化工设计概论第七章设备的工艺设计与选型1ppt课件.ppt

1 第七章设备的工艺设计与选型 分类 1 一类称标准设备或定型设备 2 一类称非标准设备或非定型设备 化工设备工艺设计 对于定型和标准设备来说就是选型 对于非标准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 2 设备工艺设计与选型原则 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 3 设备工艺设计的主要工作和方法 1 结合流程确定化工单元操作所需设备类型 2 确定设备材质 3 确定设备的设计参数 4 确定标准设备的型号和台数 5 确定标准图的图号和型号 6 非标设备 向 机械设计 专业提设计条件 7 汇总列出设备一览表 8 同设备专业设计人员进行图纸会签 4 第二节化工设备的材料和选材原则 材料分类 1 金属 2 非金属 3 复合材料 5 第二节化工设备的材料和选材原则 选材一般原则 1 满足工艺及设备要求 2 材质可靠 使用安全 3 易于加工 4 立足市场 立足国内 立足当地资源 5 综合经济指标核算 6 第三节泵的设计与选型 1 泵的分类 7 各种泵的特性 8 第三节泵的设计与选型 2 泵的技术指标 1 型号 2 扬程 3 流量 4 必需汽蚀余量 5 功率与效率 9 2 化工生产常用泵 10 螺杆泵 11 往复泵 12 塑料泵 13 喷射器 左 液下泵 右 14 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 15 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 16 二 选泵的原则 1 基本泵型和泵的材料 2 扬程和流量要求 3 有效汽蚀余量和安装高度 4 泵的台数和备用率 17 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 18 泵选型中考虑的问题 耐腐蚀问题一直以来 腐蚀就是化工设备最头痛的危害之一 稍有不慎 轻则损坏设备 重则造成事故甚至引发灾难 据有关统计 化工设备的破坏约有60 是由于腐蚀引起的 因此在化工泵选型时首先要注意选材的科学性 通常有一种误区 认为不锈钢是 万能材料 不论什么介质和环境条件都捧出不锈钢 这是很危险的 19 1 硫酸 氟塑料具有较好的耐硫酸性能 采用衬氟泵是一种更为经济的选择 2 盐酸 内衬橡胶泵和塑料泵 如聚丙烯 氟塑料等 是输送盐酸的最好选择 3 硝酸 不锈钢是应用最广的耐硝酸材料 对常温下一切浓度的硝酸都有良好的耐蚀性 对于高温硝酸 通常采用钛及钛合金材料 4 醋酸 不锈钢是优良的耐醋酸材料 高温高浓醋酸或含有其它腐蚀介质等苛刻要求时 可选用高合金不锈钢或氟塑料泵 20 5 碱 氢氧化钠 钢铁广泛应用于80 以下 30 浓度内的氢氧化钠溶液 也有许多工厂在100 75 以下时仍采用普通钢铁 虽然腐蚀增加 但经济性好 对于高温碱液多采用钛及钛合金或者高合金不锈钢 6 氨 只有铜和铜合金不宜使用 7 盐水 海水 普通钢铁在氯化钠溶液和海水 咸水中腐蚀率不太高 一般须采用涂料保护 各类不锈钢也有很低的均匀腐蚀率 但可能因氯离子而引起局部性腐蚀 通常采用316不锈钢较好 8 醇类 酮类 酯类 醚类 基本没有腐蚀性 常用材料均可适用 酮 酯 醚对多种橡胶有溶解性 在选择密封材料时避免出错 21 冷却问题密封问题粘度问题在选材时切不可随意和盲目 应多查阅相关资料或借鉴成熟经验 22 23 2 确定选泵的流量和扬程 流量的确定和计算 选泵时以最大流量为基础 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 进口和出口 的速度差引起的动能差 泵的扬程包括吸程在内 近似为泵出口和入口压力差 扬程用H表示 单位为米 m 24 流量Q m3 s 压头H mH2o 轴功率N kW 效率 离心泵的特性曲线 性能参数 H Q曲线N Q曲线 Q曲线 