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2011第4章设备设计与选择


4. 设备设计与选择

本章内容
选择设备的基本要求 ? 设备设计—定型设备的选择 ? 设备设计—非定型设备的设计与 计算
?

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。
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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、给设备设计人员提条件) ? 编制化工设备一览表
?

表4.1 工艺设备一览表
序 设备 设备 型 材 操 作 单 数 重 来 备 号 位号 名称 号 质 参 数 位 量 量 源 注 及规 温 压 格 度 力

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12

4.1 选择设备的基本要求
原则:技术先进、操作安全、经济合理 ? 技术经济指标 ? 设备结构的要求

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

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

4.1.1 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
?

单位生产能力
? 设备在单位体积(单位重量或单位面

积)上单位时间内完成的任务。 ? 设备的生产能力要与流程设计的生产 能力相适应,且效率高。设备的生产 能力越高越好。

消耗系数
? 指生产单位重量或单位体积产品消耗

的原料和能量,其中包括原材料、燃 料、蒸汽、机电等。一般消耗系数越 低越好。

设备价格
? 设备价格直接影响建设工程的投资。

在满足生产要求的条件下,一般要选 择价格便宜、制造容易、结构简单的 设备。

管理费用
? 设备的管理费用包括劳动工资、维护

检修费用。要尽量选择管理费用低的 设备,以降低产品的成本。

产品总成本
?

是化工企业经济效益的综合反映,也 是上述各项指标的综合反映。一般要 求产品的总成本越低越好。

4.1.2 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、重量要符合公路、铁路、 水运的运输规定

4.2 设备设计的基本内容
定型设备的选择 ? 非定型设备的设计与计算
?

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
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设备的设计与选择
4.2.1 物料输送设备的选择 ? 4.2.2 容器类设备的选择 ? 4.2.3 换热设备的选择 ? 4.2.4 塔器设备的选型与设计 ? 4.2.5 反应器的选型与设计 ? 4.2.6 非定型设备设计的主要程序
?

4.2.1 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

4.2.1.1 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

图4.2 几种典型泵的图片

水环式真空泵

高压水泵

污物潜水泵

电子隔膜计量泵

双缸隔膜泥浆泵

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
?

表4.2 各种泵的性能对比
类 离心泵 型 流 均匀 量 量大 流量随管路 情况而变化 扬 一般不高 程 对一定流量 只能供给一 定的扬程 往复泵 不均匀 量不大 流量恒定,几乎 不随压头变化而 变化 转子泵 比较均匀 量小 流量恒定, 与往复泵 同 旋流泵 均匀 量小 流量随管路 的情况而变 化 较高 对一定流量 只能供给一 定的扬程 流体动 力泵 量小 间断排 送

较高 同往复泵 对一定的流量可 供给不同的扬程, 由管路系统确定

压力不 宜过高, 压力越 高效率 越低

表4.2 各种泵的性能对比续1
类 离心泵 型 效 最高为70%左右 率 在设计点最高, 偏离越远,效率 越低 往复泵 在80%左右 供应不同的 扬程时,效 率仍保持较 大值 转子泵 在60-90% 扬程高时 泄漏,使 效率降低 旋流泵 在25-50% 流体动 力泵 一般仅 15-20%

结 简单、价廉、安 零件多,构 造复杂 构 装容易 高速旋转,可直 震动很大, 接与电动机相连 不 可 快 速 , 同一流量体积小 安装较难 体 轴封装置要求高, 积 大 , 占 地多 不能漏气 需吸入排出 活门

没有活门 结构简单,紧凑 无 活 动 可 与 电 动 高速旋转,可直 部分 机 直 接 相 接与电动机相连 简单 连 叶轮与泵壳之间 要求间隙很小 零件较少, 但 制 造 精 轴封装置要求高, 度 要 求 较 不漏气 高

表4.2 各种泵的性能对比续2
类 型 操 作 离心泵 往复泵 转子泵 旋流泵 流体动力 泵 只能间歇 操作,麻 烦 可装备自 动化设备, 但结构复 杂 流量很难 调节 有 气 缚 现 象 , 零件多,易 开车前要灌泵 , 出故障,检 运 转 中 不 能 漏 修麻烦 气 不能用出口 维护操作方便 阀而只能用 可 用 阀 很 方 便 支路阀调节 流量 的调节流量 不 因 管 路 堵 塞 扬程流量改 而 发 生 损 坏 现 变时能保持 高效率 象 检 查 比 离 功率随流量的 心泵复杂, 减小而增大, 比 往 复 泵 开车时应打开 容易 出口阀 不能用出 同理,调节流 口阀而只 量用支路阀 能用支路 阀调节流 量

