四川理工学院精品课程 《化工设计》精品课程 Design of Chemical Engineering 第四章设备的工艺设计及化工设备图 基本要求 (1)掌握化工设备的选用和设计的一般原则 (2)熟练进行化工设备的选用(设计) (3)熟练掌握化工设备图的绘制和阅读 第一节化工设备选用及工艺设计的一般原则 化工设备从总体上分为两类:一类称标准设备或定型设备,是成批成系列生产的设备, 可以现成买到;一类称非标准设备或非定型设备,是化工过程中需要专门设计的特殊设备。 标准设备有产品目录或样本手册,有各种规格牌号,有不同生产厂家。工艺设计的任 务是根据工艺要求,计算并选择某种型号,以便订货 非标准设备也是化工生产中大量存在的设备,它甚至是化工生产的一种特色。非标准 设备工艺设计就是根据工艺要求,通过工艺计算,提出型式、材料、尺寸和其他一些要求。 再由化工设备专业进行机械设计,由有关工厂制造。在设计非标准设备时,应尽量采用已 经标准化的图纸。 选型和工艺设计的原则如下。 (1)合理性。即设备必须满足工艺一般要求,设备与工艺流程、生产规模、工艺操作 条件、工艺控制水平相适应,又能充分发挥设备的能力 (2)先进性。要求设备的运转可靠性、自控水平、生产能力、转化率、收率、效率要 尽可能达到先进水平 (3)安全性。要求安全可靠、操作稳定、弹性好、无事故隐患。对工艺和建筑、地基、 厂房等无苛刻要求;工人在操作时,劳动强度小,尽量避免高温髙压高空作业,尽量不用 有毒有害的设备附件附料。 (4)经济性。设备投资省,易于加工、维修、更新,没有特殊的维护要求,运行费用 减少。引进先进设备,亦应反复对比报价,考察设备性能,考虑是否易于被国内消化吸收 和改进利用,避免盲目性 总之,要综合考虑合理性、先进性、安全性、经济性的原则,审慎地硏究,认真地设 第二节化工设备的选用 为正确、方便地进行化工设备的工艺设计,现将一些常用的化工设备的选用及设计方 法介绍如下 泵的选用与设计程序 (1)确定泵型。根据工艺条件及泵的特性,首先决定泵的型式再确定泵的尺寸。从被
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第四章设备的工艺计算及化工设备图 输送物料的基本性质出发,如物料的温度、粘度、挥发性、毒性、化学腐蚀性、溶解性和 物料是否均一等因素来确定泵的基本型式。此外,还应考虑到生产的工艺过程和动力、环 境等条件,如生产操作连续或间断运转、扬程和流量的波动范围、动力来源、厂房层次高 低等因素。流量大而扬程不高时可选用单级离心泵;流量不大而扬程高的宜选往复泵或多 级离心泵;输送有腐蚀性介质,选耐腐蚀泵;输送昂贵液体、剧毒或具有放射性能的液体 选用完全不泄漏、无轴封的屏蔽泵;当要求精确进料时应选用计量泵或柱塞泵等。在选择 泵的型式时,应以满足工艺要求为主要目标 ②2)确定选泵的流量和扬程 ①流量的确定和计算。选泵时以最大流量为基础。如果数据是正常流量,则应根据工 艺情况可能出现的波动,开车和停车的需要等,在正常流量的基础上乘以1.1~1.2的安全 系数。流量通常都必须换算成体积流量,因为泵生产厂家的产品样本中的数据是体积流量。 ②扬程的确定和计算。先计算出所需要的扬程,即用来克服两端容器的位能差,两端 容器上静压力差,两端全系统的管道、管件和装置的阻力损失,以及两端(进口和出口) 的速度差引起的动能差。扬程值用柏努利方程计算,用米液柱表示。计算出的扬程不能作 为选泵的依据,一般要放大5%~10%。 (3)确定泵的安装高度 (4)确定泵的台数和备用率。按泵的操作台数,一般只设一台泵,在特殊情况下,也 可采用两台泵同时操作。输送泥浆或含有固体颗粒及其他杂质的泵和一些重要操作岗位用 泵应设有备用泵。对于大型的连续化流程,可适当提高泵的备用率,而对于间歇操作,泵 的维修简易,操作很成熟的常常不考虑备用泵。 (5)校核泵的轴功率。 