1、第第5 5章章 设备的选型和设计计算设备的选型和设计计算化工设备概况化工设备概况化工设备是组成化工装置的基本单元，工程设计的基础从设计角度分类标准设备（定型设备）非标准设备（非定型设备）标准设备标准设备 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。非标准设备非标准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。
2、在设计非标准设备时，应尽量采用已经标准化的图纸。工艺设备的选型原则p合理性合理性：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。p先进性先进性：设备运转可靠、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。p安全性安全性：p经济性经济性：p系统性系统性：不妨碍整个系统优化，保留适当裕量。分类分类:液体物料输送设备泵气体物料输送、压缩、制冷设备风机、压缩机、真空泵、制冷机固体物料输送设备给料机械设备、气流输送设备5.1 5.1 物料输送设备物料输送设备作用于液体原理分类叶片式泵 离心泵（屏蔽泵、管道泵、自吸泵、无堵塞泵等）轴流泵 旋涡泵容积式泵 往复泵（活
3、入泵，柱塞泵、计量泵等）转子泵（齿轮泵、螺杆泵、滑片泵、蠕动泵等）5.1.1液体输送设备除此外还按照用途、结构特点分类A.A.概况概况B.技术指标（1）型号IH 50 32 160 A叶轮直径第一次切割叶轮名义直径（mm）泵排出口直径（mm）泵吸入口直径（mm）泵的型号代号（2）扬程（3）流量（4）必需汽蚀余量（NPSHr）（5）功率与效率C.其他形式的泵油泵耐腐蚀泵液下泵屏蔽泵隔膜泵计量泵齿轮泵螺杆泵旋涡泵轴流泵p通风机p鼓风机p压缩机p真空泵5.1.2 5.1.2 气体输送、压缩设备气体输送、压缩设备通风机u低压离心通风机 风压1KPau中压离心通风机 风压1KPa 3KPau高压离心通风
4、机 风压3KPa 15KPa旋转式（罗茨鼓风机）离心式（离心鼓风）919 No7.1A传动方式（有ABCD四种）机号（数字表示叶轮直径mm/100）型号代号（9 19 为高压离心式通风机）型号表示型号表示鼓风机容积式 往复式（活塞式、膜式）回转式（滑片式、螺杆式、转子式）速度式 轴流式 离心式 混流式A.A.分类分类压缩机（1）中小型活塞式机类型 a）L型、V型、W型、卧式、立式等 b）水冷式、空冷式、单级、多级等（2）工作原理（3）技术指标：排气量、排气压力、进出口气体温度、冷却水用量、功率等B.B.活塞式空气压缩机活塞式空气压缩机工作时，主轴带动叶轮旋转，空气自轴进入以很高速度被离心力甩出
5、叶轮，进入流通面积慢慢扩大的扩压器中，时气体的速度降低而压力提高螺杆式空气压缩机依靠螺旋形转子相互啮合而进行气体压缩的。在形汽缸中平行放置两个高速回转、按一定转动比相互啮合的螺旋形转子，形成进气、压缩和排气过程。C.C.离心式空气压缩机离心式空气压缩机D.D.螺杆式空气压缩机螺杆式空气压缩机（1）活塞式制冷机：应用范围广、高速、热效率高等优点，缺点是结构复杂、运行稳定性差（2）离心式制冷机：转速高、制冷量大、运行平稳、经济等。缺点是效率低于活塞式制冷机（3）螺杆式制冷机：与活塞式制冷机比，结构简单，体积小、单机压缩比大等制冷机制冷机A 分类（4）溴化锂吸收式制冷机：主要用于空气调节制冷，结构简
6、单、运行平稳、易于自动化（5）氨吸收式制冷机：适用于有余热或廉价燃料且要求冷却水温度度低，水源充足的地区B.化工生产中常用的制冷机（1）活塞式氨压缩制冷机（2）离心式制冷机（3）螺杆式制冷机几个重要参数真空度抽气速率极限真空抽气时间类型A.往复式真空泵B.水循环真空泵C.液环真空泵D.旋片真空泵E.喷射真空泵真空泵A.起重设备 吊钩、手拉葫芦、电动葫芦、电动单梁起重机等，指标有:跨度、最大起重量、运行速度等。B.仓储设备 叉式装卸车、手动液压装卸车、圆筒搬运车、液压升降台等，指标：起重重量、升高高度、空载行走速度等。C.运输设备 移动式皮带输送机、气垫式输送机、螺旋输送机、载货电梯等5.1.3
