工艺设计要点二十四点Word文档下载推荐.docx
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0.57@50oC
0.28@100oC
0.14@200oC
随温度变化
0.01～0.03
0.02～0.05
普兰德数
1～15
10～1000
0.7
0.7～0.8
Prandtl数表示流体物性对传热的影响。
有机物液体密度与温度的关联式：
ρL∝（Tc-T）0.3
有机物气体密度可按下式计算：
ρG=（MW×
P）÷
（Z×
R×
T）
水的沸点是压力的函数：
Tbp（oC）=（压力MPa×
109）0.25
其他常用的工程常数：
在空气中的声速=346m/s
光速=3.0×
108m/s
重力常数=980.665gmcm/gfs2
阿佛迦德罗常数=6.02×
1023/mol
普适气体定律常数R=1.9872gcal/gmolK=8.31434J/molK=8.31434m3Pa/molK
质-能关系=8.99×
1016J/kg=913.5MeV/u
介电常数=8.85×
10-12F/m=1.26×
10-6H/m
普朗克（Planck）常数=6.63×
10-34Js=4.14x10-15eVs
波尔兹曼（Boltzmann）常数=1.38×
10-23J/K=8.62×
10-5eV/K
元素电荷=1.60×
10-19C
电子静质量=9.11×
10-31kg
质子静质量=1.67×
10-27kg
玻尔（Bohr）半径=5.29×
10-11m
玻尔（Bohr）磁子=9.27×
10-24J/T=5.79×
10-5eV/T
其他常见的无因次数群：
雷诺数（Reynolds）表示惯性力与粘滞力之比；
普兰德数（Prandtl）表示流体物性对传热的影响；
施密特数（Schmidt）表示流体物性对传质的影响；
努塞尔数（Nusselt）表示给热系数；
欧拉数（Euler）表示压差；
马赫数（Mach）表示线速与声速之比；
施伍德数（Sherwood）表示传质系数；
史坦顿数（Stanton）表示传递热量与流体热容量之比；
韦勃数（Weber）表示惯性力与表面张力之比；
弗鲁德数（Froude）表示重力对流动过程的影响；
伽利略数（Galileo）表示重力与粘滞力的关系；
格拉斯霍夫数（Grashof）表示自然对流对传热的影响；
路易斯数（Lewis）表示物性对传热和传质的影响；
彼克列数（Peclet）表示总体传热量与扩散传质量之比。
工艺设计要点之二：
精馏塔和管壳式换热器
精馏塔
1。
填料塔：
（a）根据每米填料层高度的压降，来判断是否会液泛。
通常每米填料的液泛压降为0.017～0.025Kg/cm2
（b）而在载点以下操作，则是正常稳定的操作条件。
通常每米填料的载点压降为0.0043～0.009Kg/cm2
在此操作条件下的填料等板高度HETP是最低的，
也即分离效率最高。
2。
由于风载和地基等原因，塔的高度一般不超过53米。
3。
对于小于900mm直径的小塔，通常采用填料塔。
这是基于小直径板式塔制造费用高昂的考虑。
4。
典型的全塔效率通常在60～90%之间。
5。
通常筛板塔盘间距为300～400mm；
真空塔盘间距为500～750mm。
如果考虑方便维修，相应的板间距要大一些，机械设计上的最低要求为460mm。
管壳式换热器
换热介质的流向配置：
（a）将腐蚀性强的流体安排在管内，这样只需少量的贵重合金管材即可。
如果壳间走腐蚀性流体，不仅需要昂贵的壳体材料，而且壳内的管子也需耐腐材料。
（b）将易结垢的流体安排在管内，通过流速控制可以适当清除污垢。
检修期间，不用抽出管束就可以机械清洗直管段。
（c）对于高温/高压操作的流体安排在管内，可以省却特殊、昂贵的制造材料。
（d）将较低流速的介质安排在壳侧，可以体现出其经济性能。
