第三节　典型设备工艺设计与选型

设备计算与选型是在物料衡算和热量衡算的基础上进行的。其目的是决定工艺设备的类型、规格、主要尺寸和台数，为车间布置设计、施工图设计及非工艺设计项目提供足够的设计数据。

由于化工过程的多样性，设备类型也非常多。所以，实现同一工艺要求，不但可以选用不同的操作方式，也可以选用不同类型的设备。当单元操作方式确定之后，应根据物料平衡所确定的物料量以及指定的工艺条件（如操作时间、操作温度、操作压力、反应体系特征和热平衡数据等），选择一种满足工艺要求而且效率高的设备类型。定型产品应选定规格型号，非定型产品要通过计算以确定设备的主要尺寸。

一、设备设计与选型的基本要求

化工设备是化工生产的重要物质基础，对工程项目投产后的生产能力、操作稳定性、可靠性以及产品质量等都将起着重要的作用。因此，对于设备的设计与选型要充分考虑工艺上的要求；要运行可靠，操作安全，便于连续化和自动化生产，要能创造良好的工作环境和无污染；便于购置和容易制造等。总之，要全面贯彻先进、适用、高效、安全、可靠、省材、节资等原则。具体还要从分析技术经济指标与设备结构要求两方面加以考虑。

1.技术经济指标

化工设备的主要技术经济指标有单位生产能力、消耗系数、设备价格、设备的管理费用和产品总成本。

（1）生产能力　是设备单位体积（或单位质量或单位面积）上单位时间内能完成的生产任务。因此，设备的生产能力要与流程设计的能力相适应，而且，效率要高。通常设备的生产能力越高越好，但其效率却常常与设备大小和结构有关。

（2）消耗系数　是生产单位质量或单位体积产品消耗的原料和能量，其中包括原材料、燃料、蒸汽、水、电等。一般来说，消耗系数越低越好。

（3）设备价格　直接影响工程投资。一般选择价格便宜、制造容易、结构简单及用材不多的设备，但要注意设备质量和生产效率。

（4）设备的管理费用　包括劳动工资、维护和检修费用等。要尽量选用管理费用低的设备，以降低产品成本。

（5）产品总成本　是化工企业经济效益的综合反映。一般要求产品的总成本越低越好。实际上该项指标是上述各项指标的综合反映。

2.设备结构要求

化工设备除了满足上述要求之外，在结构上还应满足下述各项要求。

①化工设备及构件应满足强度与刚性的要求，达到规定的标准。

②设备的耐久性主要取决于设备被腐蚀的情况。一般化工设备的使用年限为10～20年，而高压设备为20～25年。

③密封性对化工设备是一个很重要的问题，特别在处理易燃、易爆、有毒介质时尤为重要。要根据有毒物质在车间的允许浓度来确定它的密封性。

④在用材和制造上，要尽量减少材料用量，特别是一些贵重材料。同时又要尽量考虑制造方便，减少加工量，力求降低设备的制造成本。

另外，还要考虑方便安装、操作及维修；考虑设备的尺寸和形状与方便运输等问题。

二、设备设计的基本内容

设备设计的基本内容主要是定型（或标准）设备的选择、非定型（非标准）设备的工艺计算等。

（一）定型设备的选择

定型设备的选择除了要符合上述基本要求外，还要注意以下两个问题。

首先，根据设计项目规定的生产能力和生产周期确定设备的台数。运转设备要按其负荷和规定的工艺条件进行选型；静设备则要计算其主要参数，如传热面积、蒸发面积等，再结合工艺条件进行选型。设备选型可参照国家标准图集或有关手册和生产厂家的产品目录、说明书等进行选择。

其次，在选型时要注意被选用设备的备品（件）供应情况，选用的设备在生产能力上，若无完全相适宜的，则选用偏高一级的，并应兼顾生产的发展；在满足工艺条件上考虑，也应从偏高一个等级的设备中选用。

