化工设计概论第四章_设备的工艺设计与选型

第四章设备的工艺设计与选型分类：1）一类称标准设备或定型设备；2）一类称非标准设备或非定型设备。化工设备工艺设计，对于定型和标准设备来说就是选型，对于非标准设备来说就是通过化工计算，提出型式、材料、尺寸和其它一些要求，由化工设备专业进行工程机械加工设计，由有关机械加工厂制造。设备工艺设计与选型原则1．合理性；2．可靠性，先进性；3．安全性：4．经济性。全面贯彻先进、适用、高效、安全、可靠、经济俭省的原则，审慎地研究，认真地设计。设备工艺设计的主要工作和方法1．结合流程确定化工单元操作所需设备类型；2．确定设备材质；3．确定设备的设计参数；4．确定标准设备的型号和台数；5．确定标准图的图号和型号；6．非标设备，向(机械设计)专业提设计条件；7．汇总列出设备一览表。8.同设备专业设计人员进行图纸会签。第二节化工设备的材料和选材原则材料分类：1．金属；2．非金属；3．复合材料。第二节化工设备的材料和选材原则选材一般原则：1．满足工艺及设备要求；2．材质可靠，使用安全；3．易于加工；4．立足市场，立足国内，立足当地资源；5．综合经济指标核算。第三节泵的设计与选型1.泵的分类；各种泵的特性第三节泵的设计与选型2.泵的技术指标：1．型号；2．扬程；3．流量；4．必需汽蚀余量；5．功率与效率。2、化工生产常用泵螺杆泵往复泵塑料泵喷射器（左）液下泵（右）屏蔽泵屏蔽泵由于没有转轴密封，可以做到绝对无泄漏，因而在化工装置中的使用已愈来愈普遍。屏蔽泵的原理和结构特点普通离心泵的驱动是通过联轴器将泵的叶轮轴与电动轴相连接，使叶轮与电动机一起旋转而工作，而屏蔽泵是一种无密封泵，泵和驱动电机都被密封在一个被泵送介质充满的压力容器内，此压力容器只有静密封，并由一个电线组来提供旋转磁场并驱动转子。这种结构取消了传统离心泵具有的旋转轴密封装置，故能做到完全无泄漏。屏蔽泵把泵和电机连在一起，电动机的转子和泵的叶轮固定在同一根轴上，利用屏蔽套将电机的转子和定子隔开，转子在被输送的介质中运转，其动力通过定子磁场传给转子。隔膜泵隔膜泵是利用螺杆的回转来吸排液体的。隔膜泵中间螺杆为主动螺杆，由原动机带动回转，两边的螺杆为从动螺杆，随主动螺杆作反向旋转。主、从动螺杆的螺纹均为双头螺纹。由于各螺杆的相互啮合以及螺杆与衬筒内壁的紧密配合，在泵的吸入口和排出口之间，就会被分隔成一个或多个密封空间。随着螺杆的转动和啮合，这些密封空间在泵的吸入端不断形成，将吸入室中的液体封入其中，并自吸入室沿螺杆轴向连续地推移至排出端，将封闭在各空间中的液体不断排出。二、选泵的原则1、基本泵型和泵的材料；2、扬程和流量要求；3、有效汽蚀余量和安装高度；4、泵的台数和备用率。选泵的工作方法和基本程序1．列出选泵的岗位和介质的基础数据；2.确定选泵的流量和扬程；3．选择泵的类型，确定具体型号；4．换算泵的性能；5．确定泵的安装高度；6．确定泵的台数和备用率；7．校核泵的轴功率选定泵的材料及轴封；8．确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量；9．选用电动机；10．填写选泵规格表。第四节气体输送、压缩设备的设计与选型一、分类(1)通风机(压力0.115MPa,分轴流风机和离心风机）(2)鼓风机(压力0.115～0.4MPa,罗茨鼓风机和离心鼓风机）(3)压缩机(压力0.4MPa,离心式、螺杆式、往复式）(4)制冷机(压力0.4MPa,活塞式、离心式、螺杆式、溴化锂吸收式、氨吸收式）(5)真空泵(压力接近0MPa,往复式、水环、液环、旋片、喷射）通风机通风机的选用一、主要用途用于通风、干燥过程；轴流风机因风压小，流量大，只用于通风换气，如凉水塔，空冷器的通风。二、主要技术参数1）风量m3/h2)风压Pa3)功率kw4)效率%离心通风机的选择步骤(1)了解工程工况、输送气体性质(如清洁空气、烟气、含尘空气或易燃易爆气体)等。(2)根据柏努利方程式，计算输送系统所需的实际风压，再加上一个附加值，并换算成试验条件下的风压△P0。