第五章 化工设备设计及设备图 Chart5 The design of chemical equipment,5.1 概述 5.2 化工设备的选用和设计方法 5.2.1物料输送设备 5.2.2贮罐 5.2.3换热设备 5.2.4分离设备 5.2.5传质设备 5.2.6化学反应器 5.3 化工设备图,分 离 设 备,5.1 概述,化工设备的设计包括标准设备设计和非标准设备设计。,一、化工设备设计分类,1. 标准设备设计,常用标准设备：泵、风机、冷冻机、过滤机、离心机、搅拌器、压缩机等，生产厂家、型号都很多，可选择范围很大。,标准设备设计：根据工艺要求，计算特征尺寸，查阅相关产品目录或样本手册(列出设备的规格、型号、基本性能参数和厂家)，选择合适设备型号。 标准设备选型,2. 非标准设备设计,常用非标准设备：容器(中压、低压、高压)、换热器、塔器、干燥设备、搅拌设备和除尘设备等。,非标准设备设计：根据工艺要求，完成工艺计算，提出设备型式、材料、尺寸和其他要求，再经过机械计算及设计，由相关工厂制造。必须遵循设备设计的相关标准和规定。,化工设备设计向标准化推进，有些原来属于非标准设备的化工装置，已逐步走向系列化、定型化，已形成了一些标准图纸，有些还有了定点生产厂家，如换热器系列、容器系列、搪玻璃设备系列等。因此，在非标准设备设计时，应尽量采用已标准化的图纸。,3. 化工设备标准化,二、化工设备设计的原则,(1) 合理性 (2) 先进性 (3) 经济性 (4) 安全性,5.2 典型化工设备的选用和设计方法,5.2.1 泵的选用与设计程序,1. 收集基础数据,介质物性 操作条件 泵所在位置情况,(1)泵的流量（考虑上限） (2)扬程的确定和计算,2. 确定泵的流量和扬程,3. 选择泵型及泵的具体型号,从工艺角度选择泵类型： 流量大，扬程不高时，可选单级离心泵； 流程不大，扬程高时，宜选往复泵或多级离心泵； 输送有腐蚀介质，选耐腐蚀泵； 输送昂贵液体、剧毒或放射性液体应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。 输送高温介质时可考虑选用热油泵。,4. 核算泵的性能,若输送液体的物理性质与水有较大差异，则应对泵的扬程、流量进行核算。并与工艺要求进行对比，确定所选泵是否可用。,5. 确定泵的安装高度,6. 计算泵的轴功率 7. 选定泵的材料和轴封 8. 确定冷却水或加热蒸汽耗量 9. 选用驱动装置电动机或蒸汽透平 10. 确定泵的台数和备用率 11. 填写泵规格表，作为泵订货依据和选泵过程中各项数据的汇总。,流体输送设备,离心泵、往复泵、转子泵比较,离心泵、往复泵、转子泵比较,5.2.2 贮罐的选型和设计,一、贮罐的分类及存贮量的确定,根据用途，贮罐可分为：原料、成品、中间贮罐，回流罐、计量罐、缓冲罐、混合罐、闪蒸罐、包装罐等。 贮罐存贮量：即贮存物料总容积，随贮罐的用途而异。,1. 原料贮罐 全厂性贮罐一般主张至少有13个月的耗用量贮存，车间的原料贮罐一般至少半个月的用量贮存。,2. 成品贮罐 按工厂短期停车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。液体贮罐的装载系数一般取0.8。,3. 中间贮罐 对连续过程视情况贮存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的生产用量。,4. 计量罐 一般考虑最少为1015min，多则2h或4h产量。计量罐的装料系数一般取0.60.7，刻度的使用度常为满量程的80%85%。,5. 回流罐 一般考虑510min左右的液体保存量，作冷凝器液封之用。,6. 缓冲罐 缓冲罐存贮量常是下游设备510min的用量，有时可超过15min用量，以备紧急时有充裕时间处理故障、调节流程或关停机器。,7. 汽化罐 汽化罐的汽化空间通常是总容积的一半。