化工设备的设计.ppt

5 化工设备的设计与选型,化工设备 动设备在外力作用下作功。如泵、风 机、压缩机、制冷机、离心机等。静设备无需外力作用。如塔、反应釜、贮罐、换热器等。标准设备，成批成系列生产。非标准设备是根据工艺要求，通过工艺计算及机械计算而设计，然后提供给有关工厂制造。,5.1 化工设备工艺设计的内容（1）确定单元操作设备类型，与工艺流程设计相结合。（2）确定设备材质，根据操作条件（介质的性质、温度、压力）和对设备的工艺要求，与设备设计专业人员共同完成。（3）确定设备的设计参数，根据工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、设备的工艺计算工作得到。不同设备有不同的设计参数。,换热器：热负荷Q,换热面积F，冷热载体的流量、温度和压力。泵：流量、扬程、轴功率、允许吸上高度。风机：风量、风压。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。,蒸馏塔：进塔物料、塔顶和塔釜产品的流量及组成；温度、塔操作压力、塔径、塔板类型和塔板数，填料种类、规格、填料总高度，每段填料的高度和段数，进料位置、灵敏板位置，塔顶冷凝器的热负荷及冷却介质的种类、流量、温度和压力。反应器：类型、进出口物料的流量、组成、温度和压力、主要尺寸，催化剂的种类、规格、数量和性能参数。,（4）确定标准设备（即定型设备）的型号或牌号，并确定台数。标准设备是一些加工厂成批、成系列生产的设备，能直接订货或购买的现成的设备。化工行业专用标准设备如冷冻机、除尘设备、过滤机、离心机和搅拌器等。（5）非标设备，由工艺专业的设计人员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）编制工艺设备一览表（表4-1），作为设计说明书的组成部分提供给有关部门进行设计审查。（7）工艺设备的施工图纸完成后，与化工设备的专业设计人员进行会签。,5.2 化工物料输送设备,（1）泵是液体物料输送设备；（2）风机和压缩机是气体物料输送、压缩、制冷设备。（3）给料机械设备、气流输送设备是固体物料输送设备。5.2.1 液体输送设备5.2.1.1 泵 泵是液体输送的主要设备。（1）泵的结构分类：叶片式和容积式。,离心泵的叶轮,泵的内部结构,叶片式泵的工作原理：由泵内的叶片在旋转时产生的离心力作用，将液体吸入和压出。叶片式泵按叶片式结构分类，离心泵（屏蔽泵、管道泵、自吸泵、无堵塞泵）、轴流泵和旋涡泵。容积式泵的工作原理：由泵的活塞在往复或转子旋转运动中产生挤压作用将液体吸入和压出。容积泵：往复泵（活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、计量泵）和转子泵（齿轮泵、螺杆泵、滑片泵、罗茨泵）。,（2）按泵的用途分类：水泵、油泵、泥浆泵、砂泵、耐腐蚀泵、冷凝液泵、液下泵等，或者辅以结构特点命名，悬臂水泵、齿轮油泵、螺杆泵、立式泵、卧式泵等。5.2.1.2 技术指标（1）型号：如：IH50-32-160A IH泵的型号代号（单级单吸离心泵）；50泵吸入口直径mm；32泵排出口直径mm；160叶轮名义直径mm；A轮直径第一次切割。,（2）扬程（m液柱）：它是单位质量的液体通过泵获得的有效能量。泵的技术指标中扬程指介质为清水，密度1000kg/m3，粘度1mPas，无固体杂质。（3）流量：泵在单位时间内抽吸或排送液体的体积数称为流量，m3/h或L/s。离心泵的流量与扬程有关，称之为离心泵特性曲线。而容积式泵流量与扬程无关，近乎为常数。（4）功率与效率：有效功率指单位时间内泵对液体所做的功；轴功率指原动机传给泵的功率；效率为有效功率与轴功率之比。泵样本中所给出的功率与效率都为清水试验所得。（5）必须气蚀余量：为使泵在工作时不产生气蚀现象，泵进口处必须具有超过输送温度下液体的汽化压力的能量，使泵在工作时不产生气蚀现象所必须具有的富余能量，也称为气蚀余量，单位为m。,5.2.1.3 泵的选用（一）化工用泵的要求 因为化工用泵所输送的液体性质和一般泵不同，另外化工装置还有要求长期连续运行的特点，所以除操作方便、运行可靠、性能良好和维修方便等的要求外，在不同的情况下还有不同的要求。,（1）输送易燃、易爆、易挥发、有毒和有腐蚀性及贵重的介质，要求密封性能可靠，只能微漏甚至完全无泄漏,应选磁力驱动泵或屏蔽泵。,屏蔽泵,磁力驱动泵 一种无泄漏泵。指以磁力偶合器隔离传动，一般为旋转工作泵。