第四章设备的工艺设计及化工设备图

1、 1.标准设备或定型设备标准设备或定型设备，是成批系列生产的设备，可现成购买。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。 2.非定型标准设备非定型标准设备，需专门设计和特殊设备。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。 通常把提升液体、输送液体或使液体增加压 力，即把原动机的机械能变为液体能量从而达

2、到抽送液体目的的机器统称为泵。 （1）泵型）泵型 泵的不同用途、不同的输送液体介质、不同流量、泵的不同用途、不同的输送液体介质、不同流量、 扬程的范围，泵的结构型式也不一样，材料也不同。扬程的范围，泵的结构型式也不一样，材料也不同。 选用时考虑物料基本性质、生产的工艺过程和动力、选用时考虑物料基本性质、生产的工艺过程和动力、 环境等环境等 流量大而扬程不高单级离心泵 流量不大而扬程高多级离心泵或往复泵 输送有腐蚀性介质耐腐蚀泵 输送昂贵液体、剧毒或具有放射性能的液体完 全不泄漏、无轴封的屏蔽泵 要求精确进料计量泵或塞住泵 （2）选泵的流量和扬程）选泵的流量和扬程 流量的确定和计算流量的确定和计

3、算 选泵时以最大流量为基础，正常流量乘安全系数。 扬程的确定和计算扬程的确定和计算 单位重量液体通过泵所获得的能量叫扬程。即用 来克服两端（进出口）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，以及两端的速度差引起的动能差。 （伯努利方程计算）计算结果要放大5%10%。 （3）确定泵的安装高度）确定泵的安装高度 （4）确定泵的台数和备用率）确定泵的台数和备用率 一般只设一台泵。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。

4、（5）校核泵的轴功率）校核泵的轴功率 泵的样本上给定的功率和效率是水试验结果，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。 离心泵的轴功率是指电机输入到泵轴的功率。流体 从泵获得的实际功率为泵的有效功率，由泵的流量 和扬程求得 有效功率与轴功率的比值为离心泵的效率 1.按换热器作用原理分类按换热器作用原理分类 （1）直接接触（混合）式换热器）直接接触（混合）式换热器 换热时，热冷流体发生接触和混合，如凉水塔、喷射冷凝器等 （2）间壁式换热器）间壁式换热器 如管壳式换热器、板式换热器等。 （3）蓄热式换热器）蓄热式换热器 热、冷流体交替与固体蓄热体发生接触传热。如回转

5、式空气预热器等。 （4）中间载热体式换热器）中间载热体式换热器 通过载热体在两个间壁式换热器之间循环，实现热量传递。如热管式 换热器。 2.按传热面形状和结构分类按传热面形状和结构分类 （1）管式换热器）管式换热器 热冷流体通过管子壁面进行传热。如管壳式、套管式、蛇管式换 热器等。 （2）板式换热器）板式换热器 热冷流体通过板面进行传热。如平板式、螺旋板式、板翅式换热 器等。 （3）特殊形式换热器）特殊形式换热器 根据工艺特殊要求设计。 换热器设计的一般原则换热器设计的一般原则 （1）基本要求）基本要求 满足工艺操作条件满足工艺操作条件 能长期运转能长期运转 安全可靠安全可靠 不泄漏不泄漏 维

6、修清洗方便维修清洗方便 满足工艺要求的传热面积满足工艺要求的传热面积 尽量有较高的传热效率尽量有较高的传热效率 流体阻力尽量小流体阻力尽量小 满足工艺布置的安装尺寸等要求满足工艺布置的安装尺寸等要求 （2）流速）流速 流速较高，可提高传热效率，有利于冲刷污垢和沉积；流速较高，可提高传热效率，有利于冲刷污垢和沉积； 但流速不能过大，流速过大磨损严重，甚至造成设备振动，影响操但流速不能过大，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，能量消耗也将增加。作和使用寿命，能量消耗也将增加。 流体在直管内的常见流速可查看相关经验数据。 （3）介质流程）介质流程 清洗方便清洗方便-易结垢流体走

