化工原理课程设计课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1章,化工原理课程设计基础,第1章化工原理课程设计基础,1.1化工设计与化工原理课程设计概述,1.1.1化工设计的分类与化工设计的内容,工程设计是科学技术转化为生产力的桥梁和纽带,是整个工,程项目建设的灵魂,决定着工业现代化的水平,在工程建设中,处于主导地位,它对工程质量、建设周期、投资效益以及投,产后的经济效益和社会效益起着决定性的作用。,1.1化工设计与化工原理课程设计概述,化工设计是工程设计领域中一个很重要的分支。从一个化,工新产品(或一个化工新技术)的试验研究开始到进行工厂,(或装置)的建设,整个阶段一般需要进行两大类设计:第一类,是新技术开发过程中的几个重要环节,即概念设计、中试设,计和基础设计等,这类设计一般由项目研究单位的工程开发,部门负责;第二类是工程建设过程中的几个重要环节,它包括,可行性研究、初步设计、扩初设计和施工图设计等,这类设,计一般由研究单位委托设计单位组织实施。,化工设计是工程设计领域中一个很重要的分支。从一个化工新产品,一个较为完整的化工设计通常涉及化工工艺、土建(房屋和,设备基础等)、给排水、采暖、通风、保温、冷冻、电气、,自控、仪表、预(概)算等各类专业,其中工艺专业的设计决,定了整个设计的概貌,是设计的核心,其他非工艺专业的设计,则是以工艺设计为基础的。,因此,化工设计工作是由工艺项目与非工艺项目所组成的统,一体,它需要由工艺设计人员与非工艺设计人员通力合作共,同完成。,一个较为完整的化工设计通常涉及化工工艺、土建(房屋和设备基,化工设计应包括以下主要内容:, 化工工艺设计;, 总图运输设计;, 土建设计;, 公用工程(供电、供热、给排水、采暖、照明和通风等),设计;,化工设计应包括以下主要内容:, 自动控制设计;, 机修、电修等辅助车间设计;, 外管设计;, 工程概算与预算。,其中,化工工艺设计是化工工程设计的主体。一是任何,一个化工工程项目的设计都是从工艺设计开始,并以工艺设, 自动控制设计;,计结束;二是在整个工程设计过程中非工艺设计要服从工艺,设计,同时工艺设计又要考虑和尊重其他各专业的特点与合,理要求,在整个设计过程中进行协调。因此,工艺设计关系到,整个工程设计的成败与优劣。,1.1.2化工工艺设计的主要内容,进行化工工艺设计首先要编制设计方案。为此,要对建设项,目进行认真调研,全面了解建设项目的各个方面。最好对几,计结束;二是在整个工程设计过程中非工艺设计要服从工艺设计,个设计方案进行对比分析,权衡利弊,最后选用技术上先进、,经济上合理、生产上安全、并对环境友好的最佳方案。,化工工艺设计一般应包括下面几项内容:, 原料路线和技术路线的选择;, 工艺流程设计;, 物料衡算;,个设计方案进行对比分析,权衡利弊,最后选用技术上先进、经济, 能量衡算;, 设备的工艺设计和选型;, 车间布置设计;, 化工管路设计;, 非工艺设计项目的考虑,即由工艺设计人员提出非工艺设,计项目的设计条件;, 能量衡算;, 编制设计文件,包括编制设计说明书、附图和附表等。,通常,化学加工过程是将一种或几种化工原料,经过一系,列物理的和化学的单元操作,最终获得产品。这一系列的单,元操作必须在相应的单元设备内进行。用管道将这些单元,设备连接起来,以便于物料从一个单元设备传送到另一个单,元设备。为了便于对物料的控制,往往在设备和管道的相应,位置安装一些测量、显示和控制元件。这些设备、连接设,备的管路和相应的控制元件一起就组成了化工生产的工艺, 编制设计文件,包括编制设计说明书、附图和附表等。,流程。,因此,在化工设计中,化工单元设备的设计是整个化工过程和,装置设计的核心和基础,并贯穿于设计过程的始终。从这个,意义上说,作为化工类及其相关专业的本科生乃至研究生,熟,练地掌握常用化工单元设备的设计方法无疑是十分重要,的。,1.1.3化工原理课程设计的基本要求及基本内容,流程。,化工原理课程设计的对象是化工单元操作设备的工艺设计,它是化工工艺设计的主体和重要组成部分,本书作为化工原,理课程设计教材,旨在加强对化工类及其相关专业学生综合,应用本门课程和有关先修课程所学知识进行实践能力的培,养,注重提高学生分析与解决工程实际问题的能力。同时,培,养学生树立正确的设计思想和实事求是、严谨负责的工作,作风。,(1)化工原理课程设计的基本要求,化工原理课程设计的对象是化工单元操作设备的工艺设计,它是化,通过化工原理课程设计,要求学生应在下面几个方面得到较,好的培养和训练。, 培养和锻炼学生查阅资料、收集数据和选用公式的能,力。