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1、第第 6 章章设备的选型与设计设备的选型与设计（课件模板）6.1 设备的选型与设计原则工艺流程设计完成后，整个工艺过程的走向，所需设备的种类、形式和数量，管道的大小和连接方式等已基本确定。设备的选型与设计就是要依据工艺设计，对设备的信息进一步细化，以确定设备的型号、主要参数、具体结构和尺寸等。通过选型，确定什么样的设备符合工艺要求，买谁的产品；通过设备设计，绘制出设备加工图纸，使生产厂家根据设计图纸，加工出合格的设备。化工设备可分为标准设备与非标准设备两大类。1、标准设备标准设备也称定型设备，它们是由制造厂成批量、成系列生产的设备。通俗地说，就是可以买到的、现成的设备。如泵、风机、板式换热器、
2、离心机、釜式反应器等。标准设备有产品说明书、规格、牌号等，可从各类产品目录（catalogue）上查阅，也可以通过互联网上的搜索引擎获取。设计者的任务，就是根据工艺计算的结果，确定设备型号及规格或标准图号，选择性价比高的产品。2、非标准设备简称非标设备，也称为非定型设备。这类设备规格和材料等都是不定型的，需要专门设计和订做。如塔器、换热器、反应器等。非标设备在化工生产中大量存在，与其他工业过程相比，这甚至成为了化工生产的一大特色。非标设备需要通过工艺计算、强度计算等，由设计者进行单独设计，然后由设备厂进行加工生产。非标设备可以在设备厂内制造，然后运往建设工地安装，也可以在建设现场就地制造和安装
3、。化工设备设计，就是要根据工艺设计的要求，完成标准设备选型，非标准设备设计。在设备制造厂生产的非标设备设计图纸设计图纸开料开料制作零部件制作零部件装配成品装配成品短途公路运输短途公路运输远洋运输远洋运输抵达施工现场抵达施工现场现场制造的大型非标设备6.2 常用材料简介1.材料选用原则化工设备由各种材料按照设备的用途加工而成，只有正确地选择材料，才能保证设备安全高效地运行。随着材料科学与工程的进展，可供化工设备使用的材料品种不增加、功能不断增强、各种专用材料大量涌现。掌握材料的分类、性能及技术参数、制造方法、加工特性、相关标准、牌号及其命名规则、主要生产商、价格和主要销售商等，是化工设备设计人员
4、正确选用材料的前提。材料选用应遵循以下原则：（1）工程性能材料必须满足设备发挥其正常功能所提出的各种要求。如在操作温度和压力下，设备能够安全和高效地完成化学反应、混合物分离、能量交换和物料贮存等功能，同时不被工艺介质腐蚀或与其发生化学反应。所选用的材料应具有足够的强度，以保证设备加工、运输、安装和运行的基本要求。（2）加工性能材料性能必须满足加工过程中所进行的切削、卷曲、锻压和焊接等操作，不因上述加工过程而发生不利变化。（3）经济性设备是化工建设项目的基本组成部分，而设备是由各种材料加工而成的，因此，材料的价格直接影响项目的总投资。选材时，应遵循价廉易得，质量保证的原则。在保证装置在使用年限内
5、正常运行的前提下，不选用过高档次的材料，可大幅度压缩建设投入。2.金属材料铸铁三通铸铁三通铸铁球阀铸铁球阀（1）黑色金属铸铁碳钢合金钢不锈钢是高合金的钢铁材料，含有多种合金元素。按照组织的不同，可将不锈钢分为奥氏体系、铁素体系、马氏体系、双相系和析出硬化系等多种类型。市面上用得多的是奥氏体不锈钢，俗称奥氏体不锈钢，俗称304304，304是奥氏体不锈钢的代表钢种。奥氏体系不锈钢的加工性、焊接性和耐蚀性均优越，占世界不锈钢消费量约60%，十分具有经济价值和使用价值，这种不锈钢是不带磁性的。奥氏体系不锈钢的代表钢种是SUS304（18Cr-8Ni-0.05C）。SUS304也是应用最广的不锈钢。晶
6、体结构是FCC（面心立方），因为生成加工诱导马氏体，所以伸长率为约60%。在日常生活环境中，具有充分的耐蚀性，但为了进一步提高耐蚀性，大多还添加Mo，最大的缺点是比较容易产生应力腐蚀裂纹。通过增减Ni含量等，可以控制加工诱导马氏体生成，也有SUS301（17Cr-7Ni）等兼顾高强度和高韧性的钢种。为了抑制焊接部位的晶间腐蚀，将C含量降低到约0.02%，开发了SUS304L和SUS316L等L型的钢种。此外，近年来，Ni原料价格的高涨，使成本上升。因此，进行了用Mn替换Ni的200系的SUS201（17Cr-4.5Ni-6.5Mn-0.2N）的利用和高耐蚀性铁系体系SUS等节省资源型不锈钢的开