7、管程易结垢流体走管程 流体压力流体压力-高压流体走管程高压流体走管程 减少腐蚀机会减少腐蚀机会-腐蚀性大的流体走管程腐蚀性大的流体走管程 毒性物质的泄漏毒性物质的泄漏-毒性大的走管程毒性大的走管程 热能的合理利用热能的合理利用-冷却时，热流体走壳程冷却时，热流体走壳程 蒸汽加热情况蒸汽加热情况-蒸汽走壳程：排不凝气、冷凝液，洁净，减少蒸汽走壳程：排不凝气、冷凝液，洁净，减少 热应力。热应力。 流体的粘性流体的粘性-粘性大者走壳程，利用折流挡板增大湍动。粘性大者走壳程，利用折流挡板增大湍动。 （4）终端温差）终端温差 考虑换热器的经济合理和传热效率：考虑换热器的经济合理和传热效率： 终端的温差应

8、在终端的温差应在20以上；以上； 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 ； 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 中最高凝点组分的中最高凝点组分的5 以上；以上； 空冷器的最小温差应大于空冷器的最小温差应大于20； 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 点低点低5 。 （5）压力降）压力降 压力降一般随操作压力不同而有一个大致的范围，参见相关数据。压力降一般随

9、操作压力不同而有一个大致的范围，参见相关数据。 （6）传热系数）传热系数 传热面两侧的传热膜系数相差很大时，传热面两侧的传热膜系数相差很大时，a值较小的一侧将成为控制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效果的主要因素，设计换热器时，应设法增大该侧的a。计算传热。计算传热 面积时，常以面积时，常以a小的一侧为准。小的一侧为准。 （7）污垢系数）污垢系数 （8）尽量选用标准设计和标准系列）尽量选用标准设计和标准系列 管壳式换热器是一种传统的标准换热设备，它 具有制造方便、选材面广、适应性强、处理量大、 清洗方便、运行可靠、能承受高温高压等优点，是 工厂中应

10、用最广泛的换热设备 塔器的选型与设计塔器的选型与设计 塔设备是一种应用极为广泛的气液、液液传质 设备，主要应用于化工、医药等行业中的吸收、精 馏、萃取等工段。 塔的类型：塔的类型： 按接触方式分 连续接触式，填料塔 逐级接触式，板式塔 板式塔板式塔 波纹填料 鲍尔环填料 填料塔填料塔 1塔型选择基本原则塔型选择基本原则 生产能力大，弹性好。生产能力大，弹性好。 满足工艺要求，分离效率高。满足工艺要求，分离效率高。 运转可靠性高，操作、维修方便。运转可靠性高，操作、维修方便。 结构简单，加工方便，造价较低。结构简单，加工方便，造价较低。 塔压降小。对于真空塔或要求塔压降低的塔来说，塔压降小。对于

11、真空塔或要求塔压降低的塔来说， 压降小的意义更为明显。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 2填料塔设计程序填料塔设计程序 (1)(1)汇总设计参数和物性数据处理。汇总设计参数和物性数据处理。 (2(2）选用填料。）选用填料。填料是填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。 (3)(3)确定塔径确定塔径DD u V D 4 式中 V气体的体积流量，m3/s；u操作气速，m/s。 （4）计算填料塔压降。）计算填料塔压降。 （5）验算。）验算。塔内的喷淋密度应

12、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。 （7 7）计算塔的总高度）计算塔的总高度H H H=Hd+Z+(n-1)Hf+Hb 式中 Hd塔顶空间高度（不包括封头），m Hf液体再分布器的空间高度，m Hb塔底空间高度，m n填料层分层数。 (6(6）计算填料层高度）计算填料层高度Z 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”。 (8(8）塔的其他附件设计和选定）塔的其他附件设计和选定 支撑板。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

13、是 孔板式支撑尤为明显。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。 液体喷淋装置。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。 液体再分布装置。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。 气体分布器。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45o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。 除雾器。除雾器。当空塔