磁力偶合器的一半(内磁铁)装于泵轴上，并以非铁磁性材料制成的隔离罩密封在泵体内；另一半(外磁铁)装于电机轴上，在隔离罩外以磁力带动内磁铁旋转驱动泵工作。故无泄漏。,（2）输送腐蚀性介质时，应选用耐腐蚀泵。金属耐腐蚀泵，过流件的材质为金属，高硅铸铁、不锈钢、高合金钢、钛及其合金等。非金属耐腐蚀泵，过流件的材质为非金属金属，有聚氯乙烯、玻璃钢、聚乙烯、聚丙烯、聚氟乙烯、陶瓷、玻璃、搪瓷等。一般来说非金属泵耐腐蚀优于金属泵，但耐温、耐压不如金属泵，所以非金属耐腐蚀泵用于流量不大，温度和压力较低的场合。在选泵时，还要进一步查过流件的材质的性能，如可长期使用的温度，耐酸、耐碱、耐有机溶剂、耐磨等情况。,（3）输送易气化液体，易气化液体指沸点低的液体，如液态烃、液态氧、液态氢等，这些介质的温度通常为-30-160，选低温泵。（4）输送粘性液体 要根据粘度的大小选泵,（5）输送含气液体，要求泵输送液体中的允许含气量（体积分数）极限为：离心泵5%旋涡泵5%20%容积式泵5%20%。,（6）输送含固体颗粒的液体，固体颗粒的存在使泵的扬程、效率降低，应按规定校核。离心泵输送液体时允许的最大含固率（质量分数）为：水泥60%65%，硫胺30%40%，碳化钙、石灰乳50%60%，盐35%，挥发性灰粉（油渣）55%。（7）输送高温介质时应选用热油泵。（8）要求低流量、高扬程时，可选用多级泵。（9）要求高吸入性能时，选用允许气蚀余量小的泵，如液态烃泵、双吸式离心泵。（10）当打液量精度要求高时，选用计量泵。,离心泵,齿轮泵,螺杆泵,液下泵,（二）泵类型的确定,确定泵的型式要根据被输送物料的的性质，包括相态、温度、粘度、密度、挥发性、毒性、化学腐蚀性、危险性等，同时还要考虑生产的工艺过程、动力、环境和安全等因素。如易燃易爆液体的输送，必须配用防爆电机。无电源或电力紧张而有蒸汽供应时，可选蒸汽往复泵、水喷射泵、蒸汽喷射泵，而且安全。选泵时，往往不能满足各方面的要求，应以满足工艺和安全要求为主要目标，如输送酸、碱时，防腐就是主要要求。,（三）流量和扬程的安全系数 选泵时，以工艺计算确定的流量为基础值，考虑到操作中可能出现流量的波动，以及开车、停车的需要，应在正常流量值的基础上乘以的安全系数。由于管道阻力计算常有误差，而且在运行一段时间后，管道结垢、积碳，使管道阻力大于计算值，因此，扬程也采用计算值的倍。,（四）泵的校核与备用,扬程和流量的校核泵的轴功率的校核离心泵安装高度的校核允许吸上高度有效汽蚀余量（需要汽蚀余量的倍）（以上可参见化工原理教材）泵的备用,DL立式多级离心泵，效率高，性能范围广，在结构上采用了立式，分段形式，泵的吸入口在下方，出水口在上方。可根据实际情况，出水段可旋转90180270等四个方向。,计量泵 计量泵也称定量泵或比例泵。计量泵属于往复式容积泵，用于精确计量的，通常要求计量泵的稳定性精度不超过1%。可以满足各种严格的工艺流程需要，流量可以在0100%范围内无级调节，用来输送液体（特别是腐蚀性液体）一种特殊容积泵。,齿轮泵 齿轮泵适用于输送不含固体颗粒、无腐蚀性、粘度范围较大的润滑性液体。主要用于各种机械设备中的润滑系统中输送润滑油，不锈钢齿轮泵，可输送无润滑性的油料、饮料、低腐蚀性的液体。,隔膜泵 系借弹性薄膜将活柱与被输送的液体隔开，当输送腐蚀性液体时，可不使活柱和缸体受到损伤。隔膜泵是目前国内较新颖的一种泵类。对于各种腐蚀性液体、带颗粒、高粘度、易挥发、易燃、易爆、剧毒的液体、陶瓷釉浆、果浆、胶水、油轮仓底油回收、临时倒罐等液体均能予以抽光吸尽。,自吸泵 自吸及排污于一身，即可象一般清水自吸泵那样不需安底阀，不需引灌水、又可抽吸含有大颗固体块、长纤维的污物、沉淀物、废矿杂质、粪便处理及一切工程污水和胶质液体，完全减轻工人的劳动强度，而且使用、移动、安装方便，性能稳定。（材质：铸铁、不锈钢）,罗茨泵 是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空,除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。,5.2.1.4 真空泵真空泵是用来维持工艺系统要求的真空状态。种类：往复式真空泵、水环真空泵、液环真空泵、旋片真空泵、喷射真空泵。,往复式真空泵,水环式真空泵 旋片真空泵,喷射泵 喷射泵是利用流体流动是能量的转变来达到输送的目的。利用它可输送液体，也可输送气体。在化工生产中，常将蒸汽作为喷射泵的工作流体，利用它来抽真空，使设备中产生负压。因此常将它称为蒸汽喷射泵。为了获得更高的真空度，可用多级蒸汽喷射泵。