第六章 化工设备的工艺计算

1、1 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 2 6.1化工设备工艺计算的内容 化工设备工艺设计目的：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；为车间布置、管道布置及其他非 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：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。 化工设备分类化工设备分类*： 化工设备从设计角度设计角度分为：标准设备或定型设备、非

2、标准 设备或非定型设备。 化工设备从功能角度功能角度分为：物料输送设备、换热设备、反 应设备、分离设备等。 3 化工设备选用和工艺设计的要求* 总要求：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：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：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：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: 4 a换热器： 热负荷，换热面积，热载体的种类，冷、热流

3、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)。 5 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)； 加料口位置，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

4、的种类、流量、温 度和压力，灵敏板位置。 6 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； 反应器内换热装置的型式、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。 7 6.2泵的选用 一、 对化工用泵的要求* 1.一般要求： 操作方便、运行可靠、性能良好和维修方便等。 2.在不同的情况下的特殊要求 (1)输送易燃、易爆、易挥发、有毒易燃、易爆、易挥发、有毒和有腐蚀腐蚀 性及贵重贵重的介

5、质 要求密封性能密封性能可靠，只能微漏甚至完全无泄 漏。 应采用磁力驱动泵或屏蔽泵。磁力驱动泵或屏蔽泵。 8 (2)输送腐蚀腐蚀性介质 要求泵具有耐腐蚀性耐腐蚀性，应选用耐腐蚀耐腐蚀泵。 可根据介质特性和温度范围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。 9 (3)输送易气化液体易气化液体 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

6、应变化。 c.有腐蚀性和危险性，对泵的轴封要求高轴封要求高。 对密封性密封性要求很严 应选用低温泵低温泵。 10 (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。 11 (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 等型号的液下泵液下泵或LC、LCB型卧式泵卧式泵和AH、AHR系列 的渣浆泵渣浆泵。 (7)输送高温介质：

7、可考虑选用热油泵热油泵。 (8)要求高吸入性能高吸入性能：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打液量精度要求高时，可用计量泵。 12 二、泵的选用与设计程序 （一）、确定泵的型式（一）、确定泵的型式 （二）、确定泵的扬程和流量（二）、确定泵的扬程和流量 （三）、扬程和流量的校核（三）、扬程和流量的校核 （四）、泵的轴功率的校核（四）、泵的轴功率的校核 （五）、泵的台数和备用率（五）、泵的台数和备用率 （六）、离心泵安装高度的校核（六）、离心泵安装高度的校核 （七）、确定冷却水或驱动蒸汽的

8、耗量（七）、确定冷却水或驱动蒸汽的耗量 （八）、选用电机（八）、选用电机 （九）、填写选泵规格表（九）、填写选泵规格表 13 二、泵的选用与设计程序 （一）、确定泵的型式 1.1.根据被输送物料的基本性质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。 14 （二）、确定泵的扬程和流量 1.流量：以工

9、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，应在正常流量值正常流量值的基础上乘以1.11.2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1.051.1倍。 （由热量衡 算得到） 由此可初步确定泵的规格、型号。 15 （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常 温常压温常压下用清水清水测得的。 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

10、应将泵的性能指标流量、扬程 换算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。 16 （四）、泵的轴功率的校核 泵样本上给定的功率是用水水测得的。 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置中使用的泵应考虑较 大的备用率。 17 （六）、离心泵安装高度的校核 为避免发生汽蚀汽

11、蚀或打不上液体的情况，泵 的安装高度必须低于低于泵的允许吸上高度允许吸上高度。 为了安全起见，安装高度应比计算出来的 允许吸上高度低0.51m。 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（七）、确定冷却水或驱动蒸汽的耗量 （八）、选用电机（八）、选用电机 （九）、填写选泵规格表（九）、填写选泵规格表 18 6.3换热器的设计和选用 一、传热设备的类型和性能比较一、传热设备的类型和性能比较 传热设备的类型传热设备的类型* *： 间壁式、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传

