1、第五章第五章 化工设备设计及设备图化工设备设计及设备图Chart5 The design of chemical equipment5.1 概述概述5.2 化工设备的选型和优化设计化工设备的选型和优化设计5.2.1 物料输送设备物料输送设备5.2.2 贮罐贮罐5.2.3 换热设备换热设备5.2.4 分离设备分离设备5.2.5 传质设备传质设备5.2.6 化学反应器化学反应器5.3 化工设备图化工设备图分分离离设设备备5.1 概概 述述从设计角度分从设计角度分标准设备标准设备(定型设备定型设备)成批生产，直接订货成批生产，直接订货非标准设备非标准设备由工艺专业提供设计条件，由设备专业由工艺专业提
2、供设计条件，由设备专业专门设计，由厂家专门制造的设备。专门设计，由厂家专门制造的设备。化工设备的设计包括标准设备设计和非标准设备设计。化工设备的设计包括标准设备设计和非标准设备设计。一、化工设备设计分类一、化工设备设计分类1.标准设备设计标准设备设计常用标准设备：常用标准设备：泵、风机、冷冻机、过滤机、离心机、搅拌器、压缩泵、风机、冷冻机、过滤机、离心机、搅拌器、压缩机等，生产厂家、型号都很多，可选择范围很大。机等，生产厂家、型号都很多，可选择范围很大。标准设备设计：标准设备设计：根据工艺要求，计算根据工艺要求，计算特征尺寸特征尺寸，查阅相关，查阅相关产品目录或产品目录或样本手册样本手册(列出
3、设备的规格、型号、基本性能参数和厂家列出设备的规格、型号、基本性能参数和厂家)，选择，选择合适设备型号。合适设备型号。标准设备选型标准设备选型2.非标准设备设计非标准设备设计常用非标准设备：常用非标准设备：容器容器(中压、低压、高压中压、低压、高压)、换热器、塔器、干燥设、换热器、塔器、干燥设备、搅拌设备和除尘设备等。备、搅拌设备和除尘设备等。非标准设备设计：非标准设备设计：根据工艺要求，完成工艺计算，提出根据工艺要求，完成工艺计算，提出设备型式、材设备型式、材料、尺寸和其他要求料、尺寸和其他要求，再经过，再经过机械计算及设计机械计算及设计，由相关工厂制造。，由相关工厂制造。必须遵循设备设计的
4、相关标准和规定。必须遵循设备设计的相关标准和规定。化工设备设计化工设备设计向标准化推进向标准化推进，有些原来属于非标准设备的化工装，有些原来属于非标准设备的化工装置，已置，已逐步走向系列化、定型化逐步走向系列化、定型化，已形成了一些，已形成了一些标准图纸标准图纸，有些还有，有些还有了定点生产厂家，如换热器系列、容器系列、搪玻璃设备系列等。因了定点生产厂家，如换热器系列、容器系列、搪玻璃设备系列等。因此，在非标准设备设计时，应尽量采用已标准化的图纸。此，在非标准设备设计时，应尽量采用已标准化的图纸。3.化工设备标准化化工设备标准化二、化工设备设计的原则二、化工设备设计的原则(1)合理性合理性(2
5、)先进性先进性(3)经济性经济性(4)安全性安全性1、明确设计任务与条件、明确设计任务与条件原料（或进料）与产品（或出料）的流量、组成、状态原料（或进料）与产品（或出料）的流量、组成、状态（温度、压力、相态等）、物化性质、流量波动范围等；（温度、压力、相态等）、物化性质、流量波动范围等；设计目的、要求，设备功能；设计目的、要求，设备功能；公用工程条件，如冷却水温度，加热蒸汽压力，气温、湿公用工程条件，如冷却水温度，加热蒸汽压力，气温、湿度等；度等；其他特殊要求。其他特殊要求。三、化工设备设计方法与步骤三、化工设备设计方法与步骤2、调查待设计设备国内外现状及发展趋势、有关新技术及专、调查待设计设
6、备国内外现状及发展趋势、有关新技术及专利状况，设计计算方法等利状况，设计计算方法等4、确定方案、确定方案确定设备的操作条件，如温度、压力、流比等确定设备的操作条件，如温度、压力、流比等确定设备结构型式，评比各类设备结构的优缺点，结合本设计确定设备结构型式，评比各类设备结构的优缺点，结合本设计的具体情况，选择高效、可靠的设备型式的具体情况，选择高效、可靠的设备型式确定单元设备的流程确定单元设备的流程3、收集有关物料的物性数据、腐蚀性质等、收集有关物料的物性数据、腐蚀性质等三、化工设备设计方法与步骤三、化工设备设计方法与步骤 全设备物料与能量衡算全设备物料与能量衡算 设备特性尺寸计算设备特性尺寸计