,真空泵的主要技术指标：（1）真空度(两种表示方法)绝对压力p 真空度pv pv（kPa）=101.325-p（kPa）（2）抽气速率 m3/min（3）极限真空（最大真空度）（4）抽气时间（min）,泵的配管（1）泵的进出口管道的管径一般应比泵进出口直径大 12级。（2）泵的进出口应设置切断阀，一般采用闸阀，阀门直径一般与管道直径相同。（3）泵吸入口应设置过滤器。（4）泵出口应安装止回阀（容积式泵通常不需要设置止回阀）；容积式泵应在出口和第一个阀门之间设安全阀，若泵自备，可不另设。（5）泵体和泵的进出口管道上需设置装有阀门的排气和排净阀。（6）泵出口应装压力表，位于出口和第一个阀门的直管段上。往复泵一般应在出口管道上设缓冲罐，使流量输出均匀，减少压力波动。（7）离心泵进口管道要尽可能缩短，尽量减少拐弯。（8）泵的进出口管道要设置支撑，以减少泵嘴的的受力。,泵的图例,5.2.2 气体输送、压缩设备 气体输送、压缩设备按出口压力和用途可分为五类：通风机、鼓风机、压缩机、制冷机、真空泵。,5.2.2.1 通风机（风机）风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它包括轴流风机和离心风机，压力在0.115MPa,压缩比11.15。轴流风机排送量大，但风压小，仅用于通风换气，不能用于输送气体。在空冷器和冷却水塔方面应用广泛。,轴流风机,离心通风机,离心风机的叶轮外覆有机械外壳，叶轮的中心为进气口。离心风机工作时，动力设备运转驱动叶轮旋转，将空气从进气口吸入。离心风机的叶片转动过程中对气体施加动力作用，提高气体的压力和速度，气体在离心力的作用下沿叶道从排气口排出。,离心通风机（）离心风机的性能参数：离心风机的性能参数中，较为重要的是气体流量、压力、输送的功率、效率和叶轮的转速等，这都是在选型过程中必须关注的。离心风机的气体流量参数，代表了风机在单位时间内能处理的气体的体积，而离心风机的压力是指在离心风机工作过程中，内部的气体压力值。,()离心式风机根据所产生的压力分为：低压离心通风机：P1Ka；中压离心通风机：P=13Ka；高压离心通风机：P=315Ka；（3）离心式风机的选择：输送气体的性质 根据伯努利方程计算所需实际 风压，并换算成试验条件下的 风压P0，选择风机类型。把实际风量Q乘以一安全因数换成试验条件下的Q0 根据P0、Q0选择合适的风机。,5.2.2.2 鼓风机 种类：旋转式鼓风机和离心鼓风机。（1）罗茨鼓风机 是旋转式鼓风机中应用最广的一种，工作原理与齿轮泵极为相似，其风量与速度成正比，与出口压强无关。风量：2500m3/min出口压强：P81KPa（表压）工作温度：t85,（2）离心鼓风机 工作原理与离心通风机相同。可采用单级、多级风压。一般单机通风机不可能产生很高的风压，表压P 50KPa；压头较高的离心鼓风机都是多级的，但出口压强P 0.3MPa（表压）。用途：原料气的压缩，液体物料的压送、固体物料的气输送。选用方法与离心通风机相同。,5.2.2.3 压缩机（一）压缩机分类（1）按工作原理分类：分为容积式和速度式压缩机。容积式压缩机的原理：提高气体压力，由于压缩机中气体体积被缩小，使单位体积内空气分子的密度增加而形成的。速度式压缩机的原理：在速度式压缩机中，空气的压力是由空气分子的速度转化而来的，即速度能转化为压力能。,（2）按结构分类：活塞式 往复式 容积式 膜式 滑片式压缩机 回转式 螺杆式 转子式 轴流式 速度式 离心式 混流式 小流量采用活塞式空气压缩机，大流量采用离心式空气压缩机。,（二）几种常用的压缩机A、活塞式空气压缩机（1）中小型空气压缩机的类型：L型、V型、W型,以及卧式、立式、对称平衡式等，水冷式和空冷式，单级、两级或多级。（2）型号：以活塞空气压缩机4M12-45/210为例，含义为：4列，M型，12*104N活塞力，额定排气量为45m3/min,额定排气表压为 210*105Pa,L型空气压缩机,V型空气压缩机,W型空气压缩机,（3）工作原理：空气是依靠在气缸内做往复运动的活塞来进行压缩的。（4）结构组成：空压机、电动机、空气过滤器、中间冷却器、电控设备等。（5）技术指标：排气量、排气压力、进出口气体温度、冷却水用量、轴功率等。通常活塞式空气压缩机单机容量小于或等于100 m3/min；排气压力为：0.132Pa。,B、离心式空气压缩机 离心式压缩机工作时，主轴带动叶轮旋转，空气自轴向进入，并以很高的速度被离心力甩出叶轮，进入流通面积逐渐扩大的扩压器中，使气体 的速度降低而压力提高。