四川理工学院精品课程 《化工设计》精品课程 Design of Chemical Engineering 第四章设备的工艺设计及化工设备图 基本要求 (1)掌握化工设备的选用和设计的一般原则 (2)熟练进行化工设备的选用(设计) (3)熟练掌握化工设备图的绘制和阅读 第一节化工设备选用及工艺设计的一般原则 化工设备从总体上分为两类:一类称标准设备或定型设备,是成批成系列生产的设备, 可以现成买到;一类称非标准设备或非定型设备,是化工过程中需要专门设计的特殊设备。 标准设备有产品目录或样本手册,有各种规格牌号,有不同生产厂家。工艺设计的任 务是根据工艺要求,计算并选择某种型号,以便订货 非标准设备也是化工生产中大量存在的设备,它甚至是化工生产的一种特色。非标准 设备工艺设计就是根据工艺要求,通过工艺计算,提出型式、材料、尺寸和其他一些要求。 再由化工设备专业进行机械设计,由有关工厂制造。在设计非标准设备时,应尽量采用已 经标准化的图纸。 选型和工艺设计的原则如下。 (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能力 (2)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 (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,尽量避免高温髙压高空作业,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,亦应反复对比报价,考察设备性能,考虑是否易于被国内消化吸收 和改进利用,避免盲目性 总之,要综合考虑合理性、先进性、安全性、经济性的原则,审慎地硏究,认真地设 第二节化工设备的选用 为正确、方便地进行化工设备的工艺设计,现将一些常用的化工设备的选用及设计方 法介绍如下 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,首先决定泵的型式再确定泵的尺寸。从被
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第四章设备的工艺计算及化工设备图 输送物料的基本性质出发,如物料的温度、粘度、挥发性、毒性、化学腐蚀性、溶解性和 物料是否均一等因素来确定泵的基本型式。此外,还应考虑到生产的工艺过程和动力、环 境等条件,如生产操作连续或间断运转、扬程和流量的波动范围、动力来源、厂房层次高 低等因素。流量大而扬程不高时可选用单级离心泵;流量不大而扬程高的宜选往复泵或多 级离心泵;输送有腐蚀性介质,选耐腐蚀泵;输送昂贵液体、剧毒或具有放射性能的液体 选用完全不泄漏、无轴封的屏蔽泵;当要求精确进料时应选用计量泵或柱塞泵等。在选择 泵的型式时,应以满足工艺要求为主要目标 ②2)确定选泵的流量和扬程 ①流量的确定和计算。选泵时以最大流量为基础。如果数据是正常流量,则应根据工 艺情况可能出现的波动,开车和停车的需要等,在正常流量的基础上乘以1.1~1.2的安全 系数。流量通常都必须换算成体积流量,因为泵生产厂家的产品样本中的数据是体积流量。 ②扬程的确定和计算。先计算出所需要的扬程,即用来克服两端容器的位能差,两端 容器上静压力差,两端全系统的管道、管件和装置的阻力损失,以及两端(进口和出口) 的速度差引起的动能差。扬程值用柏努利方程计算,用米液柱表示。计算出的扬程不能作 为选泵的依据,一般要放大5%~10%。 (3)确定泵的安装高度 (4)确定泵的台数和备用率。按泵的操作台数,一般只设一台泵,在特殊情况下,也 可采用两台泵同时操作。输送泥浆或含有固体颗粒及其他杂质的泵和一些重要操作岗位用 泵应设有备用泵。对于大型的连续化流程,可适当提高泵的备用率,而对于间歇操作,泵 的维修简易,操作很成熟的常常不考虑备用泵。 (5)校核泵的轴功率。 泵的样本上给定的功率和效率都是用水试验出来的,输送介质不是清水时,应考虑密 度、粘度等对泵的流量、扬程性能的影响。 (6)确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量。 (7)选用电动机。 (8)填写选泵规格表。 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。换热器设计要满足工艺操作条件,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,还 要满足工艺布置的安装尺寸等要求 (2)介质流程。