适 用 范 围

输 送 腐 蚀 性 或 高扬程、小 高 扬 程 、 悬 浮 液 , 粘 度 流量的清洁 小 流 量 、 大 的 流 体 不 适 液体 特别适用 用 于输送油 类等粘性 液体

特别适用于流 间歇地输 量小而压头较 送腐蚀性 高的液体,但 大的液体 不能输送污秽 的液体

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
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(3)泵的选择经验
? ?

?
? ?

流量较大,扬程较低,液体粘度小,液体中气体 体积含量低于5%时,宜选用离心泵 流量较小,扬程较高,介质粘度大,且有润滑性 可选用转子泵 粘度特别大的液体,应选用高粘度齿轮泵、螺杆 泵或往复泵等容积泵 对易燃易爆的液体,应考虑用蒸汽驱动的往复泵 或电机防爆的其它类型的泵 对剧毒、有放射性物品、贵重介质,宜用密封性 能很好的屏蔽泵

(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35-50%备用率即可;间歇式操作的泵,一般 不用备用泵
?

图4.3 各类泵的性能范围

按水介 质绘制

4.2.1.2 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
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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

罗茨风机
锅炉引风机

离心风机

轴流风机

斜流风机

风机的选择
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<50mmH2O时, 宜用轴流式风机 ? 风压0.15-0.5kg/cm2时采用罗茨鼓风机 ? 风压<0.15kg/cm2时采用离心鼓风机 ? 风压>0.5kg/cm2时采用往复式压缩机,大 流量时采用离心式压缩机
?

4.2.2 容器类设备的选择
?

立式储罐
平底平盖系列(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)
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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)
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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: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

4.2.3 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

列管式换热器 夹套式换热器 螺旋板式换热器

喷淋管式换热器

套管式换热器

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)
?

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

基本要求
换热器设计要满足工艺操作条件,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 置的安装尺寸要求 ? 经济上合理
?

介质流程
?
?

?
? ? ?

腐蚀性介质走管程,可以降低对外壳材质的要求; 毒性介质走管程,泄漏的几率小;易结垢的介质 走管程便于清洗和清扫; 压力较高的介质走管程,这样可以减少对壳体的 机械强度要求; 温度高的介质走管程,可以改变材质,满足介质 要求; 粘度较大、流量小的介质走壳程,可提高传热系 数; 从压力降考虑,雷诺数小的走壳程

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。
?

流速
?

在换热器内,一般希望采用较高的流速, 这样可以提高传热效率,有利于冲刷污垢 和沉积。但流速过大,磨损严重,甚至造 成设备震动,影响操作和使用寿命,能量 消耗也将增加。因此,比较适宜的流速应 该经过经济核算来确定。

流体在直管内常见的流速
流体 冷却水(淡水) 冷却用海水 低粘度油类 流速 0.7-3.5m/s 0.7-2.5m/s 0.5-1.8m/s

粘度油类
油类蒸气

0.5-1.5m/s
5.0-15m/s

气液混合流体

2.0-6.0m/s

壳程内常见适宜流速
流体
水及水溶液 低粘度油

流速
0.5-1.5m/s 0.4-1.0m/s

高粘度油
油蒸气 气液混合流体

0.3-0.8m/s
3.0-6.0m/s 0.5-3.0m/s

压力降
?

压力降一般随着操作压力的不同而有一个 大致的范围,压力降的影响因素有很多

传热系数
传热面两侧的传热膜系数α1、α2如相差很 大时,α 较小的一侧将成为控制传热效果 的主要因素,设计换热器时,应该设法增 大该侧的传热膜系数。 ? 计算传热面积时,常以α 小的一侧为准。
?

污垢系数
?

换热器在使用过程中,会在壁面上产生污 垢,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。

标准化原则
?

尽量选用标准设计或标准系列,这样可 以提高工程的工作效率,缩短施工周期, 降低工程投资。

换热器的性能比较
?