接着又被第二级吸入，通过第二级进一步提供 压力，依此类推，一直 达到额定压力。,离心式压缩机 通常离心式压缩机单机容量大于100 m3/min;排气压力为：0.10.6Pa,C、螺杆式空气压缩机 是靠两个螺旋形转子相互啮合而进行气体压缩的。其特点：（1）没有往复运动部件，不存在不平衡惯性力；（2）可强制输气，几乎不受排气压力的影响；（3）在较宽的工作范围内仍能保持较高的效率。,螺杆压缩机通常，单机容量大于50250 m3/min;排气压力为：0.12.0Pa,（三）压缩机的选用选型基本数据：（1）气体的性质和吸气状态，如吸气温度，吸气压力、相对湿度；（2）生产规模或流程需要的总供气量；（3）流程需要的排气压力；（4）排气温度。化工特殊介质使用压缩机的选择，对氧气、氢气、氨气、氯气、石油气、二氧化碳、一氧化碳、乙炔等压缩，要求参阅有关专著。,鼓风机、压缩机图例（新代号：J）,5.2.3 固体搬运及粉碎设备,在化工生产中，常有固体的原料或产品，为了减轻劳动强度，一般都用机械设备来起重、搬运、输送、计量、包装这些固体物料。,（1）起重设备 手拉葫芦,电动葫芦,电动单梁起重机,桥式起重机,（2）仓储设备手动液压装卸车,升降叉车,固定式液压登车桥,移动式液压登车桥,（3）运输设备 皮带输送机、斗式提升机。,螺旋输送机,（4）给料设备叶轮给料机,（5）破碎设备鄂式破碎机,锤式破碎机,（6）计量包装设备自动包装秤、台秤、地磅、配料秤等。,大庆乙烯厂计量包装设备,称量机械图例 代号：W,起重运输机械图例,5.3 储罐的选型与设计,5.3.1 储罐的系列化和标准化（1）立式贮罐 容器图例 平底平盖系列（HG5-1572-85）；平底锥顶系列（HG5-1574-85）；90o无折边锥形底平盖系列（HG5-1575-85）；,立式球形封头系列（HG5-1578-85）；90o折边锥形底、椭圆形盖系列（HG5-1577-85）；立式椭圆形封头系列（HG5-1579-85）。以上系列适用于常压，贮存非易燃易爆、非剧毒的化工液体。,（2）卧式贮罐系列无折边球形封头系列，P0.07MPa；贮存非易燃 易爆、非剧毒的化工液体。有折边椭圆形封头系列（HG5-1580-85）P=0.254.0MPa。储存化工液体。（3）立式圆筒形固定顶贮罐系列（HG21502.1-92）适用范围：P=2-0.5KPa，t=-19150，公称容积V=10030000m3 公称直径D=520044000mm石油、石油产品、化工产品储存。,（4）立式圆筒形内浮顶贮罐系列（HG21502.2-92），易挥发的石油产品、化工产品储存。适用范围：常压，t=-1980,V=100 30000m3,D=4500 44000mm（5）球罐系列：占地面积小，贮存容积大。用于石油产品、化工气体、化工原料、公用气体的储存。适用范围：P4MPa，V=50 10000m3（6）低压湿式气柜系列（HG21549-92）适用范围：P=4000Pa，V=5010000m3,适用于化工、石油化工气体的贮存、缓冲、稳压、混合等。,5.3.2 贮罐设计（一）设计参数：（1）设计压力、设计温度，由工艺提出；（2）公称容积，通常根据贮存物料的流量及贮存时间确定；（3）公称直径，参照常规贮罐的高径比，或查阅已有贮罐系列；（4）腐蚀裕量，根据贮罐的介质决定；,（5）设计载荷，包括风载荷、雪载荷、罐顶附加载荷及抗震烈度等；（6）材质选择，根据介质物性及工艺选择碳钢、不锈钢、搪瓷、钢内衬材料或非金属等；（7）贮罐形式，根据介质物性、工艺条件及容积确定，如大型贮罐选择卧式贮槽或球罐；（8）确定贮罐台数。,（二）储罐容积的确定：（1）物料流量m3/h（2）贮存时间：原料贮罐 全厂性贮存：一般30100天。车间贮存：15天（介质性质而定）成品贮存:根据生产周期和市场情况而定 中间罐：一班或一批（一昼夜的量）回流罐：510 min 液体量保证冷凝器的液封之用。,液体贮罐充装系数：0.80.85 气体贮罐充装系数：1.0气柜可考虑两天的量或略多 计量罐:考虑少者1015min，多者2h或4h,装料系数一般取 0.60.7。缓冲罐:515 min 用量。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。,（3）贮罐尺寸的确定：定型设备，根据计算的容积，由手册查得。非标准设备，根据容积，考虑装料系数和高径比。装料系数（防止物料溢出的安全系数）：贮槽=0.80.9；搅拌器=0.70.85；物料沸腾或发泡反应=0.40.6。高径比：H/D=12。