第四章设备的工艺设计和化工设备图Word格式.docx
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在选择泵的型式时，应以满足工艺要求为主要目标。
（2）确定选泵的流量和扬程
①流量的确定和计算。
选泵时以最大流量为基础。
②扬程的确定和计算。
先计算出所需要的扬程，即用来克服两端容器的位能差，两端容器上静压力差，两端全系统的管道、管件和装置的阻力损失，以及两端（进口和出口）的速度差引起的动能差。
（3）确定泵的安装高度。
（4）确定泵的台数和备用率。
（5）校核泵的轴功率。
泵的样本上给定的功率和效率都是用水试验出来的，输送介质不是清水时，应考虑密度、粘度等对泵的流量、扬程性能的影响。
（6）确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量。
（7）选用电动机。
（8）填写选泵规格表。
二、换热设备的设计和选用
1．换热器设计的一般原则
（1）基本要求。
换热器设计要满足工艺操作条件，能长期运转，安全可靠，不泄漏，维修清洗方便，满足工艺要求的传热面积，尽量有较高的传热效率，流体阻力尽量小，还要满足工艺布置的安装尺寸等要求。
（2）介质流程。
何种介质走管程，何种介质走壳程，可按下列情况确定：
腐蚀性介质走管程，可以降低对外壳材质的要求；
毒性介质走管程，泄漏的几率小；
易结垢的介质走管程，便于清洗和清扫；
压力较高的介质走管程，这样可以减小对壳体的机械强度要求；
温度高的介质走管程，可以改变材质，满足介质要求；
粘度较大，流量小的介质走壳程，可提高传热系数。
从压降考虑，雷诺数小的走壳程。
（3）终端温差。
换热器的终端温差通常由工艺过程的需要而定。
但在工艺确定温差时，应考虑换热器的经济合理和传热效率，使换热器在较佳范围内操作。
（4）流速。
在换热器内，一般希望采用较高的流速，这样可以提高传热效率，有利于冲测污垢和沉积。
但流速过大，磨损严重，甚至造成设备振动，影响操作和使用寿命，能量消耗亦将增加。
（5）压力降。
压力降一般随操作压力不同而有一个大致的范围。
压力降的影响因素较多，但通常希望换热器的压力降在下述参考范围之内或附近。
（6）传热系数。
传热面两侧的传热膜系数a1、a2如相差很大时，a值较小的一侧将成为控制传热效果的主要因素，设计换热器时，应设法增大该侧的传热膜系数。
计算传热面积时，常以小的一侧为准。
（7）污垢系数。
换热器使用中会在壁面产生污垢，在设计换热器时要慎重考虑流速和壁温的影响。
从工艺上降低污垢系数，如改进水质，消除死区，增加流速，防止局部过热等。
（8）尽量选用标准设计和标准系列。
这样可以提高工程的工作效率，缩短施工周期，降低工程投资。
2.管壳式换热器的设计和系列选用
（1）汇总设计数据、分析设计任务根据工艺衡算和工艺物料的要求、特性，获得物料流量、温度、压力和化学性质、物性参数，取得有关设备的负荷、流程中的地位与流程中其他设备的关系等数据。
（2）设计换热流程在换热设计时，应将换热的工艺流程仔细探讨，以利于充分利用热量，充分利用热源。
（3）选择换热器的材质根据介质的腐蚀性能和其他有关性能，按照操作压力，温度，材料规格和制造价格，综合选择。
（4）选择换热器类型根据热负荷和选用的换热器材料，选定某一种类型。
（5）确定换热器中冷热流体的流向据热载体的性质，换热任务和换热器的结构，决定采用并流，逆流或错流折流等。
（6）确定和计算平均温差Δtm确定终端温差，根据化学工程有关公式，算出平均温差。
（7）计算热负荷Q。