7、算 如：精馏设备的理论级数、塔径、塔高如：精馏设备的理论级数、塔径、塔高 换热设备的传热面积换热设备的传热面积 流体力学计算流体力学计算 如：流动阻力与操作范围计算如：流动阻力与操作范围计算5、工艺计算、工艺计算三、化工设备设计方法与步骤三、化工设备设计方法与步骤q在设备型式及主要尺寸已定的基础上，根据各种设备常用结构，在设备型式及主要尺寸已定的基础上，根据各种设备常用结构，参考有关资料与规范，详细设计设备各零部件的结构尺寸：参考有关资料与规范，详细设计设备各零部件的结构尺寸：如填料塔要设计液体分布器、再分布器、填料支承、填料压板如填料塔要设计液体分布器、再分布器、填料支承、填料压板和各种接口
8、，各种构件的材料选择、壁厚计算，塔板、塔盘等的和各种接口，各种构件的材料选择、壁厚计算，塔板、塔盘等的机械设计，各种辅助结构如支座、保温支架的设计，总装配图及机械设计，各种辅助结构如支座、保温支架的设计，总装配图及零件图绘制，设备材料表等。零件图绘制，设备材料表等。7、制造技术要求与规范、制造技术要求与规范6、结构设计、结构设计三、化工设备设计方法与步骤三、化工设备设计方法与步骤5.2 典型化工设备的选用和设计方法典型化工设备的选用和设计方法5.2.1 物料输送设备物料输送设备1.收集基础数据收集基础数据介质物性介质物性操作条件操作条件泵所在位置情况泵所在位置情况（一）泵的选用与设计程序（一）
9、泵的选用与设计程序(1)泵的流量（考虑上限）泵的流量（考虑上限）(2)扬程的确定和计算扬程的确定和计算2.确定泵的流量和扬程确定泵的流量和扬程3.选择泵型及泵的具体型号选择泵型及泵的具体型号从工艺角度选择泵类型：从工艺角度选择泵类型：流量大流量大，扬程不高时，可选单级离心泵；，扬程不高时，可选单级离心泵；流程不大，流程不大，扬程高时扬程高时，宜选往复泵或多级离心泵；，宜选往复泵或多级离心泵；输送输送有腐蚀介质有腐蚀介质，选耐腐蚀泵；，选耐腐蚀泵；输送输送昂贵液体、剧毒或放射性液体昂贵液体、剧毒或放射性液体应用完全不泄漏无轴封的屏应用完全不泄漏无轴封的屏蔽泵；蔽泵；当要求当要求精确进料精确进料时
10、，应选用计量泵或柱塞泵。时，应选用计量泵或柱塞泵。输送输送高温介质高温介质时可考虑选用热油泵。时可考虑选用热油泵。再从有关泵制造厂提供的样本和技术资料再从有关泵制造厂提供的样本和技术资料选择泵的具体型号选择泵的具体型号，列，列出所选型号泵以出所选型号泵以清水为基准的性能参数清水为基准的性能参数。4.核算泵的性能核算泵的性能 若输送液体的物理性质若输送液体的物理性质与水有较大差异与水有较大差异，则应对泵，则应对泵的流量、扬程进行核算。并与工艺要求进行对比，确定的流量、扬程进行核算。并与工艺要求进行对比，确定所选泵是否可用。所选泵是否可用。5.确定泵的安装高度确定泵的安装高度允许吸上高度允许吸上高
11、度 +-2.212hhggPgPHBCnBCtBCwrr 式式中：中：tP-操作温度下被吸送液体的饱和蒸汽压。操作温度下被吸送液体的饱和蒸汽压。BCw w-泵吸入管内液体的流速。泵吸入管内液体的流速。BCnh.-吸入管路中的压头损失。吸入管路中的压头损失。2h-避免汽蚀现象（在离心泵中），或防止由于惯性避免汽蚀现象（在离心泵中），或防止由于惯性 力造成活塞与液体脱离（力造成活塞与液体脱离（在活塞泵中）的压头在活塞泵中）的压头 余量。余量。6.计算泵的轴功率计算泵的轴功率 7.选定选定泵的材料和轴封泵的材料和轴封 8.确定冷却水或加热蒸汽耗量确定冷却水或加热蒸汽耗量 9.选用驱动装置选用驱动装置
12、电动机或蒸汽透平电动机或蒸汽透平 10.确定泵的确定泵的台数和备用率台数和备用率11.填写泵规格表，作为泵订货依据和选泵过程中各项填写泵规格表，作为泵订货依据和选泵过程中各项数据的汇总。数据的汇总。流体输送设备流体输送设备离心泵、往复泵、转子泵比较离心泵、往复泵、转子泵比较指标指标离心泵离心泵往复泵往复泵转子泵转子泵流量，流量，m3/h均匀、不稳定均匀、不稳定1.630000不均匀、恒定不均匀、恒定0600比较均匀、恒定比较均匀、恒定1600扬程扬程，m定流量定流量扬程扬程102600扬程与流量无关扬程与流量无关0.2100MPa扬程与流量无关扬程与流量无关0.260MPa效率效率设计点最高，
13、偏离设计点最高，偏离越远效率越低越远效率越低0.50.8扬程高效率降低很扬程高效率降低很少少0.70.85扬程高效率降低较大扬程高效率降低较大0.60.8结构特点结构特点简单、造价低、体简单、造价低、体积小、安装方便积小、安装方便复杂、振动大、体复杂、振动大、体积大、造价高积大、造价高简单、造价低、体积简单、造价低、体积小、安装方便小、安装方便指标指标离心泵离心泵往复泵往复泵转子泵转子泵流量调节流量调节出口截流、旁路、转速出口截流、旁路、转速旁路、转速、冲程旁路、转速、冲程旁路、转速旁路、转速自吸自吸一般没有一般没有有有有有启动启动关闭调节阀关闭调节阀全开全开全开全开适用范围适用范围粘度较低的