,（4）管口方位确定：根据贮罐大小及进出口流量决定各管口尺寸与数量，管口方位的安排应有利于工艺管道的布置（进料、出料、温度、压力、放空、液面计、排液及人孔、手孔、吊装等）。（5）确定容器的支承方式。（6）绘制设备草图。,5.3.3 贮罐设计的一般程序（1）汇集工艺设计数据：经物料衡算和热量衡算，确定物料的温度、压力、最大使用压力、最高使用温度、最低使用温度，及介质的腐蚀性、毒性、蒸气压、进出量等。（2）选择贮罐的材质：选择搪瓷容器、搪玻璃容器，也可由钢制压力容器衬胶、衬瓷、衬聚四氟乙烯等来提高容器的耐腐蚀性能。（3）确定贮罐的型式：卧式还是立式以及封头的型式，尽量选择标准化的产品。,（4）确定需要贮存的物料总体积。（5）确定贮罐的台数和初定尺寸：总体积除以贮罐的适宜容积所得到的数值，经取整后就是所需的台数。定直径和长度（或高度）。（6）选择标准型号：尽可能在国家标准系列内选择。如果在标准系列中没有能够符合工艺要求的可以提出设备设计条件，由设备设计专业人员设计非标准设备。（7）开口、支架：选标准设备开口、支架都是固定的，如果有特殊需要，订货时要说明，并附草图。,容器图例,5.4 换热器的设计和选用5.4.1 换热设备的类型（一）按传热方式分类（1）直接传热式换热器。一种不需传热壁面,由冷流体与热流体直接接触进行换热的操作过程的换热器,如凉水塔、喷射冷凝器。（2）蓄热式换热器。通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的，系间歇传热。（3）间壁传热式换热器。冷、热流体通过管子、板等壁面进行热量交换的传热操作过程的换热器,是最普通的也最常用的换热器。冷、热流体,可以是空气、烟气、蒸汽、水、液体。间壁传热式换热器是本章重点讨论的换热器类型。,间壁式换热器（1）管式换热器 包括蛇管式、套管式、列管式换热器。（2）板式换热器 包括螺旋板式、成型板式、板翅式换热器。,(二）按换热器的结构可分为：板式、列管式、翅片式、盘管式、喷淋式换热器等。(三）换热器按工艺用途分为：加热器、预热器、过热器、废热锅炉、蒸发器、再沸器、冷却器、深冷器、冷凝器、完全冷凝器、部分冷凝器等。,凉水塔,5.4.2 换热器的系列化标准系列换热器：(1)固定管板式换热器（JB/T4715-92）公称压力PN=0.256.4MPa,钢管制圆筒公称直径DN=159325mm 卷制圆筒公称直径DN=4001800mm 管长L=15009000mm。管径19、25。换热面积F=12100m2。管程：。卧式及立式安装。,(2)立式热虹吸式再沸器（JB/T4716-92）PN=0.251.6MPa，卷制圆筒DN=4001800mm，管长L=15003000mm，管径25、38，换热面积F=8400m2，管程:单程。,(3)钢制固定式薄管板列管换热器（HG21503-92）PN=0.62.5MPa（真空按1.0MPa级），DN=1501000mm，t=-19350，252.5、252，L=15006000mm。,(4)浮头式换热器和冷凝器（JB/T4714-92）换热器：PN=1.06.4MPa，卷制圆筒DN=4001800mm，钢管制圆筒DN=325426mm，冷凝器：PN=1.04.0MPa，卷制圆筒DN=4001800mm，钢管制圆筒DN=426mm，换热器长度39m,(5)U型管式换热器（JB/4717-92）PN=1.06.4MPa，卷制圆筒DN=4001200mm，钢管制圆筒DN=325mm、426mm，换热器长度3.6m。(6)螺旋板式换热器（JB/4723-92）PN=0.6、1.0、1.6MPa，DN=5001600mm，F=6120m2。,(7)列管式石墨换热器（HG5-1320-80）PN=0.3Mpa，DN=3001100mm，F=5260m2,L=20005000mm.在工程设计中，应尽量选用标准系列的换热器，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。,5.4.3 换热器部分设计参数的取值5.4.3.1 流体的流速：提高流速，流体湍流程度增加，可以提高传热效率，有利于冲刷污垢和沉积，但流速过大对设备有危害，能耗大。一般主张的流速范围如下：管程 壳程 水及水溶液：0.72.0 m/s 0.51.5 m/s 低粘度油：0.81.8 m/s 0.41.0 m/s 高粘度油：0.51.5 m/s 0.30.8 m/s 气液混合物：2.06.0 m/s 0.53.0 m/s,5.4.3.2流体的路径 热载体上进下出，冷剂下进上出。