化工设计第二章工艺计算

设备设计的基本内容
• （一）定型设备的选型（生产能力选用 偏高一级的）
• （二）非定型设备的设计选型（通过化 工计算后，提出设备类型、材料、尺寸 和其他一些工艺要求）
• （三）物料输送设备
泵
• 1.泵的类型
各种泵的特性
• 2.泵扬程和流量的确定 • 3.泵扬程和流量的校核 • 4.泵的轴功率的校核 • 5.泵的台数和备用 • 6.离心泵安装高度的校核 • 7.泵输送系统的设计
(3)在写平衡方程式时，要尽量使方程式中 所包含的未知数最少。
连续过程的物料衡算
• 直接求算法：对于过程简单，比如只有 一个未知数的时候。
• 利用结点进行衡算：多股物料的进出 • 利用联系组分进行物料衡算：有惰性物
料存在的时候
例题（类型：连续有反应）
1、35页例2-1
2、甲醇制造甲醛的反应过程为：
CH30H + 1/2 O2
HCHO + H20
反应物及生成物均为气态，若使用50％的
过 量 空 气 ， 且 甲 醇 的 转 化 率 为 75 ％ ， 试
计算反应后气体混合物的摩尔组成。
物料衡算计算举例
解： 画出流程图
CH3OH
空气 (过量50%)
催化 反应器
CH3OH HCHO H2O N2
计算过程
小结：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。
计算过程
解：本题为间歇过程，
因此以每批处理量为基
准进行物料衡算。流程
示意图，组分物料衡算：
NaOH平衡
1000 x 0.1 = 0.5F4 aCl平衡1000 x 0.1 = 0.02F4 + F3
H2O平衡
1000(1-0.1-0.1)= F2 + 0.48F4
解方程得： F2 = 704kg，F3 = 96kg，
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。
计算结果
组分
CH3OH HCHO H2O
O2 N2 总计
mol
0.250 0.750 0.750 0.375 2.820 4.945
mol%
5.0 15.2 15.2 7.6 57.0 100.0
间歇过程的物料衡算
• 间歇过程的特点是将原料一次性装入反 应器内，化学反应达到要求的反应程度 后，停止反应卸出全部物料。
数是273K或298K的数据，故选此温度为基准温度，计算比较方 便。计算时相态的确定也是很重要的。 (5)各种热量的计算。列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知 值； (6)整理并校核计算结果，列出热量平衡表。
单元设备的热量衡算
(7)传热剂用量的计算。分为加热剂和冷却剂用 量计算。
(8)传热面积的计算。
化，因此要用不均衡系数将设备的 热负荷由千焦／台换算为千焦／小 时。
(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。
系统的热量衡算
• 系统热量平衡的作用 通过对整个系统能量平衡的计算求
出能量的综合利用率。 • 系统热量平衡计算步骤
与单元设备的计算步骤基本相同。
热量衡算举例
例1 某化工厂计划利用废气的废热，进入废热 锅炉的废气温度为450℃，出口废气的温度为 260℃，进入锅炉的水温为25℃，产生的饱和 水蒸气温度为233.7℃，3.0MPa，(绝压)，废 气的平均热容为32.5 kJ／(kmol·℃)，试计 算每100 kmol的废气可产生的水蒸汽量?
列物料平衡式时应注意的事项
(1)物料平衡是指质量平衡，不是体积或 物质的量(摩尔数)平衡。若体系内有 化学反应，则衡算式中各项用摩尔／ 时为单位时，必须考虑反应式中的化 学计量系数 。
列物料平衡式时应注意的事项
(2)对于无化学反应体系，能列出独立物料 平衡式的最多数目等于输入和输出的物流 里的组分数。
解：过程如图，基准：100 kmol的废气。 锅炉的能量平衡为：
计算结果
第三节 典型设备工艺设计与选型
分类：
1）一类称定型设备或标准设备； 2）一类称非定型设备或非标准设备。
化工设备工艺设计，对于定型设备来说就是选型， 对于非定型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。
（四）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。
基准：1 mol CH3OH 根据反应方程式 O2(需要)= 0.5 mol； O2(输入)= 1.5 × 0.5 = 0.75 mol； N2(输入)= N2(输出)= 0.75(79/21)= 2.82 mol CH3OH为限制反应物 反应的CH3OH = 0.75 × 1 = 0.75 mol 因此 HCHO(输出)= 0.75mol CH3OH(输出)= 1-0.75=0.25mol O2(输出)= 0.75-0.75x0.5=0.375mol H2O(输出)= 0.75mol