通常,设计任务书给出后,有许多物料的理化参数需要设,计者去查阅、收集和整理,有些物性参数特别是混合物的物,性参数直接查取比较困难,常常需要估算,计算公式也要由设,计者自行选用。这就要求设计者运用各方面的知识,详细而,全面地考虑后再确定。,通过化工原理课程设计,要求学生应在下面几个方面得到较好的培, 培养和锻炼学生正确选择设计参数的能力。树立从技术,上可行、经济上合理和生产上安全等方面考虑工程问题的,观点,同时还须考虑到操作维修方便和环境保护的要求,亦即,对于课程设计不仅要求计算正确,还应从工程的角度综合考,虑各种因素,从总体上得到最佳结果。, 不仅正确而且迅速地进行工程计算。设计计算常常是一,个需要反复试算的过程,计算的工作量很大,因此应反复强调,“正确”与“迅速”。, 培养和锻炼学生正确选择设计参数的能力。树立从技术上可行, 掌握化工原理课程设计的基本程序和方法。学会用简洁,的文字和适当的图表表达自己的设计思想。,(2)化工原理课程设计的基本内容,化工原理课程设计应包括如下基本内容。, 设计方案简介对给定、选定或自行组织的工艺流程、,主要设备的型式进行简要的论述。, 掌握化工原理课程设计的基本程序和方法。学会用简洁的文字, 工艺设计计算选定工艺参数,进行物料衡算、能量衡算,和单元设备的工艺结构计算,绘制相应的工艺流程图,标出物,流量、能流量及主要测控点。, 辅助设备设计与选型典型辅助设备主要工艺尺寸的计,算、设备型号规格的选定等。, 带控制点的工艺流程图以单线图的形式绘制,标出主体,设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量及主要测控, 工艺设计计算选定工艺参数,进行物料衡算、能量衡算和单,点。, 主体设备设计工艺条件图主体设备设计工艺条件图上,应包括设备的主要工艺结构尺寸、技术特性表和接管表。, 设计说明书的编写设计说明书的内容应包括:设计任务,书,目录,设计方案简介,工艺计算及主要设备设计,工艺流程,图和主要设备的工艺条件图,辅助设备的计算和选型,设计结,果汇总,设计评述,参考资料等。,点。,整个课程设计主要由文字论述、工艺计算和设计图表三部,分组成。论述应该条理清晰、观点明确;计算力求方法正确,误差控制在工程设计允许的范围之内,计算公式和所用数据,必须注明出处;图表应能既简明又准确地表达设计和计算的,结果。,1.2化工生产工艺流程设计,化工生产工艺流程设计各个阶段的设计成果都,整个课程设计主要由文字论述、工艺计算和设计图表三部分组成。,是用各种工艺流程图纸和表格表达出来的,按照,设计阶段的不同,先后有方框流程图、工艺流程,草(简)图、工艺物料流程图、带控制点的工艺流,程图和管道仪表流程图等。方框流程图是在工,艺路线选定后对工艺流程进行概念性设计时完,成的一种流程图,不编入设计文件;工艺流程草,(简)图是一种半图解式的工艺流程图,它实际上,是用各种工艺流程图纸和表格表达出来的,按照设计阶段的不同,只是方框流程图的一种变体或深入,只带有示意,的性质,供设计计算时使用,也不列入设计文件,中;工艺物料流程图和带控制点的工艺流程图应,列入初步设计阶段的设计文件中;管道仪表流程,图则应列入施工图设计阶段的设计文件中。,本节先介绍流程图的图形符号、标注方法等规,只是方框流程图的一种变体或深入,只带有示意的性质,供设计计,定,然后介绍作为设计文件的工艺物料流程图,(PFD,process flow diagram)、带控制点的工艺流,程图(PCD,process and control diagram)和管道仪,表流程图(PID,piping and instrument diagram)。,1.2.1工艺流程图中常见的图形符号,1.2.1.1常见设备图形符号,定,然后介绍作为设计文件的工艺物料流程图(PFD,proc,工艺流程图中,常用细实线画出设备的简略外形和内部特征。目,前,很多设备的图形已有统一的规定,其图例可参见表1-1。,工艺流程图上应标注设备的位号及名称。,(1)标注的内容,设备位号标注的内容如下:,工艺流程图中,常用细实线画出设备的简略外形和内部特征。目前,第一个字母是设备分类代号,用设备名称英文单词的第一个字母,表示,各类设备的分类代号见表1-2。在设备分类代号之后是设备,编号,一般用四位数字组成,第1、2位数字是设备所在的工段(或车,间)代号,第3、4位数字是设备的顺序编号。例如设备位号T1218表,示第12车间(或工段)的第18号塔。设备位号在整个系统内不得重,复,且在所有工艺图上设备位号均需一致,如有数台相同设备,则在,其后加大写英文字母,例如T1218A。,表1-1工艺流程图中装备、机器图例摘录(HG/T 205192009),类别,代号,图例,塔,T,反应器,R,换热器,E,工业炉,F,容器,V,其后加大写英文字母,例如T1218A。