（二）非定型设备的设计计算

对非定型设备的设计先通过化工计算、工艺操作条件要求，提出设备类型、材料、尺寸和其他一些工艺要求，由化工设备专业进行工程机械加工设计，由有关机械或设备加工厂制造。

下面以物料输送设备和换热设备为例介绍常见单元设备的选型和设计计算过程。

（三）物料输送设备

化工厂或化工装置在工艺流程上的各种物料、公用工程（水、气、汽等）都需要输送装置，这些物料输送设备品种多而且复杂。从化工设计角度来看输送设备，可分为以下几种。

①液体物料输送设备。常规的设备为各种泵。

②气体物料输送、压缩、制冷设备。常规的设备为风机、压缩机、真空泵、制冷机等。

③固体物料输送设备。常规的设备为各种给料机械设备、气流输送设备。

下面着重点介绍一下液体输送设备。

化工厂中液体输送采用较多的是泵，按泵作用于液体的原理可分为叶片式泵和容积式泵两大类。叶片式泵是由泵内的叶片在旋转时产生的离心力作用将液体吸入和压出，容积式泵是由泵的活塞或转子在往复或旋转运动中产生挤压作用将液体吸入和压出。叶片式泵又因泵内叶片结构形式不同分为离心式（屏蔽泵、管道泵、自吸泵等）、轴流式和旋涡式，容积式泵也可具体分为往复式（活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、计量泵）和回转式（齿轮泵、螺杆泵、滑片泵、液环泵等）。各种类型泵的基本特点见表2-8。

泵也常按其用途命名，如水泵、油泵、钻井泵、砂泵、耐腐蚀泵、冷凝液泵等；或附以结构特点命名，如悬臂水泵、齿轮油泵、螺杆泵、液下泵、立式泵、卧式泵等。

1.泵类型的确定

确定泵类型的首要依据是输送物料的基本性质，物料的基本性质包括相态、温度、黏度、密度、挥发性、毒性、与空气形成爆炸性混合物的可能性和化学腐蚀性等。此外，选择泵的类型时还要考虑生产的工艺过程、动力、环境和安全要求等条件，例如，是否长期连续运转，扬程和流量是否变动，动力（电、蒸汽）的类型以及是否防爆车间等情况。

许多场合化工用泵所输送的液体性质和一般清水泵不同，另外化工装置还有要求具有长期连续运行的特点，所以除操作方便、运行可靠、性能良好和维修方便等一般要求外，在不同的情况下还有不同的特殊要求，简单介绍如下。

①输送剧毒和贵重的介质时，可采用密封性能可靠、完全无泄漏的屏蔽泵和磁力驱动泵。

②输送腐蚀性介质时，应选用耐腐蚀泵。金属耐腐蚀泵的过流部件的材质有普通铸铁、高硅铸铁、不锈钢、高合金钢、铁及其合金等；非金属耐腐蚀泵过流部件的材质有聚氯乙烯、玻璃钢、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、石墨、陶瓷、搪玻璃和玻璃等。可根据介质的特性和温度范围选用材质，一般来说，非金属耐腐蚀泵的耐腐蚀性能优于金属泵，但非金属耐腐蚀泵的耐湿、耐压性能一般比金属泵差，非金属耐腐蚀泵常用于流量不大且温度和使用压力较低的场合。

③输送易汽化液体时应选用低温泵。易汽化液体指沸点低的液体，如液态烃、液化天然气、液态氧、液态氢等，这些介质的常压沸点通常为-160～-30℃。

易汽化液体在常温常压下通常为气态，只有在一定压力和（或）低温下才是液态，所以泵的入口压力比较高，例如甲烷的液化条件为3MPa、-100℃，乙烯的液化条件为2MPa、-30℃，并且汽化压力随温度变化非常显著，一般当温度变化±25%时，汽化压力可变化±（100%～200%），同时介质的密度、比热容、汽化热等物性也发生相应变化。绝大部分的易汽化液体有腐蚀性和危险性，因此不允许泄漏，而且由于其易汽化，若有漏液，液体汽化吸热极易造成密封部位结冰，因此，此类泵对密封要求很严。

