第六章 化工设备的工艺计算

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• f．反应器： 反应器的类型、进、出口物科的流量、组 成、温度和压力，催化剂的种类、规格、数量 和性能参数； 反应器内换热装臵的型式、热负荷以及热 载体的种类、数量、压力和温度； 反应器的主要尺寸 换热式固定床催化反应器的温度、浓度沿床层的 轴向 (对大直径床还包括径向 )分布，冷激式多 段绝热固定床反应器的冷激气用量、组成和温 度。
• (8)要求高吸入性能：选用允许汽蚀余量小的泵，如液 态烃泵、双吸式离心泵。
• (9)要求低流量、高扬程：可选用多级泵、筒形泵。 • (10)当打液量精度要求高时，可用计量泵。
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二、泵的选用与设计程序
• • • • • • • • • （一）、确定泵的型式 （二）、确定泵的扬程和流量 （三）、扬程和流量的校核 （四）、泵的轴功率的校核 （五）、泵的台数和备用率 （六）、离心泵安装高度的校核 （七）、确定冷却水或驱动蒸汽的耗量 （八）、选用电机 （九）、填写选泵规格表
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• (6)输送含固体颗粒的液体
• 固体颗粒的存在使泵的扬程、效率降低，应按有关规 定校核。 • 不同类型泵均有允许的最大含固率要求。 • 输送含固体颗粒的液体可选用 YH、YPL、PLC、SP、SPB 等型号的液下泵或 LC 、 LC—B 型卧式泵和 AH 、 AHR 系列 的渣浆泵。 • (7)输送高温介质：可考虑选用热油泵。
• 易气化液体的特点如下：
a. 高压低温方可液化。
b. 气化压力随温度变化非常显著，同时介质的 密度、比热容、汽化热等物性也发生相应变化。
c.有腐蚀性和危险性，对泵的轴封要求高。 • 对密封性要求很严 • 应选用低温泵。
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• (4)输送粘性液体
• 要根据粘度的大小选泵
• (5)输送含气液体
泵输送液体中的允许含气量 (体积分数) 有极限值，选用时不得超越，否则会产生 噪音、振动、腐蚀加剧或出现断流、断轴 现象。
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• • • • • •
5.压力降： 与操作压力有关，查手册有参考范围。 6.管程数的确定：1、2、4 7.污垢系数 8.总传热系数的确定 （1）供初估换热面积使用的总传热系数推 荐值 • （2）理论计算 • （3）取现场数据 • 9.换热面积的确定：
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典型换热器设计程序
• • • • • • • • • • A明确传热要求，传热速率、流体流动速率、温度； B收集流体的物性，密度、粘度、导热系数； C设计换热流程 D确定换热器的形式、材质、冷热流体流向 E确定和计算平均温度差 F初算总传热系数（α1、 α2 、Rs、K） G由传热基本方程计算传热面积 H调整温度差，再算传热面积 i确定换热器结构，选用系列换热器 J计算换热器压降，若大于允许值，返回重算，直到 达到要求。 • K画出设备草图 25
（二）、确定泵的扬程和流量
• 1.流量：以工艺计算确定的流量值为基础值，考虑到 操作中有可能出现的流量波动以及开车、停车的需 要，应在正常流量值的基础上乘以 1.1~1.2 的安全系 数。（由物料衡算得到）
• 2.扬程：由于管道阻力计算常有误差，而且在运行过 程中管道的结垢、积碳也使管道阻力大于计算值， 所以扬程也应采用计算值的1.05~1.1倍。 （由热量衡 算得到）
• 化工设备从设计角度分为：标准设备或定型设备、非标准 设备或非定型设备。
• 化工设备从功能角度分为：物料输送设备、换热设备、反 应设备、分离设备等。
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化工设备选用和工艺设计的要求*
• • • • • • • • • 总要求： 合理性、先进性、安全性、经济性 设备的技术经济指标要求： 单位生产能力、消耗系数、设备价格、设备管理 费用、产品总成本 设备的结构要求： 强度与刚度要求、设备耐久性要求、密封性要求、 材料用量和材质要求、安装、操作、维修、运输 等。 化工设备选用的一般原则： 先选择设备的型式：根据工艺要求、流体型 式…… 后确定规格: 3
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• e.蒸馏塔 ： 进料物料、塔顶产品、塔釜产品的流量、 组成和温度； 塔的操作压力、塔径、简体的材质、塔板 的材质、塔扳类型和板数(对塔式塔)； 填料种类、规格、填料总高度，每段填料高度 和段数(对填料塔)； 加料口位臵，塔顶冷凝器的热负荷及冷却介质 的种类、流量、温度和压力； 再沸器的热负荷及加热介质的种类、流量、温 度和压力，灵敏板位臵。