因为低流速流体在壳侧比在管内更易产生有利于传热的湍流现象。
在各种操作压力条件下，换热器中较为合理的压降如下：
操作压力
合理的压降
真空～常压
操作绝压的十分之一
1～1.7Kg/cm2
操作表压的二分之一
1.7kg/cm2以上
0.35Kg/cm2或更高
当冷却粘度较大流体时，顺流操作比逆流换热要好。
因为冷流体可以获得较高的传热系数。
壳径与列管根数的经验关联式为：
D=1.75×
d×
（n×
Np）0.47
其中D为壳内径，mm
d为管外径,mm
n为每程的列管根数
Np为每壳程内的管程数。
工艺设计要点之三：
材料选择
优点
缺点
碳钢
便宜、易成型、最常用、耐微碱性环境
不耐酸、强碱物料、相对易脆（尤其低温环境下）
不锈钢
相对便宜、易成型、相对碳钢更适合于各种酸、碱性环境
不耐含氯物料、在高温环境下降低性能参数
254SMO
中等价格、相对易成型、相对不锈钢更适合于各种酸、碱性环境
稍耐含氯物料、在高温环境下稍降低性能参数
钛合金
耐含氯物料（海水环境）、高强度薄材
稍昂贵、难成型、焊接难
铅钛合金
耐含氯物料（高温、海水环境）
非常昂贵、难成型
镍
耐碱性物料（高温、海水环境）
昂贵、焊接难
哈氏合金
耐酸性物料（适应范围广）
相当昂贵、易焊接
石墨
耐弱盐酸性物料
非常昂贵、易脆、难成型
钽
其他材料的替代品（非常苛刻的场合）
极其昂贵、慎重选用
工艺设计要点之四：
凉水塔
在工业凉水塔设计中，取决于空气的温度和湿含量，
湿球温度就是水可以被冷却到的最低理想温度，
实际上可以达到环境饱和空气90%左右的冷却等级。
凉水塔的尺寸大小是与水温、湿球温度有关的。
其相对大小比例如下：
T水-T湿，oF相对尺寸大小
52.4
151.0
250.55
循环水量通常在5～10m3/hr-m2，空气速度通常在1.5～2m/s
逆流诱导式通风塔是最常见的。
这些塔的操作条件可达湿球温度的1oC之内，通常在3～6oC的温差之内。
对于需要每冷却6oC左右的凉水塔，约有1%的循环量损失。
飘散损失约占循环量的0.25%左右，排放约占循环量的3%左右，
以防止氯盐类物质等化学品在系统中的累积。
工艺设计要点之五：
输送装置
对于大于120m长距离、大通量物质传递的场合，选用气流输送装置是最适宜的。
还适用于多个输送源、多个目的地的工况。
对于真空或低压系统（0.4～0.8Bar），输送空气速度为10～37m/s。
输送空气量约在0.03～0.5m3/m3输送固体。
拖曳型刮板输送机是全封闭的，适合于短距离输送物质。
块料尺寸约为75～480mm，输送速度为0.2～1.3m/s,
所需动力比其他形式的输送装置要大。
斗式提升机常用于垂直输送物料的场合，且物质是比较粘稠、研磨的物料。
500×
500mm容量抓斗的处理能力可达28m3/hr，
提升速度为0.5m/s，最快速度可达1.5m/s
带式输送机用于长距离、大通量输送。
倾斜度最大为30o角，600mm宽的皮带输送能力达85m3/hr，
输送速度约为0.5m/s，最快速度可达3m/s
所需动力相对要小些。
螺旋输送机用于粘稠、研磨物料的长达46m距离的输送。
倾斜度最大为20o角，300mm直径螺旋板的输送能力达85m3/hr，
转速为40～60转/分时的输送能力可达28～85m3/hr
工艺设计要点之六：
结晶器
大多数结晶过程中，C/Csat（浓度/饱和浓度）之比保持在1.02～1.05之间。
晶体生长速度和晶粒大小取决于溶液的过饱和度。
在冷却结晶过程中，溶液温度保持在给定浓度的饱和点以下0.5～1.2oC较合适。
常见的晶体生长速度约为0.1～0.8mm/hr
工艺设计要点之七：
电机与透平
电机马达的效率一般在85~95%；
蒸汽透平的效率一般在42~78%；
燃气透平的效率一般在28~38%。
对于75kW（100hp）以下的用户，通常采用电机，
