化工设备的工艺设计

1、第六章 化工设备的工艺设计,6.1 化工设备工艺设计内容： （1）确定设备类型： （2）确定设备材质：根据操作条件（ 介质的性质、温度、压力） （3）确定设备的设计参数：根据工艺流程、物料衡算、能量衡算、设备的工艺计算等得到的。不同设备有不同设计参数。,a.换热器：热负荷 Q， 换热面积S，冷热 载体的流量、温度、压力。 b.泵：流量、扬程、轴功率、允许吸上高度。 c.风机：风量、风压。 d.吸收塔：气体的流量、组成、压力、温度， 吸收剂的种类、流量、温度、压力、塔径、塔高、塔板类型、塔板数、填料种类、规格、填料高度、每段填料的高度和段数。,e.精馏塔：塔进料、塔顶、塔底产品的流量、 组成、温

2、度、塔操作压力、塔径、塔板类型 塔板数、填料种类、规格、填料高度、每段 填料的高度和段数、进料位置、灵敏板位 置。 f.对于标准设备：根据工艺需要确定标准图图 号和型号。 g. 对非标设备：向设备专业提供设计条件和草 图、明确设备的形式、材质、基本设计参数 管口、维修、安装、支撑及其它要求（如防 爆口、人孔、手孔、仪表接口等）,6.2 泵的选用 6.2.1 对化工用泵的要求 （1）输送易燃、易爆、易挥发、有毒、有腐蚀及贵重 介质，要求密封性可靠，应选磁力驱动泵或屏泵。 （2）输送腐蚀性介质，选耐腐蚀泵，根据介质的特性 和温度范围，选择不同的材质的泵的过流部件。 非金属：聚氯乙烯、玻璃钢、聚丙细

3、、氟塑料、石墨、 搪玻璃、陶瓷。（适用范围：222页表6.1） 金属： 不锈钢、铝合金、钛合金、纯钛等 （3）输送易气化的液体（低沸点液体-30-160）选 低温泵。 （4）输送高温介质：热油泵 各类泵的特点见P223 表6.3,6.3 换热器的设计和选用 6.3.1 换热设备的类型： 从形式上分：板式、列管式、翅片式、盘管、喷淋式等。 从使用上分：加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸 器、冷却器、深冷器、冷凝器、完全冷凝 器、部分冷凝器。 热交换性能：表6.4 P226 设计中应尽量选择标准系列。减少设计工作量和投资。,6.3.2 换热器设计参数的取值 6.3.2.1 流速： 管内： 壳内：

4、 水及水溶液:0.72.0m/s 水及水溶液：0.51.5 m/s 低粘度油： 0.81.8 m/s 低粘度油： 0.41.0 m/s 高粘度油： 0.51.5 m/s 高粘度油： 0.30.8 m/s 气液混合物:2.06.0 m/s 气液混合物:0.53.0 m/s,6.3.2.2流体路径：热载体上进下出， 冷剂下进上出。 管程： （1）不清洁、易结垢的流体 （2）小流量、粘度大（因管程可以做成 多程结构，得到较大的流速，k） (3) 腐蚀性、有毒性流体 （避免管束和 壳体同时腐蚀） （4）压力高的流体,壳称： （1）被冷却的流体 （2）饱和蒸汽 6.3.2.3 冷热流体温差的取值 换热器

5、两端冷热流体的温差t，换热面积S投资冷剂量操作费用 所以t应合理。 （1）换热器热端 ： t 20以上 （2）换热器冷端 ： t 5以上 （3）冷凝含有惰性气体的流体时，冷却剂出口温度要比冷凝液的露点低5 （4）空冷器冷热流体温差大于15,6.4 储罐的设计与选型 6.4.1 储罐的标准系列 （1）碳钢容器标准系列： a立式平底 常压下使用 b锥底平盖 常压下使用 c椭圆封头：0.254.0 MPa （2）玻璃钢容器标准系列： -1080 微压 100500 m3 (3)搪玻璃容器 1.0 Mpa -20200,6.4.2 储罐存贮量的确定 （1）原料贮存： 全厂性贮存：一般30100天。 车

6、间贮存： 15天（视介质性质而定） （2）成品贮存： 根据生产周期和市场情况而定 （3）中间罐：一班或一批 （4）回流罐：510 min 液体量保证冷凝器的液封之用 （5）液体贮罐充装系数 0.80.85 气体贮罐充装系数 1.0 （6）缓冲罐 515 min 用量， (7) 闪蒸罐：闪蒸过程就是液体的部分气化过程。根据液体达到气液平衡的时间而定。选择充分的停留时间。,6.5 塔器的设计 化工厂中常用的有喷洒塔、板式塔和填料塔。在蒸馏操作和吸收操作中常用的是板式塔和填料塔。究竟选什么形式的塔？ 6.5.1 塔型的选择因素 (1)塔径：大塔用板式塔，小塔用填料塔 (2) 板式塔可适应较小的液体流