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6.2泵的选用
• 一、 对化工用泵的要求* • 1.一般要求： • 2.在不同的情况下的特殊要求
操作方便、运行可靠、性能良好和维修方便等。 • (1) 输送易燃、易爆、易挥发、有毒和有腐蚀 性及贵重的介质
• 要求密封性能可靠，只能微漏甚至完全无泄 漏。 应采用磁力驱动泵或屏蔽泵。
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• (2)输送腐蚀性介质
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6.3换热器的设计和选用
• 一、传热设备的类型和壁式、混合式及蓄热式三种，其中间壁式 是化工生产中应用最为广泛的类型。 传热设备的性能比较*： 操作压力、操作温度、传热面积大小及可调 性、单位面积重量、传热系数、金属耗量、 结构可靠性、热补偿能力、管内和管间的清 洗、检修、材料要求等。
• (4)空冷器冷、热流体温差应大于15℃ ，最好大于20~25℃。
• (5)用水为冷却剂时，冷却水进、出口温度差一般取5~10 ℃。
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• • • • •
4.管内径、管长、管间距、壳体尺寸的确定 标准管径：碳钢和合金钢φ25×2.5、φ19×2 不锈钢φ25×2、φ19×2 管长：1.5m、2m、3m、6m、9m 通常管长与换热器直径比为 6~10。保证检修方便， 经济合理。 • 管间距为管径的1.25~1.5倍，间隙应不小于管径的 1/4，4.7mm为最小间隙。 • 壳体直径为300-600mm，壁厚为10mm。
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二、泵的选用与设计程序 （一）、确定泵的型式 • 1.根据被输送物料的基本性质 物料的基本性质包括相态、温度、粘度、密 度、挥发性、毒性、与空气形成爆炸性混合物 的可能性和化学腐蚀性等。 • 2.考虑生产的工艺过程，动力，环境和安全要 求等条件。 • 3.在选择泵的类型时，往往不可能完全满足各 个方面的要求，应以满足工艺和安全要求为主 要目标，其他方面的要求(如扬程、扬量)都要 服从主要的要求。 13
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1.流体的流速（u）
• u↑α ↑ Rs↓K ↑A ↓△P ↑能耗↑腐蚀严重，设备震动， 影响操作和使用寿命。存在经济问题。（经济核 算） • 通常应在湍流区，即Re＞104。
• 具体数据可根据物料性质和走向查表确定。 • 物料衡算→流量，选流速，确定进出口直径。
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2. 流体的路径 • A.走管程的流体： • (1)不清洁和易结垢的流体； • (2)流量小的流体和粘度大的液体； • (3)腐蚀性液体；
• (4)压力高的流体；
• (5)有毒性的介质； • (6)温度高的介质。 • B.走壳程的流体： • (1)饱和蒸汽；
• (2) 被冷却的流体；
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3. 换热器两端冷热流体温差的取值
• 温差大，可使换热器的传热面积小，节省设备投资；但冷却 剂的用量大，增大了操作费用。 • 换热器两端冷、热流体温差的取值应考虑其经济合理性。使 投资和操作费用之和最小。 • (1)换热器热端冷、热流体温差应在20℃以上。 • (3)用水或其他冷却介质时，冷端温差可以小些，但不要低于 5℃。 • (3)冷凝含有惰性气体的流体时，冷却剂出口温度至少比冷凝 液的露点低5℃
第六章 化工设备的工艺计算
• • • • • • 6.1化工设备工艺计算的内容 6.2泵的选用 6.3换热器的设计和选用 6.4贮罐的选型和设计 6.5塔器的设计 6.6非定型设备的设计程序和设计条件
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6.1化工设备工艺计算的内容
• 化工设备工艺设计目的： • 确定设备的形式、规格、台数、材质、型号、设计条件等 等；完成工艺流程设计；为车间布臵、管道布臵及其他非 工艺设计提供条件。 • （化工工艺设计人员的工作内容？） • 化工设备工艺设计的基础：以工艺流程设计、物料衡算、 热量衡算为基础。 • 化工设备分类*：
• 由此可初步确定泵的规格、型号。