④输送黏性液体时要根据黏度的大小选泵，黏度大的液体、胶体或膏糊料可用往复泵，最好选用齿轮泵和螺杆泵。表2-9给出了不同类型泵的适用黏度范围。

⑤输送夹带或溶有气体的液体时应选用容积式泵。泵输送液体中的允许含气量（体积分数）为，离心泵小于5%，旋涡泵为5%～20%，容积式泵为5%～20%。选用时不得超越，否则会产生噪声、振动、腐蚀加剧甚至出现断流现象。

⑥输送含固体颗粒的悬浮液则宜用钻井泵或隔膜泵，固体颗粒的存在使泵的扬程、效率降低，应按有关规定校核。

⑦输送高温介质时可考虑选用热油泵。

⑧要求高吸入性能时，选用允许汽蚀余量小的泵，如液态烃泵、双吸式离心泵。

⑨要求低流量、高压头且液体又无悬浮物、黏度不高时宜选用旋涡泵或多级离心泵。

⑩当持液量精度要求高时，可用计量泵。

输送易燃易爆的液体时，选用蒸汽往复泵、水喷射泵或蒸汽喷射泵是很安全的；若采用电动泵输送易燃易爆液体，则必须配用防爆电动机。

实际上，在选择泵的类型时，往往不可能完全满足各个方面的要求，应以满足工艺和安全要求为主要目标，例如输送盐酸，防腐是主要要求；输送氢氰酸时，防毒是主要要求，其他方面的要求（如扬程、流量）都要服从主要要求。

2.泵扬程和流量的确定

作为选泵的主要参数之一的流量，以物料衡算确定的流量值为基础值。如果给出最大和最小流量，选泵时应按最大流量考虑；如果给出正常流量，考虑到操作中有可能出现的流量波动以及开车、停车的需要，应在正常流量值的基础上乘以1.1～1.2的安全系数。

泵的扬程也是由工艺计算确定的，即由泵的布置位置、输送距离和高度以及管路阻力确定。由于管道阻力计算常有误差，而且在运行过程中管道的结垢、积碳也使管道阻力大于计算值，所以扬程也应采用计算值的1.05～1.1倍。

3.泵扬程和流量的校核

制造厂提供的泵的性能曲线或性能表一般是在常温常压下用清水测得的，若输送的液体的物理性质与水有较大差异（例如输送高黏度液体），则应将泵的性能指标流量、扬程用被输送液体的流量和扬程的值替代，然后把工艺条件要求的流量和扬程与换算后的泵的流量和扬程比较，确定所选泵的性能是否符合工艺要求。

扬程和流量的校核方法参考化工手册的有关章节。

4.泵的轴功率的校核

离心泵的轴功率计算公式为：

Ne=QHρg　　（2-23）

Ne=Nη　　（2-24）

式中　N——泵的轴功率，W；

　Ne——泵的有效功率，W；

　Q——泵的流量，m³/s；

　H——泵的压头，m；

　ρ——液体的密度，kg/m³；

　g——重力加速度，m/s²；

　η——泵的效率。

从泵的轴功率的计算公式可以清楚地看出，轴功率受液体密度的影响。液体黏度因能影响泵的扬程、流量及泵的效率，所以间接地影响泵的轴功率。泵样本上给定的功率是用水测得的，当输送密度和黏度与水相差较大的液体时，须使用有关公式进行校正，重新算出泵的轴功率，用校正后的轴功率选择配套电动机。如果泵的生产厂家已有配套电动机，则应根据校正后的轴功率确定是否向生产厂家提出更换电动机的要求。

5.泵的台数和备用

对于泵的台数，考虑一开一备是合理的，但如为大型泵，一开一备的配置并不经济，这种情况下可设两台较小的泵供正常操作使用，另一台同样大小的泵备用。

一般来说，一些重要岗位、高温操作或其他苛刻条件下使用的泵，均应设置备用泵，备用率一般取100%，而其他情况下连续操作的泵，可考虑采用50%的备用率。在连续操作的大型装置中使用的泵应考虑较大的备用率。

