1、.,1,化工計(jì)算與軟件應(yīng)用,第四章 設(shè)備工藝計(jì)算,.,2,化工流程設(shè)計(jì)、物料衡算、熱量衡算完成之后，化工工藝設(shè)計(jì)的另一重要工作是進(jìn)行設(shè)備的工藝計(jì)算、選型與核算，為車間布置設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)及非工藝設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供依據(jù)。 設(shè)備的工藝計(jì)算、選型與核算知識(shí)與方法在多門化工專業(yè)基礎(chǔ)課程中都有介紹，這些基礎(chǔ)知識(shí)將有助于人們更好地使用ASPEN PLUS 軟件進(jìn)行化工設(shè)備的工藝計(jì)算。,.,3,塔器是氣液、液液間進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)分離的主要設(shè)備，在化工、制藥和輕工業(yè)中，應(yīng)用十分廣泛，甚至成為化工裝置的一種標(biāo)志。在氣體吸收、液體精餾(蒸餾)、萃取、吸附、增濕、離子交換等過(guò)程更離不開(kāi)塔器，對(duì)于某些工藝來(lái)說(shuō)，塔器甚至于就是

2、關(guān)鍵設(shè)備。 隨著時(shí)代的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣型式的塔，而且還不斷有新的塔型出現(xiàn)。雖然塔型眾多，但根據(jù)塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常分為板式塔和填料塔兩大類。,4.1 塔設(shè)備,.,4,4.1 塔設(shè)備,ASPEN PLUS 軟件中的塔板設(shè)計(jì)（Tray sizing）功能，計(jì)算給定板間距下的塔徑，共有五種塔板供選用： 泡罩塔板（Bubble Cap）； 篩板（Sieve）； 浮閥塔板（Glistch Ballast）；， 彈性浮閥塔板（Koch Flexitray）； 條形浮閥塔板（Nutter Float Valve)。,.,5,ASPEN PLUS 軟件中的塔板核算（Tray rating）功能，計(jì)算給定結(jié)構(gòu)參

3、數(shù)的塔板的負(fù)荷情況，可供選用的塔板類型與“塔板設(shè)計(jì)（Tray sizing）”相同。 “塔板設(shè)計(jì)”與“塔板核算”配合使用，可以完成塔板選型和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。,4.1 塔設(shè)備,.,6,5 種典型的散堆填料是： 拉西環(huán)（RASCHIG）； 鮑爾環(huán)（PALL）； 階梯環(huán)（CMR）； 矩鞍環(huán)（INTX）； 超級(jí)環(huán)（SUPER RING）。,4.1 塔設(shè)備,ASPEN PLUS 軟件中的填料設(shè)計(jì)（Pack sizing）功能，計(jì)算選用某種填料時(shí)的塔徑，共有40種填料供選用，包括 5 種典型的散堆填料和 5 種典型的規(guī)整填料。,.,7,4.1 塔設(shè)備,5 種典型的規(guī)整填料是： 帶孔板波填料（MELLAPAK

4、）； 帶孔網(wǎng)波填料（CY）； 帶縫板波填料（RALU-PAK）； 陶瓷板波填料（KERAPAK）； 格柵規(guī)整填料（FLEXIGRID）。,.,8,4.1 塔設(shè)備,ASPEN PLUS 軟件中的填料核算（Pack rating）功能，計(jì)算給定結(jié)構(gòu)參數(shù)的填料的負(fù)荷情況，可供選用的填料類型與“填料設(shè)計(jì)”中相同。 “填料設(shè)計(jì)”與“填料核算”配合使用，可以完成填料選型和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。,.,9,4.1 塔設(shè)備,例4-1。分離一股芳烴混合物，其中含苯1272 kg/h，甲苯3179 kg/h，鄰二甲苯3383 kg/h，正丙苯321 kg/h，溫度50，壓力3 bar。精餾塔塔頂壓力1.5 bar，塔底壓力

5、2 bar。要求苯中甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.0005，塔底產(chǎn)物苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.005。求： 苯塔的理論塔板數(shù)、進(jìn)料位置、回流比、再沸器能耗； 如果精餾段的墨弗里效率（Murphree Efficiencies）為0.65，提餾段的墨弗里效率為0.75，試求滿足分離要求所需的塔板數(shù)、加料板位置、回流比、再沸器能耗、水力學(xué)參數(shù)（Hydraulic parameters）； 填料塔設(shè)計(jì)。使用SULZER公司的MELLAPAK-250X型波紋板規(guī)整填料，設(shè)等板高度0.3 m，求兩段塔徑、壓降和塔板上的水力學(xué)數(shù)據(jù)； 篩板塔設(shè)計(jì)。進(jìn)行篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)篩孔直徑8 mm，板間距600 mm，堰高50 mm

