陈声宗化工设计--第四章--2013综述

第四章 设备的工艺设计及化工设备图,本章学习目的与要求 了解化工设备选用的一般原则； 了解非定型设备设计的主要程序。 本章重难点 化工设备选用的一般原则。 难点 非定型设备设计的主要程序。,化工工艺设计人员的工作内容,确定化工单元操作所用设备的类型。 这项工作应与工艺流程设计结合起来进行。 确定设备的材质。 根据工艺操作条件和对设备的工艺要求，确定符合要求的设备材质，这项工作应与设备设计专业人员共同完成。 确定设备的设计参数。 设备的设计参数是由工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、设备的工艺计算多项工作得到的。 对不同的设备，它们有不同的设计参数。,确定标准设备的型号或牌号，并确定台数。 标准设备可以从国家机电产品目录或样本中查到，产品目录或样本中列出设备的规格、型号、基本性能参数和生产厂家等多项内容，设计人员可从中选择符合工艺要求的型号。 对已有标准图纸的设备，确定标准图的图号和型号。 有些属于非标准设备的化工装置，也有了一些标准的图纸，所以，在设计非标准设备时，应尽量采用已经标准化的图纸，以节省非标准设备施工图的设计工作量。,对非标准设备。 向化工设备专业设计人员提出设计条件和设备草图，明确设备的型号、材质、基本设计参数、管口、维修、安装要求、支承要求及其他要求。 编制工艺设备一览表。 可按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制。 当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。,第一节 化工设备选用的一般原则,化工设备一般分为两类： 标准设备或定型设备 非标准设备或非定型设备,标准设备或定型设备: 是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: 根据生产需要，计算并选择某种型号，以便订货。,非定型标准设备，需专门设计的特殊设备。 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。 在设计非标准设备时，应尽量采用已经标准化的图纸。,选型和工艺设计的原则： 综合考虑合理性、先进性、安全性、经济性和系统性的原则，审慎研究，认真设计。 合理性：即设备必须满足工艺要求，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，又能充分发挥设备的能力。 先进性：要求设备的运转可靠性、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。,安全性： 要求安全可靠、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； 工人在操作时，劳动强度小，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附料。 经济性： 设备投资节省，设备易于加工、维修、更新，没有特殊的维护要求，运行费用减少。 引进先进设备，亦应反复对比报价，考察设备性能，并易于被国内消化吸收改进利用，避免盲目性。 系统性： 化工过程是一个完整的系统，设备设计时不能仅关注单一设备，避免因个别设备妨碍整个系统优化； 注重经济性的同时，还应通盘考虑，保留适当裕量，以免在日后扩产和工艺调整时成为系统“瓶颈”。,第二节 非定型设备设计的主要程序,设备的工艺设计，是化工工程设计中的一项繁重、量大、技术要求高的工作 标准设备和定型设备可根据工艺设计条件从有关资料中查出，直接列表，但非定型设备则要求进行设计。 表4-1（设计文件编制、校审签署规定表）列出了设备设计主要工作内容和相应的文件，以及各个环节校审要求。,设计文件编制、校审签署规定,超标准的压力容器总图和计算书以及新开发设计的复杂关键特殊设备的总图和计算书，也需经压力容器技术负责人审定和签署。