设备的选型和设计计算

第5章

设备的选型和设计计算化工设备概况化工设备是组成化工装置的基本单元，工程设计的基础从设计角度分类标准设备（定型设备）非标准设备（非定型设备）标准设备成批、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。非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。工艺设备的选型原则合理性：满足工艺要求，设备与工艺流程、生产规模、工艺操作条件、工艺控制水平相适应。先进性：设备运转可靠、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。安全性：经济性：系统性：不妨碍整个系统优化，保留适当裕量。分类:液体物料输送设备——泵气体物料输送、压缩、制冷设备——风机、压缩机、真空泵、制冷机固体物料输送设备——给料机械设备、气流输送设备5.1物料输送设备作用于液体原理分类叶片式泵离心泵（屏蔽泵、管道泵、自吸泵、无堵塞泵等）轴流泵旋涡泵容积式泵往复泵（活入泵，柱塞泵、计量泵等）转子泵（齿轮泵、螺杆泵、滑片泵、蠕动泵等）5.1.1液体输送设备除此外还按照用途、结构特点分类A.概况B.技术指标（1）型号IH

50—32—160

A叶轮直径第一次切割叶轮名义直径（mm）泵排出口直径（mm）泵吸入口直径（mm）泵的型号代号（2）扬程（3）流量（4）必需汽蚀余量（NPSHr）（5）功率与效率C.其他形式的泵油泵耐腐蚀泵液下泵屏蔽泵隔膜泵计量泵齿轮泵螺杆泵旋涡泵轴流泵通风机鼓风机压缩机真空泵5.1.2气气体输送、、压缩设备通风机低压离心通风风机风风压≤1KPa中压离心通风风机风风压1KPa~3KPa高压离心通风风机风风压3KPa~15KPa旋转式（罗茨茨鼓风机）离心式（离心心鼓风）9—19No7.1—A传动方式（有有ABCD四四种）机号（数字表表示叶轮直径径mm/100）型号代号（9–19为高压离离心式通风机机）型号表示鼓风机容积式往复式（活塞塞式、膜式））回转式（滑片片式、螺杆式式、转子式））速度式轴流式离心式混流式A.分类压缩机（1）中小型型活塞式机类类型a）L型、V型、W型、、卧式、立式式等b）水冷式、、空冷式、单单级、多级等等（2）工作原原理（3）技术指指标：排气量、排排气压力、进进出口气体温温度、冷却水水用量、功率率等B.活塞式空空气压缩机工作时，主轴轴带动叶轮旋旋转，空气自自轴进入以很很高速度被离离心力甩出叶叶轮，进入流流通面积慢慢慢扩大的扩压压器中，时气气体的速度降降低而压力提提高螺杆式空气压压缩机依靠螺螺旋形转子相相互啮合而进进行气体压缩缩的。在∞形形汽缸中平行行放置两个高高速回转、按按一定转动比比相互啮合的的螺旋形转子子，形成进气气、压缩和排排气过程。C.离心式空空气压缩机D.螺杆式空空气压缩机（1）活塞式式制冷机：应应用范围广、、高速、热效效率高等优点点，缺点是结结构复杂、运运行稳定性差差（2）离心式式制冷机：转转速高、制制冷量大、运运行平稳、经经济等。缺缺点是效率低低于活塞式制制冷机（3）螺杆式式制冷机：与与活塞式制冷冷机比，结构构简单，体积积小、单机压压缩比大等制冷机A分类（4）溴化锂锂吸收式制冷冷机：主要用用于空气调节节制冷，结构构简单、运行行平稳、易于于自动化（5）氨吸收收式制冷机：：适用于有余余热或廉价燃燃料且要求冷冷却水温度度度低，水源充充足的地区B.化工生产产中常用的制制冷机（1）活塞式式氨压缩制冷冷机（2）离心式式制冷机（3）螺杆式式制冷机几个重要参数数真空度抽气速率极限真空抽气时间类型A.往复式真真空泵B.水循环真真空泵C.液环真空空泵D.旋片真空空泵E.喷射真空空泵真空泵A.起重设备备吊钩、手拉葫葫芦、电动葫葫芦、电动单单梁起重机等等，指标有:跨度、最大大起重量、运运行速度等。。B.