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引言:化工设备是组成化工装置的基本单元，也是工程设计的基础。化学工程师应对化工单元设备了如指掌。本章主要介绍:化工设备工艺设计的内容,方法与程序以及各种化工设备的概况和技术指标等其目的是:熟悉设备工艺设计的基本知识,并从工程角度了解和掌握化工设备的计算及选型。第四章化工设备的工艺设计确定化工单元操作所用设备的类型这项工作应与工艺流程设计结合起来进行。例如:工艺过程中需要使液固混合物分离,就要考虑是用过滤机,还是用离心机;要实现气固分离,就要考虑是使用旋风分离器，还是用沉降槽；使液体混合物各组分分离，是采用萃取方法，或是采用蒸馏方法；实现气固催化反应，是使用固定床反应器，还是流化床反应器等。确定设备的材质根据工艺操作条件(温度、压力、介质的性质)和对设备的工艺要求确定符合要求的设备材质，这项工作应与设备设计专业人员共同完成。一、化工设备工艺设计的内容确定设备的设计参数设备的设计参数是由工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、设备的工艺计算多项工作得到的。对不同的设备,它们有不同的设计参数。换热器热负荷，换热面积，热载体的种类，冷、热流体的流量，温度和压力泵流量，扬程，轴功率，允许吸上高度。风机风量和风压。吸收塔气体的流量、组成、压力和温度,吸收剂种类、流量、温度和压力，塔径、筒体的材质、塔板的材质、塔板的类型和板数(对板式塔),填料种类、规格、填料总高度，每段填料的高度和段数(对填料塔)。一、化工设备工艺设计的内容蒸馏塔进料物料、塔顶产品、塔釜产品的流量、组成和温度,塔的操作压力、塔径、筒体的材质、塔扳的材质、塔扳类型和板数(对塔式塔)，填料种类、规格、填料总高度．每段填料高度和段数(对填料塔)，加料口位置，塔顶冷凝器的热负荷及冷却介质的种类、流量、温度和压力．再沸器的热负荷及加热介质的种类、流量、温度和压力，灵敏板位置。一、化工设备工艺设计的内容反应器反应器的类型，进、出口物料的流量、组成、温度和压力，催化剂的种类、规格，数量和性能参数，反应器内换热装置的型式、热负荷以及热载体的种类、数量、压力和温度，反应器的主要尺寸、换热式固定床催化反应器的温度、浓度沿床层的轴向(对大直径床还包括径向)分布，冷激式多段绝热固定床反应器的冷激气用量、组成和温度。一、化工设备工艺设计的内容确定标淮设备(即定型设备)的型号或牌号,并确定台数标准设备是一些加工厂成批、成系列生产的设备,即那些能直接向生产厂家订货或购买的现成的设备。在标难设备中，一些类型的设备是除化工行业外,其他行业也能或可能广泛采用的设备，例如泵、风机、电动机、压缩机、减速机和起重运输装置等，这种类型的设备有众多的生产厂家,型号很多,可选择的范围很大。另外一些是化工行业常用的标准设备,它们是冷冻机、除尘设备、过滤机、离心机和骄拌器等。标准设备可从国家机电产品目录或样本中查到，产品目录或样本中列出设备的规格、型号、基本性能参数和生产厂家等多项内容，设计人员可从中选择符合工艺要求的型号。一、化工设备工艺设计的内容对已有标准图纸的设备，确定标准图的图号和型号如换热器系列、容器系列、搪玻璃设备系列以及圆泡罩、F1型浮阀和浮阀塔塔盘系列……等已经有了国家标准。还有一些虽末列人国家标准，但已有标准施工图和相应的生产厂家，例如上海医药设计院设计的发酵罐系列和立式薄壁常压容器系列。一、化工设备工艺设计的内容对已有标准图纸的设备，设计人员只需根据工艺需要确定标准图图号和型号便可以了，不必自己设计。随着化学工业的发展，设备的标准化程度将越来越高，所以在设计非标准设备时应尽量采用已经标准化的图纸，以节省非标准设备施工图的设计工作量。一、化工设备工艺设计的内容对非标准设备,向化工设备专业设计人员提出设计条件和设备草图,明确设备的型式,材质,基本设计参数,管口、维修、安装要求,支承要求及其他要求(如防爆口、人孔、手孔、卸料口、液面计接口…等)。