波形膨脹節(jié)，列管與管板的連接采用焊接。最后設計結果如下，型號為BEM900-0.7/0.7-938-25/35。圖7-19E0102 一級閃蒸冷凝器選型結果7.13.2E0103一級干燥加熱器烴類氣體干燥前加熱器。選擇固定管板式換熱器。管程通待預熱的原料，最高工作溫度為15℃。殼程通甲醇芳構化反應器產(chǎn)品物流，最高工作溫度為452.3℃。材料均選擇CS。列管排列采用正三角形排布，前端管箱為封頭管箱，后端為與封頭管箱相類似的固定管板式結構，殼體與列管溫差較大，殼體設計波形膨脹節(jié)，列管與管板的連接采用焊接。最后設計結果如下，BEM700-0.7/0.7614-25/28-1。圖7-20E0103一級干燥加熱器7.14換熱器設計利用ASPENPLUS中相關物流及換熱參數(shù)后，依據(jù)《化工機械手冊》和《化工工藝手冊》對換熱器進行了選擇。換熱器一覽見表7-27，具體見設計附錄。表7-27換熱器選型一覽表編號名稱型號內(nèi)徑(mm)設計壓力(Mpa)列管換熱面積(m2)材料質量(kg)殼程管程管長(mm)規(guī)格排列方式根數(shù)E0102一級閃蒸冷凝器BEM900-0.7/0.7-938-25/35-1Ⅰ9000.70.72500Φ35x96正三角形938410.7CS4153.8E0103一級干燥加熱器BEM700-0.7/0.7614-25/28-1Ⅰ7000.70.72500Φ28x96正三角形614448CS2947.1E0203二級閃蒸冷凝器BEM1500-0.6/0.15-3522-60/60-2Ⅰ15000.60.156000Φ60x240正三角形34221248.4CS26308.5E0204二級干燥加熱器BEM850-0.7/0.3-959-60/33-1Ⅰ8500.70.36000Φ33x240正三角形959350CS9571.5E0205烷基化預熱器BEM700-0.25/0.5-571-25/27-1Ⅰ7000.250.52500Φ27x96正三角形571500CS2659.4E0207三級閃蒸冷凝器BEM2500-0.2/0.7-9458-60/99-1Ⅰ25000.20.76000Φ99x240正三角形94586613.6CS68693.5E0208吸附預熱器BEM750-0.7/0.3-653-25/30-1Ⅰ7500.70.32500Φ30x96正三角形653365.8CS2959.2E02133#循環(huán)換熱器BEM550-0.7/0.6-282-25/21.2-1-Ⅰ5500.70.62500Φ21.25x96正三角形282246.9CS1441.6E02154#循環(huán)換熱器BEM-550-0.7/0.7-370-25/30-1Ⅰ5500.70.72500Φ30x96正三角形37054CS17577.15二甲苯分離工藝簡介分離混合二甲苯四種異構體(PX,EB,MX,OX)的工業(yè)方法中,物理過程主要有深冷結晶法、絡合分離法、吸附分離法，其次還有共晶、磺化等方法，其中以吸附分離法最為先進(目前世界上主要有美國UOP的Parex工藝和法國IFP的Eluxyl工藝）鎮(zhèn)海煉油化工股份有限公司PX裝置吸附分離部分在國內(nèi)首次采用的Eluxyl工藝，模擬移動床中填充的吸附劑固定不動，而液流進出口的位置周期性地沿著液體流動方向改變，以達到流體與吸附劑相對運動的效果，以此來模擬固體和液體相向移動的作用。因此，從效果上看，該過程是連續(xù)的，達到了移動床的效果，但床層本身是固定的，對吸附劑不會造成磨損，又能通過仔細填充吸附劑盡可能使液流在床層中均勻分布，減少溝流與返混，提高分離效果；同時又保留了移動床操作連續(xù)，質量穩(wěn)定，處理量大，便于自動化操作的優(yōu)點。7.16模擬移動床數(shù)學模型模擬移動床作為一種分離手段,能將一些沸點相近或分子量大、熱敏性高的有機混合液進行有效分離,在工業(yè)上已經(jīng)得到廣泛的應用;特別是在對二甲苯工業(yè)化生產(chǎn)中,目前世界上絕大多數(shù)工藝流程都采用模擬移動床的吸附分離裝置。