2015化工設(shè)計,第6-7章化工設(shè)備

1、第6章 化工設(shè)備設(shè)計6.1 概述6.2 化工設(shè)備的選用和設(shè)計方法 6.3 化工設(shè)備圖6.1 概述從設(shè)計角度分標準設(shè)備(定型設(shè)備)成批生產(chǎn)，直接訂貨非標準設(shè)備由工藝提供設(shè)計條件，由設(shè)備專業(yè)專門設(shè)計，由廠家專門制造的設(shè)備。化工設(shè)備的設(shè)計包括標準設(shè)備設(shè)計和非標準設(shè)備設(shè)計。 一、化工設(shè)備設(shè)計分類 1. 標準設(shè)備設(shè)計 常用標準設(shè)備：泵、風(fēng)機、冷凍機、過濾機、離心機、攪拌器、壓縮機等，生產(chǎn)廠家、型號都很多，可選擇范圍很大。 標準設(shè)備設(shè)計：根據(jù)工藝要求，計算特征尺寸，查閱相關(guān)產(chǎn)品目錄或樣本手冊(列出設(shè)備的規(guī)格、型號、基本性能參數(shù)和廠家)，選擇合適設(shè)備型號。 標準設(shè)備選型2. 非標準設(shè)備設(shè)計 常用非標準設(shè)備：

2、容器(中壓、低壓、高壓)、換熱器、塔器、干燥設(shè)備、攪拌設(shè)備和除塵設(shè)備等。 非標準設(shè)備設(shè)計：根據(jù)工藝要求，完成工藝計算，提出設(shè)備型式、材料、尺寸和其他要求，再經(jīng)過機械計算及設(shè)計，由相關(guān)工廠制造。必須遵循設(shè)備設(shè)計的相關(guān)標準和規(guī)定。 化工設(shè)備設(shè)計向標準化推進，有些原來屬于非標準設(shè)備的化工裝置，已逐步走向系列化、定型化，已形成了一些標準圖紙，有些還有了定點生產(chǎn)廠家，如換熱器系列、容器系列、搪玻璃設(shè)備系列等。因此，在非標準設(shè)備設(shè)計時，應(yīng)盡量采用已標準化的圖紙。 3. 化工設(shè)備標準化二、化工設(shè)備設(shè)計的原則 (1) 合理性即滿足工藝過程對設(shè)備的要求，設(shè)備與工藝流程、生產(chǎn)規(guī)模、操作條件、控制水平相適應(yīng)，同時又

3、能充分發(fā)揮設(shè)備能力。(2) 先進性即設(shè)備的生產(chǎn)能力、轉(zhuǎn)化率、收率、效率、自控水平等盡可能達到先進水平；且設(shè)備的操作范圍寬，易于調(diào)節(jié)，控制方便。(3) 經(jīng)濟性即投資省，消耗低，生產(chǎn)費用和運行費用低，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約材料，易于制造、安裝操作維修方便，三廢少。 (4) 安全性即安全可靠，操作穩(wěn)定，彈性大，勞動強度小，無事故隱患；對工藝和建筑、地基、廠房等無苛刻要求；盡量避免高溫高壓高空作業(yè)，盡量不使用有毒有害的設(shè)備附件附料。6.2 典型化工設(shè)備的選用和設(shè)計方法6.2.1 泵的選用與設(shè)計程序 1. 收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)介質(zhì)物性：介質(zhì)名稱、輸送條件下的物理性質(zhì)(如粘度、蒸汽壓、腐蝕性、毒性及易燃易爆等)；介質(zhì)中所

4、含固體顆粒直徑和含量；介質(zhì)中氣體的含量。操作條件：T、p、操作溫度下的ps、間歇或連續(xù)操作等。泵所在位置情況：環(huán)境溫度，海拔高度，裝置平立面要求，送液高度，送液路程，進口和排出側(cè)設(shè)備液面至泵中心距離及管線當量長度等。(2) 揚程的確定和計算按泵的布置情況，液體的輸送距離及高度，利用柏努利方程計算泵的揚程，再考慮采用1.051.1的安全系數(shù)。如果有現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能采用。 2. 確定泵的流量和揚程(1) 泵的流量泵的流量決定于物料衡算，確定泵流量應(yīng)考慮裝置的富余能力及裝置各設(shè)備能力的協(xié)調(diào)平衡；如果給出流量范圍，選泵時以最大流量為基礎(chǔ)；如果只給出正常流量，應(yīng)選用適當?shù)陌踩禂?shù)1.11.2。流量通