6、，降液管底隙50 mm，求兩段塔徑、壓降和塔板上的水力學(xué)數(shù)據(jù)。,.,10,4.2 換熱器,化工生產(chǎn)中傳熱過(guò)程十分普遍，傳熱設(shè)備在化工流程中有重要的地位。物料的加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝、蒸餾等都需要通過(guò)換熱器進(jìn)行熱交換，換熱器是應(yīng)用最廣泛設(shè)備之一。 ASPEN PLUS軟件中有4種換熱器模型： Heater， HeatX， MHeatX， HXFlux。 換熱器模型廣泛應(yīng)用于工藝流程模擬之中。,多股物流的換熱器,熱傳遞模型計(jì)算,.,11,4.2 換熱器,ASPEN ONE工程套件中的“Exchanger Design and Rating” 軟件中還有7種換熱器模型： Aspen Air Cool

7、ed Exchanger (formerly Aspen ACOL+)； Aspen Fired Heater (formerly Aspen FiredHeater)； Aspen Plate Fin Exchanger； Aspen Shell and Tube Exchanger (formerly Aspen TASC+)； Aspen Shell and Tube Mechanical (formerly Aspen Teams)； Aspen Plate Exchanger (formerly Aspen Plate+)； Aspen HTFS Research Network。

8、用EDR軟件設(shè)計(jì)換熱器需要提供的條件比ASPEN PLUS多，但得到的計(jì)算結(jié)果也更多，能夠給出換熱器設(shè)備數(shù)據(jù)表和裝配圖，可以為工藝設(shè)計(jì)提供更多信息。,.,12,4.2 換熱器,由于換熱設(shè)備應(yīng)用廣泛，大部分換熱器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化系列化。已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)系列的換熱器有： 列管式固定管板換熱器； 立式熱虹吸式再沸器； 浮頭式換熱器和冷凝器系列； U型管式換熱器系列； 薄管板列管式換熱器系列； 不可拆式螺旋板換熱器系列； BR0.1型波紋板式換熱器； FP-G型復(fù)波傘板換熱器； 石墨換熱器系列等。 在換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)系列的換熱器，然后利用軟件的強(qiáng)大計(jì)算功能與軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的強(qiáng)大信息容量對(duì)選擇的換熱

9、器進(jìn)行反復(fù)核算。對(duì)換熱器的選型一般不能一蹴而就，往往需要多次選擇、多次核算才能完成。,.,13,4.2 換熱器,ASPEN PLUS軟件及EDR軟件中采用的換熱器標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)的ETMA標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)換熱器時(shí)根據(jù)“鋼制管殼式換熱器”(GB151-1999)進(jìn)行。因此，在用軟件進(jìn)行換熱器選型核算時(shí)，應(yīng)該隨時(shí)查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。另外，對(duì)于換熱器的兩側(cè)污垢熱阻的設(shè)置也需要根據(jù)具體情況查閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)。 4.2.1 冷凝器 冷凝器是用于蒸餾塔頂物流的冷凝或者反應(yīng)器的冷凝循環(huán)回流的設(shè)備，包括分凝器和全凝器。 分凝器用于多組份的冷凝，當(dāng)最終冷凝溫度高于混合組份的泡點(diǎn)，仍有一部分組分未冷凝，以達(dá)到再一次分離的目的。

10、另一種為含有惰性氣體的多組分的冷凝，排出的氣體含有惰性氣體和未冷凝組份。 全凝器的最終冷凝溫度等于或低于混合組份的泡點(diǎn)，所有組份全部冷凝。 一般地，冷凝器水平布置，汽相通過(guò)冷凝器的殼程，冷卻介質(zhì)(最常見(jiàn)是循環(huán)冷卻水)通過(guò)冷凝器的管程。,.,14,4.2 換熱器,例4-2. 冷凝器計(jì)算。 對(duì)例4-1中苯塔的冷凝器進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，設(shè)循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度為3343，塔板效率為100%。 解：,.,15,4.2 換熱器,.,16,4.2.2 再沸器,再沸器用于使精餾塔底物料部分汽化、從而實(shí)現(xiàn)精餾塔內(nèi)汽液兩相間的熱量及質(zhì)量傳遞、為精餾塔正常操作提供動(dòng)力的設(shè)備。,再沸器,立式熱虹吸式,臥式熱虹吸式,強(qiáng)制循環(huán)