（8）估计污垢热阻系数并初算出传热系数K。
（9）算出总传热面积A。
（10）调整温度差，再算一次传热面积。
（11）选用系列换热器。
（12）验算换热器的压力降。
（13）画出换热器设备草图。
由设备机械设计人员完成换热器的详细部件设计。
三、贮罐容器的选型和设计
（一）贮罐的选择
按使用目的的不同，可分为贮存容器的计量、回流、中间周转、缓冲、混合等工艺容器。
（二）设计贮罐的一般程序
（1）汇集工艺设计数据。
包括物料衡算和热量衡算，贮存物料的温度、压力，最大使用压力、最高使用温度、最低使用温度，腐蚀性、毒性、蒸汽压、进出量、贮罐的工艺方案等。
（2）选择容器材料。
对有腐蚀性的物料可选用不锈钢等金属材料，在温度压力允许时可用非金属贮罐、搪瓷容器或由钢制压力容器衬胶、搪瓷、衬聚四氟乙烯等。
（3）容器型式的选用。
我国已有许多化工贮罐实现了系列化和标准化。
在贮罐型式选用时，应尽量选择已经标准化的产品。
（4）容积计算。
容积计算是贮罐工艺设计和尺寸设计的核心，它随容器的用途而异。
（5）确定贮罐基本尺寸根据物料密度、卧式或立式的基本要求、安装场地的大小，确定贮罐的大体直径。
依据国家规定的设备零部件即筒体与封头的规范，确定一个尺寸。
据此计算贮罐的长度，核实长径比，如长径比太大（即偏长）或太小（即偏圆），应重新调整，直到大体满意。
（6）选择标准型号各类容器有通用设计图系列。
根据计算初步确定它的直径、长度和容积，在有关手册中查出与之符合或基本相符的标准型号。
（7）开口和支座在选择标准图纸之后，要设计并核对设备的管口。
（8）绘制设备草图（条件图）,标注尺寸，提出设计条件和订货要求。
四、塔器的选型与设计
1．塔型选择基本原则
①生产能力大，弹性好。
②满足工艺要求，分离效率高。
③运转可靠性高，操作、维修方便。
④结构简单，加工方便，造价较低。
⑤塔压降小。
对于真空塔或要求塔压降低的塔来说，压降小的意义更为明显。
通常选择塔型未必能满足所有的原则，应抓住主要矛盾，最大限度满足工艺要求。
2．填料塔设计程序
（1）汇总设计参数和物性数据处理。
（2）选用填料。
填料是填料塔内汽一液接触的核心元件。
填料类型和填料层的高度直接影响传质效果。
因而，选择填料是填料塔设计的一个重要内容。
（3）确定塔径D
式中
V——气体的体积流量，m3/s；
u——操作气速，m/s。
（4）计算填料塔压降。
（5）验算。
塔内的喷淋密度应按实际塔径验算塔内的喷淋密度是否大于最小喷淋密度。
如果喷淋密度太小，将不能保证填料充分润湿，应重新调整计算。
（6）计算填料层高度Z。
填料层高度的计算是填料塔设计中重要的一环。
有许多计算方法和经验公式，通常采用“传质单元法”和“等板高度法”。
（7）计算塔的总高度H
H=Hd+Z+（n-1）Hf+Hb
Hd——塔顶空间高度（不包括封头），m
Hf——液体再分布器的空间高度，m
Hb——塔底空间高度，m
n——填料层分层数。
（8）塔的其他附件设计和选定
①支撑板。
填料层底部支撑板常被设计者忽视，而造成阻力过大，特别是孔板式支撑尤为明显。
一般要求满足两个条件，即自由截面积不小于填料的空隙率，支撑板强度足以支承填料重量。
②液体喷淋装置。
它直接影响到塔内填料表面的有效利用率。
喷淋装置形式很多，常见的有弯管式、缺口管式、多孔直管式、莲蓬头式喷洒器、分布盘等。
③液体再分布装置。
为了防止液相沿塔壁运行，每隔一定高度要有液体再分布装置。
常见的有截锥式和升气管式分布器。
④气体分布器。
为保证气体分布的均匀性，对于价500mm以下的小塔，进气管可伸至塔中心，末端截成45o向下，使气流转折而上；
