第九章 设备设计

1、第九章 设备设计 第 一 节 设备设计简述 第二节 换热器 第三节 塔设备 第四节 化工设备零部件的选用第九章 设备设计 第 一 节 设备设计简述 一、设备设计分类 二、设备设计方法与步驟第九章 设备设计 第 一 节 设备设计简述 一、设备设计分类 化工设备设计分为两类： 标准设备选型 非标准设备设计第九章 设备设计第 一 节 设备设计简述二、设备设计方法与步驟 1 明确设计任务与条件2 调查设备国内外现状及发展趋势、有关新技术及专利状况，设计计算方法 3 收集有关物料的物性数据、腐蚀性质4 确定方案5 工艺计算6 结构设计7 制造技术要求与规范第九章 设备设计 第二节 换热器 一、换热器的特

2、性 二、换热器的选型 三、换热器的设计计算第九章 设备设计 第二节 换热器 一、换热器的特性 1 管式换热器 2 板面式换热器第九章 设备设计 第二节 换热器 一、换热器的特性 1 管式换热器 优点：结构坚固、操作弹性大和使用材料范围广。 高温、高压和大型换热器中，占有相当优势。 （1）蛇管式换热器 （2）套管式换热器 （3）管壳式换热器 第九章 设备设计 第二节 换热器 一、换热器的特性 1 管式换热器 （1）蛇管式换热器 沉浸式蛇管换热器 喷淋式蛇管换热器第九章 设备设计第二节 换热器一、换热器的特性1 管式换热器（1）蛇管式换热器沉浸式蛇管换热器蛇管以金属管子弯绕而成，沉浸在容器的另一种

3、液体中，两种流体分别在管内、外进行换热优点：结构简单，造价低廉缺点：传热效率低，设备笨重第九章 设备设计第二节 换热器一、换热器的特性1 管式换热器（1）蛇管式换热器喷淋式蛇管换热器用来冷却管内的热流体，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管排上方的喷淋装置均匀淋下优点：传热系数大，便于检修和清洗。缺点：体积庞大，喷淋效果不够理想第九章 设备设计第二节 换热器一、换热器的特性1 管式换热器（2）套管式换热器将两种不同直径的直管形成一同心套筒，两端用U形构件将它们连接特点：逆流方式 较高的给热系数缺点：检修、清洗和拆卸麻烦适用：流量小和传热面不大的场合。第九章 设备设计 第二节 换热器 一、换热器的

4、特性1 管式换热器（3）管壳式换热器 应用最为广泛的一种换热设备，成为标准换热设备 特点：易于制造，生产成本低，选材范围广，适应性强，处理能力大，也适合髙温和高压第九章 设备设计第二节 换热器一、换热器的特性 1 管式换热器（3）管壳式换热器第九章 设备设计 第二节 换热器 一、换热器的特性 （3）管壳式换热器分两类：刚性结构的管壳式换热器具有温差补偿装置的管壳式换热器第九章 设备设计 第二节 换热器 一、换热器的特性1 管式换热器（3）管壳式换热器刚性结构的管壳式换热器 又称固定管板式换热器，分单管程和多管程两种。 优点：结构简单、紧凑，造价便宜和应用较广。 缺点：管外不能进行机械清洗。第九

5、章 设备设计第二节 换热器一、换热器的特性 1 管式换热器（3）管壳式换热器具有温差补偿装置的管壳式换热器 特点：受热部分自由膨胀分两种：（1）浮头式换热器一端管板能够自由伸缩，即所谓“浮头“优点：管壁和壳壁温差大，管束空间可经常清洗。缺点：结构较复杂，加工制造费用高（2）U形管式换热器只有一块管板，管子在受热或冷却时，可以自由伸缩优点：结构简单缺点：制造弯管的工作量大，管内机械清洗困难，拆换管子不容易适合：管内的流体是洁净的，温差变化很大、高温或高压的场合第九章 设备设计第二节 换热器一、换热器的特性2 板面式换热器特点：传热性能比“管式”换热器优越，流体在较低速度下达到湍流状态，强化了传热

