6化工设备的工艺设计

第六章化工设备的工艺设计6.1化工设备工艺设计内容：（1）确定设备类型：（2）确定设备材质：根据操作条件（介质的性质、温度、压力）（3）确定设备的设计参数：根据工艺流程、物料衡算、能量衡算、设备的工艺计算等得到的。不同设备有不同设计参数。a.换热器：热负荷Q，换热面积S，冷热载体的流量、温度、压力。b.泵：流量、扬程、轴功率、允许吸上高度。c.风机：风量、风压。d.吸收塔：气体的流量、组成、压力、温度，吸收剂的种类、流量、温度、压力、塔径、塔高、塔板类型、塔板数、填料种类、规格、填料高度、每段填料的高度和段数。e.精馏塔：塔进料、塔顶、塔底产品的流量、组成、温度、塔操作压力、塔径、塔板类型塔板数、填料种类、规格、填料高度、每段填料的高度和段数、进料位置、灵敏板位置。f.对于标准设备：根据工艺需要确定标准图图号和型号。g.对非标设备：向设备专业提供设计条件和草图、明确设备的形式、材质、基本设计参数管口、维修、安装、支撑及其它要求（如防爆口、人孔、手孔、仪表接口等）6.2泵的选用6.2.1对化工用泵的要求（1）输送易燃、易爆、易挥发、有毒、有腐蚀及贵重介质，要求密封性可靠，应选磁力驱动泵或屏泵。（2）输送腐蚀性介质，选耐腐蚀泵，根据介质的特性和温度范围，选择不同的材质的泵的过流部件。非金属：聚氯乙烯、玻璃钢、聚丙细、氟塑料、石墨、搪玻璃、陶瓷。（适用范围：222页表6.1）金属：不锈钢、铝合金、钛合金、纯钛等（3）输送易气化的液体（低沸点液体-30~-160℃）选低温泵。（4）输送高温介质：热油泵各类泵的特点见P223表6.36.3换热器的设计和选用6.3.1换热设备的类型：从形式上分：板式、列管式、翅片式、盘管、喷淋式等。从使用上分：加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸器、冷却器、深冷器、冷凝器、完全冷凝器、部分冷凝器。热交换性能：表6.4P226设计中应尽量选择标准系列。减少设计工作量和投资。6.3.2换热器设计参数的取值6.3.2.1流速：管内：壳内：水及水溶液:0.7~2.0m/s水及水溶液：0.5~1.5m/s低粘度油：0.8~1.8m/s低粘度油：0.4~1.0m/s高粘度油：0.5~1.5m/s高粘度油：0.3~0.8m/s气液混合物:2.0~6.0m/s气液混合物:0.5~3.0m/s6.3.2.2流体路径：热载体上进下出，冷剂下进上出。管程：（1）不清洁、易结垢的流体（2）小流量、粘度大（因管程可以做成多程结构，得到较大的流速，k↑）(3)腐蚀性、有毒性流体（避免管束和壳体同时腐蚀）（4）压力高的流体壳称：（1）被冷却的流体（2）饱和蒸汽6.3.2.3冷热流体温差的取值换热器两端冷热流体的温差Δt↑，换热面积ΔS↓投资↓→冷剂量↑操作费用↑所以Δt应合理。（1）换热器热端：Δt20℃以上（2）换热器冷端：Δt5℃以上（3）冷凝含有惰性气体的流体时，冷却剂出口温度要比冷凝液的露点低5℃（4）空冷器冷热流体温差大于15℃6.4储罐的设计与选型6.4.1储罐的标准系列（1）碳钢容器标准系列：a．立式平底常压下使用b．锥底平盖常压下使用c．椭圆封头：0.25~4.0MPa（2）玻璃钢容器标准系列：-10~80℃微压100~500m3(3)搪玻璃容器＜1.0Mpa-20~200℃6.4.2储罐存贮量的确定（1）原料贮存：全厂性贮存：一般30~100天。车间贮存：15天（视介质性质而定）（2）成品贮存：根据生产周期和市场情况而定（3）中间罐：一班或一批（4）回流罐：5~10min液体量保证冷凝器的液封之用（5）液体贮罐充装系数0.8~0.85气体贮罐充装系数1.0（6）缓冲罐5~15min用量，(7)闪蒸罐：闪蒸过程就是液体的部分气化过程。根据液体达到气液平衡的时间而定。选择充分的停留时间。6.5塔器的设计化工厂中常用的有喷洒塔、板式塔和填料塔。在蒸馏操作和吸收操作中常用的是板式塔和填料塔。究竟选什么形式的塔？6.5.1塔型的选择因素(1)塔径：大塔用板式塔，小塔用填料塔(2)板式塔可适应较小的液体流量，同样条件下填料塔则会导致润湿不足。(3)处理含有颗粒的物料宜选用板式塔（筛板塔、泡罩塔、浮阀塔），而用填料塔易堵。(4)产生大量溶解热和反应热的物系宜采用板式塔.因为可在塔板上安装冷却排管，在塔外冷却后回到塔内以控制塔温。(5)处理有腐蚀性物料宜用填料塔，因为板式塔需用耐腐蚀的金属材料，造价高。(6)热敏性物料的蒸馏宜用填料塔。填料塔内液体的滞留量较小，在塔内停留时间短。填料塔适用于处理发泡液体，因填料能起到破碎泡沫作用。6.5.2板式蒸馏塔的设计：6.5.2.1板式蒸馏塔的设计程序：（1）汇总物性数据、工艺要求。