5、常必須換算成體積流量。 3. 選擇泵型及泵的具體型號 根據(jù)確定的流量、揚程，按泵型的確定原則和泵的工作范圍初步確定泵的類型。根據(jù)介質(zhì)特性（腐蝕性）選擇泵的材質(zhì)。 從工藝角度選擇泵類型： 流量大，揚程不高時，可選單級離心泵； 流量不大，揚程高時，宜選往復(fù)泵或多級離心泵； 輸送有腐蝕介質(zhì)，選耐腐蝕泵； 輸送昂貴液體、劇毒或放射性液體應(yīng)用完全不泄漏無軸封的屏蔽泵； 當要求精確進料時，應(yīng)選用計量泵或柱塞泵。 輸送高溫介質(zhì)時可考慮選用熱油泵。 再從有關(guān)泵制造廠提供的樣本和技術(shù)資料選擇泵的具體型號，列出所選型號泵以清水為基準的性能參數(shù)。 4. 核算泵的性能 若輸送液體的物理性質(zhì)與水有較大差異，則應(yīng)對泵的揚

6、程、流量進行核算。并與工藝要求進行對比，確定所選泵是否可用。5. 確定泵的安裝高度 確定泵的型號后，計算泵的允許吸上高度，核對泵的安裝高度。泵的安裝高度必須低于泵的允許吸上高度。安裝高度應(yīng)比計算出來的允許吸上高度低0.51m。6. 計算泵的軸功率 7. 選定泵的材料和軸封 8. 確定冷卻水或加熱蒸汽耗量 9. 選用驅(qū)動裝置電動機或蒸汽透平 10. 確定泵的臺數(shù)和備用率11. 填寫泵規(guī)格表，作為泵訂貨依據(jù)和選泵過程中各項數(shù)據(jù)的匯總。 6.2.2 貯罐的選型和設(shè)計一、貯罐的分類及存貯量的確定 根據(jù)用途，貯罐可分為：原料、成品、中間貯罐，回流罐、計量罐、緩沖罐、混合罐、閃蒸罐、包裝罐等。貯罐存貯量：

7、即貯存物料總?cè)莘e，隨貯罐的用途而異。 1. 原料貯罐 全廠性貯罐一般主張至少有13個月的耗用量貯存，車間的原料貯罐一般至少半個月的用量貯存。 2. 成品貯罐 按工廠短期停車仍能保證滿足市場需求來確定存貯量；液體產(chǎn)品貯罐常按至少貯存一周的產(chǎn)品產(chǎn)量設(shè)計。液體貯罐的裝載系數(shù)一般取0.8。 3. 中間貯罐 對連續(xù)過程視情況貯存幾小時至幾天的用量，對間歇生產(chǎn)過程，至少應(yīng)考慮存貯一個班的生產(chǎn)用量。 4. 計量罐 一般考慮最少為1015min，多則2h或4h產(chǎn)量。計量罐的裝料系數(shù)一般取0.60.7，刻度的使用度常為滿量程的80%85%。 5. 回流罐 一般考慮510min左右的液體保存量，作冷凝器液封之用。

8、 6. 緩沖罐 緩沖罐存貯量常是下游設(shè)備510min的用量，有時可超過15min用量，以備緊急時有充裕時間處理故障、調(diào)節(jié)流程或關(guān)停機器。 7. 汽化罐 汽化罐的汽化空間通常是總?cè)莘e的一半。汽化空間的體積可根據(jù)物料汽化速度來估計，一般希望汽化空間足夠下游崗位3min以上的使用量，至少在2min左右。 8. 閃蒸罐 液體在閃蒸罐的停留時間應(yīng)考慮使液體在罐內(nèi)有充分時間接近氣液平衡狀態(tài)，應(yīng)視工藝要求選擇液體在罐內(nèi)的停留時間。 9. 混合、拼料罐 混拼罐的大小，根據(jù)工藝條件而定，考慮若干批的產(chǎn)量，裝料系數(shù)約70%。 10. 包裝罐 包裝罐可視同于中間貯罐。要根據(jù)工藝條件和要求，貯存條件等決定其有效容積。

