工艺设计要点24点

工艺设计要点之一：物性数据某些工程设计实践经验是十分宝贵的。听说某资深工程师在现场转一转，瞄着一根管线和旁边流量计的读数，就能估算出其压降来，不超过5%误差；不要做什么复杂的计算，就能目测出容器的大概尺寸；向裸管上吐一口唾沫，能估计出其表面温度；这些专业特技绝活非一日之功，都是经过长期的实践和体会摸索得来的。除了已经定式的一些概念、数据之外，肯定还有一些简便的算法、规则在其脑海里。但要强调的一点是，这些经验公式只是用于估算，在某些场合下不能替代严格设计计算。它只适用于远离设计本部的施工现场，手头又没有严格正规的设计计算程序、手册。这时，凭经验和这些设计要点可以省却很多时间。实际工程经验的积累是从一个普通工程师到资深工程师的转折点。对一个化学工程师来说，实际工程经验是十分重要的。估算在某些时候、某些场合要比严格计算更加实惠、便捷。在以后不定期刊发的“工艺设计要点之...”系列选辑中，将汇编一些工程设计中常见的数据、图表和关联式。希望广大设计人员，尤其是工艺系统工程师们搜集工作中的点滴经验、体会，贡献出来，取长补短，共同提高我们的设计水平的技能。本期从几个方面陈列一些常用的工程数据，供化学工程师参考。常用物质的物理性质数据物性单位水有机物液体蒸汽热容kJ/kg-oC4.21.0～2.52.0密度kg/m31000700～1300潜热kJ/kg1200～2100200～1000导热系数W/m-oC0.55～0.70.1～0.20.025～0.07粘度cP1.8@0oC0.57@50oC0.28@100oC0.14@200oC随温度变化0.01～0.03普兰德数1～1510～10001.0Prandtl数表示流体物性对传热的影响。有机物液体密度与温度的关联式：ρL∝(Tc-T)0.3有机物气体密度可按下式计算：ρG=(MW×P)÷(Z×R×T)水的沸点是压力的函数：Tbp(oC)=(压力MPa×109)0.25其他常用的工程常数：在空气中的声速=346m/s光速=3.0×108m/s重力常数=980.665gmcm/gfs2阿佛迦德罗常数=6.02×1023/mol普适气体定律常数R=1.9872gcal/gmolK=8.31434J/molK=8.31434m3Pa/molK质-能关系=8.99×1016J/kg=913.5MeV/u介电常数=8.85×10-12F/m=1.26×10-6H/m普朗克(Planck)常数=6.63×10-34Js=4.14x10-15eVs波尔兹曼(Boltzmann)常数=1.38×10-23J/K=8.62×10-5eV/K元素电荷=1.60×10-19C电子静质量=9.11×10-31kg质子静质量=1.67×10-27kg玻尔(Bohr)半径=5.29×10-11m玻尔(Bohr)磁子=9.27×10-24J/T=5.79×10-5eV/T其他常见的无因次数群：雷诺数(Reynolds)表示惯性力与粘滞力之比；普兰德数(Prandtl)表示流体物性对传热的影响；施密特数(Schmidt)表示流体物性对传质的影响；努塞尔数(Nusselt)表示给热系数；欧拉数(Euler)表示压差；马赫数(Mach)表示线速与声速之比；施伍德数(Sherwood)表示传质系数；史坦顿数(Stanton)表示传递热量与流体热容量之比；韦勃数(Weber)表示惯性力与表面张力之比；弗鲁德数(Froude)表示重力对流动过程的影响；伽利略数(Galileo)表示重力与粘滞力的关系；格拉斯霍夫数(Grashof)表示自然对流对传热的影响；路易斯数(Lewis)表示物性对传热和传质的影响；彼克列数(Peclet)表示总体传热量与扩散传质量之比。工艺设计要点之二：精馏塔和管壳式换热器精馏塔1。填料塔：(a)根据每米填料层高度的压降，来判断是否会液泛。通常每米填料的液泛压降为0.017～0.025Kg/cm2(b)而在载点以下操作，则是正常稳定的操作条件。