泵的样本上给定的功率和效率都是用水试验出来的,输送介质不是清水时,应考虑密 度、粘度等对泵的流量、扬程性能的影响。 (6)确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量。 (7)选用电动机。 (8)填写选泵规格表。 换热设备的设计和选用 1.换热器设计的一般原则 (1)基本要求。换热器设计要满足工艺操作条件,能长期运转,安全可靠,不泄漏, 维修清洗方便,满足工艺要求的传热面积,尽量有较高的传热效率,流体阻力尽量小,还 要满足工艺布置的安装尺寸等要求 (2)介质流程。何种介质走管程,何种介质走壳程,可按下列情况确定:腐蚀性介质 走管程,可以降低对外壳材质的要求;毒性介质走管程,泄漏的几率小;易结垢的介质走 管程,便于清洗和清扫;压力较高的介质走管程,这样可以减小对壳体的机械强度要求 温度高的介质走管程,可以改变材质,满足介质要求;粘度较大,流量小的介质走壳程 可提高传热系数。从压降考虑,雷诺数小的走壳程。 (3)终端温差。换热器的终端温差通常由工艺过程的需要而定。但在工艺确定温差时, 应考虑换热器的经济合理和传热效率,使换热器在较佳范围内操作。一般认为: ①热端的温差应在20°C以上; ②用水或其他冷却介质冷却时,冷端温差可以小一些,但不要低于5°℃: ③当用冷却剂冷凝工艺流体时,冷却剂的进口温度应当高于工艺流体中最高凝点组分 的凝点59C以上 ④空冷器的最小温差应大于20°℃ ⑤冷凝含有惰性气体的流体时,冷却剂出口温度至少比冷凝组分的露点低5℃
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《化工设计》精品课程 (4)流速。在换热器内,一般希望采用较高的流速,这样可以提高传热效率,有利于 冲测污垢和沉积。但流速过大,磨损严重,甚至造成设备振动,影响操作和使用寿命,能 量消耗亦将増加。因此,比较适宜的流速需经过经济核算来确定。根据经验,常用流速范 围如下。 流体在直管内常见流速: 冷却水(淡水)0.7~3.5m/s 冷却用海水0.7~2.5m/s 低粘度油类0.8~1.8m/s 粘度油类0.5~1.5m/s 油类蒸气5.0~15m/s 气液混合流体2.0~6.0m/s 壳程内的常见适宜流速 水及水溶液0.5~1.5m/s 低粘度油0.4~1.0m/s 高粘度油0.3~0.8m/s Om/s 气液混合流体0.5-3.0m/s (5)压力降。压力降一般随操作压力不同而有一个大致的范围。压力降的影响因素较 多,但通常希望换热器的压力降在下述参考范围之内或附近 (6)传热系数。传热面两侧的传热膜系数α1、α2如相差很大时,α值较小的一侧将成为 控制传热效果的主要因素,设计换热器时,应设法增大该侧的传热膜系数。计算传热面积 时,常以小的一侧为准。增加α值的方法通常是: ①缩小通道截面积,以增大流速; ②增设挡板或促进产生湍流的插入物 ③管壁上加翅片,提高湍流程度也增大了传热面积; ④糙化传热表面,用沟槽或多孔表面,对于冷凝、沸腾等有相变化的传热过程来说 可获得大的膜系数 (⑦)污垢系数。换热器使用中会在壁面产生污垢,在设计换热器时要慎重考虑流速和 壁温的影响。从工艺上降低污垢系数,如改进水质,消除死区,增加流速,防止局部过热 (⑧)尽量选用标准设计和标准系列。这样可以提高工程的工作效率,缩短施工周期 降低工程投资。 2.管壳式换热器的设计和系列选用 (1)汇总设计数据、分析设计任务根据工艺衡算和工艺物料的要求、特性,获得物料 流量、温度、压力和化学性质、物性参数,取得有关设备的负荷、流程中的地位与流程中 其他设备的关系等数据 (2)设计换热流程在换热设计时,应将换热的工艺流程仔细探讨,以利于充分利用热 量,充分利用热源 (3)选择换热器的材质根据介质的腐蚀性能和其他有关性能,按照操作压力,温度, 材料规格和制造价格,综合选择。 (4)选择换热器类型根据热负荷和选用的换热器材料,选定某一种类型 (5)确定换热器中冷热流体的流向据热载体的性质,换热任务和换热器的结构,决定 采用并流,逆流或错流折流等。 (6)确定和计算平均温差Δtπ确定终端温差,根据化学工程有关公式,算出平均温差。 (⑦)计算热负荷Q、流体给热系数α可用粗略估计的方法,估算管内和管间流体的给热 系数a、a2。 (8)估计污垢热阻系数并初算出传热系数K在有关书中已详细叙述,利用现有各种工艺 算图,将公式和经验汇集在一起,可以方便地求取K。在许多设计工作中,K常常选取一些 经验值,作为粗算或试算的依据,许多手册书籍中都罗列出各种条件下的K的经验值。但经 验值所列的数据范围较宽,应作试算,并与K值的计算公式结果参照比较。 (9)算出总传热面积A
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第四章设备的工艺计算及化工设备图 (10)调整温度差,再算一次传热面积。在工艺的允许范围内,调整介质的进出口温度 或者考虑到生产的特殊情况,重新计算Δtm,并重新计算A值。 (11)选用系列换热器。根据两次或三次改变温度算出的传热面积A,并考虑有10%-25% 的安全系数,确定换热器的选用传热面积A。从国家标准系列换热器型号中,选择符合工艺 要求和车间布置(立式或卧式,长度)的换热器,并确定设备的台数 (12)验算换热器的压力降。一般利用工艺算图或由摩擦系数通过化学工程的公式计 算。如果核算的压力降不在工艺的允许范围之内,应重选设备 (13)画出换热器设备草图。由设备机械设计人员完成换热器的详细部件设计。 贮罐容器的选型和设计 (一)贮罐的选择 按使用目的的不同,可分为贮存容器的计量、回流、中间周转、缓冲、混合等工艺容 器 (二)设计贮雄的一般程序 (1)汇集工艺设计数据。包括物料衡算和热量衡算,贮存物料的温度、压力,最大使 用压力、最髙使用温度、最低使用温度,腐蚀性、毒性、蒸汽压、进出量、贮罐的工艺方 案等。 (2)选择容器材料。对有腐蚀性的物料可选用不锈钢等金属材料,在温度压力允许时 可用非金属贮罐、搪瓷容器或由钢制压力容器衬胶、搪瓷、衬聚四氟乙烯等。 (3)容器型式的选用。我国已有许多化工贮罐实现了系列化和标准化。在贮罐型式选 用时,应尽量选择已经标准化的产品。 (4)容积计算。容积计算是贮罐工艺设计和尺寸设计的核心,它随容器的用途而异。 ①单纯用于贮存原料和成品的贮罐。这类贮罐的体积与需要贮存的物料有十分明显的 关系。原料的贮存有全厂性的原料库房贮存和车间工段性的原料贮存。根据运输条件和消 耗情况,全厂性的贮罐一般主张至少有一个月的耗用量贮存;车间的贮罐一般考虑至少半 个月的用量贮存 液体产品贮罐一般设计至少有一周的产品产量。如厂内使用的产品可视下工段(车间) 的耗量,贮存下一工段一个月以上或两个月的使用数量;如果是出厂的终端产量,作为待 包装贮罐,存量可以适当小一些,最多可以考虑半个月的产量。液体贮罐的装载系数通常 可达80%,这样可以计算出原料产品的最大贮存量。 气柜一般可以设计得稍大些,可以达两天或略多时间的产量。因为气柜不宜旷日持久 贮存,当下一工段停止使用时,前一产气工序应考虑停车。 ②中间贮罐。中间贮罐的使用场合包括原料、产品、中间产品的主要贮罐,当它们距 工艺设施较远,或者原料或中间体间歇供应是作调节之用,或者需测试检验以确定去向(如 多组分精馏确定产品合格与否的中间性贮罐),或者工艺流程中要求切换、翻罐挪转的贮 罐等。这一类贮罐有时称“昼夜罐”,即是考虑一昼夜的产量或发生量的贮存罐。 ③计量罐、回流罐。计量罐的容积一般考虑最少为10-15min,多则點h的产量的储存。 计量罐装载系数一般只考虑60%一0%,因为计量罐的刻度一般在罐的直筒部分,使用刻 度常为满量程的80%一85%。回流罐一般考虑5-10min左右的液体保有量,作冷凝器液封 之用 ④缓冲罐、汽化罐。缓冲罐的目的是使气体有一定数量的积累,保持压力比较稳定, 从而保证工艺流程中流量稳定。其容量通常是下游设备5-10min的用量,有时可以超过15min 的用量,以备在紧急时有充裕时间处理故障、调节流程或关停机器。汽化罐(可加热可不 加热)的物料汽化空间通常是贮罐总容积的一半。汽化空间的容量大小,通常根据物料汽 化速度来估计,一般希望汽化空间足够下游岗位3min以上的使用量,至少在2min左右
