第九讲化工过程单元设计（1）第九讲化工过程单元设计（1）

田文德青岛科技大学化工学院TEL: 0532‐84022026TEL: 0532 84022026

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本节主要内容

离心泵的设计离心泵的设计

换热器的设计

精馏塔的设计

反应器的设计

概述概述

※化工流程设计结束后，就可以获得流程中主要设备的操作参数，如温度、压力、组成等，为下 步的设备设计提供了指南 化工设备为下一步的设备设计提供了指南。化工设备是组成化工装置的基本单元，也是工程设计的基础 对化工设备进行详细的设计并选型的基础。对化工设备进行详细的设计并选型，是将设计思想转化为实际工业装置的重要一步。

离心泵的设计离心泵的设计

※ 确定输送系统的流量与压头：液体的输送量 般为生产任务所规定 如果流液体的输送量一般为生产任务所规定。如果流

量在一定范围内波动，选泵时应按最大流量考虑。根据输送系统管路的安排，用伯努利方程式计算在根据输送系统管路的安排，用伯努利方程式计算在最大流量下管路所需的压头。通过Aspen中的Pump和Pipe可以十分方便的计算这些参数。

模拟实例模拟实例

【例】计算离心泵所需提供的压头，工作参数在流程中给出。

※搭建流程图：

指定单位制指定单位制

※指定国际单位制，压力单位设为Kpag，如图：

指定组分指定组分

※因离心泵输送的流体为水，所以只有一个组分，如图：

进料物流1的参数进料物流1的参数

※输入进料物流1的参数，如图：

指定管路参数（1）指定管路参数（1）

指定管路 的参数 包括长度 内径 位置抬高及粗糙度※指定管路B1的参数，包括长度、内径、位置抬高及粗糙度，如图：

指定管路参数（2）指定管路参数（2）

※指定管路B2的参数，包括长度、内径、位置抬高及粗糙度，如图：高及粗糙度，如图：

设置离心泵参数设置离心泵参数

※指定泵的类型为Pump，排出压力位60 Kpag，实际上※指定泵的类型为Pump，排出压力位60 Kpag，实际上泵的出口压力应该在物流4的压力指定后即可确定，但Aspen为序贯模块法求解，所以需先输入一个初值，然后再添加一个设计规定来准确计算该值，如图：

添加设计规定（1）添加设计规定（1）

※在数据浏览器的Flowsheeting Options/Design Spec中新建一个设计规定，如图：

添加设计规定（2）添加设计规定（2）

※点击上图的New，出现下图对话框，如图：

添加设计规定（3）添加设计规定（3）

※点击上图的OK，出现下图窗口，如图：

添加设计规定（4）添加设计规定（4）

※点击上图的New，出现下图对话框，并定义变量POUT，如图：

添加设计规定（5）添加设计规定（5）

※点击上图的OK，出现下图对话框并对变量进行如下定义，如图：

添加设计规定（6）添加设计规定（6）

※调整离心泵的出口压力，使物流4的出口压力位49Kpag，如图：

添加设计规定（7）添加设计规定（7）

※调整离心泵的参数，如图：

运行模拟运行模拟

查看模拟结果（1）查看模拟结果（1）

※可见离心泵的压头为15.82m，流量为40m3/h如图：

选择泵的类型和型号选择泵的类型和型号

※ 化工用泵的类型很多，每一类型的泵只能适用于 定的性能范围和操作条件能适用于一定的性能范围和操作条件，根据泵的扬程流量图以及我们模拟的流量及扬程即可选定泵的类型量及扬程即可选定泵的类型。

核算泵的实际工作状态核算泵的实际工作状态

※ 选择好泵以后，还需要将其放置在管路中，重新计算泵的工作状态，本例确定泵的安装高度是否合适。

隐藏设计规定（1）隐藏设计规定（1）

※隐藏设计规定DS‐1，如图：

隐藏设计规定（2）隐藏设计规定（2）

※点击上图的Hide，出现下图对话框，如图：

隐藏设计规定（3）隐藏设计规定（3）

※点击上图的Yes，设计规定DS‐1已被隐藏，如图：

由泵的特性曲线计算泵的出口状态由泵的特性曲线计算泵的出口状态

※ 将Pump outlet specification 内容由Discharge pressure更改为Use performance curve to determine discharge conditions ，表示将由泵的特性曲线来计算泵的出口状态 如图表示将由泵的特性曲线来计算泵的出口状态，如图：