何种介质走管程,何种介质走壳程,可按下列情况确定:腐蚀性介质 走管程,可以降低对外壳材质的要求;毒性介质走管程,泄漏的几率小;易结垢的介质走 管程,便于清洗和清扫;压力较高的介质走管程,这样可以减小对壳体的机械强度要求 温度高的介质走管程,可以改变材质,满足介质要求;粘度较大,流量小的介质走壳程 可提高传热系数。从压降考虑,雷诺数小的走壳程。 (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。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,使换热器在较佳范围内操作。一般认为: ①热端的温差应在20°C以上; ②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°℃: ③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59C以上 ④空冷器的最小温差应大于20°℃ ⑤冷凝含有惰性气体的流体时,冷却剂出口温度至少比冷凝组分的露点低5℃
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《化工设计》精品课程 (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 冲测污垢和沉积。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 量消耗亦将増加。因此,比较适宜的流速需经过经济核算来确定。根据经验,常用流速范 围如下。 流体在直管内常见流速: 冷却水(淡水)0.7~3.5m/s 冷却用海水0.7~2.5m/s 低粘度油类0.8~1.8m/s 粘度油类0.5~1.5m/s 油类蒸气5.0~15m/s 气液混合流体2.0~6.0m/s 壳程内的常见适宜流速 水及水溶液0.5~1.5m/s 低粘度油0.4~1.0m/s 高粘度油0.3~0.8m/s Om/s 气液混合流体0.5-3.0m/s (5)压力降。压力降一般随操作压力不同而有一个大致的范围。压力降的影响因素较 多,但通常希望换热器的压力降在下述参考范围之内或附近 (6)传热系数。传热面两侧的传热膜系数α1、α2如相差很大时,α值较小的一侧将成为 控制传热效果的主要因素,设计换热器时,应设法增大该侧的传热膜系数。计算传热面积 时,常以小的一侧为准。增加α值的方法通常是: ①缩小通道截面积,以增大流速; ②增设挡板或促进产生湍流的插入物 ③管壁上加翅片,提高湍流程度也增大了传热面积; ④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来说 可获得大的膜系数 (⑦)污垢系数。换热器使用中会在壁面产生污垢,在设计换热器时要慎重考虑流速和 壁温的影响。从工艺上降低污垢系数,如改进水质,消除死区,增加流速,防止局部过热 (⑧)尽量选用标准设计和标准系列。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。 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 (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。 (6)确定和计算平均温差Δtπ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α可用粗略估计的方法,估算管内和管间流体的给热 系数a、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。 (9)算出总传热面积A
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第四章设备的工艺计算及化工设备图 (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Δtm,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%-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,长度)的换热器,并确定设备的台数 (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)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。 