第四章设备的工艺设计及化工设备图

1、第四章第四章 设备的工艺设计及化工设备图设备的工艺设计及化工设备图 主要内容主要内容: 化工设备选用及工艺设计的一般原则化工设备选用及工艺设计的一般原则 化工设备的选用方法化工设备的选用方法 非定型设备设计的主要程序非定型设备设计的主要程序 化工设备图的绘制化工设备图的绘制 第一节第一节 化工设备选用及工艺设计的一般原则化工设备选用及工艺设计的一般原则 从化学工程与工艺角度出发，化工设备一般包括物从化学工程与工艺角度出发，化工设备一般包括物 料输送及加工设备、换热设备、分离设备、反应设备及料输送及加工设备、换热设备、分离设备、反应设备及 储罐；从化工设计角度出发化工设备一般分为定型设备储罐；从

2、化工设计角度出发化工设备一般分为定型设备 和非定型设备两类。和非定型设备两类。 第一类、定型设备：是成批系列生产的设备，可直接购第一类、定型设备：是成批系列生产的设备，可直接购 买。买。 定型设备有产品目录或手册样本，有各种型号，有定型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。并选择某种型号，以便订货。 化工设备的工艺设计和选择是化工设计的重要组成部化工设备的工艺设计和选择是化工设计的重要组成部 分，大致包括以下内容：分，大致包括以下内容： 1、结合工艺流程设计确定单元操

3、作所用设备的类型。如、结合工艺流程设计确定单元操作所用设备的类型。如 液、固分离采用过滤机还是离心机；气、固催化反应采液、固分离采用过滤机还是离心机；气、固催化反应采 用固定床还是流化床。用固定床还是流化床。 2、根据操作条件（、根据操作条件（T、P、介质性质）和对设备的工艺要、介质性质）和对设备的工艺要 求确定设备的材质。求确定设备的材质。 第二类、非定型设备：需专门设计的设备。第二类、非定型设备：需专门设计的设备。 根据工艺要求，通过工艺计算，提出型式、材料、根据工艺要求，通过工艺计算，提出型式、材料、 尺寸及其他要求，再由化工设备专业技术人员进行机械设尺寸及其他要求，再由化工设备专业技术

4、人员进行机械设 计，由有关工厂制造。计，由有关工厂制造。 3、通过工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、设备的、通过工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、设备的 工艺计算确定设备的设计参数。工艺计算确定设备的设计参数。 4、据设计参数确定定型设备的型号和台数。、据设计参数确定定型设备的型号和台数。 5、对非标准设备应向设备专业技术人员提出设计条件、对非标准设备应向设备专业技术人员提出设计条件 和设备草图，由他们进行机械设计，再由有关厂家进和设备草图，由他们进行机械设计，再由有关厂家进 行制造。行制造。 6、编制工艺设备一览表、编制工艺设备一览表 设备选型原则：设备选型原则： 1 1、合理性：即设备必须

5、满足工艺要求，设备与工艺、合理性：即设备必须满足工艺要求，设备与工艺 流程、生产规模、工艺操作条件、工艺控制水平相适流程、生产规模、工艺操作条件、工艺控制水平相适 应，又能充分发挥设备的生产能力。应，又能充分发挥设备的生产能力。 2、先进性：运转可靠、自控水平、生产能力、转化率、先进性：运转可靠、自控水平、生产能力、转化率、 收率、效率要尽可能达到先进水平。收率、效率要尽可能达到先进水平。 3、安全性：要求安全可靠、操作稳定、弹性好、无事、安全性：要求安全可靠、操作稳定、弹性好、无事 故隐患。工人操作时劳动强度小，尽量避免高温高压故隐患。工人操作时劳动强度小，尽量避免高温高压 高空作业，尽量不

6、用有毒有害的设备附件附料。高空作业，尽量不用有毒有害的设备附件附料。 4 4、经济性：设备投资省，易于加工、维修、更新，运、经济性：设备投资省，易于加工、维修、更新，运 行费用少。引进先进设备应考察设备的性能是否符合行费用少。引进先进设备应考察设备的性能是否符合 国情，避免盲目性。国情，避免盲目性。 5 5、系统性：化工过程是一个完整的系统，设备设计时、系统性：化工过程是一个完整的系统，设备设计时 不能仅关注单一设备，要通盘考虑，保留适当余量。不能仅关注单一设备，要通盘考虑，保留适当余量。 思考题思考题 1、定型设备和非定型设备的设计方法。、定型设备和非定型设备的设计方法。 2、化工设备的工艺

7、设计和选择包括哪些内容、化工设备的工艺设计和选择包括哪些内容? 3、设备选型和工艺设计的原则有那些、设备选型和工艺设计的原则有那些? 第二节第二节 化工设备设计及选用化工设备设计及选用 （一）泵的分类（一）泵的分类 旋涡泵旋涡泵 多级泵多级泵 管道泵管道泵 液下泵液下泵 齿轮泵齿轮泵 屏蔽泵屏蔽泵 1 1、据结构分类：、据结构分类： 离心泵：离心泵： 在输送温度下介质粘度不宜过大；在输送温度下介质粘度不宜过大； 流量小、扬程高的不宜选用一般离心泵，可选多级泵。流量小、扬程高的不宜选用一般离心泵，可选多级泵。 介质中溶解或夹带气体量大于介质中溶解或夹带气体量大于5%5%时时不宜选用离心泵；不宜选

8、用离心泵； 介质中含有固体颗粒在介质中含有固体颗粒在3%3%以下的，可选用一般离心泵，以下的，可选用一般离心泵， 超过超过3%时要选特殊结构的离心泵。时要选特殊结构的离心泵。 旋涡泵：旋涡泵： 适用于流量较小、扬程高、黏度不大的液体，或介质适用于流量较小、扬程高、黏度不大的液体，或介质 中夹带气体大于中夹带气体大于5%的液体。的液体。 容积式泵：容积式泵： 夹带或溶解气体大于夹带或溶解气体大于5%时，可选用容积式泵；流量时，可选用容积式泵；流量 较小、扬程高的宜选用往复泵。较小、扬程高的宜选用往复泵。 表表4-1 泵的特性泵的特性 指标 叶片式容积式 离心式轴流式旋涡式活塞式回旋式 液体排出状