14、各种介质粘度较低的各种介质高压力小流量清洁介质高压力小流量清洁介质中压力小流量尤中压力小流量尤其是高粘度其是高粘度离心泵、往复泵、转子泵比较离心泵、往复泵、转子泵比较选择条件选择条件 硝基苯硝基苯1200/m3 进料量为进料量为30103/h 反应器内保持反应器内保持0.1atm（表压）；管路为不锈钢管，总长表压）；管路为不锈钢管，总长45m，4个弯头个弯头H=15m894（二）离心耐酸泵选择示例（二）离心耐酸泵选择示例即计算流量即计算流量Qe和扬程和扬程He，其计算思路如下其计算思路如下:Qe=1.5Qmax=1.5体积流量体积流量=1.5质量流量密度质量流量密度He=1.1Hmax有用功有
15、用功eg柏努利方程柏努利方程选择计算选择计算fehuuppgZZW+-+-+-2)(21221212r)2()2(22uudlhhhfff+直管阻力根据根据ed（相对粗糙度）图查出相对粗糙度）图查出，为局部阻力系数之和为局部阻力系数之和其计算过程其计算过程:已知已知Z1=0;Z2=15m p1=0(表压表压);p2=0.19.81104=9810N/m2(表压表压)smAwuus/35.1)081.0(412003600/30000;0221r硝基苯的粘度为硝基苯的粘度为2.1cP，所以，所以62500101.2120035.1081.03-rduRe不锈钢的绝对粗糙度不锈钢的绝对粗糙度0.2
16、mm，故相对粗糙度，故相对粗糙度 /d=0.2/81=0.00247由由ed图查出图查出0.0027hf=(贮槽进入管中孔板阀门弯头）贮槽进入管中孔板阀门弯头）0.51+8.251+0.172+0.754=12.09235.109.1235.1081.045027.022fhkgJ/73.24kgJWe/1817.24235.11200981081.9152+Qe=1.5Qmax=1.5体积流量体积流量=1.5质量流量密度质量流量密度=1.5 30000/1200=37.5m3/h He=1.1Hmax=1.1eg=1.1181/9.81=20.3m选择型号选择型号因输送管材是不锈钢的，所以泵
17、流过部件零件也应为不锈钢制造因输送管材是不锈钢的，所以泵流过部件零件也应为不锈钢制造F型耐腐蚀离心泵是这种材质的，其性能范围型耐腐蚀离心泵是这种材质的，其性能范围:流量流量Q为为2400m3/h;扬程扬程H为为15105m所选泵的流量和扬程在其性能范围内所选泵的流量和扬程在其性能范围内p查查F型泵性能范围图，得具体型号为型泵性能范围图，得具体型号为80F-24从泵类产品样本查可知该泵的主要参数从泵类产品样本查可知该泵的主要参数:转速转速n=2960r/min，允许吸上高度，允许吸上高度HS=5.06.0；效率；效率=6472%；轴功率为轴功率为3.845.35kw；所配电机功率为；所配电机功率
18、为7.5kwF型耐腐蚀离心泵性能范围图型耐腐蚀离心泵性能范围图离心耐腐蚀泵的型号意义及外形图离心耐腐蚀泵的型号意义及外形图F型泵的主要参数型泵的主要参数选择验算选择验算泵的理论功率泵的理论功率：KWgQHNeee49.281.9120036005.373.20r泵的实际功率：泵的实际功率：KWNNe89.364.049.2则在轴功率范围内，故选择适合。则在轴功率范围内，故选择适合。2020时，硝基苯的运动粘度为时，硝基苯的运动粘度为p故粘度对流量、扬程和效率的影响，可忽略不计，所选故粘度对流量、扬程和效率的影响，可忽略不计，所选80F-2480F-24型耐腐蚀离心泵是适合的。型耐腐蚀离心泵是适
19、合的。smSPa/1075.11200101.263-r20cSt（三）选择设备解析（三）选择设备解析、选择设备的基本要求、选择设备的基本要求（1）满足工艺要求。主要包括质量、产量、有合理的温度等参数）满足工艺要求。主要包括质量、产量、有合理的温度等参数 的检测与控制系统，操作方便可靠。的检测与控制系统，操作方便可靠。（2）设备结构上的要求：合理的强度，足够的刚度，良好的耐）设备结构上的要求：合理的强度，足够的刚度，良好的耐腐蚀性，可靠的密封性。腐蚀性，可靠的密封性。（3）技术经济指标：生产强度，消耗系数，设备价格，管理费用。）技术经济指标：生产强度，消耗系数，设备价格，管理费用。2、选择设备
