【正文】 換熱器的設計與選型 ............................................................................... 21 流體流動阻力（壓強降）的計算 ..................................................................... 21 管殼式換熱器的選型和設計計算步驟 ........................................................... 22 再沸器 ........................................................................................................................ 23 接管直徑 .................................................................................................................... 24 加熱蒸氣鼓泡管 ...................................................................................................... 25 離心泵的選擇 .......................................................................................................... 25 4 緒 論 一、化工原理課程設計的目的和要求 課程設計是《化工原理》課程的一個總結(jié)性教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生綜合運用本門課程及有關選修課程的基本知識 去解決某一設計任務的一次訓練。在整個教學計劃中，它也起著培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要作用。所以，課程設計是培養(yǎng)學生獨立工作能力的有益實踐。 二、化工原理課程設計的內(nèi)容和步驟 （一）課程設計的基本內(nèi)容 1. 設計方案簡介 對給定或選定的工藝流程，主要的設備型式進行簡要的論述； 2. 主要設備的工藝設計計算 包括工藝參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、設備的 工藝尺寸計算及結(jié)構(gòu)設計； 3. 典型輔助設備的選型和計算 包括典型輔助設備的主要工藝尺寸計算和設備型號規(guī)格的選定； 4. 帶控制點的工藝流程簡圖 以單線圖的形式繪制，標出主體設備和輔助設備的物料流向、物流量、能流量和主要化工參數(shù)測量點； 5. 主體設備工藝條件圖 圖面上應包括設備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表； 完整的課程設計由說明書和圖紙兩部分組成。 （二）課程設計的步驟 1. 動員和布置任務； 2. 閱讀指導書和查閱資料； 3. 現(xiàn)場調(diào)查； 4. 設計計算 ,繪圖和編寫說明書； 5. 考核和答辯。 論述應該條理清晰，觀點明確；計算要求方法正確，誤差小于設計要求，計算公式和所用數(shù)據(jù)必須注明出處；圖表應能簡要表達計算的結(jié)果。答辯通常包括個別答辯和公開答辯兩種形式。所以，在個別答辯后，應允許學生修改補充自己的圖紙和說明書。 三、帶控制點的工藝流程圖的繪制 帶控制點的工藝流程圖是一種示意性的圖樣 ,它以形象的圖形、符號、代號表示出化工設備、管路、附件和儀表自控等，借以表達出一個生產(chǎn)中物料及能量的變化始末。這里指的控制點符包括被測變量的儀表功能 (如調(diào)節(jié)、紀錄、指示、積算、連鎖、報警、分析、檢測及集中 ,就地儀表等 )。 工藝物料的介質(zhì)代碼自行編制，一般以分子式及其編寫字母表示。 表 01 輔助物料和共用系數(shù)介質(zhì)代號 圖上應標注單元設備的代號，單元設備分類代號見表 02。一般，主體設備在不同單元操作中是不同的，即使同一設備在不同單元操作中其作用也不相同，如某一設備在某個單元操作中為主體設備，而在另一單元操作中就可變?yōu)檩o 助設備。泵、壓縮機等也有類似情況。圖面上應包括如下內(nèi)容 : 1. 設備圖形 指主要尺寸 (外形尺寸、結(jié)構(gòu)尺寸、連接尺寸 )、接管、人孔等； 代號 中文名稱 代號 中文名稱 W 水 S 蒸汽 BW 鍋爐給水 HS 高壓蒸汽 BR 鹽水 LS 低壓蒸汽 BRR 鹽水回水 MS 中壓蒸汽 BRS 鹽水補給水 C 冷凝液 CW (循環(huán) )冷卻水 PWW 生產(chǎn)廢水 CWR (循環(huán) )冷卻回水 CS 化學污水 RW 冷卻水 (用于零度以上 ) RW 冷凍回水 7 圖 01 流程圖設備外形圖例 8 2. 技術(shù)特性 指裝置的用途、生產(chǎn)能力、最大允許壓強、最高介質(zhì)溫度、介質(zhì)的毒性和爆炸危險性； 3. 設備組成一覽表 注明組成設備的各部件的名稱等 。完整的設備設計，應在上述工藝設計基礎上再進行機械強度設計，最后提供可供加工制造的施工圖。 第一節(jié) 概 述 精餾操作對塔設備的要求 精餾所進行的是氣 (汽 )、液兩相之間的傳質(zhì)，而作為氣 (汽 )、液兩相傳質(zhì)所用的塔設備，首先必須要能使氣 (汽 )、液兩相得到充分的接觸，以達到較高的傳質(zhì)效率。 (２ ) 操作穩(wěn)定，彈性大，即當塔設備的氣 (汽 )、液負荷有較大范圍的變動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進行穩(wěn)定的操作并應保證長期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。對于減壓精餾操作，過大的壓力降還將使整個系統(tǒng)無法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。 (５ ) 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作 、 調(diào)節(jié)和檢修。 實際上，任何塔設備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。 板式塔類型 氣－液傳質(zhì)設備主要分為板式塔和填料塔兩大類。 板式塔為逐級接觸型氣－液傳質(zhì)設備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣－液接觸元件 的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔 、 穿流多孔板塔、舌形塔、浮動舌形塔和浮動噴射塔等多種。