化工设计—设备的工艺设计及化工设备图.ppt
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1、,1,化工设计 Design of Chemical Engineering,2,4 设备的工艺设计及化工设备图,化工设备选用及工艺设计的一般原则 化工设备的选用 非定型设备设计的主要程序 化工设备图,3,4-1 化工设备选用及工艺设计的一般原则,化工设备类型: 标准设备(定型设备) 非标准设备(非定型设备 ),工艺设备的设计与选择的目的,决定车间内所有工艺设备的台数,型式和主要尺寸 据此,着手进行车间布置设计,并为下一步施工图设计以及其他非工艺设计项目提供足够的相关条件。,化工设备设计与选择的主要任务,标准设备或定型设备选择(规格、型号) 非标准设备或非定型设备的设计(主要尺寸、给设备设计人
2、员提条件) 编制化工设备一览表,表4.1 工艺设备一览表,7,选型和工艺设计的原则: (1)合理性。 (2)先进性。 (3)安全性。 (4)经济性。,经济合理,设备投资省,易于加工、维修和更新,没有特殊的维护要求,运行费用少 引进设备要考察设备性能及报价,考虑是否易于被国内吸收和改造利用,避免盲目性,技术先进,设备必须满足工艺的一般要求;与工艺流程、生产规模、工艺操作条件、工艺控制水平相适应,并充分发挥设备的能力 要求设备运转可靠,控制水平、生产能力、转化率、收率、效益等要尽可能的达到先进水平,操作安全,设备要运转可靠、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
3、操作时,劳动强度要小,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辅料,设备的技术经济指标,单位生产能力 消耗系数 设备价格 管理费用 产品总成本,设备结构的要求,强度:合理的强度,保证设备的安全运行 刚度:设备及其构件在外压的作用下,保持原有状况的能力 耐久性:设备的使用年限,一般化工设备的使用年限为10-12年,高压设备为20-25年 密封性:根据有毒物质在车间内允许的浓度来确定。它对处理易燃易爆及有毒介质非常重要 用材和制造:尽量少用贵重材料,避免复杂的加工工序 操作和检修:考虑操作、安装和日常维修的方便 运输方便:尺寸与形状设计时要注意运输方便与否,设备的直径、长度、重量要符合
4、公路、铁路、水运的运输规定,13,4-2 化工设备的选用,定型设备的选择方法及原则,根据设计项目规定的生产能力和生产周期考虑设备台数,设备选型依据有关手册和生产厂家的产品目录 在选用设备同时,要注意设备备件的供应情况,对供应紧张的备件,最好在订货时也订购备件 定型设备的选择,按其生产能力,一般偏高一个等级选用,也可以按工厂的近期发展要求选配,14,一、物料输送设备的选择,液体物料输送设备:常规的设备为各种泵 气体物料输送、压缩、制冷设备:常规的设备为风机、压缩机、真空泵、制冷机等 固体物料输送设备:常规的设备为各种给料机械设备、气流输送设备 其他:惰性气体压送或真空吸送液体以及气体输送固体等,
5、(一)液体物料输送设备-泵的选择,泵按其作用于液体原理的不同,分三类: 容积式流体输送泵 叶片式输送泵 流体动力泵,图4.1 泵的分类,容积式流体输送泵,利用泵内活塞或转子运动,使泵内工作室的容积产生周期性变化,对流体产生挤压作用,进而将其吸入或压出。如往复泵、齿轮泵、转子泵,电动往复泵,齿轮泵,转子泵,叶片式输送泵,利用泵内叶片在旋转时产生的离心作用,给流体以离心力或轴向力将液体吸入或压出。如离心泵、轴流泵、旋涡泵,单级离心泵,立式轴流泵系列产品,离心旋涡泵,流体动力泵,依靠另一种所谓“工作流体”作为动力来输送液体。如喷射泵,水喷射泵,大气喷射泵机组,各类泵的特点,离心泵:流量大、扬程低 往
6、复泵、旋流泵:流量较小、扬程较高 转子泵:可输送粘度较高的液体 喷射泵:可用来抽吸液体或气体,泵的选择,泵的选择依据 选择泵的一般步骤 泵的选择经验 确定泵的台数和备用率,(1)泵的选择依据,生产工艺对液体输送量的要求 装置扬程的高度要求 液体的性质 操作条件 地理位置(装置系统的管路布置条件)等,流量,泵在单位时间抽排液体的体积数。它是泵选择的重要依据之一,与整个装置的生产能力要求相协调 叶片式泵的流量与扬程有关,这种关系叫做离心泵的特征曲线 容积式泵的流量与扬程无关,几乎为常数 泵的操作流量指泵的扬程流量特征曲线与管网系统所需的扬程、流量曲线相交处的流量值,扬程,指泵在输送单位液体时,泵的
