化工设备的工艺设计

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,*,第六章 化工设备的工艺设计,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、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：,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 m,3,(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,6.5.3.1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=N,0G,H,0G,or Z=N,0L,H,0L,Z -填料高度,N,0G,-气相总传质单元数,H,0G,-气相总传质单元高度,N,0L,-液相总传质单元数,H,0L,-液相总传质单元高度,N,0G,:气相总传质单元数,N,0L:,液相总传质单元数,6.5.4板式吸收塔的设计,H,0G:,气相总传质单元高度,H,0L:,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 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=Q,0,(t+t,0,),t-反应时间,t,0,-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H,2,SO,4,为催化剂，其动力学方程式如下：,A指己二酸,70下 k=1.97x10,-3,L/(molmin),C,A0,=4mol/L,每天处理己二酸2400kg,每批操作的辅助生产时间t,0,=1h,求：X,A,=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,F,A0,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=9.58m,3,圆整 V=10 m,3,（2）连续釜：串联、并联,V,-反应釜有效体积，M,3,Q,0,-反应器入口液体物料的,体积流量 M,3,/min,-物料在釜内的平均停留时间,C,A0,-反应釜入口液体中关键组分,A 的浓度mol/L,X,Af,-反应釜液体中关键组分A转化率。,R,Af,-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。,（3）确定设备的安装标高、支撑形式。,（4）编制管口方位图。,6.7.2 非标设备的设计条件图内容：,(1)设备技术特性及要求。,(2)操作条件,(3)物料的物性参数,(4)建议材质,(5)设备简图,(6)各种管口名称、规格、连接形式、压力等级、用途等,（7）设备支撑条件、安装高度。,思考题：,1。泵、换热器、塔、储罐及反应器的选用。,2。如何计算塔的高度、直径？如何计算反应器的体积,？,