表1-1工艺流程图中,表1-1工艺流程图中装备、机器图例摘录(HG/T 205192009),类别,代号,图例,容器,V,泵,P,压缩机,C,表1-1工艺流程图中装备、机器图例摘录(HG/T 2051,表1-1工艺流程图中装备、机器图例摘录(HG/T 205192009),其他机械,M,表1-1工艺流程图中装备、机器图例摘录(HG/T 2051,表1-2设备分类代号,设备类别,代号,设备类别,代号,设备类别,代号,塔,T,反应器,R,起重运输,设备,L,泵,P,工业炉,F,计量设备,W,压缩机、,风机,C,火炬、烟,囱,S,其他机械,M,换热器,E,容器,(槽、,罐,),V,其他设备,X,表1-2设备分类代号设备类别代号设备类别代号设备类别代号塔,(2)标注的方法,设备位号应在两个地方进行标注,一是在图上方或下方,标注的位,号排列要整齐,尽可能排在相应设备的正上方或正下方,并在设备,位号线下方标注设备的名称。二是在设备内或其近旁,此处仅注,位号,不注名称。但对于流程简单、设备较少的流程图,也可直接,从设备上用细实线引出,标注设备号。,1.2.1.2常用管件和阀门图形符号,(2)标注的方法,常用管件和阀件图形符号见表1-3。,常用管件和阀件图形符号见表1-3。,表1-3常用管件和阀件图形符号摘录(HG/T 205192009),名称,图例,名称,图例,Y形过滤器,文氏管,T形过滤器,喷射器,截止阀,锥形过滤器,阻火器,节流阀,表1-3常用管件和阀件图形符号摘录(HG/T 20519,表1-3常用管件和阀件图形符号摘录(HG/T 205192009),消音器,角阀,闸阀,止回阀,球阀,直流截式阀,隔膜阀,底阀,蝶阀,疏水阀,减压阀,放空管,表1-3常用管件和阀件图形符号摘录(HG/T 20519,表1-3常用管件和阀件图形符号摘录(HG/T 205192009),旋塞阀,敞口漏斗,三通旋塞阀,同心异径管,四通旋塞阀,视镜,弹簧式安全阀,爆破膜,杠杆式安全阀,喷淋管,表1-3常用管件和阀件图形符号摘录(HG/T 20519,1.2.1.3常用仪表参量代号、仪表功能代号及仪表图形符号,仪表参量代号见表1-4,仪表功能代号见表1-5,仪表图形符号见表1-,6,常用流量检测仪表和检出元件的图形符号见表1-7,仪表安装位,置的图形符号见表1-8。图中圆圈直径为10mm,用细实线绘制。,1.2.1.3常用仪表参量代号、仪表功能代号及仪表图形符号,表1-4仪表参量代号,参量,代号,参量,代号,参量,代号,温度,T,质量,(重量),m(W),厚度,温差,T,转速,N,频率,f,压力,(或真,空,),P,浓度,C,位移,S,压差,P,密度,(相对,密度,),长度,L,质量,(或体,积,)流量,G,分析,A,热量,Q,表1-4仪表参量代号参量代号参量代号参量代号温度T质量(重,表1-4仪表参量代号,液位,(或料,位,),H,湿度,氢离子浓,度,pH,表1-4仪表参量代号液位(或料位)H湿度氢离子浓度,氢离子浓度通常以它的负对数pH来表示。,表1-5仪表功能代号,功能,代号,功能,代号,功能,代号,指示,Z,积算,S,联锁,L,记录,J,信号,X,变送,B,调节,T,手动遥控,K,氢离子浓度通常以它的负对数pH来表示。表1-5仪表功,表1-6仪表图形代号,符,号,意,义,就,地,安,装,集,中,安,装,通,用,执,行,机,构,无,弹,簧,气,动,阀,有,弹,簧,气,动,阀,带,定,位,器,气,动,阀,活,塞,执,行,机,构,电,磁,执,行,机,构,电,动,执,行,机,构,变,送,器,转,子,流,量,计,孔,板,流,量,计,表1-6仪表图形代号符号意义就,表1-7常用流量检测仪表和检出元件的图形符号,序号,名称,图形符,号,备注,序号,名称,图形符,号,备注,1,孔板,4,转子,流量计,圆圈,内应标,注仪表,位号,表1-7常用流量检测仪表和检出元件的图形符号序号名称图形符,表1-7常用流量检测仪表和检出元件的图形符号,2,文丘,里管及,喷嘴,5,其他,嵌在管,道中的,检测仪,表,圆圈,内应标,注仪表,位号,3,无孔,板取压,接头,6,热电,偶,表1-7常用流量检测仪表和检出元件的图形符号2文丘里管,表1-8仪表安装位置的图形符号,序号,安装位,置,图形符,号,备注,序号,安装位,置,图形符,号,备注,1,就地,安装仪,表,3,就地,仪表盘,面安装,仪表,嵌在管,道中,4,集中,仪表盘,后安装,仪表,表1-8仪表安装位置的图形符号序号安装位置图形符号备注,表1-8仪表安装位置的图形符号,2,集中,仪表盘,面安装,仪表,5,就地,安装仪,表盘后,安装仪,表,表1-8仪表安装位置的图形符号2集中仪表盘面安装仪,1.2.1.4物料代号,流程图中常见物料的代号见表1-9。