20、的具体任务、选择设备的具体任务（1）正确选用标准设备，提出具体的规格、型号）正确选用标准设备，提出具体的规格、型号（2）全车间乃至全厂的设备能力平衡统计）全车间乃至全厂的设备能力平衡统计（4）提供设备平面立体布置、管道等施工图阶段设计的详细资料）提供设备平面立体布置、管道等施工图阶段设计的详细资料（3）编制设备一览表）编制设备一览表（三）选择设备解析（三）选择设备解析3、选择设备的步骤与计算方法、选择设备的步骤与计算方法选择设备的步骤选择设备的步骤 选择类型：同功能的设备常有多种，从中选取合适类型选择类型：同功能的设备常有多种，从中选取合适类型 确定规格：按物料衡算、能量衡算数据和设备初步配置
21、方案等，确定规格：按物料衡算、能量衡算数据和设备初步配置方案等，确定设备规格。同时还要考虑台数。确定设备规格。同时还要考虑台数。检验计算：对设备的某些关键数据进行验算检验计算：对设备的某些关键数据进行验算 考虑特殊事项：即提出在安装、操作、维护等过程中必须注意的考虑特殊事项：即提出在安装、操作、维护等过程中必须注意的特殊事项特殊事项台数的计算方法台数的计算方法利用率每天生产时数年生产天数每台每小时生产能力年产量台数（三）选择设备解析（三）选择设备解析5.2.2 贮罐的选型和设计贮罐的选型和设计一、贮罐的分类及存贮量的确定一、贮罐的分类及存贮量的确定根据用途，贮罐可分为：根据用途，贮罐可分为：原
22、料、成品、中间贮罐，回流罐、计量罐、原料、成品、中间贮罐，回流罐、计量罐、缓冲罐、混合罐、闪蒸罐、包装罐等。缓冲罐、混合罐、闪蒸罐、包装罐等。贮罐存贮量：贮罐存贮量：即贮存物料总容积，随贮罐的用途而异。即贮存物料总容积，随贮罐的用途而异。1.原料贮罐原料贮罐 全厂性贮罐全厂性贮罐一般主张至少有一般主张至少有13个月的耗用量个月的耗用量贮存，车间的原料贮存，车间的原料贮罐一般贮罐一般至少半个月至少半个月的用量贮存。的用量贮存。2.成品贮罐成品贮罐 按工厂短期停车仍能保证按工厂短期停车仍能保证满足市场需求满足市场需求来确定存贮量；液体产品来确定存贮量；液体产品贮罐常按至少贮罐常按至少贮存一周的产品
23、产量设计贮存一周的产品产量设计。液体贮罐的。液体贮罐的装载系数一般取装载系数一般取0.8。3.中间贮罐中间贮罐 对连续过程视情况贮存对连续过程视情况贮存几小时至几天的用量几小时至几天的用量，对间歇生产过程，对间歇生产过程，至少应考虑至少应考虑存贮一个班存贮一个班的生产用量。的生产用量。4.计量罐计量罐 一般考虑一般考虑最少为最少为1015min，多则，多则2h或或4h产量产量。计量罐的装料系。计量罐的装料系数一般取数一般取0.60.7，刻度的使用度常为，刻度的使用度常为满量程的满量程的80%85%。5.回流罐回流罐 一般考虑一般考虑510min左右的液体保存量左右的液体保存量，作冷凝器液封之用
24、。，作冷凝器液封之用。6.缓冲罐缓冲罐 缓冲罐存贮量常是缓冲罐存贮量常是下游设备下游设备510min的用量的用量，有时可超过，有时可超过15min用量，以备紧急时有充裕时间处理故障、调节流程或关停机器。用量，以备紧急时有充裕时间处理故障、调节流程或关停机器。7.汽化罐汽化罐 汽化罐的汽化空间通常是总容积的一半。汽化空间的体积可根据汽化罐的汽化空间通常是总容积的一半。汽化空间的体积可根据物料汽化速度来估计，一般希望物料汽化速度来估计，一般希望汽化空间足够下游岗位汽化空间足够下游岗位3min以上的使以上的使用量，至少在用量，至少在2min左右。左右。8.闪蒸罐闪蒸罐 液体在闪蒸罐的停留时间应考虑使
25、液体在罐内液体在闪蒸罐的停留时间应考虑使液体在罐内有充分时间接近气有充分时间接近气液平衡状态液平衡状态，应视工艺要求选择液体在罐内的停留时间。，应视工艺要求选择液体在罐内的停留时间。9.混合、拼料罐混合、拼料罐 混拼罐的大小，根据工艺条件而定，考虑若干批的产量，装料系混拼罐的大小，根据工艺条件而定，考虑若干批的产量，装料系数约数约70%。10.包装罐包装罐 包装罐可视同于包装罐可视同于中间贮罐。中间贮罐。要根据工艺条件和要求，贮存条件等要根据工艺条件和要求，贮存条件等决定其有效容积。不同场合，装料系数不一样，一般为决定其有效容积。不同场合，装料系数不一样，一般为0.60.8。二、贮罐设计的一般
