设备的工艺设计及化工设备图

2020/6/29化工设计12020/6/29化工设计2第四章设备的工艺设计及化工设备图教学内容：化工设备选用及工艺设计原则化工设备的选用方法化工设备及简单的工艺计算设备图的绘制及表示方法教学重点：设备的选择教学难点：非定型设备设计教学时数：8学时实施方案：2020/6/29化工设计3第一节化工设备选用及工艺设计的一般原则化工设备一般分为两类：1、标准设备或定型设备，是成批系列生产的设备，可现成购买。2、非定型标准设备，需专门设计和特殊设备。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。2020/6/29化工设计4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。造型和工艺设计的原则：1、合理性即设备必须满足工艺一般要求，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。2020/6/29化工设计52、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。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。4、经济性设备投资省，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，应反复报价，考察设备的性能是否复合国情，避免盲目性。2020/6/29化工设计6第二节化工设备的选用主要介绍常用的几种典型设备选用一、泵的选用与设计程序1、确定泵型根据工艺条件及泵的特性，首先决定泵的的尺寸。从被输送的物料性质可知、温度、粘度、挥发性、毒性、化学腐蚀性、溶解性等因素来确定泵的基本形式。还应考虑生产工艺过程动力，环境等条件，如：生产是连续或间断，扬程和流量的波动范围，动力来源，厂房层次高低等因素。所以泵的形式各不相同。2020/6/29化工设计7从工艺方面讲：①流量大，扬程不高时，可选单级离心泵；②流程不大，扬程高时，宜选往复泵或多级离心泵；③输送有腐蚀介质，选耐腐蚀泵；④输送昂贵液体、剧毒或放射性能的液体应用完全不泄漏无轴封的屏蔽泵；⑤当要求精确进料时，应选用计量泵或柱塞泵。2、确定泵的流量和计算①、流量的确定和计算选泵时应以最大流量基础，如果数据是正常流量，则应乘1.1~~1.2的安全系数,通常应核算成体流量。②、扬程的确定用柏努力方程计算，用米演液柱表示一般放大5~10%先算出所需的扬程，即用来克服两端容器的位能，两端容器的静压力，两端系统的管道、管件和装置的阻力损失。2020/6/29化工设计8③、确定泵的安装高度。④、确定泵的台数和备用台数。一般情况下只设一台泵，特殊情况下也可两台同时操作。输送泥浆和特殊原料的泵应设有备用泵。⑤、校核泵的轴功率。⑥、确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量。⑦、选用电动机。⑧、填写泵的规格表。通过以上程序即可选出合适的泵2020/6/29化工设计9二、换热设备的设计的选用1、换热器设计的一般原则①、基本要求：满足工艺要求，能长期运转安全可靠，不泄漏，维修清洗方便；满足传热面积要求，传热效率高，液体阻力小，便于安装与维修。②、介质流程何种介质走管程；何种介质走壳程。2020/6/29化工设计10可按下列情况确定：腐蚀性介质降低对外壳材质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要求温度高的介质可以改变材质粘度大可提高传热系数流量小可提高传热系数雷诺数小阻力小，△p下降管程壳程2020/6/29化工设计11③、终端温差换热器的终端温差通常由工艺过程的需要而定。但在工艺确定温差时，应考虑换热器的经济合理和传热效率，使换热器在最低最佳范围内操作。一般认为范围如下：a、热端的温差应大于20℃以上；b、用水或其他冷却介质冷却时，冷端温差可以小一些，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当高于工艺流体中最高凝点组分的凝点5℃以上；d、空冷器的最小值温差就大于20℃；e、冷凝含有惰性气体时，冷却剂出口温度至少比冷凝组分的露点低5℃。2020/6/29化工设计12④、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，甚至造成设备振动，影响操作和使用寿命，能量消耗增加。因此，须选择适宜的经济流速。根据经验常用的流体流速范围好听下：P60流体在直管内和壳程的流速。2020/6/29化工设计13⑤、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压以下参数范围内或附近。P60⑥、传热系数传热面两侧的传热膜系数α1，α2如相差很大时，α值较小的一侧将是控制传热效果的主要因素，设计传热器时，应设法增大该侧的传热膜系数。2020/6/29化工设计14计算时，常以α小一侧为准，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，提高湍流程度也增大了传热面积；d、糙化传热表面，用沟槽或多孔表面，对于冷凝、沸腾等有相变化的传热过程，可获得大的膜系数⑦、污垢系数换热器使中会产生污垢，在设计时要慎重考虑流速和壁温的影响。从工艺降低污垢系数，如改进水质，消除死区，增加流速，防止局部过热等到方法。⑧、尽量选用标准设计和标准系列产品这样可以提高工程的工作效率缩短施工周期，降低工程投资。2020/6/2915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数据是根据物料衡算和工艺物料要求特性、流量、温度、压力和化学性质、物性参数取提有关设备的负荷、流程中的地位与流程中其他设备的关系等数据。②、设计换热器流程将换热的工艺流程仔细探讨，以利于充分利用热量和热流。