本課題研究的Eluxyl工藝流程應用的模擬移動床是法國IFP公司獨有的。為了更好的說明模擬移動床的工作原理,有必要對移動床的工作原理做一個介紹。7.16.1移動床工作原理移動床的工作原理是讓固相吸附劑在移動床內(nèi)移動,其移動方向與物料和解吸劑流動方向相反,它在運動的不同區(qū)域內(nèi),分別與分離物料和解吸劑相接觸。吸附分離過程連續(xù)進行,必須有四股凈物流連續(xù)進出吸附床。如圖7-21所示。圖7-21物流連續(xù)進出吸附床液體由床層上部流向下部,固體吸附劑由床層下部流向上部,二者逆流接觸。簡單地說,設想進料中只含有A、B兩種組分,組分A能被吸附劑選擇性吸附;而實際上,本文所討論要分離的物料含有很多組分,但其中只有一種組分能被選擇性回收；為討論方便,我們將能被選擇性吸收的組分定為A,其余定為B。根據(jù)四股物流注入和引出的位置,人為地將吸附床床層分成四個區(qū)域:工區(qū)一稱之為“A的吸附”一吸附區(qū),位于原料(F)注入點和抽余液(R)引出點之間。當進料向下流經(jīng)I區(qū)時與向上移動的固體吸附劑逆流接觸,進料中的組份A被吸附劑微孔選擇吸附,同時,微孔中的組份D即解吸劑被解吸而進入液流,為組份A提供進入微孔的空間。H區(qū)一“B的解吸”一精制區(qū),位于原料注入點(F)和抽出液(E)引出點之間。在原料注入點,向上流動的固體吸附劑含有大量在工區(qū)吸附的組份A。同時因為吸附劑剛與新鮮進料相接觸,微孔中也含有大量的B;隨著固體吸附劑向上不斷地選擇性吸附,等到達H區(qū)頂部的液體不含B,只有組份A和D。因此,當吸附劑通過H區(qū)時,微孔中的組份B逐步被A和D取代。在H區(qū)頂部,吸附劑的微孔中只含有A和D。工H區(qū)一“A的解吸”一解吸區(qū),位于解吸劑(D)注入點與抽出液(E)引出點之間。到達工H區(qū)的吸附劑只帶有A和D,到達該區(qū)頂部的液體只含有純D。當液態(tài)物流向下流動時,微孔中的組份A被D取代。一部分離開IH區(qū)底部的液體作為抽出液引出,剩余部分作為H區(qū)回流而向下流動。工V區(qū)一“隔離區(qū)”一IV區(qū)的主要目的是將工區(qū)中的進料組份同工H區(qū)的抽出物隔開,在Hl區(qū)頂部,吸附劑的微孔完全由D充滿。到達IV區(qū)頂部的液體由B和D組成。通過適當調節(jié)IV區(qū)物流的速率,可以避免物流中的組分B進入工H區(qū)而污染抽出液,另外還部分回收解吸劑D。在模擬移動床發(fā)明之前,移動床在生產(chǎn)對二甲苯的工業(yè)化裝置中起了很重要的作用,然而實際生產(chǎn)過程中在固體吸附劑在移動床中移動是很困難的,而且會帶來下面一些問題:a、吸附劑的機械磨損;b、粉碎的吸附劑粉塵容易堵塞管道;C、固體在移動床中很難做到均勻流動,吸附分離效果非常低。鑒于以上問題,法國IFP公司設計出一種新的工藝--一Eluxyl工藝,該工藝最主要特點是開發(fā)了獨特而先進的旋轉閥,實現(xiàn)了吸附劑在移動床的模擬移動,既保持了逆向流動的工藝特性,又克服了吸附劑自身移動所引發(fā)的問題。模擬移動床共有七條進出物料管線,將24個床層分成七個小區(qū)域。主要區(qū)域仍為四個,各區(qū)域的床層數(shù)分配如圖7-22所示:圖7-22床層數(shù)分配圖物料衡算及邊界條件共可獲得52個方程式,該方程組為大型稀疏方程組,用Bending一Harson法能很快求得52個未知數(shù)。吸附塔模擬程序計算流程圖如下所示:圖7-23吸附塔模擬算法流程7.16.2吸附塔模擬結果模擬移動床作為Eluxyl工藝的主要設備,模擬移動床的分離效果對對二甲苯的純度起很重要的作用,下面圖分別顯示模擬移動床的模擬結果和實際結果。