离心泵的特性曲线由制造厂附于产品样本中 是指导正确选择和操作离心泵的主要依据 特性曲线 25 26 3确定泵的安装高度 为保证泵安全操作 不发生汽蚀现象 必须保证 27 4 确定泵的台数和备用率 28 5 校核泵的轴功率 离心泵的轴功率N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Ne 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 29 6 确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量 7 选用电动机 参考书 周希章 周全等 如何正确选用电动机 机械工业出版社 2003年11月 30 第五节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 31 换热器 32 换热器 33 换热器 34 管壳式换热器选用中应注意的问题 1 壳程 管程的选择 35 36 2补偿的选择 筒壁与管壁温差在50 时 防止热效应导致的结构破坏 要进行热补偿 补偿圈 u形管 热塞补偿 浮头补偿 可采用u形膨胀节 37 3管程数 壳程数的选择 管程数 介质沿换热管长度方向往 返次数 管内流量较小时 可增加管程数达到理想流速 管程数分程数为 1 2 4 6 8 10 12 壳程数 介质在壳体内沿壳体轴向往返的次数 38 4管壳长径比的选择 管壳长径比在4 25之间 卧式管壳式换热器 6 10最常见 立式管壳式换热器 4 6为宜 稳定 39 5折流板的选择 40 5折流板的选择 切去弓形的高度一般为圆筒内直径的20 45 无相变时25 蒸发切去45 冷凝时50 折流板的间距不小于圆通内直径的五分之一 且不小于50mm 最大间距不大于圆筒内直径 间距过小 不便于制造及检修 阻力增大 过大 对传热不利 可参考表7 4 41 1 换热器设计的一般原则 1 基本要求满足工艺操作条件能长期运转安全可靠不泄漏维修清洗方便满足工艺要求的传热面积尽量有较高的传热效率流体阻力尽量小满足工艺布置的安装尺寸等要求 42 2传热系数K 选定k 再求传热面积A 在选用合适的换热器 计算出流体的给热系数 校核k值是否合适由初定k值 可参考工厂同类型设备的k值 或选用k值的经验数据 5折流板的选择 43 3传热面积 通常以对流传热系数较小的一侧的传热面积为基准 若两者相差不大 可选用平均面积 实际选用的面积比计算结果通常要大10 20 计算误差大或操作波动大 A有时增加30 44 4污垢热阻系数 污垢导致传热器能力急剧下降的主要因素在设计换热器时要慎重考虑流速和壁温的影响 从工艺上降低污垢系数 如改进水质 消除死区 增加流速 防止局部过热等 45 5传热壁温与定性温度 传热壁温是确定定性温度的依据 定性温度则是在传热计算中确定物性的依据 壁温过高 引起物料变质 过低 会使物料凝固 管子和壳体温差相差较大时 要根据最大的温差去考虑膨胀节 46 4 流速 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 参见常用流速范围 47 3 终端温差 48 2 管壳式换热器的设计和选用 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 是工厂中应用最广泛的换热设备 49 三 管壳式换热器的选用 标准换热器型式 固定管板式 浮头式 U形管式和填料函式 标准换热器型号的表示方法 DN P1 P2 A LN d Nt Ns 或 由三个字母组成 第一个字母表示前端管箱形式 第二个字母代表管壳形式 第三个字母代表后端结构形式 参见图例 图7 10 DN 公称直径 mm 对重沸器用分数表示 分子为管箱内直径 分母为圆筒内直径 P1 P2 管程 壳程设计压力 MPa 压力相等时 只写管程设计压力 MPa A 公称换热面积 m2 LN d LN为公称长度 m d为换热管外径 mm Nt Nt 管程 壳程数 单程时只写Nt I 或 I级 或 级 换热器 