化工设计概论.docx
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化工设计概论
化工设计概论
绪论
化工是化学工艺、化学工业、化学工程等的简称。
凡运用化学方法改变物质组成、结构或和成新物质的，都属于化工生产技术，也称化学工艺。
化工设计是把一项化工工程从设想变成现实的一个建设环节，化工设计的核心是化工工艺设计。
第1章化工设计程序和内容
全部设计过程划分为两大设计阶段：
基础设计、工程设计。
工程设计分为三个阶段：
工艺设计、基础工程设计、详细工程设计。
第2章工艺流程设计
化工工艺流程
原料
原料贮存、原料预处理、反应、产品分离、产品精制、包装和运输
产品
工艺路线流程化一般工作方法：
主反应过程、原料准备过程和投料方式流程、产物净化分离过程、产品计量包装或后处理工艺过程、副产物处理的工艺过程、“三废”排出物的综合治理流程、确定动力使用和公用工程的配套。
2.3工艺流程图的绘制
2.3.1方框流程图和工艺流程简图（blockflowsheet、simiplifiedflowsheet）
2.3.2工艺物料流程图（processflowsheetdiagram）
2.3.3管道及仪表流程图（pipingandinstrumentdiagram）
设备分类代号、物料代号、管道材质代号、隔热及隔声代号、测量参数代号、仪表功能代号、管道工程压力等级代号。
常用管道图示符号、测量点图形符号、仪表安装位置图形符号。
管道标注内容包括四部分：
管道号、管径、管道等级、隔热或隔声
管道号包括：
物料代号、主项代号、管道分段顺序号。
管道等级号包括：
管道工程压力等级代号、顺序号、管道材质代号。
泵的流量控制方案：
（1）出口节流控制；
（2）旁路控制。
换热器的温度控制方案：
（1）调节换热介质的流量；
（2）调节换热面积（适用于蒸汽冷凝换热器）；
（3）旁路调节。
第3章物料衡算和能量衡算
3.1物料衡算
在化工过程中，物料平衡是指在单位时间你进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的物料质量。
物料平衡方程
列物料平衡式时应特别注意下列事项：
（1）物料平衡是指质量平衡，而不是体积或物质的量平衡。
若体系内有化学反应，则衡算式中各项以摩尔/小时为单位时，必须考虑反应式中的化学计量系数，因为反应前后中的各元素原子数守恒。
（2）对于无化学反应体系能列出独立物料平衡式的最多数目等于输入和输出的物流离得组分数。
（3）在写平衡方程时，要尽量使方程中所包含的未知数最少。
物料衡算的基本步骤：
（1）画出工艺流程示意图；
（2）列出化学反应方程式；
（3）确定计算任务；
（4）收集数据资料；
（5）选择计算基准；
（6）建立物料平衡方程，计算、整理、校核。
（7）绘制物料流程图，填写正式物料衡算表
消耗定额：
生产每吨合格产品需要的原料、辅助原料及试剂等的消耗量。
第4章设备的工艺设计和选型
4.1设备工艺设计与选型原则及方法
化工工程设计的主体：
工艺设计、设备选型。
化工设备从总体上分为：
定型设备（标准设备）；非定型设备（非标准设备）。
设备的主要工艺设计参数：
泵：
流量、扬程、轴功率、允许吸上高度。
换热器：
热负荷、换热面积、冷热载体的种类、冷热流体的流量、温度、压力。
风机：
风量、风压。
反应器：
反应器类型、进出口物料的流量组成温度压力、催化剂种类规格数
量性能参数、反应器内换热装置的形式和热负荷、热载体的准类数量压力温度、反应器的主要尺寸。
4.2化工设备的材料和选材原则
4.3泵的设计和选型
按泵作用于液体的原理可将泵分为叶片式和容积式两大类。
叶片式泵：
离心泵、轴流泵、旋涡泵。
容积式泵：
往复泵、转子泵。
泵的技术指标
（1）型号；
（2）扬程；（3）流量；（4）必需气蚀余量；（5）功率和效率。