设置特性曲线设置特性曲线

※在Curve Setup标签下指定特性曲线的形式，如图：

指定特性曲线的横纵坐标变量

表示将输入操作转速下的单一曲线

指定离心泵特性曲线参数（1）指定离心泵特性曲线参数（1）

※在Curve Data标签下输入压头流量数据，如图：流量数据，如图：

指定离心泵特性曲线参数（2）指定离心泵特性曲线参数（2）

※在Efficiencies标签下输入效率流量数据，如图：流 数据 如图

指定离心泵特性曲线参数（3）指定离心泵特性曲线参数（3）

※在NPSHR标签下输入必须汽蚀余量流量数据 如图余量流量数据，如图：

运行模拟运行模拟

分析模拟结果分析模拟结果

※模拟运行之后有警告，查看迭代信息，发现警告信息含义为汽蚀余量小于必须汽蚀余量，如图：产生该信息义为汽蚀余 小于 须汽蚀余 如图 产 信的原因是泵的安装高度过大，必须降低安装高度。

降低安装高度（1）降低安装高度（1）

※将B1的高度改为3m，即泵的安装高度由5m降低至3m，如图：

降低安装高度（2）降低安装高度（2）

※将B2的高度改为5m，如图：

重新计算重新计算

※说明3m的安装高度是合适的，如图：

查看泵的计算结果查看泵的计算结果

※泵的计算结果已列入表中，如图：

有效功率轴功率电机功率体积

压头泵效率

率体积流量压力差

总功率

有效汽蚀余量

必须汽蚀余量总功率 余量

换热器的设计换热器的设计

※ 换热器是化学工业及其他过程工业的通用设备 其设备投资占设备总投资的用设备，其设备投资占设备总投资的0.3‐0.4。换热器类型多种多样，但以管

壳式换热器应用最广 此类换热器通过壳式换热器应用最广。此类换热器通过管壁进行传热，结构简答，换热负荷大，下面以管壳式换热器为例 说明利用下面以管壳式换热器为例，说明利用Aspen进行换热器设计的基本过程。

模拟实例模拟实例

※将5t/h常温常压下的苯（0.44，质量分数）的甲苯混合液加热到泡点，求热负荷及泡点温度，如图搭建流程图：

指定组分指定组分

※输入组分苯与甲苯，如图：

指定热力学方法指定热力学方法

※选择IDEAL热力学方法，如图：

输入进料物流参数输入进料物流参数

※输入进料物流1的参数，如图：

指定B1的参数指定B1的参数

※在加热器模块对话框中选择压力及汽化分率，如图：

运行模拟运行模拟

查看模拟运行结果查看模拟运行结果

※加热器计算结果，如图：

出口温度出口温度

换热负荷

模拟运行后的流程图模拟运行后的流程图

※物流的温度、压力已显示，如图：

两股物流换热负荷的确定两股物流换热负荷的确定

※搭建流程图，如图：

指定组分指定组分

※输入组分苯、甲苯、水，如图：

指定进料物流参数（1）指定进料物流参数（1）

※输入进料物流1的参数，如图：

指定进料物流参数（2）指定进料物流参数（2）

※输入进料物流3的参数，如图：

指定B1参数（1）指定B1参数（1）

※选择简捷计算和设计选项，并在换热器规定中指定物流出口温度为50℃ 如图：物流出口温度为50℃,如图：

指定B1参数（2）指定B1参数（2）

※在此标签中指定总传热系数为定值，并输入其值为500W/(M2k) 如图：为500W/(M k),如图：

运行模拟运行模拟

查看模拟结果（1）查看模拟结果（1）

※点击B1模块中的Thermal Results来查看热负荷，混合液的出口温度，如图：