对于大塔，可以制成向下的喇叭形扩大口，或制成盘管式。
⑤除雾器。
当空塔气速较大时，塔顶喷淋装置可能产生溅液或者工艺过程严格要求气相中不允许夹带雾沫，则应设计除雾装置。
常用除雾装置有折板除雾器、丝网除雾器、旋流板除雾器，或者在液相喷淋装置与气体出口之间装有一段干填料实施填料除雾等。
（9）绘制塔设备结构图，向设备专业提供工艺设计条件绘制塔设备简图，并标注必要的尺寸，注明各管口的位置等。
3．板式塔设计程序
（1）汇总设计参数和物性数据。
（2）选择板式塔的塔板结构常根据物料特性、分离要求来确定塔板结构。
为了便于设备设计和制造，在满足工艺要求条件下，原化工部有关部门将一些塔板结构参数加以系列化，设计时可以直接选用。
（3）进行工艺计算
（4）塔径计算
不同的板式塔，计算方法略有出入、这里介绍有降液管板式塔（如筛板塔、浮阀塔等）的计算方法。
（5）塔节上人孔、手孔的确定。
（6）塔高确定。
（7）塔内流体力学核算，作负荷性能图。
（8）辅助装置选型设计。
（9）绘制塔设备草图和设备设计条件图，包括支承、开口方位、人孔、手孔位置等。
五、反应器的选型和设计
1．反应器的设计要点
在反应器设计时，除了通常说的“合理、先进、安全、经济”原则，在落实到具体问题时，考虑下列设计要点：
（1）保证物料转化率和反应时间。
（2）满足反应的热传递要求。
（3）设计适当的搅拌器或类似作用的机构。
（4）注意材质选用和机械加工要求。
2、反应釜设计程序
（1）确定反应釜操作方式根据工艺流程的特点，确定反应釜是连续操作还是间歇操作。
（2）汇总设计基础数据工艺计算依据如生产能力、反应时间、温度、装料系数、物料膨胀比、投料比、转化率、投料变化情况以及物料和反应产物的物性数据、化学性质等。
（3）计算反应釜体积
（4）确定反应釜设计（选用）体积和台数。
如系非标准设备的反应釜，则还要决定长径比以后再校算，但可以初步确定为一个尺寸，即将直径确定为一个国家规定的容器系列尺寸。
（5）反应釜直径和筒体高度、封头确定。
（6）传热面积计算和校核。
（7）搅拌器设计。
（8）管口和开孔设计。
（9）画出反应器设计草图（条件图），或选型型号。
3．固定床反应器设计
对于气固相催化反应的固定床来说，主要问题是催化剂的体积和用量，床层堆积方案、床径和高度，传热面积。
通常设计步骤如下。
（1）汇总物料衡算和物性数据。
（2）计算床体体积。
（3）计算床高和直径。
（4）验算流体阻力和传热系数K。
（5）绘制反应器设计条件图，决定床层和床底、床顶的开口方位、标注尺寸等。
第三节
非定型设备设计的主要程序
设备的工艺设计，是化工工程设计中的一项繁重、量大、技术要求高的工作，其中标准设备和定型设备可根据工艺设计条件从有关资料中查出，直接列表，但非定型设备则要求进行设计。
设计中的主要工作和程序如下。
（1）工艺流程上确定设备的化工单元类型。
这一步在化工工艺流程设计时已大体确定，如使用旋风分离器实现气固分离，用气流干燥装置实现干燥，用离心机过滤进行液固分离等。
在经过化工物料衡算之后，进行设备工艺计算时，仍有可能确定更为先进的化工单元过程和设备，从而对工艺流程提出修正和更改。
（2）确定设备材质。
根据工艺操作条件和设备的工艺要求，确定适应要求的设备材质。
（3）汇集设计条件。
根据物料衡算和热量衡算，确定设备负荷、转化率和效率要求，确立设备的工艺操作条件如温度、压力、流量、流速、投料方式和投料量、卸料、排渣形式、工作周期等，作为设备设计和工艺计算的主要依据。
