化土單元過程與設(shè)備的一體化配合

1、化工單元過程與設(shè)備的一體化配合一在討論各種化工單元操作中, 強調(diào)的中心內(nèi)容都是單元的御料衡算、熊盈衡算、速率聳聯(lián)、尸粉在單動程討論中, 介紹單元的物料和輩級衡算及平衡關(guān)系權(quán)平衡而在單元設(shè)備討論中, 講述傳遞速率和效率關(guān)聯(lián)。將化工基本操作按單元劃分, 的確為研究單元操作的本質(zhì)和共同規(guī)律起了重要的推動作用, 并導(dǎo)致了化學(xué)工程學(xué)科的誕生然而, 在化工原理教學(xué)中, 這種按單元過程或設(shè)備分章講授, 又不注意強調(diào)過程與設(shè)備的有機連系, 則常常導(dǎo)致學(xué)生孤立地看待各個單元操柞的過程或設(shè)備。為了在化工原理教學(xué)中游兔孤立地、局部地看待單元過程或設(shè)備, 我們認(rèn)為, 應(yīng)考慮采用一體化、系統(tǒng)化的觀點, 并在分析單元過程

2、與單元設(shè)備的祝合與優(yōu)化上予以充分強調(diào)和重視。本文試圖從幾個主要單元過程與設(shè)備的匹配和連系點入手, 初步探討教學(xué)中引入“ 過程與設(shè)備一體化” 麟方法 一我們相信、在單元設(shè)備如泵、換熱器、塔章節(jié)之后, 若能加入“ 過程與設(shè)備扮體化匹釀與分析” 一節(jié), 說明工藝過程參數(shù)和設(shè)備尺寸參數(shù)的可調(diào)整或變化范田, 井強調(diào)兩者配合與優(yōu)化的原則、重要性和分析計算思路, 將有助于學(xué)生完成從分析到綜合、從局部到整體地觀察化工操作的飛躍。一、管路與泵的嗯配在工藝規(guī)定了輸送量和輸送月標(biāo)之后, 管路和泵的設(shè)計或選擇應(yīng)是互相制約和密切配合的。最經(jīng)濟合理的管路或滾速的續(xù)擇應(yīng)使每年的操作費用與按使用年限的設(shè)備折舊費之和為最小。泵

3、的選擇原則是使之在最佳工作范圍高效點附近內(nèi)滿足壓頭和流量的要求。顯然, 管路阻力是管徑的重要決定周素, 面且管徑影響到管路成本, 管徑也影響到對泵壓頭的要求。如何使管徑和泵效率褥到兼既從而獲得整個管路系統(tǒng)包括泵的優(yōu)化設(shè)計需要“ 一體化” 分析根據(jù)流最和輸送目標(biāo), 設(shè)計管線流程, 確定管長和管件閥門、彎頭等必按經(jīng)驗初選管內(nèi)流速, 計算緒巷徑和管線總阻力根據(jù)總阻力和流璧選擇琉體輸送設(shè)備泵, 并核算泵效率如果在工藝要求的流登變化范圍內(nèi), 泵的操作點均在高效點附近, 則管路與泵的配合適當(dāng)?？蛇M(jìn)行操作費用和設(shè)備費用核算, 否財, 進(jìn)行第步如果操作點出現(xiàn)在泵的高效區(qū)之外, 則可能是兩種情況泵的揚程過大與過

4、小。若泵的揚程過大, 可改變牌漓或葉片直徑, 但工業(yè)實際中不便采用比較實際的辦法是增加管路阻力增設(shè)閥門將泵功清耗在局部阻力上或減小管徑降低管路設(shè)備費用。顯然, 宜減小管徑若泵的揚程過小, 則說明選擇的泵不能完成輸送任務(wù),這可以通過增加管徑, 減小管路阻力來適合泵的要求在調(diào)整管徑后, 返回第步。以上管路與泵的配合循環(huán)需借助于計算機才能快速全面地分析出結(jié)論。,選泵時之所以會出現(xiàn)過大或過小是因為泵的系列特性曲線揚程一流量中各種型號泵理蓋區(qū)域是不連續(xù)的。二、換熱流程與換熱器的匹配在一般化工原理課本中, 基本不提及換熱流程問冊, 而是從指定流盆和換熱盆或換熱器進(jìn)出口一溫度開始介紹換熱器的計算方法。實際化