9、 态 流率均匀有脉冲流率均匀 液体品质均一液体（ 或含固体的 液体） 均一液体均一液体均一液体均一液体 允许吸入真 空度，m 482.574545 扬程范围大,10 600m(多级) 低,220m较高，单级 可达100m以 上 范围大，排出压力高，为 0.29458.8MPa 体积流量 m3/h 范围大,5 30000 较大,大约 60000 较小,0.4 20 范围较大,1600 流量与扬程 关系 流量减小， 扬程增大； 反之流量增 大，扬程减 低 同离心式 同离心式, 但增率和减 率较大（即 曲线较陡） 流量增减排出压力不变， 压力增减，流量近似为定 值 构造特点 转速高，体积小，运 转平

10、稳。基础小，设 备维修较易 与离心式 基本相同 ，但叶轮 较离心式 的叶片简 单，制造 成本低 转速低， 排液量小 ，设备外 形庞大， 基础大. 同离心式 体积 流量与轴 功率关系 流量减少 ，轴功率 减少 流量减少 ，轴功率 增加 流量减少 ，轴功率 增加 当排出压 力定值时 ，流量减 少，轴功 率减少 同活塞式 2、据用途分类、据用途分类 清水泵：清水泵：应用最广的离心泵，用来输送各种工业用水应用最广的离心泵，用来输送各种工业用水 及物、化性质类似于水的其它液体。及物、化性质类似于水的其它液体。 油泵：油泵：输送石油产品的泵，油易燃易爆，要求有良好输送石油产品的泵，油易燃易爆，要求有良好

11、的密封性。的密封性。 耐腐蚀泵：耐腐蚀泵：与腐蚀性介质接触的部件用耐腐蚀材料制与腐蚀性介质接触的部件用耐腐蚀材料制 造。造。 液下泵：液下泵：安装在液体贮槽内安装在液体贮槽内,对轴封要求不高。常用于对轴封要求不高。常用于 输送各种腐蚀性液体。输送各种腐蚀性液体。 屏蔽泵：屏蔽泵：是一种无泄露泵，其叶轮和电机连为一体是一种无泄露泵，其叶轮和电机连为一体 密封在同一泵壳内，用来输送易燃易爆及有毒液体。密封在同一泵壳内，用来输送易燃易爆及有毒液体。 隔膜泵：隔膜泵：借弹性薄膜将活柱与被输送液体隔开，用借弹性薄膜将活柱与被输送液体隔开，用 于输送腐蚀性液体。于输送腐蚀性液体。 计量泵：计量泵：用来输送

12、流量恒定的液体或按比例输送几用来输送流量恒定的液体或按比例输送几 种液体，用于要求输液量十分准确又便于调节的场合。种液体，用于要求输液量十分准确又便于调节的场合。 齿轮泵：齿轮泵：泵壳中有一对相互啮合的齿轮，齿轮旋转泵壳中有一对相互啮合的齿轮，齿轮旋转 时液体被强行压出，多用来输送粘稠液体。时液体被强行压出，多用来输送粘稠液体。 确定泵型时应注意确定泵型时应注意: 1) 输送易燃、易爆、易挥发、贵重液体、有毒介质时输送易燃、易爆、易挥发、贵重液体、有毒介质时要要 求密封性可靠，求密封性可靠，应选无轴封不泄漏的磁力驱动泵或屏蔽应选无轴封不泄漏的磁力驱动泵或屏蔽 泵。泵。 2) 输送腐蚀性介质时应

13、选耐腐蚀泵输送腐蚀性介质时应选耐腐蚀泵 化工设备的破坏约有化工设备的破坏约有60%是由于腐蚀引起的，因此是由于腐蚀引起的，因此 在化工泵选型时首先要注意选材的科学性。在化工泵选型时首先要注意选材的科学性。 （二）泵的选用与设计程序（二）泵的选用与设计程序 1 1、确定泵型、确定泵型 硫酸：硫酸：氟塑料具有较好的耐硫酸性能，采用衬氟泵是氟塑料具有较好的耐硫酸性能，采用衬氟泵是 一种最为经济的选择。一种最为经济的选择。 盐酸：盐酸：内衬橡胶泵和塑料泵（如聚丙烯、氟塑料等）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。是输送盐酸的最好选择。 硝酸：硝酸：不锈钢是应用最广的耐硝酸材料

14、，对常温下一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。采用钛及钛合金材料。 醋酸醋酸 ：不锈钢是优良的耐醋酸材料，高温高浓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。钢或氟塑料泵。 氨：氨：只有铜和铜合金不宜使用。只有铜和铜合金不宜使用。 碱（氢氧化钠）碱（氢氧化钠） ：钢铁广泛应用于：钢铁广泛应用于80以下、以下、30%浓浓 度内的氢氧化钠溶液，其他情况也有采用，虽

15、然腐蚀增度内的氢氧化钠溶液，其他情况也有采用，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。高合金不锈钢。 盐水（海水盐水（海水) ：普通钢铁在氯化钠溶液和海水水中腐普通钢铁在氯化钠溶液和海水水中腐 蚀率不高，一般须采用涂料保护蚀率不高，一般须采用涂料保护 ;各类不锈钢具有很低各类不锈钢具有很低 的均匀腐蚀率，通常采用的均匀腐蚀率，通常采用316不锈钢。不锈钢。 醇、酮、酯、醚类：醇、酮、酯、醚类：基本没有腐蚀性，常用材料均可基本没有腐蚀性，常用材料均可 适用。酮、酯、醚对多种橡胶有溶解性，在选择密封材适用。酮、酯、