目前從國內(nèi)外實際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前 9 兩者使用尤為廣泛，因此，本章只討論浮閥塔與篩板塔的設計。 (２ ) 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加 10～ 15％。 (４ ) 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低 30％左右。 (２ ) 操作彈性較小 (約 2～ 3)。 浮閥塔 浮閥塔是在泡罩塔的基 礎上發(fā)展起來的，它主要的改進是取消了 升 氣管和泡罩，在塔板開孔上設有浮動的浮閥，浮閥可根據(jù)氣體流量上下浮動，自行調(diào)節(jié)，使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。塔徑從 200mm 到 6400mm，使用效果均較好。 浮閥塔之所以這樣廣泛地被采用，是因為它具有下列特點： (１ ) 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加 20～ 40％，而接近于篩板塔。 (３ ) 塔板效率高，比泡罩塔高 15％左右。 (５ ) 液面梯度小。粘度稍大以及有一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)也能正常操作。 本書雖未包括其它塔板的設計資 料，但其設計的基本方法與浮閥塔和篩板塔是相同的。 精餾塔的設計步驟 本設計按以下幾個階段進行： (１ ) 設計方案確定和說明。 （２）蒸餾塔的工藝計算，確定塔高和塔徑。接管尺寸、泵等，并畫出塔的操作性能圖。 (5) 抄寫說明書。 第二節(jié) 設計方案的確定 操作條件的確定 確定設計方案是指確定整個精餾裝置的流程、各種設備的結(jié)構(gòu)型式和某些操作指標。下面結(jié)合課程設計的需要，對某些問題作些闡述。確定操作壓力時，必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性 和經(jīng)濟上的合理性進行考慮。 對于沸點低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應在加壓下進行蒸餾。但在塔徑相同的情況下，適當?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟芰Α? 進料狀態(tài) 進料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負荷 都有密切的聯(lián)系。此外，在泡點進料時，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設計和制造上提供了方便。有時也可采用直接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱的優(yōu)點是：可以利用壓力較低的蒸汽加熱；在釜內(nèi)只須安裝鼓泡管，不須安置龐大的傳 熱面。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應較低，因而塔板數(shù)稍有增加。 值得提及的是，采用直接蒸汽加熱時，加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力，以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。 飽和 水蒸汽的溫度與壓力互為單值函數(shù)關系，其溫度可通過壓力調(diào)節(jié)。但若要求加熱溫度超過 180℃ 時，應考慮采用其它的加熱劑，如煙道氣或熱油。同時對于釜液的沸騰，溫度差過 11 大，形成膜狀沸騰，反而對傳熱不利。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。水的入口溫度由氣溫決定，出口溫度由設計者確定。冷卻水出口溫度的選擇由當?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過 50℃ ，否則溶于水中的無機鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。 選取適宜的回流比，使過程處于最佳條件下進行，可使能耗降至最低。 若不計進料、餾出液和釜液間的焓差，塔頂冷凝器所輸出的熱量近似等于塔底再沸器所輸入的熱量，其數(shù)量是相當可觀的。如果采用釜液產(chǎn)品去預熱原料，塔頂蒸汽的冷凝潛熱去加熱能級低一些的物料，可以將塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產(chǎn)品的余熱充分利用。例如，采用中間再沸器和中間冷凝器的流程 [1]，可以提高精餾塔的熱力學效率。 確定設計方案的原則 確定設計方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達到技術(shù)上最先進 、 經(jīng)濟上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。其次所定的設計方案需要有一定的操作彈性，各處流量應能在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，必要時傳熱量也可進行 調(diào)整。計算傳熱面積和選取操作指標時，也應考慮到生產(chǎn)上的可能波動。 (2) 滿足經(jīng)濟上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設備及基建費用。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水 用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對操作費和設備費都有影響。 降低生產(chǎn)成本是各部門的經(jīng)常性任務，因此在設計時，是否合理利用熱能，采用哪種加熱方式，以及回流比和其他操作參數(shù)是否選得合適等，均要作全面考慮，力求總費用盡 12 可能低一些。例如，在缺水地區(qū)，冷卻水的節(jié)省就很重要；在水源充足及電力充沛、價廉地區(qū)，冷卻水出口溫度就可選低一些，以節(jié)省傳熱面積。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會使塔受到破壞，因而需要安全裝置。但在化工原理課程設計中，對第一個原則應作較多的考慮，對第二個原則只作定性的考慮，而對第三個原則只要求作一般的考慮。 物料衡算與操作線方程 通過全塔物料衡算，可以求出精 餾產(chǎn)品的流量、組成和進料流量、組成之間的關系。 通常，原料量和產(chǎn)量都以 kg/h 或噸 /年來表示，但在理想板計算時均 須轉(zhuǎn)換為 kmol/h。因此要注意不同的場合應使用不同的流量單位。 （ 1）全塔總物料衡算 總物料 F = D + W （ 31）