物料衡算的方法和步骤
1、选定衡算范围，画出流程示意图
稀溶液 F,wf
二次蒸汽
W
加热蒸汽
凝水 提浓液
B，wB
物料衡算步骤
2、确定发生的反应，列出主、副化学反 应式
3、确定计算任务 4、收集数据资料（生产规模、时间，转化率，选
择性，收率、质量收率，原材料及产品规格，有关物 理化学常数）
5、选定计算基准（时间，质量，体积，干湿） 6、建立物料平衡方程，展开计算 7、整理并校核计算结果 8、绘制物料流程图、填写物流表
热量衡算
热量衡算有两种情况：
1）对单元设备做热量衡算； 2）整个系统的热量衡算。
（当各个工序或单元操作之间有热量交换时，必须做整个系统
的热量衡算。）
热量衡算方程式
∑Q入= ∑Q出 - ∑Q损
式中:∑Q入 一输入设备热量总和； ∑Q出 —输出设备热量总和； ∑Q损 —损失热量总和。
单元设备的热量衡算
计算换热设备的工艺尺寸；确定加热剂或冷却剂的消耗 量，为其他专业如供汽、供冷、供水专业提供设条件； (3)化学反应常伴有热效应，导致体系的温度上升或下降， 为此需确定为保持一定反应温度所需的移出或加入的热 传递速率； (4)为充分利用余热，必须采取有效措施，使过程的总能耗 降低到最低程度。为提高能量利用率，降低能耗提供重 要依据。 (5)最终确定总需求能量和能量的费用。
设备设计与选型的基本要求
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。
设备设计与选型的基本要求
1.技术经济指标（生产能力，消耗系数， 设备价格，设备的管理费用，产品总成 本）
2.设备结构要求（强度，刚性，被腐蚀， 密封性，减少材料用量）
主要内容包括：计算传入或传出的热量 1.方法与步骤： (1)绘制以单位时间为基准的物料流程图，确定热量平衡范围；在
物料流程图上标明已知温度、压力、相态等已知条件； (2)根据物料流向及变化，列出热量衡算方程式。
∑Q= ∑Q出 - ∑Q进
(3)搜集有关数据。 (4)选定计算基准温度。由于手册，文献上查到的热力学数据大多
单元设备的热量衡算
2.注意事项 (1)热量衡算时要先根据物料的变化和
走向，认真分析热量间的关系，然后 根据热量守衡定律列出热量关系式。
(2)要弄清楚过程中出现的热量形式，
以便搜集有关的物性数据。
单元设备的热量衡算
(3)计算结果是否正确适用，关键在于数
据的正确性和可靠性。
(4)间歇操作设备，传热量Q随时间而变
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。
三、换热器设计的一般原则 1.流体流速的选择 2.流体的流程选择 3.换热器两端冷、热流体温差的取值 4.压力降的选择 5.污垢热阻的选择
四、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 2.设计换热流程 3.选择换热器的材质 4.选择换热器的类型 5.确定换热器中介质的流向 6.确定和计算平均温差 7.计算热负荷，流体对流传热系数 8.估计污垢热阻并初算出总传热系数K 9.计算总传热面积A 10.调整温度差再算一次传热面积 11.选用系列换热器型号 12.验算换热器的压力降
作业：
• 57页 • 3、6、8
• 请与下周三，课前，由学习委员收齐交 给我。
第二节 热量衡算
能量衡算定义
根据能量守恒定律，利用能量传递和 转化的规则，用以确定能量比例和能量 转变的定量关系的过程称为能量衡算。
热量衡算是能量衡算的一种。
热量衡算的目的和任务
(1)确定物料输送机械和其它操作机械所需要的功率； (2)确定各单元操作过程所需热量或冷量，及其传递速率；
F4 = 200kg
带循环和旁路的物料衡算
• 在化工生产中，通常将未反应的原料分 离后再返回重新参加反应，或将部分产 品回流。
• 计算方法：试差法、代数解法
1.循环过程
循环流R
新鲜原料P
混合
总进料
Ⅱ
工艺过程
Ⅲ Ⅰ
总产物
净产品P
分离
Ⅳ
• 2、其他类型循环及旁路过程
•
（了解即可）
例题
• 1、41页例2-3 • 2、41页例2-4
Salamat Do
撒拉玛特朵
• 因为间歇反应的物系组成随时间而变， 所以物料衡算必须建立时间平衡关系。
例题（类型：间歇过程无反应）
1、38页例2-2 2、采用蒸发方法将浓度为10％NaOH及10％NaCl
的水溶液进行浓缩。蒸发时只有部分水分汽化 成为水蒸气而逸出，部分NaCl结晶成晶粒而留 在母液中。操作停止后，分析母液的成分为： 50 ％ NaOH ， 2 ％ NaCl 及 48 ％ H2O 。 若 每 批 处 理 1000 kg原料液，试求每批操作中：1)获得的 母液量，2)蒸发出的水分量，3)结晶出的NaCl 量。