第四章1设备的工艺设计及化工设备图课件

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,*,第四章 设备的工艺设计及化工设备图,化工设计,基本要求：,掌握化工设备选用（设计）原则,熟练进行化工设备的选用或设计,掌握化工设备图的绘制及表示方法,设备工艺及设备图的计算机辅助设计,第一节 化工设备选用的一般原则,化工设计,化工设备分为两类：,标准设备或定型设备,非标准设备或非定型设备,化工设备选用,（选型和工艺设计）,第一节 化工设备选用的一般原则,化工设计,一、设备分类（两类）,标准设备或定型设备,是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。,非标准设备或非定型设备,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。,第一节 化工设备选用的一般原则,化工设计,二、选型和工艺设计的原则：,合理性,：即设备必须满足工艺要求，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，又能充分发挥设备的能力。,先进性：,要求设备的运转可靠性、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。,第一节 化工设备选用的一般原则,安全性：,要求安全可靠、操作稳定、弹性好、无事故隐患。对工艺和建筑、地基、厂房等无苛刻要求；工人在操作时，劳动强度小，尽量避免高温高压高空作业，尽量不用有毒有害的设备附件附料。,经济性：,设备投资节省，设备易于加工、维修、更新，没有特殊的维护要求，运行费用减少。引进先进设备，亦应反复对比报价，考察设备性能，并易于被国内消化吸收改进利用，避免盲目性。,化工设计,第一节 化工设备选用的一般原则,化工设计,系统性：,化工过程是一个完整的系统，设备设计时不能仅关注单一设备，避免因个别设备妨碍整个系统优化；注重经济性的同时，还应通盘考虑，保留适当裕量，以免在日后扩产和工艺调整时成为系统“瓶颈”。,设备选型和工艺设计的原则：,综合考虑合理性、先进性、安全性、经济性和系统性的原则，审慎研究，认真设计。,第二节 化工设备的选用,化工设计,标准设备或定型设备,是成批系列生产的设备，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，计算并选择和确定某种型号。,为正确、方便地进行化工设备的工艺设计，介绍常用的化工设备的选用及设计,方法,:,第二节 化工设备的选用,化工设计,一、泵的选用与设计程序,( 1,）确定泵型,( 2,）确定选泵的流量和扬程,( 3,）确定泵的安装高度。,( 4,）确定泵的台数和备用率。,（,5,）校核泵的功率,（,6,）确定驱动形式,（,7,）选用电动机,（,8,）填写选泵规格表,第二节 化工设备的选用,化工设计,二 换热设备的设计和选用,1,换热器设计的,一般原则,：,( 1,）基本要求 ；,( 2,）介质流程 ；,( 3,）终端温差 ；,( 4,）流速 ；,( 5,）压力降 ；,( 6,）传热系数 ；,( 7,）污垢系数 ；,( 8,）尽量选用标准设计和标准系列,第二节 化工设备的选用,化工设计,2,管壳式,换热器的设计和系列选用,（,1,）汇总设计数据、分析设计任务,根据工艺衡算和工艺物料的要求、特性，获得物料流量、温度、压力和化学性质、物性参数，取得有关设备的负荷、流程中的地位与流程中其他设备的关系等数据。,（,2,）设计换热流程,在换热设计时，应将换热的工艺流程仔细探讨，以利于充分利用热量，充分利用热源。,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,3,）选择换热器的材质,根据介质的腐蚀性能和其他有关性能，按照操作压力，温度，材料规格和制造价格，综合选择。,（,4,）选择换热器类型,根据热负荷和选用的换热器材料，选定某一种类型。,（,5,）确定换热器中冷热流体的流向,据热载体的性质，换热任务和换热器的结构，决定采用并流，逆流或错流折流等。,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,6,）确定和计算平均温差,Atm,确定终端温差，根据化学工程有关公式，算出平均温差。