管内、管外流体流动的原则：（1）不清洁、易结垢的流体宜走管程，以便于清洗。（2）小流量、粘度大宜走管程，因管程易做成多程结构，可以得到较大的流速，提高给热系数。(3)腐蚀性、有毒性流体宜走管程，避免管束和壳体同时腐蚀。,（4）压力高的流体宜走管程，这样可减小对壳程的机械强度要求。（5）饱和蒸汽宜走壳程，因为流速对饱和蒸汽的冷凝给热系数几乎无影响，饱和蒸汽的冷凝表面又不需要清洗，在壳程流动易于及时排除冷凝水。（6）被冷却的流体宜走壳程，这样可利用外壳向环境散热，增强冷却效果。,5.4.3.3 冷热流体温差的取值 换热器两端冷热流体的温差t越大，换热面积F越小，投资越少，但要使冷热流体t大，冷剂量需要就越大，操作费用越高,所以t应合理,使投资费用和操作费用之和最小。（1）换热器热端：冷热流体的t在20以上（2）换热器冷端：温差t 不低于5。（3）冷凝含有惰性气体的流体，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1520，（5）冷却水为冷剂时，冷却水进、出口 温度差取510。右图：翅片管换热器,5.4.3.4 换热面积使用的总传热系数值 无论是管壳式换热器、蛇管换热器、套管换热器、夹套式换热器、空冷器、喷淋式换热器、板式换热器，它们作为冷却器、加热器、蒸发器、冷凝器、使用的总传热系数值，随着换热材质的不同、冷却剂的不同、流动方式等的不同，总传热系数值也不同，其推荐值范围，可查阅国家医药管理局上海医药设计院编的化工工艺设计手册。,5.4.3.5 传热膜系数 传热面两侧的传热膜系数12如相差很大时，值小的一侧将成为控制传热效果的主要因素，设计时应尽量增大小的一侧传热膜系数，最好能使两侧的值大致相等，计算传热面积时，常以小的一侧为准。5.4.3.6 污垢系数经验值 冷却水的污垢系数、工艺物料的污垢系数和油类的污垢系数，可查阅国家医药管理局上海医药设计院编的化工工艺设计手册。,5.4.3.7 换热器设计的基本要求 选用的换热器首要满足 工艺及操作条件要求，在工 艺条件下长期运转，安全可 靠，不泄漏，维修清洗方便，满足工艺要求的换热面积，尽量有较高的换热效率，流 体阻力尽量小，并满足工艺 布置的安装尺寸等。,5.5 塔器的设计,化工生产常用的塔型，有喷洒塔、板式塔和填料塔，其中板式塔和填料塔最为普遍。在蒸馏操作和吸收操作中常用的也是板式塔和填料塔。,5.5.1 板式塔与填料塔的选择(1)塔径：大塔径选板式塔，小塔径选填料塔；(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、舌形板塔），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，若用板式塔，塔板需用耐腐蚀的金属材料，造价高。填料即可采用陶瓷，价格低廉，温度低时还可用塑料填料。(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。（7）填料塔适用于处理发泡液体，因填料能起到破碎泡沫作用。,（8）如果工艺上要求侧线出料宜选用板式塔。（9）液膜控制的过程宜用板式塔，气膜控制的过程宜用填料塔。在板式塔中，气体在液层内鼓泡上升，这种方式有利于处理液相阻力为主的系统，在填料塔中的气、液流动情况有利于减小气膜的阻力，故适于气膜控制系统。（10）对操作弹性要求较高的系统，宜采用浮阀塔或浮动型塔板的板式塔，其次是泡罩塔、填料塔和无溢流塔板的板式塔的操作弹性比较小。,5.5.2 板式蒸馏塔的设计,5.5.2.1 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、冷凝器的热负荷并选型。,（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）根据工艺设备计算结果，向设备专业提出设计条件。,5.5.2.2 板式蒸馏塔实际塔板数的确定（1）确定蒸馏塔实际板数的工作步骤a.根据工艺上的分离要求确定塔顶、塔釜产品的组成。b.初定塔釜、塔顶的操作压力。c.作全塔物料衡算，列出全塔物料衡算 表。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，确定进料温度。f.求理论塔板数。g.定塔板效率。h.求实际塔板数。（2）确定蒸馏塔理论板数、塔板效率的方法（化工原理已讨论）,5.5.3 填料蒸馏塔的设计,填料蒸馏塔的设计程序（1）汇总设计参数和物性数据。