最高可用于15000kW（20000hp）的用户。
最常用的是感应电动机。
例如转速低达150转/分的同步电动机，其额定功率为37kW（50hp）左右。
适用于低转速往复压缩机。
蒸汽透平机很少用于75kW（100hp）以下的用户，其转速可以控制。
采用气体膨胀机可以回收上百马力的能量，同时也是获取低温的手段。
膨胀机每产生100kW的功率，相当于移去了360kJ/h的热量。
6。
由下式估算透平机的功耗：
其中ΔH=实际可用功，Btu/lb
Cp=常压热容，Btu/lboF
T1=入口温度，oR
P1=入口压力，psia
P2=出口压力，psia
K=Cp/Cv
工艺设计要点之八：
固体干燥
喷雾干燥只需几秒钟的时间，而转筒式干燥时间则需几分钟，乃至一个小时。
处理3～15mm球粒状物料干燥的连续板/带式干燥器的干燥时间约为10～200分钟。
用于处理高粘度流体物料的鼓式干燥器接触时间约为3～12秒，
产品片厚约1～3mm。
转鼓直径约0.5～1.5m，转速约为2～10转/分。
最大蒸发能力约为1363kg/hr
转筒式干燥器操作的空气流速为1.5～3m/s，最高达11m/s。
停留时间约5～90分钟。
对于新设计的转筒干燥器，需要85%的横截面积空间。
采用逆流操作的设计，出口气体温度高于固体温度约10～20oC。
而并流操作的设计，要保证固体物料出口温度为100oC。
转速通常为4～5转/分，转速与筒径（m）的乘积约为4.6～7.6。
气流输送干燥器适用于1～3mm的颗粒干燥，甚至大至10mm的颗粒物料。
空气速度约为10～30m/s，典型的单程干燥停留时间接近1分钟。
设备尺寸约为直径0.2～0.3m，长1～38m。
流化床式干燥器适合处理4mm以下的颗粒干燥。
气速的设计参数为最小流化速度的1.7～2倍。
一般连续操作的干燥时间取1～2分钟就足够了。
工艺设计要点之九：
罐式容器
液体罐通常是卧式的，气液分离罐通常是立式的。
适宜的长度/直径比为3，范围在2.5~5。
半充满回流罐的停留时间为5分钟；
气液分离罐进料到另一个塔之间的设计停留时间为5~10分钟。
炉前进料罐的停留时间最好是30分钟。
压缩机前气液分离罐的设计停留时间应该为每分钟液体体积通量的10倍。
液液分离器的设计停留时间应该维持沉降速度为0.85~1.3mm/s
7。
气液分离罐中气体临界速度=0.048（液体密度/气体密度-1）0.5
密度为kg/m3，临界速度为m/s
8。
除沫器中丝网层厚度通常为150mm。
9。
对于正压分离系统，丝网层之前的分离空间为150～450mm，
丝网层之后的分离空间为300mm。
工艺设计要点之十：
蒸发器
最常见的类型是垂直长管自然或强制循环蒸发器。
管径在19～63mm之间，管长在3.6～9.1m之间。
强制循环速度一般在4.5～6m/s范围内。
溶液沸点温度升高（BoilingPointRise或B.P.Elevation）
是由于溶液中存在不挥发溶质的作用，
而导致溶液温度与饱和蒸汽温度的差别。
当BPR大于4oC时，较经济的做法是采用4～6效串联蒸发器设计。
温差愈小，采用取决于蒸汽消耗成本的串联设计，其经济效果愈加明显。
增加多效之间的蒸汽压力，可以采用喷射器（20～30%效率），
或者机械压缩机（70～75%效率）。
工艺设计要点之十一：
过滤器
通常依据实验室真空滤叶试验的形成滤饼时间来分类的，
0.1～10cm/s为快速；
0.1～10cm/min为中速；
0.1～10cm/hr为慢速；
如果5分钟之内不能形成3mm厚的滤饼，则不应采用连续过滤方法。
对于需要快速过滤的场合，最好选择带卸料、顶加料的转鼓过滤机和加压式离心过滤机。
对于需要中速过滤的场合，最好选择带真空鼓式和边沿式离心过滤机。
对于需要慢速过滤的场合，最好选择压滤机或者澄清式离心过滤机。
对于需要过滤微细砂矿石的场合，转鼓速率为7335kg/day-m2，