16、醚对多种橡胶有溶解性，在选择密封材 料时避免出错。料时避免出错。 输送易汽化的液体应选低温泵。输送易汽化的液体应选低温泵。 易汽化液体指沸点低的液体，如液态烃、液化天易汽化液体指沸点低的液体，如液态烃、液化天 然气、液态氧、液态氢等，这些介质的温度通常在然气、液态氧、液态氢等，这些介质的温度通常在 -30 -160，易汽化液体的特点如下：易汽化液体的特点如下： 泵入口压力高，易汽化液体在常温、常压下为气态泵入口压力高，易汽化液体在常温、常压下为气态 ，只有在一定压力和低温下为液态，故入口压力较，只有在一定压力和低温下为液态，故入口压力较 高。高。 汽化压力随温度变化显著，一般当温度变化汽化压力

17、随温度变化显著，一般当温度变化25%时时 ，气体压力可变化，气体压力可变化100-200%。 对泵轴封要求高，大部分此类液体有腐蚀性和危险对泵轴封要求高，大部分此类液体有腐蚀性和危险 性，不允许泄露；故对密封要求很严。性，不允许泄露；故对密封要求很严。 4) 当要求精确进料时，应选用计量泵或柱塞泵。当要求精确进料时，应选用计量泵或柱塞泵。 5) 流量大，扬程不高时，可选单级离心泵；流量不大，流量大，扬程不高时，可选单级离心泵；流量不大， 扬程高时，宜选往复泵或多级离心泵。扬程高时，宜选往复泵或多级离心泵。 2 2、 确定泵的流量和扬程确定泵的流量和扬程 流量的确定和计算：流量的确定和计算： 选

18、泵时应以最大流量为基础，如果数据是正常流量，选泵时应以最大流量为基础，如果数据是正常流量， 则应乘则应乘1.11.11.21.2的安全系数的安全系数 扬程的确定：扬程的确定： 泵的扬程近似为泵出口和入口的压力差。先算出泵的扬程近似为泵出口和入口的压力差。先算出 所需的扬程，一般放大所需的扬程，一般放大5 10% 。 3、确定泵的安装高度、确定泵的安装高度 为避免水泵打不上液体，泵的安装高度应比计算为避免水泵打不上液体，泵的安装高度应比计算 出来的允许吸上高度低出来的允许吸上高度低0.51m。 4、确定泵的台数和备用台数：、确定泵的台数和备用台数： 一般情况下只设一台泵，一些重要岗位的泵、高一般

19、情况下只设一台泵，一些重要岗位的泵、高 温操作或其他苛刻条件下使用的泵应设备用泵。温操作或其他苛刻条件下使用的泵应设备用泵。 5、校核泵的轴功率：、校核泵的轴功率： 离心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。泵样是指电机输入到泵轴的功率。泵样 本上给定的功率是用水测得的，当输送密度与水相差较本上给定的功率是用水测得的，当输送密度与水相差较 大的液体时，需用以下公式校正轴功率：大的液体时，需用以下公式校正轴功率： 6、确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量。、确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量。 7、选用电动机：依据是轴功率。、选用电动机：依据是轴功率。 8、填写泵的规格表。、填写泵的规格表。 1

20、02 QH N 思考题：思考题： 1、简述泵的选用与设计程序。、简述泵的选用与设计程序。 2、据结构分类泵可分为哪些类型？各用于什么情况？、据结构分类泵可分为哪些类型？各用于什么情况？ 3、据用途分类泵可分为哪些类型？各用于什么情况？、据用途分类泵可分为哪些类型？各用于什么情况？ 4、输送不同的腐蚀性介质应选择什么材料的泵、输送不同的腐蚀性介质应选择什么材料的泵? 5、简述泵的设计程序。、简述泵的设计程序。 6、确定泵的流量、扬程、安装高度时应注意那些问题？、确定泵的流量、扬程、安装高度时应注意那些问题？ 二、换热设备的设计与选用二、换热设备的设计与选用 （一）换热器的分类及（一）换热器的分类

21、及结构特点结构特点 1、按换热器作用原理分类、按换热器作用原理分类 （1）直接接触式换热器）直接接触式换热器 换热时冷热流体发生接触和混合。如凉水塔、喷射换热时冷热流体发生接触和混合。如凉水塔、喷射 冷凝器。冷凝器。 （2）间壁式换热器：）间壁式换热器： 传热时冷热流体由固体壁面隔开，流体不发生接触传热时冷热流体由固体壁面隔开，流体不发生接触 和混合，是应用最广的换热器。如管壳式换热器、板式和混合，是应用最广的换热器。如管壳式换热器、板式 换热器。换热器。 （3）蓄热式换热器：）蓄热式换热器： 将两种温度不同的流体轮流通过同一种固体填料表将两种温度不同的流体轮流通过同一种固体填料表 面，使填料

22、相应的被加热和被冷却。面，使填料相应的被加热和被冷却。 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 冷热流体通过管子壁面进行传热。如：管壳式、套管冷热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。式、蛇管式换热器。 （2）板式换热器）板式换热器 冷热流体通过板面进行传热。如：平板式、螺旋板式冷热流体通过板面进行传热。如：平板式、螺旋板式 、板翅式换热器、板翅式换热器 换热器的结构特点换热器的结构特点 1管壳式换热器管壳式换热器 优点优点:能承受高温高压，在有限的空间内可安置较大的能承受高温高压，在有限的空间内可安置较大的 传热面，适用于流体

23、的处理量大及需要较大传热面积的场传热面，适用于流体的处理量大及需要较大传热面积的场 合合. 缺点缺点:换热效率较小，单位传热面积所需的金属量大。换热效率较小，单位传热面积所需的金属量大。 2. 夹套式换热器夹套式换热器 广泛用于反应物料的加热或冷却广泛用于反应物料的加热或冷却 优点优点:构造简单，缺点构造简单，缺点:传热面积及传热系数小，一般加传热面积及传热系数小，一般加 搅拌来提高传热系数。搅拌来提高传热系数。 3. 管式换热器管式换热器 有蛇管式和套管式。有蛇管式和套管式。 优点优点:结构简单，制造方便；缺点结构简单，制造方便；缺点:可拆连接处容易造成可拆连接处容易造成 泄漏；单位传热面所