汽化空间的体积可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。,8. 闪蒸罐 液体在闪蒸罐的停留时间应考虑使液体在罐内有充分时间接近气液平衡状态，应视工艺要求选择液体在罐内的停留时间。 9. 混合、拼料罐 混拼罐的大小，根据工艺条件而定，考虑若干批的产量，装料系数约70%。,10. 包装罐 包装罐可视同于中间贮罐。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，装料系数不一样，一般为0.60.8。,二、贮罐设计的一般程序,汇集工艺设计参数 2. 贮罐材质的选择 3. 贮罐型式的确定 4. 确定需要贮存的物料总体积 5. 确定贮罐的台数和基本尺寸 6. 选择标准型号 7. 贮罐的管口方位和支承方式的确定 8. 绘制设备草图，标注尺寸，提出设计条件和订货要求。,符合规定的工艺操作条件 2. 安全可靠 3. 安装、操作及维修方便 4. 经济合理 5. 尽量选用标准设计和标准系列,5.2.3 换热设备的选用,一、换热设备设计和选用的一般原则,二、管壳式换热器的设计步骤,1.分析设计任务，汇总设计数据 2.设计换热流程 3. 选择换热器的材质 4. 确定换热器类型 5.确定冷热流体的流向 6. 计算平均传热温差tm 7. 计算热负荷Q 8. 估计污垢热阻系数 9. 初算总传热面积A 10. 参照标准系列，初选换热器 11. 校核 12. 验算换热器的压力降 13. 画出换热器设备草图。,例题,可以达到要求。,5.2.4 .1塔设备的选型与设计,一、塔设备设计的基本要求,生产能力大，气液处理量大。 具有较高的传质、传热效率，保证气液两相良好接触。 操作稳定，操作弹性大，气液负荷有较大波动时仍能在较高的传质效率下稳定操作，且能长期连续运转。 流体流动的阻力或压力降小，降低生产中的动力消耗和经常性的操作费用的要求。 结构简单可靠，材料耗用量小，制造安装容易，设备的投资费用低。 耐腐蚀，不易堵塞，操作方便，易于检修。 抓住主要矛盾，最大限度满足工艺要求。,二、塔类型的选择,填料塔和板式塔主要性能对比,新型填料及规整填料塔竞争力较强。,三、填料塔设计程序,(1) 汇总设计参数和物性数据。 (2) 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) 确定塔径D,(4) 计算填料塔压降 (5) 验算。 保证UUmin，负责重新调整计算。 (6) 计算填料层高度Z。 (7) 计算塔的总高度H H=Hd+Z+(n-1)Hf+Hb (8) 塔内附件的设计和选定,支撑板自由截面积填料空隙率，支撑板强度足以支承填料重量。 液体喷淋装置弯管式、多孔直管式、莲蓬头式、分布盘 液体再分布装置截锥式和升气管式分布器 气体分布器 除雾器折板除雾器、丝网除雾器、旋流板除雾器或干填料层 (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。,(1) 汇总设计参数和物性数据。 (2) 根据物料特性、分离要求确定塔板结构。 (3) 进行工艺计算 (4) 塔径计算,四、板式塔设计程序,(5) 塔节上人孔、手孔的确定。 (6) 塔高确定。 (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。,5.2.4.2 干燥设备的选型与设计,固体除湿方法 机械除湿。物料湿分较多时，可先用离心过滤等机械分离方法以除去大量的湿分； 吸附除湿。用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如CaCl2、硅胶等）与湿物料并存，使物料中的湿分相继经气相而转入干燥剂内； 供热除湿(干燥)。用热空气或其它高温气体为介质，使之流过物料表面，介质向物料供热并带走汽化的湿分。,干燥的分类,按操作压力分 常压干燥 真空干燥。适于处理热敏性及易氧化的物料，或要求成品中含湿量低的场合。 