化工设备容器.docx

化工设备容器.docx

《化工设备容器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工设备容器.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

化工设备容器

化工工艺——容器

容器是一种化工设备的基本类型，化工容器广泛应用于化工、石油、炼油、医药等行业。

化工压力容器一般可泛指装盛物料的静止设备，如反应类容器、换热类容器、分离类容器、储存类容器等工艺过程设备。

本章节定义的容器主要指装盛生产用的气体、液体、气-液混合介质、液-液混合介质的化工装置（或单元）的储存类容器，但不包括罐区内的各类储罐、低温罐或球罐，也不包括料仓、料斗等粉体工程用容器。

容器工艺设计主要用于指导不同型式容器的选用、工艺参数的确定、容积的计算原则、合理的结构尺寸、内部结构、管口设置及安装型式等。

1容器的分类和选用

1.1容器的分类

按用途功能，化工装置常用容器大致有下列三类。

（1）气-液分离容器

这类容器用于分离气体和液体。

属于这类容器的有油气分离器、蒸汽分水器、压缩机入口分液罐、压缩空气罐、燃料气分液罐、紧急放空罐等。

油气分离容器一般用于分离呈平衡状态的气体和液体；蒸汽分水器、压缩机入口分液罐、压缩空气罐、燃料气分液罐等用于分离气体中夹带的液体；紧急放空罐用于装置发生紧急事故时接收和分离从设备中放出的液体及蒸汽。