24、需的金属量与外廓尺寸均比其他换热泄漏；单位传热面所需的金属量与外廓尺寸均比其他换热 器要大；清洗检修比较麻烦。器要大；清洗检修比较麻烦。 4板式换热器板式换热器 由许多板片平行组合而成，板片表面具有波纹或沟槽，由许多板片平行组合而成，板片表面具有波纹或沟槽， 其作用是增加有效传热面，提高刚性和强度，促进湍流。优其作用是增加有效传热面，提高刚性和强度，促进湍流。优 点点:结构紧凑，检修清理方便；缺点：板片难以压紧故操作结构紧凑，检修清理方便；缺点：板片难以压紧故操作 压力不能高；受密封材料的限制，操作温度也不宜太高压力不能高；受密封材料的限制，操作温度也不宜太高. 热流体热流体 进口进口 热流体

25、热流体 出口出口 冷流体冷流体 出口出口 冷流体冷流体 进口进口 5螺旋板式换热器螺旋板式换热器 由两张平行的薄钢板卷制而成，构成互相隔开的螺旋由两张平行的薄钢板卷制而成，构成互相隔开的螺旋 形通道，冷、热流体以螺旋板为传热面进行热量传递。形通道，冷、热流体以螺旋板为传热面进行热量传递。 优点优点:结构紧凑，换热效率高。缺点结构紧凑，换热效率高。缺点:不易检修，操作压不易检修，操作压 力和温度不能太高。力和温度不能太高。 (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

26、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 （二）管壳式换热器设计的一般原则（二）管壳式换热器设计的一般原则 腐蚀性介质腐蚀性介质 降低对外壳材质的要求降低对外壳材质的要求 有毒性介质有毒性介质 泄漏几率小泄漏几率小 易结垢的介质易结垢的介质 便于清洗便于清洗 压力高的介质压力高的介质 减小对壳体机械强度的要求减小对壳体机械强度的要求 温度高的介质温度高的介质 可改变管子材质，满足介质要求可改变管子材质，满足介质要求 粘度大粘度大 可加折流板提高传热系数可加折流板提高传热系数 流量小流量小 可加折流

27、板提高传热系数可加折流板提高传热系数 雷诺数小雷诺数小 阻力小，阻力小，p下降下降 饱和蒸汽饱和蒸汽 便于排出凝液便于排出凝液 被冷却物料被冷却物料 便于散热便于散热 管程管程 壳程壳程 （2）介质流程）介质流程: （以固定管板式换热器为例）（以固定管板式换热器为例） 何种介质走何种介质走 管程管程,何种介质走壳程何种介质走壳程,可按下列情况确定：可按下列情况确定： （3 3）终端温差）终端温差 换热器的终端温差通常由工艺过程的需要而定。换热器的终端温差通常由工艺过程的需要而定。 一般认为范围如下：一般认为范围如下： a a、换热器的高温端温差应大于、换热器的高温端温差应大于2020以上；以上

28、； b b、用水或其他冷却介质冷却时，低温端温差可以小一些，、用水或其他冷却介质冷却时，低温端温差可以小一些， 但不要低于但不要低于55； c c、当用冷却剂冷凝工艺流体时，冷却剂的进口温度应高、当用冷却剂冷凝工艺流体时，冷却剂的进口温度应高 于工艺流体中易结冰组分的冰点于工艺流体中易结冰组分的冰点55以上；以上； d d、冷凝含有惰性气体的物料时，冷却剂出口温度至少比、冷凝含有惰性气体的物料时，冷却剂出口温度至少比 工艺物料的露点低工艺物料的露点低55。 （4 4）流速）流速 在换热器内，一般希望采用较高的流速，这样可以提在换热器内，一般希望采用较高的流速，这样可以提 高传热效率，有利于冲涮

29、污垢和沉积。但流速过大，磨损高传热效率，有利于冲涮污垢和沉积。但流速过大，磨损 严重，影响操作和使用寿命，能量消耗增加。因此，须选严重，影响操作和使用寿命，能量消耗增加。因此，须选 择适宜的流速。择适宜的流速。 流体种类流体种类管程流速管程流速(m/s) 壳程流速壳程流速(m/s) 一般液体一般液体 易结垢液体易结垢液体 气体气体 0.5-3 1 5-30 0.2-1.5 0.5 3-15 （5）压力降）压力降 一般随操作压力不同而有一个大致的范围。压力降的一般随操作压力不同而有一个大致的范围。压力降的 影响因素很多，但通常希望换热器的压力降在以下参数范影响因素很多，但通常希望换热器的压力降在

30、以下参数范 围内或附近。围内或附近。 操作压力操作压力p/MPa压力降压力降 MPa操作压力操作压力 p/MPa 压力降压力降MPa 00.1(绝压）绝压） 0-0.07（表压）（表压） 0.07-1.0（表压）（表压） =p/10 =p/2 =0.035 1.03.0 3.08.0 =0.035-0.18 =0.07-0.25 p p （6）管子尺寸及排列）管子尺寸及排列 A、管径：、管径：为满足压降要求，一般选用为满足压降要求，一般选用19mm以上的管子；以上的管子； 对易结垢的物料，为方便清洗宜选用对易结垢的物料，为方便清洗宜选用25mm以上的管子；以上的管子； 对有气液两相物流的情况一