7、发。这种200系也是奥氏体不锈钢，也是不带磁性的。铁素体不锈钢铁素体不锈钢 代表性铁素体系不锈钢是SUS430（16Cr-0.05C），是带有磁性的不锈钢，有时被称为“不锈铁”，这种不锈钢虽然带有磁性，但是并不代表会生锈。为了提高耐蚀性、加工性和焊接性，开发了多个钢种铁素体不锈钢。此钢种基本上不含Ni，所以价格比较便宜，作为普通不锈钢被广泛应用。（2）有色金属铜材铝材钛材3.非金属与复合材料6.3 压力容器6.3.1 压力容器的定义压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa L的气
8、体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器；盛装公称工作压力大于或者等于0.2MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于1.0MPa L的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60液体的气瓶；氧舱等。压力管道，是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道。化工生产过程中的贮罐、换热器、反应器、塔器和管道等只要满足上述定义所列条件，就属于压力容器或压力管道，应作为特种设
9、备特种设备纳入国家安全监察范围纳入国家安全监察范围。压力容器和管道的生产（含设计、制造、安装、改造、维修）、使用、检验检测及其监督检查，均应严格遵守国家相关法律法规，由获得相关资质的单位和人员实施。6.3.2 压力容器的类别、压力等级和品种划分6.3.2.1 压力容器类别划分1.介质分组压力容器的介质分为以下两组：第一组介质第一组介质：毒性程度为极度、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。第二组介质第二组介质：除第一组以外的介质。2.介质危害性介质危害性指压力容器在生产过程中因事故致使介质与人体大量接触，发生爆炸或者因经常泄漏引起职业性慢性危害的严重程度，用介质毒性程度和爆炸危害程度表示。（
10、1）毒性介质综合考虑急性毒性、最高容许浓度和职业性慢性危害等因素。极度危害最高容许浓度小于0.1 mg/m3；高度危害最高容许浓度0.11.0 mg/m3；中度危害最高容许浓度1.010.0 mg/m3；轻度危害最高容许浓度大于或者等于10.0 mg/m3。指标分级（极度危害）（高度危害）（中度危害）（轻度危害）急性毒性吸 入 LC50,mg/m3经 皮 LC50,mg/kg经 口 LC50,mg/kg200100252001002520005005002000025005000急性中毒发病状况生产中易发生中毒，后果严重生产中可发生中毒，愈后良好偶可发生中毒迄今未见急性中毒，但有急性影响慢性中
11、毒患病情况患病率高(5%)患 病 率 较 高(0.1MPa的烃类液体及其他类似的液体B可燃液体甲A类以外，闪点45至120液化烃、可燃液体的火灾危险性分类液化烃、可燃液体的火灾危险性分类分类年腐蚀率充分耐腐蚀材料0.05 mm/年（可充分利用）耐腐蚀材料0.050.1mm/年（可使用）尚耐腐蚀材料0.10.5mm/年（可加大腐蚀裕度）不耐腐蚀材料0.5mm/年（不能用）耐腐蚀性等级分类耐腐蚀性等级分类酸、碱、尿素、酸、碱、尿素、NH3、氢、氧、氯离子、硫化氢汽、氢、氧、氯离子、硫化氢汽、CO2汽等在汽等在不同温度不同浓度下的腐蚀性。耐腐蚀等级分类不同温度不同浓度下的腐蚀性。耐腐蚀等级分类A1类
12、流体类流体 category A1 fluid在本规范内系指剧毒流体，在输送过程中如有极少量的流体泄漏到环境中，被人吸入或与人体接触时，能造成严重中毒，脱离接触后，不能治愈。相当于现行国家标准职业性接触毒物危害程度分级GB 5044中级（极度危害）的毒物。A2类流体类流体 category A1 fluid在本规范内系指有毒流体，接触此类流体后，会有不同程度的中毒，脱离接触后可治愈。相当于职业性接触毒物危害程度分级GB 5044中级及以下（高度、中度、轻度危害）的毒物。B类流体类流体category B fluid在本规范内系指这些流体在环境或操作条件下是一种气体或可闪蒸产生气体的液体，这些流