,（,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,a 1,、,a2,。,（,8,）估计污垢热阻系数并初算出传热系数,K,在有关书中已详细叙述，利用现有各种工艺算图，将公式和经验汇集在一起，可以方便地求取,K,。在许多设计工作中，,K,常常选取一些经验值，作为粗算或试算的依据，许多手册书籍中都罗列出各种条件下的,K,的经验值。但经验值所列的数据范围较宽，应作试算，并与,K,值的计算公式结果参照比较。,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,9,）算出总传热面积,A,。,（,10,）调整温度差，再算一次传热面积。,在工艺的允许范围内，调整介质的进出口温度，或者考虑到生产的特殊情况，重新计算,Atm,，并重新计算,A,值。,（,11,）选用系列换热器。,根据两次或三次改变温度算出的传热面积,A,，并考虑有,10,一,25 %,的安全系数，确定换热器的选用传热面积,A,。从国家标准系列换热器型号中，选择符合工艺要求和车间布置（立式或卧式）的换热器，并确定设备的台数。,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,12,）验算换热器的压力降。,一般利用工艺算图或由摩擦系数通过化学工程的公式计算。如果核算的压力降不在工艺的允许范围之内，应重选设备。,（,13,）校核传热系数,K,（,14,）画出换热器设备草图。,由设备机械设计人员完成换热器的详细部件设计 。,第二节 化工设备的选用,化工设计,三、贮罐容器的选型和设计,（一）贮罐的选择,按使用目的的不同，可分为贮存容器的计量、回流、中间周转、缓冲、混合等工艺容器。,（二）设计贮罐的一般,程序,（,1,）汇集工艺设计数据。,包括物料衡算和热量衡算，贮存物料的温度、压力，最大使用压力、最高使用温度、最低使用温度，腐蚀性、毒性、蒸汽压、进出量、贮罐的工艺方案等。,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,2,）选择容器材料。,对有腐蚀性的物料可选用不锈钢等金属材料，在温度压力允许时可用非金属贮罐、搪瓷容器或由钢制压力容器衬胶、搪瓷、衬聚四氟乙烯等。,( 3,）容器型式的选用。,我国已有许多化工贮罐实现了系列化和标准化。在贮罐型式选用时，应尽量选择已经标准化的产品。,( 4,）容积计算。,容积计算是贮罐工艺设计和尺寸设计的核心，它随容器的用途而异。,第二节 化工设备的选用,化工设计,( 5,）确定贮罐基本尺寸,根据物料密度、卧式或立式的基本要求、安装场地的大小，确定贮罐的大体直径。依据国家规定的设备零部件即筒体与封头的规范，确定一个尺寸。据此计算贮罐的长度，核实长径比，如长径比太大，应重新调整，直到大体满意。,( 6,）选择标准型号,各类容器有通用设计图系列。根据计算初步确定它的直径、长度和容积，在有关手册中查出与之符合或基本相符的标准型号。,第二节 化工设备的选用,化工设计,( 7,）开口和支座,在选择标准图纸之后，要设计并核对设备的管口。在设备上考虑进料、出料、温度、压力（真空）、放空、液面计、排液、放净以及人孔、手孔、吊装等装置，并留有一定数目的备用孔。如标准图纸的开孔及管口方位不符合工艺要求而又必须重新设计时，可以利用标准系列型号在订货时加以说明并附有管口方位图。容器的支承方式和支座的方位在标准图系列上也是固定的，如位置和形式有变更时，则在利用标准图订货时加以说明，并附有草图。,第二节 化工设备的选用,化工设计,( 8,）绘制设备草图（条件图），标注尺寸，提出设计条件和订货要求,选用标准图系列的有关图纸，应在标准图的基础上，提出管口方位、支座等的局部修改和要求，并附有图纸，作为订货的要求。如标准图不能满足工艺要求，应重新设计，绘制设备容器的外形轮廓，标注一切有关尺寸，包括容器管口的规格，并填写“设计条件表”，由设备专业的人员，进行非标准设备设计。,第二节 化工设备的选用,化工设计,四、塔器的选型与设计,1,塔型,选择基本原则, 生产能力大，弹性好。,随着化工装置大型化，生产能力要求尽量地大，而根据生产经验，工艺流程中精馏往往是限制环节。