31、般选用大直径（如对有气液两相物流的情况一般选用大直径（如32mm）的）的 管子；对于直接火焰加热的情况多采用管子；对于直接火焰加热的情况多采用76mm的管子。的管子。 B、管长：、管长：无相变的换热器一般选无相变的换热器一般选26m的长管。的长管。 C、管子的排列和管心距：、管子的排列和管心距：三角形排列有利于壳程物流的三角形排列有利于壳程物流的 湍流，正方形排列有利于壳程的清洗。管心距一般选管外湍流，正方形排列有利于壳程的清洗。管心距一般选管外 径的径的1.251.5倍。倍。 （7) )传热系数：传热系数：传热面两侧的传热膜系数传热面两侧的传热膜系数1 1和和2 2相差很相差很 大时，大时，

32、值较小的一侧是控制传热效果的主要因素，值较小的一侧是控制传热效果的主要因素， 应设法增大该侧的传热膜系数。计算传热面积时常以应设法增大该侧的传热膜系数。计算传热面积时常以 小的一侧为准。小的一侧为准。 增加增加的方法是：的方法是： a a、缩小通道截面积，以增大流速；、缩小通道截面积，以增大流速； b b、增设挡板或促进产生湍流的插入物；、增设挡板或促进产生湍流的插入物； c c、管壁上加翅片，可提高湍流程度且增大传热面积；、管壁上加翅片，可提高湍流程度且增大传热面积； d d、糙化传热表面，对于冷凝、沸腾等有相变的传热过、糙化传热表面，对于冷凝、沸腾等有相变的传热过 程，用沟槽或多孔表面可获

33、得大的膜系数。程，用沟槽或多孔表面可获得大的膜系数。 （三）管壳式换热器设计与选用方法（三）管壳式换热器设计与选用方法： 1、汇总设计数据、分析设计任务、汇总设计数据、分析设计任务 根据物料衡算和物料的特性，获得物料流量、温度、根据物料衡算和物料的特性，获得物料流量、温度、 压力和物性参数，取得有关设备的负荷等数据。压力和物性参数，取得有关设备的负荷等数据。 2、设计换热流程、设计换热流程 确定哪种流体走管内，哪种走管外，以利于充分利用确定哪种流体走管内，哪种走管外，以利于充分利用 热量和热源。热量和热源。 3、选择换热器的材质、选择换热器的材质 根据介质的腐蚀性和其它有关性能，按照操作压力、

34、根据介质的腐蚀性和其它有关性能，按照操作压力、 温度、材料规格和制造价格，合理选择。温度、材料规格和制造价格，合理选择。 12 1 2 ln m tt t t t 4、选择换热器的类型、选择换热器的类型 5、确定换热器中冷热流体的流向、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。用并流、逆流或错流、折流等。 6、确定和计算平均温差、确定和计算平均温差tm 在无相变的逆流或并流换热器或一侧为恒温的其他流在无相变的逆流或并流换热器或一侧为恒温的其他流 向的换热器中，其平均温差等于对数平均温度差

35、。向的换热器中，其平均温差等于对数平均温度差。 8、估计污垢热阻系数并初算传热系数、估计污垢热阻系数并初算传热系数K 流体的给热膜系数流体的给热膜系数可用可用准数方程计算，可用可用准数方程计算，K的计算：的计算： 以圆管外表面积以圆管外表面积A2为基准时：为基准时： 222 12 21112 1111 m dddb RR KKddd 111 21 12221 1111 m dddb RR KKddd 以圆管内表面积以圆管内表面积A1为基准时：为基准时： 7、计算热负荷、计算热负荷Q A、流体无相变时：、流体无相变时：Q=wCp(t2-t1) B、流体发生相变时：、流体发生相变时：Q=w H 1

36、010、选用系列换热器、选用系列换热器 取取1025%1025%的安全系数，确定换热面积的安全系数，确定换热面积A A。选择换。选择换 热器并确定台数。热器并确定台数。 1212、验算压力降、验算压力降 若压降不在工艺允许的范围内应重选换热器。若压降不在工艺允许的范围内应重选换热器。 1313、对非定型设备、对非定型设备，画出换热器设备草图，再由设备机，画出换热器设备草图，再由设备机 械设计人员完成换热器的详细设计。械设计人员完成换热器的详细设计。 9、算出传热面积、算出传热面积 A m Q A K t 思考题思考题 1、.常用的换热器有那些结构形式常用的换热器有那些结构形式?各有什么特点各有

37、什么特点? 2、.管壳式换热器设计的一般原则有哪些管壳式换热器设计的一般原则有哪些? 3、.在确定列管式换热器介质流程时应注意哪些问题在确定列管式换热器介质流程时应注意哪些问题? 4、选择管子直径时应考虑那些因素？、选择管子直径时应考虑那些因素？ 5、增大换热器传热膜系数的方法有那些？、增大换热器传热膜系数的方法有那些？ 6、简述管壳式换热器的设计和选用的步骤、简述管壳式换热器的设计和选用的步骤. 三、储罐的选型和设计三、储罐的选型和设计 ( (一一) ) 储罐的标准系列储罐的标准系列 用于储存气体、液体的容积设备，国内已形成了标准系用于储存气体、液体的容积设备，国内已形成了标准系 列，这些标

38、准系列包括：列，这些标准系列包括： （1）钢制立式圆筒形固定顶储罐系列）钢制立式圆筒形固定顶储罐系列HG-21502.1-92。 （2）钢制立式圆筒形内浮顶储罐系列）钢制立式圆筒形内浮顶储罐系列HG-21502.2-92。 （3）玻璃钢储罐标准系列）玻璃钢储罐标准系列HG-21504.1-92。 （4）拼装式玻璃钢储罐标准系列）拼装式玻璃钢储罐标准系列HG-21504.2-92。 （5）钢制低压湿式气柜）钢制低压湿式气柜HG-20517-92。 （二）设计贮罐的一般程序（二）设计贮罐的一般程序 储罐可分为：计量、回流、中间周转、缓冲、混合等工储罐可分为：计量、回流、中间周转、缓冲、混合等工 艺

