5 化工设备设计

第五章化工设备设计及设备图Chart5Thedesignofchemicalequipment5.1概述5.2化工设备的选用和设计方法5.2.1物料输送设备5.2.2贮罐5.2.3换热设备5.2.4分离设备5.2.5传质设备5.2.6化学反应器5.3化工设备图分离设备5.1概述从设计角度分标准设备(定型设备)—成批生产，直接订货非标准设备—由工艺提供设计条件，由设备专业专门设计，由厂家专门制造的设备。化工设备的设计包括标准设备设计和非标准设备设计。一、化工设备设计分类1.标准设备设计常用标准设备：泵、风机、冷冻机、过滤机、离心机、搅拌器、压缩机等，生产厂家、型号都很多，可选择范围很大。标准设备设计：根据工艺要求，计算特征尺寸，查阅相关产品目录或样本手册(列出设备的规格、型号、基本性能参数和厂家)，选择合适设备型号。——标准设备选型2.非标准设备设计常用非标准设备：容器(中压、低压、高压)、换热器、塔器、干燥设备、搅拌设备和除尘设备等。非标准设备设计：根据工艺要求，完成工艺计算，提出设备型式、材料、尺寸和其他要求，再经过机械计算及设计，由相关工厂制造。必须遵循设备设计的相关标准和规定。化工设备设计向标准化推进，有些原来属于非标准设备的化工装置，已逐步走向系列化、定型化，已形成了一些标准图纸，有些还有了定点生产厂家，如换热器系列、容器系列、搪玻璃设备系列等。因此，在非标准设备设计时，应尽量采用已标准化的图纸。3.化工设备标准化二、化工设备设计的原则(1)合理性(2)先进性(3)经济性(4)安全性5.2典型化工设备的选用和设计方法5.2.1泵的选用与设计程序1.收集基础数据介质物性操作条件泵所在位置情况(1)泵的流量（考虑上限）(2)扬程的确定和计算2.确定泵的流量和扬程3.选择泵型及泵的具体型号从工艺角度选择泵类型：①流量大，扬程不高时，可选单级离心泵；②流程不大，扬程高时，宜选往复泵或多级离心泵；③输送有腐蚀介质，选耐腐蚀泵；④输送昂贵液体、剧毒或放射性液体应用完全不泄漏无轴封的屏蔽泵；⑤当要求精确进料时，应选用计量泵或柱塞泵。⑥输送高温介质时可考虑选用热油泵。4.核算泵的性能若输送液体的物理性质与水有较大差异，则应对泵的扬程、流量进行核算。并与工艺要求进行对比，确定所选泵是否可用。5.确定泵的安装高度允许吸入高度+++-2.212hhggPgPHBCnBCtBCwrr式中：tP-操作温度下被吸送液体的饱和蒸汽压。BCw-泵吸入管内液体的流速。BCnh.-吸入管路中的压头损失。2h-避免汽蚀现象（在离心泵中），或防止由于惯性力造成活塞与液体脱离（在活塞羹中）的压头余量。6.计算泵的轴功率7.选定泵的材料和轴封8.确定冷却水或加热蒸汽耗量9.选用驱动装置——电动机或蒸汽透平10.确定泵的台数和备用率11.填写泵规格表，作为泵订货依据和选泵过程中各项数据的汇总。流体输送设备离心泵、往复泵、转子泵比较指标离心泵往复泵转子泵流量，m3/h均匀、不稳定、1.6~30000不均匀、恒定0~600比较均匀、恒定、1~600扬程，m定流量→扬程10~2600扬程与流量无关0.2~100MP扬程与流量无关0.2~60MP效率设计点最高，偏离越远效率越低0.5~0.8扬程高效率降低很少0.7~0.85扬程高效率降低较大0.6~0.8结构特点简单、造价低、体积小、安装方便复杂、振动大、体积大、造价高简单、造价低、体积小、安装方便指标离心泵往复泵转子泵流量调节出口截流、转速、叶轮旁路、转速、冲程旁路自吸一般没有有有启动关闭调节阀全开全开适用范围粘度较低的各种介质高压力小流量清洁介质中压力小流量尤其是高粘度离心泵、往复泵、转子泵比较5.2.2贮罐的选型和设计一、贮罐的分类及存贮量的确定根据用途，贮罐可分为：原料、成品、中间贮罐，回流罐、计量罐、缓冲罐、混合罐、闪蒸罐、包装罐等。贮罐存贮量：即贮存物料总容积，随贮罐的用途而异。1.原料贮罐全厂性贮罐一般主张至少有1~3个月的耗用量贮存，车间的原料贮罐一般至少半个月的用量贮存。