第四章设备的工艺设计及化工设备图_2

第四章设备的工艺设计及化工设备图主要内容:化工设备选用及工艺设计的一般原则化工设备的选用方法非定型设备设计的主要程序化工设备图的绘制第一节化工设备选用及工艺设计的一般原则从化学工程与工艺角度出发，化工设备一般包括物料输送及加工设备、换热设备、分离设备、反应设备及储罐；从化工设计角度出发化工设备一般分为定型设备和非定型设备两类。第一类、定型设备：是成批系列生产的设备，可直接购买。定型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。化工设备的工艺设计和选择是化工设计的重要组成部分，大致包括以下内容：1、结合工艺流程设计确定单元操作所用设备的类型。如液、固分离采用过滤机还是离心机；气、固催化反应采用固定床还是流化床。2、根据操作条件（T、P、介质性质）和对设备的工艺要求确定设备的材质。第二类、非定型设备：需专门设计的设备。根据工艺要求，通过工艺计算，提出型式、材料、尺寸及其他要求，再由化工设备专业技术人员进行机械设计，由有关工厂制造。3、通过工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、设备的工艺计算确定设备的设计参数。4、据设计参数确定定型设备的型号和台数。5、对非标准设备应向设备专业技术人员提出设计条件和设备草图，由他们进行机械设计，再由有关厂家进行制造。6、编制工艺设备一览表设备选型原则：1、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生产能力。2、先进性：运转可靠、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。工人操作时劳动强度小，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。4、经济性：设备投资省，易于加工、维修、更新，运行费用少。引进先进设备应考察设备的性能是否符合国情，避免盲目性。5、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，要通盘考虑，保留适当余量。思考题1、定型设备和非定型设备的设计方法。2、化工设备的工艺设计和选择包括哪些内容?3、设备选型和工艺设计的原则有那些?第二节化工设备设计及选用（一）泵的分类旋涡泵多级泵管道泵液下泵齿轮泵屏蔽泵1、据结构分类：①离心泵：在输送温度下介质粘度不宜过大；流量小、扬程高的不宜选用一般离心泵，可选多级泵。介质中溶解或夹带气体量大于5%时不宜选用离心泵；介质中含有固体颗粒在3%以下的，可选用一般离心泵，超过3%时要选特殊结构的离心泵。②旋涡泵：适用于流量较小、扬程高、黏度不大的液体，或介质中夹带气体大于5%的液体。③容积式泵：夹带或溶解气体大于5%时，可选用容积式泵；流量较小、扬程高的宜选用往复泵。表4-1泵的特性指标叶片式容积式离心式轴流式旋涡式活塞式回旋式液体排出状态流率均匀有脉冲流率均匀液体品质均一液体（或含固体的液体）均一液体均一液体均一液体均一液体允许吸入真空度，m4～8——2.5～74～54～5扬程范围大,10～600m(多级)低,2～20m较高，单级可达100m以上范围大，排出压力高，为0.294～58.8MPa体积流量m3/h范围大,5～30000较大,大约60000较小,0.4～20范围较大,1～600流量与扬程关系流量减小，扬程增大；反之流量增大，扬程减低同离心式同离心式,但增率和减率较大（即曲线较陡）流量增减排出压力不变，压力增减，流量近似为定值构造特点转速高，体积小，运转平稳。基础小，设备维修较易与离心式基本相同，但叶轮较离心式的叶片简单，制造成本低转速低，排液量小，设备外形庞大，基础大.同离心式体积流量与轴功率关系流量减少，轴功率减少流量减少，轴功率增加流量减少，轴功率增加当排出压力定值时，流量减少，轴功率减少同活塞式2、据用途分类①清水泵：应用最广的离心泵，用来输送各种工业用水及物、化性质类似于水的其它液体。