162020/6/29化工设计③、设计换热器的材质根据介质的腐蚀性和其它有关性，按照操作压力、温度、材料规格和制造价格，合理选择。④、选择换热器的类型。⑤、确定换热器中冷热流体的流向，根据截体的性质，换热器任务和换热器的结构，采用并流、逆流或错流、折流等。⑥、确定和计算平均温差△Tm。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α1，α2。2020/6/29化工设计17⑧、估计污垢热阻系数并初算出传热系数K，K值可查阅，也可用经验公式计算。⑨、算出传热面积A；⑩、调整温度差劲，再算一次传热面积A；⑾、选用系列换热器，根据计算的换热器面积，并考虑10—25%的安全系数，确定换热面积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（立式或卧式长度）的换热器，并确定台数。⑿、验算压力降不符合要求，要重新选择。⒀、画出换热器设备草图，向设备机械人员完成换热器的详细部件设计2020/6/29化工设计18主要介绍泵类和换热的设计原则和设计方法，应结合化工原理教材熟悉泵的一般计算和传热面积K，α，△Tm计算。小结：2020/6/29化工设计19三、贮罐容器的选型和设计（一）贮罐的选择贮罐可分为：计量、回流、中间周转、缓冲、混合等工艺容器。按工艺生产使用目的不同进行选择。2020/6/29化工设计20（二）设计贮罐的一般程序（1）汇集工艺设计数据，即物料衡算与热量衡算数据。包括物理化学性能参数，如：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、进出量、贮罐的工艺方案。（2）选择容器材料，对有腐蚀的物料可选用不锈钢等金属材料，在压力与温度允许时可用非金属材料、搪瓷容器或同钢制衬里（衬胶、搪瓷、聚四氟乙烯）等的压力容器。（3）容器形式，我国容器已实现了系列化和标准化。（4）容积计算是贮罐工艺设计的核心，随容器的用途而不同进行选择2020/6/29化工设计21全厂性贮存一般要有一个月的贮存量车间性贮存一般要有半个月的贮存量液体产品至少有一个星期的贮存量待包装最多考虑灶个月的贮存量贮罐的装载系数通常达80％①单纯用于贮存原料和成品的贮罐。这类贮罐需要考虑与贮存物料有十分明显的关系，原料的贮存为全厂性原料库存和车间工段性原料贮存。根据以上要求，可计算出原料、产品的最大贮存量。2020/6/29化工设计22②中间贮罐：中间贮罐一般使用场合为原料、产品、中间产品的主要贮罐。当贮存的物料离工艺场地远时，中间体间歇供应调节时，需测试检验确定去向时（返回系统或作产品）等,贮存量应按一昼夜考虑。③计量罐：回流罐，容积按最少则10－15min，多则2小时的产量的贮存，装载系数60％－70％计量罐的刻度在罐的直筒部分，使用刻度为满量的80－85％。回流罐一般考虑5－10min左右的液体保有量，做冷凝器的液封之用。④缓冲罐，汽化罐：缓冲罐的作用是使气体有一定数量的积累，保持压力比较稳定，从而保证工艺气体流量流定，容量通常为5-10min的用量。有时可超过15min，以备化学急用情况有充裕的时间处理故障。调节流程或关停机。汽化罐：可加热或不加热物料汽化空间是贮罐的一半，保证下游使用量3分钟左右。2020/6/29化工设计23⑤混合、拼料罐:化工生产中很多工艺间歇生产，产品拙次产量不同、出产不、前需混合、拼料、俗称“混批”。考虑若干批的产量，装载系数为70％。⑥包装罐：一般为中间罐，原则是昼夜罐，对于及时包装的罐，定期清洗的罐，容积可考虑偏小。装载系数可根据不同需要和场合，一般考虑60%—80%。（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，安装场地大小，确定贮罐的大体直径，选择国家规定的简体与封头，确定一个尺寸，计算出贮罐长度，核实长径比，防止偏长或偏圆。（6）选择标准型号在手册中查出符合标准的型号。2020/6/29化工设计24（7）开口和支座在选择标准之后，要设计并校对设备的管口，设备上考虑进料、出料、温度、压力（真空）放空、液面计、排液、放净的人孔、手孔、吊装等装置。并留有一定数目的备用孔。如果标准图纸的管口方位不符合工艺要求，需重新设计，应利用标准系列型号的标准和说明管口方位图。容器的支承方式和支座方式在系列标准上也是固定的，需变更时，在订货时加以说明，并附草图。（8）绘制设备草图标注尺寸提出设计条件和订货要求，提出管口方位、支座等的局部修改要求，并附图纸，填写“设备条件表”非标准要由专业人员进行非标准设计。2020/6/29化工设计25四、塔器选型与设计１、塔型选择基本原则（１）生产能力大，弹性好。（２）满足工艺要求，分离效率高。（工艺上要分离的物料有很多特殊要求。如：沸点低、难分离、有腐蚀性、有污垢）所以选择的塔型要满足这些要求。（３）运转可靠、操作、维修方便。（４）结构简单，加工方便，造价低（５）塔压降小。以上原则在选塔型时通常未必能完全满足，故应抓主要矛盾，最大限度的满足工艺要求。2020/6/29化工设计26２、填料塔的设计程序（1）汇总设计参数和物性数据处理包括物料平衡、塔的温度、压力、塔内液相和气相流量、密度、粘度、扩散系数汽液相平衡数据、亨利常数、溶解度系数等。工艺上还要求分离后物料纯度、产率。（2）选用填料填料选择是填料塔设计的核心元件，要求如下：a、比表面积大；b、空隙率压迫尽可能大；c、填料表达液体分布均匀、润湿性好、防止壁流和沟流；d、汽液通过填料层的阻力要小；e、制造容易，价格适当；f、有足够的机械强度，不与塔内物料发生化学反应，化学稳定性好。2020/6/29化工设计27（3）确定流径4Vπu式中：v—气体的体积流量。M3/s;u—操作气速。m/s操作气速应小于液泛气速，保证塔操作时不发生液泛。泛点率—操作气速与泛点之比，通常取0.6－0.8，易起泡的物料取0.5，加压操作可取稍大一些。工程中用埃克特（Eckert）通用关联来计算填料塔的液泛气速和压降。然后计算操作气速（空塔气速）u、d,算出的塔径要根据国家公称直径的