14、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出口 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。备简图，并标注必要的尺寸，注明各管口的位置等。 3 3板式塔设计程序板式塔设计程序 (1)汇总设计参数和物性数据。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、分离要求来确定选择板式塔的塔板结构常根据物

15、料特性、分离要求来确定 塔板结构。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)进行工艺计算进行工艺计算 (4)塔径计算塔径计算 (5)塔节上人孔、手孔的确定。塔节上人孔、手孔的确定。 (6)塔高确定。塔高确定。 (7)塔内流体力学核算，作负荷性能图。塔内流体力学核算，作负荷性能图。 (8)辅助装置选型设计。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、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。人孔、手孔位置等。 例如： 立式平底平盖容器， 设计

16、压力为常压， 公称容积VN0.06m2， 公称直径DN400。 标记为： R21A-00-1 在化工生产中，化学反应的种类很多，操作条件差异很大，物料的聚集状 态也各不相同，使用反应器的种类也是多种多样。一般可按用途、操作方式、 结构型式等进行分类，最常见的是按结构型式分类，可分为釜式反应器、管可分为釜式反应器、管 式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。 反应设备的类型 2.管式反应器管式反应器 管式反应器主要用于气相、液相、气液相连续 反应过程。 操作时，物料自一端连续加入，在管中连续反应， 从另一端连续流出，便达到了要求的转化

17、率。 由于管式反应器能承受较高的压力，故用于加压由于管式反应器能承受较高的压力，故用于加压 反应尤为合适。此种反应器具有容积小、比表面大、反应尤为合适。此种反应器具有容积小、比表面大、 返混少、反应混合物连续性变化、易于控制等优点。返混少、反应混合物连续性变化、易于控制等优点。 但若反应速度较慢时，则有所需管子长、压降较大 等不足。 管式反应器的长径比较大，与釜式反应器相比在 结构上差异较大，有直管式、盘管式、多管式等。 管式反应器结构示意图管式反应器结构示意图 3.塔式反应器塔式反应器 塔式反应器的长径比介于釜式和管式之间。 主要用于气主要用于气液反应液反应，常用的有鼓泡塔、填料塔、板常用的

18、有鼓泡塔、填料塔、板 式塔。最常用的是鼓泡塔式反应器。式塔。最常用的是鼓泡塔式反应器。 1分布格板；2夹套；3气体分布器；4塔体； 5挡板；6塔外换热器；7液体捕集器；8扩大段 鼓泡塔反应器结构示意图鼓泡塔反应器结构示意图 4.固定床反应器固定床反应器 固定床反应器是指流体通过静止不动的固体物料所固定床反应器是指流体通过静止不动的固体物料所 形成的床层而进行化学反应的设备。形成的床层而进行化学反应的设备。 以气- 固反应的固定床反应器最常见。 1.筒体的高径比筒体的高径比 夹套反应器罐体尺寸示意夹套反应器罐体尺寸示意 搅拌反应器的高径比搅拌反应器的高径比 在已知反应器的操作容积后，首先要确定罐

19、体适宜的高径比，这需要考虑以下几点。 （1）由于搅拌功率在一定条件下与搅拌器直径的5次方成正比，所以从减少搅拌功 率的角度考虑，高径比可取得大一些。 （2）若采用夹套传热结构，从传热角度看，希望高径比可取得大一些；当容积一定 时，高径比大、罐体就高，盛料部分表面积大、传热面积也就大。 （3）要考虑物料的状态，对发酵类物料，为了使通入罐内的空气与发酵物料充分接 触，高径比应取得大一些。 V )( 44 32 i ii D H DHD 3 0 )( 4 i D H i V D 2 0 2 44 i k i k D V V D VV H 为了便于计算，在初步确定H/Di后，可先忽略封头的容积，近似计