26、程序二、贮罐设计的一般程序1.汇集工艺设计参数汇集工艺设计参数2.贮罐材质的选择贮罐材质的选择3.贮罐型式的确定贮罐型式的确定4.确定需要贮存的物料总体积确定需要贮存的物料总体积5.确定贮罐的台数和基本尺寸确定贮罐的台数和基本尺寸6.选择标准型号选择标准型号7.贮罐的管口方位和支承方式的确定贮罐的管口方位和支承方式的确定8.绘制设备草图，标注尺寸，提出设计条件和订货要求。绘制设备草图，标注尺寸，提出设计条件和订货要求。1.符合规定的工艺操作条件符合规定的工艺操作条件 2.安全可靠安全可靠3.安装、操作及维修方便安装、操作及维修方便4.经济合理经济合理5.尽量选用标准设计和标准系列尽量选用标准设
27、计和标准系列 5.2.3 换热设备的设计和选用换热设备的设计和选用一、换热器设计和选用的一般原则一、换热器设计和选用的一般原则5.2.3 换热设备的设计和选用换热设备的设计和选用二、换热器的类型及性能比较二、换热器的类型及性能比较5.2.3 换热设备的设计和选用换热设备的设计和选用二、换热器的类型及性能比较二、换热器的类型及性能比较由于换热设备应用广泛，国家现在己将多种换热器包括管由于换热设备应用广泛，国家现在己将多种换热器包括管壳式、板式换热器和石墨换热器系列化，采用标准图纸进行壳式、板式换热器和石墨换热器系列化，采用标准图纸进行系列化生产。系列化生产。各型号标准图纸可到有关设计单位购买，有
28、的化工机械厂各型号标准图纸可到有关设计单位购买，有的化工机械厂已有系列标准的各式换热器供应，这给换热器的选型带来了已有系列标准的各式换热器供应，这给换热器的选型带来了很多方便。很多方便。三、换热器的系列化三、换热器的系列化5.2.3 换热设备的设计和选用换热设备的设计和选用已形成标准系列的换热器有：已形成标准系列的换热器有：固定管板式换热器固定管板式换热器(JBT471592)、立式热虹吸式重沸器立式热虹吸式重沸器(JBT4716一一92)、钢制固定式薄管板列管换热器、钢制固定式薄管板列管换热器(HG 2150392)、浮头浮头式换热器和冷凝器式换热器和冷凝器(JBT471492)、U型管式换
29、热器型管式换热器(JB471792)、螺旋板式换热器螺旋板式换热器(JBT472392)、列管式石墨换热器列管式石墨换热器(HG5132080)、YRA型圆块孔式石墨换热器型圆块孔式石墨换热器(HG 5132180)、矩形块孔式石墨换热器矩形块孔式石墨换热器(HG 5132280)。5.2.3 换热设备的设计和选用换热设备的设计和选用三、换热器的系列化三、换热器的系列化在工程设计中，应尽量选用标准系列换热器，这样做不在工程设计中，应尽量选用标准系列换热器，这样做不仅给设计工作带来方便，对于工程进度和投资也是有利的。仅给设计工作带来方便，对于工程进度和投资也是有利的。其选用的大致程序如下：其选用
30、的大致程序如下：四、系列标准换热器的选用四、系列标准换热器的选用1、分析设计任务、分析设计任务即根据工艺特点，掌握基本数据，如流量、进出口温度、操作即根据工艺特点，掌握基本数据，如流量、进出口温度、操作压力、物性数据及流体的腐蚀性与悬浮物含量等。压力、物性数据及流体的腐蚀性与悬浮物含量等。5.2.3 换热设备的设计和选用换热设备的设计和选用2、制定设计方案、制定设计方案即选择换热器的型式；确定哪股流体走管程，哪股流体走壳程即选择换热器的型式；确定哪股流体走管程，哪股流体走壳程3、设计计算、设计计算确定和计算平均温差确定和计算平均温差t m，即确定终端温差，根据化学工程有关即确定终端温差，根据化
31、学工程有关公式，算出平均温差；计算热负荷公式，算出平均温差；计算热负荷Q；估计污垢热阻系数并初算估计污垢热阻系数并初算出传热系数出传热系数K；算出总传热面积算出总传热面积A；调整温度差，再算一次传热调整温度差，再算一次传热面积。面积。4、选用系列换热器，并验算换热器的压力降、选用系列换热器，并验算换热器的压力降四、系列标准换热器的选用四、系列标准换热器的选用5.2.3 换热设备的设计和选用换热设备的设计和选用五、非系列标准换热器的设计五、非系列标准换热器的设计1、分析设计任务、分析设计任务2、制定设计方案、制定设计方案3、设计计算、设计计算 计算两股流体的定性温度，查出定性下有关的物性数据计算