圖7-24模擬移動床的模擬值圖7-25模擬移動床的設計值圖7-26各組分的濃度計算值與設計值的比較從上述圖表可以看出,利用具有軸向返混穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型計算的模擬移動床組分的分布與實際結果符合得相當好,說明該數(shù)學模型是比較接近實際情況的,但也出現(xiàn)一些偏差主要原因是:1、模型假設對床層1的偏差較大。2、模型參數(shù)較多,實際數(shù)據(jù)較少,難于進行模型最優(yōu)參數(shù)估值。7.16.3精餾塔的模擬結果根據(jù)Eluxy工藝流程簡述,從模擬移動床出來的兩股物流,一股是抽出液進入抽出液塔,其主要成分為解吸劑、對二甲苯和微量的甲苯;另一股是抽余液進入抽余液塔,其主要成分解吸劑和原料中除開進入抽出液塔的其它物質。抽出液塔的作用是將進入塔內(nèi)的解吸劑與對二甲苯和微量的甲苯通過蒸餾的方式分離開來,因為對二甲苯、甲苯的沸點相對與解吸劑是比較低的,在生產(chǎn)中,調節(jié)適當?shù)臏囟?、壓力及回流比。在抽余液塔的塔頂將獲得純度較高的對二甲苯和甲苯,在塔底將獲得純度很高的解吸劑;塔頂?shù)漠a(chǎn)物經(jīng)過冷卻進入成品塔,在成品塔內(nèi)通過精餾作用,塔底將獲得純度很高的產(chǎn)物—對二甲苯;抽出液塔底的解吸劑將和抽余液塔底產(chǎn)物解吸劑匯合進入吸附塔。抽余液塔的作用是使進入塔內(nèi)的解吸劑與進入塔內(nèi)的乙苯、間二甲苯、鄰二甲苯的混合物分離開,進入抽余液塔的物質在精餾的作用下,輕組分乙苯、間二甲苯、鄰二甲苯的混合物作為該塔塔頂產(chǎn)物;而重組分解吸劑作為塔底產(chǎn)物與抽出液塔底的產(chǎn)物混合進入吸附塔循環(huán)使用。前面提到的抽余液塔、抽出液塔及成品塔,實質上它們都是精餾塔,下面就是這些精餾塔的模擬結果和設計值的對比。圖7-27抽出液塔模擬結果及設計數(shù)據(jù)圖7-28抽余液塔模擬結果及設計數(shù)據(jù)圖7-29成品塔模擬結果及設計數(shù)據(jù)從上述圖表我們可以看出,利用精餾塔的動態(tài)數(shù)學模型分別計算的抽余液塔、抽出液塔、成品塔的溫度壓力和組成與設計結果相比較,符合得相當好,一方面說明該數(shù)學模型是比較接近實際情況的;另一方面從這三個精餾塔的組成來看,每個精餾塔相對來講組分比較少,且組分之間屬于同系物,容易形成理想溶液。但也出現(xiàn)一些偏差主要原因是:1、從模擬移動床出來的液體組成與設計值如有一定的偏差,傳遞到精餾塔,如精餾塔的操作條件還大體與設計條件一樣,那么精餾塔的組成就會有一定的差別。2、在精餾塔數(shù)學模型的建立過程中,采用了熱力學平衡和傳遞無滯后的假設,然而在實際過程中,體系并非處在熱力學平衡狀態(tài),并存在傳遞滯后。特別是在開停車過程中,距離平衡狀態(tài)更遠。

第八章自動控制系統(tǒng)設計自動控制即在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行。一個化工廠要進行正常的運行，除了要有現(xiàn)場操作人員進行巡視和控制，很大程度上依賴于控制系統(tǒng)的設計和儀表的合理運用，它將人類從復雜、危險、繁瑣的勞動環(huán)境中解放出來并大大提高了控制效率。8.1概述本項目為84.5萬噸甲醇制38萬噸/年對二甲苯項目，為易燃易爆、危險、連續(xù)生產(chǎn)、高投資運行的化工項目，應配置可靠、先進的控制設備。選擇的控制系統(tǒng)除滿足以上要求之外，還應從對二甲苯產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模、系統(tǒng)投入、系統(tǒng)性能及實用性等多方位考慮。該集成工廠所有的工藝裝置和大部分公用工程、輔助設施等，均采用PLC進行過程控制和檢測，實現(xiàn)集中操作，并建立全廠實時數(shù)據(jù)庫，為全廠計算機信息管理和生產(chǎn)調度建立基礎，儀表與儀表、儀表與現(xiàn)場總線間的信息傳輸采用數(shù)字信號，克服了模擬信號的抗干擾能力低的缺點。