仓储设备备叉式装卸车、、手动液压装装卸车、圆筒筒搬运车、液液压升降台等等，指标：起起重重量、升升高高度、空空载行走速度度等。C.运输设备备移动式皮带输输送机、气垫垫式输送机、、螺旋输送机机、载货电梯梯等5.1.3固固体搬运及粉粉碎设备D.给料设备备电磁振动给料料机、振动漏漏斗等，技术术指标：进了了尺寸、激振振电动机型型号与功率、、激振力等E.破碎设备备粗碎颚式破碎碎机、环锤式式破碎机、锤锤式破碎机等等。技术指标标：最大进料料力度、排料料力度、公称称排料口处理理能力、电机机型号功率。。F.计量包装装设备台秤、地磅、、配料秤、自自动秤量机等等5.1.4输输送设备选型型泵的选型1、确定泵型型泵的基本形式式、泵的的尺尺寸①流量的确定和和计算②扬程的确定③确定泵的的安装高度。④确定泵的台数和备备用台数。一般情况下下只设一台泵泵，特殊情况况下也可两台台同时操作。。输送泥浆和和特殊原料的的泵应设有备备用泵。⑤校核泵的轴功功率。⑥确定冷却水或或驱动蒸汽的的耗用量。⑦选用电动机。。⑧填写泵的规格格表。2、确定泵泵的流量和计计算A.选用原则则(1)排气量量、进排气温温度、压力以以及流体等参参数(2)各种压压缩机常用气气量压力范围围(3)空气含含湿量(4)吸气量量和吸气状态态压缩机的选择择B.离心式压压缩机的型号号选择（1）图表选选型通过厂家提供供的曲线图选选择型号和功功率计算（2）估算法法选型计算的数据有有：气体常数数、绝热指数数、压缩指数数、进口气体体实际流量、、总压缩比、、转速、轴功功率等C.活塞式压压缩机的型号号选择（1）一般原原则技术参数选择择和结构参数数选择，满足足工艺要求、、气体物性要要求（2）选型基基本数据气体性质和吸吸气状态生产规模或流流程需要总供供气量流程需要排气气压力排气温度（3）化工特特殊介质使用用压缩机的选选择A.立式贮罐罐平底平盖系列列、平底锥系系列底90°无折边边锥形底平盖盖系列、立式式球形封头系系列90°折边锥锥形底、椭圆圆形盖系列、、立式椭圆封封头系列以上系列适用用非易燃易爆爆、非剧毒化化工液体B.卧式贮罐罐卧式无折边球球形封头系列列：适用非非易燃易爆、、非剧毒化工工液体。P≤≤0.07MPa卧式有折边球球形封头系列列：化工液液体。P=0.25~4.0MPa5.2贮罐罐分类C.立式圆筒筒形固定顶贮贮罐系列（HG21502.1-92）适用贮存石油油产品及化工工产品。公称容积100~30000m3设计温度-19~150℃D.立式圆筒筒形内浮顶贮贮罐系列（HG21502.2-92）适用贮存易挥挥发石油、石石油产品及化化工产品。公称容积100~30000m3设计温度-19~80℃℃E.球罐系列列适用贮存石油油化工气体、、石油产品、、化工原料、、公用气体等等。占地面积小、、贮存容积大大。设计压力在400MPa以下公称容积50~10000m3F.低压湿式式气柜系列（（HG21549-92）适用化工、石石油化工气体体的贮存、缓缓冲、稳压、、混合等。设计压力在4000Pa以下公称容积50~10000m3A.设计参数数设计压力，由由工艺提出公称容积，根据物料流量贮存时间公称直径，根据高径比，查阅已有文献腐蚀裕量，贮罐介质设计载荷，包括风载荷，雪载荷等材质选择，根据介质物理性质及工艺贮罐形式，根据介质物性及工艺条件贮罐台数贮罐设计B.容积设计依据：物料流量贮存时间（考考虑a：原料料来源和运输输方法b：：使用用场合合）C.贮罐尺寸寸的确定定型设备根根据手册查查出标准化设设备非标准设备考考虑装料系数Ф的高径比H：D装料系数：防止物料溢出出安全系数贮槽、计量槽槽Ф=0.8~0.9，，搅拌反应器取取Ф=0.7~0.85沸腾操作或易易起泡设备ФФ=0.4~0.6高径比一般取H：D=1~2D.管管口方方位确确定管口主主要有有：进进料、、出料料、温温度、、压力力等保留一一定数数目的的备用用孔根据贮贮罐大大小流流量决决定管管口尺尺寸数数量，，管口口方位位利于于工艺艺管道道布置置E.确定定容器的的支承方方式F.