6、成本降低，耐压性能比“管式”差分四类：（1）螺旋板换热器（2）板式换热器（3）板翅式换热器（4）板壳式换热器第九章 设备设计第二节 换热器一、换热器的特性2 板面式换热器（1）螺旋板换热器由两张平行的钢板卷制成具有两个螺旋通道的一个螺旋体特点：传热效率髙，比管壳式高20%左右 制造简单 能利用低温热源 流道不易污塞适用：处理含固体顆粒或纤维的悬浮液以及其他高粘性的流体。 第九章 设备设计第二节 换热器一、换热器的特性2 板面式换热器（2）板式换热器由一组长方形的传热板片和密封垫片以及压紧装置所组成特点：传热效率高，结构紧凑，使用灵活，淸洗和维修方便。缺点：密封周边太长，渗漏机会大。 流道狭窄，

7、难以实现大流量 第九章 设备设计第二节 换热器一、换热器的特性2 板面式换热器（3）板翅式换热器在两块平金属板之间放置一种波纹状的金属导热翅片（称为“二次表面“），在其两侧以侧条密封而组成单元体特点：具有高的传热效率 铝合金制造，结构紧凑，体积小，质量轻 波形翅片既是传热表面，又是两板的支撑，强度髙 用于逆流、并流、错流或错逆流 适用：低温或超低温的场合缺点：流道小，容易产生堵塞而增大压力降，且不易清洗要求：处理的物料较清洁或进入换热器以前需进行过滤。 流体对铝板不产生腐蚀第九章 设备设计 第二节 换热器 一、换热器的特性 2 板面式换热器 （4）板壳式换热器 由板束（相当于管壳式换热器中的管

8、束）和壳体两部分组成 特点：传热系数高 管程和壳程都是直通道，流动阻力小，压力降小。 传热面积大，结构紧凑，体积小 污塞倾向小，容易请洗， 焊接技术要求高。 第九章 设备设计 第二节 换热器二、换热器的选型考虑的因素： 流体的性质； 流量及热负荷量； 操作温度、压力及允许压降范围； 清洗、维修的要求； 设备结构材料、尺寸及空间的限制； 设备价格。第九章 设备设计 第二节 换热器三、换热器的设计计算 1.设计换热器的基本要求最基本的要求：将能量高效地从一种流体传递到另一种流体安全可靠，清洗、检修方便2 温差合理地安排物流的流向可以加大传热温差，如逆流、错流3 流速提高流速可以增加流体的湍流程度，

9、提高传热效率流速过大，导致换热器的磨蚀并产生振动第九章 设备设计第二节 换热器三、换热器的设计计算4压力降压力降的大小关系到操作费用5传热总系数增加膜系数的方法： 缩小通路截面积，增大流速； 在通路内设置挡板或促进湍流的插入物，提髙湍流程度； 在管壁上加翅片，提髙湍流程度，同时增加传热面积； 采用强化传热表面，如各种形状的沟槽表面第九章 设备设计第二节 换热器三、换热器的设计计算6污垢系数降低污垢系数途径：改进水质消除通道内可能产生局部旋涡的死区增加流速避免局部温度过高第九章 设备设计第三节 塔设备塔设备：最重要的设备之一。使气-液或液-液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热塔设备中完成的

10、单元操作：精馏、吸收、解吸和萃取分为：板式塔和填料塔板式塔：装有一定数量的塔盘，气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相密切接触，进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化填料塔：装填一定髙度的填料层，液体在填料表面呈膜状向下流动，气体自下而上流动，与液体逆流传质。两相的组分浓度沿塔高连续变化。第九章 设备设计第三节 塔设备 塔设备构件：1 塔体塔体是塔设备的外壳。塔体由等直径、等壁厍的圆筒和椭圆形封头组成 2 塔体支座塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分常用塔体支座：裙式支座简称“裙座” ）3 除沫器除沫器：捕集夹带在气流中的液滴第九章 设备设计第三节 塔设备4 接管分为：进液管、出液管