②油泵：输送石油产品的泵，油易燃易爆，要求有良好的密封性。③耐腐蚀泵：与腐蚀性介质接触的部件用耐腐蚀材料制造。④液下泵：安装在液体贮槽内,对轴封要求不高。常用于输送各种腐蚀性液体。⑤屏蔽泵：是一种无泄露泵，其叶轮和电机连为一体密封在同一泵壳内，用来输送易燃易爆及有毒液体。⑥隔膜泵：借弹性薄膜将活柱与被输送液体隔开，用于输送腐蚀性液体。⑦计量泵：用来输送流量恒定的液体或按比例输送几种液体，用于要求输液量十分准确又便于调节的场合。⑧齿轮泵：泵壳中有一对相互啮合的齿轮，齿轮旋转时液体被强行压出，多用来输送粘稠液体。确定泵型时应注意:1)输送易燃、易爆、易挥发、贵重液体、有毒介质时要求密封性可靠，应选无轴封不泄漏的磁力驱动泵或屏蔽泵。2)输送腐蚀性介质时应选耐腐蚀泵化工设备的破坏约有60%是由于腐蚀引起的，因此在化工泵选型时首先要注意选材的科学性。（二）泵的选用与设计程序1、确定泵型①硫酸：氟塑料具有较好的耐硫酸性能，采用衬氟泵是一种最为经济的选择。②盐酸：内衬橡胶泵和塑料泵（如聚丙烯、氟塑料等）是输送盐酸的最好选择。③硝酸：不锈钢是应用最广的耐硝酸材料，对常温下一切浓度的硝酸都有良好的耐蚀性，对于高温硝酸，通常采用钛及钛合金材料。④醋酸：不锈钢是优良的耐醋酸材料，高温高浓醋酸或含有其它腐蚀介质等苛刻要求时，可选用高合金不锈钢或氟塑料泵。⑤氨：只有铜和铜合金不宜使用。⑥碱（氢氧化钠）：钢铁广泛应用于80℃以下、30%浓度内的氢氧化钠溶液，其他情况也有采用，虽然腐蚀增加，但经济性好。对于高温碱液多采用钛及钛合金或者高合金不锈钢。⑦盐水（海水)：普通钢铁在氯化钠溶液和海水水中腐蚀率不高，一般须采用涂料保护;各类不锈钢具有很低的均匀腐蚀率，通常采用316不锈钢。⑧醇、酮、酯、醚类：基本没有腐蚀性，常用材料均可适用。酮、酯、醚对多种橡胶有溶解性，在选择密封材料时避免出错。3)输送易汽化的液体应选低温泵。易汽化液体指沸点低的液体，如液态烃、液化天然气、液态氧、液态氢等，这些介质的温度通常在-30—-160℃，易汽化液体的特点如下：①泵入口压力高，易汽化液体在常温、常压下为气态，只有在一定压力和低温下为液态，故入口压力较高。②汽化压力随温度变化显著，一般当温度变化25%时，气体压力可变化100-200%。③对泵轴封要求高，大部分此类液体有腐蚀性和危险性，不允许泄露；故对密封要求很严。4)当要求精确进料时，应选用计量泵或柱塞泵。5)流量大，扬程不高时，可选单级离心泵；流量不大，扬程高时，宜选往复泵或多级离心泵。2、确定泵的流量和扬程①流量的确定和计算：选泵时应以最大流量为基础，如果数据是正常流量，则应乘1.1－1.2的安全系数．②扬程的确定：泵的扬程近似为泵出口和入口的压力差。先算出所需的扬程，一般放大5－10%。3、确定泵的安装高度为避免水泵打不上液体，泵的安装高度应比计算出来的允许吸上高度低0.5—1m。4、确定泵的台数和备用台数：一般情况下只设一台泵，一些重要岗位的泵、高温操作或其他苛刻条件下使用的泵应设备用泵。5、校核泵的轴功率：离心泵的轴功率N是指电机输入到泵轴的功率。泵样本上给定的功率是用水测得的，当输送密度与水相差较大的液体时，需用以下公式校正轴功率：6、确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量。7、选用电动机：依据是轴功率。8、填写泵的规格表。102QHN思考题：1、简述泵的选用与设计程序。2、据结构分类泵可分为哪些类型？各用于什么情况？3、据用途分类泵可分为哪些类型？各用于什么情况？4、输送不同的腐蚀性介质应选择什么材料的泵?5、简述泵的设计程序。6、确定泵的流量、扬程、安装高度时应注意那些问题？二、换热设备的设计与选用（一）换热器的分类及结构特点1、按换热器作用原理分类（1）直接接触式换热器换热时冷热流体发生接触和混合。如凉水塔、喷射冷凝器。（2）间壁式换热器：传热时冷热流体由固体壁面隔开，流体不发生接触和混合，是应用最广的换热器。如管壳式换热器、板式换热器。（3）蓄热式换热器：将两种温度不同的流体轮流通过同一种固体填料表面，使填料相应的被加热和被冷却。