12、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。 19 二、二、 换热器的系列化换热器的系列化 在工程设计中，应尽量选用标准系列的换热器标准系列的换热器 三、换热器部分设计参数的取值三、换热器部分设计参数的取值* 1.流体的流速（流体的流速（u） 2.流体的路径：管程、壳程流体的路径：管程、壳程 3.换热器两端冷热流体温差的取值换热器两端冷热流体温差的取值 4.管内径、管长、管间距、壳体尺寸的确定管内径、管长、管间距、壳体尺寸的确定 5.压力降压力降 6.管程数的确定管程数的

13、确定：1、2、4 7.污垢系数污垢系数 8.总传热系数的确定总传热系数的确定 9.换热面积的确定换热面积的确定 20 1.流体的流速（流体的流速（u） u RsK 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Re104。 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。 21 2. 流体的路径流体的路径 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

14、； (2) 被冷却的流体； 22 3. 换热器两端冷热流体温差的取值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，节省设备投资投资；但冷却 剂的用量大，增大了操作费用操作费用。 换热器两端冷、热流体温差的取值应考虑其经济合理性经济合理性。使 投资和操作费用之和最小投资和操作费用之和最小。 (1)换热器热端热端冷、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 液的露点低露点低5 (4)空冷器冷、热流体温差应大于15 ，最好大于2025。 (5)用水为冷却剂时，冷却水进、出

15、口温度差一般取510 。 23 4.管内径、管长、管间距、壳体尺寸的确定管内径、管长、管间距、壳体尺寸的确定 标准管径：碳钢和合金钢252.5、192 不锈钢252、192 管长：1.5m、2m、3m、6m、9m 通常管长与换热器直径比为610。保证检修方便， 经济合理。 管间距为管径的1.251.5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。 24 5.压力降压力降： 与操作压力有关，查手册有参考范围。 6.管程数的确定管程数的确定：1、2、4 7.污垢系数污垢系数 8.总传热系数的确定总传热系数的确定 （1）供初估换热面积使用的总传

16、热系数推 荐值 （2）理论计算 （3）取现场数据 9.换热面积的确定换热面积的确定： 25 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（1、 2 、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 26 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

17、 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 27 2.贮罐设计参数* 设计压力设计压力：由工艺提出 设计温度设计温度：由工艺提出 公称容积公称容积：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。 腐蚀余量腐蚀余量：根据贮罐介质定。 设计载荷设计载荷：包括风载荷、雪载荷、灌顶附加载荷及抗 震烈度等。 材质选择材质选择：根据介质物性及

18、工艺选择。 贮罐型式贮罐型式：根据介质物性、工艺条件及容积确定。 贮罐台数贮罐台数： 28 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、车间全厂性原料库房贮罐、车间 的原料贮罐的原料贮罐 (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 29 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全厂性原料库房贮罐 一般以13月月的生产用量为宜，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

19、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一周的产品 产量设计。 30 (3)中间贮罐 中间贮罐的设置是考虑生产过程中在前面某一工序临 时停车时仍能维持后面工段的正常生产。 对于连续化生产视情况贮存几小时至几天几小时至几天的用量； 对间歇生产过程，至少应考虑存贮一个班存贮一个班的生产用量。 (4)回流罐 蒸馏塔回流罐一般考虑5min至10min左右的 液体保有量作冷凝器液封之用。 以上(1)至(4)类液体贮罐的装料系数一般在0.8左右，有 时可高达0.85，存放气体的容器装料系数是1。 (5)计量罐 考虑少者10min、15min，多者2h或4h产量 (

20、或原料量)的存贮量。 计量罐的装载系数一般取0.60.7。？ 31 (6)缓冲罐 缓冲罐的目的是使气体有一定数量的积 累，使压力稳定，从而保证工艺流程中流量的稳 定，常常是下游使用设备5min至10min的用量，有 时可超过15min的用量，以便有充裕时间处理故障， 调节流程或关停机器。 (7)闪蒸罐 闪蒸过程是液体的部分气化过程、是一 个单级分离过程，停留时间应考虑尽量使液体在 闪蒸罐内有充分的时间使接近气液平衡气液平衡状态，视 工艺过程的不同要求选择液体在罐内的停留时间。 32 4.贮罐设计的一般程序 (1)汇集工艺设计数据 (2)选择贮罐的材料 (3)确定贮罐的型式 ： 卧式、立式、封头