11、式,釜式,內(nèi)置式,.,17,4.2.2 再沸器,例4-3.采用8 bar飽和水蒸氣作為加熱蒸汽, 對(duì)例4-1中苯塔進(jìn)行虹吸式再沸器的設(shè)計(jì)選型。 解：,.,18,4.2.2 再沸器,.,19,4.3 反應(yīng)器,對(duì)于存在化學(xué)反應(yīng)的化工過(guò)程，反應(yīng)器是整個(gè)化工工藝流程的核心，是化工裝置的關(guān)鍵設(shè)備，反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物。由于化學(xué)反應(yīng)種類繁多、機(jī)理各異，反應(yīng)器的類型和結(jié)構(gòu)也差異很大。反應(yīng)器操作性能的優(yōu)良與否，與設(shè)計(jì)過(guò)程息息相關(guān)。 反應(yīng)工程課程對(duì)反應(yīng)器的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方程等均進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。這些基礎(chǔ)理論不僅是手工設(shè)計(jì)反應(yīng)器的依據(jù)，也是編制各種模擬軟件的依據(jù)。由于涉及反應(yīng)器的各種設(shè)計(jì)方程

12、異常繁復(fù)，手工計(jì)算往往令人望而卻步，或是采用簡(jiǎn)化方法進(jìn)行?，F(xiàn)在各種模擬軟件的普及，為反應(yīng)器的嚴(yán)格設(shè)計(jì)計(jì)算提供了條件。,.,20,4.3 反應(yīng)器,反應(yīng)器模塊,生產(chǎn)能力類反應(yīng)器 (化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器Rstoic，產(chǎn)率反應(yīng)器RYield),平衡類反應(yīng)器 (平衡反應(yīng)器Requil，吉布斯反應(yīng)器Rgibbs),動(dòng)力學(xué)類反應(yīng)器 (全混流反應(yīng)器RCSTR，平推流反應(yīng)器Rplug， 間歇式反應(yīng)器Rbatch),每種模塊采用一種計(jì)算方法，適應(yīng)一種反應(yīng)器設(shè)計(jì)需求。ASPEN PLUS的操作手冊(cè)中對(duì)這些模塊的使用有詳細(xì)的說(shuō)明，下面對(duì)兩種動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)過(guò)程作一介紹。,.,21,4.3.1 釜式反應(yīng)器,釜式反應(yīng)器內(nèi)物料

13、假定為理想混合，假定整個(gè)反應(yīng)器體積的組成和溫度是均勻的，并等于反應(yīng)器出口物流的組成和溫度。 釜式反應(yīng)器通用性好，造價(jià)低用途廣，可以連續(xù)操作也可以間歇操作。間歇操作時(shí)，只要設(shè)計(jì)好攪拌，可以使釜溫均一，濃度均勻，反應(yīng)時(shí)間可長(zhǎng)可短，可以常壓、加壓、減壓操作，范圍較大。反應(yīng)結(jié)束后出料容易，清洗方便。 連續(xù)操作時(shí)，可以多釜串聯(lián)反應(yīng)，物料一端進(jìn)料，另一端出料，形成連續(xù)流動(dòng)，停留時(shí)間可有效控制。多釜串聯(lián)時(shí)，可以認(rèn)為形成活塞流，反應(yīng)物濃度和反應(yīng)速度恒定，反應(yīng)釜還可以分段控制。,.,22,4.3.1 釜式反應(yīng)器,例4-4用釜式反應(yīng)器合成乙酸乙酯。 正反應(yīng)方程式: CH3CH2OH + CH3COOH CH3CH