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)设计贮雄的一般程序 (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、最髙使用温度、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。 (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。 ①单纯用于贮存原料和成品的贮罐。这类贮罐的体积与需要贮存的物料有十分明显的 关系。原料的贮存有全厂性的原料库房贮存和车间工段性的原料贮存。根据运输条件和消 耗情况,全厂性的贮罐一般主张至少有一个月的耗用量贮存;车间的贮罐一般考虑至少半 个月的用量贮存 液体产品贮罐一般设计至少有一周的产品产量。如厂内使用的产品可视下工段(车间) 的耗量,贮存下一工段一个月以上或两个月的使用数量;如果是出厂的终端产量,作为待 包装贮罐,存量可以适当小一些,最多可以考虑半个月的产量。液体贮罐的装载系数通常 可达80%,这样可以计算出原料产品的最大贮存量。 气柜一般可以设计得稍大些,可以达两天或略多时间的产量。因为气柜不宜旷日持久 贮存,当下一工段停止使用时,前一产气工序应考虑停车。 ②中间贮罐。中间贮罐的使用场合包括原料、产品、中间产品的主要贮罐,当它们距 工艺设施较远,或者原料或中间体间歇供应是作调节之用,或者需测试检验以确定去向(如 多组分精馏确定产品合格与否的中间性贮罐),或者工艺流程中要求切换、翻罐挪转的贮 罐等。这一类贮罐有时称“昼夜罐”,即是考虑一昼夜的产量或发生量的贮存罐。 ③计量罐、回流罐。计量罐的容积一般考虑最少为10-15min,多则點h的产量的储存。 计量罐装载系数一般只考虑60%一0%,因为计量罐的刻度一般在罐的直筒部分,使用刻 度常为满量程的80%一85%。回流罐一般考虑5-10min左右的液体保有量,作冷凝器液封 之用 ④缓冲罐、汽化罐。缓冲罐的目的是使气体有一定数量的积累,保持压力比较稳定, 从而保证工艺流程中流量稳定。其容量通常是下游设备5-10min的用量,有时可以超过15min 的用量,以备在紧急时有充裕时间处理故障、调节流程或关停机器。汽化罐(可加热可不 加热)的物料汽化空间通常是贮罐总容积的一半。汽化空间的容量大小,通常根据物料汽 化速度来估计,一般希望汽化空间足够下游岗位3min以上的使用量,至少在2min左右
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《化工设计》精品课程 ⑤混合、拼料罐。化工产品有一些是要随间歇生产而略有波动变化的,如某些物料的 固含量、粘度、pH值、色度等可能在某个范围内波动。为使产物质量均一,或减少出厂检 验的批号分歧,在产品包装前将若干批料加以拼混,俗称“混批”。混批罐的大小,根据 工艺条件而定,考虑若千批的产量,装载系数约70%(用气体鼓泡或搅拌混合) ⑥包装罐。包装罐一般可视同于中间贮罐,原则上是昼夜罐。对于需要及时包装的贮 罐、定期清洗的贮罐,容积可考虑偏小。要根据工艺条件和要求、贮存条件等决定其有效 容积。不同场合下,装载系数不一样。一般在60%80%左右,某些场合(如汽化空间)可 低至50%或更少,有时可以高至85% (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(即偏长)或太小(即偏圆),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。 (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。 (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。 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。 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。 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。 (2)选用填料。填料是瑱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。填料选择有下列要求