（2）选用填料。（3）确定塔径。（4）确定理论板数和填料板的高 度数值。（5）计算填料高度。,（6）校核喷淋密度（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、填料支承板、液体（再）分布器等。（9）向设备专业提出设计条件。,5.5.3.2 填料的选用（1）填料类型的选择 类型：颗粒填料：拉西环、（网）环、鲍尔环、阶梯环、十字环、弧鞍填料、矩鞍填料等。规整填料：孔板波纹填料、丝网波纹填料。,（2）填料规格的选择 塔径与填料尺寸之比的最小值 拉西环：D/d 2025，金属鲍尔环：D/d 8.（3）填料材质的选择 根据介质的腐蚀性和温度来选择。陶瓷耐腐蚀性强，易碎。金属易加工，可成批生产，应用普遍。塑料填料耐腐蚀性好，但是不耐高温。,5.5.4 选择塔型的基本原则（1）要满足工艺要求，效率要高。（2）生产能力大，有足够的操作弹性。（3）运转可靠性高，操作维修方便，少出 故障。（4）结构简单，加工方便，造价较低。（5）塔的压降小。,5.6 反应器的设计,5.6.1 常用工业反应器的类型,5.6.1.1 管式反应器,特征：长度远大于管径，通常内部中空，不设任何构件，多用于均相反应。例如轻油热裂解生产乙烯所用的管式裂解炉便属此类，轻油走管内，管外用燃油燃烧供给裂解反应所需的热（轻油裂解是吸热反应）。,强化传热反应器内部结构,管式反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉；也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充颗粒状催化剂的填充管，填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流。管式反应器返混小，因而容积效率（单位容积生产能力）高，对要求转化率较高或有串联副反应的场合尤为适用。此外，管式反应器可实现分段温度控制。其主要缺点是，反应速率很低时所需管道过长，工业上不易实现。,大庆石化总厂热裂解装置,5.6.1.2 釜式反应器,釜式反应器是应用十分广泛的一类反应器，可用以进行均相反应（绝大多数为液相均相反应），也可用于进行多相反应，如气液反应、液液反应、液固反应以及气液固反应。许多酯化反应、硝化反应、磺化反应以及氯化反应等用的都是釜式反应器。,一台带搅拌的夹套反应釜。它主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。搅拌形式通常由工艺设计而定，有锚式、浆式、蜗轮式、推进式或框式等。传动装置是为带动搅拌装置设置的，主要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成；夹套反应釜开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设计、制作。夹套反应釜一般根据夹套加热形式分类，分为：电热棒加热、蒸汽加热、导热油循环加热等反应釜。,搅拌器的种类,反应釜的操作方式和特点 分为间歇式、连续式和半连续式三种。间歇操作反应系将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一定要求后，一次卸出物料(属于非稳定操作)。间歇反应釜的优点是设备简单，同一设备可用于生产多种产品，尤其适合于医药、染料、树脂等工业部门小批量、多品种的生产。另外，间歇反应器中不存物料，对大多数反应有利。缺点是需要装卸料、清洗等辅助工序，产品质量不易稳定。,连续操作反应器系连续加入原料，连续排出反应产物。当操作达到定态时，反应器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而变化(属于稳定操作)。大规模生产应尽可能采用连续反应器。连续反应器的优点是产品质量稳定，易于操作控制。其缺点是连续反应器中都存在程度不同的返混，这对大多数反应皆为不利因素，应通过反应器合理选型和结构设计加以抑制。加料方式对有两种以上原料的连续反应器，物料流向可采用并流或逆流。对几个反应器组成的设备，还可采用错流加料,即一种原料依次通过各个反应器,另一种原料分别加入各反应器。除流向外，还有原料是从反应器的一端(或两端)加入和分段加入之分。分段加入指一种原料由一端加入，另一种原料分成几段从反应器的不同位置加入，错流也可看成一种分段加料方式。,半连续操作反应器也称为半间歇操作反应器，介于上述两者之间，通常是将一种反应物一次加入，然后连续加入另一种反应物。