工艺设计要点二十四点

更新时间：2023-11-28 05:24:01 阅读量：教育文库文档下载

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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热容密度潜热导热系数粘度

单位 kJ/kg-oC kg/m3 kJ/kg W/m-oC cP

水 4.2 1000 1200～2100 0.55～0.7

有机物液体 1.0～2.5 700～1300 200～1000 0.1～0.2 随温度变化

蒸汽 2.0

0.025～0.07 0.01～0.03

空气 1.0 1.29@STP

0.025～0.05 0.02～0.05

有机物气体 2.0～4.0 见下式

0.02～0.06 0.01～0.03

1.8@0oC 0.57@50oC 0.28@100oC 0.14@200oC

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= 346 m / s 光速= 3.0×108 m / s

重力常数=980.665 gm cm / gf s2 阿佛迦德罗常数=6.02×1023 /mol

普适气体定律常数R= 1.9872 g cal / g mol K =8.31434 J / mol K =8.31434 m3 Pa / mol K 质-能关系=8.99×1016 J/kg =913.5 MeV / u

介电常数=8.85×10-12 F / m =1.26×10-6 H / m

普朗克(Planck)常数=6.63×10-34 Js =4.14 x 10-15 eVs 波尔兹曼(Boltzmann)常数=1.38×10-23 J / K =8.62×10-5 eV / K 元素电荷=1.60×10-19 C 电子静质量=9.11×10-31 kg 质子静质量=1.67×10-27 kg

玻尔(Bohr)半径=5.29×10-11 m

玻尔(Bohr)磁子= 9.27×10-24 J / T =5.79×10-5 eV / 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0.017～0.025 Kg/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0.0043～0.009 Kg/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900 mm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300～400 mm；真空塔盘间距为500～750 mm。

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460 mm。

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：操作压力真空～常压 1～1.7 Kg/cm2 1.7 kg/cm2以上

合理的压降

操作绝压的十分之一操作表压的二分之一

0.35 Kg/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

碳钢不锈钢 254 SMO 钛合金铅钛合金镍哈氏合金石墨钽

优点缺点

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) 相对便宜、易成型、相对碳钢更适合于不耐含氯物料、在高温环境下降低性能参数各种酸、碱性环境

中等价格、相对易成型、相对不锈钢更稍耐含氯物料、在高温环境下稍降低性能参数适合于各种酸、碱性环境

耐含氯物料(海水环境)、高强度薄材稍昂贵、难成型、焊接难耐含氯物料(高温、海水环境) 耐碱性物料(高温、海水环境) 耐酸性物料(适应范围广) 耐弱盐酸性物料

其他材料的替代品(非常苛刻的场合)

非常昂贵、难成型昂贵、焊接难相当昂贵、易焊接非常昂贵、易脆、难成型极其昂贵、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 5 2.4 15 1.0 25 0.55

3。循环水量通常在5～10 m3/hr-m2，空气速度通常在1.5～2 m/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1 oC之内，通常在3～6 oC的温差之内。 5。对于需要每冷却6 oC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120 m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(0.4～0.8 Bar)，输送空气速度为10～37 m/s。输送空气量约在0.03～0.5 m3/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75～480 mm，输送速度为0.2～1.3 m/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。 500×500 mm容量抓斗的处理能力可达28 m3/hr，提升速度为0.5 m/s，最快速度可达1.5 m/s 4。带式输送机用于长距离、大通量输送。

倾斜度最大为30 o角，600 mm宽的皮带输送能力达85 m3/hr，输送速度约为0.5 m/s，最快速度可达3 m/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46 m距离的输送。倾斜度最大为20 o角，300 mm直径螺旋板的输送能力达85 m3/hr，转速为40～60 转/分时的输送能力可达28～85 m3/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0.5～1.2 oC较合适。 4。常见的晶体生长速度约为0.1～0.8 mm/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75 kW (100 hp)以下的用户，通常采用电机，最高可用于15000 kW (20000 hp)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37 kW (50 hp)左右。适用于低转速往复压缩机。

4。蒸汽透平机很少用于75 kW (100 hp)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/lb oF T1 = 入口温度，oR

2。风扇用来升高压力约3% ；鼓风机只能升高压力不到2.75 bar(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204 oC 。

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 ~ 47 m3/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1 torr(绝)；活塞旋转真空泵可以抽真空到0.001 torr(绝). 11。单级喷射泵可以抽真空到100 torr(绝)；双级可达10 torr(绝)；三级可达1 torr(绝)；五级可达0.05 torr(绝)。

12。三级喷射泵维持抽真空在1 torr(绝)，每kg空气需要100 kg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90 torr时，k=4.8；压力在3～20 torr时，k=1.9；压力小于1 torr时，k=0.6； V为真空设备的容积，m3；

泄露进真空设备的空气量，kg/h

工艺设计要点之十七：换热器

1。热交换器计算式Q = U×A×F× (LMTD) 中LMTD的校正因子可取F = 0.9。 2。最常见的换热管外径为19、25、38 mm ，三角形排列，管长6000、3000 mm 。 3。壳径300 mm的换热器面积约为9.3 m2；壳径600 mm 的换热器面积约为37.2 m2；壳径900 mm的换热器面积约为102 m2。