32、两股流体的定性温度，查出定性下有关的物性数据 计算热负荷计算热负荷Q 计算平均温差计算平均温差tm 假定传热系数假定传热系数K 由由Q、tm及及K值计算所需传热面积值计算所需传热面积A5.2.3 换热设备的设计和选用换热设备的设计和选用3、设计计算、设计计算由由A初定设备结构尺寸：如管数、管板厚度、壳方流通面积等。初定设备结构尺寸：如管数、管板厚度、壳方流通面积等。计算初定设备的管方、壳方流体的对流给热系数计算初定设备的管方、壳方流体的对流给热系数选取管方及壳方的污垢热阻系数选取管方及壳方的污垢热阻系数计算初定设备内的传热系数计算初定设备内的传热系数确定换热器进出口尺寸确定换热器进出口尺寸验算
33、流体压力降，如超出许可值就要修改设计重新计算验算流体压力降，如超出许可值就要修改设计重新计算5.2.3 换热设备的设计和选用换热设备的设计和选用五、非系列标准换热器的设计五、非系列标准换热器的设计六、管壳式换热器的设计步骤六、管壳式换热器的设计步骤 1.分析设计任务，汇总设计数据分析设计任务，汇总设计数据 2.设计换热流程设计换热流程 3.选择换热器的材质选择换热器的材质 4.确定换热器类型确定换热器类型 5.确定冷热流体的流向确定冷热流体的流向 6.计算平均传热温差计算平均传热温差 tm 7.计算热负荷计算热负荷Q 8.估计污垢热阻系数估计污垢热阻系数 9.初算总传热面积初算总传热面积A 1
34、0.参照标准系列，初选换热器参照标准系列，初选换热器 11.校核校核 12.验算换热器的压力降验算换热器的压力降 13.画出换热器设备草图画出换热器设备草图5.2.3 换热设备的设计和选用换热设备的设计和选用例题：例题：可以达到要求。可以达到要求。5.2.4.1塔设备的选型与设计塔设备的选型与设计按接触方式按接触方式连续（微分）接触式连续（微分）接触式填料塔填料塔逐级接触式逐级接触式板式塔板式塔一、塔设备设计的基本要求一、塔设备设计的基本要求生产能力大，生产能力大，气液处理量大气液处理量大。具有较高的传质、传热效率，保证具有较高的传质、传热效率，保证气液两相良好接触气液两相良好接触。操作稳定，
35、操作稳定，操作弹性大操作弹性大，气液负荷有较大波动时仍能在较高的传质效率下，气液负荷有较大波动时仍能在较高的传质效率下稳定操作，且能长期连续运转。稳定操作，且能长期连续运转。流体流动的流体流动的阻力或压力降小阻力或压力降小，降低生产中的动力消耗和经常性的操作费用，降低生产中的动力消耗和经常性的操作费用的要求。的要求。结构简单可靠结构简单可靠，材料耗用量小，制造安装容易，设备的投资费用低。，材料耗用量小，制造安装容易，设备的投资费用低。耐腐蚀，不易堵塞耐腐蚀，不易堵塞，操作方便，易于检修。，操作方便，易于检修。抓住主要矛盾，最大限度满足工艺要求抓住主要矛盾，最大限度满足工艺要求二、塔类型的选择二
36、、塔类型的选择板式塔板式塔填料塔填料塔压降压降较大较大小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整填料较小小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整填料较小空塔气速空塔气速较大较大小尺寸填料较小；大尺寸填料及规整填料较大小尺寸填料较小；大尺寸填料及规整填料较大塔效率塔效率较稳定，效率较稳定，效率较高较高传统填料低；新型乱堆及规整填料高传统填料低；新型乱堆及规整填料高持液量持液量较大较大较小较小液气比液气比适应范围较大适应范围较大对液量有一定要求对液量有一定要求安装检修安装检修较易较易较难较难材质材质常用金属材料常用金属材料金属及非金属材料均可金属及非金属材料均可造价造价大直径时较低大直径时较低新型填料投资较大新型填
37、料投资较大填料塔和板式塔主要性能对比填料塔和板式塔主要性能对比新型填料塔及规整填料塔竞争力较强。新型填料塔及规整填料塔竞争力较强。三、填料塔设计程序三、填料塔设计程序(1)汇总汇总设计参数和物性数据设计参数和物性数据。(2)选用填料选用填料。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。的一个重要内容。(3)确定塔径确定塔径D uVD4(4)计算计算填料塔压降填料塔压降(5)验算。验算。保证保证UUmin，负责重新调整计
38、算。，负责重新调整计算。(6)计算填料层高度计算填料层高度Z。(7)计算塔的总高度计算塔的总高度H H=Hd+Z+(n-1)Hf+Hb 支撑板支撑板自由截面积自由截面积填料空隙率，支撑板强度足以支承填料重量。填料空隙率，支撑板强度足以支承填料重量。液体喷淋装置液体喷淋装置弯管式、多孔直管式、莲蓬头式、分布盘弯管式、多孔直管式、莲蓬头式、分布盘 液体再分布装置液体再分布装置截锥式和升气管式分布器截锥式和升气管式分布器 气体分布器气体分布器 除雾器除雾器折板除雾器、丝网除雾器、旋流板除雾器或干填料层折板除雾器、丝网除雾器、旋流板除雾器或干填料层(9)绘制塔设备结构图绘制塔设备结构图向设备专业提供工