9、不同場合，裝料系數(shù)不一樣，一般為0.60.8。 二、貯罐設(shè)計的一般程序 1. 匯集工藝設(shè)計參數(shù) 要貯存物料的溫度、壓力、最高使用溫度、最低使用溫度、最大使用壓力，物料的腐蝕性、毒性、蒸汽壓、進出量、貯罐的工藝方案等數(shù)據(jù)。 2. 貯罐材質(zhì)的選擇 根據(jù)介質(zhì)物性及工藝條件選擇碳鋼、不銹鋼、搪瓷、鋼內(nèi)襯材料或非金屬等。3. 貯罐型式的確定 根據(jù)介質(zhì)物性、工藝條件及容積選擇臥式還是立式以及封頭的型式。我國許多化工貯罐已實現(xiàn)系列化和標準化，選用時應(yīng)從標準系列貯罐中，選出與工藝條件各參數(shù)相符的型式。 4. 確定需要貯存的物料總體積5. 確定貯罐的臺數(shù)和基本尺寸6. 選擇標準型號7. 貯罐的管口方位和支承方式

10、的確定 貯罐的管口：進料、出料、溫度、壓力、放空、液面計、排液、放凈以及人孔、手孔、吊裝孔等，并留有一定數(shù)量的備用孔。8. 繪制設(shè)備草圖，標注尺寸，提出設(shè)計條件和訂貨要求。2. 安全可靠 換熱設(shè)備是壓力容器，應(yīng)按照壓力容器和換熱器設(shè)計有關(guān)規(guī)定和標準進行強度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命的計算與校核。3. 安裝、操作及維修方便 設(shè)備與部件應(yīng)便于運輸與裝拆，在廠房中移動時不會受到樓梯、梁、柱等的妨礙。4. 經(jīng)濟合理 評定換熱器的經(jīng)濟指標是：設(shè)備費與操作費的總和為最小。應(yīng)根據(jù)這一指標來選擇換熱器，并確定適宜的操作條件。 6.2.3 換熱設(shè)備的選用一、換熱設(shè)備設(shè)計和選用的一般原則1. 符合規(guī)定的工藝操作

11、條件 介質(zhì)流程、流速、終端溫差、壓降、傳熱系數(shù)、污垢系數(shù)。二、管殼式換熱器的設(shè)計步驟1. 分析設(shè)計任務(wù)，匯總設(shè)計數(shù)據(jù) 物料流量、溫度、壓力和物理化學(xué)性質(zhì)，相關(guān)物性參數(shù)及設(shè)備的負荷、流程中的位置、與其他設(shè)備的關(guān)系等數(shù)據(jù)。 2. 設(shè)計換熱流程 在換熱設(shè)計時，應(yīng)仔細探討換熱工藝流程，充分利用熱量和熱源。 3. 選擇換熱器的材質(zhì) 根據(jù)操作壓力、溫度、介質(zhì)腐蝕性及其他有關(guān)性能，材料規(guī)格，價格等綜合選擇換熱器材質(zhì)。5. 盡量選用標準設(shè)計和標準系列 我國已將多種換熱器如管殼式換熱器、板式換熱器和石墨換熱器系列化，采用標準圖紙進行系列化生產(chǎn)。4. 確定換熱器類型 根據(jù)熱負荷和選用的換熱器材料，選定類型。5.確

12、定冷熱流體的流向 根據(jù)熱載體性質(zhì)，換熱任務(wù)和換熱器結(jié)構(gòu)，決定采用并流，逆流或錯流折流等。6. 計算平均傳熱溫差tm 確定終端溫差，根據(jù)化學(xué)工程有關(guān)公式，計算平均溫差。7. 計算熱負荷Q8. 估計污垢熱阻系數(shù) 初算傳熱系數(shù)K9. 初算總傳熱面積A10. 參照標準系列，初選換熱器 確定換熱器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：d、l、n、t、D、管程數(shù)、折流板型式及數(shù)目等，并確定設(shè)備臺數(shù)。 11. 校核 校核傳熱系數(shù)、 平均溫差、傳熱面積12. 驗算換熱器的壓力降 壓力降的影響因素很多，一般隨操作壓力不同而有一個大致范圍（參考相關(guān)手冊）。如果不符合要求，要重新選擇。13. 畫出換熱器設(shè)備草圖。 由機械設(shè)備設(shè)計人員完成

13、換熱器的詳細部件設(shè)計。 換熱器設(shè)計軟件：HTFS 、HTRI6.2.4 塔設(shè)備的選型與設(shè)計按接觸方式連續(xù)（微分）接觸式填料塔逐級接觸式板式塔一、塔設(shè)備設(shè)計的基本要求 生產(chǎn)能力大，氣液處理量大。 具有較高的傳質(zhì)、傳熱效率，保證氣液兩相良好接觸。操作穩(wěn)定，操作彈性大，氣液負荷有較大波動時仍能在較高的傳質(zhì)效率下穩(wěn)定操作，且能長期連續(xù)運轉(zhuǎn)。 流體流動的阻力或壓力降小，降低生產(chǎn)中的動力消耗和經(jīng)常性的操作費用的要求。 結(jié)構(gòu)簡單可靠，材料耗用量小，制造安裝容易，設(shè)備的投資費用低。 耐腐蝕，不易堵塞，操作方便，易于檢修。 抓住主要矛盾，最大限度滿足工藝要求。 二、塔類型的選擇板式塔填料塔壓降較大小尺寸填料較大