7、进口至出口的能量增加值,包括液体静压力、动压头和几何位能的总和。是装置系统所需的扬程,与管路系统的具体布置情况有关 选泵的扬程值应该注意:最低吸入液面和最高送液高度,同时留有余量,一般取系统扬程的1.05-1.1倍作为依据,液体的性质,液体的性质包括物理性质和化学性质 物理性质指温度、重度、粘度、以及介质中固体颗粒的直径和含量、气体的含量等,涉及到泵的类型选择、扬程的确定 化学性质指介质的化学腐蚀性和毒性,是考虑泵的材质和轴封形式的重要依据,系统的管路布置条件,指送液高度、送液路线、送液走向、吸入侧的最低液面、排出侧的最高液面及管道规格、材料、管件规格、数量等 是计算系统扬程的依据,当已经给定
8、系统的扬程时,可以不必进行计算,操作条件,操作条件的内容包括:操作温度、饱和蒸气压、吸入侧容器内的压力、排出侧容器内的压力、环境温度、操作是连续还是间断、泵的地理位置等,(2)选择泵的一般步骤,选择类型 选择系列和材料 确定泵的具体型号 确定泵的台数和备用率,(4)确定泵的台数和备用率,作为正常运行时使用的泵,一般只用一台。 在下列情况时,可以考虑两台泵并联 在流量很大,一台泵达不到所需流量 对于需要50%备用率的大型泵可改用两台泵并联,一台备用(共三台) 对某些更大型的泵,可选用能满足70%流量要求的泵并联工作,不用备用泵。 对于重要场合泵的备用率50-100%;对一般连续操 作的泵35-5
9、0%备用率即可;间歇式操作的泵,一般 不用备用泵,(二)气体输送、压缩设备,风机按其作用原理可以分为容积式和透平式两类。 前者靠活塞作用在气缸内作往复或旋转运动,使气体体积缩小而提高压力,后者靠高速旋转的叶轮提高气速和压力,然后在扩压器中使速度降下来,把动能转化为压力能。,风机的分类,风机的分类2,按机械所能达到的压力大小分类为通风机、鼓风机、压缩机、真空泵 通风机:排气压力小于0.115MPa,输送气体 鼓风机:排气压力0.115-0.4MPa,输送气体 压缩机:排气压力大于0.4MPa,提高压力 真空泵:排气压力接近0MPa,风机,离心风机,罗茨风机,轴流风机,斜流风机,锅炉引风机,风机的
10、选择,选择风机依据工艺条件、物料特性(腐蚀、爆炸、有无毒性、含尘量)、排气温度、排气量、排气压力等参数选择 在同一型号中,效率最高、能耗最小、价格便宜为最优,风机选择注意事项,选择风机时,风压的计算要考虑从管路的吸入口至排出口的压力降,并加必要的安全系数,3% 风机标牌上标明的风量大小为标准状态下的值,选择是应注意将使用工况下的参数换算成标准状态下的值 风机并联或串联使用时,性能会有所降低,设计时不宜采用,当必须使用时,要选择同型号同性能的风机,风机选择一般经验,一般低压操作,排气压力0.5kg/cm2时采用往复式压缩机,大流量时采用离心式压缩机,二、容器类设备的选择,立式储罐 平底平盖系列(
11、HG5-1572-85) 立式球形封头系列(HG5-1578-85) 900折边锥形底椭圆形盖系列(HG5-1577-85) 卧式储罐 卧式有折边椭圆封头系列(HG5-1580-85) 立式圆筒形固定顶储罐系列(HG21502.1-92) 低压湿式气柜系列(HG21549-92),储罐设计,设计参数 容积 储罐尺寸的确定 管口方位的确定 确定容器的支撑方式 绘制设备草图(条件图),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,通常根据储存物料的流量及储存时间,加上20%的安全系数 公称直径,参照常规储罐的高径比或查阅已有的储罐系列 腐蚀裕度,根据储罐介质决定 设计载荷,包括风