转速20转/hr，真空度457～635mmHg。
对于需要过滤矿脉固体和结晶的场合，转鼓速率为29340kg/day-m2，
转速20转/hr，真空度51～152mmHg。
工艺设计要点之十二：
混合与搅拌
中等搅拌程度的流体表面速度为0.03～0.06m/s，而强烈搅拌的流速为0.2～0.3m/s。
测量有挡板搅拌槽内的搅拌强度，主要依据是所需动力和叶轮尖端速度：
动力输入
叶端线速
kW/m3
m/s
掺混
0.033～0.082
-
均相反应
0.082～0.247
2.29～3.05
带传热的反应
0.247～0.824
3.05～4.57
液～液混合
0.824
4.57～6.09
气～液混合
0.824～1.647
淤浆
1.647
各种搅拌槽的几何尺寸都与其容器的直径（D）有关：
液位=D
涡轮叶片的直径=D/3
叶轮距槽底距离=D/3
叶片宽度=D/15
四直叶挡板宽度=D/10
对于需要沉降速度为9m/s的固体悬浮物，采用涡轮式叶轮设计；
对于需要沉降速度为46m/s的场合，则采用强化搅拌的推进式叶轮设计；
气～液混合所需的动力比完全液体混合所需的动力约小25～50%。
工艺设计要点之十三：
压力容器和贮罐
在-30oC到345oC之间的设计温度，取最大操作温度加上25oC的余量。
一般情况下，设计压力取最大操作压力的110%或者在最大操作压力值上再加0.69～1.7bar，取大者。
最大操作压力取正常操作压力值加上1.7bar。
对于真空操作，设计压力取相对于全真空的1bar（表）压力。
保证罐体结构安全的最小壁厚为：
对于直径为1.07m及以下尺寸的罐，壁厚取6.4mm；
对于直径为1.07~1.52m尺寸的罐，壁厚取8.1m；
对于直径为1.52m以上尺寸的罐，壁厚取9.7mm。
许用工作应力取材料强度极限的1/4。
最大许用工作应力：
温度范围
-30~345oC
400oC
455oC
540oC
碳钢SA203
1290bar
1070bar
686bar
273bar
不锈钢302SS
1100bar
431bar
容器壁厚估算式：
壁厚=（压力×
外曲率半径）÷
（许用应力×
焊接效率-0.6×
压力）+腐蚀余量
其中：
压力为psi（表）；
曲率半径为英寸；
应力为psi；
腐蚀余量为英寸。
初始设计工况的焊接效率通常取0.85。
腐蚀余量取值：
已知腐蚀性介质9mm；
非腐蚀性介质4mm；
蒸汽罐或空气槽1.5mm。
小于3.8m3容量的贮罐，采用带支腿的立式罐。
10。
3.8～38m3之间容量的贮罐，采用混凝土支承的卧式罐。
11。
大于38m3容量的贮罐，采用混凝土座的立式罐。
12。
贮存低蒸气压的液体，采用浮顶罐。
13。
原料贮罐通常按30天供料设计。
14。
贮罐容积应该设计为货运槽车容积的1.5倍。
工艺设计要点之十四：
管道
对于液体管线尺寸设计:
合适的流速为1.5+0.004×
Dm/s，泵出口端压降约为0.04kg/cm2/100m管线。
在泵入口端，流速为0.4+0.002×
Dm/s，压降约为0.008kg/cm2/100m管线。
其中D为管线直径，mm。
对于蒸汽或者气体管线尺寸设计：
合适的流速为0.24×
Dm/s，压降约为0.01kg/cm2/100m管线。
过热、干蒸汽、气体管线的流速限制在61m/s及压降0.1kg/cm2/100m管线；
饱和蒸汽管线的流速限制在37m/s以防止冲蚀。
对于型钢管线的压降估算式：
ΔP=35×
M1.2μ0.2/（D4.2ρ）
P为摩擦阻力降，kg/cm2/100m当量管线
M为质量流率，kg/hr
μ为管内流体粘度，cP
ρ为管内流体密度，kg/m3
D为管线内径，mm。
对于光滑的换热器钢管，须用30替换35。
对于两相流，通常采用lockhart/Martinelli估算式，
首先计算管线内每一相单独存在时的压降，然后计算：