39、容器。按工艺生产使用目的不同进行选择。艺容器。按工艺生产使用目的不同进行选择。 (1)汇集工艺设计数据汇集工艺设计数据 包括贮存物料的温度、压力，最大使用压力、最高、包括贮存物料的温度、压力，最大使用压力、最高、 最低使用温度，腐蚀性、毒性、蒸汽压、进出物料量等。最低使用温度，腐蚀性、毒性、蒸汽压、进出物料量等。 (2) 选择容器材料选择容器材料 对有腐蚀性的物料可选用不锈钢等金属材料，在温度对有腐蚀性的物料可选用不锈钢等金属材料，在温度 压力允许时可用非金属贮罐、搪瓷容器或由钢制压力容压力允许时可用非金属贮罐、搪瓷容器或由钢制压力容 器衬胶、搪瓷、衬聚四氟乙烯等。器衬胶、搪瓷、衬聚四氟乙烯等

40、。 (3) 贮罐型式的选用贮罐型式的选用 我国已有许多化工贮罐实现了系列化和标准化。在贮我国已有许多化工贮罐实现了系列化和标准化。在贮 罐型式选用时，应尽量选择已经标准化的产品。罐型式选用时，应尽量选择已经标准化的产品。 (4) 容积确定容积确定 容积计算是贮罐工艺设计和尺寸设计的核心，它随容容积计算是贮罐工艺设计和尺寸设计的核心，它随容 器的用途不同进行选择。器的用途不同进行选择。 单纯用于贮存原料和成品的储罐单纯用于贮存原料和成品的储罐 全厂性原料库房贮存一般要有一个月的储存量；全厂性原料库房贮存一般要有一个月的储存量； 车间性贮存一般要有半个月的储存量；车间性贮存一般要有半个月的储存量；

41、 液体产品至少有一个星期的储存量；液体产品至少有一个星期的储存量； 待包装最多考虑半个月的储存量；待包装最多考虑半个月的储存量； 储罐的装载系数通常达储罐的装载系数通常达80。 中间储罐：中间储罐： 中间储罐的设置是考虑生产中前面某一工序临时停中间储罐的设置是考虑生产中前面某一工序临时停 车仍能维持后面工段的正常生产。车仍能维持后面工段的正常生产。 对连续化生产可储存几个小时至几天的用量；对连续化生产可储存几个小时至几天的用量； 对间歇生产至少应考虑储存一个班的用量。对间歇生产至少应考虑储存一个班的用量。 计量罐：计量罐： 容积按最少容积按最少1015min，多则，多则2小时的产量（或原料小时

42、的产量（或原料 量）储存，其装载系数为量）储存，其装载系数为6070。 回流罐：回流罐： 回流罐一般考虑回流罐一般考虑510min左右的液体保有量做冷凝左右的液体保有量做冷凝 器的液封之用。器的液封之用。 缓冲罐：缓冲罐： 缓冲罐的作用是使气体有一定量的积累，保持压力缓冲罐的作用是使气体有一定量的积累，保持压力 稳定，从而保证工艺流程中流量稳定。其容量通常为下稳定，从而保证工艺流程中流量稳定。其容量通常为下 游设备游设备5-10min的用量。的用量。 气柜：一般可设计储存两天或略多时间的产量。气柜：一般可设计储存两天或略多时间的产量。 （5）确定储罐的台数和基本尺寸）确定储罐的台数和基本尺寸

43、先确定储罐的适宜体积，需储存物料的总体积除以先确定储罐的适宜体积，需储存物料的总体积除以 储罐的适宜体积就是所需的台数；再根据物料密度，卧储罐的适宜体积就是所需的台数；再根据物料密度，卧 式或立式的基本要求，安装场地大小确定储罐的大体直式或立式的基本要求，安装场地大小确定储罐的大体直 径，选择国家规定的筒体与封头，防止偏长或偏圆。径，选择国家规定的筒体与封头，防止偏长或偏圆。 （6）选择标准型号）选择标准型号 据初步确定的贮罐直径、长度和容积及工作温度、据初步确定的贮罐直径、长度和容积及工作温度、 工作压力、介质的腐蚀性等条件尽量在手册中查出符合工作压力、介质的腐蚀性等条件尽量在手册中查出符合

44、 要求的型号。若查不到相符的规格，也应从中选择一个要求的型号。若查不到相符的规格，也应从中选择一个 相近的规格，对尺寸、管口作一些调整后使用。相近的规格，对尺寸、管口作一些调整后使用。 （7）核对标准系列储罐的管口和支座）核对标准系列储罐的管口和支座 选择标准图纸后要设计并校对设备的管口，如果标准选择标准图纸后要设计并校对设备的管口，如果标准 图纸的管口方位不符合工艺要求，应利用标准系列型号在图纸的管口方位不符合工艺要求，应利用标准系列型号在 订货时加以说明并附有管口方位图。订货时加以说明并附有管口方位图。 （8）设计非标准设备）设计非标准设备 若在标准系列中没有符合要求的设备，可提出设备的若

45、在标准系列中没有符合要求的设备，可提出设备的 设计条件，绘制设备草图，标注尺寸，由设备专业人员设设计条件，绘制设备草图，标注尺寸，由设备专业人员设 计非标准设备。计非标准设备。 思考题：思考题： 1、简述设计贮罐的一般程序、简述设计贮罐的一般程序 2、常用、常用贮罐有那些种类？贮罐有那些种类？ 3、确定贮罐容积时需考虑哪些问题、确定贮罐容积时需考虑哪些问题? 四、塔器选型与设计四、塔器选型与设计 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、医药等行业中的物理、化学吸收、，主要应用于化工、医药等行业中的物理、化学吸收、 精馏、萃取等