6.离心泵安装高度的校核

为避免发生汽蚀或打不上液体的情况，泵的安装高度必须低于泵的允许吸上高度。为了安全起见，安装高度应比计算出来的允许吸上高度低0.5～1m。因此，在泵的型号选定之后，要计算允许吸上高度的值，并核对泵的安装高度是否合乎要求，若不符合安装要求，则应降低泵的安装高度或加大容器的操作压力，使其达到要求。

7.泵输送系统设计

在选定泵的操作特性、扬程和必需汽蚀余量之后，泵已经选型且准备订购时，应对泵输送系统的管线和设备的配置进行认真的校核设计，不仅使之能在正常操作条件下运行，而且要能适应泵的瞬变条件，如开泵、停泵、维修、更换等。

（1）泵的灌注系统　离心泵操作前，其壳内必须充满液体。吸入口位置低于吸入容器液面时，灌注可以通过液位差实施，而对需往上吸入的泵，则需要设计灌注的装置与管线。最简单的灌注系统是在吸入管的底端安装一个特殊的单向底阀，在泵停止工作时，避免液体从吸入管中放出。底阀并不能长期保持吸入管内的液柱，这样就需要安装一个入口灌注的管线，或设计一套能实施自灌注的系统。

（2）泵的最小流量　泵的功率是按给定的流量和扬程测定的，如流量降低，泵的效率下降，能量将转变成热；如果任凭能量降低，泵内流体可能被加热，以至于汽化，形成汽蚀。因此，必须保持泵的运行中有一个最小流量。

最小流量往往应在泵的样本或说明书中注明。如无此数据，可用简单公式估算，即电动机的功率全部用来产生热量，使最小流量的液体温度升高达到最高允许温升，而最高允许温升在泵的样本或铭牌上应有标注。

许多生产系统中流量可能发生变化，有时不论下游流量要求如何变化，总要求泵连续运转，因此，就必须设计一个泵的回流管线。回流管线设计应力求简单、方便和可靠，通常设计限流孔板、自动阀或电磁阀，根据流量和电压差来控制回流的液量，使泵在正常流量范围内运转，防止温升过高引起汽蚀。

（3）储液池设计　要确定储液槽的位量和尺寸大小。要使泵的性能处于最佳状态，管线安排力求简便，应在储槽和管线安排上考虑留有泵检修、拆卸、安装的空间。

（四）换热设备的设计与选用

在化工厂中传热设备占据着极为重要的地位，物料的加热、冷却、蒸发、冷凝、蒸馏等都要通过传热设备进行热交换。通常在化工厂的建设中，热交换器约占总投资的11%；约占炼油、化工装置设备总重的40%。合理的选用和使用热交换器，可节省投资，降低能耗。

1.传热设备的分类及性能比较

根据工艺用途可将传热设备分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、空冷器等。根据冷、热流体热量交换的方法，传热设备可分为：间壁式（参与换热的两流体不直接接触）、直接式（参与换热的两种流体不相混溶，或允许两者之间有物质扩散、相互接触的场合）及蓄热式（从高温炉气中回收热量，以使预热气体至高温状态）三类，其中间壁式换热设备是化工生产中使用最多的一类。

间壁式换热器可分为管式换热器（一般承压能力高）及板式换热器（一般承压能力低）。表2-10列出了主要类型的换热器性能的比较，设计时可作为选用换热器类型的参考。

2.换热器设计的一般原则

换热器设计的基本要求是，满足工艺要求的传热面积，传热效率尽量高；满足工艺操作条件，在长期连续运转下不泄漏，维修清洗方便；流动阻力尽量小，满足工艺布置的安装尺寸等。