,1.2.1.4物料代号,表1-9常见物料代号,物料,代号,物料名,称,物料,代号,物料名,称,物料,代号,物料名,称,物料,代号,物料名,称,一,工艺物,料代号,二,辅助公,用工程,代号,二,辅助公,用工程,代号,二,辅助公,用工程,代号,表1-9常见物料代号物料物料名称物料物料名称物料物料名,表1-9常见物料代号,PA,工艺空,气,MS,中压蒸,汽,(饱和,或微过,热,),FL,液体燃,料,RWR,冷冻盐,水回水,MUS,中压蒸,汽过热,蒸汽,FS,固体燃,料,RWS,冷冻盐,水上水,PG,工艺气,体,SC,蒸汽冷,凝水,NG,天然气,DR,排液、,导淋,PGL,气液两,相流工,艺物料,TS,伴热蒸,汽,D,污油,FSL,溶盐,PGS,气固两,相流工,艺物料,BW,锅炉给,水,F,燃料油,FV,火炬排,放气,PL,工艺液,体,CSW,化学污,水,G,填料油,H,氢,PLS,液固两,相流工,艺物料,CWR,循环冷,却水回,水,L,润滑油,H,加热油,PS,工艺固,体,CWS,循环冷,却水上,水,R,原油,TG,惰性气,PW,工艺水,DNW,脱盐水,S,密封油,N,氮,二,辅助公,用工程,代号,DW,饮用,水、生,活用水,AG,气氨,氧,AR,空气,FW,消防水,AL,液氨,SL,泥浆,CA,压缩空,气,HWR,热水回,水,ERG,气体乙,烯或乙,烷,VE,真空排,放气,IA,仪表空,气,HWS,热水上,水,ERL,液体乙,烯或乙,烷,VT,放空,HS,高压蒸,汽,(饱和,或微过,热,),RW,原水、,新鲜水,FRG,氟里昂,气体,三,其他,HUS,高压过,热蒸汽,CG,转化气,SW,软水,FRL,氟里昂,液体,LS,低压蒸,汽,(饱和,或微过,热,),SG,合成气,WW,生产废,水,PRG,气体丙,烯或丙,烷,LUS,低压过,热蒸汽,TG,尾气,FG,燃料气,PRL,液体丙,烯或丙,烷,表1-9常见物料代号PA工艺空气MS中压蒸汽(饱和或,注:物料代号中如遇到英文字母“O”应写成“,”,在工程设,计中遇到本规定以外的物料时,可予补充代号,但不得与上列代号,相同。,1.2.1.5工艺流程图中图线宽度的规定,工艺流程图中图线宽度的规定见表1-10。,注:物料代号中如遇到英文字母“O”应写成“”,在工程设,表1-10工艺流程图中图线宽度的规定,类别,图形线宽,/mm,0.91.2,0.50.7,0.150.3,带控制点工艺流,程图,主物料管道,辅助物料管道,其他,辅助物料管道系,统图,辅助物料管道总,管,支管,其他,表1-10工艺流程图中图线宽度的规定类别图形线宽/mm,1.2.2工艺流程设计,1.2.2.1方框流程图和生产工艺流程草图,为便于进行物料衡算、能量衡算及有关设备的工艺计算,在设计,的最初阶段,首先要绘制方框流程图(BFD),定性地标出物料由原料,转化为产品的过程、流向以及所采用的各种化工过程及设备。,方框流程图和生产工艺流程草图仅供设计者使用,不列入设计文,件中。,1.2.2工艺流程设计,1.2.2.2工艺物料流程图,在完成物热衡算后便可绘制工艺物料流程图(PFD),它是以图形与,表格相结合的形式来表达物热衡算的结果,从而使设计流程定量,化。物料流程图简称物流图(实际上包括物流与能流,因为物流本,身具有能量流),它是初步设计阶段的主要设计成品,提交设计主管,部门和投资决策者审查,如无变化,在施工图设计阶段则不必重新,绘制。,由于物流图标注了物料衡算和热量衡算的结果数据,所以它除了,1.2.2.2工艺物料流程图,为设计审查提供资料外,还可用作日后生产操作和技术改造的参,考资料,因而是非常有用的设计档案资料。,因为在绘制物料流程图时尚未进行设备设计,所以物料流程图中,设备的外形不必精确,常采用标准规定的设备表示方法简化绘制,有的设备甚至简化为符号形式。设备的大小不要求严格按比例绘,制,但外形轮廓应尽量做到按相对比例绘出。,物料流程图中最关键的部分是物流表,它是人们读图时最为关心,的内容。物流表包括物料名称、质量流量、质量分数、摩尔流量,为设计审查提供资料外,还可用作日后生产操作和技术改造的参考,和摩尔分数,有些物流表中还列出物料的某些参数(如温度、压,力、密度等)。,热量衡算的结果除了可在物流图中的物流表内列出外,通常是在,相应的设备位置附近表示,如在换热器旁注明其热负荷(详见图1-,1)。,物料流程图作为初步设计阶段的主要设计成品,其作用如下:作,为下一步设计的依据;为接受审查提供资料;可供日后操作参,考。,和摩尔分数,有些物流表中还列出物料的某些参数(如温度、压力,图1-1是物料流程图的一个示例。