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《化工设计》精品课程 ⑤混合、拼料罐。化工产品有一些是要随间歇生产而略有波动变化的,如某些物料的 固含量、粘度、pH值、色度等可能在某个范围内波动。为使产物质量均一,或减少出厂检 验的批号分歧,在产品包装前将若干批料加以拼混,俗称“混批”。混批罐的大小,根据 工艺条件而定,考虑若千批的产量,装载系数约70%(用气体鼓泡或搅拌混合) ⑥包装罐。包装罐一般可视同于中间贮罐,原则上是昼夜罐。对于需要及时包装的贮 罐、定期清洗的贮罐,容积可考虑偏小。要根据工艺条件和要求、贮存条件等决定其有效 容积。不同场合下,装载系数不一样。一般在60%80%左右,某些场合(如汽化空间)可 低至50%或更少,有时可以高至85% (5)确定贮罐基本尺寸根据物料密度、卧式或立式的基本要求、安装场地的大小,确 定贮罐的大体直径。依据国家规定的设备零部件即筒体与封头的规范,确定一个尺寸。据 此计算贮罐的长度,核实长径比,如长径比太大(即偏长)或太小(即偏圆),应重新调 整,直到大体满意 (6)选择标准型号各类容器有通用设计图系列。根据计算初步确定它的直径、长度和 容积,在有关手册中查出与之符合或基本相符的标准型号。 (7)开口和支座在选择标准图纸之后,要设计并核对设备的管口。在设备上考虑进料、 出料、温度、压力(真空)、放空、液面计、排液、放净以及人孔、手孔、吊装等装置, 并留有一定数目的备用孔。如标准图纸的开孔及管口方位不符合工艺要求而又必须重新设 计时,可以利用标准系列型号在订货时加以说明并附有管口方位图。容器的支承方式和支 座的方位在标准图系列上也是固定的,如位置和形式有变更时,则在利用标准图订货时加 以说明,并附有草图。 (8)绘制设备草图(条件图),标注尺寸,提出设计条件和订货要求选用标准图系列的 有关图纸,应在标准图的基础上,提出管口方位、支座等的局部修改和要求,并附有图纸, 作为订货的要求。如标准图不能满足工艺要求,应重新设计,绘制设备容器的外形轮廓, 标注一切有关尺寸,包括容器管口的规格,并填写“设计条件表”,由设备专业的人员 进行非标准设备设计。 四、塔器的选型与设计 1.塔型选择基本原则 ①生产能力大,弹性好。随着化工装置大型化,生产能力要求尽量地大,而根据生产 经验,工艺流程中精馏往往是限制环节。很多精馏塔设计中考虑诸如造价、结构或压降、 分离效率等因素较多,而常常未将塔的操作弹性放在重要位置,从而造成投产后设备不大 适应工艺条件和生产能力的较大波动。 ②满足工艺要求,分离效率高。工艺上要分离的液体有很多特殊要求,如沸点低、难 分离、有腐蚀性、有污垢物等,对塔型要慎加选择。 ③运转可靠性高,操作、维修方便。 ④结构简单,加工方便,造价较低 ⑤塔压降小。对于真空塔或要求塔压降低的塔来说,压降小的意义更为明显 通常选择塔型未必能满足所有的原则,应抓住主要矛盾,最大限度满足工艺要求。 2.填料塔设计程序 (1)汇总设计参数和物性数据处理。包括全塔的物料平衡,塔的温度、压力,塔内液 相和气相的流量,气液相物料的密度、粘度、扩散系数,汽液平衡数据、亨利常数、溶解 度数据等;工艺要求包括工艺过程中要求塔分离后物料的纯度、工艺物料衡算中要求塔的 产率等。 (2)选用填料。填料是瑱料塔内汽一液接触的核心元件。填料类型和填料层的高度直 接影响传质效果。因而,选择填料是填料塔设计的一个重要内容。填料选择有下列要求
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