很多精馏塔设计中考虑诸如造价、结构或压降、分离效率等因素较多，而常常未将塔的操作弹性放在重要位置，从而造成投产后设备不大适应工艺条件和生产能力的较大波动。,第二节 化工设备的选用,化工设计, 满足工艺要求，分离效率高。,工艺上要分离的液体有很多特殊要求，如沸点低、难分离、有腐蚀性、有污垢物等，对塔型要慎加选择。, 运转可靠性高，操作、维修方便。, 结构简单，加工方便，造价较低。, 塔压降小。,对于真空塔或要求塔压降低的塔来说，压降小的意义更为明显。通常选择塔型未必能满足所有的原则，应抓住主要矛盾，最大限度满足工艺要求。,第二节 化工设备的选用,化工设计,2,填料塔设计程序,（,1,）汇总设计参数和物性数据处理。,包括全塔的物料平衡，塔的温度、压力，塔内液相和气相的流量，气液相物料的密度、粘度、扩散系数，汽液平衡数据、亨利常数、溶解度数据等；工艺要求包括工艺过程中要求塔分离后物料的纯度、工艺物料衡算中要求塔的产率等。,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,2,）选用填料。,填料是填料塔内汽一液接触的核心元件。填料类型和填料层的高度直接影响传质效果。因而，选择填料是填料塔设计的一个重要内容。,（,3,）确定塔径,D,。,（,4,）计算填料塔压降。,（,5,）验算塔内的喷淋密度。,应按实际塔径验算塔内的喷淋密度是否大于最小喷淋密度。如果喷淋密度太小，将不能保证填料充分润湿，应重新调整计算。,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,6,）计算填料层高度,Z,。,填料层高度的计算是填料塔设计中重要的一环。有许多计算方法和经验公式，通常采用“传质单元法”和“等板高度法”。,（,7,）计算塔的总高度,H,（,8,）塔的其他附件设计和选定,（,9,）绘制塔设备结构图,第二节 化工设备的选用,化工设计,3,板式塔设计程序,（,1,）汇总设计参数和物性数据。,（,2,）选择板式塔的塔板结构,常根据物料特性、分离要求来确定塔板结构。为了便于设备设计和制造，在满足工艺要求条件下，原化工部有关部门将一些塔板结构参数加以系列化，设计时可以直接选用。,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,3,）进行工艺计算,（,4,）塔径计算,（,5,）塔节上人孔，手孔的确定,（,6,）塔高确定,（,7,）塔内流体力学核算，作负荷性能图,（,8,） 辅助装置选型设计,（,9,）绘制塔设备草图和设备设计条件,第二节 化工设备的选用,化工设计,五、反应器的选型和设计,1,反应器的,设计要点,在反应器设计时，除了通常说的“合理、先进、安全、经济”原则，在落实到具体问题时，考虑下列设计要点：,（,1,）保证物料转化率和反应时间。,设计者根据物料的转化率和必要的反应时间，在选择反应器型式时，可以作为重要依据；选型以后，可计算反应器的有效容积，确定长径比及其他基本尺寸，决定设备的台件数。,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,2,）满足反应的热传递要求。,化学反应往往都有热效应，要及时移出或加入适量热量，因此在设计反应器时，要保证有足够的传热面积，并有一套能适应所设计传热方式的有关装置。此外，在设计反应器时还要有一套温度测控系统。（,3,）设计适当的搅拌器或类似作用的机构,物料在反应器内接触，应当满足工艺规定的要求，使物料处于湍流的状态，有利于传热传质过程的实现。对于釜式反应器，依靠搅拌器来实现物料流动和混合接触；对于管式反应器，往往由外加动力调节物料的流量和流速。,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,4,）注意材质选用和机械加工要求,反应釜的材质选用通常都是根据工艺介质有无腐蚀性，或在反应产物中防止铁离子渗入、要求无锈，或要考虑反应器在清洗时可能碰到腐蚀性介质等。此外，选择材质与反应器的反应温度、加热方法有关联，与反应粒子的摩擦程度、摩擦消耗等因素也有关。,第二节 化工设备的选用,化工设计,2,反应釜设计程序,（,1,）确定反应釜操作方式,根据工艺流程的特点，确定反应釜是连续操作还是间歇操作。