50 部件分类 51 三 管壳式换热器的型号表示 例1固定管板换热器 封头管箱 公称直径700mm 设计管程压力2 5MPa 壳程压力1 6Mpa 公称换热面积200m2 较高级冷拔换热管外径25mm 管长9m 4管程 单壳程 其型号为 BEM700 2 5 1 6 200 9 25 4 其他举例可参考教材p148 149 52 设计与选用方法 1 汇总设计数据 分析设计任务根据工艺衡算和工艺物料的要求 特性 获得物料流量 温度 压力和化学性质 物性参数 取得有关设备的负荷 流程中的地位与流程中其他设备的关系等数据 2 设计换热流程在换热设计时 应将换热的工艺流程仔细探讨 以利于充分利用热量 充分利用热源 3 选择换热器的材质根据介质的腐蚀性能和其他有关性能 按照操作压力 温度 材料规格和制造价格 综合选择 4 选择换热器类型根据热负荷和选用的换热器材料 选定某一种类型 5 确定换热器中冷热流体的流向据热载体的性质 换热任务和换热器的结构 决定采用并流 逆流或错流折流等 53 6 确定和计算平均温差 tm确定终端温差 根据化学工程有关公式 算出平均温差 7 计算热负荷Q 8 估计污垢热阻系数并初算出传热系数K 9 算出总传热面积A 10 调整温度差 再算一次传热面积 11 选用系列换热器 12 验算换热器的压力降 13 画出换热器设备草图 由设备机械设计人员完成换热器的详细部件设计 54 设计与选型的基本步骤 55 第六节贮罐容器的设计与选型 一 贮罐的类型1 根据形状来划分 方形贮罐 圆筒形罐 球形罐和特殊形贮罐 如椭圆形 半椭圆形 每种型式又按封头形式不同 分为若干种型式 常见的封头有平板 锥形 球形 碟形 椭圆形等 有些容器如气柜 浮顶式贮罐 其顶部 封头 是可以升降浮动的 2 按制造材质分 有钢 有色金属和非金属材质之分 3 按用途分 贮存 计量 回流 中间周转 缓冲 混合等 56 平底平盖贮罐 例如 立式平底平盖容器 设计压力为常压 公称容积VN0 06m3 公称直径DN400 标记为 R21A 00 1 57 平底锥盖贮罐 58 立式圆底圆盖贮罐 59 立式锥底椭圆盖贮罐 60 卧式椭圆封头贮罐 61 卧式椭圆封头贮罐 62 卧式无折边球形贮罐 63 贮罐设计的一般程序 1 汇集工艺设计数据2 选择容器材料3 容器型式的选用4 容积计算5 确定贮罐基本尺寸6 选择标准型号7 开口和支座8 绘制设备草图 条件图 标注尺寸 提出设计条件和订货要求 64 第七节塔设备的设计与选型 一 塔的分类1 板式塔诸如筛板塔 栅板塔 舌形板塔 斜孔板塔 波纹板塔 泡罩塔 浮阀塔 喷射板塔 穿流板塔 浮动喷射板塔等 65 浮阀塔 66 第七节塔设备的设计与选型 一 塔的分类2 填料塔如金属鲍尔环填料塔 波网填料塔 常用的填料有拉西环 鲍尔环 矩鞍型填料 阶梯型填料 波纹填料 波网 丝网 填料 螺旋环 十字环填料等 67 第七节塔设备的设计与选型 二 选用塔的基本原则1 要满足工艺要求 分离效率高 2 生产能力要大 有足够的操作弹性 3 运转可靠性高 操作 维修方便 少出故障 4 结构简单 易于制造加工 造价较低 5 塔压降小 68 第七节塔设备的设计与选型 三 设计一般步骤1 确定基础数据 进料量 组成 状态 产品的质量和收率 物性数据等 2 选择合适的工艺流程 3 选择塔设备的形式 4 确定塔的操作压力及温度 5 计算塔高塔径 6 塔结构的设计 7 塔的流体力学计算 69 第八节反应器选型设计 一 反应器分类 70 分类 71 釜式反应器 通用性很大 造价不高 用途最广 它可以连续操作 也可以间歇操作 国家已有K型和F型两类反应釜列成标准 K型是有上盖的釜 形状上偏于 矮胖型 长径比较小 F型没有上盖 形状则偏于 瘦长型 长径比较大 材质有碳钢 不锈钢 搪玻璃等几种 釜式反应器比较灵活通用 在间歇操作时 只要设计好搅拌 可以使釜温均一 浓度均匀 反应时间可以长 可以短 可以常压 加压 减压操作 范围较大 而且反应结束后 出料容易 釜的清洗方便 其机械设计亦十分成熟 釜式反应器可用于串联操作 使物料一端流入 