2.成品贮罐按工厂短期停车仍能保证满足市场需求来确定存贮量；液体产品贮罐常按至少贮存一周的产品产量设计。液体贮罐的装载系数一般取0.8。3.中间贮罐对连续过程视情况贮存几小时至几天的用量，对间歇生产过程，至少应考虑存贮一个班的生产用量。4.计量罐一般考虑最少为10~15min，多则2h或4h产量。计量罐的装料系数一般取0.6~0.7，刻度的使用度常为满量程的80%~85%。5.回流罐一般考虑5~10min左右的液体保存量，作冷凝器液封之用。6.缓冲罐缓冲罐存贮量常是下游设备5~10min的用量，有时可超过15min用量，以备紧急时有充裕时间处理故障、调节流程或关停机器。7.汽化罐汽化罐的汽化空间通常是总容积的一半。汽化空间的体积可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。8.闪蒸罐液体在闪蒸罐的停留时间应考虑使液体在罐内有充分时间接近气液平衡状态，应视工艺要求选择液体在罐内的停留时间。9.混合、拼料罐混拼罐的大小，根据工艺条件而定，考虑若干批的产量，装料系数约70%。10.包装罐包装罐可视同于中间贮罐。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，装料系数不一样，一般为0.6~0.8。二、贮罐设计的一般程序1.汇集工艺设计参数2.贮罐材质的选择3.贮罐型式的确定4.确定需要贮存的物料总体积5.确定贮罐的台数和基本尺寸6.选择标准型号7.贮罐的管口方位和支承方式的确定8.绘制设备草图，标注尺寸，提出设计条件和订货要求。1.符合规定的工艺操作条件2.安全可靠3.安装、操作及维修方便4.经济合理5.尽量选用标准设计和标准系列5.2.3换热设备的选用一、换热设备设计和选用的一般原则二、管壳式换热器的设计步骤1.分析设计任务，汇总设计数据2.设计换热流程3.选择换热器的材质4.确定换热器类型5.确定冷热流体的流向6.计算平均传热温差tm7.计算热负荷Q8.估计污垢热阻系数9.初算总传热面积A10.参照标准系列，初选换热器11.校核12.验算换热器的压力降13.画出换热器设备草图。例题可以达到要求。5.2.4.1塔设备的选型与设计按接触方式连续（微分）接触式—填料塔逐级接触式—板式塔一、塔设备设计的基本要求生产能力大，气液处理量大。具有较高的传质、传热效率，保证气液两相良好接触。操作稳定，操作弹性大，气液负荷有较大波动时仍能在较高的传质效率下稳定操作，且能长期连续运转。流体流动的阻力或压力降小，降低生产中的动力消耗和经常性的操作费用的要求。结构简单可靠，材料耗用量小，制造安装容易，设备的投资费用低。耐腐蚀，不易堵塞，操作方便，易于检修。抓住主要矛盾，最大限度满足工艺要求。二、塔类型的选择板式塔填料塔压降较大小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整填料较小空塔气速较大小尺寸填料较小；大尺寸填料及规整填料较大塔效率较稳定，效率较高传统填料低；新型乱堆及规整填料高持液量较大较小液气比适应范围较大对液量有一定要求安装检修较易较难材质常用金属材料金属及非金属材料均可造价大直径时较低新型填料投资较大填料塔和板式塔主要性能对比新型填料及规整填料塔竞争力较强。三、填料塔设计程序(1)汇总设计参数和物性数据。(2)选用填料。填料是填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。(3)确定塔径DuVDπ4(4)计算填料塔压降(5)验算。保证UUmin，负责重新调整计算。(6)计算填料层高度Z。(7)计算塔的总高度HH=Hd+Z+(n-1)Hf+Hb(8)塔内附件的设计和选定支撑板—自由截面积填料空隙率，支撑板强度足以支承填料重量。液体喷淋装置—弯管式、多孔直管式、莲蓬头式、分布盘液体再分布装置—截锥式和升气管式分布器气体分布器除雾器—折板除雾器、丝网除雾器、旋流板除雾器或干填料层(9)绘制塔设备结构图—向设备专业提供工艺设计条件绘制塔设备简图，并标注必要的尺寸，注明各管口的位置等。