（4）选定设备的基本结构型式。
（5）设计设备的基本尺寸。
（6）选型和选择标准图纸。
（7）设计成果数据汇总。
（8）向设备制造设计（机械设计）专业提出设计条件和设备草图。
（9）汇总列出设备一览表。
第四节
化工设备图
一、化工设备图的基本知识
化工设备主要指在化工生产中常用的罐、釜、塔器、换热器、贮槽（罐）等标准和非标准设备。
为了能完整、正确、清晰地表达这些化工设备，就必须绘制化工设备图。
常用的化工设备图有化工设备总图、装配图、部件图、零件图、管口方位图、表格图及预焊接件图。
作为施工设计文件的还有工程图、通用图和标准图。
1．化工设备图的分类
常用的化工设备图根据其主次关系、具体表示部位等常作如下分类：
（1）总图。
表示化工设备以及附属装置的全貌、组成和特性的图样。
它应表达设备各主要部分的结构特征、装配连接关系、主要特征尺寸和外形尺寸，并写明技术要求、技术特性等技术资料。
（2）装配图。
表示化工设备的结构、尺寸、各零部件间的装配连接关系，并写明技术要求和技术特性等技术资料的图样。
（3）部件图。
表示可拆或不可拆部件的结构形状、尺寸大小、技术要求和技术特性等技术资料的图样。
（4）零件图。
表示化工设备零件的结构形状、尺寸大小、及加工、热处理、检验等技术资料的图样。
（5）管口方位图。
管口方位图是化工工程图中特有的一种图纸，是表示化工设备管口方向位置，管口与支座、地脚螺栓的相对位置的简图。
（6）表格图。
对于那些结构形状相同，尺寸大小不同的化工设备、部件、零件（主要是零部件），用综合列表的方式表达各自的尺寸大小的图样。
（7）标准图。
经国家有关主管部门批准的标准化或系列化设备、部件或零件的图样。
（8）通用图。
经过生产考验，结构成熟，能重复使用的系列化设备、部件和零件的图纸。
2.化工设备图的基本内容
一份完整的化工设备图，除绘有设备本身的各种视图外，尚应有如卞基本内容，各栏除“技术要求”栏用文字说明外，其余均以表格形式列出（见图4-1）。
（1）标题栏。
本栏主要为说明本张图纸的主题，包括：
设计单位名称，设备（项目）名称，本张图纸名称，图号，设计阶段，比例，图纸张数（共＿张、第＿张），以及设计、制图、校核、审核、审定等人的签字及日期。
（2）明细表。
明细表是说明组成本张图纸的各部件的详细，一般格式如下：
（3）管口表。
是将本设备的各管口用英文小写字母自上而下按顺序填入表中，以表明各管口的位置和规格等。
（4）技术特性表。
是化工设备图的一个重要组成部分，它将设备的设计、制造、使用的主要参数（设计压力、工作压力、设计温度、工作温度、各部件的材质、焊缝系数、腐蚀裕度、物料名称、容器类别及专用化工设备的接触物料的特性等）技术特性以列表方式供施工、检验、生产中执行。
（5）技术要求。
一般以文字对化工设备的技术条件，应该遵守和达到的技术指标等，逐条书写清楚，这些技术条件从安全角度出发，要求也较严格。
（6）其他。
（7）注。
常写在技术要求的下方。
用来补充说明技术要求范围外，但又必须作出交待的问题。
二、化工设备图的表达特点
由于化工设备结构特点的要求，一张化工设备的装配图，它除了具有一般机械装配图相同的内容（一组视图、必要的尺寸、技术要求、明细表及标题栏）外，还有技术特性表、接管表、修改表、选用表以及图纸目录等内容、以满足化工设备图的特定的技术要求。
1．化工设备的基本结构特点。
常见的几种典型的化工设备，如容器、反应罐、换热器和塔等，这些化工设备虽然结构形状、尺寸大小、以及安装方式各不相同，但构成设备的基本形体，以及所采用的许多通用零部件却有共同的特点。