热交换器的传热效率、工艺性、操作性 能、紧凑性和金属用量等可以作为选择 热交换器形式时的参考指标。

间壁式换热器性能比较
分 类 管 壳 式 名称 特性 相对 费用 1.0 耗用金属 量kg/m2 30 固定管板式 使用广泛,已系列化,壳程不易清洗,最大 使用温差<120oC 壳程易清洗,管壳两物料温差>120oC,内 浮头式 垫片易渗漏 同浮头式,制造成本高,不宜制造大直径 填料式 制造安装方便,造价低,管程耐高温;结构 U形管式 不紧凑,管子不易更换、不易清洗 螺旋板式 波纹板式 管 式 空冷式 喷淋管式 其 它 板壳式 热管

1.22
1.28 1.01

46

板 式

制造简单,紧凑,可用于带颗粒物料,不易 0.6 检修 紧凑,效率高,易清洗,使用温度<150oC, 使用压力<1.5MPa 投资和操作费用较水冷低,易维修,但受周 围空气温度影响大 制造方便,可用海水冷却,造价较套管低, 对周围环境有水雾腐蚀 结构紧凑,传热好,成本低,压降小,难制造 高热导性,导温性,热流密度大,制造要求高 0.81.8 0.81.1

50 16

60 24

热交换器的设计方法
?

?
? ?

?
?

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α 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
?

根据介质的腐蚀性能和其他相关性能,按 照操作压力、温度、材料规格和制造价格, 综合选择

4.2.4 塔器设备的选型与设计
?

根据气液两相的接触方式不同,塔器设备可分类 为: 喷淋塔:液体被喷成细雾或雨滴状分散于气 流中,气液接触在液滴的表面上进行。这类塔多 用于气体的除尘、净化和吸收等操作。 填料塔:喷淋的液体沿填料表面呈膜状下降, 气液两相就在填料的湿表面上进行接触。这类塔 多用于吸收和洗涤净化操作,也可用于蒸馏和萃 取,塔的填料有环形、螺丝型、旋桨型、鞍型、 栅板型等多种。 泡罩塔:气液两相间接触是气体小泡穿过液 层进行的。这类塔多用于精馏操作,也可用于吸 收操作。不适于液体萃取。泡罩有圆形、槽形、 S型和长条形等多种。

各种塔型的性能比较
塔 型 喷淋塔 填料塔 泡罩塔
塔板效率高,操作稳定,适应性大。气 液量变化较大时,仍能保证高的效率; 可处理污浊流体,较易避免赃污及阻塞, 可从人孔或手孔方便地清理塔的内部; 如需在塔内加热或冷却时,可在塔板上 装置蛇管;喷淋密度较小时仍适用,可 用于少量液体处理大量气体;拦液量较 大,可在塔的中段抽出产品。 压力降大;结构复杂,不易处理腐蚀性 介质,金属消耗量大,设备投资大;不 优 压力降小,压力降小、适于减 点 构造简单、压下操作,构造简 价廉、重 单易于制造、金属 量轻,可 消耗量小,可处理 处理污浊 腐蚀性强的流体, 气体 稳定性较好。

缺 能耗大、 不宜处理污浊流体 点 不宜在低 需大量填料,造 喷淋密度 价大;不适宜用少 下操作, 量液体处理大量气 接触面积 小,传质 体。同一情况下塔 系数低 径小时,填料塔 较经济

适于液体萃取。

塔设备设计选择的基本原则
? ? ? ? ?

技术上可靠,能满足工艺要求,产品合乎规格, 生产能力大。 效率高、适应性好。在气液量变化时,仍能稳 定地进行操作,并维持高的效率。 构造简单,易于制造和安装,价廉,机械性能 可靠。 操作管理方便,易于清理和检修。 塔压降要小。

各种塔的选用顺序
因素 选用顺序 因素 真空塔 选用顺序 1填料塔 2浮阀板塔 3筛板塔 4泡罩塔 5其他斜喷式板塔 塔径<800mm 填料塔 >800mm 有降液管的板式塔

有强腐蚀性物 1填料塔 料 2穿流板塔 3筛板塔 4固舌板塔
有污垢物料 1大孔筛板塔 2穿流板塔 3固舌板塔 4浮阀塔 5泡罩塔 1浮阀板塔 2泡罩塔 3筛板塔

大液气比 1导向板塔 2多降液管板式塔 3浮阀板塔 4筛板塔 5条形泡罩塔 液相分层 1穿流板塔 2填料塔

高操作弹性

4.2.5 反应器的选型与设计
化学反应设备是实现化学反应过程,将原 料转变为所需要产品的关键设备,是整个 化工过程的核心部分。 ? 由于化学反应的多样性,反应器的类型也 是多种多样的。
?