7、量，同样条件 下填料塔则会导致润湿不足。 (3) 处理含有颗粒的物料宜选用板式塔（筛板 塔、泡罩塔、浮阀塔），而用填料塔易堵。,(4) 产生大量溶解热和反应热的物系宜采用板 式塔.因为可在塔板上安装冷却排管，在塔 外冷却后回到塔内以控制塔温。 (5) 处理有腐蚀性物料宜用填料塔，因为板式 塔 需用耐腐蚀的金属材料，造价高。 (6) 热敏性物料的蒸馏宜用填料塔。填料塔内 液体的滞留量较小，在塔内停留时间短。 填料塔适用于处理发泡液体，因填料能起 到破碎泡沫作用。,6.5.2 板式蒸馏塔的设计： 6.5.2.1板式蒸馏塔的设计程序： （1）汇总物性数据、工艺要求。 （2）初选塔盘结构 （3）计算实

8、际塔板数 （4）确定再沸器塔顶冷凝器的热负荷并选型计算 （5）确定塔径、塔高 （6）确定进料口、灵敏板位置 （7）确定塔节法兰位置、人孔、手孔、视镜、仪表等 开口位置 （8）向设备专业提条件 a)确定轻重关键组分及其在塔顶塔釜的分配 b)初定塔釜、塔顶的操作压力,6.5.2.2 板式蒸馏塔的实际塔板数的确定： a.确定轻重关键组分及其在塔顶塔釜的分配 b.初定塔釜、塔顶的操作压力 c.作全塔料衡算，确定塔底、塔釜产物的组成 d.根据气液平衡关系，验算塔的操作参数 （塔顶塔底的压力、温度等） e.选定进料状态 f.理论塔板数 g.定塔板效率 h.求实际塔板数,6.5.3 填料蒸馏塔的设计 6.5

9、.3.1填料蒸馏塔的设计程序： （1）汇总物性数据、工艺要求。 （2）选用填料 （3）确定塔径 （4）确定理论板数和和填料的等板高度数值 （5）计算填料高度 （6）核算喷淋密度（是否能维持最小喷淋度） （7）确定填料段数和每段填料高度 （8）确定塔节法兰位置、人孔、手孔、视镜、仪表等开口位置 （9）向设备专业提条件,6.5.3.2 填料的选用： a）确定轻重关键组分及其在塔顶塔釜的分配 b) 初定塔釜、塔顶的操作压力 c)作全塔料衡算，确定塔底、塔釜产物的组成 d)根据气液平衡关系，验算塔的操作参数 （塔 顶塔底的压力、温度等） e)选定进料状态 f)理论塔板数 g)定塔板效率 h)求实际塔板

10、数,6.5.3 填料吸收塔的设计 除填料高度外，同填料蒸馏塔的设计。 采用传质单元高度法计算填料高度 Z=N0GH0G or Z=N0LH0L Z -填料高度 N0G-气相总传质单元数 H0G-气相总传质单元高度 N0L-液相总传质单元数 H0L-液相总传质单元高度,N0G:气相总传质单元数 N0L:液相总传质单元数 6.5.4板式吸收塔的设计,H0G:气相总传质单元高度 H0L:液相总传质单元高度,6.5.4板式吸收塔的设计,常用于用少量吸收液来处理大量气的混合物的情况。 6.5.4.1板式吸收塔理论塔板数 解析法、图解法、计算机程序 6.5.4.1板式吸收塔板效率 小于 50% 计算时取

11、25%-20% 溶解系数 系统压力 塔板效率 吸收液粘度 塔板效率 （吸收操作温度较低）,6.6 反应器的设计 6.6.1 管式反应器设计：管内走物料，管外用燃料油燃烧供给所需反应热。用于均相反应。（轻烃裂解） 6.6.2 釜式反应器设计： （1）间歇釜：原料一次性加入，批量反应 。釜的大小由反应所需的体积确定。 V=Q0(t+t0) t-反应时间 t0-辅助生产时间,例题1：在间歇釜中用己二酸在70下进行缩聚反应生产醇酸树脂，以H2SO4 为催化剂，其动力学方程式如下： A指己二酸 70下 k=1.97x10-3L/(molmin) CA0=4mol/L,每天处理己二酸2400kg 每批操作

12、的辅助生产时间t0=1h 求：XA=80%时，反应釜的体积V=?,解：（1）计算每批产品所需要的反应时间,(2) 计算连续反应釜进口液体的体积流量. 己二酸的摩尔流量FA0 己二酸的分子量146 反应釜进口液体的体积流量为：,(3) 计算反应釜的体积，其有效体积为 取装料系数为0.75 则反应釜的实际体积为 7.182/0.75=9.58m3 圆整 V=10 m3,（2） 连续釜：串联、并联 V-反应釜有效体积 ，M3 Q0-反应器入口液体物料的 体积流量 M3/min -物料在釜内的平均停留时间 CA0-反应釜入口液体中关键组分 A 的浓度mol/L XAf-反应釜液体中关键组分A转化率。 RAf-反应温度、反应浓度下的反应速率 mol/L.s,例2 在连续釜中进行上述反应，处理量及转化率同上 求：，反应釜的体积V=? 解：（1）计算连续反应釜的速率,6.7 非标设备的设计程序和设计条件 6.7.1 非标设备的设计程序 （1）通过工艺计算确定设备的主要尺寸和工艺参数。 （2）通过流体力学计算所有管口规格、数量，由管道布置图确定人孔、手孔及各种管口位置。根据工艺控制要求，按照带控制点工艺流程图确定设备上的仪表口、测量口规格、数量、位置。 （