本集成工廠設置中心控制室（CCR）。廠區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)裝置、公用工程及輔助設施的PLC顯示操作站和部分控制站及附屬設備均集中在中心控制室，進行集中操作、控制和管理。根據(jù)全廠總平面的布置，設置若干個現(xiàn)場機柜室（FRR）。各工藝裝置或輔助單元的PLC控制站，安裝在各現(xiàn)場機柜室。從現(xiàn)場機柜室到中心控制室的控制網(wǎng)絡用冗余鎧裝光纜（電纜）連接。在現(xiàn)場機柜室（外操室）內(nèi)可設置一臺只讀顯示操作站，為現(xiàn)場操作人員使用；在現(xiàn)場機柜室內(nèi)可設置一臺現(xiàn)場工程師站，用于正常的系統(tǒng)維護和數(shù)據(jù)庫組態(tài)。按全廠總流程和總平面布置，中心控制室根據(jù)裝置和系統(tǒng)需求設置操作站，每站設若干操作臺、打印機和輔助操作臺等設備。8.2儀表選擇8.2.1化工生產(chǎn)常用儀表溫度測量儀表溫度測量儀表有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、熱電偶等接觸式儀表，也有光學、光電和輻射高溫計之類的非接觸式儀表。壓力測量儀表壓力測量儀表有液柱式壓力表、普通彈簧管式壓力表、專用彈簧管式壓力表（氨、氧氣、氦氣、乙炔等氣體用）、膜片式壓力表、特種壓力表（耐酸、耐高溫等）。流量測量儀表流量測量儀表有轉子式（經(jīng)常使用的有玻璃轉子流量計）和容積式等。8.2.2單元組合儀表的選擇單元組合儀表根據(jù)使用動力情況及功能組件組合方式，一般可分為:氣動單元組合儀表;電動單元組合儀表;電子組裝式儀表。在工程設計中，究竟采用氣動儀表還是電動儀表，應該根據(jù)裝置的具體條件進行綜合考慮和分析。一般來說，下列條件以選用氣動儀表為宜:自變送器至顯示調節(jié)儀表間的距離較短，通常以不超過I50m較為合適；工藝物料是易燃易爆介質或應用于相對濕度很大的場合;要求儀表投資少;一般中小型企業(yè)要求易維修，經(jīng)濟可靠;在以電動儀表為主的大型裝置里，有些現(xiàn)場就地調節(jié)回路不要求引入中央控制室集中操作時，可采用氣動儀表。另外，下列條件以選用電動儀表為宜:變送器至顯示調節(jié)單元間的距離超過I50m以上時;大型企業(yè)要求高度集中管理的中央控制時;設置有計算機進行控制及管理的對象;要求響應速度快，信息處理及運算復雜的場合。國內(nèi)目前電動單元組合儀表有DDZ-II型和DDZ-III型兩種，DDZ-II型是早期產(chǎn)品，電動單元組合儀表和電子式組裝儀表都是以集成電路為主的組件，采用DDZ-III型整套儀表的功能大大擴大，性能顯著提高。8.3控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)是由被控對象、測量變送單元、調節(jié)器和執(zhí)行器組成的單回路控制系統(tǒng)。按被控制的工藝變量來劃分，最常見的是溫度、壓力、流量、液位和成分五種控制系統(tǒng)。復雜控制系統(tǒng)復雜控制系統(tǒng)有串級控制、均勻控制、分程控制、采用模擬計算單元的控制系統(tǒng)、自動選擇性控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)等。程序控制系統(tǒng)可編程序邏輯控制器PLC：最初是為適應機器制造業(yè)以順序控制為主的各種控制任務而設計的，用以解決工業(yè)生產(chǎn)中大量的開關控制問題。與繼電器組成的邏輯控制系統(tǒng)相比，PLC的最大特點在于通過重新編程即可改變控制方式和邏輯規(guī)律，使其成為靈活的控制工具、在報警、聯(lián)鎖、馬達自動開停定時計數(shù)、安全保護事故切斷、順序操作、配料、批量控制、根據(jù)約束條件進行平?jīng)r的選定和切斷等邏輯控制領域得到廣泛的應用。