13、体能点燃并在空气中连续燃烧。D类流体类流体category D fluid指不可燃、无毒、设计压力小于或等于1.0MPa和设计温度介于-20186之间的流体。C类流体类流体category C fluid系指不包括D类流体的不可燃、无毒的流体。GB 50316-2000工业金属管道设计规范工业金属管道设计规范中对流体的分类中对流体的分类（2）易爆介质指气体或者液体的蒸汽、薄雾与空气混合形成的爆炸混合物，并且其爆炸下限小于10%，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大于或者等于20%的介质。（3）介质毒性危害程度和爆炸危险程度的确定按照HG 20660-2000压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分
14、类确定。级别引 燃 温 度 组 别T1T2T3T4T5T6A乙烷、丙烷、丙酮苯、乙烯、甲苯、甲酚、一氧化碳、苯、醋酸、醋酸甲酯、氯苯、工业甲烷丁烷、甲醇、乙醇、甲胺、二氯乙烷、氯乙烯、醋酸乙酯戊醇、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、煤油、洗涤汽油、醋酸丙酯、燃料油、柴油乙醛、三甲胺、乙醚亚硝酸乙酯B二乙醚、二丁醚、四氯乙烯C水煤气、氢乙炔二硫化碳硝酸乙酯爆炸性气体分级和分组（GB50058）组 别引燃温度t，组 别引燃温度t，T1t450T4135t200T2300t450T5100t135T3200t300T680t100爆炸性气体混合物按引燃温度分组（GB50058）3.压力容器类别划分方法基本划分
15、：压力容器类别的划分应当根据介质特性，按照以下要求选择类别划分图，再根据设计压力p（单位MPa）和容积V（单位m3），标出坐标点，确定容器类别。第一组和第二组介质分别按图6-1和图6-2确定类别。其他情况的划分见课本。6.3.2.2 压力等级划分压力容器的设计压力（p）划分为低压、中压、高压和超高压四个压力等级：低压(代号L)0.1 MPap1.6 MPa；中压(代号M)1.6 MPap10.0 MPa；高压(代号H)10.0 MPap100.0 MPa；超高压(代号U)p100.0MPa。6.3.2.3 压力容器用途划分压力容器按在生产工艺过程中的作用原理，划分为反应压力容器（代号R）、换热
16、压力容器（代号E）、分离压力容器（代号S）、储存压力容器（代号C，其中球罐代号B）。6.3.3 压力容器的基本结构压力容器通常是由钢板、钢管和各种零部件焊接而成的组合结构，可分为受压元件和附件。受压元件中，筒体和封头是主要部件。6.3.4 压力容器的应力分析6.3.4.1 载荷分析1压力载荷压力载荷是压力容器在工作时作用在其上的内压、外压的统称。在工程设计上，通常采用表压表示压力。压力载荷除了由于介质工作时产生外，如容器盛装的液体介质，还要考虑液体静压力。2非压力载荷非压力载荷可分为分为整体载荷与局部载荷。整体载荷是指作用在整台容器上的载荷，如重力载荷、风载荷、地震载荷、运输载荷和波浪载荷等。
17、局部载荷是指作用在容器局部区域的载荷，如管系载荷、支座反力和吊装力等。3交变载荷如果载荷的大小和/或方向随时间变化的，则称为交变载荷。如间歇生产时压力容器被加压和卸压所引起的压力载荷变化，装料、卸料时引起的容器支座上的载荷变化，振动引起的载荷变化等。6.3.4.2 回转薄壁容器应力分析化工生产中所涉及的容器大部分属于回转薄壁容器。以任意直线或平面曲线为母线，绕同平面内的轴线（回转轴）旋转一周后形成的曲面，称为回转曲面。以回转曲面为中间面的壳体称为回转壳体，如圆柱壳、球壳、椭球壳、锥形壳以及由它们构成的组合壳等。设回转壳体在其内表面受到介质均匀的内压p作用，则壳壁将在两个方向上产生拉伸应力，一是
18、环向薄膜应力：二是经向（即轴向）薄膜应力。m和可按下式计算：m式中，D为圆筒的平均直径，或称中径，故上两式也被称为中径公式。6.3.5 主要设计参数6.3.5.1 设计压力p设计压力p指设定的容器顶部的最高压力。设计压力与相应的设计温度t一起作为设计载荷条件。最大工作压力容器在正常操作时其顶部可能出现的最高工作压力。wp设计压力的确定：容器的设计压力应高于其最大工作压力。当内压容器上设有安全阀泄放装置时，设计压力应根据不同的泄放装置确定。如设有安全阀的容器，其设计压力不得低于安全阀的开启压力，可取p=(1.051.10)。装有爆破片时，设计压力不得低于爆破片的爆破压力，根据爆破片的形式不同，可