（1）流体流速的选择　根据经验，流体的流速范围见表2-11。

对易燃易爆液体，设计上要考虑安全允许速度。

（2）流体的流程选择　在换热中哪一种流体走管内，哪一种流体走管外，这个问题受多方面因素的限制，一般选择的原则如下。

①不清洁和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗。

②流量小和黏度大的液体宜走管程，因管程易做成多程结构，可以得到较大的流速，提高给热系数。

③腐蚀性液体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀。

④压力高的流体宜走管程，这样可以减小对壳程的机械强度要求。

⑤饱和蒸汽宜走壳程，因为流速对饱和蒸汽的冷凝给热系数几乎无影响，饱和蒸汽的冷凝表面又不需要清洗，在壳程流动易于及时排除冷凝水。

⑥被冷却的流体宜走壳程，这样可利用外壳向环境散热，增强冷却效果。

⑦有毒性的介质走管程，因为管程泄漏的概率小。

（3）换热器两端冷、热流体温差的取值　换热器两端冷、热流体的温差大，可使换热器的传热面积小，节省设备投资。但要使冷、热流体温差大，冷却剂出口温度就要低，冷却剂的用量大，增大了操作费用。所以，当换热器中有一方流体是冷却剂时，换热器两端冷、热流体温差的取值应考虑其经济合理性，即要选择适宜的换热器两端冷、热流体温差，使投资和操作费用之和最小。一般认为，采用下面所列的数值是比较经济合理的。

①换热器热端冷、热流体温差应在20℃以上。

②用水或其他冷却介质时，冷端温差可以小些，但不要低于5℃。

③冷凝含有惰性气体的流体时，冷却剂出口温度至少比冷凝液的露点低5℃。

④空冷器冷、热流体温差应大于15℃，最好大于20～25℃。

⑤用水为冷却剂时，冷却水进、出口温度差一般取5～10℃，缺水地区用比较大的温差，而水源丰富地区用比较小的温差。

（4）压力降的选择　压力降一般随操作压力不同有一个大致的范围。压力降的影响因素较多，但通常希望换热器的压力降在表2-12所列的参考范围内。

（5）污垢热阻的选择　换热器使用中会在壁面产生污垢，在设计换热器时应充分考虑。由于目前对污垢造成的热阻尚无可靠的公式，不能进行定量计算，一般参考经验值，管壳式换热器总污垢热阻推荐值见表2-13。在设计时应慎重考虑流速和壁温的影响。选择过于大的安全系数，有时会适得其反，传热面积的安全系数过大，便会出现流速下降，自然的“去垢”作用减弱，污垢反会增加。

3.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　根据工艺衡算的要求和工艺物料的特性，掌握物料流量、温度和压力以及介质的化学性质、物性参数等数据（这些数据可以从手册中查到），还要掌握物料衡算和热量衡算得出的有关设备的负荷、在流程中的地位、与流程中其他设备的关系等数据。这样，换热设备的负荷和它在流程中的作用就清楚了，即设计任务就明确了。

（2）设计换热流程　换热器的位置在工艺流程设计中已得到确定，在具体设计换热器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。

①设计换热流程时，应考虑到换热和发生蒸汽的关系，有时应采用余热锅炉，充分利用流程中的热量。

②换热中把冷却和预热相结合。有的物料要预热，有的物料要冷却，将二者巧妙结合，可以节省热量。

③安排换热顺序。有些换热情况，可以采用二次换热或多次换热，即不是将物料一次换热，而是先将物料与一种介质换热至一定的温度，再与另一介质换热，以充分利用能量。

④合理使用冷介质。化工厂常使用的冷介质一般是水、冷冻盐水和要求预热的冷物料，一般应尽量减少冷冻盐水的使用场合，或减少冷冻盐水的换热负荷。

⑤合理安排管程和壳程的介质。以有利于传热、减少压力损失、节约材料、安全运行及方便维修为原则，力求达到最佳选择。

（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。除了碳钢（低合金钢）材料外，常见的换热材料还有不锈钢、低温用钢（低于-20℃）、有色金属如铜和铅等。非金属作换热器的材质具有很强的耐腐蚀性能，常见的耐腐蚀换热器材料有玻璃、搪瓷、聚四氟乙烯、陶瓷和石墨，其中应用最多的是石墨换热器。近年来聚四氟乙烯换热器也得到重视。此外，一些稀有金属如钛、钽、锆等在换热器材质选择上也被人们重视，虽然价格昂贵，但其性能特殊，能耐除氢氟酸和发烟硫酸外的一切酸和碱，钛的资源丰富，强度好，质轻，对海水、氨水、氯水、金属氯化物等都有很高的耐蚀性能，是不锈钢无法比拟的，虽然价格高，但用材少，造价也未必高。