集散控制系統(tǒng)DCS以微處理機為核心，綜合了控制、計算機、通訊三大技術，是一種組件化、積木化、數(shù)模結合的自動化技術工具。一般由現(xiàn)場控制站、操作站、通訊總線三大部分組成。各個部分均采用微處理機，都具有記憶、邏輯、判斷和數(shù)據(jù)運算等功能。DCS以分散的控制適應分散的控制對象，以集中的監(jiān)視、操作和管理來達到掌管全局的目的。本系統(tǒng)控制優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：充分利用了計算機強大的計算處理能力，實現(xiàn)指示、記錄、報警、實時反饋信號、降低滯后時間，保證精確控制，能夠根據(jù)工況變化進行調整，時刻優(yōu)化控制變量及控制要求，使生產(chǎn)得到優(yōu)化，保證在生產(chǎn)同等產(chǎn)量的時候效率和產(chǎn)品的品質更高。降低了工作人員的勞動強度，統(tǒng)一管理，提高了各儀表閥門的自動化程度。儀表間的連接采用總線連接，線路簡單，方便安裝和檢修。儀表主要為智能儀表，儀表之間可以相互聯(lián)系，實時調整，精確控制?，F(xiàn)場設備可以相互通信，統(tǒng)一組態(tài)，構成所需的控制系統(tǒng)。硬件和安裝費維護費用低?，F(xiàn)場總線支持總線供電，即兩根導線在為多個自控設備傳送數(shù)字信號的同時還為這些設備傳輸工作電源，可以滿足本質安全防爆要求?，F(xiàn)場總線設備的的智能化和數(shù)字化，從根本上提高了測控精度。8.4過程控制與檢測8.4.1泵的控制方案變頻器的使用在化工生產(chǎn)中流體輸送是最常見的，甚至是必不可少的單元操作。離心泵是化工生產(chǎn)過程中主要的流體輸送機械，它通過葉輪使流經(jīng)葉輪的流體受離心力的作用來提高流體的機械能，用于克服流體輸送沿程中的機械能損失。通常所選的離心泵的揚程、流量和管路中的要求不一致，在選用離心泵時，有時依據(jù)最大流量來選擇，同時為了留有余量再放大一個系數(shù)，以致造成“小馬拉大車”的局面。并且在實際操作時工藝參數(shù)常有變動，當泵的實際操作參數(shù)偏離額定參數(shù)較大時泵的工作效率將大大降低。當泵的流量需要調節(jié)時，傳統(tǒng)的方法是調節(jié)管路上閥門的開路來控制流量，該方法操作簡單但是會在閥門處產(chǎn)生能量消耗，改變轉速調節(jié)方法能有效地避免這一點。隨著電力電子技術及控制理論的發(fā)展，變頻器已廣泛應用于交流電動機速度控制。利用變頻器可以實現(xiàn)任意調節(jié)電機轉速，實現(xiàn)平滑的無極調速，在泵負荷變化頻繁且負荷變化大的場合更能體現(xiàn)出節(jié)能效果。傳統(tǒng)的電機調速方法是通過改變齒輪變速箱的速度比得到不同的轉速，這種機械式有級變速方式不能保證最有利的變速，而且調速裝置體積大、造價高。根據(jù)電機學可知，要想泵的轉速平滑的變動，可以通過改變定子供電頻率f來實現(xiàn)。即：然而頻率f的變化會導致電壓U的變化，根據(jù)U和f不同的比例關系，變頻器通常有以下幾種調速方式：恒比例控制方式（U/f值不變）；恒磁通控制方式（E/f/值不變）；恒功率控制方式（U/值不變）；恒電流控制方式。對于泵，其負載隨頻率f的降低而減小，因此可選擇恒比例控制方式，其電機的最大轉矩隨頻率的降低而減小。采用U/f方式的變頻器，在輸出某一功率，負載一定時，存在一個最佳工作點，負載變化，最佳點移動，針對這一特點，大部分變頻器設置了節(jié)能運行的功能，變頻器能夠自動尋找這一工作點，因此可以用于泵的自動控制中。使電機總是工作在最佳工作點上，從而達到節(jié)能的目的變頻器的工作原理如下圖8-1所示：圖8-1變頻調節(jié)自動控制系統(tǒng)該項目中二甲苯分離塔塔釜液輸送泵P0108即可選用變頻調節(jié)的辦法來節(jié)約能源同時降低了勞動強度，使整個過程更加人性化、智能自動化、同時也能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。