绘制制设备草草图（条条件图））标注尺寸寸非标准设设备，向向设计人人员提出出设计要要求标准设备备，参照照手册标标准热交换器器是化工工、炼油油和食品品等工业业部门门广泛应应用的通通用设备备，在化化工厂中中传热设设备占着着极为重重要的地地位，合合理地地选用和和使用热热交换器器，可节省投资资，降低能耗耗。5.3换换热设设备工艺用途途加热器、、冷却器器、蒸发发器、空空冷器等等冷热交换换方法间壁式、、直接式式、蓄热热式5.3.1化化工生产产中的换换热设备备换热设备备分类A.管式式换热器器B.板式式换热器器蛇管式或或者沉浸浸式：管管内液体体冷却、、或者管管外流体体加热冷冷却等。。反应釜釜传热沟沟件套管式：：冷却冷冷凝用、、或者预预热。实实现严格格的逆流流操作列管式：：分为固固定管板板式（管管壳温差差小，管管间走清清洁液体体）、带带温差补补偿式换换热器（（管壳温温差大，，能降低低消除温温差压力力）。板翅式：：结构紧紧凑、传传热好、、流体阻阻力大、、内部坏坏了无法法重修。。用于制制氧和低低温场合合。成形板式式：拆洗洗方便、、传热面面因需增增减。用用于温度度、压力力低液－－液交换换，粘性性大液体体螺旋板式式：严格格逆流操操作，自自洁、回回收低温温热能间壁壁式式A.固定定管板式式（系列列号:JB/T4715---92）B.立立式热虹虹吸式再再沸器（（JB/T4716-92））C.固固定式式薄管管板换换热器器（HG21503-92））D.浮浮头式式换热热器（（JB/T4714-92））E.U型管管换热热器（（JB/T4717-92））F.板板式换换热器器G.螺螺旋板板式换换热器器（JB/T4723-92）H.搪搪玻璃璃换热热器（（碟片片式冷冷凝器器、套套筒式式、列列管式式）I.石墨换换热器（列列管式、YKA型圆圆块孔式、、矩形孔式式、列管式式石墨降膜膜吸收器））J.散热器器换热设备系系列工业炉分类１２３４５加热流体型熔融固体型直接加热固体型间接加热固体型回转炉型釜式炉火管锅炉水管锅炉管式炉平射炉型平炉型转炉型连续加热炉隧道式窑炉间歇加热炉马弗炉直立式炉内热式回转炉外热式回转炉工业炉管式炉直立圆筒形形炉－垂直直燃烧式（（底烧）箱式炉－卧卧式－水平平燃烧式立式炉卧管（水平平管）立管（垂直直管）垂直燃烧式式（底烧））水平燃烧式式特殊燃烧式式垂直燃烧式式（底烧））水平燃烧式式管式炉特殊殊燃烧式干式干湿式自然通风机械通风开放式风筒式抽风式鼓风式冷却塔分类类直接式间接式湿式逆流式横流式逆流式横流式－逆流式冷却塔淋水装置配水系统通风设备空气分配装装置通风筒除水器塔体集水池输水系统其他设施冷却塔组成成空冷器以空气作为为冷却介质质，对流经经管内热流流体进行冷冷却。广泛泛应用于炼炼油、石油油化工、有有机化工等等行业。①汇总设设计数据分分析设设计任务数据是根据据物料衡算算和工艺物物料要求特特性、流量量、温度、、压力和化化学性质、、物性参数数取提有关关设备的负负荷、流程程中的地位位与流程中中其他设备备的关系等等数据。②设计换换热器流程程将换热的工工艺流程仔仔细探讨，，以利于充充分利用热热量和热流流。5.3.2管壳式式换热器设设计③设计换换热器的材材质根据介质的的腐蚀性和和其它有关关性，按照照操作压力力、温度、、材料规格格和制造价④选择换热器的类型。⑤确定换热器中冷热流体的流向，根据截体的性质，换热器任务和换热器的结构，采用并流、逆流或错流、折流等。⑥确定和计算平均温差△Tm。⑦计算热负荷Q、流体给热系数a可用粗略估计的方法，估算管内和管间流体的给热系数α1，α2。⑧估计污污垢热阻系系数并初算算出传热系系数K，K值可查阅阅，也可用用经验公式式计算。⑨算出传传热面积A；⑩调整温温度差劲，，再算一次次传热面积积A；⑾选用系系列换热器器，根据计计算的换热热器面积，，并考虑10—25%的安全全系数，确确定换热面面积A。从从国家标准准系列换热热器型号中中选择符合合工艺要求求和车间布布置（立式式或卧式长长度）的换换热器，并并确定台数数。