21、的型式 (4)确定需要贮存的物料总体积 (5)确定贮罐的台数和初定尺寸 (6)选择标准型号 (7)核对标准系列贮罐的管口和支座 (8)如果在标准系列中实在没有能够符合工艺要求或 与工艺要求相近的图纸，可以提设备设计条件，由设 备设计专业人员设计非标准设备。 33 需要贮存的物料总体积物料总体积除以贮罐的适宜容积适宜容积 所得到的数值经圆整后就是所需的台数台数。 先确定贮罐的适宜容积先确定贮罐的适宜容积 贮罐的适宜容积根据贮罐的型式、存贮物料 的性质、可提供的场地大小以及设备加工能 力等因素踪合考虑后决定。 然后确定所需的台数然后确定所需的台数 用需要贮存的物料总体积除以贮罐的适宜容 积所得的数

22、值经圆整后就是所需的台数。 34 确定真正的贮罐容积确定真正的贮罐容积 台数确定后，再回过头来对确定的适宜容 积加以调整，得到真正的贮罐容积。 确定直径和长度确定直径和长度( (或高度或高度) ) 先根据场地大小定一个大体的直径，再根 据国家的设备零部件(筒体和封头)的规范 调整直径，然后计算贮罐的长度(或高度)， 再核实长径比，长径比要考虑到外形美观 实用，贮罐的大小与其他设备般配，并与 工作场所的尺寸相适应。 35 6.5塔器的设计 传质设备： g-l传质主要设备？ 选型的原则*: 生产能力大，弹性好； 满足工艺要求，分离效率高； 运转可靠性高，操作维修方便； 结构简单，加工方便，造价低；

23、 塔压降低 36 1.塔型的选择* (1)塔径大小的因素。 从造价看，小直径填料塔(0.8m以下)的造价一般比板 式塔低。大塔用板式塔而小塔用填料塔是经济的； 从效率看，大塔宜用板式塔而小塔宜用填料塔。 (2)液体流量：比较小的液体流量选板式塔，若此条件 下用填料塔则易导致境料润湿不足。 (3)物料的腐蚀性：处理有腐蚀性的物料用填料塔。 (4 )物料的热敏性：热敏性物料的蒸馏宜用填料塔。 (5)物料的发泡：填料塔适于处理易发泡的液体。 37 (6)含有固体颗粒的物系，宜选用液流通过 量较大的板式塔。 (7)产生大量溶解热或反应热的物系，一般应采用 板式塔 。 (8)液膜控制的过程宜使用扳式塔，

24、气膜控制的过 程宜用填料塔。 (9)对操作弹性要求较高的系统，宜采用浮阀塔或 其他浮动型塔板的板式塔，其次是泡罩塔；填料 塔和无溢流塔板的板式塔的操作弹性相对较小。 38 (10)如果工艺上要求侧线出料宜选用板式塔。 (11)如果设备的重量重量是关控因素，宜选用板式塔。 (12)要求液体在塔内停留时间短的吸收过程，选 用充填滞液量小的填料的填料塔，反之，要求液 体在塔内停留时间长的过程，可采用板式塔或充 填滞液量大的填料的填料塔。 2.塔性能比较 39 40 2.板式蒸馏塔的设计 3.填料蒸馏塔的设计 4.填料吸收塔的设计 5.板式吸收塔的设计 41 2 板式蒸馏塔的设计 a a 板式蒸馏塔的