普通泵的控制為了說明泵的基本控制方案，將輸送液體的泵系統(tǒng)分為以下三個部分：1.泵入口側管道（吸入管路），即從泵的吸入容器的出口管法蘭為起端，至泵的入口法蘭為止；2、泵出口側管道（出口管路），即從泵出口法蘭起至下游的容器入口法蘭為止；3、泵的公用物料、輔助設施和驅動機構。壓力測定所有泵的出口都必須至少設有就地指示壓力表，其位置在泵出口和第一個閥門之間，對于離心泵，壓力表的量程應大于泵的最大關閉壓力。流量測定和調節(jié)由于泵的出口側不允許大的壓力降，并且通常一臺泵有多個用戶使用，所以泵的流量測定系統(tǒng)設在出口側。若工藝只要求測定流量，則只設指示儀表，可為累計流量或瞬時流量，若需穩(wěn)定或調節(jié)流量，則需與其他參數(shù)關聯(lián)，對于本項目采取的是，在泵出口側測定流量，而將控制閥設于不同位置來調節(jié)流量。報警與聯(lián)鎖在要求嚴格的場合，例如流量中斷會引發(fā)工藝、設備或人身事故時，應根據(jù)參數(shù)變化的靈敏程度，選擇低壓或高液位、低液位或其他參數(shù)報警。更重要的場合還應與泵的動力源聯(lián)鎖、自動停泵或啟動備用泵。排氣、排凈1、離心泵在殼體上設有帶絲堵的排氣口。2、所有離心泵上設有殼體排凈口，應配置閥門。3、其他類型的泵均應有合適的帶絲堵的排氣口和排凈口。4、泵的入口側管道和出口側管道上應根據(jù)物料物性、工藝操作和開、停車要求設置裝有閥門的排氣和排凈管，排出物接至合適的排放系統(tǒng)。當需要設置帶閥門的排凈管時，應設置在泵的入口側和出口側位置。本工廠選用的大多數(shù)泵為離心泵，對于離心泵可以采用調節(jié)葉輪轉動方式來控制流量，利用該種方法控制可以節(jié)省泵的電耗，具體控制示例見圖8-2泵P0201控制系統(tǒng):圖8-2泵P0201控制系統(tǒng)8.4.2壓縮機的控制方案壓縮機按其工作原理分為兩大類：溶劑型和速度型。溶劑型壓縮機通常有活塞式、螺桿式、水環(huán)式；速度型壓縮機通常有離心式、軸流式。對于本項目來說，主要使用的壓縮機為離心式，故該節(jié)主要講述離心式壓縮機的控制方案。工藝進氣管1、壓縮機進氣管道要短，彎頭要少，彎曲半徑宜大，一般大于3倍的管道直徑。2、為防止管道內(nèi)冷凝液帶入壓縮機，壓縮機入口前必須設置氣液分離器，除去冷凝液，當冷凝液為可燃或有害物質時，冷凝液應排入相應的密閉系統(tǒng)。氣液分離器應盡量靠近壓縮機入口布置，管道坡向氣液分離器，以免冷凝液進入壓縮機氣缸。3、每臺壓縮機進氣管道上都應設置臨時過濾器，通常采用錐形過濾器，過濾面積取大于管道截面積的的2倍，濾網(wǎng)一般為10～30目。管道過濾器應靠近壓縮機入口管道處，盡量設置水平管道上便于安裝、操作的位置，不宜設在介質自上而下的垂直管道上。4、壓縮機進氣管道上應設置人孔或可拆短管，用于開機前安裝過濾器和清掃管道。5、進氣管直徑與壓縮機吸入管口不符時，應采用過渡異徑管連接，異徑管常用底平偏心異徑管，嚴禁采用異徑法蘭連接。6、進氣管道應設置切斷閥，一般為閘閥。7、壓縮機入口設置排氣防空管，排氣閥應設置快速開、關的切斷閥，常用球閥。8、可燃、易爆或有毒氣體壓縮機進氣管道上設有開停車使用的惰性氣體接管口。惰性氣體入管口設在壓縮機進氣切斷閥下游，靠近閥門布置以減少死角。置換氣體排入排氣防空總管。9、易產(chǎn)生冷凝液的管道應采用伴熱管保溫。10、為防止離心式壓縮機吸入管的喘動，應設有出氣管返回進氣管的回路。11、進氣管應避免突然縮小管徑。工藝排出氣管1、壓縮機排出氣有一定的溫度，排出氣管道在熱態(tài)時的力和力矩，必須小于壓縮機出口管嘴所允許承受的外力和力矩。當超過允許的外力和力矩時，應改變管道的布置或在工藝排出氣管道上設置補償器。2、離心式壓縮機工藝排出氣管道上應設置止回閥，止回閥應設在切斷閥上游。3、在出口閥關閉狀態(tài)啟動壓縮機，以及在壓縮機正常運行中誤操作，關閉出口閥們都會引起壓縮機和管道超壓。