12、载、雪载荷、灌顶附加载荷及抗震烈度 材质选择,根据介质物性、工艺条件选择碳钢、不锈钢、搪瓷、或非金属材料 储罐形式,根据介质物性、工艺条件及容积确定 储罐台数,容积,确定容积的依据 物料的流量 储存时间 原料的来源与运输方法 储罐使用的场合,不同的工艺要求储罐的容量,储存原料或产品,全厂性的储罐至少一个月的储量;车间储罐至少半个月的储量 液体产品储罐一般设计至少一周的产品量 气柜可以设计两天或多天的产量 中间产品储罐一般考虑一昼夜的储量 计量罐:一般用于间歇生产,容积根据每一批次 物料的存放量及存放时间定 回流罐:一般考虑5-10min左右的液体保存量,做冷凝液封用,储罐尺寸的确定,定型设备:
13、根据计算的容积,手册中查标准化设备的有关尺寸 非定型设备:根据计算容积,考虑装料系数和高径比,装料系数与高径比,装料系数是防止物料溢出的安全系数,与物料种类和操作条件相关。一般储槽、计量槽取0.8-0.9,搅拌反应器取0.7-0.85,对沸腾操作或易发泡的反应器取0.4-0.6。 高径比一般取H:D=1-2,管口方位的确定,储罐的管口主要有:进料、出料、温度、压力(真空)、放空、液面计、排液、以及人控、手孔等 根据储罐的大小及进出口流量决定各管口尺寸与数量 管口方位的安排应该有利于工艺管道的布置,确定容器的支撑方式,立式或卧式 裙座、鞍座、三角支座等,绘制设备草图(条件图),标注尺寸 对非标设
14、备,绘制设备的外形轮廓图,标注一切相关尺寸,填写设计条件表,向设备设计人员提出设计条件 对定型设备,可以选用标准图系列的有关图纸,将工艺要求的管口方位、支座等与标准的管口方位及支座图进行对照,如有不符,按工艺要求的管口方位订货,提出相应的订货要求,三、换热设备的选择,换热器的分类 换热器设计的基本原则,换热器图示,夹套式换热器,列管式换热器,螺旋板式换热器,套管式换热器,喷淋管式换热器,换热器的分类,按工艺用途分类:加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、空冷器等 根据冷热流体的热量交换方式分类:间壁式、直接式、蓄热式等三类 间壁式换热器可分为管式换热器(承压能力高)及板式换热器(承压能力低)
15、,换热器设计的基本原则,基本要求 介质流程 终端温差 流速 压力降 传热系数 污垢系数 标准化原则,工艺要求的传热面积 较高的传热效率 小流体阻力,51,1换热器设计的一般原则,(1)基本要求 满足工艺操作条件 能长期运转 安全可靠 不泄漏 维修清洗方便 满足工艺要求的传热面积 尽量有较高的传热效率 流体阻力尽量小 满足工艺布置的安装尺寸等要求,52,(2)介质流程,(3)终端温差(经济合理和传热效率),热端的温差应在200C以上; 用水或其它冷却介质冷却时,冷端温差可以小一些,但不要低于50C; 当用冷却剂冷凝工艺流体时,冷却剂的进口温度应当高于工艺流体中最高凝点组分的凝点50C以上; 空冷
16、器的最小温差应大于200C; 冷凝含有惰性气体的流体时,冷却剂出口温度至少比冷凝组分的露点低50C。,54,55,(4)流速,流速较高,可提高传热效率,有利于冲刷污垢和沉积; 但流速不能过大。 参见:常用流速范围。,流体在直管内常见的流速,壳程内常见适宜流速,58,(5)压力降,随操作压力不同而有一个大致的范围 。 参考范围,59,(6)传热系数,应设法增大传热膜系数一侧数值。 计算传热面积时,常以小的一侧为准。 (7)污垢系数 在设计换热器时要慎重考虑流速和壁温的影响。 从工艺上降低污垢系数,如改进水质,消除死区,增加流速,防止局部过热等。 (8)尽量选用标准设计和标准系列,热交换器的设计方
17、法,汇总设计数据、分析设计任务 设计换热流程 选择换热器的材质 选择换热器的类型 确定换热器中冷热流体的流向 确定和计算平均温差tm,计算热负荷Q、流体给热系数 估计污垢热阻系数并初步估算传热系数K 计算总传热面积A 调整温差再计算一次传热面积 选用系列换热器 验算换热器的压力降 画出换热器设备草图,汇总设计数据、分析设计任务,根据物料衡算和工艺物料的要求、特性,得到物料流量、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,与流程中其它设备的关系等数据,设计换热流程,在换热设计时,应该仔细探讨换热的工艺流程,以利于充分利用热量,充分利用热源,选择换热器的材质,根据介质的腐蚀性
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