（2）液-液分离容器

这类容器用于分离互不相溶的液体，主要包括洗涤沉降罐、油水分离罐等。

洗涤沉降罐用于烃类的酸洗、碱洗、水洗等过程；油水分离罐包括原料脱水罐、塔顶回流罐等。

（3）缓冲容器

这类容器用于上下工序之间的缓冲或储存装置所需的原料、化学药剂、溶剂等。

1.2容器的选用

卧式容器中的液体运动方向与重力作用方向垂直，有利于沉降分离，液面稳定性好；但其气液分离空间小，占地面积大，高位安装不方便。

塔顶回流

罐、液体中间缓冲罐、油水分离罐以及炼油装置汽油、煤油洗涤沉降罐等推荐采用这类卧式容器。

立式容器的气液分离空间大，有利于中间混合层的连续分离，占地小，高位安装方便；但其液面稳定性不如卧式容器。

气体缓冲罐、气体洗涤罐、气体分液罐、炼油装置柴油洗涤沉降罐等推荐采用这类容器。

2容器工艺设计

2.1立式和卧式重力气-液分离器

2.1.1应用范围

①重力分离器适用于分离液滴直径大于200μm的气液分离。

②为提高分离效率，应尽量避免直接在重力分离器前设置阀件、加料及引起物料的转向。

③液体量较多，在高液面和低液面的停留时间为6～9min，应采用卧式重力分离器。

④液体量较少，液面高度不由停留时间确定，而是通过各个调节点间的最小距离100mm加以限制的，应采用立式重力分离器。

2.1.2立式重力气-液分离器的尺寸设计

（1）分离器内的气速

①近似估算法

（23-1）式中vt——浮动（沉降）流速，m/s；

ρL，ρG——液体和气体的密度，kg/m3；

Ks——系数，d*=200μm时，Ks=0.0512，d*=350μm时，Ks=0.0675。

近似估算法是根据分离器内的物料流动过程，假设Re=130，由图23-4查得相应的阻力系数Cw=1，此系数包含在Ks系数内，Ks按式（23-1）选取。

由式

（23-1）计算出浮动（沉降）流速vt，再设定一个气体流速ue，即作为分离器内的气速，但ue值应小于vt。

真实的物料流动状态，可能与假设值有较大的出入，会造成计算结果不准确，因此近似估算法只能用于初步计算。

②精确算法从浮动液滴的平衡条件，可以得出

（23-2）式中vt——浮动（沉降）流速，m/s；

d*——液滴直径，m；

ρL，ρG——液体和气体密度，kg/m3；g——重力加速度，9.81m/s2；Cw——阻力系数。

首先由假设的Re数，从图23-4中查Cw，然后由所要求的浮动液滴直径d*以及ρL、ρG，按式（23-2）算出v't，再由此v't计算Re。

（23-3）式中μG——气体黏度，Pa·s。

其余符号意义同前。

由计算求得Re数，查图23-4，查得新Cw，代入式（23-2），反复计算，直到前后两次迭代的Re数相等，即v't=vt为止。

取ue≤vt，即容器中的气体流速必须小于悬浮液滴的浮动（沉降）流速vt。

（2）尺寸设计

立式重力气-液分离器的尺寸如图23-1所示。

图23-1立式重力气-液分离器的尺寸

①直径

（23-4）

式中D——分离器直径，m；

——气体最大体积流量，m3/h；ue——容器中的气体流速，m/s。

由图23-5可以快速求出直径D。

②高度容器高度分为气相空间高度和液相高度，此处所指的高度，是指设备的圆柱体部分。

低液位（LL）与高液位（HL）之间的距离，采用式（23-5）计算。

（23-5）

式中HL——液体高度，m；t——停留时间，min；D——分离器直径，m；VL——液体体积流量，m3/h。

停留时间t以及釜底容积的确定受许多因素影响，这些因素包括上、下游设备的工艺要求以及停车时塔板上的持液量。

当液体量较小时，规定各控制点之间的液体高度最小距离为100mm。

表示为：

LL（最低液位）-100mm-LA（低液位报警）-100mm-NL（正常液位）-100mm-HA（高液位报警）-100mm-HL（最高液位）。

③接管直径

a.入口接管两相入口接管底直径应符合式（23-6）的要求。

（23-6）

式中uP——接管内流速，m/s；ρG——气体密度，kg/m3。

由此导出

式中VG，VL——气体与液体的体积流量，m3/h；DP——接管直径，m。

（23-7）

由图23-6可以快速求出接管直径。

b.出口接管气体出口接管直径，必须不小于所连接的管道直径。

液体出口接管的设计，应使液体流速≤1m/s。

④计算举例数据如下。

停留时间t=6min，试确定分离器尺寸。

解题：

a.浮动流速（vt）由式（23-2）计算。

由式（23-2）计算。

由图23-4查得Cw=1.25，由式（23-2）计算，得vt=0.75；再由式（23-3）计算，得Re=88.4，由图23-4查得Cw=1.25，计算结束。

取ue=vt，vt=0.75m/s。

b.尺寸

直径

。

取D=0.6m，液体高度

。

由于上述计算L/D不合适，选用D=1m计算。

每分钟停留时间相当于高度为

。

分离罐总高

。

2.1.3卧式重力气-液分离器的尺寸设计

（1）计算方法及其重要尺寸

设备尺寸计算的依据是液体流量及停留时间。