液下泵：
经常安装在液体贮槽内，对轴封要求不高，适于输送化工过程中各种腐蚀性液体，泄漏的液体仍流入贮槽内，既节省了空间又改善了操作环境，其缺点是效率不高。
屏蔽泵：
一种无泄漏泵，叶轮和电机连为一个整体并密封在同一个泵壳内，不需要轴封。
所以成为无密封泵。
在化工生产中常输送易燃、易爆、剧毒的液体，缺点是效率较低。
轴流泵：
利用高速旋转的螺旋桨将液体推进而达到输送的目的，适用于大体积流量、低扬程的场合。
4.4气体输送、压缩设备的设计与选型
气体输送、压缩设备按出口压力和用途可分为以下5类：
（1）通风机简称风机，压力在0.115MPa以下，压缩比为1—1.15。
通风机可分为轴流风机和离心风机。
（2）鼓风机压力为0.115—0.4MPa，压缩比小于4。
鼓风机可分为罗茨鼓风机和离心鼓风机。
（3）压缩机压力大于0.4MPa，压缩比大于4，压缩机分为活塞式、离心式、螺杆式、往复式。
（4）制冷机为低温用户提供冷量。
（5）真空泵用于减压。
在化工生产中，轴流式通风机在空冷器和冷却水塔的通风方面的应用很广泛。
罗茨鼓风机的风量与风机转速成正比。
螺杆式压缩机依靠两个螺旋形转子相互啮合进行气体压缩的。
在汽缸中平行放置两个高速回转、按一定传动比相互啮合的螺旋形转子，形成进气、压缩、排气过程。
螺杆式压缩机与往复式压缩机一样，同属于容积型压缩机，就运动形式而言，压缩机的转子和离心式压缩机一样作高速运动，所以螺杆式压缩机兼有活塞式压缩机和离心式压缩机的特点。
螺杆式压缩机没有往复运动部件，不存在不平衡惯性力，所以螺杆式压缩机的设备基础要求低；螺杆式压缩机具有强制输气的特点，即排气几乎不受排气压力的影响；螺杆式压缩机在较宽的工作范围内仍能保持较高的效率，没有离心式压缩机在小排气量时喘振和大排气量时扼流的现象。
螺杆式压缩机适用于中低压及中小排气量，如干式螺杆压缩机，排气量范围为3—500m3/min，排气压力小于1.0MPa，喷油螺杆压缩机，排气量范围为5—100m3/min，排气压力小于1.7MPa。
活塞推料式过滤离心机
具有自动连续操作、分离因数较高、单机处理量大、结构紧凑、铣制板网阻力小、转鼓不易积料等特点。
推料次数可根据不同的物料进行调节，推料活塞级数越多，对悬浮液的适应性越大，分离效果越好。
适用于固体颗粒大于等于0.25mm、固含量大于等于30%的结晶状或纤维状物料的悬浮液，大量应用在碳酸氢铵、硫酸铵、尿素等化肥及制盐等工业部门。
主要型号有WH型：
（卧式单级）、WH2型（卧式双级）、HR型（双级柱形转鼓）、P型（双级转口型）等。
单级卧式活塞推料离心机转鼓长度152—760mm，转鼓直径152—1400mm，分离因数300—1000。
流化床干燥器
（1）传热效果好。
由于物料的干燥介质接触面积大，同时物料在床内不断进行激烈搅拌，传热效果良好，热容量系数大，可达2320—6960W/（m2K）。
（2）温度分布均匀。
由于流化床内温度分布均匀，避免了产品的任何局部过热，特别适合某些热敏物料干燥。
（3）操作灵活。
在同一设备内可以进行连续操作，也可以进行间歇操作。
（4）停留时间可调节。
物料在干燥器内的停留时间，可以按需要进行调整，所以对产品含水量有波动的情况更适宜。
（5）投资少。
干燥装置本身不包括机械运动部件，装置投资费用低廉，维修工作小。
4.11起重机械
许多起重机械，都是间歇使用的，与流程的关系不大，化工生产中经常使用一些简单的手动的和电动的起重装置，常见的有手拉葫芦和电动葫芦。
在选型时，根据工艺流程安排，根据其中的最大负荷和起重高度来选型。
真空泵的主要技术指标如下：
（1）真空度
一般有以下几种表示方法。
以绝对压力p表示，单位是kPa；以真空度pv表示，单位是kPa；则有：
pv（kPa）＝101.325－p（kPa）
（2）抽气速率