2、按传热面形状和结构分类（1）管式换热器冷热流体通过管子壁面进行传热。如：管壳式、套管式、蛇管式换热器。（2）板式换热器冷热流体通过板面进行传热。如：平板式、螺旋板式、板翅式换热器换热器的结构特点1．管壳式换热器优点:能承受高温高压，在有限的空间内可安置较大的传热面，适用于流体的处理量大及需要较大传热面积的场合.缺点:换热效率较小，单位传热面积所需的金属量大。2.夹套式换热器广泛用于反应物料的加热或冷却．优点:构造简单，缺点:传热面积及传热系数小，一般加搅拌来提高传热系数。3.管式换热器有蛇管式和套管式。优点:结构简单，制造方便；缺点:可拆连接处容易造成泄漏；单位传热面所需的金属量与外廓尺寸均比其他换热器要大；清洗检修比较麻烦。4．板式换热器由许多板片平行组合而成，板片表面具有波纹或沟槽，其作用是增加有效传热面，提高刚性和强度，促进湍流。优点:结构紧凑，检修清理方便；缺点：板片难以压紧故操作压力不能高；受密封材料的限制，操作温度也不宜太高.热流体进口热流体出口冷流体出口冷流体进口5．螺旋板式换热器由两张平行的薄钢板卷制而成，构成互相隔开的螺旋形通道，冷、热流体以螺旋板为传热面进行热量传递。优点:结构紧凑，换热效率高。缺点:不易检修，操作压力和温度不能太高。(1)基本要求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满足工艺布置的安装尺寸等要求（二）管壳式换热器设计的一般原则腐蚀性介质降低对外壳材质的要求有毒性介质泄漏几率小易结垢的介质便于清洗压力高的介质减小对壳体机械强度的要求温度高的介质可改变管子材质，满足介质要求粘度大可加折流板提高传热系数流量小可加折流板提高传热系数雷诺数小阻力小，△p下降饱和蒸汽便于排出凝液被冷却物料便于散热管程壳程（2）介质流程:（以固定管板式换热器为例）何种介质走管程,何种介质走壳程,可按下列情况确定：（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。一般认为范围如下：a、换热器的高温端温差应大于20℃以上；b、用水或其他冷却介质冷却时，低温端温差可以小一些，但不要低于5℃；c、当用冷却剂冷凝工艺流体时，冷却剂的进口温度应高于工艺流体中易结冰组分的冰点5℃以上；d、冷凝含有惰性气体的物料时，冷却剂出口温度至少比工艺物料的露点低5℃。（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，有利于冲涮污垢和沉积。但流速过大，磨损严重，影响操作和使用寿命，能量消耗增加。因此，须选择适宜的流速。流体种类管程流速(m/s)壳程流速(m/s)一般液体易结垢液体气体0.5-315-300.2-1.50.53-15（5）压力降一般随操作压力不同而有一个大致的范围。压力降的影响因素很多，但通常希望换热器的压力降在以下参数范围内或附近。操作压力p/MPa压力降MPa操作压力p/MPa压力降MPa0—0.1(绝压）0-0.07（表压）0.07-1.0（表压）=p/10=p/2=0.0351.0—3.03.0—8.0=0.035-0.18=0.07-0.25pp（6）管子尺寸及排列A、管径：为满足压降要求，一般选用19mm以上的管子；对易结垢的物料，为方便清洗宜选用25mm以上的管子；对有气液两相物流的情况一般选用大直径（如32mm）的管子；对于直接火焰加热的情况多采用76mm的管子。B、管长：无相变的换热器一般选2—6m的长管。C、管子的排列和管心距：三角形排列有利于壳程物流的湍流，正方形排列有利于壳程的清洗。管心距一般选管外径的1.25—1.5倍。（7)传热系数：传热面两侧的传热膜系数α1和α2相差很大时，α值较小的一侧是控制传热效果的主要因素，应设法增大该侧的传热膜系数。计算传热面积时常以α小的一侧为准。增加α的方法是：a、缩小通道截面积，以增大流速；b、增设挡板或促进产生湍流的插入物；c、管壁上加翅片，可提高湍流程度且增大传热面积；d、糙化传热表面，对于