(3)把实际风量Q(以风机进口状态计)乘一安全因数，并换算成试验条件下的风量Q0。(4)按试验条件下的风量Q0和风压△P0，从风机的产品样本中的特性曲线或性能表选择合适的机号。(5)根据风机安装位置，确定风机旋转方向和风口角度。(6)若所输送气体的密度大于1.2kg/m3时，则须核算轴功率。鼓风机鼓风机罗茨风机的选用一、工作原理工作原理与齿轮泵相识，两个旋转方向相反的“8”字轮。气体一侧吸入，另一侧排出。二、注意事项1）出口安装气柜与安全阀2)流量用旁路调节3)出口阀不可完全关闭三、选用方法同通风机压缩机压缩机分类一、按结构形式分类活塞式和离心式。二、常用压缩机1）活塞式压缩机2)离心式压缩机3)螺杆式压缩机三、压缩机的选择1）压缩机的选用原则2)离心式压缩机的型号选择3)活塞式压缩机的型号选择制冷机真空泵一、主要技术指标1）真空度2)抽气速率3)极限真空4）抽气时间二、常用真空泵1）往复式真空泵2)水环真空泵3)液环真空泵4）旋片真空泵5）喷射真空泵真空泵真空泵水环泵第五节换热设备的设计与选型一、换热器的分类1．按工艺功能分类(1)冷却器(2)加热器(3)再沸器(4)冷凝器(5)蒸发器(6)过热器(7)废热锅炉(8)换热器2．按传热方式和结构分类根据热量传递方法不同，可以分间壁式，直接式和蓄热式。二、常用的换热器夹套式换热器，蛇管式换热器，套管式换热器，管壳式换热器，板式换热器，螺旋板式等。换热器换热器换热器三、管壳式换热器的选用标准换热器型式：固定管板式，浮头式，U形管式和填料函式。标准换热器型号的表示方法：×××DN-P1/P2-A-LN/d-Nt/NsⅠ(或Ⅱ)×××——由三个字母组成，第一个字母表示前端管箱形式；第二个字母代表管壳形式；第三个字母代表后端结构形式，参见图例(图4.2)。DN——公称直径(mm)对重沸器用分数表示，分子为管箱内直径，分母为圆筒内直径。P1／P2——管程／壳程设计压力(MPa)、压力相等时，只写管程设计压力(MPa)。A——公称换热面积(m2)。LN／d——LN为公称长度(m)，d为换热管外径(mm)。Nt/Nt——管程／壳程数，单程时只写Nt。I(或Ⅱ)——I级(或Ⅱ级)换热器。部件分类三、管壳式换热器的型号表示例1固定管板换热器，封头管箱，公称直径700mm，设计管程压力2.5MPa，壳程压力1.6Mpa，公称换热面积200m2，较高级冷拔换热管外径25mm，管长9m，4管程，单壳程，其型号为：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4Ⅰ第六节贮罐容器的设计与选型一、贮罐的类型1.根据形状来划分（方形贮罐、圆筒形罐、球形罐和特殊形贮罐(如椭圆形、半椭圆形)每种型式又按封头形式不同，分为若干种型式。常见的封头有平板、锥形、球形、碟形、椭圆形等。有些容器如气柜、浮顶式贮罐、其顶部(封头)是可以升降浮动的。）2.按制造材质分（有钢，有色金属和非金属材质之分。）3.按用途分（贮存，计量，回流，中间周转，缓冲，混合等）平底平盖贮罐例如：立式平底平盖容器，设计压力为常压，公称容积VN0.06m2，公称直径DN400。标记为：R21A-00-1平底锥盖贮罐立式圆底圆盖贮罐立式锥底椭圆盖贮罐卧式椭圆封头贮罐卧式椭圆封头贮罐卧式无折边球形贮罐贮罐设计的一般程序1.汇集工艺设计数据2.选择容器材料3.容器型式的选用4.容积计算5.确定贮罐基本尺寸6.选择标准型号7.开口和支座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第七节塔设备的设计与选型（一）塔的分类1．板式塔诸如筛板塔、栅板塔、舌形板塔、斜孔板塔、波纹板塔、泡罩塔、浮阀塔、喷射板塔、穿流板塔、浮动喷射板塔等。浮阀塔第七节塔设备的设计与选型（一）塔的分类2．填料塔如金属鲍尔环填料塔、波网填料塔。常用的填料有拉西环、鲍尔环、矩鞍型填料、阶梯型填料、波纹填料、波网(丝网)填料、螺旋环、十字环填料等。第七节塔设备的设计与选型（二）选用塔的基本原则1.