化工設備概論

1、化工設備概論,化工設備基礎知識化工生產(chǎn)對化工設備的基本要求化工容器結構與分類,化工設備基礎知識,一、化工設備的概念化工設備是指化工生產(chǎn)中靜止的或配有少量傳動機構組成的裝置，主要用于完成傳熱，傳質(zhì)和化學反應等過程，或用于儲存物料。二、化工設備的分類1.按結構特征和用途分為容器、塔器、換熱器、反應器（包括各種反應釜、固定床或液態(tài)化床）和管式爐等。2.按結構材料分為金屬設備（碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁、銅等）。非金屬設備（陶瓷、玻璃、

2、塑料、木材等）和非金屬材料襯里設備（襯橡膠、塑料、耐火材料及搪瓷等）其中碳鋼設備最為常用。3.按受力情況分為外壓設備（包括真空設備）和內(nèi)壓設備，內(nèi)壓設備又分為常壓設備（操作壓力小于0.7kg.f/cm2）、低壓設備（操作壓力在0.7~16kg.f/cm2之間）、中壓設備（操作壓力在16~100kg.f/cm2之間、高壓設備（操作壓力在100~1000kg.f/cm2之間）和超高壓設備（操作壓力大于1000kg.f/cm2）。,化工生產(chǎn)

3、對化工設備的基本要求,化工生產(chǎn)是以流程性物料（氣體、液體、粉體）為原料，以化學處理和物理處理為手段，以獲得設計規(guī)定的產(chǎn)品為目的的工業(yè)生產(chǎn)?；どa(chǎn)過程不僅取決于化學工藝過程，而且與化工機械裝備密切相關。化工機械是化工生產(chǎn)得以進行的外部條件。如介質(zhì)的化學反應，由反應器提供符合反應條件要求的空間；質(zhì)量傳遞通常在塔設備中完成；熱量傳遞一般在換熱器中進行；能量轉(zhuǎn)換由泵、壓縮機等裝置承擔。同時化工機械技術的發(fā)展和進步，又能促進新工藝的誕生和實施

4、，如大型壓縮機和超高壓容器的研制成功，使人造金剛石的構想變?yōu)楝F(xiàn)實，使高壓聚合反應得以實現(xiàn)。所以，先進的化工機械，一方面為化學工藝過程服務，另一方面又促進化學工藝過程的發(fā)展。化工機械通常分為化工設備和化工機器兩大類，化工設備指靜止設備，如各種塔器、換熱器等；化工機器指動設備，如各種壓縮機、泵等。本課主要介紹化工設備。,一、化工生產(chǎn)的特點,與其他工業(yè)生產(chǎn)相比，化工生產(chǎn)具有其自身的特點。1.生產(chǎn)的連續(xù)性強由于化工生產(chǎn)所處理的大多是氣體、

5、液體和粉體，便于輸送和控制，處理過程如傳質(zhì)、傳熱、化學反應可連續(xù)進行，為了提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，化工生產(chǎn)過程一般采用連續(xù)的工藝流程。在連續(xù)性的過程中，每一生產(chǎn)環(huán)節(jié)都非常重要，若出現(xiàn)事故，將破壞連續(xù)性生產(chǎn)。2.生產(chǎn)的條件苛刻（1）介質(zhì)腐蝕性強化工生產(chǎn)過程中，有很多介質(zhì)具有腐蝕性。例如，酸、堿、鹽一類的介質(zhì)，對金屬或非金屬物件的腐蝕，使機器與設備的使用壽命大為降低。腐蝕生成物的沉積，可能堵塞機器與設備的通道，破壞正常的工藝條件，影響

6、生產(chǎn)的正常進行。,,（2）溫度和壓力變化大根據(jù)不同的工藝條件要求，介質(zhì)的溫度和壓力各不相同。介質(zhì)溫度從深冷到高溫，壓力從真空到數(shù)百兆帕。使得有的設備要承受高溫或高壓，有的設備要承受低溫或低壓。溫度和壓力的不同，影響到設備的工作條件和材料選擇。（3）介質(zhì)大多易燃易爆有毒性化工生產(chǎn)過程中，有不少介質(zhì)是容易燃燒和爆炸的，例如氨氣、氫氣、苯蒸氣等均屬此類。還有不少介質(zhì)有較強的毒副作用，如二氧化硫、二氧化氮、硫化氫、一氧化碳等。這些易燃、

