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化工工程师工艺设计知识
化工工程师工艺设计知识
工艺设计要点之一:
物性数据
某些工程设计实践经验是十分宝贵的。
听说某资深工程师在现场转一转,瞄着一根管线和旁边流量计的读数,就能估算出其压降来,不超过5%误差;不要做什么复杂的计算,就能目测出容器的大概尺寸;向裸管上吐一口唾沫,能估计出其表面温度;这些专业特技绝活非一日之功,都是经过长期的实践和体会摸索得来的。
除了已经定式的一些概念、数据之外,肯定还有一些简便的算法、规则在其脑海里。
但要强调的一点是,这些经验公式只是用于估算,在某些场合下不能替代严格设计计算。
它只适用于远离设计本部的施工现场,手头又没有严格正规的设计计算程序、手册。
这时,凭经验和这些设计要点可以省却很多时间。
实际工程经验的积累是从一个普通工程师到资深工程师的转折点。
对一个化学工程师来说,实际工程经验是十分重要的。
估算在某些时候、某些场合要比严格计算更加实惠、便捷。
在以后不定期刊发的“工艺设计要点之...”系列选辑中,将汇编一些工程设计中常见的数据、图表和关联式。
希望广大设计人员,尤其是工艺系统工程师们搜集工作中的点滴经验、体会,贡献出来,取长补短,共同提高我们的设计水平的技能。
本期从几个方面陈列一些常用的工程数据,供化学工程师参考。
常用物质的物理性质数据
物性
单位
水
有机物液体
蒸汽
空气
有机物气体
热容
kJ/kg-oC
4.2
1.0~2.5
2.0
1.0
2.0~4.0
密度
kg/m3
1000
700~1300
1.29@STP
见下式
潜热
kJ/kg
1200~2100
200~1000
导热系数
W/m-oC
0.55~0.7
0.1~0.2
0.025~0.07
0.025~0.05
0.02~0.06
粘度
cP
1.8@0oC
0.57@50oC
0.28@100oC
0.14@200oC
随温度变化
0.01~0.03
0.02~0.05
0.01~0.03
普兰德数
1~15
10~1000
1.0
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
1。
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。
2。
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
3。
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。
4。
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
1。
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。
2。
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
3。
循环水量通常在5~10m3/hr-m2,空气速度通常在1.5~2m/s
4。
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。
5。
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
1。
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。
2。
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。
3。
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
4。
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。
5。
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
1。
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。
2。
晶体生长速度和晶粒大小取决于溶液的过饱和度。
3。
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。
4。
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
1。
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%。
2。
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。
3。
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。
4。
蒸汽透平机很少用于75kW(100hp)以下的用户,其转速可以控制。
5。
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
1。
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。
2。
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。
3。
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
4。
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。
5。
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。
6。
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
1。
液体罐通常是卧式的,气液分离罐通常是立式的。
2。
适宜的长度/直径比为3,范围在2.5~5。
3。
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。
4。
炉前进料罐的停留时间最好是30分钟。
5。
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。
6。
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
1。
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。
2。
强制循环速度一般在4.5~6m/s范围内。
3。
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。
4。
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。
5。
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
1。
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;
2。
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。
3。
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。
4。
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。
5。
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。
6。
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。
7。
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
1。
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。
2。
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
4.57~6.09
淤浆
1.647
-
3。
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
4。
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;
5。
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
1。
在-30oC到345oC之间的设计温度,取最大操作温度加上25oC的余量。
2。
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。
3。
对于真空操作,设计压力取相对于全真空的1bar(表)压力。
4。
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。
5。
许用工作应力取材料强度极限的1/4。
6。
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
1290bar
1290bar
1100bar
431bar
7。
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。
8。
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。
9。
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
1。
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。
2。
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。
3。
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。
4。
对于型钢管线的压降估算式:
ΔP=35×M1.2μ0.2/(D4.2ρ)
其中:
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。
5。
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
其中:
YL=4.6X-1.78+12.5X-0.68+0.65
YG=X2YL
6。
控制阀至少需要0.69bar的压降来正常地操作。
7。
管道法兰的公称压力等级有10,20,40,103和175bar。
8。
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。
9。
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。
10。
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
1。
用泵输送液体所需要的功率:
kW=1.67×[流率(m3/min)]×[压降(bar)]÷效率
2。
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
3。
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×F2×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%。
4。
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%。
5。
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%。
6。
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%。
7。
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
1。
根据下图选择压缩机类型:
2。
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。
3。
理论上可逆绝热功率估算式:
功率=m×z1×R×T1×[(P2÷P1)a-1]÷a
其中:
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
4。
绝热可逆流体的出口温度T2=T1×(P2÷P1)a
5。
出口温度不应该超过204oC。
6。
对于双原子气体(Cp/Cv=1.4)的压缩比约为4。
7。
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。
8。
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%。
9。
入口流率为2.8~47m3/s的大型离心式压缩机效率约为76~78%。
10。
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).
11。
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)。
12。
三级喷射泵维持抽真空在1torr(绝),每kg空气需要100kg蒸汽。
13。
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
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