19、取p=(1.151.75)。wpwp6.3.5.2 设计温度t设计温度t是容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的平均值）。当元件金属温度不低于0时，设计温度不得低于元件金属温度可能达到的最高温度；当元件金属温度低于0时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。6.3.5.3 计算压力cp计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力。计算压力要考虑液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。6.3.5.4 许用应力t许用应力是容器受压元件的材料的许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相
20、应的材料设计系数（又称安全系数）之比。GB 150.2-2011 压力容器 第2部分：材料规定了钢板、钢管、钢锻件、螺柱（含螺栓）和螺母用钢棒材料在设计温度下的许用应力值，并列出了确定钢材许用应力的依据。下页为GB 150.2-2011 所列碳素钢和低合金钢钢板许用应力。6.3.5.5 焊接接头系数金属压力容器采用焊接工艺制成。由于焊接过程中接头附近金属组织生产了变化，焊缝处往往成为容器强度比较薄弱的环节。为此，在强度计算中采用焊缝处金属与母材强度的比值反映这种变化，这个比值称为焊接接头系数，可按表6-2选取。6.3.5.6 厚度及厚度附加量1计算厚度计算厚度是按强度设计公式依据计算压力得到的
21、厚度。2厚度附加量钢材厚度负偏差：C1腐蚀裕量：C2加工减薄量：C3设计时要考虑的厚度附加量C=C1+C2C3通常根据具体的设备制造工艺和钢板的实际厚度由制造商确定。6.3.6 内压薄壁容器筒体及封头厚度计算6.3.6.1 筒体厚度对于单层内压薄壁（/D0.1）圆筒，可采用式（6-3）计算：cticpDp 2（6-3）式中：计算厚度，mm；pc计算压力，MPa；Di圆筒内直径，mm；t许用应力，MPa；焊接接头系数。6.3.6.2 标准椭圆形封头厚度标准椭圆形封头是化工压力容器中使用量最大的封头形式，封头厚度可采用式（6-3）计算。6.3.7 压力容器常用法规、标准1.中华人民共和国安全生产法
22、2.特种设备安全监察条例3.TSG 21-2016 固定式压力容器安全技术监察规程4.TSG R0005-2011 移动式压力容器安全技术监察规程5.GB 150.1-2011 压力容器 第1部分：通用要求6.GB 150.2-2011 压力容器 第2部分：材料7.GB 150.3-2011 压力容器 第3部分：设计8.GB 150.4-2011 压力容器 第4部分：制造、检验和验收9.NB/T 47014-2011 承压设备焊接工艺评定10.NB/T 47015-2011 压力容器焊接规程11.JB 4731-2005 钢制卧式容器12.NB/T 47003.1-2009 钢制焊接常压容器1
23、3.SH/T 3074-2007 石油化工钢制压力容器14.SH/T 3075-2009 石油化工钢制压力容器材料选用通则15.NB/T 4702047027-2012 压力容器法兰、垫片、紧固件6.4 标准化通用零部件化工设备是由零部件组成的，随着零部件标准化程度的逐步提高，可供设计人员选择的标准化零部件越来越多。在进行非标准设备设计时，应首选标准化零部件。既可以保证设计质量，大大减轻设计工作量，又方便使用时与基础、管道或其它设备的连接。化工设备由主体结构和附属部件组成。主体结构为筒体、封头和设备法兰等联接件。筒体封头设备法兰吊耳接管与管法兰快开人孔补强圈鞍式支座手孔液面计视镜常见的通用零部
24、件6.5 化工过程常见设备的设计与选型6.5.1 液体输送设备在化工生产中，大量处理的是液态物质，因此，液体的输送在化学工艺中就显得尤其重要。习惯上将输送液体的设备称为泵，通过泵向液体输入能量，将其从低位打至高位，从低压区送至高压区，或克服输送沿程的机械能损失，从而完成工艺要求的物料走向、流量等技术指标。6.5.1.1 泵的分类与主要类型离心泵原理及外观往复泵原理及外观选泵的基本原则：1满足工艺上对流量、扬程、压力、温度和汽蚀余量等参数的要求。2满足介质特性的要求（1）输送易燃、易爆、易挥发、有毒或贵重介质；（2）输送腐蚀性介质；（3）输送易气化液体；（4）输送粘性液体；（5）输送含气液体；（
25、6）输送含固体颗粒介质。3必须满足现场安装要求4对泵连续运转周期的要求6.5.1.2泵的选型此外，在选泵时还应考虑泵的性能、能耗、可靠性、价格、供货周期和制造规范等因素。综合以上因素，从泵样本或产品目录中选出合适的型号，对泵的各项性能参数进行校核。（续）6.5.2 气体输送、压缩、真空设备输送、压缩和真空设备简称为气体压送机械，在化工生产中广泛使用，其作用是通过对气体输入能量，达到改变（提高或降低）其压强的目的，主要应用于以下三个方面。输送气体。通过提高气态物料的压强，克服输送过程中的阻力，将物料送至目的地。形成高压。某些化学反应及单元操作要求在高于常压下进行，如合成氨、压缩式制冷等，往往需要