11、、进气管、出气管、回流管、仪表接管5 人孔和手孔 人孔和手孔为了安装、检修6 吊耳和吊柱使塔设备在运输和安装时起吊方便，在塔设备上配置了吊耳第九章 设备设计 第三节 塔设备 一、塔设备的特性和类型 二、塔型选择的一般原则第九章 设备设计 第三节 塔设备 一、塔设备的特性和类型 1.常用板式塔类型 2.常用填料塔类型 第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用板式塔类型（1）泡罩塔（2）筛板塔（3）浮阀塔（4）舌形塔及浮动舌形塔（5）穿流式栅板塔（6）其他类型塔 第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用板式塔类型（1）泡 罩 塔泡罩塔主要结构：泡罩、升气管、

12、溢流管及降液管优点： 塔板效率较高； 操作弹性较大； 生产能力较大； 液气比的范围大； 不易堵塞，能适应多种介质； 操作稳定可靠。缺点：结构复杂、造价高、安装维修麻烦以及气相压力降较大第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用板式塔类型（2）筛板塔特点：结构简单，制造维修方便； 生产能力大塔板压力降较低较高的操作弹性小孔径筛板易堵塞，不宜处理粘性大的和带有固体粒子的料液。 第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用板式塔类型（3）浮阀塔气体自阀孔上升，顶开阀片，穿过环形缝隙，以水平方向吹人液层特点：处理能力大操作弹性大塔板效率髙压力降小液面落差较小操作周期较

13、长浮阀阀片与泡罩相比，结构较简单，制造、安装容易，制造费用低第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用板式塔类型（4）舌形塔及浮动舌形塔舌形塔：喷射型塔，塔盘板上开有舌形孔，气体经舌孔流出时，其沿水平方向的分速度促进液体的流动优点：液面落差小，塔盘上液层薄、持液量少，压力降小，处理能力大结构简单，安装维修方便；缺点：操作弹性小塔板效率低第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用板式塔类型（4）舌形塔及浮动舌形塔第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用板式塔类型（4）舌形塔及浮动舌形塔浮动舌形塔：一种新型的喷射塔舌片综合了浮阀及固定舌片的结

14、构特点优点：大处理量、低压力降、雾沫夹带小操作弹性大效率髙、稳定性好缺点：舌片易损坏。 第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用板式塔类型（5）穿流式栅板塔穿流式栅板塔：无溢流装置气体通过孔缝上升，进入液层，形成泡沫；与气体接触后的液体，通过孔缝流下。特点：结构简单生产能力大 压力降小，开孔率大污垢不易沉积，孔道不易堵塞操作弹性较小塔板效率较低第九章 设备设计 第三节 塔设备 一、塔设备的特性和类型 1.常用板式塔类型 （6）其他类型塔 导向筛板塔、多降液管筛板塔等第九章 设备设计 第三节 塔设备 一、塔设备的特性和类型 1.常用填料塔类型 填料塔：填料作为气液接触元件，气

15、- 液两相在填料层中逆向连续接触 优点：结构简申、压力降小、易于用耐腐蚀非金属材料制造 缺点：质量大、造价高、清理检修麻烦、填料损耗大第九章 设备设计 第三节 塔设备 一、塔设备的特性和类型 1.常用填料塔类型 （1）填料的分类 （2）对填料的基本要求 （3）常用填料及其特性第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用填料塔类型（1）填料的分类按性能分为：通用填料和髙效填料，按形状分为：顆粒型填料和规整填料。按结构分为：实体填料和网体填料两大类。 第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用填料塔类型（2）对填料的基本要求 传质效率高。 填料要具有大的气液接触面

16、，具有大的比表面积。 填料表面要易被液体润湿 生产能力大，气体的压力降小，填料层的空隙率要大。 不易引起偏流和沟流。 经久耐用，具有好的耐腐蚀性、高的机械强度和耐热性。 取材容易，价格便宜。第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用填料塔类型（3）常用填料及其特性拉西环鲍尔环矩鞍填料弧鞍填料波纹填料第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用填料塔类型（3）常用填料及其特性拉西环优点：外形简单、制造方便、取材容易、造价低廉和能用非金属耐腐蚀材料制造缺点：传质效能较低 引起沟流和壁流， 气液分布不匀，相际接触不良第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类

