第四章1设备的工艺设计及化工设备图

第四章设备的工艺设计及化工设备图《化工设计》基本要求：掌握化工设备选用（设计）原则熟练进行化工设备的选用或设计掌握化工设备图的绘制及表示方法设备工艺及设备图的计算机辅助设计第一节化工设备选用的一般原则《化工设计》化工设备分为两类：标准设备或定型设备非标准设备或非定型设备化工设备选用（选型和工艺设计）第一节化工设备选用的一般原则《化工设计》一、设备分类（两类）标准设备或定型设备是成批系列生产的设备，可现成购买。标准设备有产品目录或手册样本，有各种型号，有不同生产厂家。工艺设计的任务是根据生产需要，计算并选择某种型号，以便订货。非标准设备或非定型设备需专门设计和特殊设备。非标准设备也是化工厂生产中大量存在的设备，它是化工厂生产的一种特色，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、材料、尺寸和其他一些具体要求。再由化工设备专业进行机械设计，由有关工厂进行制造。在设计非标准设备时，应尽量采用已经标准化的图纸。第一节化工设备选用的一般原则《化工设计》二、选型和工艺设计的原则：合理性：即设备必须满足工艺要求，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。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。第一节化工设备选用的一般原则安全性：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，尽量避免高温高压高空作业，尽量不用有毒有害的设备附件附料。经济性：设备投资节省，设备易于加工、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，并易于被国内消化吸收改进利用，避免盲目性。《化工设计》第一节化工设备选用的一般原则《化工设计》•系统性：化工过程是一个完整的系统，设备设计时不能仅关注单一设备，避免因个别设备妨碍整个系统优化；注重经济性的同时，还应通盘考虑，保留适当裕量，以免在日后扩产和工艺调整时成为系统“瓶颈”。•设备选型和工艺设计的原则：综合考虑合理性、先进性、安全性、经济性和系统性的原则，审慎研究，认真设计。第二节化工设备的选用《化工设计》•标准设备或定型设备是成批系列生产的设备，有产品目录或手册样本，有各种型号，有不同生产厂家。工艺设计的任务是根据生产需要，计算并选择和确定某种型号。•为正确、方便地进行化工设备的工艺设计，介绍常用的化工设备的选用及设计方法:第二节化工设备的选用《化工设计》•一、泵的选用与设计程序(1）确定泵型(2）确定选泵的流量和扬程(3）确定泵的安装高度。(4）确定泵的台数和备用率。（5）校核泵的功率（6）确定驱动形式（7）选用电动机（8）填写选泵规格表第二节化工设备的选用《化工设计》•二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；(2）介质流程；(3）终端温差；(4）流速；(5）压力降；(6）传热系数；(7）污垢系数；(8）尽量选用标准设计和标准系列第二节化工设备的选用《化工设计》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。第二节化工设备的选用《化工设计》（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。第二节化工设备的选用《化工设计》（6）确定和计算平均温差Atm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a可用粗略估计的方法，估算管内和管间流体的给热系数a1、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。第二节化工设备的选用《化工设计》（9）算出总传热面积A。（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Atm，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％一25%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）的换热器，并确定设备的台数。第二节化工设备的选用《化工设计》（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）校核传热系数K（14）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。第二节化工设备的选用《化工设计》•三、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）设计贮罐的一般程序（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、最高使用温度、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。第二节化工设备的选用《化工设计》（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。第二节化工设备的选用《化工设计》(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，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。第二节化工设备的选用《化工设计》(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。第二节化工设备的选用《化工设计》(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。第二节化工设备的选用《化工设计》•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。第二节化工设备的选用《化工设计》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。第二节化工设备的选用《化工设计》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。第二节化工设备的选用《化工设计》（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D。（4）计算填料塔压降。（5）验算塔内的喷淋密度。应按实际塔径验算塔内的喷淋密度是否大于最小喷淋密度。如果喷淋密度太小，将不能保证填料充分润湿，应重新调整计算。第二节化工设备的选用《化工设计》（6）计算填料层高度Z。填料层高度的计算是填料塔设计中重要的一环。有许多计算方法和经验公式，通常采用“传质单元法”和“等板高度法”。（7）计算塔的总高度H（8）塔的其他附件设计和选定（9）绘制塔设备结构图第二节化工设备的选用《化工设计》3．板式塔设计程序（1）汇总设计参数和物性数据。（2）选择板式塔的塔板结构常根据物料特性、分离要求来确定塔板结构。为了便于设备设计和制造，在满足工艺要求条件下，原化工部有关部门将一些塔板结构参数加以系列化，设计时可以直接选用。第二节化工设备的选用《化工设计》（3）进行工艺计算（4）塔径计算（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第二节化工设备的选用《化工设计》•五、反应器的选型和设计1．反应器的设计要点在反应器设计时，除了通常说的“合理、先进、安全、经济”原则，在落实到具体问题时，考虑下列设计要点：（1）保证物料转化率和反应时间。设计者根据物料的转化率和必要的反应时间，在选择反应器型式时，可以作为重要依据；选型以后，可计算反应器的有效容积，确定长径比及其他基本尺寸，决定设备的台件数。第二节化工设备的选用《化工设计》（2）满足反应的热传递要求。化学反应往往都有热效应，要及时移出或加入适量热量，因此在设计反应器时，要保证有足够的传热面积，并有一套能适应所设计传热方式的有关装置。此外，在设计反应器时还要有一套温度测控系统。（3）设计适当的搅拌器或类似作用的机构物料在反应器内接触，应当满足工艺规定的要求，使物料处于湍流的状态，有利于传热传质过程的实现。对于釜式反应器，依靠搅拌器来实现物料流动和混合接触；对于管式反应器，往往由外加动力调节物料的流量和流速。第二节化工设备的选用《化工设计》（4）注意材质选用和机械加工要求反应釜的材质选用通常都是根据工艺介质有无腐蚀性，或在反应产物中防止铁离子渗入、要求无锈，或要考虑反应器在清洗时可能碰到腐蚀性介质等。此外，选择材质与反应器的反应温度、加热方法有关联，与反应粒子的摩擦程度、摩擦消耗等因素也有关。第二节化工设备的选用《化工设计》2．反应釜设计程序（1）确定反应釜操作方式根据工艺流程的特点，确定反应釜是连续操作还是间歇操作。（2）汇总设计基础数据工艺计算依据如生产能力、反应时间、温度、装料系数、物料膨胀比、投料比、转化率、投料变化情况以及物料和反应产物的物性数据、化学性质等。（3）计算反应釜体积（4）确定反应釜设计（选用）体积和台数第二节化工设备的选用《化工设计》（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（7）搅拌器设计对于搅拌器的选型根据液体粘度、釜的容积、操作目的和主要影响因素来选型。（8）管口和开孔设计根据进出料口，夹套开孔，釜底釜盖开孔，有关仪器仪表接口，手孔、人孔等。（9）画出反应器设计草图（条