7、易爆、有毒性的介質(zhì)一旦泄漏，不僅會造成環(huán)境的污染，而且還可能造成人員傷亡和重大事故的發(fā)生。,,（4）生產(chǎn)原理的多樣性化工生產(chǎn)過程按作用原理可分為質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、能量傳遞和化學反應等若干類型。同一類型中功能原理也多種多樣，如傳熱設備的傳熱過程，按傳熱機理又可分為熱傳導、對流和輻射。故化工設備的用途、操作條件、結構形式也千差萬別。（5）生產(chǎn)的技術含量高現(xiàn)代化工生產(chǎn)既包含了先進的生產(chǎn)工藝，又需要先進的生產(chǎn)設備，還離不開先進的控制與檢

8、測手段。因此，生產(chǎn)技術含量要求高。并呈現(xiàn)出學科綜合，專業(yè)復合，化、機、電一體化的發(fā)展勢態(tài)。,二、化工生產(chǎn)對化工設備的基本要求,（一）安全性能要求1.足夠的強度材料強度是指載荷作用下材料抵抗永久變形和斷裂的能力。屈服點和抗拉強度是鋼材常用的強度判據(jù)。過程設備是由材料制造而成的，其安全性與材料強度緊密相關。在相同設計條件下，提高材料強度，可以增大許用應力，減薄過程設備的壁厚，減輕重量、便于制造、運輸和安裝，從而降低成本，提高綜合經(jīng)濟性。

9、對于大型過程設備，采用高強度材料的效果尤為顯著。2.良好的韌性韌性是指材料斷裂前吸收變形能量的能力。由于原材料制造（特別是焊接）和使用（如疲勞、應力腐蝕）等方面的原因，化工設備的構件常帶有各種各樣的缺陷，如裂紋、氣孔、夾渣等。如果材料韌性差，就可能因其本身的缺陷或在波動載荷作用下發(fā)生脆性破斷。,,3.足夠的剛度和抗失穩(wěn)能力剛度是過程設備在載荷作用下保持原有形狀的能力。剛度不足是過程設備過度變形的主要原因之一。例如，螺栓、法蘭和墊片

10、組成的連接結構，若法蘭因剛度不足而發(fā)生過度變形，將導致密封失效而泄漏。4.良好的抗腐蝕性過程設備的介質(zhì)往往是腐蝕性強的酸、堿、鹽。材料被腐蝕后，不僅會導致壁厚減薄，而且有可能改變其組織和性能。因此，材料必須具有較強的耐腐蝕性能。5.可靠的密封性密封性是指化工設備防止介質(zhì)泄漏的能力。由于化工生產(chǎn)中的介質(zhì)往往具有危害性，若發(fā)生泄漏不僅有可能造成環(huán)境污染，還可能引起中毒、燃燒和爆炸。因此密封的可靠性是化工設備安全運行的必要條件。,,（

11、二）工藝性能要求1.達到工藝指標化工設備都有一定的工藝指標要求，以滿足生產(chǎn)的需要。如儲罐的儲存量、換熱器的傳熱量、反應器的反應速率、塔設備的傳質(zhì)效率等。工藝指標達不到要求，將影響整個過程的生產(chǎn)效率，造成經(jīng)濟損失。2.生產(chǎn)效率高、消耗低化工設備的生產(chǎn)效率用單位時間內(nèi)單位體積（或面積）所完成的生產(chǎn)任務來衡量。如換熱器在單位時間單位傳熱面積的傳熱量、反應器在單位時間單位容積內(nèi)的產(chǎn)品數(shù)量等。消耗是指生產(chǎn)單位質(zhì)量或體積產(chǎn)品所需要的資源（如

12、原料、燃料、電能等）。設計時應從工藝、結構等方面來考慮提高化工設備的生產(chǎn)效率和降低消耗。,,（三）使用性能要求1.結構合理、制造簡單化工設備的結構要緊湊、設計要合理、材料利用率要高。制造方法要有利于實現(xiàn)機械化、自動化，有利于成批生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。2.運輸與安裝方便化工設備一般由機械制造廠生產(chǎn)，再運至使用單位安裝。對于中小型設備運輸安裝一般比較方便，但對于大型設備，應考慮運輸?shù)目尚行?，如運載工具的能力、空間大小、碼頭深度、橋梁