26、借助外力将压力提高。产生真空。某些化工过程要求在低于常压下进行，如抽滤、多效蒸发等，需要从系统中抽出气体以产生真空。气体压送机械主要有两种分类方法。一是按结构和工作原理不同，分为离心式、往复式、旋转式和流体作用式等。二是按出口气体的压强或压缩比来分类，大致分为四大类。通风机，出口压强大于14.7 kPa（表压）；鼓风机，出口压强为14.7294 kPa（表压），压缩比小于4；压缩机，出口压强大于294 kPa（表压），压缩比大于4；真空泵，出口压强为大气压，压缩比由真空度决定。离心式通风机、鼓风机和压缩机的工作原理与离心泵相似，通过原动机带动叶轮旋转，使气体获得能量而提高压强。离心式通风机多级
27、离心式鼓风机离心式压缩机6.5.2.1 离心式通风机、鼓风机和压缩机6.5.2.2 往复式压缩机往复式压缩机是最为常用的气体压缩设备，它依靠活塞在气缸内作往复运动而将气体吸入、压缩和排出，主要部件除活塞和气缸外，还有吸气阀和排气阀、曲轴和连杆等。旋转式鼓风机、压缩机和真空泵的共同特点是有一个或一对旋转的转子，通过转子的旋转向气体传递能量，使其压强提高。这类设备排气连续均匀，适用于大流量低压强的工作场合。下面重点介绍罗茨鼓风机、螺杆压缩机和液环压缩机。6.5.2.3 旋转式鼓风机、压缩机罗茨鼓风机内有两个腰形或三角形转子，转子与转子之间、转子与机壳之间的间隙很小，既保证了转子的自由转动，又不至于
28、产生过多的气体泄漏。两个转子以相反方向旋转，使气体从机壳的一侧吸入，加压后从另一侧排出。改变转子的旋转方向，可使吸入和排出口互换。罗茨鼓风机罗茨鼓风机的风量与转速成正比，并且几乎不受出口压强变化的影响。其输出气量范围为2200 m3/min，出口压强小于80 kPa（表压），在40 kPa（表压）附近效率较高。在进行罗茨鼓风机管路设计和操作时要注意其出口阀门不能完全关闭，通常采用循环支路回流调节流量，也可采用变频调速技术通过改变转子转速调节流量。此外，罗茨鼓风机的操作温度不宜过高，一般认为，当温度超过85后，转子因受热膨胀导致碰撞甚至卡死。螺杆压缩机的基本结构如下图所示。压缩机机体内平行地配置
29、着一对相互啮合的螺旋形转子，通常与原动机相连接的转子在节圆外具有凸齿，称为阳转子或阳螺杆；不与原动机相连接的转子在节圆内具有凹齿，称为阴转子或阴螺杆。工作时，阳转子带动阴转子旋转，由于齿间容积的不断变化，从而完成从吸入口吸气、压缩气体和向排出口排气的过程，因而螺杆压缩机属于容积式压缩机。螺杆压缩机螺杆压缩机零部件少，运转可靠、寿命长，大修周期可达48万小时；具有强制输气的特点，排气量几乎不受排气压力的影响；对气体的适应性强，可输送含液、含粉尘、易聚合气体；动力平衡性好，操作简便。该类压缩机在空气压缩、制冷和化工生产中已得到广泛应用，通常在压力小于4.5 MPa、气量大于0.2 m3/min的工
30、况下可获得较佳的使用性能。真空泵的作用是将设备或系统中的气体抽出，以产生低于大气压的真空环境。主要有：水环真空泵喷射式真空泵往复式真空泵6.5.2.4 真空泵图6-13 喷射式真空系统流程示意图1.循环泵 2.工作液体循环池 3.喷射器机械输送设备固体输送设备流体输送设备斗式提升机索道输送设备带式输送机螺旋输送机气流输送设备液流输送设备6.5.3 固体输送设备常用的固体输送设备分类如下：（1）带式输送机带式输送机又称皮带运输机，具有使用灵活方便，输送能力强，动力消耗较小等优点，它既可用于水平输送，也可用在有一定倾角的场合；既可用于短距离直线输送，在多台机组合时，也可实现中长距离、转向或大提升高
31、度输送；既可输送粉状、颗粒状、片状等松散物料，也可输送包装好的物件；既可固定安装，也可制成移动式；既可短时或间歇操作，也可连续运转，因而在工业上得到广泛应用。6.5.3.1 机械输送设备（2）螺旋输送机螺旋输送机通常有一个圆形或槽状的机壳，其内装有一个由电动机带动的螺旋输送杆，通过转动可将物料从输送机的入口送至出口。由于其密闭性好，故适用于输送粉尘大的物料；又由于螺旋输送杆直接对物料产生推力，也常用于输送潮湿、高粘度或浆状物料；有时也用于输送和混合同时进行的场合。螺旋输送机既可以作为标准设备直至到专业厂家购买，也有作为非标设备自行设计和加工的。（3）斗式提升机斗式提升机常用于垂直提升固体物料。