25、设计程序板式蒸馏塔的设计程序 (1)搜集和整理原始物性数据，汇总工艺要求。 (2)初选板式塔的塔盘结构。 (3)计算塔的实际板数。 (4)计算塔内温度分布，确定灵敏板的位置。 (5)确定再沸器、冷凝器的热负荷并选型。 (6)确定塔径。 (7)选定塔盘结构。 (8)确定塔节上人孔和手孔的位置和尺寸。 (9)确定总塔高。 (10)作塔内流体力学核算，画出负荷性能图。 (11)根据工艺设备计算的结果向设备设计专业提出 设计条件 42 b.b.板式蒸馏塔实际板数的确定板式蒸馏塔实际板数的确定 (1)确定蒸馏塔实际板数的工作步骤 根据工艺上的分离要求确定塔顶、塔釜产品 的组成。 初定塔顶和塔釜的操作压力

26、。 作全塔物料衡算，列出全塔物料衡算表。 根据气液相平衡关系，验算塔的操作压力和 塔顶、塔釜温度。 选定进料状态，确定进料温度。 求理论板数。 定板效率。 求实际板数。 43 (2)确定蒸馏塔理论板数的方法 求算多组元蒸馏的理论板效的方法有简捷法 和逐板计算法。 简捷法求算理论板数的步骤如下： 计算最小回流比 用芬斯克公式求最小理论板数Nmin。 用吉利兰图定出不同回流比R与相应的理论 板数间的关系，绘出NR曲线或列出NR表， 从中找出适宜的回流比R及相应的理论板数N。 (3)蒸馏塔的塔板效率 44 c.板式蒸馏塔塔径的确定 塔径计算公式为 式中： V-塔内上升蒸气的体积流量，m3s； D-塔

27、径，m； u-气体空塔速度，ms。 空塔速度用史密斯(smith)法求取。 算出塔径后，应按我国化工通用机械标准的规 定圆整。 45 3 填料蒸馏塔的设计 a. a. 填料蒸馏塔的设计程序填料蒸馏塔的设计程序 (1)汇总设计参数和物性数据。 (2)选用填料。 (3)确定塔径和塔压。 (4)确定理论板数和填料的等板高度数值。 (5)计算填料高度。 (6)校核喷淋密度是否足以维持最小喷淋密度。 (7)确定填料的段数和每段填料的高度。 (8)向设备设计专业提出设计条件。 b.b.填料的选用填料的选用 选择填料包括确定填料的类型类型、填料的规格规格和填 料的材质材质。 46 4.填料吸收塔的设计 填料

28、蒸馏塔和填料吸收塔设计的比较 相同点： 填料的选用、塔径的确定、液体的最小喷淋密度、 填料的分段等项内容与填料蒸馏塔相同。 不同点： 在填料高度的计算上，填料蒸馏塔和填料吸收塔 有很大的不同。 对填料蒸馏塔，使用易于得到的等板高度等板高度数据通 过相应公式计算填料蒸馏塔的填料高度。 填料吸收塔多采用传质单元高度法传质单元高度法计算填料吸收 塔的填料高度。 47 5.板式吸收塔的设计 应用： 板式吸收塔往往用于以少量的吸收液来处理大量气体混 合物的情况。 与板式蒸馏塔一样，板式吸收塔的实际板数等于理论板数 除以板效率。 48 六、反应器的设计 釜式反应器的设计 A.釜式反应器设计的系列化 B.釜

29、式反应器设计的工作内容 确定反应釜的操作方式 汇总设计基础数据 设计基础数据包括物料流量，反应时间，操作压力，操作温 度，投料比，转化率，收率，物料的物性数据等。 计算反应釜的体积 确定反应釜的台数和连接方式 a.间歇釜b.连续反应釜 确定反应釜的直径和简体高度 确定反应釜的传热装置的型式和换热面积 选择反应釜的搅拌器 管口和开孔设计 画图或选型型号 49 6.6非定型设备的设计程序和设计条件 1.非定型设备分类 一类是已有标准系列的换热器和罐； 另一类是要按工艺要求由设备专业设计人员专门设计的非定型 设备。 2. 非定型设备的设计程序 (1)基本设计： 工作内容是： 选择设备的型式型式，确定设备的主要尺寸和主要工艺参数主要尺寸和主要工艺参