,1.2.2.3带控制点的工艺流程图,在初步设计阶段,除了完成工艺计算、确定工艺流程外,还应确定,主要工艺参数的控制方案,所以初步设计阶段在提交物料流程图,的同时,还要提交带控制点的工艺流程图(PCD)。在画工艺流程图,时,工艺物料管道用粗实线,辅助物料管道用中粗线,其他用细实,线。图纸和表格中的所有文字均采用长仿宋体。,图1-1是物料流程图的一个示例。,在带控制点的工艺流程图中,一般应画出所有工艺设备、工艺物,料管线、辅助管线、阀门、管件以及工艺参数(温度、压力、流,量、物位、pH值等)的测量点,并表示出自动控制的方案。它是由,工艺专业人员和自控专业人员共同合作完成的。,借助带控制点的工艺流程图,可以比较清楚地了解设计的全貌。,带控制点的工艺流程图应包括如下内容。,(1)物料流程,在带控制点的工艺流程图中,一般应画出所有工艺设备、工艺物料,物料流程包括:, 设备示意图,大致依设备外形尺寸按比例画出,标明设备的主要,管口,适当考虑设备合理的相对位置;, 设备流程号;, 物料与动力(水、汽、真空、压缩机、冷冻盐水等)管线及流向,(用箭头线表示);,物料流程包括:, 管线上的主要阀门、设备及管道的必要附件,如疏水器、管道,过滤器、阻火器等;, 必要的计量、控制仪表,如流量计、液位计、压力表、真空表,及其他测量仪表等;, 简要的文字注释,如冷却水、加热蒸汽来源、热水及半成品去,向等。,(2)图例, 管线上的主要阀门、设备及管道的必要附件,如疏水器、管道,图例是将物料流程图中画的有关管线、阀门、设备附件、计量-,控制仪表等图形用文字予以说明。,(3)图签,图签是写出图名、设计单位、设计人员、制图人员、审核人员,(签名)、图纸比例尺、图号等项内容的一份表格,其位置在流程图,的右下角。,图1-2是一个带控制点的工艺流程图示例。,图例是将物料流程图中画的有关管线、阀门、设备附件、计量-控,1.2.2.4管道仪表流程图,管道仪表流程图(PID)是化工装置工程设计中最重要的图纸之一,一般在施工图设计阶段完成,是该设计阶段的主要设计成品之一,它反映的是工艺流程设计、设备设计、管道布置设计、自控仪表,设计的综合成果。,管道仪表流程图要求画出全部设备、全部工艺物料管线和辅助管,线,还包括在工艺流程设计时考虑为开车、停车、事故、维修、,取样、备用、再生所设置的管线以及全部的阀门、管件等,还要,1.2.2.4管道仪表流程图,详细标注所有的测量、调节和控制器的安装位置和功能代号。因,此,它是指导管路安装、维修和运行的主要档案性资料。,图1-3是管道仪表流程图的一个示例。,1.2.2.5工艺流程设计的基本原则,工程设计本身存在一个多目标优化问题,同时又是政策性很强的,工作,设计人员必须有优化意识,必须严格遵守国家的有关政策、,法律规定及行业规范,特别是国家的工业经济法规、环境保护法,详细标注所有的测量、调节和控制器的安装位置和功能代号。因此,规、安全法规等。一般来说,设计者应遵守如下一些基本原则。, 技术的先进性和可靠性运用先进的设计工具和设计方法,尽,量采用当前的先进技术,实现生产装置的优化集成,使其具有较强,的市场竞争能力。同时,对所采用的新技术要进行充分的论证,以,保证设计的科学性和可靠性。, 装置系统的经济性在各种可采用方案的分析比较中,技术经,济评价指标往往是关键要素之一,以求得以最小的投资获得最大,的经济效益。,规、安全法规等。一般来说,设计者应遵守如下一些基本原则。, 可持续及清洁生产树立可持续及清洁生产意识,在所选定的,方案中,应尽可能重复利用生产装置产生的废弃物,减少废弃物的,排放,乃至达到废弃物的“零排放”,实现“绿色生产工艺”。, 过程的安全性在设计中要充分考虑到各个生产环节可能出,现的危险事故(燃烧、爆炸、毒物排放等),采取有效安全措施,确保,生产装置的可靠运行及人员健康和人身安全。, 过程的可操作性及可控制性生产装置应便于稳定可靠操,作。当生产负荷或一些操作参数在一定范围内波动时,应能有效, 可持续及清洁生产树立可持续及清洁生产意识,在所选定的,快速地进行调节和控制。, 行业性法规如药品生产装置的设计,要符合“药品生产及质,量管理规范”。,1.3主体设备设计工艺条件图,主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位,的关键设备,如传热中的换热器,蒸发中的蒸发器,快速地进行调节和控制。,蒸馏和吸收中的塔设备(板式塔和填料塔),干燥,中的干燥器等。一般来说,单元设备在不同单元,操作中的主体地位常常是不一样的,即使同一设,备在不同单元操作中其作用也不尽相同,如某一,设备在某个单元操作中为主体设备,而在另一单,元操作中则可变为辅助设备。