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第四章设备的工艺计算及化工设备图 比表面积要尽可能大;空隙率压迫尽可能大;填料表面要有较好的液体均匀分布性能,有 较好的润湿性,防止壁流和沟流:气体通过填料层的阻力要小,并能在填料层中均匀分布 制造容易,价格适当;有足够的机械强度,但又力求质轻;不与塔内物料发生化学反应, 有较好的化学稳定性。 填料的材质很多。对于拉西环来说,常用陶瓷,此类填料除了ⅠIF和热的浓碱液外, 能用于所有条件;金属填料易于加工,可成批生产,应用也十分普遍;塑料填料兼有二者 的特点,但温度限制大,不能用于高温;此外还有石墨质填料、其他轻金属、贵金属、稀 有金属一填料等。除了选择填料的型式、形状外,填料的大小也有一定的要求。具体的种 类及其特性可查阅相关手册。 (3)确定塔径D 气体的体积流量,m3/s u——操作气速,m/s 操作气速应比泛点气速小,才能保证塔在操作中不发生液泛。操作气速与泛点气速之 比为泛点率。通常情况下,泛点率取0.6-0.8;对于易起泡物料体系,泛点率可取0.5或更 小;对于加压塔,泛点率可取稍大一些。目前工程设计中常用埃克特( Eckert)通用关联 图来计算填料塔的泛点气速和压降。査岀泛点气速,通过泛点率计算操作气速(空塔气速) u之后,可以方便地算出塔径D。 算出的塔径要根据国家压力容器公称直径的标准系列进行圆整。塔径圆整后,再根据 实际塔径重新计算实际空塔速度。 (4)计算填料塔压降。以 Eckert通用关联图计算填料塔压降仰,如果如超出工艺要求 时,应重新估算塔径;也可由△p通过 Eckert关联图反求操作气速u,再重新计算塔径。为 使填料塔能在良好的工况下操作,每米填料层的压降不能太大,一般正常压降Δυ=147~ 490Pa,真空操作下△p≤78.45Pa (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。 (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 H=Ha+Z+(n-1)H/+Hb 式中H——塔顶空间高度(不包括封头),m H—液体再分布器的空间高度,m H—塔底空间高度,皿 n—填料层分层数 液体经填料后向下流动时,有趋向塔壁的趋势,因此每隔一定距离要安置液相再分布 器,以克服壁流现象。再分布器的设置就确定了填料的分层。再分布器之间的距离Z,一般 如Φ400m以下小塔,可以有较大的Z,如对拉西环Z=(2.5-3)D,对于鲍尔环Z=(5-10) 对于大塔,Z。一般不大于6m (8)塔的其他附件设计和选定 ①支撑板。填料层底部支撑板常被设计者忽视,而造成阻力过大,特别是孔板式支撑
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《化工设计》精品课程 尤为明显。一般要求满足两个条件,即自由截面积不小于填料的空隙率,支撑板强度足以 支承填料重量。 ②液体喷淋装置。它直接影响到塔内填料表面的有效利用率。喷淋装置形式很多,常 见的有弯管式、缺口管式、多孔直管式、莲蓬头式喷洒器、分布盘等。 ③液体再分布装置。为了防止液相沿塔壁运行,每隔一定高度要有液体再分布装置。 常见的有截锥式和升气管式分布器 ④气体分布器。为保证气体分布的均匀性,对于价500mm以下的小塔,进气管可伸至 塔中心,末端截成45°向下,使气流转折而上;对于大塔,可以制成向下的喇叭形扩大口, 或制成盘管式。 ⑤除雾器。当空塔气速较大时,塔顶喷淋装置可能产生溅液或者工艺过程严格要求气 相中不允许夹带雾沫,则应设计除雾装置。常用除雾装置有折板除雾器、丝网除雾器、旋 流板除雾器,或者在液相喷淋装置与气体岀口之间装有一段干填料实施填料除雾等。 (⑨)绘制塔设备结构图,向设备专业提供工艺设计条件绘制塔设备简图,并标注必要 的尺寸,注明各管口的位置等。 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。 (3)进行工艺计算 ①根据工艺要求,确定塔顶、塔釜产品的质量确定分馏任务(负荷),选择其中两个 组分作为轻关键组分及重关键组分。关键组分在塔顶和塔釜的分配,一般根据工艺要求分 离的纯度来定,而其他组分则依气液平衡逐次求得。但对于相对挥发度与关键组分邻近的 那些组分,不宜采用清晰分割假定。 ②确定塔顶和塔釜操作压力 ③进行全塔物料衡算,列出全塔物料平衡表 ④根据气液相平衡关系,验算操作压力,并估算塔顶、塔釜温度。 ⑤选定进料状态,确定进料温度 ⑥求最小回流比R确定实际回流比R。