5、工生產(chǎn)中的換熱過程常常是靠一個換熱系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)來完成的, 每個換熱器的具體取熱里和換熱面積應(yīng)與整個網(wǎng)絡(luò)的要求相匹配,才能達(dá)到系統(tǒng)的整體最優(yōu)。換熱流程的優(yōu)化目標(biāo)為冷熱流的合理播配和換熱順序的合理排列獲使整個系統(tǒng)的平均傳熱溫差最大勿每個換熱器的終端溫度合理, 既使熱能得到最大限度的回收, 又使換熱器有盡可能離的熱強度和傳熱效率, 一一合理選擇冷熱流的流體力學(xué)狀態(tài), 在整個換熱系統(tǒng)的動力消耗盡可能小的垂礎(chǔ)上,使總包傳熱系數(shù)達(dá)到最大一、作為初學(xué)化工原理的學(xué)生, 不可能掌握上述優(yōu)化問題所涉及的全部知識。但從換熱過程與換熱器體化區(qū)配的角度, 介紹思考問題的方法, 并讓學(xué)生初步了解計算機在解決化學(xué)化工問題中的

6、作用是十分必要的。換熱流程和設(shè)備一體化優(yōu)化匹配的計算步驟如下根據(jù)工藝要求的換熱負(fù)荷, 按同等分熱負(fù)荷盆對冷、熱流進(jìn)行分割, 算出冷、熱流的分塊溫度計算每一塊換熱單元冷、熱流的定性溫度根據(jù)定性溫度, 計算每塊物流的物性參數(shù)比重、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、粘度等少選定系列換熱器, 由結(jié)構(gòu)參數(shù)計算冷、熱流的管、殼程傳熱膜系數(shù)值, 并綜合考慮物流性質(zhì)等因素, 決定冷、熱流的管、殼程走向計算每一換熱單元的對數(shù)平均溫差計算每個換熱器的傳熱面積計算每個換熱器的管、殼程壓力降協(xié)根據(jù)傳熱面積和壓力降算出每一對冷、熱流換熱的相對費用的用合適的優(yōu)化算法求出總費用為最小的冷、熱流搭配流程的計算冷、熱流總慶降并與工藝規(guī)定值比較。

7、若滿足工藝要求, 則完成計算否則重新選換熱器, 重復(fù)第步至冷熱流總壓降逐步逼近工藝規(guī)定值為止。在上面的優(yōu)化過程中, 綜合考慮了冷、熱流搭配、管殼程走向、流動阻力、傳熱強度等因素, 應(yīng)用了傳熱計算、物性估計、流體摩擦阻力計算、優(yōu)化計算方法等知識。講課中還可以結(jié)合工廠由于調(diào)整冷熱流的管殼程走向、增減管程數(shù)、變化換熱順序等手段而達(dá)到強化傳熱、減少壓力降、節(jié)省投資和操作費用的例子, 以增加學(xué)生對處理實際工程問題的興趣。三、多級分離過程的負(fù)荷與塔內(nèi)件的匹配蒸餾、吸收、解吸和萃取等多級分離過程是化工原理課程中的重點講授單元, 主要介紹這些單元過程的物料衡算和相平衡關(guān)系熱衡算均簡化處理。多級分離所用的單元設(shè)