7、5.1.3固体搬运及粉碎设备固体搬运及粉碎设备D.给料设备 电磁振动给料机、振动漏斗等，技术指标：进了尺寸、激振电动机 型号与功率、激振力等E.破碎设备 粗碎颚式破碎机、环锤式破碎机、锤式破碎机等。技术指标：最大进料力度、排料力度、公称排料口处理能力、电机型号功率。F.计量包装设备 台秤、地磅、配料秤、自动秤量机等5.1.45.1.4输送设备选型输送设备选型泵的选型1 1、确定泵型、确定泵型泵的基本形式、泵的的尺寸泵的基本形式、泵的的尺寸 流量的确定和计算 扬程的确定 确定泵的安装高度。确定泵的台数和备用台数。一般情况下只设一台泵，特殊情况下也可两台同时操作。输送泥浆和特殊原料的泵应设有备用泵
8、。校核泵的轴功率。确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量。选用电动机。填写泵的规格表。2 2、确定泵的流量和计算确定泵的流量和计算A.选用原则(1)排气量、进排气温度、压力以及流体等参数(2)各种压缩机常用气量压力范围(3)空气含湿量(4)吸气量和吸气状态压缩机的选择B.离心式压缩机的型号选择（1）图表选型 通过厂家提供的曲线图选择型号和功率计算（2）估算法选型 计算的数据有：气体常数、绝热指数、压缩指数、进口气体实际流量、总压缩比、转速、轴功率等C.活塞式压缩机的型号选择（1）一般原则 技术参数选择和结构参数选择，满足工艺要求、气体物性要求（2）选型基本数据 气体性质和吸气状态 生产规模或流程需要总供
9、气量 流程需要排气压力 排气温度（3）化工特殊介质使用压缩机的选择 A.立式贮罐平底平盖系列、平底锥系列底90无折边锥形底平盖系列、立式球形封头系列90折边锥形底、椭圆形盖系列、立式椭圆封头系列以上系列适用非易燃易爆、非剧毒化工液体B.卧式贮罐卧式无折边球形封头系列：适用非易燃易爆、非剧毒化工液体。P0.07MPa卧式有折边球形封头系列：化工液体。P=0.254.0MPa5.2 5.2 贮罐贮罐分类分类C.立式圆筒形固定顶贮罐系列（HG21502.1-92）适用贮存石油产品及化工产品。公称容积10030000m3设计温度-19150D.立式圆筒形内浮顶贮罐系列（HG21502.2-92）适用贮
10、存易挥发石油、石油产品及化工产品。公称容积10030000m3设计温度-1980E.球罐系列适用贮存石油化工气体、石油产品、化工原料、公用气体等。占地面积小、贮存容积大。设计压力在400MPa以下公称容积5010000m3F.低压湿式气柜系列（HG21549-92）适用化工、石油化工气体的贮存、缓冲、稳压、混合等。设计压力在4000Pa以下公称容积5010000m3A.设计参数设计压力，由工艺提出设计温度，由工艺提出公称容积，根据物料流量贮存时间公称直径，根据高径比，查阅已有文献腐蚀裕量，贮罐介质设计载荷，包括风载荷，雪载荷等材质选择，根据介质物理性质及工艺贮罐形式，根据介质物性及工艺条件贮罐
11、台数贮罐设计贮罐设计B.容积设计依据：物料流量 贮存时间（考虑a：原料来源和运输方法 b：使 用场合）C.贮罐尺寸的确定定型设备 根据手册查出标准化设备非标准设备 考虑装料系数的高径比H：D装料系数：防止物料溢出安全系数p贮槽、计量槽=0.80.9，p搅拌反应器取=0.70.85p沸腾操作或易起泡设备=0.40.6高径比 一般取H：D=12D.管口方位确定 管口主要有：进料、出料、温度、压力等 保留一定数目的备用孔 根据贮罐大小流量决定管口尺寸数量，管口方位利于工艺管道布置E.确定容器的支承方式F.绘制设备草图（条件图）标注尺寸非标准设备，向设计人员提出设计要求标准设备，参照手册标准 热交换器