4。换热管内液体流速应该为1 ~ 3 m/s ；气体流速应该为9 ~ 30 m/s 。 5。带有腐蚀、污浊、锈蚀或者高压的流体通常安排在管内侧。 6。粘性和冷凝的流体通常安排在管外壳侧。

7。对于蒸发工况，压降约为0.1 bar；其他工况约为0.2 ~ 0.68 bar。

8。管壳式换热器中对于同端面管内外流体的最小温差约为 10 oC；对于冷剂约为5 oC 。 9。凉水塔出口温度通常为30 oC ，返水温度不高于45 oC 。

10。从参考文献中可以找到许多管壳式换热器中传热系数的估算式，

参见本园地2000-12-22刊发的“如何设计换热器及平均总传热系数U的初估”。 11。对于换热面积为10 ~ 20 m2的工况，最好选用套管式换热器。

12。螺旋板换热器通常用于泥浆及含有固体物料的工况。

13。带垫片的板式换热器温度可高达160 oC，由于其高效传热及“交错温差”的特性，而被广泛应用。

工艺设计要点之十八：板式塔

1。对于理想混合物，其相对挥发度可以取其纯组分蒸汽压的比值。 2。塔的操作压力主要取决于冷凝器中冷剂的冷凝温度，以及再沸器中为避免工艺物流热降解而允许的最高温度。 3。对于顺序分离精馏塔系列：

首先进行最容易的分离(采用最小塔板数及最小回流比)

如果相对挥发度及进料组成变化不是很大，可一次将需要的产品精馏出塔顶。

如果相对挥发度及进料组成变化很明显，按照其挥发度的降序排列，依次精馏出所需产品。如果进料浓度变化很明显，但是相对挥发度相差不多，按照其浓度的降序排列，依次精馏出所需产品。

4。最经济的回流比通常在最小回流比的1.2 ~ 1.5倍之间。 5。最经济的塔板数通常取最小理论板数的两倍，而最小理论板数是由Fenske-Underwood关联式决定的。 6。通常塔盘设计中实际塔盘数目要比计算值富余出10 % 。 7。板间距应该取450 ~ 610 mm 。

8。塔盘效率最高值通常在中等压力下蒸气线速度为0.6 m/s ；

真空条件下蒸气线速度为1.8 m/s 。 9。每块塔盘的典型压降为0.007 bar。

10。水溶液物系精馏的塔盘效率通常在60 ~ 90 % ，而气体吸收和汽提塔的塔盘效率接近于10 ~ 20 %。

12。最常见的三类塔盘为浮阀、筛板和泡罩。泡罩适用于要求低漏液率的工况，其压降比浮阀和筛板塔盘还要低。

13。筛板塔盘筛孔直径约为6 ~ 13 mm，开孔面积约占塔盘总鼓泡面积的10 %。 14。浮阀塔盘阀孔直径为38 mm，每平方米鼓泡面积中约设置130 ~ 150 个浮阀。 15。最普通的堰高为50 ~ 76 mm，典型的堰长取塔径值的 75 %。 16。回流泵的输送能力应该有至少10 %的设计余量。 17。适宜的Kremser吸收因子通常在1.25 ~ 2.00 之间。

18。回流罐通常是卧式安装，设计停留时间为5分钟时充满罐容积的一半。

19。对大多数的塔，直径至少为0.9 m ，其顶部应该留1.2 m高度的蒸气排放空间，底部应该留1.8 m高度的釜液累积排放和再沸器返回接口空间。 20。由于风载和基础的原因，塔高不宜超过为60 m。 21。塔的长径比一般不超过30，最好低于20。 22。根据塔径粗估再沸器热负荷：

Q = 1.36×D2 对于加压精馏塔；

Q = 0.8×D2 对于常压精馏塔； Q = 0.4×D2 对于真空精馏塔。

塔径D，m

其中热负荷Q，106 kcak/hr；

工艺设计要点之十九：填料塔

1。填料塔的压降总是比相应的板式塔要低。

2。经常采用规整填料来改造现有板式塔，以提高产能或者分离要求。 3。对于气相流率为14 m3/min 时，宜选用25 mm 规格的填料；对于气相流率为57 m3/min 时，宜选用50 mm 规格的填料。 4。塔径与填料直径的比值通常应该大于15。

5。为避免被压扁，塑料填料层单段高度宜限制在3 ~ 4 m ，

而金属填料床层单段可高达6 ~ 7.6 m。

6。对于鲍尔环填料，沿塔高每间隔5 ~ 10倍塔径时，就应该设置液体再分布器；

对于其它散堆填料，每间隔6.5 m时，就应该设置液体再分布器。

7。大于900 mm塔径的液体再分布器喷淋头，约为塔截面积上86 ~ 130 个/m2 ；小塔中的喷嘴密度还应更大些。 8。填料塔操作泛点率应该在70 %左右。

9。对于气液吸收塔的理论板当量高度(HETS)，25 mm鲍尔环为0.4 ~ 0.56 m ； 50 mm鲍尔环为0.76 ~ 0.9 m。 10。设计压降：工况