為保護壓縮機，出口切斷閥上游應設置安全閥，安全閥靠經(jīng)出口閥設置。當壓縮氣體為可燃氣體時，安全閥設置在出口止回閥上游，安全閥出口管道排放至安全系統(tǒng)，安全閥的排放管不得低于系統(tǒng)的最低點，以防存液而影響安全閥的動作。4、安全閥入口管上不設置切斷閥，如果需要設置切斷閥，正常運行時，切斷閥應處于常開狀態(tài)，并采用常開鉛封。5、為防止離心式壓縮機的喘振，在出口閥上游設置抗喘振回流管?？諝鈮嚎s機抗喘振管不必返回壓縮機入口，應直接放空，放空管至高出房頂，頂端設放空消聲器。6、工藝氣體抗喘振回流管的返回氣體需經(jīng)冷卻后接至壓縮機工藝進氣管道上，在回流管道上設置控制閥組。7、采用大循環(huán)方式的回流管道上的控制閥組宜靠近冷卻器布置，以縮短管道，減少控制閥組的壓力降。9、抗喘振控制閥維持最小不喘振流量，壓縮機每段最小不喘振流量可從壓縮機工作曲線上讀取，控制閥直徑可根據(jù)合適壓差和最小喘振流量選定。10、離心式壓縮機各段應設置回流管路，控制最小回流量(即最小抗喘振流量)。一般多級葉輪的高壓機各段最小流量不得低于正常流量的80%;單級葉輪的壓縮機各段最小回流量不低于正常流量的50%，離心式壓縮機抗喘振的回流控制，如圖8-3所示。11、振動管道上彎矩大的部位，不宜設置分支管。12、容易產(chǎn)生振動的管道應采用大彎曲半徑的彎頭。圖8-3防哮喘回流儀表控制設計的一般要求（1）工藝控制參數(shù)壓縮機各級進、出口氣體壓力。壓縮機各級進、出口氣體溫度。冷卻水進水壓力、低限報警、聯(lián)鎖停車。各級冷卻器、氣缸冷卻水出口溫度。潤滑油進口壓力低限報警并聯(lián)鎖停車。氣液分離器油位。油箱油位。壓縮機進氣流量。壓縮機入口壓力低限報警，出口壓力高限報警，并與前后工序聯(lián)鎖，超限時停車。排出氣體的溫度高限報警。壓縮氣體為易冷凝氣體時，壓縮機出口氣體溫度應設低限報警。冷卻水流量。（2）離心式壓縮機的進氣流量控制離心式壓縮機各段的流量不能過低，如果太低將產(chǎn)生飛動現(xiàn)象（即“喘振現(xiàn)象”），為防止喘振的產(chǎn)生，須設置抗喘振控制系統(tǒng)。常用以下方法來控制流量，維持工藝進氣或工藝排氣壓力穩(wěn)定，防止喘動。1、改變轉速。 2、工藝排氣管節(jié)流調節(jié)。3、工藝進氣管節(jié)流調節(jié)。4、工藝進氣口裝導間片。5、抽氣調節(jié)。（3）壓縮機工藝排氣壓力調節(jié)為防止壓縮機的出口壓力過高，工藝出日排氣管上設有超壓控制閥，控制回流或放空的氣量來維持出口壓力恒定。（4）壓縮機配帶的儀表各級工藝進氣溫度指示。各級工藝排氣溫度指示。壓縮機軸承溫度指示。各級冷卻水排水溫度指示。各級工藝進、出口壓力指示。一段工藝進氣壓力低限報警、聯(lián)鎖。最終段工藝排氣壓力高限報警、聯(lián)鎖。冷卻水進口壓力低限報警、聯(lián)鎖。潤滑油進口壓力低限報警、聯(lián)鎖，油箱液位指示。最終段工藝排氣溫度高限報警、聯(lián)鎖。8.4.3換熱器的控制方案換熱器形式大體分為三種：間壁式換熱器、直接混合換熱器、蓄熱式換熱器，對于本項目來說，主要采用的是間壁式換熱器。冷熱介質的進、出口流向安排，應滿足于得到最大的(對數(shù))平均溫差的需要，滿足于工藝過程的要求。液體介質一般應下進上出，但如果由于規(guī)定，要求使其上進下出時，則出口應設置向上的液封管或加控制閥，以避免該介質側液體流空，不利于傳熱。列管式換熱器易產(chǎn)生污垢的介質(如循環(huán)冷卻水、懸浮液、易聚合物料)一般走管程;當污垢的介質走殼程時，應當采取措施，例如用正方形排列的浮頭式換熱器，以便清除污垢。臥式換熱器安裝時，需要保持1%的坡度，折流板缺口應與水平方位垂直。切斷閥工藝側一般不設置切斷閥，下列情況除外。1、設備在生產(chǎn)中需要從流程中切斷(停用或在線檢修)時，在工藝側應設置切斷閥，并需設旁路。2、兩側均為工藝流體，需調節(jié)的一側按需要設置控制閥、切斷閥和旁路管道。