14、；大尺寸填料及規(guī)整填料較小空塔氣速較大小尺寸填料較??；大尺寸填料及規(guī)整填料較大塔效率較穩(wěn)定，效率較高傳統(tǒng)填料低；新型亂堆及規(guī)整填料高持液量較大較小液氣比適應(yīng)范圍較大對液量有一定要求安裝檢修較易較難材質(zhì)常用金屬材料金屬及非金屬材料均可造價大直徑時較低新型填料投資較大填料塔和板式塔主要性能對比新型填料及規(guī)整填料塔競爭力較強。 三、填料塔設(shè)計程序 (1) 匯總設(shè)計參數(shù)和物性數(shù)據(jù)。(2) 選用填料。填料是填料塔內(nèi)汽一液接觸的核心元件。填料類型和填料層的高度直接影響傳質(zhì)效果。因而，選擇填料是填料塔設(shè)計的一個重要內(nèi)容。(3) 確定塔徑D (4) 計算填料塔壓降 (5) 驗算。 保證UUmin（漏液速度），

15、負責(zé)重新調(diào)整計算。(6) 計算填料層高度Z。(7) 計算塔的總高度H H=Hd+Z+(n-1)Hf+Hb(8) 塔內(nèi)附件的設(shè)計和選定支撐板自由截面積填料空隙率，支撐板強度足以支承填料重量。液體噴淋裝置彎管式、多孔直管式、蓮蓬頭式、分布盤 液體再分布裝置截錐式和升氣管式分布器 氣體分布器 除霧器折板除霧器、絲網(wǎng)除霧器、旋流板除霧器或干填料層 (9) 繪制塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖向設(shè)備專業(yè)提供工藝設(shè)計條件繪制塔設(shè)備簡圖，并標注必要的尺寸，注明各管口的位置等。 (1) 匯總設(shè)計參數(shù)和物性數(shù)據(jù)。(2) 根據(jù)物料特性、分離要求確定塔板結(jié)構(gòu)。(3) 進行工藝計算(4) 塔徑計算 四、板式塔設(shè)計程序(5) 塔節(jié)上人孔、

16、手孔的確定。(6) 塔高確定。(7) 塔內(nèi)流體力學(xué)核算，作負荷性能圖。(8) 輔助裝置選型設(shè)計。(9) 繪制塔設(shè)備草圖和設(shè)備設(shè)計條件圖，包括支承、開口方位、人孔、手孔位置等。6.2.5 反應(yīng)器的選型與設(shè)計一、反應(yīng)器分類管式反應(yīng)器 釜式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器按反應(yīng)器的幾何構(gòu)形分類按反應(yīng)物的相態(tài)分類均相反應(yīng)器：如氣相均相、液相均相反應(yīng)器非均相反應(yīng)器：氣固相反應(yīng)器按操作方式分類連續(xù)式反應(yīng)器間歇式反應(yīng)器半連續(xù)反應(yīng)器按反應(yīng)器內(nèi)物流流動狀態(tài)分類理想平推流反應(yīng)器理想全混流反應(yīng)器非理想流反應(yīng)器二、反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容及設(shè)計要點反應(yīng)器設(shè)計基本內(nèi)容：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特性來選擇合適的反應(yīng)器形式；結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器傳

17、遞特性確定反應(yīng)器型式及操作方式；根據(jù)給定生產(chǎn)規(guī)模對反應(yīng)器進行設(shè)計，確定反應(yīng)器的幾何尺寸。反應(yīng)器設(shè)計要點： 保證物料轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)時間； 滿足反應(yīng)的熱傳遞要求； 設(shè)計適當?shù)臄嚢杵骰蝾愃谱饔玫臋C構(gòu)。 注意材質(zhì)選用和機械加工要求。三、釜式反應(yīng)器設(shè)計程序(1) 根據(jù)工藝流程的特點，確定反應(yīng)釜操作方式；(2) 匯總設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：生產(chǎn)規(guī)模、反應(yīng)時間、溫度、裝填系數(shù)、物料性質(zhì)等；(3) 計算反應(yīng)釜體積；(4) 確定反應(yīng)釜設(shè)計(選用)體積和臺數(shù)；(5) 反應(yīng)釜直徑和筒體高度、封頭確定；(6) 傳熱面積計算和校核；夾套和加熱盤管(7) 攪拌器設(shè)計；(8) 管口和開孔設(shè)計；(9) 畫出反應(yīng)器設(shè)計草圖。四、固定床反應(yīng)