反应达到一定要求后，停止操作并卸出物料。反应器可在常压、加压或负压（真空）下操作。加压操作的反应器主要用于有气体参与的反应过程，提高操作压力有利于加速气相反应，对于总摩尔数减小的气相可逆反应,则可提高平衡转化率,如合成氨、合成甲醇等。提高操作压力还可增加气体在液体中的溶解度，故许多、采用加压操作，以提高反应速率。,反应釜设计的步骤,1、选择反应釜的形式和操作方法2、汇总设计基础数据确定操作条件（温度、时间、装料系数等）3、计算反应釜的体积（连续、间歇），台数4、确定反应釜的长径比及封头5、传热面积的计算和校核 与加料高度、粘度、搅拌器的类型有关6、搅拌器形式的设计与选择7、管口、开孔、轴密封等设计,5.6.1.3 塔式反应器,这类反应器的高度一般为直径的数倍乃至十余倍，常用于气-液反应和液-液反应。常用的有鼓泡塔反应器、板式塔反应器、填料塔反应器、喷淋塔反应器。,（1）鼓泡塔反应器 广泛应用于液相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。例如，各种有机化合物的氧化反应、各种石蜡和芳烃的氯化反应、各种生物化学反应、氨水碳化生成固体碳酸氢铵等反应，都采用这种鼓泡塔反应器。鼓泡塔反应器在实际应用中具有以下优点：气体以小的气泡形式均匀分布，连续不断地通过气液反应层，保证了气、液接触面，使气、液充分混合，反应良好。结构简单，容易清理，操作稳定，投资和维修费用低。鼓泡塔反应器具有极高的储液量和相际接触面积，传质和传热效率较高，适用于缓慢化学反应和高度放热的情况。在塔的内、外都可以安装换热装置。和填料塔相比较，鼓泡塔能处理悬浮液体。,鼓泡塔反应器结构示意图 1分布格板；2夹套；3气体分布器；4塔体；5挡板；6塔外换热器；7液体捕集器；8扩大段,（2）板式塔反应器 板式塔反应器的液体是连续相而气体是分散相，借助于气相通过塔板分散成小气泡而与板上液体相接触进行化学反应。板式塔反应器适用于快速及中速反应。采用多板可以将轴向返混降低至最小程度，并且它可以在很小的液体流速下进行操作，从而能在单塔中直接获得极高的液相转化率。同时，板式塔反应器的气液传质系数较大，可以在板上安置冷却或加热元件，以适应维持所需温度的要求。但是板式塔反应器具有气相流动压降较大和传质表面较小等缺点。,（3）填料塔反应器 填料塔反应器是广泛应用于气体吸收的设备，也可用作气、液相反应器，由于液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而与气相接触进行反应，故液相主体量较少。适用于瞬间反应、快速和中速反应过程。例如，催化热碱吸收CO2、水吸收NOX形成硝酸、水吸收HCl生成盐酸、吸收SO3生成硫酸等通常都使用填料塔反应器。填料塔反应器具有结构简单、压降小、易于适应各种腐蚀介质和不易造成溶液起泡的优点。填料塔反应器也有缺点。首先，它无法从塔体中直接移去热量，当反应热较高时，必须借助增加液体喷淋量以显热形式带出热量；其次，由于存在最低润湿率的问题，在很多情况下需采用自身循环才能保证填料的基本润湿，但这种自身循环破坏了逆流的原则。,（4）喷淋塔反应器 喷淋塔反应器结构较为简单，液体以细小液滴的方式分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相，具有相接触面积大和气相压降小等优点。适用于瞬间、界面和快速反应，也适用于生成固体的反应。喷淋塔反应器具有持液量小和液侧传质系数过小，气相和液相返混较为严重的缺点。,5.6.1.4 固定床反应器,特征为反应器内填充有固定不动的固体颗粒，这些固体颗粒可以是固体催化剂，也可以是固体反应物。在化工生产中被广泛采用的是固定床催化反应器，床内的固体颗粒是催化剂。如乙醇脱水制乙烯中的气固相催化装置。,（1）固定床反应器优点:床层薄，流体流速很低；床层内的流体轴向流动可看成是理想置换流动，因而化学反应速度较快；流体停留时间可严格控制，温度分布可以适当调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性；催化剂不易磨损；可在高温下操作（2）固定床反应器缺点:催化剂导热性较差，催化剂的再生、更换不方便。,换热式固定床反应器,5.6.1.5 流化床反应器,器内有固体颗粒的反应器。与固定床反应器不同，这些固体颗粒处于运动状态。流化床反应器可用于气固、液固以及气液固催化或非催化反应，是工业生产中较广泛使用的反应器。典型的工业应用例子是炼油厂的催化裂化、聚