32、（4）索道输送设备对于地理条件复杂、距离较远固体物料输送，往往采用索道输送的方式，如硫酸厂硫铁矿石的输送等。索道输送设备需根据具体条件进行设计和加工。6.5.3.2 流体输送设备流体输送设备主要有气流输送设备和液流输送设备两大类。气流输送设备（局部）离心机是利用离心力对液态非均相混合物进行分离的设备。其主要部件是一个高速旋转的转鼓，鼓壁上可以有孔，也可以无孔，转鼓的轴可水平或垂直布置。6.5.4 非均相分离设备6.5.4.1 离心机三足离心机是工业上应用最广、性能最稳定的离心机之一，其结构简单、运转平稳、适应性强、制造方便，适用于分离周期较长、处理量不大、要求滤渣含液量较低的场合，缺点是生产能
33、力较低、工人劳动强度大。表6-5 为SD型三足离心机主要参数。板框过滤机结构简单，制造、安装方便，操作简单，过滤面积较大，操作压强高，适应能力强，但间歇式操作劳动强度大，分离效率较低，滤布损耗大，是制约其发展的一大因素。目前已有自动化程度较高的板框压滤机出现，使上述问题在一定程度上得到改善。板框式压滤机的操作表压通常在0.30.8MPa范围内，最高可达1.5MPa。滤板和滤框可由金属、塑料或木材制造，边长为3201000 mm，厚度为2550 mm。6.5.4.2 板框过滤机6.5.4.3 气固分离设备旋风分离器利用惯性离心力的作用将固体颗粒从气流中分离出来，是最常见的气固分离设备之一。从气流
34、中除去微小固体颗粒的操作称为除尘，常用的方法有沉降除尘、布袋除尘、泡沫除尘、电脉冲除尘等。电脉冲除尘器图6-20 泡沫除尘器1.进液室 2.筛板 3.外壳 4.出口堰图6-19 降尘室6.5.5 热交换器化工过程涉及化学反应、物质输送、混合物分离等单元过程，需要耗费大量能量。热能是化学工业中最主要的能量形式，传导、对流与辐射是热量传递的三种基本方式。在工业上，热量通过热交换器（简称换热器）进行交换，使热量由高温物流传递至低温物流，达到满足工艺对温度的要求、回收余热、提高系统热效率、节能减排的目的。热交换器无论在数量和固定资产投资方面都在化工过程装备中占有很大比例。据统计，在化工厂里，热交换器的
35、投资10%20%，在炼油厂中，约占35%40%。GB/T 151热交换器是该类设备设计和选型的基本依据。6.5.5.1 热交换器的分类1按传热机理分类（1）直接接触式换热器冷热流体直接接触、混合换热。常见的有冷却塔、冷却冷凝器等。（2）蓄热式换热器间歇操作。热流体先通过换热器，将热量蓄存到蓄热体中，然后通入冷流体，接受蓄热体中的热量。（3）间壁式换热器在冷热物流间设置固体间壁将其隔开，热量从热物流传给间壁，再由间壁传给冷物流。是化工生产中使用最广的换热形式。（4）中间载热体式换热器将热流体的热量通过中间载热体传给冷流体。2按用途分类换热器在化工生产中被广泛应用，习惯上按其具体的使用场合为其命名
36、，如用在液体气化过程的称为蒸发器，用于为蒸馏塔输入热量的称为重沸器或再沸器，用于气体冷凝的称为冷凝器，用于加热过程的称为加热器，用于冷却过程的称为冷却器，用于工艺物料间换热的称为换热器等。根据其结构特征还可有立式冷凝器、卧式加热器、中央循环管式蒸发器、自然循环外加热式蒸发器等。6.5.5.2 间壁式换热器1管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，具单位体积换热面积大、结构可靠、适应性强、操作弹性大，在过程工业中被广泛采用，使用量在热交换器中占85%90%。固定管板式换热器是管壳式换热器的基本形式，如图6-21所示图6-21 固定管板式换热器1.折流板 2.壳体 3.支座 4.壳程物料进/出口
37、 5.管板 6.管程物料进/出口7.管箱 8.换热管 9.拉杆、定距管列管固定管板式换热器主要设计要素：列管固定管板式换热器主要设计要素：壳程：折流板、拉杆与定距管、膨胀节、进口挡板等。壳程：折流板、拉杆与定距管、膨胀节、进口挡板等。管程：管板、管程数、隔板。管程：管板、管程数、隔板。加工过程：换热管与管板的焊接胀接、管板定位与调整、加工过程：换热管与管板的焊接胀接、管板定位与调整、穿管。穿管。固定管板式换热器固定管板式换热器浮头式换热器浮头式换热器2其他类型换热器（1）蛇管式换热器沉浸式蛇管换热器。蛇管多以金属管子弯绕而成，或制成适应容器情况的形状，沉浸在容器的另一种流体中，两种流体分别在管