17、型1.常用填料塔类型（3）常用填料及其特性鲍尔环与拉西环的高度和外径都相等，在侧壁上规则地开出长方形小窗，并将切出的叶片穹向环中心第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用填料塔类型（3）常用填料及其特性鲍尔环特点： a 气液能经小窗通过环内空间，因此阻力比拉西环低，提高操作气速； b 环的内表面得以充分利用； c 小窗的叶片弯向环中心，液体分布更均匀，沟流和壁流有所改善； d 操作弹性大 第九章 设备设计 第三节 塔设备 一、塔设备的特性和类型 1.常用填料塔类型 （3）常用填料及其特性 矩鞍填料 矩鞍填料：敞开式填料 不易被悬浮物所堵塞第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔

18、设备的特性和类型1.常用填料塔类型（3）常用填料及其特性弧鞍填料弧鞍填料：敞开式填料易相互重叠，填料表面不能充分利用工业上已很少使用第九章 设备设计第三节 塔设备一、塔设备的特性和类型1.常用填料塔类型（3）常用填料及其特性波纹填料：规整填料，分为：波纹板填料波纹网填料波纹板填料单片是具有波纹的薄片，波纹方向与水平成45组装时单片竖直安放，且相邻单片的波纹方向互相垂直交错优点：a 压力降小，生产能力大B 结构紧凑，具有很大的比表面积，气液分布均匀化，传质效率提高C 操作弹性大缺点：不适合用于易结垢、析出固体、发生聚合以及液体粘度较大的物系第九章 设备设计 第三节 塔设备 二、塔型选择的一般原则

19、 考虑的因素： 1 与物性有关的因素 2 与操作条件有关的因素 3 其他因素第九章 设备设计第三节 塔设备二、塔型选择的一般原则考虑的因素：1 与物性有关的因素易起泡的物系，如处理量不大，宜选用填料塔填料使泡沫破裂，板式塔中易引起液泛具有腐蚀性的介质，可选用填料塔如必须用板式塔，宜选用结构简单、造价便宜的筛板塔、穿流式塔或舌形塔，以便及时更换具有热敏性的物料须减压操作，以防过热引起分解或聚合，选用压力降较小的塔型粘性较大的物系，选用大尺寸填料有悬浮物的物料，选择液流通道较大的塔型，以板式塔为宜操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜塔上积有液层，可在其中安放换热忏，进行有效的加热或冷却第九章 设

20、备设计第三节 塔设备二、塔型选择的一般原则考虑的因素：2 与操作条件有关的因素 气相控制系统，用填料塔，因为填料层中气相呈湍流，液相为膜状流 液相控制系统，用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，气体在液层中鼓泡 大的液体负荷 . 选用填料塔 低的液体负荷，不宜采用填料塔，因为填料塔要求一定量的喷淋密度。 但网体填料用于低液体负荷的场合 液气比波动较大时用板式塔 板式塔较填料塔的操作弹性大，浮阀塔最大，泡罩塔次之，穿流式塔较小第九章 设备设计 第三节 塔设备 二、塔型选择的一般原则 考虑的因素： 3 其他因素 塔径大于800mm，用板式塔 塔径小于800mm，用填料塔 一般填料塔比板式塔重 大塔以板

21、式塔造价较为低廉第九章 设备设计 第四节 化工设备零部件的选用 一、接管与接口 二、人孔与手孔 三、视镜 四、液面计 五、支座第九章 设备设计 第四节 化工设备零部件的选用 一、接管与接口 1. 物料的进口管 2. 物料的出口管 3. 自控仪表接口 4. 凸缘第九章 设备设计第四节 化工设备零部件的选用一、接管与接口1. 物料的进口管图9-16a 进料管伸进设备内部，避免物料沿设备内壁流动，减少磨蚀与腐蚀图9-16b进料管可抽出，便于清洗和检修，用于易堵物料图9-16c进料管插入液体中，用于易燃液体，使进料管中的液体与设备内的液体保持同一电位，防止形成电位差而放电第九章 设备设计 第四节 化工