（2）初选塔盘结构（3）计算实际塔板数（4）确定再沸器塔顶冷凝器的热负荷并选型计算（5）确定塔径、塔高（6）确定进料口、灵敏板位置（7）确定塔节法兰位置、人孔、手孔、视镜、仪表等开口位置（8）向设备专业提条件a)确定轻重关键组分及其在塔顶塔釜的分配b)初定塔釜、塔顶的操作压力6.5.2.2板式蒸馏塔的实际塔板数的确定：a.确定轻重关键组分及其在塔顶塔釜的分配b.初定塔釜、塔顶的操作压力c.作全塔料衡算，确定塔底、塔釜产物的组成d.根据气液平衡关系，验算塔的操作参数（塔顶塔底的压力、温度等）e.选定进料状态f.理论塔板数g.定塔板效率h.求实际塔板数6.5.3填料蒸馏塔的设计6.5.3.1填料蒸馏塔的设计程序：（1）汇总物性数据、工艺要求。（2）选用填料（3）确定塔径（4）确定理论板数和和填料的等板高度数值（5）计算填料高度（6）核算喷淋密度（是否能维持最小喷淋度）（7）确定填料段数和每段填料高度（8）确定塔节法兰位置、人孔、手孔、视镜、仪表等开口位置（9）向设备专业提条件6.5.3.2填料的选用：a）确定轻重关键组分及其在塔顶塔釜的分配b)初定塔釜、塔顶的操作压力c)作全塔料衡算，确定塔底、塔釜产物的组成d)根据气液平衡关系，验算塔的操作参数（塔顶塔底的压力、温度等）e)选定进料状态f)理论塔板数g)定塔板效率h)求实际塔板数6.5.3填料吸收塔的设计除填料高度外，同填料蒸馏塔的设计。采用传质单元高度法计算填料高度Z=N0GH0GorZ=N0LH0LZ-------填料高度N0G-------气相总传质单元数H0G-------气相总传质单元高度N0L-------液相总传质单元数H0L-------液相总传质单元高度N0G:气相总传质单元数N0L:液相总传质单元数6.5.4板式吸收塔的设计dyYYNYYOG21*1dXXXNXXOL21*1H0G:气相总传质单元高度H0L:液相总传质单元高度kyaGHG'0kxaLHL'06.5.4板式吸收塔的设计常用于用少量吸收液来处理大量气的混合物的情况。6.5.4.1板式吸收塔理论塔板数解析法、图解法、计算机程序6.5.4.1板式吸收塔板效率小于50%计算时取25%----20%溶解系数↑系统压力↑塔板效率↑吸收液粘度↑塔板效率↓（吸收操作温度较低）6.6反应器的设计6.6.1管式反应器设计：管内走物料，管外用燃料油燃烧供给所需反应热。用于均相反应。（轻烃裂解）6.6.2釜式反应器设计：（1）间歇釜：原料一次性加入，批量反应。釜的大小由反应所需的体积确定。V=Q0(t+t0)t-----反应时间t0-----辅助生产时间例题1：在间歇釜中用己二酸在70℃下进行缩聚反应生产醇酸树脂，以H2SO4为催化剂，其动力学方程式如下：A指己二酸70℃下k=1.97x10-3L/(mol·min)CA0=4mol/L,每天处理己二酸2400kg每批操作的辅助生产时间t0=1h求：XA=80%时，反应釜的体积V=?2AAkCR解：（1）计算每批产品所需要的反应时间22020)1(AAAAxkCkCRhxCxkxkCdxCtAfaAfxaAAAAf5.8min510)8.01(41097.18.0)1(1)1(3200200(2)计算连续反应釜进口液体的体积流量.己二酸的摩尔流量FA0己二酸的分子量146∴反应釜进口液体的体积流量为：hmolFA/684146241000240003000182.74/684/mCFAA(3)计算反应釜的体积，其有效体积为取装料系数为0.75则反应釜的实际体积为7.182/0.75=9.58m3∴圆整V=10m330182.7718242171mLXV（2）连续釜：串联、并联Vτ-----反应釜有效体积，M3Q0------反应器入口液体物料的体积流量M3/minτ------物料在釜内的平均停留时间CA0------反应釜入口液体中关键组分A的浓度mol/LXAf------反应釜液体中关键组分A转化率。RAf------反应温度、反应浓度下的反应速率mol/L.s例2在连续釜中进行上述反应，处理量及转化率同上求：，反应釜的体积V=?解：（1）计算连续反应釜的速率)1(202AfAAAfxkCkCRhxkCxAfAAf42min2538)8.01(41097.18.0)1(2306.7非标设备的设计程序和设计条件6.7.1非标设备的设计程序（1）通过工艺计算确定设备的主要尺寸和工艺参数。（2）通过流体力学计算所有管口规格、数量，由管道布置图确定人孔、手孔及各种管口位置。根据工艺控制要求，按照带控制点工艺流程图确定设备上的仪表口、测量口规格、数量、位置。（3）确定设备的安装标高、支撑形式。（4）编制管口方位图。6.7.2非标设备的设计条件图内容：(1)设备技术特性及要求。(2)操作条件(3)物料的物性参数(4)建议材质(5)设备简图(6)各种管口名称、规格、连接形式、压力等级、用途等（7）设备支撑条件、安装高度。思考题：1。泵、换热器、塔、储罐及反应器的选用。2。如何计算塔的高度、直径？如何计算反应器的体积？