通常每米填料的载点压降为0.0043～0.009Kg/cm2在此操作条件下的填料等板高度HETP是最低的，也即分离效率最高。2。由于风载和地基等原因，塔的高度一般不超过53米。3。对于小于900mm直径的小塔，通常采用填料塔。这是基于小直径板式塔制造费用高昂的考虑。4。典型的全塔效率通常在60～90%之间。5。通常筛板塔盘间距为300～400mm；真空塔盘间距为500～750mm。如果考虑方便维修，相应的板间距要大一些，机械设计上的最低要求为460mm。管壳式换热器1。换热介质的流向配置：(a)将腐蚀性强的流体安排在管内，这样只需少量的贵重合金管材即可。如果壳间走腐蚀性流体，不仅需要昂贵的壳体材料，而且壳内的管子也需耐腐材料。(b)将易结垢的流体安排在管内，通过流速控制可以适当清除污垢。检修期间，不用抽出管束就可以机械清洗直管段。(c)对于高温/高压操作的流体安排在管内，可以省却特殊、昂贵的制造材料。(d)将较低流速的介质安排在壳侧，可以体现出其经济性能。因为低流速流体在壳侧比在管内更易产生有利于传热的湍流现象。2。在各种操作压力条件下，换热器中较为合理的压降如下：操作压力合理的压降真空～常压操作绝压的十分之一1～1.7Kg/cm2操作表压的二分之一1.7kg/cm2以上0.35Kg/cm2或更高3。当冷却粘度较大流体时，顺流操作比逆流换热要好。因为冷流体可以获得较高的传热系数。4。壳径与列管根数的经验关联式为：D=1.75×d×(n×Np)0.47其中D为壳内径，mmd为管外径,mmn为每程的列管根数Np为每壳程内的管程数。工艺设计要点之三：材料选择优点缺点碳钢便宜、易成型、昀常用、耐微碱性环境不耐酸、强碱物料、相对易脆(尤其低温环境下)不锈钢相对便宜、易成型、相对碳钢更适合于各种酸、碱性环境不耐含氯物料、在高温环境下降低性能参数254SMO中等价格、相对易成型、相对不锈钢更适合于各种酸、碱性环境稍耐含氯物料、在高温环境下稍降低性能参数钛合金耐含氯物料(海水环境)、高强度薄材稍昂贵、难成型、焊接难铅钛合金耐含氯物料(高温、海水环境)非常昂贵、难成型镍耐碱性物料(高温、海水环境)昂贵、焊接难哈氏合金耐酸性物料(适应范围广)相当昂贵、易焊接石墨耐弱盐酸性物料非常昂贵、易脆、难成型钽其他材料的替代品(非常苛刻的场合)极其昂贵、慎重选用工艺设计要点之四：凉水塔1。在工业凉水塔设计中，取决于空气的温度和湿含量，湿球温度就是水可以被冷却到的最低理想温度，实际上可以达到环境饱和空气90%左右的冷却等级。2。凉水塔的尺寸大小是与水温、湿球温度有关的。其相对大小比例如下：T水-T湿，oF相对尺寸大小52.4151.0250.553。循环水量通常在5～10m3/hr-m2，空气速度通常在1.5～2m/s4。逆流诱导式通风塔是最常见的。这些塔的操作条件可达湿球温度的1oC之内，通常在3～6oC的温差之内。5。对于需要每冷却6oC左右的凉水塔，约有1%的循环量损失。飘散损失约占循环量的0.25%左右，排放约占循环量的3%左右，以防止氯盐类物质等化学品在系统中的累积。工艺设计要点之五：输送装置1。对于大于120m长距离、大通量物质传递的场合，选用气流输送装置是最适宜的。还适用于多个输送源、多个目的地的工况。对于真空或低压系统(0.4～0.8Bar)，输送空气速度为10～37m/s。输送空气量约在0.03～0.5m3/m3输送固体。2。拖曳型刮板输送机是全封闭的，适合于短距离输送物质。块料尺寸约为75～480mm，输送速度为0.2～1.3m/s,所需动力比其他形式的输送装置要大。3。斗式提升机常用于垂直输送物料的场合，且物质是比较粘稠、研磨的物料。500×500mm容量抓斗的处理能力可达28m3/hr，提升速度为0.5m/s，最快速度可达1.5m/s4。带式输送机用于长距离、大通量输送。倾斜度最大为30o角，600mm宽的皮带输送能力达85m3/hr，输送速度约为0.5m/s，最快速度可达3m/s所需动力相对要小些。