46、工段。精馏、萃取等工段。 塔的类型：塔的类型： 按接触方式可类可分为：按接触方式可类可分为： 连续接触式（填料塔）连续接触式（填料塔） 逐级接触式（板式塔）两大类。逐级接触式（板式塔）两大类。 填料塔填料塔 塔内装填一定高度的填料，液体经塔内装填一定高度的填料，液体经 塔顶喷淋而下；气体自下而上由塔顶排塔顶喷淋而下；气体自下而上由塔顶排 出。气液在填料表面接触进行质、热交出。气液在填料表面接触进行质、热交 换，两相的组成沿塔高连续变化。换，两相的组成沿塔高连续变化。 溶剂 填料塔 气体 散装填料散装填料 塑料鲍尔环填料塑料鲍尔环填料 规整填料规整填料 塑料丝网波纹填料塑料丝网波纹填料 板式塔板

47、式塔 在塔内按一定间距水平设置若干层在塔内按一定间距水平设置若干层 塔板，液体靠重力作用自上而下流经各塔板，液体靠重力作用自上而下流经各 层板，气体由下向上依次穿过各塔板上层板，气体由下向上依次穿过各塔板上 的液层上升。气、液在塔内逐板接触进的液层上升。气、液在塔内逐板接触进 行质、热交换，两相的组成沿塔高呈阶行质、热交换，两相的组成沿塔高呈阶 跃式变化。跃式变化。 板式塔 溶剂 气体 新型塔板新型塔板 板式塔板式塔填料塔填料塔 压降压降较大较大小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整 填料较小填料较小 空塔气速空塔气速较大较大小尺寸填料较小；大尺寸填料及规整小尺寸填料

48、较小；大尺寸填料及规整 填料较大填料较大 塔效率塔效率较稳定，效率较高较稳定，效率较高 传统填料低；新型乱堆及规整填料高传统填料低；新型乱堆及规整填料高 持液量持液量较大较大较小较小 液气比液气比适应范围较大适应范围较大对液体喷淋量有一定要求对液体喷淋量有一定要求 安装检修安装检修较易较易较难较难 材质材质常用金属材料常用金属材料金属及非金属材料均可金属及非金属材料均可 造价造价大直径时较低大直径时较低新型填料投资较大新型填料投资较大 1、板式塔和填料塔的比较：、板式塔和填料塔的比较： 2、塔设备选择的一般原则、塔设备选择的一般原则 生产能力大，弹性好。生产能力大，弹性好。 满足工艺要求，分离

49、效率高。满足工艺要求，分离效率高。 运转可靠、操作、维修方便。运转可靠、操作、维修方便。 结构简单，加工方便，造价低结构简单，加工方便，造价低 塔压降小。塔压降小。 以上原则在选塔型时通常未必能完全满足，故应抓主以上原则在选塔型时通常未必能完全满足，故应抓主 要矛盾，最大限度的满足工艺要求。具体注意事项如下：要矛盾，最大限度的满足工艺要求。具体注意事项如下： 1）系统的物性）系统的物性 腐蚀性：当被处理的物料具有腐蚀性时，以选填料塔腐蚀性：当被处理的物料具有腐蚀性时，以选填料塔 为好。为好。 液体的发泡性能：对易起泡的物料，当处理量不大时液体的发泡性能：对易起泡的物料，当处理量不大时 以选填料

50、塔为宜，填料层能将泡沫破碎。以选填料塔为宜，填料层能将泡沫破碎。 含有固体粒子的物系含有固体粒子的物系:应选液流通道较大的塔型，如：应选液流通道较大的塔型，如： 大孔筛板、舌形塔板等。大孔筛板、舌形塔板等。 对过程中有吸热和放热的系统对过程中有吸热和放热的系统:选板式塔为宜，因塔板选板式塔为宜，因塔板 上有较多的持液量，可在液体中放置换热管。上有较多的持液量，可在液体中放置换热管。 处理热敏性物料处理热敏性物料:可采用减压操作以降低沸点，减压操可采用减压操作以降低沸点，减压操 作宜选填料塔。作宜选填料塔。 2）与流体流动有关的因素）与流体流动有关的因素 对流量大、直径大的塔宜用板式塔，直径小的

51、塔宜选对流量大、直径大的塔宜用板式塔，直径小的塔宜选 填料塔（填料塔（小于小于0.8m） ，因小板式塔安装检修困难，小填，因小板式塔安装检修困难，小填 料塔的造价也比板式塔相对低一些。料塔的造价也比板式塔相对低一些。 液气比很小的系统宜选板式塔，因填料表面得不到完液气比很小的系统宜选板式塔，因填料表面得不到完 全润湿，会使传质效果降低。全润湿，会使传质效果降低。 3）与操作方式有关的因素）与操作方式有关的因素 对分批操作的物料，易挥发产品，价格较贵要求回对分批操作的物料，易挥发产品，价格较贵要求回 收的系统以选填料塔为宜，因塔内持液量少，可减少产收的系统以选填料塔为宜，因塔内持液量少，可减少产

52、 品损失。当要求有侧线出料时应选板式塔便于液体引出品损失。当要求有侧线出料时应选板式塔便于液体引出 。 3 、填料塔的设计程序、填料塔的设计程序 （1）汇总设计参数和物性数据）汇总设计参数和物性数据 （2）选用填料：）选用填料： 填料是填料塔内气液接触的核心元件，要求如下：填料是填料塔内气液接触的核心元件，要求如下： a、比表面积大；、比表面积大； b、空隙率应尽可能大；、空隙率应尽可能大； c 、填料表面液体分布均匀、润湿性好、塔径和填料直径之、填料表面液体分布均匀、润湿性好、塔径和填料直径之 比适当，防止壁流和沟流；比适当，防止壁流和沟流； d 、汽体通过填料层的阻力要小；、汽体通过填料层

53、的阻力要小； e 、制造容易，价格适当；、制造容易，价格适当； f 、有足够的机械强度，不与塔内物料发生化学反应，化学、有足够的机械强度，不与塔内物料发生化学反应，化学 稳定性好。稳定性好。 散装填料 塑料鲍尔环填料 规整填料 塑料丝网波纹填料 拉西环、十字拉西环、十字 环、螺旋环环、螺旋环 钢制鲍尔环钢制鲍尔环 阶梯环、矩鞍环阶梯环、矩鞍环 （3 3）确定塔径）确定塔径 4V4V u 式中：式中：vv气体的体积流量。气体的体积流量。M M3 3/s;/s; u u操作气速。操作气速。m/sm/s 工程设计先计算填料塔的泛点气速，泛点率（空工程设计先计算填料塔的泛点气速，泛点率（空 塔气速与泛