13、與路面的承載能力、吊裝設備的噸位等。對于特大型設備或有特殊要求的設備，則應考慮采用現(xiàn)場組裝的條件和方法。,,3.操作、控制、維護簡便化工設備的操作程序和方法要簡單，最好能設有防止錯誤操作的報警裝置。設備上要有測量、報警和調(diào)節(jié)裝置，能檢測流量、溫度、壓力、濃度、液位等狀態(tài)參數(shù)，當操作過程中出現(xiàn)超溫、超壓和其他異常情況時，能發(fā)出警報信號，并可對操作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)。（四）經(jīng)濟性能要求在滿足安全性、工藝性、使用性的前提下，應盡量減少化工設備

14、的基建投資和日常維護、操作費用，并使設備在使用期內(nèi)安全運行，以獲得較好的經(jīng)濟效益。,化工容器結構與分類,一、化工容器的基本結構在化工類工廠使用的設備中，有的用來貯存物料，如各種儲罐、計量罐、高位槽；有的用來對物料進行物理處理，如換熱器、精餾塔等；有的用于進行化學反應，如聚合釜，反應器，合成塔等。盡管這些設備作用各不相同，形狀結構差異很大，尺寸大小千差萬別，內(nèi)部構件更是多種多樣，但它們都有一個外殼，這個外殼就叫化工容器。所以化工容器是

15、化工生產(chǎn)中所用設備外部殼體的總稱。由于化工生產(chǎn)中，介質(zhì)通常具有較高的壓力，故化工容器通常為壓力容器?；と萜饕话阌赏搀w、封頭、支座、法蘭及各種開孔所組成，見圖1-1-1。1.筒體筒體是化工設備用以儲存物料或完成傳質(zhì)、傳熱或化學反應所需要的工作空間，是化工容器最主要的受壓元件之一，其內(nèi)直徑和容積往往需由工藝計算確定。圓柱形筒體（即圓筒）和球形筒體是工程中最常用的筒體結構。,,,2.封頭根據(jù)幾何形狀的不同，封頭可以分為球形、橢圓形、

16、碟形、球冠形、錐殼和平蓋等幾種，其中以橢圓形封頭應用最多。封頭與筒體的連接方式有可拆連接與不可拆連接（焊接）兩種，可拆連接一般采用法蘭連接方式。3.密封裝置化工容器上需要有許多密封裝置，如封頭和筒體間的可拆式連接，容器接管與外管道間時可拆連接以及人孔、手孔蓋的連接等，可以說化工容器能否正常安全地運行在很大程度上取決于密封裝置的可靠性。4.開孔與接管化工容器中，由于工藝要求和檢修及監(jiān)測的需要，常在筒體或封頭上開設各種大小的孔或安裝

17、接管，如人孔、手孔、視鏡孔、物料進出口接管，以及安裝壓力表、液面計、安全閥、測溫儀表等接管開孔。,5.支座化工容器靠支座支承并固定在基礎上。隨安裝位置不同，化工容器支座分立式容器支座和臥式容器支座兩類，其中立式容器支座又有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四種。大型容器一般采用裙式支座。臥式容器支座有支承式、鞍式和圈式支座三種；以鞍式支座應用最多。而球形容器多采用柱式或裙式支座。6.安全附件由于化工容器的使用特點及其內(nèi)部介質(zhì)

18、的化學工藝特性，往往需要在容器上設置一些安全裝置和測量、控制儀表來監(jiān)控工作介質(zhì)的參數(shù)，以保證壓力容器的使用安全和工藝過程的正常進行?；と萜鞯陌踩b置主要有安全閥、爆破片、緊急切斷閥、安全聯(lián)鎖裝置、壓力表、液面計、測溫儀表等。上述筒體、封頭、密封裝置、開孔接管、支座及安全附件等即構成了一臺化工設備的外殼。對于儲存用的容器，這一外殼即為容器本身。對用于化學反應、傳熱、分離等工藝過程的容器而言，則須在外殼內(nèi)裝入工藝所要求的內(nèi)件，才能構成

19、一個完整的產(chǎn)品。,二、化工容器與設備的分類,從不同的角度對化工容器及設備有各種不同的分類方法，常用的分類方法有以下幾種。（一）按壓力等級分按承壓方式分類，化工容器可分為內(nèi)壓容器與外壓容器。內(nèi)壓容器又可按設計壓力大小分為四個壓力等級，具體劃分如下：低壓（代號L）容器0.1MPa ≤ P ﹤1.6MPa；中壓（代號M）容器1.6MPa ≤ P＜ 10.0MPa； 高壓（代號H）容器10.0MPa ≤ P ＜ 100mpa；超高壓