要满足工艺要求，分离效率高。2．生产能力要大，有足够的操作弹性。3．运转可靠性高，操作、维修方便，少出故障。4．结构简单，易于制造加工，造价较低。5．塔压降小。第七节塔设备的设计与选型（三）设计一般步骤1．确定基础数据（进料量、组成，状态；产品的质量和收率；物性数据等）。2．选择合适的工艺流程。3．选择塔设备的形式。4．确定塔的操作压力及温度。5．计算塔高塔径。6．塔结构的设计。7．塔的流体力学计算。第八节反应器选型设计（一）反应器分类分类釜式反应器通用性很大，造价不高，用途最广。它可以连续操作，也可以间歇操作。国家已有K型和F型两类反应釜列成标准。K型是有上盖的釜，形状上偏于“矮胖型”(长径比较小)。F型没有上盖，形状则偏于“瘦长型”(长径比较大)，材质有碳钢、不锈钢、搪玻璃等几种。釜式反应器比较灵活通用，在间歇操作时，只要设计好搅拌，可以使釜温均一，浓度均匀，反应时间可以长、可以短，可以常压、加压、减压操作，范围较大，而且反应结束后，出料容易，釜的清洗方便，其机械设计亦十分成熟。釜式反应器可用于串联操作，使物料一端流入，另一端出料，形成连续流动。管式反应器传热面积大，反应可以连续化，流体流动快，停留时间短，经过一定的控制手段，可以使管式反应器有一定的温度梯度和浓度梯度。管式反应器可以用于连续生产，也可以用于间歇操作。固定床反应器主要应用于气固相反应，其结构简单，操作稳定，便于控制，易于实现连续化，床型可以是多种多样，易于大型化。它可以设计较大的传热面积，可以有较高的气体流速，传热和传质系数可以较高。加热的方式比较灵活，可以有较高的反应温度。但是，固定床反应器床层的温度分布不容易均匀。流化床反应器流化床的特点是细的或粗的粒子在床内不是静止不动，而是在高速流体的作用下，床内固体粒子被扰动悬浮起来，剧烈运动，固体的运动形态，接近于可以流动的流体，故称流化床流化床反应器的最大优点是传热面积大，传热系数高，传热效果好。缺点由于流化床体系内物料返混严重，粒子磨损严重，此外，通常要有粒子回收和集尘的装置。床型和构件比较复杂，操作技术要求高以及造价较高等问题。反应器设计要点在反应器设计时，除了通常说的要求“合理、先进、安全、经济”的原则，还要，考虑下列设计要点：1．保证物料转化率和反应时间。2．满足物料和反应的热传递要求。3．设计适当的搅拌器和类似作用的机构。4．注意材质选用和机械加工要求。釜式反应器的结构和设计1.釜式反应器结构(1)釜体及封头(2)换热装置(3)搅拌器(4)轴密封装置(5)工艺接管搪玻璃反应釜搪玻璃反应釜搪玻璃反应釜搅拌器形状搅拌器形状釜式反应器的结构和设计2.釜式反应器的选型设计步骤(1)确定反应釜操作方式(2)汇总设计基础数据(3)计算反应釜体积(4)确定反应釜体积和台数(5)反应釜直径和筒体高度、封头确定(6)传热面积计算和核校(7)搅拌器设计(8)管口和开孔设计，确定其它设施(9)轴密封装置(10)画出反应器工艺设计草图(条件图)，或选出型号。经验法计算反应器体积1.间歇槽式反应器体积的计算VR＝V0τ/或VR＝Gτ//ρVR——反应器的有效体积，m3；V0——平均每小时加入物料的体积，m3／h；τ/——每批操作所需的时间，h;G——平均每小时加入物料的质量，kg／h；ρ——反应物料的密度，kg／m3。经验法计算反应器体积反应器的体积：VP＝VR/ψ式中：VP——反应器体积，m3；ψ一装填系数。通常由经验确定。一般采用0.7～0.75。经验法计算反应器体积例1设计年产量为720吨的醋酸丁酯车间，计算所需反应器的体积。已知条件：（1）年工作天数：300天（2）反应物料的配比醋酸:1kg,丁醇4.972kg(3)醋酸转化率为50%(4)反应时间为34.5分(5)生产辅助时间为30分(加料、卸料、清洗等）（6）反应物的密度不变：0.75kg/升反应器体积计算过程反应器体积计算如下:(1)每小时产量三班制生产720X1000/300X24=100(kg)(2)每批生产时间34.5+30=64.5(分)=1.08(小时)(3)每批生产