例如,换热器在传,热中为主体设备,而在精馏或干燥操作中就变为,蒸馏和吸收中的塔设备(板式塔和填料塔),干燥中的干燥器等。,辅助设备。泵、压缩机等也有类似的情况。,主体设备设计条件图是将设备的结构设计和工,艺尺寸的计算结果用一张总图表示出来,通常由,负责工艺设计的人员完成,它是进行装置施工图,设计的重要依据。图面上应包括如下内容:, 设备图形,指设备主要尺寸(外形尺寸、结构,辅助设备。泵、压缩机等也有类似的情况。,尺寸、连接尺寸)、接管和人孔等;, 技术特性,指装置设计和制造检验的主要性能,参数。通常包括设计压力、设计温度、工作压,力、工作温度、介质名称、腐蚀裕度、焊缝系,数、容器类别(指压力等级,分为类外、一类、二,类、三类四个等级)及装置的尺度(如贮罐类为全,尺寸、连接尺寸)、接管和人孔等;,容积、换热器类为换热面积等);, 管接口表,注明各管口的符号、公称尺寸、连,接方式、用途等;, 设备组成一览表,注明组成设备的各部件的名,称等。,容积、换热器类为换热面积等);,图1-4是主体设备设计条件图的一个示例。,图1-4主体设备设计条件图,图1-4是主体设备设计条件图的一个示例。图1-4主体设备设,应予指出,以上设计全过程统称为设备的工艺设,计。完整的设备设计,应在上述工艺设计基础上,再进行机械结构设计和强度校核,最后提供可供,加工制造的施工图。这一环节在高等院校的教,学中,属于化工机械专业的专业课程,在设计部门,则属于机械设计组的职责。,应予指出,以上设计全过程统称为设备的工艺设计。完整的设备设,由于学时所限,化工原理课程设计一般要求学生,只提供初步设计阶段的带控制点的工艺流程图,和主体设备设计的工艺条件图即可。,1.4混合物物性数据的估算,物性数据获取的途径主要有三个:实验测定;,从有关手册和文献专著中查取;经验估算和推,由于学时所限,化工原理课程设计一般要求学生只提供初步设计阶,算。有些物性,特别是混合物的性质,查取困难,更,多的是采用经验的方法进行估算和推算,这里仅,介绍混合物常用物性数据的估算方法。,1.4.1混合物的平均摩尔质量,1.4.1.1混合气体,M,m,=,y,i,M,i,(1-1),算。有些物性,特别是混合物的性质,查取困难,更多的是采用经,式中,M,m,为混合气体的平均摩尔质量,kg/kmol;,y,i,为气体组分,i,的摩尔,分数;,M,i,为气体组分,i,的摩尔质量,kg/kmol。,1.4.1.2混合溶液,M,m,=,x,i,M,i,(1-2),式中,M,m,为混合溶液的平均摩尔质量,kg/kmol;,x,i,为溶液组分,i,的摩尔,分数;,M,i,为溶液组分,i,的摩尔质量,kg/kmol。,式中,Mm为混合气体的平均摩尔质量,kg/kmol;yi为气,1.4.2混合物的密度,1.4.2.1混合气体,m,=,或,m,=,y,i,i,(1-3),式中,m,为混合气体的密度,kg/m,3,;,y,i,为组分,i,的体积分数(或摩尔分,数);,i,为组分,i,的气体密度,kg/m,3,;,P,为混合气体的总压,N/m,2,;,M,m,为混,合气体的平均摩尔质量,kg/kmol。,1.4.2混合物的密度,上式仅适用于混合气体压力不太高时的场合,如压力较高或要求,更高的计算精度,可用压缩因子法或其他方法进行处理。,1.4.2.2混合液体,m,=,(1-4),式中,m,为混合液体的密度,kg/m,3,;,w,i,为组分,i,的质量分数;,i,为组分,i,的密度,kg/m,3,。上式使用条件为理想溶液。,上式仅适用于混合气体压力不太高时的场合,如压力较高或要求更,1.4.3混合物的黏度,1.4.3.1混合气体,常压下气体混合物的黏度可以通过各组分的纯物质黏度、摩尔质,量及摩尔分数由下式求得:,=,(1-5),式中,为0、常压下混合气体的黏度,mPas;,y,i,为组分,i,的摩尔分,1.4.3混合物的黏度,数;,为0、常压下组分,i,的黏度,mPas;,M,i,为组分,i,的摩尔质量,kg/,kmol。,若压力较高且对比温度,T,r,和对比压力,p,r,大于1的情况下,纯组分的黏,度可利用对比态原理从压力对黏度的影响图中查出,亦可用下式,进行校正:,i,=,(1-6),式中,m,为关联指数。,数;为0、常压下组分i的黏度,mPas;Mi为组分i的,对常见气体,和,m,值见表1-11。,表1-110、常压下纯组分气体的黏度及关联指数m,气体组分,/mPas,m,气体,/mPas,m,CO,2,H,2,N,2,CO,CH,4,O,2,H,2,S,1.34,10,-2,0.84,10,-2,1.66,10,-2,1.66,10,-2,1.20,10,-2,1.87,10,-2,1.10,10,-2,0.935,0.771,0.756,0.758,0.8,CS,2,SO,2,NO,2,NO,HCN,NH,3,空气,0.89,10,-2,1.22,10,-2,1.79,10,-2,1.35,10,-2,0.98,10,-2,0.96,10,-2,1.71,10,-2,0.89,0.981,0.768,对常见气体,和m值见表1-11。