20、算出罐体的容积。即 由此导出内直径 为： 将式（1）计算的结果圆整为标准直径，再代入式（2）中计算出罐体的高度，即 式中V罐体容积，mm3； V0罐体操作容积，V0=V，mm3； 装料系数； Vk两封头容积，mm3。 再将按式（2）计算出来的H值圆整，看H/Di是否符合表5-2的要求，若差别较大，则需要重新调 整直径和高度，直至满足一切为止。 （1） （2） 2.直径及高度确定直径及高度确定 (1)工程图 表示设备的化工工艺特性、使用特性、制造要 求的图纸。它依据工艺数据表编成，用于基础 设计审核、设备询价、订货和制造，以及向相 关专业提出设计条件。图纸布置见图4-1. 图4-1 工程图的布置

21、 图4-2 装配图的布置 （a） （b） 图4-3 部件图的布置 图4-4 零件图的布置 （a） （b） 图4-7 标准图的布置 图4-8 梯子平台图和预焊件图的布置 表4-6 常用管口符号 h管口符号以大写的英文字母A、B、C表示。 常用管口符号推荐按表所示。同一用途、规格的 管口，数量以下标1、2、3表示如TI12、LG12 等。 图4-9（a） 标题栏1的内容和尺寸 标题栏1（又名图纸标题栏）。 图4-9（b） 标题栏2的内容和尺寸 图4-9（c）标题栏3的内容和尺寸 图4-9（d）标题栏4的内容和尺寸 明细栏1，用于装配图及零件图。 b.明细栏2，用于零部件图。 c.明细栏3，用于管口

22、零件明细栏。 3.管口表 管口表是将本设备的各管口用英文小写字母从上至下按顺序填入表 中，以明确各管的位置和规格等，具体见下表（两个尺寸中，小尺寸 用于工程图，大尺寸用于施工图，下同）： 4.设计数据表 设计数据表是化工设备图的一个重要组成部分，补充替代了以往“技术 特性表”。它将设备的主要设计、制造、使用的主要参数(设计压力、 工作压力、设计温度、工作温度、各部件的材质、焊缝系数、腐蚀裕度、 物料名称、容器类别及专用化工设备的接触物料的特性等)技术特性以 以列表供施工、检验、生产中执行。又分为工程图用和施工图用设计数 据表。 5.技术要求 (1)通用技术条件 通用技术条件是同类化工设备在加工

23、、制造、焊接、装配、检验、 包装、防腐、运输等方面的技术规范，已形成标准，在技术要求中直 接引用。在书写时，只需注写“本设备按(具体写上某标准 的名称及代号)制造、试验和验收”即可。 (2)焊接要求 化工设备的焊接工艺十分广泛，在技术要求中，通常对焊接接头型 式，焊接方法，焊条(焊丝)、焊剂等提出要求。 (3)设备的检验 一般有对主体设备的水压和气密性进行试验，对焊缝的射线探伤， 超声波探伤、磁粉探伤等，这些项目都有相应的试验规范和技术指标。 (4)其它要求 a.机械加工和装配方面的规定和要求。 b.设备的油漆、防腐、保温(冷)、运输和安装、填料等要求。 6.签署栏 三、化工设备图的表达特三、

24、化工设备图的表达特 点点 (一)化工设备的基本结构特点 1.基本形体以回转体为主 2.各部结构尺寸大小相差悬殊 3.壳体上开孔和管口多 4.广泛采用标准化零部件 5.采用焊接结构多 6.对材料有特殊要求 7.防泄漏安全结构要求高 (二)化工设备图的视图表达特点 1.视图配置灵活 2.需注意细部结构的表达 (1)局部放大图(也称“节点详图”) (2)夸大画法 3.管口和开口数量多 4.设备长宽比例悬殊的可采用断开画法 5.简化画法使用多 6.化工设备表面普遍采用镀涂层或衬里加以 保护 7.部分设备和零件不需单独绘制图样 简 化 塔 和 断 开 画 法 采用了各种简化画法可减少绘图工作量，提高绘图效率 法兰连接面型式的画法 带薄衬层的接管法兰（以局部剖视图表示） 法兰连接的螺栓、螺母和垫片的画法 液面计的画法和标注 (4)液面计 可用点划线示意表达，并用粗实线画出“”符 号表示其安装位置。 (5)有规律分布的重复结构 按同心圆排列的管板、折流板或塔板的孔眼画法 按规则排列的孔眼画法 对