按操作方式分 连续式。生产能力大、产品质量均匀、热效率高、劳动条件好。 间歇式。适于处理小批量、多品种、干燥时间长的物料。,根据供热方式不同，干燥可分为 传导干燥（间接加热干燥）。热能通过壁面以传导方式加热物料。 对流干燥（直接加热干燥）。干燥介质与湿物料直接接触，并以对流方式加热湿物料。 辐射干燥。热能以电磁波的形式辐射到湿物料表面。 介电加热干燥。将湿物料置于高频电场内，使其被加热。,干燥器的主要型式,1.箱式干燥器(板式干燥器) 2.洞道式干燥器 3.带式干燥器 4.转筒干燥器 5.气流干燥器 6.流化床干燥器(沸腾床干燥器) 7.喷雾干燥器 8.滚筒干燥器 9.真空耙式干燥器,选择干燥器大致可按以下三个步骤进行： 考虑可操作性列出能处理被干燥物料的各种干燥器，这就需要从湿物料的性能出发，参考各种干燥设备在工业中常使用的范围来选择。 依据湿物料的特性，处理量以及对产品的质量及其它特殊要求，筛选出最适宜的几种干燥器。这一步需考虑一些具体因素，如物料的热敏性、易碎性、对污染的要求，含水量的大小、湿法去除的难易程度等，对初选的设备形式依据其优缺点及适应性能作进一步筛选。同时依据处理量选定操作方式，一般处理量小于50kg/h时，常采用间歇操作，当大于1000kg/h时，常采用连续装置。 估计干燥器的设备成本和操作费用，作最终的的选择。,5.2.5 反应器的选型与设计,一、反应器分类,二、反应器设计的基本内容及设计要点,反应器设计基本内容： 根据化学反应动力学特性来选择合适的反应器形式； 结合反应动力学和反应器传递特性确定反应器型式及操作方式； 根据给定生产规模对反应器进行设计，确定反应器的几何尺寸。,反应器设计要点： 保证物料转化率和反应时间； 满足反应的热传递要求； 设计适当的搅拌器或类似作用的机构。 注意材质选用和机械加工要求。,三、釜式反应器设计程序,(1) 根据工艺流程的特点，确定反应釜操作方式； (2) 汇总设计基础数据：生产规模、反应时间、温度、装填系数、物料性质等； (3) 计算反应釜体积； (4) 确定反应釜设计(选用)体积和台数； (5) 反应釜直径和筒体高度、封头确定； (6) 传热面积计算和校核；夹套和加热盘管 (7) 搅拌器设计； (8) 管口和开孔设计； (9) 画出反应器设计草图。,四、固定床反应器设计,(1) 汇总物料衡算和物性数据。 (2) 计算床体体积。 (3) 计算床高和直径假设床层D，根据床层有效体积核算床层H，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。 阻力，床层D，动力消耗实践中宁可增加催化剂体积，也不主张流体阻力偏大，以免影响整个操作体系。 传热系数K一般取经验值或中试值。 (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。,5.3 化工设备图,化工设备图是化工设备制造、安装、使用、维修的重要技术文件，也是进行技术交流、设备改造的工具。,一、化工设备图的分类,(1) 设备总图表示化工设备及附属装置全貌、组成和特性的图样。它应表达设备各主要部分结构特征、装配连接关系、主要特征尺寸和外形尺寸，并写明技术要求，技术特性等技术资料。 (2) 装配图：表示化工设备的结构、尺寸、各零部件间的装配连接关系，并写明技术要求和技术特性等技术资料的图样。 (3) 部件图：表示可拆或不可拆部件的结构形状、尺寸大小、技术要求和技术特性等技术资料的图样。 (4) 零件图：表示化工设备零件的结构形状、尺寸大小及加工、热处理、检验等技术资料的图样。,(6) 表格图：用综合列表方式表示结构形状相同、尺寸大小不同的化工设备、部件、零件的图样。 (7) 标准图：经国家有关主管部门批准的标准化或系列化设备、部件或零件的图样。 (8) 通用图：经过生产考验，结构成熟，能重复使用的系列化设备、部件和零件的图纸。,二、化工设备图的基本内容,1. 标题栏设计单位，设备(项目)名