实际回流比R的确定,一般应通过全面的经济核 算来确定。在无法仔细核算时,对于易分离体系R=(1.1-2)Rn;对于难分离体系R=(3 ⑦求取理论板数,确定加料位置。先计算最少理论板数Nmin,可用芬斯克方程进行估 算。再用吉利兰图计算理论塔板数N,但误差较大。工程上可以用逐板计算法最终确定理论 板数。 ⑧计算塔内温度分布,确定灵敏板位置 ⑨全塔热量衡算,塔釜再沸器、塔顶冷凝器热量衡算 ⑩计算或査图表求得板效率,最终确定实际塔板数 (4)塔径计算 不同的板式塔,计算方法略有出入、这里介绍有降液管板式塔(如筛板塔、浮阀塔等) 的计算方法 ①初估塔径 ②塔径核算。先验算雾沫夹带量,根据所选塔板型式及有关其塔板系列参数计算夹带 量,如不符合要求可作必要调整。有关塔板系列参数已有国家标准,需要时可从有关手册 7
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第四章设备的工艺计算及化工设备图 中查到。 ③塔盘结构设计。塔盘结构种类很多,而同一塔盘型式(如浮阀塔)又有不同的形状、 构造区别。塔板上的开孔率、液流形式、降液管和堰的尺寸等都可从有关手册中査到或通 过有关经验公式计算出。另外,还要计算降液管与下一层塔板间距等,这些都可从有关手 册中塔的塔顶空间和塔底各开一个人孔,物料清洁不需要经常清洗时每隔6-8块板可以开 个人孔,物料较脏需要经常清洗时一般可以每隔3-4块板开一个人孔。直径小于势900muo 的塔一般常开手孔,开孔原则与人孔相似。 (6)塔高确定。 H=Ha(N-4-S) Hr +Hb +3H/+S-H 式中H—塔高(不包括上封头和裙座) H一塔顶空间高,常取1.2-1.5m; H进料孔处板间距,常取1.2-1.4m;H一塔底空间高,常取1.3-2.0m; H2一板间距,m; H’一开手孔(人孔)处板间距,H'’≥0.61 N一实际塔板数(不包括釜式再沸器) S一手孔或人孔数(不包括塔顶、塔釜空间所开人孔) (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图,包括支承、开口方位、人孔、手孔位置等。 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。 (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。 (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 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 ①连续反应。由工艺设计规定的生产能力,确定全年的工作时数,算出每小时反应釜 需要处理(或生产)的物料量(汽)。根据物料的平均停留时间(约和设备的台数就可以 算出每台釜的物料体积。在选用反应釜时,一般把选用的台数与实际操作的台数之间,用
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《化工设计》精品课程 个设备备用系数n关联,n通常为1.05~1.30。 ②间歇反应。从工艺设计要求的年产量决定日投料量(vc),再从每釜反应所用的时 间(包括辅助时间等)t,算出24小时内釜的反应周期数(a=24/t2)、每釜处理的物料体积 (vp=Vc/a),得到每釜实际体积(V=vp/φ)。间歇釜的装料系数式可以比连续操作再 适当放宽些,取上限或略大 (4)确定反应釜设计(选用)体积和台数根据上列计算的反应釜“实际体积”和反应 釜台件数m(m=m,n)都只是理论计算值,应加以圆整。若选用系列产品的反应釜,应根据规 定的反应釜体积系列(如500L,1000L,1500L等)加以圆整,连同设备台数皿,一并确定。 例如计算出:V=1.25m3,m=3.45,则可以选用1.5m3(1500)反应釜3台,或1000反应 釜5台,2000L反应釜3台。一般说,反应釜体积越小,相对传热面积越大,搅拌效果越好, 物料返混激烈等,但停留时间未必符合要求。 如系非标准设备的反应釜,则还要决定长径比以后再校算,但可以初步确定为一个尺 寸,即将直径确定为一个国家规定的容器系列尺寸。 (5)反应釜直径和筒体高度、封头确定反应釜直径为D,筒高为H,长径比为r(r=H/D)。 对于反应釜设计,先确定长径比,一般取r=1~3,根据工艺条件和经验,不同反应有各自 的长径比。r越接近于1,釜型属矮胖型(如K型),单位体积内消耗的钢材最少,液体比表 面大,适于间歇反应。