编制工艺设备一览表在初步设计或扩大初步设计阶段,根据设备工艺设计的结果,编制工艺设备一览表,可按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制。施工图设计阶段的工艺设备一览表是施工图设计阶段的主要设计成品之一。在施工图设计阶段，由于非标准设备的施工图纸已经完成,工艺设备一览表已可以填写得十分准确和足够地详尽。一、化工设备工艺设计的内容会签当工艺设备的施工图纸完成后，与化工设备的专业设计人员进行会签。设备工艺一览表1.明确设计任务与条件原料(或进料)与产品(或出料)物理化学性质、流量波动范围；设计目的、要求，设备功能公用工程条件，如冷却水温度其他特殊要求。二、设备设计方法与程序2.调查待设计设备国内外现状及发展趋势、有关新技术及专利状况，设计计算方法等3.收集有关物料的物性数据、腐蚀性质等4.确定方案确定设备的操作条件,如温度、压力、流比等确定设备结构型式，评比各类设备结构的优缺点结合本设计的具体情况，选择高效、可靠的设备型式确定单元设备的流程二、设备设计方法与程序5.工艺计算全设备物料与热量衡算；设备特性尺寸计算，如精馏设备的理论级数、塔径、塔高，换热设备的传热面积等，可根据有关设备规范和不同结构设备的流体力学、传质传热动力学计算公式来计算；流体力学计算，如流动阻力与操作范围计算。6.结构设计在设备型式及主要尺寸已定的基础上，根据各种设备常用结构，参考有关资料与规范，详细设计设备各零部件的结构尺寸。如填料塔要设计液体分布器、再分布器、填料支承、填料压板和各种接口等；板式塔要确定塔板布置、溢流管、各种进出料口结构、塔板支承、液体收集器与侧线出入口和破沫网等。还有各种构件的材料选择、壁厚计算，塔板、塔盘等的机械设计；各种辅助结构如支座、吊架、保温支架等的设计；内件与管口方位设计；全设备总装配图及零件图绘制；全设备材料表。二、设备设计方法与程序7.制造技术要求与规范要做好设备设计，除了要有坚实的理论基础和专业知识外，还应了解有关设备的新技术、新材料,了解设计规范与有关规定，熟悉有关结构性能，具有足够的工程机械知识和技术经济知识，熟悉优化方法。有时工艺计算的结果要求重新进行方案确定，有时要选择几个方案进行技术经济比较，择优而取。二、设备设计方法与程序从化工设计角度来看输送设备可分为：三、物料输送设备•液体物料输送设备:常规的设备为各种泵•气体物料输送、压缩、制冷设备:常规的设备为风机、压缩机、真空泵、制冷机•固体物料输送设备:常规的设备为各种给料机械设备、气流输送设备•可用惰性气体压送或用真空吸送液体物料按泵作用于液体的原理可分为：•叶片式泵:由泵内的叶片在旋转时产生的离心力作用将液体吸入和压出.•容积式泵:由泵的活塞或转子在往复或旋转运动中产生挤压作用将液体吸入和压出.3.1液体输送设备也常按泵的用途命名,如水泵、油泵、泥浆泵、砂泵、耐腐蚀泵、冷凝液泵等容积式泵•往复泵(活入泵、柱塞泵、隔膜泵、计量泵)•转子泵(齿轮泵、螺杆泵、滑片泵、罗茨泵、蠕动泵、液环泵)。叶片式泵因泵内叶片结构形式不同分为•离心泵(屏蔽泵、管道泵、自吸泵、无堵塞泵)、•轴流泵•旋涡泵液体输送泵的结构电动机(提供动力部件)底板(安装部件)泵头(主要工作部件)离心泵适用于流量大，扬程低的液体输送，液体的粘度小于650cm2／s，液体中气体体积百分率低于5％，固体颗粒含量3％以下。一些圆型离心泵的技术性能参数如下表所示。技术指标型号:以圆型单级单吸离心泵为例说明泵的型号标志如下:扬程：泵在输送单位液体量时,泵出口能量的增加值,包括液体静压头、速度头及几何位能等能量增加值总和，以m液柱表示流量：泵在单位时间内抽吸或排送液体的体积数称为流量，以m3/h或L/s表示。必需汽蚀余量(NPSHr)：为使泵在工作时不产生汽蚀现象，泵进口处必需具有超过输送温度下液体的汽化压力的能量．使泵在工作时不产生汽蚀现象所必需具有的富余能量称为必需汽蚀余量。