,重要或关键部件图和工程标准、标准图等才需审定。,当几台设备组成一个采购包时，该文件由指定工程师编制。,第二节 非定型设备设计的主要程序,非定型设备分两类: 一类是已有标准系列的换热器和罐 此类设备可以按工艺要求直接选型，在工艺设备一览表中列出所选用的系列图号，并编入非定型设备图纸目录中即可； 另一类就是要按工艺要求由设备专业设计人员专门设计的非定型设备。,非定型设备的主要工作内容及工作程序如下： 基本设计。 流体力学计算。 按照带控制点工艺流程图和工艺控制的要求，确定设备上的控制仪表或测量元件的种类、数目、安装位置、接头形式和尺寸。,确定设备的化工单元类型； 根据各类设备的性能、使用特点和使用范围，进行权衡比较， 确定该设备的基本结构形式； 根据设计数据，进行必要的计算和分析， 确定化工设备的基本尺寸和主要工艺参数； 根据工艺操作条件和设备的工艺要求，确定适应要求的设备材质； 按工艺流程要求确定设备的工艺连接要求， 确定设备的管口及人孔、手孔的数目和位置。,通过流体力学计算， 确定工艺和公用工程连接管口、安全阀接口、放空口、排液口、排污口等连接管口的直径， 并确定他们在设备上的安装位置。,根据设备布置设计确定管口方位、设备的安装标高、支撑结构的尺寸和方位以及设备的操作平台的结构与尺寸，并留有布置余地，便于管道布置设计时进行修改。 向设备设计人员提供非定型设备设计条件单，向土建人员提出设备操作平台等设计条件。 以上（1）至（5）的步骤主要由工艺设计人员完成。 由设备设计人员根据各种规范进行机械设计、强度设计和检验，并绘制设备施工图纸。 在管道布置设计完成后，由工艺人员绘制设备管口方位图，并经设备设计人员校核会签后归入设备施工图纸中。,常用设备的有关知识,一、泵 二、换热设备 三、贮罐 四、塔 五、反应器,一、泵,对化工用泵的要求与一般的泵有所不同，除了操作方便、运行可靠、性能良好和维修方便等一般要求外，在不同的情况下还有不同的特殊要求，简要介绍如下： （1）输送易燃、易爆、易挥发、有毒和有腐蚀性及贵重的介质时，要求密封性可靠，只能微漏甚至完全无泄漏。因此应采用磁力驱动泵或屏蔽泵。,（2）输送腐蚀性介质时，应选用耐腐蚀泵。金属耐腐蚀泵的过流部件的材质有普通铸铁、高硅铸铁、不锈钢、高合金钢、钛及其合金等，看根据介质特性和温度范围选用不同的材质。 （3）输送易气化液体，应选用低温泵。如液态烃、液化天然气、液态氧和液体氢等，这些介质的温度通常为 -30 -160，绝大部分此类液体有腐蚀性和危险性，因此不允许泄漏，而且由于其易气化，若有漏液，液体气化吸热极易造成密封部位结冰，因此，此类泵对密封要求很严。,（4）输送粘性液体，要根据粘度的大小选泵。 （5）输送含气液体，泵输送液体中的允许含气量的极限为（体积分数）：离心泵5%，旋涡泵5%20%，容积式泵5%20%，选用时不得超越，否则会产生噪音、振动、腐蚀加剧或出现断流、断轴现象。 （6）输送含固体颗粒的液体，因固体颗粒的存在使泵的扬程和效率降低，应按有关规定校核。,（7）输送高温介质时看考虑选用热油泵。 （8）要求高吸入性能时，选用允许汽蚀余量小的泵，如液态烃泵、双吸式离心泵。 （9）要求低流量、高扬程时，可选用多级泵、简形泵，旋涡泵与普通离心泵相比，旋涡泵适合于流量小、扬程高的场合。 （10）当打液量精度要求高时，可用计量泵。,确定泵的型式: 首先是要根据被输送物料的基本性质，物料的基本性质包括相态、温度、粘度、密度、挥发性、毒性、与空气形成爆炸性混合物的可能性和化学腐蚀性等。 选择泵的型式时还要考虑生产的工艺过程、动力、环境和安全要求等条件。,均相液体可选用的泵型范围很广: 悬浮液则宜用泥浆泵或隔膜泵； 液体中夹带或溶有气体时应选用容积式泵； 粘度大的液体、胶体或膏糊料可用往复泵，最好选用齿轮泵、螺杆泵； 输送腐蚀性介质时用各种耐腐蚀材料制造或带衬里的耐腐蚀泵； 输送昂贵的液体、剧毒的液体应选用完全不泄漏、无轴封的屏蔽泵和磁力泵；,工艺上要求: 打液量精度要求高时宜选用计量泵； 大流量、高压头时宜选用往复泵； 流量小而压头高、液体又无悬浮物且粘度不高的情况，选用旋涡泵或多级离心泵。 