吸收和再生塔不发泡体系中等发泡体系气体洗涤塔水为溶剂化学品溶剂常压或加压蒸馏塔减压蒸馏塔任何体系的最大值

压降，Bar/m填料

0.002 ~ 0.003 0.001 ~ 0.002

0.003 ~ 0.005 0.002 ~ 0.003 0.003 ~ 0.007 0.001 ~ 0.003 0.008

工艺设计要点之二十：反应器

1。反应速率数据必须由实验室的研究工作得出，

停留时间和空速数据的最终确定必须在试验台上取得。

2。催化剂颗粒的尺寸：流化床一般为0.1 mm，泥浆床一般为1 mm，固定床一般为2 ~ 5 mm。

3。对于均相全混釜反应器，输入搅拌浆的功率应该为0.1 ~ 0.3 kW/m3 。然而如果有传热发生，则所需功率应该三倍于上述数值。

4。当平均停留时间达到组分均一所需时间的5 ~ 10倍时，就达到了CSTR的理想状态。适当设计的搅拌约500 ~ 2000次旋转，才能达到组分均一。

5。液体或者淤浆介质间相当慢的反应，通常最经济的配置应该采用3 ~ 5个全混釜反应器串联。 6。平推流反应器的典型应用，在高流率产出物及短停留时间，当需要明显的热量传递时选择它。 7。当达到平衡条件下95%的转化率时，一个5级全混釜反应器相当于一个活塞流反应器的性能。 8。温度升高10oC，通常反应速率会加快一倍。

9。非均相反应的反应速率经常是由传热或传质因素控制的，而不是化学动力学。 10。有时，改善催化剂选择性能比增加反应速率更有效。

工艺设计要点之二十一：制冷

1。一冷冻吨相当于移出12,000 Btu/h 的热量。 2。各种常用的制冷剂：

制冷剂温度，oC -18 ~ -10 -45 ~ -10 -100 ~ -45

深冷盐水、乙二醇氨、氟里昂、丙烷/丙烯乙烷、乙烯

3。取决于凉水塔的规模，冷却水出口温度在27 ~ 32 oC 之间，

回水温度应该在42 ~ 52 oC 之间，海水回水温度不应该高于43 oC。 4。传热流体：石油馏分油315 oC 以下；

导生油或其他合成油400 oC以下；熔盐600 oC 以下。 5。通常压缩空气的压力有：3、10、20、30 kg/cm2几种。 6。仪表空气参数一般为3 kg/cm2，-18 oC露点温度。

Btu是什么的缩写？

请问Btu是什么的缩写？和J，Cal是如何换算的啊？能否给出冷冻吨的具体定义。谢谢

BTU是英热单位和冷吨的定义、换算

BTU： British Thermal Unit 的缩写。

1 BTU = 1.055 kJ 1 kcal = 3.9683 BTU

冷吨： 1冷吨表示1吨0℃的饱和水在24小时冷冻到0℃的冰所需要的制冷量。

通常冷吨分：冷吨、美国冷吨、日本冷吨,其换算单位为：

1 冷吨 = 1.09127 美国冷吨（USRT） = 1.02167 日本冷吨 = 3300 kcal/h = 13100 BTU/h 1 美国冷吨 = 1.06810 日本冷吨 = 3024 kcal/h = 12000 BTU/h 1 日本冷吨 = 3230 kcal/h = 12820 BTU/h

工艺设计要点之二十二：过程控制

1。两个基本定律：

不要试图控制你根本不了解的系统；最简单的控制就是最好的控制系统。 2。常规过程控制有：

(1)开关控制适用于具有相对缓慢工艺流率的大型控制系统场合，

例如空调系统的空气体积值是非常大的系统容量；大型容积罐中的位式调节等。 (2)比例控制适用于无须闭环控制的系统场合，就象位式调节那样。 (3)比例积分控制用于约90%工业过程控制的系统场合。

(4)比例微分控制。(5)比例积分微分控制用于约10%工业过程控制的系统场合。 3。控制方法有： (1)反馈控制； (2)阶梯控制； (3)比率控制； (4)前馈控制。

4。控制仪表由以下部件组成：

(1)控制阀的固有特性表征为在恒定压力降条件下，阀开度与通过阀的流量之间的相对关系；其中又分为线性的、对数(等百分比)及快开等流量特性。选择控制阀时要注意不要选用余量超过20%的控制阀；

如果处理量范围过于宽阔，议选用两个并行阀，一个用于处理低流量控制，另一个用于所需要的较大调节流量；对于大管线的流量控制，更经济的做法是选用变速泵来控制流量。 (2)气动和电动控制执行机构。 (3)控制信号。

5。可编程序逻辑控制器(PLC)是利用微处理器来处理数字输入及输出逻辑信号的控制器。 6。分布式控制系统(DCS)是利用计算机进行集中控制和管理各个过程控制回路的操作系统。 7。最新的控制系统还有模糊逻辑控制和神经控制系统

泵的选择

在一些特殊工况下选泵的影响因素有下列几点：