8、備一一塔的內(nèi)構(gòu)件類型和流體力學(xué)與傳質(zhì)性能則有專門章節(jié)介紹。在介紹各種塔內(nèi)件及其性能方面, 教材中一般只敘述各自的優(yōu)缺點和相對比較, 而很少或不提及塔內(nèi),件與塔內(nèi)工藝條件流率分布的匹配問題。實際上, 在一個熬餾或其它操作塔丙, 氣液負(fù)荷是速級變化的。尤其是多股進(jìn)料或多側(cè)線抽出的燕餾增, 不僅氣液負(fù)荷遂板變化大, 而且對各塔段的壓力降、效率或抗污垢能力等的要求也不同。從塔內(nèi)件與負(fù)荷匹配的角度看, 一個設(shè)計合理的塔并不是全塔都采用高效塔內(nèi)件, 而是針對不同塔截面的具體氣液流率和工藝要求采用最能發(fā)揮性能特長的最經(jīng)濟的俗板或填料。例如, 原抽燕擂的常壓塔或減壓塔屬于多側(cè)線帶中段回流的象牽燕餾塔, 氣液負(fù)

9、荷沿塔高的變化很大, 各側(cè)線產(chǎn)品的分割程度也要求不同, 所以, 對氣相負(fù)荷大、要求壓降低,而對分離要求不嚴(yán)格的塔段可采用網(wǎng)孔塔板對液相負(fù)荷大而氣相負(fù)荷很小的塔段可采用多降液管塔板對要求壓降小又同時要求分離效率商的塔段可采用高辣板波紋城料或文丘里孔的浮閥塔板等等。這意味著, 一個合理匹配的塔中具有不同類型、尺寸的塔板、墳料,而不是單一構(gòu)件類型的板式塔或峨料塔了。選定塔內(nèi)件類型后, 塔板或填料具體尺寸的設(shè)計同樣要與工藝條件相匹況, 而不應(yīng)采用相同尺寸、以塔板上溢流堰高度來說, 堰高較低時有利于減小塔板壓降, 而堰高較大時或保證氣液接觸時間長而提高傳質(zhì)效率。燕餾塔的工藝設(shè)備一體化匹配步驟大致如下,

10、其它多級分離過程的匹配也類似。根據(jù)指定的處理量和分離要求, 確定所需最小回流比根據(jù)經(jīng)驗初選實際回流比計算在實際回流比下的理論級數(shù)、進(jìn)料位置、以及各理論的氣液流率、組成、溫度初估級效奉份按每個換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸, 分別算出冷流走管程或殼程的總傳熱系數(shù), 選取其中較大確定各實際級的氣液負(fù)荷、組成和溫度初選塔內(nèi)件類型設(shè)計塔內(nèi)件的具體尺寸核算各級段的流體力學(xué)參數(shù), 繪出負(fù)荷性能圖若各級的操作點均在適宜操作區(qū)內(nèi), 則繼續(xù)第硒步否則返回第仍步重新選型或尺寸設(shè)計的核算各級的效率, 若與初值相近, 則繼續(xù)第的步否則, 用新計算的效率值重復(fù)第步如計算塔的操作費用和設(shè)備費用幼調(diào)整實際回流比, 重復(fù)第步, 至得到的回流比使總費用最小為止。在講授塔的一體化匹配時, 應(yīng)強調(diào)塔板或填料的負(fù)荷性能圖的作用。因為帶有操作線和操作點的負(fù)荷性能圖正是工藝與設(shè)備的結(jié)合點、而且直觀、易于理解。以塔板為例在負(fù)荷性能圖上, 由塔板的各操作極限圍成的區(qū)域相當(dāng)于泵的特性曲線,而氣液比線即操作線相當(dāng)于管路的特性曲線, 所以兩者的直觀圖示對于指導(dǎo)塔板與氣液負(fù)荷的匹配十分有用。另外, 應(yīng)明確說明塔內(nèi)各板的負(fù)荷性能圖是不同的, 要快速、準(zhǔn)確地得到各板的負(fù)荷性能