⑿验算压压力降不不符合要要求，要重重新选择。。⒀画出换换热器设备备草图，向向设备机械械人员完成成换热器的的详细部件件设计分离离方方法法（1））浮浮选选（2））重重力力沉沉降降（3））＊离心心沉沉降降（4））＊过滤滤5.4.1液液固固分分离离设设备备5.4分分离离设设备备分类类A.过过滤滤式式离离心心机机B.沉沉降降式式离离心心机机C.高高速速离离心心机机离心心机机离心心机机有有很很多多种种，，各各有有特特点点，，可可用用于于液液-液液，，固固液液相相的的分分离离。。常常用用离离心心机机有有过过滤滤式式，，沉沉降降式式，，高高速速分分离离，，台台式式，，生生物物冷冷冻冻和和旁旁滤滤等等类类型型A.压压滤滤机机B.转转鼓鼓真真空空过过滤滤机机C.盘盘式式过过滤滤机机D.带带式式过过滤滤机机过滤滤机机A.过过滤滤式式离离心心机机的的选选型型原原则则（1））以以原原液液的的性性质质、、状状态态为为选选择择基基准准主要要考考虑虑颗颗粒粒大大小小和和粒粒度度分分布布（2））以以产产品品的的要要求求为为选选择择基基准准。。分离离设设备备选选用用原原则则B.沉沉降降式式离离心心机机选选择择C.过过滤滤机机的的选选择择原原则则主要要考考虑虑以以下下几几点点1））滤滤浆浆的的过过滤滤特特性性2））滤滤浆浆的的物物性性3））生生产产规规模模气固固分分离离是是重重要要的的化化工工单单元元操操作作，，在在化化工工、、冶冶金金、、电电力力以以及及环环境境工工程程中中有有着着广广泛泛的的应应用用。。气气固固分分离离目目的的为为回回收收有有用用的的物物质质，，如如气气流流干干燥燥产产品品的的收收集集等等；；获获得得洁洁净净气气体体，，如如硫硫铁铁矿矿生生产产硫硫酸酸过过程程中中原原料料气气中中的的粉粉尘尘的的净净化化等等5.4.2气气固固分分离离设设备备除尘尘器器凡凡能能将将粉粉尘尘从从气气体体中中分分离离出出来来，，使使气气体体得得以以净净化化，，粉粉尘尘得得到其他除尘器脉冲袋式除尘器、离心水膜除尘器、洗浴式除尘器、电除尘器旋风分离器旋风分离器是利用气固两相密度差的不同，而实现的气固分离设备作圆周运动时产生的离心力而加快其沉降过程。蒸馏馏塔塔的的设设计计蒸馏馏塔塔设设计计的的程程序序如如下下：：(1)列列出出分分高高要要求求：：达达到到产产品品的的质质量量标标准准；；(2)操操作作条条件件选选择择涧涧歇歇或或连连续续，，操操作作压压力力；；(3)设备选选型：板式塔塔或填料塔；；(4)塔板数数和回流比确确定：理论板板数或级数；；(5)塔尺寸寸确定：直径径，实际塔板板数或级数；；(6)塔内部部构件设计：：塔板，分布布器，填料支支承板；(7)机械设设计踞容器和和内部构件。。5.5传质质设备5.5.1板板式塔和填填料塔表5-20板式塔和填料塔的比较项目板塔式填料塔压降较大散装填料较大，规整填料较小空塔气速较大散装填料较小，规整填料较大塔效率较稳定、效率较高传统散装填料低，新型散装及规整填料较高持液量较大较小液汽比适应范围大对液量有一定要求安装检修较容易较难材质金属材料金属或非金属造价大直径较低新型填料投资较大板式塔或填料料塔的选择(1)计算气气相与液相负负荷的最大值值与最小值；；(2)收集或或估算系统的的物性数据；；(3)选择板板间距(试差差值)；(4)根据液液泛速度估计计塔径：(5)决定液液体流型；(6)塔板初初步布置：降降液管、开孔孔区、孔径、、堰高；(7)泄漏点点校核．若不不满意．返回回(6)；(8)板压降降校核，若不不满意，返回回(6)；(9)降液管管校核(溢流流液泛校核及及降液管内停停留时间校核核)，若太大大，返回(6)或（3)；(10)塔板板布置详图：：安定区，不不开7L面积积．孔间距校校核，若不满满意返回(6)；(11)根据据选定的塔径径重新计算液液泛百分比；；(12)液沫沫夹带校核，，巷过高返回回(4)；(13)优化化设计：重复复(3)—(12)求得得最小塔直径径和可接受的的板间距，要要求所需的成成本最(14)最终终设计：绘出出塔板的详细细布置图及负负荷性能图。。