3、兩臺互為備用的換熱器，需分別在工藝側設切斷閥。非工藝側的傳熱介質(水蒸汽、熱傳導液、冷卻水等)，在進出換熱器處通常需要設置切斷閥。一般可選用閘閥或蝶閥;有粗略的調節(jié)流量要求時，選用截止閥。排氣口和排凈口化工設備的排氣口和排凈口的設置見行業(yè)標準《閥門的設置》；(HG/T20570.18-95)，換熱設備(換熱器)的排氣口和排凈口按下述規(guī)定。在設計換熱器配管時，要使得通過操作管道將氣體(開工時的置換氣體或過程中產(chǎn)生的氣體)及需排凈的液體全部置換、排放和排凈，在管道上或在其他設備上不能提供排氣和排凈口時，應在換熱器筒體(封頭和管箱)上設置排氣和排凈口，在換熱器筒體上的排氣和排凈口一般用絲堵，并用堵頭堵塞，不表示在PID圖上，如需裝閥門，應表示在PID圖上。排氣口與排凈口設閥門或設絲堵，需根據(jù)操作頻繁程度及介質種類而定。為了換熱設備的順利排凈，在設備或管道的高點也應設排氣口。排氣口、排凈口裝閥門后，可能產(chǎn)生凍結或因為閥門價格昂貴(如合金鋼閥門），可以取消排氣閥，在這種情況下，要指出由于氣體沒有排凈而存在的氣(汽)室對換熱器引起的腐蝕及熱應力的影響。液體走立式換熱器殼程時，上管板排氣口要裝閥。傾斜式(向下傾或向上傾)換熱器的殼程走液體，上管板排氣口應裝閥。如果液體的流向是向下的，裝有閥門的排氣口，應設在靠近出口接管處的合適高度上。液體流向是向上的換熱器，如需裝安全閥，則推薦裝在液體出口側。通常不凝氣的分子量比水蒸汽要大，因此不凝氣將積聚在水蒸汽相的底部，低分子量的不凝氣(如在多效蒸發(fā)器內(nèi))，應當設置高點排氣口。根據(jù)所選用的蒸汽疏水閥類型即疏水閥排放不凝氣的能力，來決定是否在疏水閥管道上和蒸汽冷凝水設備上，安裝帶有閥門的排氣口。設備上應在遠離蒸汽進口一側的高點設置裝有閥門的排氣口。出現(xiàn)冷凝水液面(即調節(jié)冷凝水淹沒列管高度)的設備，液面計的接口可用于不凝氣的排氣口。氣體冷凝可采用水蒸汽相同一的方法來設置排氣口，安裝一些裝有閥門的排氣口。當工藝設計中已經(jīng)提出合理的不凝氣排除措施時，可不另在冷凝設備上設置排氣口。進料液體被蒸發(fā)的氣化器、增濃器、鍋爐等應設有一處或幾處帶閥門的低點排凈口，排放沉積物、含大量可溶性物質的液體或難揮發(fā)的液體，排凈口的大小應與工藝要求相符。立式再沸器頂部封頭上不設排氣口，如需要設置，通常采用絲堵。儀表控制設計的一般要求（1）檢測測要求首先應根據(jù)工藝要求來決定，通常對于每一臺工藝換熱器(不包括潤滑油冷卻器和工藝目的，裝在設備上的小型公用工程換熱器)應設置溫差(即對數(shù)平均溫差)的檢測，一般要求如下:蒸汽加熱器在供汽管上設置壓力指示，冷凝水溫度不需檢測。蒸汽發(fā)生和直接制冷冷卻器采用壓力指示，液體進料溫度不設檢測點。共用液體公用工程物料(冷卻水、熱傳導液等)的換熱器組，只需在公用工程物料進料總管上檢測溫度。利用殼程內(nèi)液體(包括冷凝水)淹沒管程高度的不同而引起有效傳熱面積變化的換熱器，應設置液面指示。（2）控制通過換熱器進行冷卻、加熱、蒸發(fā)等換熱過程的控制，應以工藝物料的要求來選擇合適的控制方案，通常采取調節(jié)有效傳熱面或根據(jù)工藝物料出口溫度來調節(jié)冷(熱)載體的流量和改變溫差等方法來實現(xiàn)溫度控制。管殼式換熱器(及再沸器)，以蒸汽冷凝水為被調參數(shù)，采用冷凝水管上節(jié)流閥調節(jié)有效傳熱面，通常不用于蒸汽和冷凝水走管程的情況。（3）溫度檢測、指示冷卻器冷卻水出口及被冷卻的工藝物料出口均應設溫度檢測，根據(jù)重要性分別采用不同的測溫措施，例如只設溫度計套管、就地溫度計，在控制室顯示的溫度計及可調控其它參數(shù)或報警的溫度計。（4）溫度控制根據(jù)被冷卻的工藝物料出口溫度來調節(jié)冷載體(冷卻水)的流量?？刂品桨笧楸容^復雜的溫度控制模式，冷卻水出口只設測溫點，被冷卻的工藝物料除流量控制外，工藝物料出口設有溫度報警和工藝出口