12、是化工、炼油和食品等工业部 门广泛应用的通用设备，在化工厂中传热设备占着极为重要的地位，合理 地选用和使用热交换器，可节省投资，降低能耗。5.3 5.3 换热设备换热设备工艺用途加热器、冷却器、蒸发器、空冷器等冷热交换方法间壁式、直接式、蓄热式5.3.1 5.3.1 化工生产中的换热设备化工生产中的换热设备换热设备分类换热设备分类A.管式换热器B.板式换热器蛇管式或者沉浸式：管内液体冷却、或者管外流体加热冷却等。反应釜传热沟件套管式：冷却冷凝用、或者预热。实现严格的逆流操作列管式：分为固定管板式（管壳温差小，管间走清洁液体）、带温差补偿式换热器（管壳温差大，能降低消除温差压力）。板翅式：结构紧
13、凑、传热好、流体阻力大、内部坏了无法重修。用于制氧和低温场合。成形板式：拆洗方便、传热面因需增减。用于温度、压力低液液交换，粘性大液体螺旋板式：严格逆流操作，自洁、回收低温热能间 壁 式A.固定管板式（系列号:JB/T4715-92）B.立式热虹吸式再沸器（JB/T4716-92）C.固定式薄管板换热器（HG21503-92）D.浮头式换热器（JB/T4714-92）E.U型管换热器（JB/T4717-92）F.板式换热器G.螺旋板式换热器（JB/T4723-92）H.搪玻璃换热器（碟片式冷凝器、套筒式、列管式）I.石墨换热器（列管式、YKA型圆块孔式、矩形孔式、列管式石墨降膜吸收器）J.散热
14、器换热设备系列换热设备系列工业炉分类加热流体型熔融固体型直接加热固体型间接加热固体型回转炉型釜式炉火管锅炉水管锅炉管式炉平射炉型平炉型转炉型连续加热炉隧道式窑炉间歇加热炉马弗炉直立式炉内热式回转炉外热式回转炉工业炉管式炉直立圆筒形炉垂直燃烧式（底烧）箱式炉卧式水平燃烧式立式炉卧管（水平管）立管（垂直管）垂直燃烧式（底烧）水平燃烧式特殊燃烧式垂直燃烧式（底烧）水平燃烧式管式炉特殊燃烧式干式干湿式自然通风机械通风开放式风筒式抽风式鼓风式冷却塔分类直接式间接式湿式逆流式横流式逆流式横流式逆流式冷却塔冷却塔淋水装置配水系统通风设备空气分配装置通风筒除水器塔体集水池输水系统其他设施冷却塔组成冷却塔组成空
15、冷器以空气作为冷却介质，对流经管内热流体进行冷却。广泛应用于炼油、石油化工、有机化工等行业。汇总设计数据 分析设计任务 数据是根据物料衡算和工艺物料要求特性、流量、温度、压力和化学性质、物性参数取提有关设备的负荷、流程中的地位与流程中其他设备的关系等数据。设计换热器流程 将换热的工艺流程仔细探讨，以利于充分利用热量和热流。5.3.2 管壳式换热器设计 设计换热器的材质 根据介质的腐蚀性和其它有关性，按照操作压力、温度、材料规格和制造价格，合理选择。选择换热器的类型。确定换热器中冷热流体的流向，根据截体的性质，换热器任务和换热器的结构，采用并流、逆流或错流、折流等。确定和计算平均温差Tm。计算热
16、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1，2。估计污垢热阻系数并初算出传热系数K，K值可查阅，也可用经验公式计算。算出传热面积 A；调整温度差劲，再算一次传热面积A；选用系列换热器，根据计算的换热器面积，并考虑1025%的安全系数，确定换热面积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（立式或卧式长度）的换热器，并确定台数。验算压力降 不符合要求，要重新选择。画出换热器设备草图，向设备机械人员完成换热器的详细部件设计分离方法（1）浮选（2）重力沉降（3）离心沉降（4）过滤5.4 分离设备分类A.过滤式离心机B.沉降式离心机C.高速离心机离心机离心