20、（代號U）容器P ≥ 100MPa。外壓容器中，當容器的內(nèi)壓小于一個絕對大氣壓（約0.1MPa）時又稱為真空容器。,（二）按原理與作用分根據(jù)化工容器在生產(chǎn)工藝過程中的作用，可分為反應容器、換熱容器、分離容器、儲存容器。1.反應容器（代號R）主要是用于完成介質(zhì)的物理、化學反應的容器，如反應器、反應釜、聚合釜、合成塔、蒸壓釜、煤氣發(fā)生爐等。2.換熱容器（代號E）主要是用于完成介質(zhì)熱量交換的容器。如管殼式余熱鍋爐、熱交換器、冷卻器、冷

21、凝器、蒸發(fā)器、加熱器等。3.分離容器（代號S）主要是用于完成介質(zhì)流體壓力平衡緩沖和氣體凈化分離的容器。如分離器、過濾器、蒸發(fā)器、集油器、緩沖器、干燥塔等。4.儲存容器（代號C，其中球罐代號B）主要是用于儲存、盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)的容器。如液氨儲罐、液化石油氣儲罐等。在一臺化工容器中，如同時具備兩個以上的工藝作用原理時，應按工藝過程的主要作用來劃分品種。,,（三）按相對壁厚分按容器的壁厚可分為薄壁容器和厚壁容器，當筒體外

22、徑與內(nèi)徑之比小于或等于1.2時稱為薄壁容器，大于1.2時稱厚壁容器。（四）按支承形式分當容器采用立式支座支承時叫立式容器，用臥式支座支承時叫臥式容器。（五）按材料分當容器由金屬材料制成時叫金屬容器；用非金屬材料制成時，叫非金屬容器。 （六）按幾何形狀分按容器幾何形狀，可分為圓柱形、球形、橢圓形、錐形、矩形等容器。,,（七）按安全技術管理分上面所述的幾種分類方法僅僅考慮了壓力容器的某個設計參數(shù)或使用狀況，還不能綜合反應壓力容

23、器面臨的整體危害水平。例如儲存易燃或毒性程度中度以及上危害介質(zhì)的壓力容器，其危害性要比相同幾何尺寸、儲存毒性程序輕度或非易燃介質(zhì)的壓力容器大得多。壓力容器的危害性還與其設計壓力P 和全容積V 的乘積有關，PV 值愈大，則容器破裂時爆炸能量愈大，危害性也愈大，對容器的設計、制造、檢驗、使用和管理的要求愈高。為此，《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》采用既考慮容器壓力與容積乘積大小，又考慮介質(zhì)危害程度以及容器品種的綜合分類方法，有利于安全技術監(jiān)督和

24、管理。該方法將壓力容器分為三類。,,1.第三類壓力容器具有下列情況之一的為第三類壓力容器。（1）、高壓容器；（2）、中壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)）；（3）、中壓儲存容器（僅限易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且PV 乘積大于等于10MPa.m3）；（4）、中壓反應容器（僅限易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且PV 乘積大于等于0.5MPa.m3）；（5）、低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)，且PV 乘積大于等于

25、0.2MPa.m3）；（6）、高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；（7）、中壓搪玻璃壓力容器；,,（8）、使用強度級別較高（指相應標準中抗拉強度規(guī)定值下限大于等于540MPa）的材料制造的壓力容器；（9）、移動式壓力容器，包括鐵路罐車（介質(zhì)為液化氣體、低溫液體）、罐式汽車［液化氣體運輸（半掛）車、低溫液體運輸（半掛）車、永久氣體運輸（半掛）車］和罐式集裝箱（介質(zhì)為液化氣體、低溫液體）等；（10）、球形儲罐（容積大于等于50m3）；（11

26、）、低溫液體儲存容器（容積大于5m3）,,2.第二類壓力容器具有下列情況之一的為第二類壓力容器。（1）、中壓容器；（2）、低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)）；（3）、低壓反應容器和低壓儲存容器（僅限易燃介質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)）；（4）、低壓管殼式余熱鍋爐；（5）、低壓搪玻璃壓力容器。3.第一類壓力容器除上述規(guī)定以外的低壓容器為第一類壓力容器。上述壓力容器分類方法綜合考慮了設計壓力、幾何容積、材料強度、應