输送易燃易爆的液体时选用蒸汽往复泵或水喷射泵、蒸汽喷射泵是安全的； 若采用电动泵输送易燃易爆的液体，则必须配用防爆电机。,实际上，在选择泵的类型时，往往不可能完全满足各个方面的要求，应以满足工艺和安全要求为主要目标，其他方面的要求（如扬程等）都要服从主要的要求。,二、换热设备,传热设备可分为间壁式、混合式及蓄热式，其中间壁式是化工生产中应用最广泛的类型，可参照化工原理等手册选用。,三、贮罐,国家有各类容器的标准系列，这些标准系列有通用设计图，可向有关单位购买标准图，既省时又可充分保证设计质量。 贮罐存贮量是贮罐设计的最基本的参数。 （1）原料贮罐 全厂性原料库房贮罐，原料存贮量要保证生产能正常进行，主要根据原料市场供应情况和供应周期而定，一般以13月的生产用量为宜。,车间的原料贮罐一般考虑至少半个月的用量，因为车间成本核算常常是逐月进行的，因而贮罐存贮量一般不主张超过1月。 （2）成品贮罐 一般主要按工厂短期停车后仍能保证满足市场需求来确定存贮量，液体产品贮罐常按至少贮存一周的产品产量设计。,（3）中间贮罐 其设置是考虑生产过程中在前面某一工序临时停车时仍能维持后面工段的正常生产，所以要比原料罐的存贮量少得多。对于连续化生产视情况贮存几小时至几天的用量，对间歇生产过程，至少应考虑存贮一个班的生产用量。 （4）回流罐 蒸馏塔回流罐一般考虑5min至10min左右的液体保有量作冷凝器液封之用。 以上4类液体贮罐的装料系数（有效容积占贮罐总容积的百分率）一般在0.8左右，有时可高达0.85，存放气体的容器装料系数是1。,（5）计量罐 考虑少者10min、15min，多者2h或4h产量（或原料量）的存贮量。计量罐的装载系数一般取0.60.7，因为计量罐的刻度在罐的直筒部分，刻度的使用度常为满量程的80%85%，所以应取较小的装载系数。 （6）缓冲罐 目的是使气体有一定数量的积累，使压力稳定，从而保证工艺流程中流量的稳定，常常是下游使用设备（例压缩机、泵）5min至10min的用量，有时可超过15min的用量，以便有充裕时间处理故障，调节流程或关停机器。,（7）闪蒸罐 闪蒸过程是液体的部分气化过程，是一个单级分离过程，液体在闪蒸罐的停留时间应考虑尽量使液体在闪蒸罐内有充分的时间使接近气液平衡状态，因此应视工艺过程的不同要求选择液体在罐内的停留时间。,四、塔,化工生产中使用的塔型有喷洒塔、板式塔和填料塔，其中填料塔和板式塔最为普遍，而蒸馏操作和吸收操作又是使用板式塔和填料塔最多的地方。 可参照化工原理等手册选用。,五、反应器,常用的反应器有如下类型： （1）管式反应器 特征是长度远较管径为大，内部中空，不设任何构件，多用于均相反应。 （2）釜式反应器 又称为反应釜或搅拌器，其高度一般与直径相等或稍高，约为直径的23倍，应用十分广泛，可用以进行均相反应，也可用于多相反应。,（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，有些塔式反应器内部有为了增加两相接触而设的构件如填料、塔板等，塔式反应器主要用于两种流体反应的过程，如气液反应和液液反应。,（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。 固定床反应器还可用于气固及液固非催化反应，此类反应器内的固体是反应物而非固体催化剂。,（5）流化床反应器 也是一种器内有固体颗粒的反应器，与固定床反应器不同，这些固体颗粒系处于运动状态。此类反应器可用于气固、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装置和丁烯氧化脱氢制丁二烯等气固催化反应过程的反应器。,第三节 化工设备图,一、化工设备图的基本知识,(1)工程图 表示设备的化工工艺特性、使用特性、制造要求的图纸。 它依据工艺数据表编成，用于基础设计审核、设备询价、订货和制造，以及向相关专业提出设计条件。 图纸布置见图4-1.,