18、器設(shè)計(1) 匯總物料衡算和物性數(shù)據(jù)。(2) 計算床體體積。(3) 計算床高和直徑假設(shè)床層D，根據(jù)床層有效體積核算床層H，再估算催化劑堆積高度，驗算氣速，保證反應(yīng)的停留時間。如果假設(shè)不合理，重新假設(shè)再試算。(4) 驗算流體阻力和傳熱系數(shù)K。阻力，床層D，動力消耗實踐中寧可增加催化劑體積，也不主張流體阻力偏大，以免影響整個操作體系。傳熱系數(shù)K一般取經(jīng)驗值或中試值。(5) 繪制反應(yīng)器設(shè)計條件圖，決定床層和床底、床頂?shù)拈_口方位、標注尺寸等。6.3 化工設(shè)備圖 化工設(shè)備圖是化工設(shè)備制造、安裝、使用、維修的重要技術(shù)文件，也是進行技術(shù)交流、設(shè)備改造的工具。 一、化工設(shè)備圖的分類(1) 設(shè)備總圖表示化工設(shè)備

19、及附屬裝置全貌、組成和特性的圖樣。它應(yīng)表達設(shè)備各主要部分結(jié)構(gòu)特征、裝配連接關(guān)系、主要特征尺寸和外形尺寸，并寫明技術(shù)要求，技術(shù)特性等技術(shù)資料。 (2) 裝配圖：表示化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸、各零部件間的裝配連接關(guān)系，并寫明技術(shù)要求和技術(shù)特性等技術(shù)資料的圖樣。 (3) 部件圖：表示可拆或不可拆部件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、技術(shù)要求和技術(shù)特性等技術(shù)資料的圖樣。(4) 零件圖：表示化工設(shè)備零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小及加工、熱處理、檢驗等技術(shù)資料的圖樣。(6) 表格圖：用綜合列表方式表示結(jié)構(gòu)形狀相同、尺寸大小不同的化工設(shè)備、部件、零件的圖樣。 (7) 標準圖：經(jīng)國家有關(guān)主管部門批準的標準化或系列化設(shè)備、部件或零件

20、的圖樣。(8) 通用圖：經(jīng)過生產(chǎn)考驗，結(jié)構(gòu)成熟，能重復(fù)使用的系列化設(shè)備、部件和零件的圖紙。 二、化工設(shè)備圖的基本內(nèi)容 1. 標題欄設(shè)計單位，設(shè)備(項目)名稱，圖紙名稱，圖號，設(shè)計階段，比例，圖紙張數(shù)(共張、第張)，設(shè)計、制圖、校核、審核、審定等人的簽字及日期。 2. 明細表說明組成本張圖紙的各部件，一般格式如下： 3. 管口表將本設(shè)備各管口用英文小寫字母自上而下按順序填入表中，表明各管口的位置和規(guī)格等。4. 技術(shù)特性表將設(shè)備設(shè)計、制造、使用的主要參數(shù)(設(shè)計壓力、工作壓力、設(shè)計溫度、工作溫度、各部件的材質(zhì)、焊縫系數(shù)、腐蝕裕度、物料名稱、容器類別及專用化工設(shè)備的接觸物料的特性等)技術(shù)特性以列表方式表示，供施工、檢驗、生產(chǎn)中執(zhí)行。5. 技術(shù)要求以文字對化工設(shè)備的技術(shù)條件，應(yīng)該遵守和達到的技術(shù)指標等，逐條書寫清楚。6. 注常寫在技術(shù)要求的下方。用來補充說明技術(shù)要求范圍外，但又必須作出交待的問題。三、化工設(shè)備圖的繪制 繪制方法對已有設(shè)備進行測繪，主要用于仿制已有設(shè)備或?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備進行革新改造。依據(jù)化工工藝人員提供的“設(shè)備設(shè)計條件單”進行設(shè)計和繪制。1. 化工設(shè)備圖的視圖選擇 (1) 選擇主視圖應(yīng)按設(shè)備的工作位置，使主視圖能充分表達其工作原理、裝配關(guān)系及主要零部件的形狀結(jié)構(gòu)。(2) 確定其他基本視圖根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，確定基本視圖數(shù)量及其他基本視