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（三）、扬程和流量的校核
• 泵的型号确定后，须校核所选泵的流量和扬程是 否符合工艺要求。
• 制造厂提供的泵的性能曲线或性能表一般是在常 温常压下用清水测得的。
• 若给送的液体的物理性质与水有较大差异(例如输 送高粘度液体)，则应将泵的性能指标流量、扬程 换算成对被输送液体来说的流量和扬程的值，然 后把工艺条件要求的流量和扬程与换算后的泵的 流量和扬程比较，确定所选泵的性能是否符合工 艺要求。
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• 二、 换热器的系列化
• 在工程设计中，应尽量选用标准系列的换热器 • 三、换热器部分设计参数的取值*
• 1.流体的流速（u） • 2.流体的路径：管程、壳程
• 3.换热器两端冷热流体温差的取值
• • • • • • 4.管内径、管长、管间距、壳体尺寸的确定 5.压力降 6.管程数的确定：1、2、4 7.污垢系数 8.总传热系数的确定 9.换热面积的确定
• 要求泵具有耐腐蚀性，应选用耐腐蚀泵。
• 可根据介质特性和温度范围选用不同的材质。
• 金属耐腐蚀泵材质：普通铸铁、高硅铸铁、不 锈钢、高合金钢、铁及其合金等。 • 非金屑耐腐蚀泵材质：聚氯乙烯、玻璃钢、聚 丙烯、 F46 、氟合金、超高分子量聚乙烯、石 墨、陶瓷、搪玻璃和玻璃等。
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• (3)输送易气化液体
6.4贮罐的选型和设计
• 1. 贮罐的系列化和标准化 • (1)R容器系列(碳素钢和低合金钢容器通用设计图系 列) • (2)钢制立式圆筒形固定顶贮罐系列 • (3)钢制立式圆筒形内浮顶贮罐系列 • (4)玻璃钢贮罐标准系列 • (5)拼装式玻璃钢贮罐标准系列 • (6)钢制低压湿式气柜 • (7)发酵罐 • (8)立式薄壁常压容器系列 • (9)搪玻璃设备 • (10)球罐系列 26
2.贮罐设计参数*
• 设计压力：由工艺提出 • 设计温度：由工艺提出 • 公称容积：根据贮存物料的流量和贮存时间，再乘以 20%安全系数。 • 公称直径：参照常规贮罐的高径比，或查阅已有贮罐 系列。 • 腐蚀余量：根据贮罐介质定。 • 设计载荷：包括风载荷、雪载荷、灌顶附加载荷及抗 震烈度等。 • 材质选择：根据介质物性及工艺选择。 • 贮罐型式：根据介质物性、工艺条件及容积确定。 • 贮罐台数： 27
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（四）、泵的轴功率的校核
• 泵样本上给定的功率是用水测得的。 • 当输送密度和粘度与水相差较大的液体时， 须使用有关公式进行校正，用校正后的轴功 率选择配套电机。 • （五）、泵的台数和备用率 • 一些重要岗位的泵、高温操作或其他苛刻条 件下使用的泵，备用率一般取 100 ％ ; 其他情 况下连续操作的泵，可考虑用 50 ％的备用率。 在连续操作的大型装臵中使用的泵应考虑较 大的备用率。
• a．换热器：
热负荷，换热面积，热载体的种类，冷、热流体的 流量，温度和压力。 • b．泵 ：流量，扬程，轴功率，允许吸上高度。 • c．风机：风量和风压。 • d．吸收塔：
气体的流量、组成、压力和温度；吸收剂种类、 流量、温度和压力；塔径、简体的材质、塔板的材质、 塔板的类型和板数(对板式塔)；填料种类、规格、填 料总高度，每段填料的高度和段数(对填料塔)。
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（六）、离心泵安装高度的校核 为避免发生汽蚀或打不上液体的情况，泵 的安装高度必须低于泵的允许吸上高度。 为了安全起见，安装高度应比计算出来的 允许吸上高度低0.5~1m。 在泵的型号选定之后，要计算允许吸上高 度的值，并核对泵的安装高度是否合乎要 求。 （七）、确定冷却水或驱动蒸汽的耗量 （八）、选用电机 （九）、填写选泵规格表
3.贮罐存贮量的确定
• 依据：物料流量、贮存时间 • (1) 原料贮罐：全厂性原料库房贮罐、车间 的原料贮罐 • (2)成品贮罐 • (3)中间贮罐 • (4)回流罐 • (5)计量罐 • (6)缓冲罐 • (7)闪蒸罐
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3.贮罐存贮量的确定
• • • • • 依据： 物料流量 贮存时间 (1)原料贮罐 全厂性原料库房贮罐 一般以1~3月的生产用量为宜，但若货源充足、运输周 期又短时则存贮量可少些。 • 车间的原料贮罐 一般考虑至少半个月的用量，不主张超过1月。 • (2)成品贮罐 • 一般主要按工厂短期停车后仍能保证满足市场需求来 确定存贮量，液体产品贮罐常按至少贮存一周的产品 产量设计。