表1-110、常压下纯, 系反推值。,气体混合物的黏度为:,m,=,(1-7),上式对含H,2,较高的混合气体不适用,误差高达10%。,1.4.3.2混合液体, 系反推值。,液体混合物的黏度与组成之间一般不存在线性关系,有时会出现,极大值、极小值或者既有极大值又有极小值或S形曲线关系,目前,还难以用理论预测。除实验测定外,工程上大多采用一些经验或,半经验的黏度模型进行关联和计算。,对于互溶非缔合性混合液体的黏度可用下式计算:,lg,m,=,x,i,lg,i,(1-8),式中,m,为混合溶液的黏度,mPas;,i,为与混合溶液同温下组分,i,的黏,液体混合物的黏度与组成之间一般不存在线性关系,有时会出现极,度,mPas;,x,i,为混合溶液中组分,i,的摩尔分数。,还可根据Kendall-Mouroe混合规则计算:,=(,x,i,)(1-9),式中符号意义同上。此式适用于非电解质、非缔合性液体,且两,组分的分子量之差和黏度之差不大(,15mPas)的液体。对油类,计算的误差为2%3%。,度,mPas;xi为混合溶液中组分i的摩尔分数。,1.4.4混合物的热导率,1.4.4.1混合气体, 非极性气体混合物由Broraw法计算:,(1-10), 常压下一般气体混合物,1.4.4混合物的热导率,m,=,(1-11),式中,m,为常压及系统温度下气体混合物的热导率,W/(mK);,i,为常,压及系统温度下组分,i,的热导率,W/(mK);,y,i,为混合气体中组分,i,的,摩尔分数;,M,i,为组分,i,的摩尔质量,kg/mol。,对于高压气体混合物热导率的计算,常常需将高压纯组分关系式,与相应的混合规则相结合后按特定关系式计算,具体方法可参考,有关文献。,m=(1-11),1.4.4.2混合液体, 有机液体混合物的热导率,m,=,w,i,i,(1-12), 有机液体水溶液的热导率,m,=0.9,w,i,i,(1-13), 胶体分散液与乳液,1.4.4.2混合液体,m,=0.9,c,(1-14), 电解质水溶液的热导率,m,=,w,(1-15),式中,w,i,为混合液中组分,i,的质量分数;,c,为连续相组分的热导率,W,/,(,m,);C,p,、M分别为电解质水溶液的比热容、密度及相对摩,尔质量;,w,、C,p,w,、,w,、M,w,分别为水的热导率、比热容、密度及相,对摩尔质量。,m=0.9c(1-14),1.4.5混合物的比热容,1.4.5.1混合气体,压力对固体热容的影响很小,一般不予考虑;对液体也只有在临界,点附近才有影响,一般情况下亦可忽略;压力虽对理想气体的热容,无影响,但对真实气体的热容影响却较显著。各种真实气体纯组,分在温度T及压力p下的比热容C,pi,与同样温度下理想气体组分的比,热容,之差(C,pi,-,)与对比温度T,r,(T,r,=T/T,c,)及对比压力p,r,(p,r,=p/p,c,),有关,(C,pi,-,)的数值符合对比态原理,可通过查对比状态曲线图获,1.4.5混合物的比热容,取真实气体的,C,pi,值。, 理想气体混合物(或低压真实气体混合物),=,y,i,(1-16),式中,、,分别为1,kmol,理想气体混合物及理想气体组分i的比,热容,kJ,/,kmol,;y,i,为理想气体混合物中组分i的摩尔分数。, 真实气体混合物(压力较高时)求真实气体混合物的比热容时,取真实气体的Cpi值。,首先求取混合气体在同样温度下处于理想气体状态时的比热容,再根据混合气体的假临界温度T,c,(,T,c,=,y,i,T,c,i,)和假临界压力,p,c,(,p,c,=,y,i,p,c,i,),求取混合气体的假对比温度,T,r,和假对比压力p,r,最后在,对比状态图上查出(C,p,m,-,)值,求取C,p,m,值。,1.4.5.2液体混合物,液体混合物的比热容还没有比较理想的计算方法,一般借助于理,想气体混合物的公式按组分组成加和求取。这种做法对分子结构,相似的混合液体还比较准确,对其他液体混合物会产生较大的误,首先求取混合气体在同样温度下处于理想气体状态时的比热容,差。,液体混合物的比热容由下式计算,C,p,m,=,w,i,C,pi,(1-17),式中,C,p,m,、C,pi,分别为1,kg,液体混合物及组分i的比热容。,本公式的使用适用于下列情形之一:各组分不互溶;相似的非,极性液体混合物(如碳氢化合物、液体金属);非电解质水溶液,差。