X=[ΔPL/ΔPG]0.5
则，总压降计算如下：
ΔP总=YLΔPL或者YGΔPG
YL=4.6X-1.78+12.5X-0.68+0.65
YG=X2YL
控制阀至少需要0.69bar的压降来正常地操作。
管道法兰的公称压力等级有10，20，40，103和175bar。
截止阀通常适用于需要严密阻断气体介质的场合，闸阀适用于其他大多数场合。
螺纹管件适用于小于50mm管径的管道中，较大的管线连接易采用法兰或焊接以防泄露。
管道表号为：
其中P为管道设计压力，Psi
σ为管材的许用工作压力，Psi
常用的管道表号为Sch=40。
工艺设计要点之十五：
泵
用泵输送液体所需要的功率：
kW=1.67×
[流率（m3/min）]×
[压降（bar）]÷
效率
NPSH=（在叶轮眼处的蒸气压力）÷
（密度×
重力常数）
通常为1.2~6.1m液柱的压头
GPSA工程数据手册的效率估算式：
效率=80-0.2855×
F+0.000378FG-0.000000238×
F×
G2+0.000539×
F2-0.000000639×
F2×
G+
0.0000000004×
G2
其中：
F为压头，ft；
G为流率，GPM。
应用范围在F=50~300ft；
G=100~1000GPM；
偏差为3.5%。
离心泵：
单级流量为0.057~18.9m3/min时，最大压头152m；
流量为0.076~41.6m3/min时采用多级，最大压头1675m。
在流量为0.378m3/min时，效率为45%；
在流量为1.89m3/min时，效率为70%；
在流量为37.8m3/min时，效率为80%。
轴流泵用于流量为0.076~378m3/min的场合，
压头可高达12m液柱，效率约为65~85%。
旋转泵用于流量为0.00378~18.9m3/min的场合，
压头可高达15,200m液柱，效率约为50~80%。
往复泵用于流量为0.0378~37.8m3/min的场合，
压头可高达300,000m液柱，
功率为7.46kW时的效率约为70%；
功率为37.3kW时的效率约为85%；
功率为373kW时的效率约为90%。
工艺设计要点之十六：
压缩机和真空设备
根据下图选择压缩机类型：
风扇用来升高压力约3%；
鼓风机只能升高压力不到2.75bar（表）；
压缩机则可以升到更高的压力。
理论上可逆绝热功率估算式：
功率=m×
z1×
R×
T1×
[（P2÷
P1）a-1]÷
a
T1为入口温度；
P1、P2为进出口压力；
R为气体普适常数∴
z1为压缩因子；
m为摩尔流率；
a=（k-1）/k，及k=Cp/Cv
绝热可逆流体的出口温度T2=T1×
（P2÷
P1）a
出口温度不应该超过204oC。
对于双原子气体（Cp/Cv=1.4）的压缩比约为4。
对于多级压缩，每一级的压缩比应该接近相同。
压缩比=（Pn/P1）1/n共有n级压缩。
往复式压缩机的效率：
压缩比为1.5时的效率为65%；
压缩比为2时的效率为75%；
压缩比为3~6时的效率为80~85%。
入口流率为2.8~47m3/s的大型离心式压缩机效率约为76~78%。
活塞往复真空泵可以抽真空到1torr（绝）；
活塞旋转真空泵可以抽真空到0.001torr（绝）.
单级喷射泵可以抽真空到100torr（绝）；
双级可达10torr（绝）；
三级可达1torr（绝）；
五级可达0.05torr（绝）。
三级喷射泵维持抽真空在1torr（绝），每kg空气需要100kg蒸汽。
泄露进真空设备中的空气量=k×
V2/3
其中当压力大于90torr时，k=4.8；
压力在3～20torr时，k=1.9；
压力小于1torr时，k=0.6；
V为真空设备的容积，m3；
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