17、机有很多种，各有特点，可用于液-液，固液相的分离。常用离心机有过滤式，沉降式，高速分离，台式，生物冷冻和旁滤等类型A.压滤机B.转鼓真空过滤机C.盘式过滤机 D.带式过滤机过滤机过滤机A.过滤式离心机的选型原则（1）以原液的性质、状态为选择基准 主要考虑颗粒大小和粒度分布（2）以产品的要求为选择基准。分离设备选用原则分离设备选用原则B.沉降式离心机选择C.过滤机的选择原则主要考虑以下几点1）滤浆的过滤特性2）滤浆的物性3）生产规模气固分离是重要的化工单元操作，在化工、冶金、电力以及环境工程中有着广泛的应 用。气固分离目的为回收有用的物质，如气流干燥产品的收集等；获得洁净气体，如硫铁矿生产硫酸过
18、程中原料气中的粉尘的净化等p除尘器 凡能将粉尘从气体中分离出来，使气体得以净化，粉尘得到回收的设备净化设备除尘器。分为干式除尘器和湿式除尘器p其他除尘器 脉冲袋式除尘器、离心水膜除尘器、洗浴式除尘器、电除尘器p旋风分离器 旋风分离器是利用气固两相密度差的不同，而实现的气固分离设备作圆周运动时产生的离心力而加快其沉降过程。蒸馏塔的设计蒸馏塔的设计蒸馏塔设计的程序如下：(1)列出分高要求：达到产品的质量标准；(2)操作条件选择涧歇或连续，操作压力；(3)设备选型：板式塔或填料塔；(4)塔板数和回流比确定：理论板数或级数；(5)塔尺寸确定：直径，实际塔板数或级数；(6)塔内部构件设计：塔板，分布器，
19、填料支承板；(7)机械设计踞容器和内部构件。5.5 5.5 传质设备传质设备5.5.1 5.5.1 板式塔和填料塔板式塔和填料塔表5-20 板式塔和填料塔的比较项目板塔式填料塔压降较大散装填料较大，规整填料较小空塔气速较大散装填料较小，规整填料较大塔效率较稳定、效率较高传统散装填料低，新型散装及规整填料较高持液量较大较小液汽比适应范围大对液量有一定要求安装检修较容易较难材质金属材料金属或非金属造价大直径较低新型填料投资较大板式塔或填料塔的选择板式塔或填料塔的选择(1)计算气相与液相负荷的最大值与最小值；(2)收集或估算系统的物性数据；(3)选择板间距(试差值)；(4)根据液泛速度估计塔径：(5
20、)决定液体流型；(6)塔板初步布置：降液管、开孔区、孔径、堰高；(7)泄漏点校核若不满意返回(6)；(8)板压降校核，若不满意，返回(6)；(9)降液管校核(溢流液泛校核及降液管内停留时间校核)，若太大，返回(6)或（3)；(10)塔板布置详图：安定区，不开7L面积孔间距校核，若不满意返回(6)；(11)根据选定的塔径重新计算液泛百分比；(12)液沫夹带校核，巷过高返回(4)；(13)优化设计：重复(3)(12)求得最小塔直径和可接受的板间距，要求所需的成本最(14)最终设计：绘出塔板的详细布置图及负荷性能图。板式塔设计板式塔设计填料塔的设计程序如下：(1)选择填料形式及尺寸；(2)根据工艺的
21、分离要求，确定塔高；(3)根据通量，即处理气相与液相负荷，确定塔 径；(4)塔内部构件的选择与设计：填料支承、液体 分布器和液体再分布器。填料塔设计填料塔设计干燥设备分类：(1)按操作方式分类，分为连续式和间歇式。(2)按热量供给方式分类，可分为传导、对流、介电、红外线。传导供热的干燥器有厢式真空、搅拌式、带式真空、滚筒式等。对流供热的干燥器有厢式、穿流循环、流化床、喷男干燥、气流式、直接加热回转式、穿 流循环、通气竖井式移动床等。介电供热的干燥器有微波扁频。红外线供热的干燥器有辐射器。(3)按物料进入干燥器的形状分类。湿物料可为片状、纤维状、结晶颗粒状、硬的糊状 物、预成型糊状物、淤泥、悬浮
22、液、溶液等。(4)按附加特征的适应性分类。有危险性物料、热敏感性物料和特殊形状产品等。5.5.2 5.5.2 干燥设备干燥设备常用干燥设备：A.箱式（间歇式）干燥器B.带式干燥器C.喷雾干燥器D.气流干燥器E.流化床干燥器F.立式通移动床干燥器G.回转干燥器H.真空干燥器 化学反应器是将反应物通过化学反应转化为产物的装置，是化工及其相关工业的核心设备。由于化学反应种类繁多，性质各异，化学反应器的构型及尺寸相差甚远，如窑炉、釜、塔、混合器、高炉、回转窑、反应管等都可进行化学反应，但各种工艺过程完全不同，因此考虑各工艺的特征是十分重要的。5.6 5.6 化学反应器化学反应器5.6.15.6.1概述