r增大,釜向瘦长型趋近。当r=3时,就是常见的半塔式反应釜(生 物化工中常用)。单位体积釜内传热面积增大。r愈大,传热比面积越大,可以减少返混, 对于有气体参加的反应较为有利,停留时间较长,但加工困难,材料耗费较高,搅拌支承 也有一定的难度 r根据工艺条件和经验大体选定之后,先将釜的直径D确定下来(圆整结果),再确定 封头型式,查阅有关机械手册,并查出封头体积(下封头)V封头,则釜的体积为: V=(兀/4)DH+V封头 如果V不合适,可重新假定直径(圆整)再试算直到满意为止。 (6)传热面积计算和校核反应釜最常见的冷却(加热)形式是夹套。它制造简单,不 影响釜内物流的流型,但传热面积小,传热系数也不大。釜的长径比直接影响到传热面积, 传热面积计算公式和方法同一般传热体系。如果计算传热面积(须以投料高度计算)足够, 就认为前面所确定的长径比合适或所选系列设备合适。否则要调整尺寸。如计算传热面积 不够,则可能应在釜内设置盘管、列管、回形管以增大传热面积。但釜内构件增加,将影 响物流,易粘壁、结垢或有结晶沉淀产生的反应通常不主张设置内冷却(或传热)器 在进一步确定反应釜型式和尺寸并经过校算之后,才能最终确定釜型和容积直径及其 他基本尺寸。 (7)搅拌器设计对于搅拌器的选型,一般根据液体粘度、釜的容积、操作目的和主要 影响因素来选型。各类文献都有许多选型表格可供参考 (8)管口和开孔设计根据工艺要求有进出料口,夹套开孔,釜底釜盖开孔,有关仪器 仪表接口,手孔、人孔,备用口等。 (9)画出反应器设计草图(条件图),或选型型号 3.固定床反应器设 对于气固相催化反应的固定床来说,主要问题是催化剂的体积和用量,床层堆积方案 床径和高度,传热面积。通常设计步骤如下。 (1)汇总物料衡算和物性数据按工艺要求的年生产量算出要求的每小时进料量(V)。 (2)计算床体体积根据经验和生产数据,确定催化剂的时空速率U,则催化剂的体积 (Vc)
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第四章设备的工艺计算及化工设备图 Vc=Vh/U 式中Vc——催化剂体积,m3; Ⅵ一工艺要求每小时气体流量,m3/h 催化剂时空速率,m3物料/(m催化剂·h) 床体体积V=V1+V2+Vc+Vo 式中V一固定床体积,m3 V一原料分布体积空间(下空间),m3; V—物料分离空间(上空间),m3; Vc一催化剂体积,m2 Vo—一堆积空隙体积,m3。 (3)计算床高和直径假设一个圆整直径,根据床内有效体积核算床层高度,再估算催 化剂堆积高度,验算气速,保证反应的停留时间。如果假设不合理,重新假设再试算 (4)验算流体阻力和传热系数K流体阻力太大说明床径设计太小,动力消耗偏大。宁 可增加催化剂体积,而不主张流体阻力偏大,以免整个系体的操作变得麻烦。传热系数K值, 经常取某个经验值或中试实测值。 (5)绘制反应器设计条件图决定床层和床底、床顶的开口方位、标注尺寸等 第三节非定型设备设计的主要程序 设备的工艺设计,是化工工程设计中的一项繁重、量大、技术要求高的工作,其中标 准设备和定型设备可根据工艺设计条件从有关资料中查出,直接列表,但非定型设备则要 求进行设计。设计中的主要工作和程序如下。 (1)工艺流程上确定设备的化工单元类型。这一步在化工工艺流程设计时已大体确定, 如使用旋风分离器实现气固分离,用气流干燥装置实现干燥,用离心机过滤进行液固分离 等。在经过化工物料衡算之后,进行设备工艺计算时,仍有可能确定更为先进的化工单元 过程和设备,从而对工艺流程提出修正和更改 (2)确定设备材质。根据工艺操作条件和设备的工艺要求,确定适应要求的设备材质。 (3)汇集设计条件。根据物料衡算和热量衡算,确定设备负荷、转化率和效率要求, 确立设备的工艺操作条件如温度、压力、流量、流速、投料方式和投料量、卸料、排渣形 式、工作周期等,作为设备设计和工艺计算的主要依据 (4)选定设备的基本结构型式。根据各类设备的性能、使用特点和适用的范围,依据 各类规范、样本和说明书、进行权衡比较,确定该设备的基本结构型式。 (5)设计设备的基本尺寸。根据设计数据进行必要的计算和分析,确定化工设备的 基本外形尺寸,如外径、高度、搅拌器主要尺寸、转速、容积、流量、压力等;确定设备 的各种工艺附件,如进出料口、排料装置等;设备基本尺寸计算和设计完成之后,画出设 备示意草图,标注各类特征尺寸(见表4-1、表4-2)
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