39、艺设计条件，绘制塔设备向设备专业提供工艺设计条件，绘制塔设备简图，并标注必要的尺寸，注明各管口的位置等。简图，并标注必要的尺寸，注明各管口的位置等。(8)塔内塔内附件附件的设计和选定的设计和选定三、填料塔设计程序三、填料塔设计程序(5)塔节上人孔、手孔的确定。塔节上人孔、手孔的确定。(6)塔高确定。塔高确定。(7)塔内流体力学核算，作负荷性能图。塔内流体力学核算，作负荷性能图。(8)辅助装置选型设计。辅助装置选型设计。(9)绘制塔设备草图和设备设计条件图，包括支承、开口方位、人孔、绘制塔设备草图和设备设计条件图，包括支承、开口方位、人孔、手孔位置等。手孔位置等。(1)汇总设计参数和物性数据。汇
40、总设计参数和物性数据。(2)根据物料特性、分离要求根据物料特性、分离要求确定塔板结构确定塔板结构。(3)进行工艺计算进行工艺计算(4)塔径计算塔径计算 四、板式塔设计程序四、板式塔设计程序5.2.4.2 干燥设备的选型与设计干燥设备的选型与设计固体除湿方法固体除湿方法l机械除湿机械除湿。物料湿分较多时，可先用离心、过滤等机械。物料湿分较多时，可先用离心、过滤等机械分离方法以除去大量的湿分；分离方法以除去大量的湿分；l吸附除湿吸附除湿。用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如。用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如CaCl2、硅胶等）与湿物料并存，使物料中的湿分相继经硅胶等）与湿物料并存，使物料中的湿分相
41、继经气相而转入干燥剂内；气相而转入干燥剂内；l供热除湿供热除湿(干燥干燥)。用热空气或其它高温气体为介质，使。用热空气或其它高温气体为介质，使之流过物料表面，介质向物料供热并带走汽化的湿分。之流过物料表面，介质向物料供热并带走汽化的湿分。干燥的分类干燥的分类按操作压力分类按操作压力分类常压干燥常压干燥真空干燥。适于处理热敏性及易氧化的物料，或要求成真空干燥。适于处理热敏性及易氧化的物料，或要求成品中含湿量低的场合。品中含湿量低的场合。按操作方式分类按操作方式分类连续式。生产能力大、产品质量均匀、热效率高、劳动连续式。生产能力大、产品质量均匀、热效率高、劳动条件好。条件好。间歇式。适于处理小批量
42、、多品种、干燥时间长的物料。间歇式。适于处理小批量、多品种、干燥时间长的物料。按供热方式分类按供热方式分类传导干燥（间接加热干燥）。热能通过壁面以传导方式传导干燥（间接加热干燥）。热能通过壁面以传导方式加热湿物料。加热湿物料。对流干燥（直接加热干燥）。干燥介质与湿物料直接接对流干燥（直接加热干燥）。干燥介质与湿物料直接接触，并以对流方式加热湿物料。触，并以对流方式加热湿物料。辐射干燥。热能以电磁波的形式辐射到湿物料表面。辐射干燥。热能以电磁波的形式辐射到湿物料表面。介电加热干燥。将湿物料置于高频电场内，使其被加热。介电加热干燥。将湿物料置于高频电场内，使其被加热。干燥的分类干燥的分类干燥器的主
43、要型式干燥器的主要型式1.箱式干燥器箱式干燥器(板式干燥器板式干燥器)2.洞道式干燥器洞道式干燥器3.带式干燥器带式干燥器4.转筒干燥器转筒干燥器5.气流干燥器气流干燥器6.流化床干燥器流化床干燥器(沸腾床干燥器沸腾床干燥器)7.喷雾干燥器喷雾干燥器8.滚筒干燥器滚筒干燥器9.真空耙式干燥器真空耙式干燥器 选择干燥器大致可按以下三个步骤进行选择干燥器大致可按以下三个步骤进行:考虑可操作性考虑可操作性列出能处理被干燥物料的各种干燥器，这就列出能处理被干燥物料的各种干燥器，这就需要从湿物料的性能出发，参考各种干燥设备在工业中常使用的需要从湿物料的性能出发，参考各种干燥设备在工业中常使用的范围来选择
44、。范围来选择。依据湿物料的特性、处理量以及对产品的质量及其它特殊要求，依据湿物料的特性、处理量以及对产品的质量及其它特殊要求，筛选出最适宜的几种干燥器筛选出最适宜的几种干燥器。这一步需考虑一些具体因素，如。这一步需考虑一些具体因素，如物料的热敏性、易碎性、对污染的要求，含水量大小、湿法去除物料的热敏性、易碎性、对污染的要求，含水量大小、湿法去除的难易程度等，对初选的设备形式依据其优缺点及适应性能作进的难易程度等，对初选的设备形式依据其优缺点及适应性能作进一步筛选。同时依据处理量选定操作方式，一般处理量小于一步筛选。同时依据处理量选定操作方式，一般处理量小于50kg/h时，常采用间歇操作，大于时