板式塔设计填料塔的设计计程序如下：：(1)选择填填料形式及尺尺寸；(2)根据工工艺的分离要要求，确定塔塔高；(3)根据通通量，即处理理气相与液相相负荷，确定定塔径；(4)塔内部部构件的选择择与设计：填填料支承、液液体分布器器和液体再分分布器。填料塔设计干燥设备分类类：(1)按操作作方式分类，，分为连续式式和间歇式。。(2)按热量量供给方式分分类，可分为为传导、对流流、介电、红红外线。传导供热的干干燥器有厢式式真空、搅拌拌式、带式真真空、滚筒式式等。对流供热的干干燥器有厢式式、穿流循环环、流化床、、喷男干燥、、气流式、直直接加热回转转式、穿流流循环、通气气竖井式移动动床等。介电供热的干干燥器有微波波扁频。红红外线供热的的干燥器有辐辐射器。(3)按物料料进入干燥器器的形状分类类。湿物料可可为片状、纤纤维状、结晶晶颗粒状、硬硬的糊状物物、预成型糊糊状物、淤泥泥、悬浮液、、溶液等。(4)按附加加特征的适应应性分类。有有危险性物料料、热敏感性性物料和特殊殊形状产品等等。5.5.2干干燥设备常用干燥设备备：A.箱式（间间歇式）干燥燥器B.带式干燥燥器C.喷雾干燥燥器D.气流干燥燥器E.流化床干干燥器F.立式通移移动床干燥器器G.回转干燥燥器H.真空干燥燥器化学反应器是是将反应物通通过化学反应应转化为产物物的装置，是是化工及其相相关工业的核核心设备。由于化化学反反应种种类繁繁多，，性质质各异异，化化学反反应器器的构构型及及尺寸寸相差差甚远远，如如窑炉炉、釜釜、塔塔、混混合器器、高高炉、、回转转窑、、反应应管等等都可可进行行化学学反应应，但但各种种工艺艺过程程完全全不同同，因因此考考虑各各工艺艺的特特征是是十分分重要要的。。5.6化化学反应器器5.6.1概述相态：均相相与非均相相操作状态：：间歇操作作、连续操操作、半连连续操作物料流动状状态：活塞塞流或全混混合流传热特征：：等温、绝绝热、非等等温非绝热热型构造形式：：管式反应应器、搅拌拌式反应器器、固定床反应器等等A.分类固定床反应应器：广泛应用于于氨合成、、SO2、、甲烷蒸汽汽转化、加加氢脱硫、、甲醇氧化化制备甲醛醛、乙醇制制备乙醛、、甲醇合成成等工业流化床反应应器1.颗粒处于运运动状态，，表面更新新，强化传传质。2.颗粒小，催催化剂有效效系数高。。3.流化状态，，便于操作作。4.传热系数大大，换热面面积小。5.生产强度大大。6.返混严重，，一次转化化率低。B.工艺特特点搅拌釜反应应器尽量使容器器内各点浓浓度和温度度均匀广泛应用于于液—液相相反应、气气液相反应应、气液固固催化反应应等非均相相反应气液相反应应器鼓泡反应器器具有较大大持液量和和较高的传传质传热效效率，适用用缓慢化学学反应和高高速放热的的情况气液搅拌反反应器适用用于气体与与粘性液体体或悬浮性性溶液反应应系统A.气固固相反应应器主要有：：固定床床和流化化床选择考虑虑因素：：反应热热效应、、决热温温升、催催化剂允允许的温温度范围围。B.气液液相反应应器选型考虑虑因素：：生产强强度、能能耗、副副反应的的影响、、设备投投资、操操作性能能等。关键因素素：与传传递特征征和反应应动力学学特征相相适应5.6.2反反应器选选型搅拌釜式式反应器器是一种种从实验验室实验验到工业业装置均均采用的的反器溶积从1L到200立立方不等等压力从真真空到300MPa温度跨越越大从几几十度到到几百度度物料性质质不同，，搅拌釜釜式反应应器结构构不同，，反应器器差别大大搅拌釜式式反应器器常设有有加热或或冷却设设备分为搪玻玻璃反应应器系列列和发酵酵罐系列列5.6.3搅搅拌釜式式反应器器5.7设设备工工艺和选选型设计计计算流程模拟拟和设计计软件产产品：AspenplusPro/IIHysysChemCADSuperProDesigner等等一般能完完成设备备选型、、动力