(1)汇总设计参数和物性数据。(2)根据物料特性、分离要求确定塔板结构。(3)进行工艺计算(4)塔径计算四、板式塔设计程序(5)塔节上人孔、手孔的确定。(6)塔高确定。(7)塔内流体力学核算，作负荷性能图。(8)辅助装置选型设计。(9)绘制塔设备草图和设备设计条件图，包括支承、开口方位、人孔、手孔位置等。5.2.4.2干燥设备的选型与设计固体除湿方法机械除湿。物料湿分较多时，可先用离心过滤等机械分离方法以除去大量的湿分；吸附除湿。用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如CaCl2、硅胶等）与湿物料并存，使物料中的湿分相继经气相而转入干燥剂内；供热除湿(干燥)。用热空气或其它高温气体为介质，使之流过物料表面，介质向物料供热并带走汽化的湿分。干燥的分类按操作压力分常压干燥真空干燥。适于处理热敏性及易氧化的物料，或要求成品中含湿量低的场合。按操作方式分连续式。生产能力大、产品质量均匀、热效率高、劳动条件好。间歇式。适于处理小批量、多品种、干燥时间长的物料。根据供热方式不同，干燥可分为传导干燥（间接加热干燥）。热能通过壁面以传导方式加热物料。对流干燥（直接加热干燥）。干燥介质与湿物料直接接触，并以对流方式加热湿物料。辐射干燥。热能以电磁波的形式辐射到湿物料表面。介电加热干燥。将湿物料置于高频电场内，使其被加热。干燥器的主要型式1.箱式干燥器(板式干燥器)2.洞道式干燥器3.带式干燥器4.转筒干燥器5.气流干燥器6.流化床干燥器(沸腾床干燥器)7.喷雾干燥器8.滚筒干燥器9.真空耙式干燥器选择干燥器大致可按以下三个步骤进行：考虑可操作性——列出能处理被干燥物料的各种干燥器，这就需要从湿物料的性能出发，参考各种干燥设备在工业中常使用的范围来选择。依据湿物料的特性，处理量以及对产品的质量及其它特殊要求，筛选出最适宜的几种干燥器。这一步需考虑一些具体因素，如物料的热敏性、易碎性、对污染的要求，含水量的大小、湿法去除的难易程度等，对初选的设备形式依据其优缺点及适应性能作进一步筛选。同时依据处理量选定操作方式，一般处理量小于50kg/h时，常采用间歇操作，当大于1000kg/h时，常采用连续装置。估计干燥器的设备成本和操作费用，作最终的的选择。5.2.5反应器的选型与设计一、反应器分类管式反应器釜式反应器塔式反应器按反应器的几何构形分类按反应物的相态分类均相反应器：如气相均相、液相均相反应器非均相反应器：气固相反应器按操作方式分类连续式反应器间歇式反应器半连续反应器按反应器内物流流动状态分类理想平推流反应器理想全混流反应器非理想流反应器二、反应器设计的基本内容及设计要点反应器设计基本内容：根据化学反应动力学特性来选择合适的反应器形式；结合反应动力学和反应器传递特性确定反应器型式及操作方式；根据给定生产规模对反应器进行设计，确定反应器的几何尺寸。反应器设计要点：保证物料转化率和反应时间；满足反应的热传递要求；设计适当的搅拌器或类似作用的机构。注意材质选用和机械加工要求。三、釜式反应器设计程序(1)根据工艺流程的特点，确定反应釜操作方式；(2)汇总设计基础数据：生产规模、反应时间、温度、装填系数、物料性质等；(3)计算反应釜体积；(4)确定反应釜设计(选用)体积和台数；(5)反应釜直径和筒体高度、封头确定；(6)传热面积计算和校核；——夹套和加热盘管(7)搅拌器设计；(8)管口和开孔设计；(9)画出反应器设计草图。四、固定床反应器设计(1)汇总物料衡算和物性数据。(2)计算床体体积。(3)计算床高和直径——假设床层D，根据床层有效体积核算床层H，再估算催化剂堆积高度，验算气速，保证反应的停留时间。如果假设不合理，重新假设再试算。(4)验算流体阻力和传热系数K。阻力↑，床层D↓，动力消耗↑——实践中宁可增加催化剂体积，也不主张流体阻力