38、内、外进行换热。如图6-22所示。图6-22 蛇管的形状喷淋式蛇管换热器。将蛇管成排地固定在钢架上，需要冷却的工艺流体在管内流动，冷却水由管排上方的喷淋装置均匀淋下。如图6-23所示。图6-23 喷淋式蛇管换热器1.换热蛇管 2.淋洒器 3.循环泵 4.受液池 5.液位控制阀（2）套管式换热器图6-24 套管式换热器套管式换热器是将两种不同直径的直管组合成一同心套筒，两端用U形构件将内管连接并根据实际需要排列组合而成，如图6-24所示。（3）螺旋板式换热器螺旋板换热器是由两张平行的钢板卷制成具有两个螺旋通道的螺旋体，并在其上安有端盖和接管等而构成，如图6-25所示。图6-25 螺旋板式换热器（
39、4）板式换热器板式换热器由一组长方形的换热板、密封垫片以及压紧装置等组成。两相邻换热板的边缘用垫片夹紧。其内部两种流体的流向，如图6-26所示。图6-26 板式换热器流向示意图（5）板翅式换热器板翅式换热器的主体结构是在两块平行的金属薄板（亦称隔板）之间放置波纹状或其他形状的金属翅片，两侧边缘以封条密封而组成单元体。对单元体进行不同的组合和排列，并用钎焊将它们连接而组成板束，如图6-27所示。图6-27 板翅式换热器的板束6.5.5.3换热器的设计与选型1基本要求换热器首先要满足工艺对换热速率的要求。在此前提下，应做到安全、可靠、经济地长期运行。作为热量交换设备，换热器的热利用效率、有效能效率
40、以及在节能减排中的作用等将是对其设计、制造和使用者的重要考核指标。2选择换热器的类型换热器的形式多种多样，选择适当的设备形式是设计的第一步，需要考虑多方面因素是，主要有：热负荷；流体的性质与流量；操作温度、压力及允许压降范围；设备的结构、材料、尺寸及空间的限制；对清洗、维修的要求；设备价格。3安排介质流程和流向以管壳式换热器设计为例，应根据介质的性质及工艺要求安排其流程。通常安排以下介质走管程：腐蚀性介质。以减少受腐蚀的部件，壳体可采用普通材质从而降低设备造价；有毒、易燃易爆介质。以降低泄漏概率；易结垢、易析出结晶、清洁程度较低的介质。以便于对传热面等待清洗；高压或真空介质。以减少对壳体机械强
41、度的要求；高温或冷冻介质。以减少散热量；粘度小、流量大或Re大的介质。可提高传热系数，降低过程压降；需要提高流速以增大对流传热系数的流体。可以通过调整管程数以增大流速。饱和蒸气、被冷却的流体通常安排走壳程。在流向安排上，无相变的液体换热通常安排下进上出，以保证换热空间满液；冷凝过程通常安排上进下出，方便排除冷凝液；蒸发过程通常安排下进上出，保证二次蒸气排出，如有完成液（浓缩液）则从设备下方排出。换热器管壳程上下或左右两端适当位置应设置排出口，以便开车时排除不凝性气体、停车时排除残液等。排出口可用小直径管口或凸缘，如仅在连续生产过程开停车时使用，可直接用盲板或堵头代替阀门，以降低泄漏机率并节约成
42、本。4流速的选择根据工程经验，建议管壳式换热器内介质流速在表6-6所列范围内选取。热负荷Q又称传热速率，是工艺对换热器的基本要求。平均传热温差与换热流程安排、终端温差等有关，需要计算确定。6初步估算传热系数K0并计算传热面积A0总传热方程：（6-8）mtKAQ5计算热负荷Q和平均传热温差mtmt式中：Q热负荷，W；K总传热系数，W m-2 K-1；A传热面积，m2；平均传热温差，K。mt当换热管为薄圆筒壁并忽略污垢热阻时，总传热系数K可由式6-9计算：oihbhK111（6-9）式中：hi管内对流传热系数，W m-2 K-1；ho管外对流传热系数，W m-2 K-1；b管壁厚度，m；管壁导热系
43、数，W m-1 K-1。当换热过程积垢严重时，还需加上污垢热阻对式（6-9）进行修正。在设计之初，会出现由于换热器形式、传热面积、管径、管数等参数尚未确定，hi和ho难以计算而使整个设计陷入困境的现象。为此，可根据经验值先估计总传热系数的初值K0，代入式（6-8）算出相应的传热面积A0，进行换热器其他参数的设计计算。当条件满足hi和ho的计算要求后将其算出，代入式（6-9）计算出修正的总传热系数K1，代入式（6-8）算出A1。如此循环直至前后两次A值满足误差要求为止。为了保证换热器的操作弹性，通常在传热面积计算值的基础上增加10%25%作为安全裕度。表6-7给出常见工况下K的经验值。7选型或设
44、计（1）选型在设计换热器时，应当尽量按照GB/T 151热交换器的要求，在国家标准系列换热器型号中选择适当的换热器，并根据换热器参数对流速、管内外对流传热系数、总传热系数和传热面积进行校核。（2）设计换热器设计步骤如下：确定换热管直径。根据换热介质的理化性质、流速及换热器结构、加工和维修等要求确定换热管直径。常见的换热管外径有19mm、25mm、32mm和38mm等。建议采用无缝钢管。确定换热管长度。常见换热管长度有：1.5m、2.0m、3.0m、4.5m、6.0m和9.0m等。换热管通常不建议拼接。确定换热管排列形式并布管。换热管的排列形式有正三角形、转角三角形、正方形和转角正方形等。换热管