指在单位时间内，真空泵吸入的气体体积，即吸入压力和温度下的体积流量，单位是m3/h、m3/min；真空泵的抽气速率与吸入压力有关，吸入压力愈高，抽气速率愈大。
（3）极限真空
指真空泵抽气时能达到的稳定最低压力值。
极限真空也称最大真空度。
（4）抽气时间
指以抽气速率S从初始压力抽到终了压力所耗费的时间，单位为min。
化工中常见的真空泵有如下几种类型：
（1）往复式真空泵往复式真空泵的构造和原理与往复式压缩机基本相同，但
真空泵的压缩比比较高。
例如95%的真空度时压缩比约为20，所吸气体的压力很小，故真空泵的余隙容积必须更小，排除和吸入发梦必须更加轻巧灵活。
往复式真空泵所输送的气体不应含有液体。
（2）水环真空泵简称水环泵，工作时由于叶轮旋转产生的离心力的作用，将泵内水甩至壳壁形成水环，此水环具有密封作用，使叶片间的空隙形成许多大小不同的密封室，叶轮的旋转使密封室由小变大形成真空，将气体从吸入口吸入，然后密封室有大变小，气体由压出口排出。
水环真空泵最高真空度可达85%。
为维持泵内液封，水环泵运转时要不断地充水。
（3）液环真空泵简称液环泵（纳氏泵），外壳呈椭圆形，其内装有叶轮，当叶轮旋转时，液体在离心力的作用下被甩至四周沿壁形成椭圆形液环。
和水环泵一样，工作腔也是有一些大小不同的密封室组成的，液环泵的工作腔有两个，由泵壳的椭圆形状形成。
由于叶轮的旋转运动，每个工作腔内的密封室由小变大由吸入口吸进气体，然后由大变小将气体强行排出。
此外输送的气体不与泵壳直接接触，所以只要叶轮采用耐腐蚀材料制造，液环泵也可用于腐蚀性气体的抽吸。
（4）旋片真空泵简称旋片泵，是旋转式真空泵，当带有两个旋片的偏心转子旋转时，旋片在弹簧及离心力的作用下，紧贴泵体内壁滑动，吸气工作室扩大，被吸气体通过吸气口进入吸气工作室，当旋片转至垂直位置时，吸气完毕，此时吸入的气体被隔离，转子继续旋转，被隔离的气体被压缩后压强升高，当压强超过排气阀的压强时，气体从泵排气口排出。
因此，转子每旋转一周，有两次吸气排气过程。
旋片泵的主要部分浸没与真空油中，为的是密封各部件的间隙充填有害的余隙和得到润滑。
旋片真空泵适用于抽除干燥或含有少量可凝性蒸气的气体，不适用于抽除含尘和对润滑起化学作用的气体。
喷射泵，利用高速流体射流时静压能向动能转换而造成真空，将气体吸入泵内，并在混合室通过碰撞、混合以提高吸入气体的机械能，气体与工作流体一起被排出泵外。
喷射泵的工作流体可以是水蒸气也可以是水，前者称为蒸汽喷射泵，后者称为水喷射泵。
单级蒸汽喷射泵仅能达到90%的真空度，为获得更高的真空度可采用多级蒸汽喷射泵。
喷射真空泵的优点是工作压力范围广，抽气量大，结构简单，适应性强，缺点是工作效率低。
4.4换热器的设计和选型
（1）按工艺功能分类
（2）按传热方式和结构分类
间壁式换热器的分类和特性
分类
名称
特性
相对费用
耗用金属量/（kg/m2）
管壳式
固定管板式
使用广泛，已系列化，壳程不易清洗，当管壳两物流温差大于60℃应设膨胀节，最大使用温差不应大于130℃
1.0
30
浮头式
壳程易清洗，管壳两物料温差可大于120℃，内垫片易渗漏
1.22
46
U形管式
制造安装方便，造价较低，管程耐高压，但结构不紧凑，管子不易更换和不易机械清洗
1.01
填料函式
优缺点同浮头式，造价高，不宜制造大直径设备
1.28
板式
板翅式
紧凑、效率高，可用于多股物料同时热交换，使用温度小于150℃
0.6
16
螺旋板式
制造简单、紧凑，可用于带颗粒物料，温位利用好，不易检修
50
伞板式
制造简单、紧凑，成本低，易清洗，使用温度小于150℃，使用压力小于1.18×106Pa
16
波纹板式
紧凑，效率高，易清洗，使用温度小于150℃，使用压力小于1.47×106Pa
管式
空冷器
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