23、概述p相态：均相与非均相p操作状态：间歇操作、连续操作、半连续操作p物料流动状态：活塞流或全混合流p传热特征：等温、绝热、非等温非绝热型p构造形式：管式反应器、搅拌式反应器、固定 床反应器等A.分类p固定床反应器：广泛应用于氨合成、SO2、甲烷蒸汽转化、加氢脱硫、甲醇氧化制备甲醛、乙醇制备乙醛、甲醇合成等工业p流化床反应器1.颗粒处于运动状态，表面更新，强化传质。2.颗粒小，催化剂有效系数高。3.流化状态，便于操作。4.传热系数大，换热面积小。5.生产强度大。6.返混严重，一次转化率低。B.B.工艺特点工艺特点p搅拌釜反应器 尽量使容器内各点浓度和温度均匀 广泛应用于液液相反应、气液相反应、气
24、液固催化反应等非均相反应p气液相反应器 鼓泡反应器具有较大持液量和较高的传质传热效率，适用缓慢化学反应和高速放热的情况 气液搅拌反应器适用于气体与粘性液体或悬浮性溶液反应系统 A.气固相反应器主要有：固定床和流化床选择考虑因素：反应热效应、决热温升、催化剂允许的温度范围。B.气液相反应器选型考虑因素：生产强度、能耗、副反应的影响、设备投资、操作性能等。关键因素：与传递特征和反应动力学特征相适应5.6.2 5.6.2 反应器选型反应器选型p搅拌釜式反应器是一种从实验室实验到工业装置均采用的反器p溶积从1L到200立方不等p压力从真空到300MPap温度跨越大从几十度到几百度p物料性质不同，搅拌釜
25、式反应器结构不同，反应器差别大p搅拌釜式反应器常设有加热或冷却设备p分为搪玻璃反应器系列和发酵罐系列5.6.3 5.6.3 搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器5.7 5.7 设备工艺和选型设计计算设备工艺和选型设计计算流程模拟和设计软件产品：AspenplusPro/IIHysysChemCADSuperPro Designer 等一般能完成设备选型、动力消耗、基本工艺参数估算、总体设备尺寸1.用SailorCAM 进行设备选型与计算p杭州万航数据工程有限公司 p采用可视化IDE(集成开发环境)，支持用户定义符合自己需求的化工计算流程。p拥有100多个表格的物化数据库和270多个化工计算流程，数据库
26、可根据需要扩充，基本满足一般的工程物化数据要求。p支持表达式(初等数学构成的公式)、数值算法(高等数学、线形代数构成的数值计算方法)、查表(二维表格数据的查询)和查图(多维输入的因子图查询分析)四大类型节点输入。p适用于设备组成不太复杂的工艺计算和设备选型。p计算书的输出格式支持Ms Word、图形、Web Html。SailorCAM可实现的计算包括：物性计算：临界温度、体积膨胀系数及压缩系数、蒸发潜热、导热系数、粘度、扩散系数、表面张力、爆炸极限 搅拌器计算：搅拌转速、搅拌功率、桨叶的功率准数 换热器计算：传热量、管壳式换热器的计算、螺旋板式换热器计算 管路及流体计算：管路阻力计算、管道流体计算、减压阀和安全阀的选用和计算 化工用泵计算：功率和效率、必需汽蚀余量计算、比转数、扬程计算、真空泵计算 设备及管道绝热设计：常用绝热材料的性能、保温计算参数求取、保温层厚度计算 干燥器计算：湿空气性质、干燥过程的物料衡算与热量衡算、干燥速率、干燥器的特性与计算 固液分离：离心机计算 压缩与膨胀：理想气体的热力学计算、压缩机的种类和选型（往复式压缩机、螺杆压缩机、罗茨鼓风机）2.设备图绘制和计算机辅助设计设备图绘制和计算机辅助设计pPVCAD3.10（全国化工设备设计技术中心站）pCMCAD2019（山东大学）pEPDRAW2000（南京化工设计院）二次开发的化工设备和压力容器绘图软件：