5。螺旋输送机用于粘稠、研磨物料的长达46m距离的输送。倾斜度最大为20o角，300mm直径螺旋板的输送能力达85m3/hr，转速为40～60转/分时的输送能力可达28～85m3/hr工艺设计要点之六：结晶器1。大多数结晶过程中，C/Csat(浓度/饱和浓度)之比保持在1.02～1.05之间。2。晶体生长速度和晶粒大小取决于溶液的过饱和度。3。在冷却结晶过程中，溶液温度保持在给定浓度的饱和点以下0.5～1.2oC较合适。4。常见的晶体生长速度约为0.1～0.8mm/hr工艺设计要点之七：电机与透平1。电机马达的效率一般在85~95%；蒸汽透平的效率一般在42~78%；燃气透平的效率一般在28~38%。2。对于75kW(100hp)以下的用户，通常采用电机，最高可用于15000kW(20000hp)的用户。3。最常用的是感应电动机。例如转速低达150转/分的同步电动机，其额定功率为37kW(50hp)左右。适用于低转速往复压缩机。4。蒸汽透平机很少用于75kW(100hp)以下的用户，其转速可以控制。5。采用气体膨胀机可以回收上百马力的能量，同时也是获取低温的手段。膨胀机每产生100kW的功率，相当于移去了360kJ/h的热量。6。由下式估算透平机的功耗：其中ΔH=实际可用功，Btu/lbCp=常压热容，Btu/lboFT1=入口温度，oRP1=入口压力，psiaP2=出口压力，psiaK=Cp/Cv工艺设计要点之八：固体干燥1。喷雾干燥只需几秒钟的时间，而转筒式干燥时间则需几分钟，乃至一个小时。2。处理3～15mm球粒状物料干燥的连续板/带式干燥器的干燥时间约为10～200分钟。3。用于处理高粘度流体物料的鼓式干燥器接触时间约为3～12秒，产品片厚约1～3mm。转鼓直径约0.5～1.5m，转速约为2～10转/分。最大蒸发能力约为1363kg/hr4。转筒式干燥器操作的空气流速为1.5～3m/s，最高达11m/s。停留时间约5～90分钟。对于新设计的转筒干燥器，需要85%的横截面积空间。采用逆流操作的设计，出口气体温度高于固体温度约10～20oC。而并流操作的设计，要保证固体物料出口温度为100oC。转速通常为4～5转/分，转速与筒径(m)的乘积约为4.6～7.6。5。气流输送干燥器适用于1～3mm的颗粒干燥，甚至大至10mm的颗粒物料。空气速度约为10～30m/s，典型的单程干燥停留时间接近1分钟。设备尺寸约为直径0.2～0.3m，长1～38m。6。流化床式干燥器适合处理4mm以下的颗粒干燥。气速的设计参数为最小流化速度的1.7～2倍。一般连续操作的干燥时间取1～2分钟就足够了。工艺设计要点之九：罐式容器1。液体罐通常是卧式的，气液分离罐通常是立式的。2。适宜的长度/直径比为3，范围在2.5~5。3。半充满回流罐的停留时间为5分钟；气液分离罐进料到另一个塔之间的设计停留时间为5~10分钟。4。炉前进料罐的停留时间最好是30分钟。5。压缩机前气液分离罐的设计停留时间应该为每分钟液体体积通量的10倍。6。液液分离器的设计停留时间应该维持沉降速度为0.85~1.3mm/s7。气液分离罐中气体临界速度=0.048(液体密度/气体密度-1)0.5密度为kg/m3，临界速度为m/s8。除沫器中丝网层厚度通常为150mm。9。对于正压分离系统，丝网层之前的分离空间为150～450mm，丝网层之后的分离空间为300mm。工艺设计要点之十：蒸发器1。最常见的类型是垂直长管自然或强制循环蒸发器。管径在19～63mm之间，管长在3.6～9.1m之间。2。强制循环速度一般在4.5～6m/s范围内。3。溶液沸点温度升高(BoilingPointRise或B.P.Elevation)是由于溶液中存在不挥发溶质的作用，而导致溶液温度与饱和蒸汽温度的差别。4。当BPR大于4oC时，较经济的做法是采用4～6效串联蒸发器设计。温差愈小，采用取决于蒸汽消耗成本的串联设计，其经济效果愈加明显。5。增加多效之