必需汽蚀余量，国际上普遍称为必需的净正吸入压头单位为m。功率与效率：有效功率指单位时间内泵对液体所作的功；轴功率指原动机传结泵的功率；效率指泵的有效功率与轴功率之比。油泵:输送石油产品的泵称为油泵。由于油品易燃易爆，因此油泵应具有良好的密封性能,热油泵在轴承和轴封处设置冷却装置,运转时可通冷水冷却。耐腐蚀泵:当输送酸碱和浓氨水等腐蚀性液体时,与腐蚀性液体接触的泵的部件都须用耐腐蚀材料制造。如FV型离心泵适用于一般的酸碱盐类物质的输送，FV型玻璃钢耐腐蚀泵适用于各种腐蚀性液体的输送。其他形式的泵液下泵:右图所示,液下泵经常安装在液体贮槽内,对轴封要求不高,适于输送化工过程中各种腐蚀性液体,泄漏的液体仍流人贮槽内,既节省了空间又改善了操作环境,其缺点是效率不高。高效产品DW系列液下泵是一种新型泵,适宜于输送各种温度和浓度的硫酸、硝酸、盐酸和磷酸等无机酸和有机酸。屏蔽泵:屏蔽泵是一种无泄露。常输送易燃、易爆、剧毒及放射性的液体,其缺点是效率低。隔膜泵:系借弹性薄膜将活柱与被输送液体隔开.可输送腐蚀性液体或悬浮液,不使活柱和缸体受到损伤.计量泵:能够输送流量恒定的液体或按比例输送几种液体。齿轮泵:这是一种正位移泵，泵壳中有一对相互啮合的齿轮，将泵内空间分成互不相通的吸入腔和排出腔。齿轮旋转时，封闭在齿穴和泵壳间的液体被强行压出。大多用来输送粘稠液体甚至膏糊状物料，但不宜输送台有固体颗粒的悬浮汲，如2CY,KCB型齿轮油泵.螺杆泵:属内啮合的密闭式泵,为转子式容积泵。螺杆泵输送扬程高，效率较齿轮泵高，运转时无噪音、无振动、流量均匀，特别适用于高粘度液体的输送，例如G型单螺杆泵广泛应用于原油、污油、矿浆、泥浆等的输送。旋涡泵:是一种叶片式泵(也称涡流泵)，是由星形叶轮和有环形流道的泵壳组成，依靠离心力作用输送液体。适用于功率小，扬程高(5-250m)，流量小(0.1-11L/s)，夹带气体大于5％(体积)的场合.轴流泵:是利用高速旋转螺旋桨将液体推进而达到输送目的。适用于大流量，低扬程。按出口压力大小可分为四类:通风机:简称为风机，压力0.115MPa以下，它又可分为轴流风机和离心风机。用于通风、干燥等过程，使用较普遍。压缩比为1-1.15。鼓风机:压力在0.115-0.4MPa，它又可分为罗茨鼓风机和离心鼓风机。一般用于生产中要求相当压力的原料气的压缩，液体物料的原送、固体物料的气流输送。压缩比小于4。压缩机:压力在0.4MPa以上，又可分为离心式、螺杆式和往复式压缩机。可用于工艺气体、气动仪表用气，压料过滤，吹扫管道等。压缩比大于4。真空泵:用于减压，出口极限压力接近0MPa，其压缩比由真空度决定。3.2气体输送与压缩设备工业上常用的通风机有轴流式和离心式两类。轴流式通风机：排送量大，但所产生的风压甚小，一般只用来通风换气，而不用来输送气体。化工生产中，在空冷器和冷却水塔的通风方面，轴流式通风机的应用还是很广的。离心式通风机：结构与离心泵相似包括蜗壳叶轮、电机和底座三部分，如图5-30离心式通风机根据所产生的压头大小可分为：低压离心通风机:风压≤1KPa中压离心通风机:风压1-3KPa高压离心通风机:风压3-15KPa3.2.1通风机蜗壳叶轮电机底座通风机型号表示如下：高压离心通风机的技术指标如下表示所示：化工厂中常用的鼓风机有旋转式和离心式两类。罗茨鼓风机是旋转式鼓风机中应用最广的一种,外形如图5-4所示.罗茨鼓风机的风量为2-500m3／min，出口压强不超过81KPa(表压)。出口压强大高,则泄漏量增加,效率降低。罗茨鼓风机工作时,温度不能超85℃,否则易田转子受热膨胀而发生卡住现象。3.2.2鼓风机3.2.3压缩机压缩机型号表示如下：压缩机技术指标：排气量、排气压力、进出口气体温度、冷却水用量、功率等．见表5-4所示。活塞式氨压缩制冷机,其技术性能指标有：标准工况产冷量、汽缸直径、汽缸个数、活塞行程等。离心式制冷机,近年来在石油化工、大型空调工程中得到了推广和应用。螺杆式制冷机3.2.4制冷机化工生产中常用的制冷机真空泵是