,(有机物水溶液);有机溶液。但不适用于混合热较大的互溶混合,液。,1.4.6混合物的汽化潜热,混合物的汽化潜热既可按摩尔分数加权平均,也可按质量分,数加权平均。,r,m,=,x,i,r,i,kJ,/,kmol,r,m,=,w,i,r,i,kJ/kg(1-18),(有机物水溶液);有机溶液。但不适用于混合热较大的互溶混合,式中,r,m,、r,m,分别为1,mol,和1,kg,混合物的汽化潜热;r,i,、r,i,分别为,组分i的摩尔汽化潜热和质量汽化潜热;x,i,、w,i,分别为组分i的,摩尔分数和质量分数。,1.4.7混合液的表面张力,1.4.7.1常压液体混合物,当系统压力小于或等于大气压时,液体混合物的表面张力可由下,式求得:,式中,rm、rm分别为1mol和1kg混合物的汽化潜热;r,m,=,x,i,i,(1-19),1.4.7.2非水溶液混合物,对非水溶液混合物,可按,Macleod,-,Sugden,法或快速估算法计算。,(1),Macleod,-,Sugden,法,=,P,i,(,Lm,x,i,-,Gm,y,i,)(1-20),式中,m,为混合液的表面张力,mN,/,m,;P,i,为组分i的等张比容,m=xii(1-19),;x,i,、y,i,为液相、汽相的摩尔分数;,Lm,、,Gm,分别为混合物,液相、汽相的摩尔密度,mol,/,cm,3,。,本法的误差对非极性混合物一般为5%10%,对极性混合物为5%,15%。,(2)快速估算法,=,x,i,(1-21),;xi、yi为液相、汽相的摩尔分数;Lm、Gm分别为混,对于大多数混合物,=1,若为了更好地符合实际,可在-3+1之间选,择。,1.4.7.3含水溶液,有机物分子中烃基是疏水性的,有机物在表面的浓度高于主体部,分的浓度,因而当少量的有机物溶于水时,足以影响水的表面张,力。在有机物溶质浓度不超过1%时,可用下式求取溶液的表面张,力:,对于大多数混合物,=1,若为了更好地符合实际,可在-3,=1-0.411,lg,(1-22),式中,w,为纯水的表面张力,mN,/,m,;x为有机物溶质的摩尔分数;为,特性常数,见表1-12。,=1-0.411lg(1-22),表1-12特性常数值,有,机,物,丙,酸,正,丙,酸,异,丙,酸,醋,酸,甲,酯,正,丙,胺,甲,乙,酮,正,丁,酸,异,丁,酸,正,丁,醇,异,丁,醇,甲,酸,丙,酯,醋,酸,乙,酯,丙,酸,甲,酯,1,0,4,26,26,26,26,19,19,7,7,7,7,8.5,8.5,8.5,有,机,物,二,乙,酮,丙,酸,乙,酯,醋,酸,丙,酯,正,戊,酸,异,戊,酸,正,戊,醇,异,戊,醇,丙,酸,丙,酯,正,己,酸,正,庚,酸,正,辛,酸,正,癸,酸,表1-12特性常数值有机物丙酸正丙酸异丙酸,表1-12特性常数值,1,0,4,8.5,3.1,3.1,1.7,1.7,1.7,1.7,1.0,0.7,5,0.1,7,0.0,34,0.0,25,表1-12特性常数值1048.53.13.11.7,二元的有机物-水溶液的表面张力在宽浓度范围内用下式求取:,=,sw,+,so,(1-23),式中,sw,=,x,sw,V,w,/,V,s,so,=,x,so,V,o,/,V,so,sw,和,so,通过下式求取,o,=,x,o,V,o,/(,x,w,V,w,+,x,o,V,o,),(1-24),w,=,x,w,V,w,/(,x,w,V,w,+,x,o,V,o,),(1-25),二元的有机物-水溶液的表面张力在宽浓度范围内用下式求取:,B=,lg,(,/,o,),(1-26),Q=0.441(q/T)(,o,/q-,w,)(1-27),A=B+Q,(1-28),lg,(,/,so,)=,A,(1-29),sw,+,so,=1,(1-30),式中,下角,w,、,o,、,s,分别指水、有机物及表面部分;x,w,、x,o,分别为水,B=lg(/o)(1-26),和有机物主体部分的摩尔分数;V,w,、V,o,分别为水和有机物主体部,分的摩尔体积;,w,、,o,分别为纯水和有机物的表面张力;q为与分子,结构有关的参数,其值决定于有机物的型式与分子的大小,见表1-1,3所示。,若用于非水溶液,q=溶质摩尔体积/溶剂摩尔体积,本法对14个水系统和2个醇-醇系统,当q值小于5时,误差小于10%;,和有机物主体部分的摩尔分数;Vw、Vo分别为水和有机物主体部,当q值大于5时,误差小于20%。,表1-13q值的确定,物质,q,举例,脂肪酸、醇,碳原子数,乙酸,:,q,=2,酮类,碳原子数减,1,丙酮,:,q,=2,脂肪酸的卤代衍生物,氯代乙酸,:q=,当q值大于5时,误差小于20%。表1-13q值的确定物,