45、，常采用间歇操作，大于1000kg/h时，常采用连续装置。时，常采用连续装置。估计干燥器的估计干燥器的设备成本和操作费用设备成本和操作费用，作最终的选择。，作最终的选择。5.2.5 化学反应器的选型与优化设计化学反应器的选型与优化设计（一）反应器分类（一）反应器分类（二）工业反应器的放大（二）工业反应器的放大（三）反应器设计的基本内容及设计要点（三）反应器设计的基本内容及设计要点（四）釜式反应器优化设计（四）釜式反应器优化设计（五）固定床催化反应器优化设计（五）固定床催化反应器优化设计（六）流化床反应器优化设计（六）流化床反应器优化设计（一）反应器分类（一）反应器分类5.2.5 化学反应器的选
46、型与优化设计化学反应器的选型与优化设计管式反应器管式反应器 釜式反应器釜式反应器塔式反应器塔式反应器按反应器的几何构形分类按反应器的几何构形分类按反应物的相态分类按反应物的相态分类均相反应器：如气相均相、液相均相反应器均相反应器：如气相均相、液相均相反应器非均相反应器：气固相反应器非均相反应器：气固相反应器按操作方式分按操作方式分类类连续式反应器连续式反应器间歇式反应器间歇式反应器半连续反应器半连续反应器按反应器内物流流动状态分类按反应器内物流流动状态分类理想平推流反应器理想平推流反应器理想全混流反应器理想全混流反应器非理想流反应器非理想流反应器5.2.5 化学反应器的选型与优化设计化学反应器
47、的选型与优化设计（一）反应器分类（一）反应器分类常用的各类反应器示意图如下所示常用的各类反应器示意图如下所示管式反应器管式反应器釜式反应器釜式反应器板式塔板式塔填料塔填料塔鼓炮塔鼓炮塔喷雾塔喷雾塔流化床流化床固定床固定床常用反应器适用反应常用反应器适用反应反应器类型反应器类型 适适 用用 反反 应应管式反应器管式反应器均相反应，如热裂解反应均相反应，如热裂解反应釜式反应器釜式反应器均相与多相反应均相与多相反应如气液、液液、液固、气固反应如气液、液液、液固、气固反应塔式反应器塔式反应器板式、填料塔用于气液和液液反应；鼓泡、喷雾板式、填料塔用于气液和液液反应；鼓泡、喷雾塔用于气液反应塔用于气液反应
48、固定床反应器固定床反应器气态均相气态均相-固态催化反应；固态催化反应；气固、液固非催化反应气固、液固非催化反应流化床反应器流化床反应器气固、液固、气固催化或非催化反应气固、液固、气固催化或非催化反应常用工业反应器的类型常用工业反应器的类型（二）工业反应器的放大（二）工业反应器的放大1 1、逐级经验放大、逐级经验放大模型试验模型试验中间试验中间试验工业规模工业规模 缺陷：周期长且难以做到高倍数的放大缺陷：周期长且难以做到高倍数的放大2 2、数模放大、数模放大其步骤：其步骤：实验室规模试验实验室规模试验小型试验小型试验大型冷模试验大型冷模试验中间试验中间试验p上述四个阶段中，都要使用计算机对各步试
49、验结果进行综合和上述四个阶段中，都要使用计算机对各步试验结果进行综合和寻优，检验和修正数学模型，建立起用于设计的模型。寻优，检验和修正数学模型，建立起用于设计的模型。5.2.5 化学反应器的选型与优化设计化学反应器的选型与优化设计2C2H4+O2+4HCl 2C2H4Cl2+2H2O （三）反应器设计的基本内容及设计要点（三）反应器设计的基本内容及设计要点 1、反应器设计的基本内容、反应器设计的基本内容反应器型式反应器型式操作优选条件操作优选条件几何尺寸几何尺寸与工程放大与工程放大化学反应化学反应动力学特性动力学特性化学反应化学反应传递特性传递特性生产规模生产规模C2H4（三）反应器设计的基本
50、内容及设计要点（三）反应器设计的基本内容及设计要点 1、反应器设计的基本内容、反应器设计的基本内容2、反应器设计要点、反应器设计要点 几个关键词几个关键词l 转化率（收率、选择性）转化率（收率、选择性）l 反应时间反应时间l 热传递热传递l 材质材质l 逐级放大逐级放大VSVS数学模型数学模型传质传质反应反应传热传热优化设计优化设计（四）釜式反应器优化设计（四）釜式反应器优化设计1、釜式反应器设计的系列化、釜式反应器设计的系列化p国家已有型和型反应釜系列国家已有型和型反应釜系列型釜：形状上呈型釜：形状上呈“矮胖型矮胖型”，长径比较小，长径比较小型釜：长径比较大，较瘦长型釜：长径比较大，较瘦长材