45、中心距宜不小于1.25倍的换热管外径。一旦完成布管，换热器的直径亦已确定，应根据标准系列进行圆整。校核参数。其他结构设计。介质流动阻力（压强降）校核。压强降的大致范围可参考表6-8。6.5.6 反应器6.5.6.1 反应器类型常见的反应器分类如表6-9所示。1）、介质条件（1）介质名称、组分、流量（2）操作温度、操作压力2）、通用条件（1）反应器直径、高度（直筒段）、裙座高（2）推荐材料、接地板、吊装杆（3）保温层厚度（4）气体进口防冲板3）、管口条件（1）管口符号、管口名称、规格（PN、DN）及用途（2）管口法兰标准、密封面型式、伸出长度4）、特殊条件（1）触媒层层数、每层高度、层间距（2）
46、触媒型号、颗粒大小、堆比重（3）触媒层上、下部瓷球规格、层高（4）测温计安装位置及安装型式反应器设备条件反应器设备条件6.5.6.2 反应釡的设计与选型釡式反应器也称为反应釡，由于其适应性强、结构简单可靠、价格适中，应用相当广泛。反应釡可用于连续过程或间歇过程，可单个使用也可多个串联或并联使用，可用于均相或多相（液-液、气-液或液-固）反应，可在不同温度和压力条件下运行。其机械搅拌灵活性大，物料停留时间可以得到有效控制，可以生产不同规格和品种的产品。这种设备形式除了用于反应，还在混合、浓缩、结晶、溶解、萃取、洗涤、水解等过程得到广泛应用。目前国家已有K型和F型两大类反应釡系列标准，有大量厂商生
47、产和供应此类设备，材质有不锈钢、碳钢和搪玻璃等，设计时可根据反应特性在标准系列中选用，也可对其部分参数进行调整后订制。图6-28 反应釡结构示意图1.冷凝水出口，2.搅拌浆，3.夹套，4.搅拌轴，5.筒体，6.支座，7.人孔，8.轴封，9.变速机，10.电动机，11.进料口，12.联轴器，13.蒸汽入口，14.出料口由图6-28可知，反应釡可分为容器、换热元件和搅拌装置三大部分。反应釡搅拌装置内构件（挡板、导流筒、气体分布器等）换热元件夹套换热盘管容器釜体接管、人孔、手孔、视镜等传动装置搅拌轴轴封（或磁力联轴器）（原）电动机变速机机架联轴器搅拌器1容器容器釡体可参照压力容器设计方法，通过反应器
48、处理量和反应停留时间决定釡体容积。重点考虑以下两个参数：装料系数。装料系数为物料在容器内的充装比例。对于普通反应物料，可取0.60.85；对于比较平稳的反应，可取其上限，即取0.80.85，以充分利用设备空间；若反应过程产生泡沫或沸腾，取0.60.7。工艺设计给定的釡体容积为筒体与下封头容积之和。筒体的长径比。可参照表6-10选取。2换热元件对于有换热要求的反应，反应釡需设置换热元件，用热载体向反应提供热量，或用冷载体取出反应热。反应釡常见的换热元件有夹套和内置换热盘管两大类。U型夹套3搅拌装置在反应釡内进行的过程大都需要通过搅拌进行强化，搅拌系统主要涉及原（电）动机、变速机、联轴节、搅拌轴和
49、搅拌器，密封式反应釡还涉及轴封装置，还有安装在釡体内的挡板和导流筒等附属装置。目前工程设计上，主要采用设计计算与工程经验相结合的方法进行搅拌系统的设计。对于搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒，主要有以下三种基本流型：径向流。其特征是流体的流动方向垂直于搅拌轴，沿釡体径向流动，碰到釡壁后分成向上和向下两个流股，然后回到搅拌器叶端而不穿过叶片，形成上下两个循环。轴向流。流体流动方向平行于搅拌轴，经搅拌器推动后向下流动至釡体底部，然后翻上形成上下循环流股。切向流。流体绕釡体中心轴线作旋转运动，流速高时可在液体表面形成漩涡。在实际的搅拌过程中，往往三种流型同时存在，而某一种占有主导地位。各种搅拌器在进行搅
50、拌系统设计或选型时，首先要确定反应过程所需的流型，然后选择搅拌器的类型。表6-11是常见搅拌器所产生的流型。表6-12是八种常见搅拌器的适用过程，可在搅拌设计时参考。6.5.6.3 主要标准HG/T 2268-2009钢制机械搅拌容器技术条件HG/T 3109-2009 钢制机械搅拌容器型式与基本参数GB/T 7996-2013 搪玻璃容器公称容积与公称直径GB/T 25026-2010 搪玻璃闭式搅拌容器GB/T 25027-2010 搪玻璃开式搅拌容器HG/T 2051.1-2013 搪玻璃搅拌器 锚式搅拌器HG/T 2051.2-2013 搪玻璃搅拌器 框式搅拌器HG/T 2051.3-