常用的化学反应器的类型
管式反应器:长度远大于直径,中空,无 任何构件 ? 釜式反应器:又称为搅拌釜 ? 塔式反应器:高径比大 ? 固定床反应器:内部有静止的固体床层 ? 流化床反应器:固体颗粒在反应器内处于 流化状态
?

几种反应器的示意图

a-管式反应器

b-釜式反应器 f-喷雾塔

c-板式塔

d-填料塔

e-鼓泡塔

g-固定床反应器

h-流化床反应器

反应相态与反应器形式
气相 液相 气固催化 气固 气液 气液固 液液 液固 固固

固定床
移动床 流化床 搅拌釜 鼓泡塔 加热炉 A 气液两 相流 火焰反 A 应器 板式塔 转窑 B A

A
B A

B
A A

A

A
B

B

A
B B

A A B A B A

A A B B

A

A

B A

A-适用 B-少用

反应器的设计与选择
熟悉化学反应的规律性 反应速率:反应类型,特征,反应机理和反应速率 选择性:反应的选择性,进而得到原料的消耗 能量的消耗:反应的热效应 ? 掌握传递过程情况 热量传递:解决传热和移出热量的方式和装置 质量传递:各点浓度均匀,反应接触好 ? 了解设备设计要求
?

反应器设计要点
保证物料转化率和反应时间 ? 满足反应的热传递要求 ? 设计适当的搅拌器或类似作用的机构 ? 主要材质的选用和机械加工的要求
?

4.2.5.1 反应釜的设计程序
? ? ? ? ? ? ? ? ?

确定反应釜的操作方式 汇总设计基础数据 计算反应釜的体积 确定反应釜设计体积和台数 反应釜直径和筒体高度、封头确定 传热面积计算和校对 搅拌器设计 管口和开孔设计 画出反应器设计草图(条件图)或选型型号

计算反应釜的体积
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连续反应:由工艺规定的生产能力,确定全年的 工作时数,算出每小时反应釜需要处理(或生产) 的物料量Vh。根据物料的平均停留时间t和设备 的台数就可以算出每台釜的物料体积。在选用反 应釜时,一般把选用的台数与实际操作的台数之 间,用设备备用系数n关联,n通常为1.05-1.3 由物料体积 Vp和装料系数Φ计算釜的体积。液相 反应时通常取Φ=0.4-0.5,视具体情况而定

计算反应釜的体积2
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间歇反应:从工艺设计要求的年产量决定 日投料量Vc,再从每釜反应所用时间(包 括辅助时间等) t釜,算出24小时内釜的反 应周期数(α=24/ t釜)、每釜处理的物料 体积 Vp= Vc/α,得到每釜的实际体积 V=Vp/Φ。间歇釜的装料系数Φ,可以比连 续操作再适当放宽,取上限或略大。

确定反应釜设计体积和台数
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根据计算得到的反应釜的实际体积和反应釜台 数都是理论计算值,应该加以圆整。或选用系 列产品的反应釜。根据规定的反应釜系列(如 500L,1000L,1500L)加以圆整,连同设备 台数,一并确定。 一般说,反应釜体积越小,相对传热面积越大, 搅拌效果越好,物料反混激烈等,但停留时间 未必符合要求。 对非标准设备的反应釜,还要决定长径比之后 再校算,但可以初步确定为一个尺寸,即将直 径确定为一个国家规定的容器系列尺寸。

反应釜直径和筒体高度、封头确定
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首先确定长径比r(r=H/D),一般取r=1-3,R越接 近1,单位体积内消耗的钢材量少,液体表面大, 适于间歇反应。增大r釜趋向瘦长型,当r=3时, 就是常见的半塔式反应釜,单位体积釜内传热面 积可以加大。 r越大,传热比表面积越大,可以 减少反混,对于有气体参加的反应较为有利,停 留时间较长,但设备加工困难,材料耗费较高, 搅拌支撑也有一定的难度。 根据工艺条件和经验r值大体确定后,先将釜的 直径确定下来(圆整结果), 再确定封头型式, 查出封头的体积,则釜的体积为V=?/4D2H+V封头, 当V不合适时,可重新假定直径再试算到满意为 止。