54、点气速之比）通常取塔气速与泛点气速之比）通常取0.60.60.80.8，易起泡的，易起泡的 物料取物料取0.50.5，然后计算操作气速，然后计算操作气速u u，算出的塔径要根据，算出的塔径要根据 国家公称直径的标准系列进行圆整。再根据实际塔径国家公称直径的标准系列进行圆整。再根据实际塔径 重新计算实际空塔速度。重新计算实际空塔速度。 D=D= （4）计算填料塔压降）计算填料塔压降 以埃克特（以埃克特（Eckert）通用关联图计算填料塔压）通用关联图计算填料塔压 降降P。一般正常压降。一般正常压降P147-490Pa/m填料，真填料，真 空操作下空操作下P78.5Pa/m填料。若压降超出工艺要求

55、填料。若压降超出工艺要求 的范围应反求的范围应反求u再重新计算塔径。再重新计算塔径。 （5）验算塔内喷淋密度）验算塔内喷淋密度 按实际塔径验算塔内喷淋密度按实际塔径验算塔内喷淋密度U是否大于最小是否大于最小 喷淋密度喷淋密度Umin，如果太小，将不能保证塔填料充分，如果太小，将不能保证塔填料充分 润湿，需进行调整，重新计算塔径。润湿，需进行调整，重新计算塔径。 2 min1 min 0.785 h W L U D ULa （LW)min 最小润湿速率，最小润湿速率，a1 填料的比表面填料的比表面 （6）计算填料层高度）计算填料层高度Z 对吸收、解吸、萃取等过程中填料塔的设计多采对吸收、解吸、萃

56、取等过程中填料塔的设计多采 用用“传质单元法传质单元法”；而对精馏过程中填料塔的设计习；而对精馏过程中填料塔的设计习 惯用惯用“等板高度法等板高度法”。 （7）计算塔总高度）计算塔总高度H H=Hd+Z+(n-1)Hf+Hb Hd塔顶空间高度（不包括封头）塔顶空间高度（不包括封头）,m Hf液体再分布器的空间高度液体再分布器的空间高度,m Hb塔底空间高度。塔底空间高度。 n填料层数。填料层数。 经验公式：经验公式：H=1.2Z+Hd+Hb （8）塔的其它附件设计和选用）塔的其它附件设计和选用 支承板：支承板： 为防止支承板处压降过大甚至发生液泛，要求支承为防止支承板处压降过大甚至发生液泛，要

57、求支承 板的自由截面积应大于板的自由截面积应大于75%，不小于填料的空隙率；支，不小于填料的空隙率；支 承板强度要满足支承填料的重量，常用的有栅板型和升承板强度要满足支承填料的重量，常用的有栅板型和升 气管式。气管式。 液体喷淋装置：液体喷淋装置： 常用的有弯管式、缺口式、莲蓬头式、溢流管式等；常用的有弯管式、缺口式、莲蓬头式、溢流管式等； 液体再分布器：液体再分布器： 液体经填料向下流动时有壁流趋势，每隔一定距离要液体经填料向下流动时有壁流趋势，每隔一定距离要 安置再分布器以克服壁流现象，对小塔两再分布器之间的安置再分布器以克服壁流现象，对小塔两再分布器之间的 距离对拉西环取距离对拉西环取(

58、2.5-3)D，对大塔一般不大于，对大塔一般不大于6m. 常用的常用的 有截锥式、开孔式。有截锥式、开孔式。 气体分布器：气体分布器：为保证气体分布的均匀性，对于直径为保证气体分布的均匀性，对于直径 500mm以下的小塔，进气管可伸至塔中心。末端成以下的小塔，进气管可伸至塔中心。末端成 45度向下，使气流转折而上；对大塔，可以制成向下度向下，使气流转折而上；对大塔，可以制成向下 开孔式或盘管式。开孔式或盘管式。 除雾器：除雾器： 有折板除雾器、丝网除雾器，或者液相喷淋装置与有折板除雾器、丝网除雾器，或者液相喷淋装置与 气体出口之间装一段干填料实施填料除雾等。气体出口之间装一段干填料实施填料除雾

59、等。 （9）绘制塔设备图，标注尺寸注明各管口方位。）绘制塔设备图，标注尺寸注明各管口方位。 思考题思考题 1、选板式塔还是填料塔需考虑那些因素、选板式塔还是填料塔需考虑那些因素? 2、选择精馏塔塔型时应考虑那些问题？、选择精馏塔塔型时应考虑那些问题？ 3、常用的填料种类有那些？选择填料应注意那些问题？、常用的填料种类有那些？选择填料应注意那些问题？ 4、常用支承板的结构形式，对支承板有那些要求？、常用支承板的结构形式，对支承板有那些要求？ 5、常用液体喷淋装置的形式，适用场合。、常用液体喷淋装置的形式，适用场合。 6、液体再分布器的作用，常用的结构形式，怎样选择两、液体再分布器的作用，常用的结

60、构形式，怎样选择两 分布器之间的间距？分布器之间的间距？ 7、常用的塔顶除雾器有那些形式？、常用的塔顶除雾器有那些形式？ 8、简述填料塔的设计程序。、简述填料塔的设计程序。 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、分离要求选择板式塔的塔板结构：常根据物料特性、分离要求 来确定塔板结构。来确定塔板结构。 有溢流和无溢流塔板有溢流和无溢流塔板 在有溢流的塔板上，液体横向流过塔板，与自塔板小在有溢流的塔板上，液体横向流过塔板，与自塔板小 孔上升的气体接触后自降液管流往下一塔板，在板上两相孔上升的气体接触后自