,（,2,）汇总设计基础数据,工艺计算依据如生产能力、反应时间、温度、装料系数、物料膨胀比、投料比、转化率、投料变化情况以及物料和反应产物的物性数据、化学性质等。,（,3,）计算反应釜体积,（,4,）确定反应釜设计（选用）体积和台数,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,5,）反应釜直径和筒体高度、封头确定,（,6,）传热面积计算和校核,（,7,）搅拌器设计,对于搅拌器的选型根据液体粘度、釜的容积、操作目的和主要影响因素来选型。,（,8,）管口和开孔设计,根据进出料口，夹套开孔，釜底釜盖开孔，有关仪器仪表接口，手孔、人孔等。,（,9,）画出反应器设计草图（条件图），或选型型号。,第二节 化工设备的选用,化工设计,3,固定床反应器设计,对于气固相催化反应的固定床来说，主要问题是催化剂的体积和用量，床层堆积方案、床径和高度，传热面积。通常设计步骤如下,：,（,1,）汇总物料衡算和物性数据,按工艺要求的年生产量算出要求的每小时进料量。,（,2,）计算床体体积,第二节 化工设备的选用,化工设计,（,3,）计算床高和直径,（,4,）验算流体阻力和传热系数,K,（,5,）绘制反应器设计条件图,第三节 非定型设备设计的主要程序,化工设计,设备的工艺设计，是化工工程设计中的一项繁重、量大、技术要求高的工作，其中标准设备和定型设备可根据工艺设计条件从有关资料中查出，直接列表，但非定型设备则要求进行设计 。,设计的主要工作和程序,第三节 非定型设备设计的主要程序,化工设计,（,1,）工艺流程上确定设备的化工单元类型。,这一步在化工工艺流程设计时已大体确定，如使用旋风分离器实现气固分离，用气流干燥装置实现干燥，用离心机过滤进行液固分离等。在经过化工物料衡算之后，进行设备工艺计算时，仍有可能确定更为先进的化工单元过程和设备，从而对工艺流程提出修正和更改,（,2,）确定设备材质。,根据工艺操作条件和设备的工艺要求，确定适应要求的设备材质。,第三节 非定型设备设计的主要程序,化工设计,（,3,）汇集设计条件。,根据物料衡算和热量衡算，确定设备负荷、转化率和效率要求，确立设备的工艺操作条件如温度、压力、流量、流速、投料方式和投料量、卸料、排渣形式、工作周期等，作为设备设计和工艺计算的主要依据。,（,4,）选定设备的基本结构型式。,根据各类设备的性能、使用特点和适用的范围，依据各类规范、样本和说明书、进行权衡比较，确定该设备的基本结构型式。,第三节 非定型设备设计的主要程序,化工设计,（,5,）设计设备的基本尺寸。,根据设计数据进行必要的计算和分析，确定化工设备的基本外形尺寸，如外径、高度、搅拌器主要尺寸、转速、容积、流量、压力等；确定设备的各种工艺附件，如进出料口、排料装置等；设备基本尺寸计算和设计完成之后，画出设备示意草图，标注各类特征尺寸。,（,6,）选型和选择标准图纸 。,确定基本结构型式之后，根据工艺计算，选用某一个型号的设备。定型设备有型号可查，不是定型设备的，在设计出基本尺寸之后，应查阅有关标准规范，将有关尺寸规范化，尽量选用标准图纸。,第三节 非定型设备设计的主要程序,化工设计,（,7,）设计成果数据汇总。,（,8,）向设备制造设计（机械设计）专业提出设计条件和设备草图,由设备设计专业人员根据各种规范进行机械设计、强度设计和检验，提出施工图等，而工艺设计人员则应向他们提出设计的条件，如材质、温度、压力、装载系数、运转周期、维修安装要求和设备开口、支承等等。,（,9,）汇总列出设备一览表。,第三节 非定型设备设计的主要程序,化工设计,序号,设计文件名称,专业负责人,专业组长,设计,校核,审核,审定,1,初步设计文件,(,编制,),(,校核,),2,工程设计规定,(,编制,),(,校核,),3,设备简图,(,设备工程图,总图及详图,计算书,4,三类容器和复杂关键特殊设备,总图,（注,1,）,零部件图,（注,2,）,计算书,（注,1,）,说明书,第三节 非定型设备设计的主要程序,化工设计,5,一、二类特殊设备,总图,零部件图,计算书,6,一般特殊设备,总图,零部件图,计算书,7,工程标准、程序说明书,(,编制,),(,校核,),（注,2,）,8,标准图、通用图,（注,2,）,9,设备通用技术规定,(,编制,),(,校核,),（注,2,）,10,采购,(,询价,),技术规格书或请购单,(,校核,),(,审核,),（注,3,）,