传热面积计算和校对
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反应釜最常见的冷却和加热形式是夹套。它制造 简单,不影响釜内的物流的流型,但传热面积小, 传热系数也不大,釜的长径比直接影响到传热面 积,传热面积计算公式和方法同一般的传热体系。 如果计算的传热面积(须以投料高度计算)足够, 就认为所确定的长径比合适或所选设备合适。否 则要调整尺寸。 如计算传热面积不够,则应该在釜内设置盘管、 列管、回形管以增大传热面积。但釜内构件增加, 将影响物料流动。易粘壁、结垢或有结晶沉淀产 生的反应通常不主张设置内冷却(或传热)器。

搅拌器设计
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一般根据液体粘度、釜的体积、 操作目的和主要影响因素来选择

4.2.5.2 固定床反应器的设计
汇总物料衡算和物性数据 ? 计算床体体积 ? 计算床高和直径 ? 验算流体阻力和传热系数k ? 绘制反应器设计条件图
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计算床体体积
根据经验和生产数据,确定催化剂的时空速率U,则催化剂 的体积Vc(空速=原料气体的体积流量/催化剂床层体积) Vc= Vh /U 式中Vc –催化剂体积,m3 Vh—工艺要求气体流量,m3/h U—催化剂时空速率, m3物料/(m3催化剂h)。 床体体积 V=V1+V2+Vc+Vo 式中V—固定床体积, m3 V1—原料分布体积空间(下空间)m3 V2—物料分离空间(上空间)m3 Vc—催化剂体积m3 Vo—堆积空隙体积m3
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计算床高和直径
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假设一个圆整直径,根据床内有效体积核 算床层高度,再估算催化剂堆积高度,验 算气速,保证反应的停留时间。如果假设 不合理,重新假设再试算。

验算流体阻力和传热系数k
流体阻力过大说明床径设计太小,动力消 耗偏大。 ? 宁可增加催化剂体积(增加直径),而不 主张流体阻力偏大,避免整个系统操作困 难。 ? 传热系数k值,经常取某个经验值或中试实 测值。
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绘制反应器设计条件图
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确定床层和床底、床顶的开口方 位、标注尺寸等。

4.2.5.3 流化床反应器的设计
流化床反应器的特点 ? 流化床反应器的分类 ? 流化床反应器主体尺寸的确定 ? 操作气速的确定
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流 化 床 反 应 器 的 构 造 图

流化床反应器的特点(与固定床反应器
比较)

固体颗粒直径小,气固两相的接触面(即 传热传质表面积)大 ? 催化剂粒子小,固内扩散阻力小,对内扩 散控制的反应器和内扩散阻力较大的反应 十分有利 ? 流化床内气固两相的强烈搅动,使相界面 不断更新,有利于传热和传质;床层内温 度均匀,便于控制反应温度
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流化床反应器的特点(与固定床反应器
比较)2

催化剂在流化床中有流动性,对于催化剂 易失活需要很快再生的过程,易于实现连 续化生产 ? 固体颗粒易磨损,使催化剂的带出损耗大, 对使用昂贵的催化剂的生产过程将使产品 的成本增加 ? 气体返混较大,转化率(或收率)降低
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流化床反应器的分类
单器流化床和双器流化床 ? 单层流化床和多层流化床 ? 圆柱形流化床和圆锥形流化床 ? 自由床和限制床
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流化床反应器主体尺寸的确定
流化床直径D=(4V/πu)? 式中 D—流化床直径,m V—气体的体积流量,m3/s U—空床气速,即流化床的操作气速,m/s
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工业上采用的流化床操作气速
产 反应温度 品 /℃ 1 480-500 2 475 3 370 4 200 催化剂颗粒直径 /目 40-80 40-80 40 24-28 操作空塔速度 / m/s 0.8-1.2 0.6-0.8 0.3-0.4 0.25-0.3

使用流化数计算操作气速
流化数是操作气速与临界流化速度的比值n ? u=numf式中u—操作气速,m/s n—流化数 umf –临界流化气速,m/s
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扩大段直径,浓相段高度,稀相段高 度以及扩大段高度均有相应的经验设 计计算方法可选择

4.2.6 非定型设备设计的主要程序
工艺流程上确定设备的化工单元类型 ? 确定设备材质 ? 汇集设计条件 ? 选定设备的基本结构型式 ? 设计设备的基本尺寸 ? 选型和选择标准图纸 ? 设计成果数据汇总 ? 向机械设备设计人员提出设备条件和设备 草图 ? 汇总列出设备一览表
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设备设计条件图


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