2.化工设备图的视图表达特点
（1）视图配置灵活由于化工设备的主体结构多为回转体，其基本视图常采用两个视图。
（2）细部结构的表达方法由于化工设备的各部分结构尺寸相差悬殊，按缩小比例画出的基本视图中，很难兼顾到把细部结构也表达清楚。
因此，化工设备图中较多的使用了局部放大图和夸大画法来表达这些细部结构并标注尺寸。
（3）断开画法、分段画法及整体图。
对于过高或过长的化工设备，如塔、换热器及贮罐等，为了采用较大的比例清楚地表达设备结构和合理地使用图幅，常使用断开画法，即用双点划线将设备中重复出现的结构或相同结构断开，使图形缩短，简化作图。
（4）多次旋转的表达方法。
化工设备壳体上分布有众多的管口、开口及其他附件，为了在主视图上表达它们的结构形状及位置高度，可使用多次旋转的表达方法。
（5）管口方位的表达方法。
化工设备壳体上众多的管口和附件方位的确定，在安装、制造等方面都是至关重要的，为将各管口的方位表达清楚，在化工设备中用基本视图和一些辅助视图将其基本结构形状表达清楚，此时，往往用管口方位图来代替俯视图表达出设备的各管口及其他附件如地脚螺栓等的分布的情况。
（6）简化画法。
在绘制化工设备图时，为了减少一些不必要的绘图工作量，提高绘图效率，在既不影响视图正确、清晰地表达结构形状，又不致使读图者产生误解的前提下，大量地采用了各种简化画法。
（7）化工设备镀涂层和衬里剖面的画法。
三、化工设备图的尺寸分析及标注
化工设备图的尺寸标注，与一般机械装配图基本相同，需要标注一组必要的尺寸反映设备的大小规格、装配关系、主要零部件的结构形状及设备的安装定位，以满足化工设备制造、安装、检验的需要。
与一般机械装配图比较，化工设备的尺寸数量稍多，有的尺寸较大，尺寸精度要求较低，允许注成封闭尺寸链（加近似符号～）。
总之，化工设备的尺寸标注，除遵守《机械制图》GB4458.4-84中的规定外，还可结合化工设备的特点，使尺寸标注做到完整、清晰、合理。
1．尺寸分析
化工设备图上需要标注的尺寸有如下几类。
（1）规格性能尺寸反映化工设备的规格、性能、特征及生产能力的尺寸。
（2）装配尺寸反映零部件间的相对位置尺寸，它们是制造化工设备时的重要依据。
（3）外形尺寸表达设备的总长、总高、总宽（或外径）尺寸。
（4）安装尺寸化工设备安装在基础或其他构件上所需要的尺寸，如支座、裙座上的地脚螺栓的孔径及孔间定位尺寸等。
（5）其他尺寸
①零部件的规格尺寸。
②不另行绘制图样的零部件的结构尺寸或某些重要尺寸。
③设计计算确定的尺寸如主体壁厚、搅拌轴直径等。
④焊缝的结构型式尺寸一些重要焊缝局部放大图中，应标注横截面的形状尺寸。
2.化工设备图的尺寸标注
化工设备图的尺寸标注，首先应正确地选择尺寸基准，然后从尺寸基准出发，完整、清晰、合理地标注上述各类尺寸。
化工设备图的尺寸基准一般为：
①设备筒体和封头的轴线；
②设备简体与封头的环焊缝；
③设备法兰的连接面；
④设备支座、裙座的底面；
⑤接管轴线与设备表面交点。
四、化工设备图的绘制
化工设备图的绘制有两种方法：
一是对已有设备进行测绘，这种方法主要应用于仿制已有设备或对现有设备进行革新改造。
二是依据化工工艺人员提供的“设备设计条件单”进行设计和绘制。
前一种方法与机械制图基本相同。
这里，我们介绍第二种方法绘制化工设备图的步骤及有关要求。
1．化工设备图的视图选择
与绘制机械装配图相同，在着手绘制化工设备图之前首先应确定其视图表达方案，包括选择主视图，确定视图数量和表达方法。
在选择设备的视图方案时，应考虑到化工设备的结构特点和图示特点。