另一端出料 形成连续流动 72 管式反应器 传热面积大 反应可以连续化 流体流动快 停留时间短 经过一定的控制手段 可以使管式反应器有一定的温度梯度和浓度梯度 管式反应器可以用于连续生产 也可以用于间歇操作 73 固定床反应器 主要应用于气固相反应 其结构简单 操作稳定 便于控制 易于实现连续化 床型可以是多种多样 易于大型化 它可以设计较大的传热面积 可以有较高的气体流速 传热和传质系数可以较高 加热的方式比较灵活 可以有较高的反应温度 但是 固定床反应器床层的温度分布不容易均匀 74 流化床反应器 流化床的特点是细的或粗的粒子在床内不是静止不动 而是在高速流体的作用下 床内固体粒子被扰动悬浮起来 剧烈运动 固体的运动形态 接近于可以流动的流体 故称流化床流化床反应器的最大优点是传热面积大 传热系数高 传热效果好 缺点由于流化床体系内物料返混严重 粒子磨损严重 此外 通常要有粒子回收和集尘的装置 床型和构件比较复杂 操作技术要求高以及造价较高等问题 75 反应器设计要点 在反应器设计时 除了通常说的要求 合理 先进 安全 经济 的原则 还要 考虑下列设计要点 1 保证物料转化率和反应时间 2 满足物料和反应的热传递要求 3 设计适当的搅拌器和类似作用的机构 4 注意材质选用和机械加工要求 76 釜式反应器的结构和设计 1 釜式反应器结构 1 釜体及封头 2 换热装置 3 搅拌器 4 轴密封装置 5 工艺接管 77 搪玻璃反应釜 78 搪玻璃反应釜 79 搪玻璃反应釜 80 搅拌器形状 81 搅拌器形状 82 釜式反应器的结构和设计 2 釜式反应器的选型设计步骤 1 确定反应釜操作方式 2 汇总设计基础数据 3 计算反应釜体积 4 确定反应釜体积和台数 5 反应釜直径和筒体高度 封头确定 6 传热面积计算和核校 7 搅拌器设计 8 管口和开孔设计 确定其它设施 9 轴密封装置 10 画出反应器工艺设计草图 条件图 或选出型号 83 经验法计算反应器体积 1 间歇槽式反应器体积的计算VR V0 或VR G VR 反应器的有效体积 m3 V0 平均每小时加入物料的体积 m3 h 每批操作所需的时间 h G 平均每小时加入物料的质量 kg h 反应物料的密度 kg m3 84 经验法计算反应器体积 反应器的体积 VP VR 式中 VP 反应器体积 m3 一装填系数 通常由经验确定 一般采用0 7 0 75 85 经验法计算反应器体积 例1设计年产量为720吨的醋酸丁酯车间 计算所需反应器的体积 已知条件 1 年工作天数 300天 2 反应物料的配比醋酸 1kg 丁醇4 972kg 3 醋酸转化率为50 4 反应时间为34 5分 5 生产辅助时间为30分 加料 卸料 清洗等 6 反应物的密度不变 0 75kg 升 86 反应器体积计算过程 反应器体积计算如下 1 每小时产量三班制生产720X1000 300X24 100 kg 2 每批生产时间34 5 30 64 5 分 1 08 小时 3 每批生产的醋酸丁酯的量100X1 08 108 kg 批 4 醋酸和丁醇每批加料量CH3COOH C4H9OH CH3COOC4H9 H2O6074116X kg Y kg 108 kg 87 反应器体积计算过程 X 108X60 116 55 9 kg Y 108X74 116 68 9 kg 因醋酸转化率为50 实际上加醋酸55 9 0 5 111 8 kg 丁醇实际加入量为 111 8X4 972 684 kg 每批加料量为 111 8 684 795 8 kg 5 反应混合物体积795 8 0 75 1061升 88 反应器体积计算过程 6 反应器体积设装料系数取75 则1061 0 75 1420 L 7 查有关化工手册 表3 15 选1500L 89 第九节液固分离设备的选型 一 液固分离的主要方法1 浮选 2 重力沉降 3 离心沉降 4 过滤 二 主要分离设备1 离心机 2 过滤机 90 第九节液固分离设备的选型 三 分离设备的选择1 过滤式离心机的选型原则 2 沉降式离心机的选型原则 3 过滤机的选型