（4）选择换热器类型　根据热负荷和选用的换热器材质，选定某一种类型换热器，见表2-9。

（5）确定换热器中介质的流向　根据热载体的性质、换热任务和换热器的结构，决定换热器中介质的流向，有并流、逆流或错流、折流几种流动方式。

（6）确定和计算平均温差　根据有关计算公式，确定平均温差。

（7）计算热负荷、流体对流传热系数　可用粗略估计的方法，估算管内和管间流体的对流传热系数。热负荷可用热量衡算方法求出。

（8）估计污垢热阻并初算出总传热系数K　现在有各种工艺算图，将公式和经验汇集在一起，可以方便地求取传热系数K。在许多设计中，K常取经验值。作为粗算或试算的依据，许多手册、书籍中都罗列出各种条件下的经验值，但经验值所列的数据范围较宽，作为试算，还可与K值的计算公式结果参照比较。

（9）计算总传热面积A　利用传热速率公式

很方便就能算出总传热面积A。

（10）调整温度差再算一次传热面积　在工艺的允许范围内，调整介质的进出口温度，或者考虑生产的特殊情况，重新计算Δt_m，并重新计算A值。

（11）选用系列换热器型号　根据两次或三次改变温度算出的传热面积A，并考虑有10%～25%的安全系数裕度，确定换热器的选用传热面积A。根据国家标准系列换热器型号，选择符合工艺要求和车间布置（立式或卧式、长度）的换热器，并确定设备的台件数。

（12）验算换热器的压力降　换热器的压力降一般利用工艺算图或由摩擦系数通过化学工程的公式计算。如果核算的压力降不在工艺的允许范围之内，应重选设备。

如果不是选用系列换热器，则在计算出总传热面积时，按下列顺序反复试算。

①根据上述程序计算传热面积A，或者简化计算，取一个K的经验值，计算出热负荷Q和平均温差Δt_m之后，算出一个试算的传热面积A。

②确定换热器基本尺寸、管长和管数。根据上条试算出的传热面积A，确定换热管的规格和每根管的管长（有通用标准和手册可查），再由A算出管数。

根据需要的管子数目，确定排列方法，可以确定实际的管数，按照实际管数可以计算出有效传热面积和管程、壳程的流体流速。

③计算设备的管程、壳程流体的对流传热系数。

④根据经验选取污垢热阻，见表2-13。

⑤计算该设备的传热系数。此时不再使用经验数据，总传热系数按下式计算：

　　（2-25）

式中　R_S1，R_S2——管外、管内污垢热阻系数，（m²·℃）/W；

　　　　　b——管壁厚度，m；

　　　α₁，α₂——管内、管间流体的对流传热系数，W/（m²·℃）；

　　　　　λ_w——管壁热导率，W/（m·℃）；

　A₁，A₂，A_m——管外、管内传热面积和管壁平均传热面积，m²。

⑥求实际所需传热面积。用计算出的K和热负荷Q、平均温差Δt_m，计算出传热面积A_计，并且在工艺设计允许范围内改变温度重新算出Δt_m，重新计算A_计。

⑦核对传热面积。将初步确定的换热器的实际传热面积与A_计相比，一般认为实际传热面积比计算值大10%～25%比较可靠。如若不然，则要重新确定换热器尺寸、管数，直到计算结果满意为止。

⑧确定换热器各部分尺寸，验算压力降。如果压力降不符合工艺允许条件，也应重新试算确定，反复选择计算，直到完全合适时为止。

三、编制设备及装配图一览表

对于非定型设备最后还要进行强度计算。有关压力容器的强度计算的详细内容可参阅有关压力容器设计、化工设备及容器等方面的资料。

当设备选型和设计计算结束后，将结果汇编成设备一览表，如表2-14所示。对主要设备绘制总装配图。图上主要有视图、尺寸、明细栏（装配一览表）、管口符号和管口表、技术特性表、技术要求、标题栏等。