按式（23-8）求出试算直径DT，在此基础上，求得容器中液体表面上的气体空间，然后进行核算，验证是否满足液滴的分离。

卧式重力气-液分离器的尺寸如图23-2所示。

图23-2卧式重力气-液分离器的尺寸

试算直径：

（23-8）

式中C——

（推荐值是2.5）；LT，DT——圆柱部分的直径和长度，m；VL——液体的体积流量，m3/h；

t——停留时间，min；

A——可变的液体面积（以百分率计），

，均以百分率计；

ATOT——总横截面积，%；

Aa——气体部分横截面积，%；

Ab——液位最低时液体占的横截面积，%。

通常开始计算时取A=80%，并假设气体空间面积Aa为14%，最小液体面积Ab为6%。

选择C值时，须考虑容器的可焊性（壁厚）和可运输性（直径、长度）。

由DT和Aa=14%，查图23-7，得出气体空间高度a，a值应不小于300mm。

如果a<300mm，需用A<80%的数值，再计算新的试算直径。

（2）接管距离

两相流进口接管与气体出口接管之间的距离应尽可能大，即

式中LN——两相流进口到气体出口间的距离，m；LT——圆筒形部分的长度，m。

根据气体空间Aa和一个时间比值R（即液滴通过气体空间高度所需沉降时间与气体停留时间的比）来校核液滴的分离，计算进口和出口接管之间的距离L'N。

（23-9）式中

——进出口接管间的距离，m；

——卧式容器的直径，m；a——气体空间的高度，m；VG——气体流量，m3/h；

ρL，ρG——液体密度和气体密度，kg/m3；Aa——气体部分横截面积，%。

R——系数，

，

时，

，

时，

。

τa——直径为d*的液滴，通过气体空间高度a所需要的时间，s；τT——气体停留时间，s。

两相流进口到气体出口间的距离LN不应小于L'N。

接管设计同立式重力分离器。

（3）液位和液位报警点计算实例

已知：

VL=120m3/h，t=6min，DT=2000mm，LT=5000mm，最低液位高度hLL=150mm。

最低液位（LL）、低液位报警（LA）、正常液位（NL）、高液位报警

（HA）、最高液位（HL）之间的时间间隔分别是2min、1min、1min、2min，要计算对应时间间距的各液位高度。

解题：

如图23-3所示，最低液位，即液面起始高度（计算时间为0）的液位

高度hLL为150mm。

容器横截面积（ATOT）为

相当于液体在容器中停留时间为1min所占的横截面积为

图23-3卧式重力分离器液位高度

其他几个高度按下述方法求出。

由图23-8查得

（hLL即是图中的h）。

得：

查图23-8得

（hLA即是图中的h）。

所以，从最低液位（LL）经2min后得到的低液位报警（LA）液面高度为从低液位报警（LA）再过1min后

查图23-8得

（hNL即是图中的h），正常液位（NL）液面高度为

从正常液位（NL）再过1min后

查图23-8得

（hHA即是图中的h），高液位报警（HA）液面高度为

从高液位报警（HA）再过2min后得

查图23-8得

（hHL即是图中的h），最高液位（HL）液面高度为

2.1.4计算图表

①雷诺数Re与阻力系数Cw的关系图，如图23-4所示。

②容器和丝网直径的确定图，如图23-5所示。

③接管直径的确定图，如图23-6所示。

④容器横截面积的求法

（一），如图23-7所示。

⑤容器横截面积的求法

（二），如图23-8所示。

图23-4雷诺数Re与阻力系数Cw的关系图

图23-5容器和丝网直径的确定图

图23-6接管直径的确定图

图23-7容器横截面积的求法

（一）

图23-8容器横截面积的求法

（二）

2.2立式和卧式丝网气-液分离器

2.2.1应用范围

①丝网气-液分离器适用于分离气体中直径大于10～30μm的液滴。

②丝网气-液分离器的主要部件为一个固定安装的丝网组件，由丝网和上下支承栅条组成。

丝网可采用不同的金属或非金属材料，如不锈钢蒙乃尔合金、镍、铜、铝、碳钢、钽、耐腐蚀耐热镍合金、聚氯乙烯和聚乙烯等。

③丝网气-液分离器通常采用的丝网材料，直径为0.22～0.28mm，丝网厚度为100～150mm。

2.2.2立式丝网气-液分离器的尺寸设计

（1）气体流速（uG）的确定

气体流速对分离效率是一个重要因素。

如果流速太快，气体在丝网的上部，将使液滴破碎，并带出丝网，形成“液泛”状态；如果气速太低，由于达不到湍流状态，使许多液滴穿过丝网而没有与网接触，降低了丝网的效率。

分离效率与气速的关系如图23-9所示。

图23-9分离效率与气速的关系

①计算方法

（一）用常数（KG）的计算方法。

（23-10）

式中uG——与丝网自由横截面积相关的气体流速，m/s；ρL，ρG——液体、气体的密度，kg/m3；

KG——常数，通常KG=0.107。

如果气流中有较大的液体量被分离，则建议采用

。

在高黏度液体、高压或高真空工艺中，KG可采用0.06。

②计算方法

（二）

本方法适用于两相物料中含液体很少的物流，假定两相中的液体全部被丝网截住，通过本方法求得气体流速。

丝网自由横面积上的气体流速（uG）