22、设备零部件的选用 一、接管与接口 1. 物料的进口管第九章 设备设计第四节 化工设备零部件的选用一、接管与接口1. 物料的进口管第九章 设备设计第四节 化工设备零部件的选用一、接管与接口1. 物料的进口管第九章 设备设计第四节 化工设备零部件的选用一、接管与接口2. 物料的出口管图9-22 安装在塔底部的液体出料管出料管上焊有3块支承钢，把出料管活嵌在裙座的引出管道里第九章 设备设计第四节 化工设备零部件的选用一、接管与接口2. 物料的出口管液体流出容器或塔底部出口管时，会在管口中心形成一个向下的旋涡流旋涡流导致的现象：旋涡流可能使液面上的气体被抽入泵中，使泵抽空，可能会使设备内的有用气体被液

23、体夹带走，使沉降设备中不同密度液体的分层作用变坏防止这些现象的发生，常常需要在出口处安装防涡流挡板第九章 设备设计第四节 化工设备零部件的选用一、接管与接口2. 物料的出口管图9-24 加热器中的冷凝液排出口第九章 设备设计第四节 化工设备零部件的选用一、接管与接口2. 物料的出口管第九章 设备设计 第四节 化工设备零部件的选用 一、接管与接口 3. 自控仪表接口 压力表、温度计等测量仪表与设备的接口有两种 螺纹联接 法兰联接第九章 设备设计第四节 化工设备零部件的选用一、接管与接口4. 凸缘接管长度很短时，可用凸缘来代替接管。凸缘优点：加强开孔的作用，不须另行补强凸缘与容器联接方式两种：A型

24、：与容器孔的间隙不大于3mmB型：与容器表面要紧密貼合。凸缘与法兰之间的密封面3种：有光滑面凹凸面榫槽面第九章 设备设计第四节 化工设备零部件的选用二、人孔与手孔人孔与手孔：检修、安装或拆卸设备内部装置的可拆通道人孔与手孔分类：按形状：圆形和长圆形按位置：水平和垂直安装，按形式：回转盖、吊盖、快开。 手孔：适用：直径在800 mm以下的设备设备上接一短管 ,短管上接一法兰，盖一盲板（平板盖）人孔：适用：直径超过900mm的设备结构：基本结构与手孔相似，圆形人孔直径一般为450mm ，500mm，600mm第九章 设备设计 第四节 化工设备零部件的选用 二、人孔与手孔第九章 设备设计第四节 化工

25、设备零部件的选用三、视镜视镜作用：观察设备内部情况指示料面视镜分类：不带颈视镜：用凸缘构成的视镜，结构简单，不易结料，观察范围广阔。 带颈视镜：适合设备直径较小，视镜需要斜装。视镜玻璃：钢化硼硅玻璃。视镜玻璃可能因冲击、振动或温度剧变而发生破裂，可采用双层玻璃安全视镜或带罩视镜。视镜因介质结晶，水蒸气冷凝影响观察时，应装冲洗装置第九章 设备设计 第四节 化工设备零部件的选用 三、视镜第九章 设备设计第四节 化工设备零部件的选用四、液面计液面计：观察或控制设备内液面或界面位置形式：1 就地观察液面计玻璃管式玻璃板式浮子2 远传控制液面计玻璃管式液面计：应用最广玻璃板式液面计：用于更高的压力浮子液面计：结构简单，不易堵塞，使用可靠，但承压较低液面计上下均设阀门或旋塞，以防液面计破裂第九章 设备设计 第四节 化工设备零部件的选用 四、液面计第九章 设备设计 第四节 化工设备零部件的选用 五、支座 1.立式容器支座 2. 卧式容器支座第九章 设备设计 第四节 化工设备零部件的选用 五、支座 1.立式容器支座 立式容器的支座有3种： 裙式：适合高大的塔设备 悬挂式：适合小型设备 支承式：适合小型设备第九章 设备设计第四节 化工设备零部件的选用五、支座1.立式容器支座（1）裙式支座对室外安装的塔