（1）选择主视图，拟定表达方案首先应确定主视图，一般应按设备的工作位置选择，并使主视图能充分表达其工作原理、主要装配关系及主要零部件的形状结构。
（2）确定其他基本视图主视图确定后，应根据设备的结构特点，确定基本视图数量及选择其他基本视图，用以补充表达设备的主要装配关系、形状、结构。
（3）选择辅助视图和各种表达方法根据化工设备的结构特点，多采用局部放大图，局部视图及剖视、剖面等表达方法来补充表达基本视图的不足，将设备各部分的形状结构表达清楚。
图4-14中采用四个局部放大图分别表达几个接管口与筒体连接情况及焊缝结构。
支座的断面结构及安装孔的形状、位置则采用剖视图表达清楚。
2.化工设备图的绘制方法及步骤
视图表达方案确定后，就可按下述步骤着手绘制。
（1）确定绘图比例、选择图幅、布图按照设备的总体尺寸确定绘图比例，绘图比例一般应选用国家标准“机械制图”规定的比例，但依化工设备的特点，还增加了1:
6,1:
15、1:
30等比例。
化工设备图样的图纸幅面也应按国家标准“机械制图”的规定选用，依设备特点，可允许选用加长A2等图幅。
化工设备图的图面布置除中部留有视图位置外，右下角从主标题栏开始，上方为明细表，另在适当位置留有管口表、技术特性表及书写技术要求的位置。
（2）画图依据选定的视图表达方案，先画出主要基准线，如插图中要先画出主视图中筒体与封头的中心线及左视图的中心线。
绘视图应先从主视图画起，左（俯）视图配合一起画，一般是沿着装配干线，先画主体、后画两部件；
先画外件、后画内件；
先定位、后画形状。
基本视图完成后，再画局部放大图等辅助视图
（3）尺寸的标注除视图之外，还须在图纸上标注尺寸和焊缝代号。
（4）编写零部件序号和管口符号组成设备的各零部件（包括薄衬层、厚衬层、厚涂层等）均需编号。
（5）填写明细栏和接管表
①明细栏的填写。
明细栏的零部件序号应与图中的零部件件号一致。
②接管表的填写。
接管表中管口符号与图中接管符号应一致。
（6）填写技术特性表、编写技术要求、填标题栏
①填写技术特性表。
技术特性表中应填写设计压力、设计温度、工作温度、工作压力、物料名称等。
②编写技术要求。
设备图的技术要求一般填入设备在制造，检验、安装等方面的要求、方法和指标，设备的保温、防腐蚀等要求及设备制造中所需依据的通用技术条件。
③填写标题栏。
标题栏填写设备名称、规格等内容。
五、化工设备图的阅读
化工设备图样是化工生产中化工设备设计制造、安装、使用、维修的重要技术文件，也是进行技术交流、设备改造的工具。
因此，作为从事化工生产的专业技术人员，都必须具备熟练阅读化工设备图的能力。
（一）化工设备图读图的基本要求
通过对化工设备图样的阅读、应达到以下方面的基本要求：
①了解设备的性能，作用和工作原理；
②了解各零件之间的装配关系和各零部件的装拆顺序；
③了解设备各零部件的主要形状、结构和作用、进而了解整个设备的结构；
④了解设备在设计、制造、检验和安装等方面的技术要求。
化工设备图的阅读方法和步骤与阅读机械装配图基本相同，应从概括了解开始，分析视图、分析零部件及设备的结构。
在读总装配图对一些部件进行分析时，应结合其部件装配图一同阅读。
在读图过程中应注意化工设备图所独特的内容和图示特点。
（二）阅读化工设备图的方法和步骤
1.概括了解
（1）看标题栏通过标题栏，了解设备名称、规格、材料、重量、绘图比例等内容。
（2）看明细栏、接管表、技术特性表及技术要求等了解设备零部件和接管的名称、数量
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