14、2COOCH3 + H2O,逆反應(yīng)方程式 :,CH3CH2COOCH3 + H2O CH3CH2OH + CH3COOH,原料流率400 kmol/h，其中水的含量為0.026摩爾分?jǐn)?shù)，乙醇與乙酸均為0.4875摩爾分?jǐn)?shù)。反應(yīng)溫度70，常壓，反應(yīng)釜體積140 L。求： 乙醇的轉(zhuǎn)化率？ 若要求乙醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.65，反應(yīng)釜體積需要多大？ 若反應(yīng)釜體積140 L不變，反應(yīng)溫度在6575范圍內(nèi)變化，乙醇轉(zhuǎn)化率如何變化？,.,23,4.3.1 釜式反應(yīng)器,解：,.,24,4.3.2 管式反應(yīng)器,管式反應(yīng)器的特點(diǎn)是傳熱面積大，傳熱系數(shù)較高，反應(yīng)可以連續(xù)化，流體流動(dòng)快，物料停留時(shí)間短，可以控制一定的溫度梯

15、度和濃度梯度。根據(jù)不同的化學(xué)反應(yīng)，可以有直徑和長(zhǎng)度千差萬(wàn)別的型式。此外，由于管式反應(yīng)器直徑較小(相對(duì)于反應(yīng)釜)因而能耐高溫、高壓。由于管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品穩(wěn)定，它的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。 管式反應(yīng)器可以用于連續(xù)生產(chǎn)，也可以用于間歇操作，反應(yīng)物不返混，管長(zhǎng)和管徑是反應(yīng)器的主要指標(biāo)，反應(yīng)時(shí)間是管長(zhǎng)的函數(shù)，管徑?jīng)Q定于物料的流量，反應(yīng)物濃度在管長(zhǎng)軸線上，濃度梯度分布，不隨時(shí)間變化。,.,25,4.3.2 管式反應(yīng)器,例4-5環(huán)戊二烯二聚管式反應(yīng)器工藝計(jì)算。 用管式反應(yīng)器將液態(tài)輕苯餾分中的環(huán)戊二烯經(jīng)絕熱熱二聚反應(yīng)生成雙環(huán)戊二烯，要求環(huán)戊二烯的質(zhì)量轉(zhuǎn)化率不低于0.94。已知原料流率為1000 kg/h，溫

16、度80，壓力600 kPa，組成和基本物性見(jiàn)附表。 反應(yīng)方程式為：,式中，活化能E的因次為 kJ/kmol,濃度的因次為 kmol/m3。,.,26,4.3.2 管式反應(yīng)器,熱二聚反應(yīng)時(shí)為液態(tài)絕熱反應(yīng)，為降低副反應(yīng)速率，熱二聚反應(yīng)溫度應(yīng)控制110。 初步選擇兩個(gè)固定管板換熱器串聯(lián)作為管式反應(yīng)器，物料走管程。選擇的換熱器筒體直徑1600 mm，管長(zhǎng)9000 mm，單管程，管子數(shù)3339根，管程截面積0.5901 m2。 求： 當(dāng)環(huán)戊二烯質(zhì)量轉(zhuǎn)化率為0.94時(shí)反應(yīng)器的管長(zhǎng)？ 當(dāng)環(huán)戊二烯質(zhì)量轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率由0.84增加到0.94時(shí),反應(yīng)器體積、物料停留時(shí)間如何變化？ 若用90的冷卻水并流換熱，要求冷卻

17、水出口溫度不超過(guò)100，求冷卻水流率。,.,27,4.3.2 管式反應(yīng)器,解：,.,28,4.4 流體輸送設(shè)備,化工設(shè)計(jì)過(guò)程中常見(jiàn)的流體輸送設(shè)備是泵和壓縮機(jī)。泵是化工廠最常用的液體輸送設(shè)備，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、便于維修、易于排除故障、造價(jià)低、系列化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。壓縮機(jī)用于氣體壓縮、輸送，主要用于工藝氣體，氣動(dòng)儀表氣體、壓料過(guò)濾及吹掃管道等方面。壓縮機(jī)可分為離心式、螺桿式和往復(fù)式壓縮機(jī)。 4.4.1 離心泵 在ASPEN PLUS軟件模擬泵過(guò)程中，常用來(lái)指定出口壓力(Discharge pressure)，并給定泵的水力學(xué)效率(Pump Efficiency)和驅(qū)動(dòng)機(jī)效率(Driver Efficiency)，計(jì)算得到出口流體狀態(tài)和所需的軸功率和驅(qū)動(dòng)機(jī)電功率。,.,29,4.4.1 離心泵,例4-6. 離心泵輸送液態(tài)苯。 用一離心泵輸送一股常壓、40、100 kmol/h的液態(tài)苯。已知泵的特性曲線如附表，