化工設(shè)備概論

1、化工設(shè)備概論,化工設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí)化工生產(chǎn)對(duì)化工設(shè)備的基本要求化工容器結(jié)構(gòu)與分類,化工設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí),一、化工設(shè)備的概念化工設(shè)備是指化工生產(chǎn)中靜止的或配有少量傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的裝置，主要用于完成傳熱，傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等過程，或用于儲(chǔ)存物料。二、化工設(shè)備的分類1.按結(jié)構(gòu)特征和用途分為容器、塔器、換熱器、反應(yīng)器（包括各種反應(yīng)釜、固定床或液態(tài)化床）和管式爐等。2.按結(jié)構(gòu)材料分為金屬設(shè)備（碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁、銅等）。非金屬設(shè)備（陶瓷、玻璃、

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

3、對(duì)化工設(shè)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(xué)處理和物理處理為手段，以獲得設(shè)計(jì)規(guī)定的產(chǎn)品為目的的工業(yè)生產(chǎn)。化工生產(chǎn)過程不僅取決于化學(xué)工藝過程，而且與化工機(jī)械裝備密切相關(guān)?；C(jī)械是化工生產(chǎn)得以進(jìn)行的外部條件。如介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，由反應(yīng)器提供符合反應(yīng)條件要求的空間；質(zhì)量傳遞通常在塔設(shè)備中完成；熱量傳遞一般在換熱器中進(jìn)行；能量轉(zhuǎn)換由泵、壓縮機(jī)等裝置承擔(dān)。同時(shí)化工機(jī)械技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，又能促進(jìn)新工藝的誕生和實(shí)施

4、，如大型壓縮機(jī)和超高壓容器的研制成功，使人造金剛石的構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，使高壓聚合反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)。所以，先進(jìn)的化工機(jī)械，一方面為化學(xué)工藝過程服務(wù)，另一方面又促進(jìn)化學(xué)工藝過程的發(fā)展?；C(jī)械通常分為化工設(shè)備和化工機(jī)器兩大類，化工設(shè)備指靜止設(shè)備，如各種塔器、換熱器等；化工機(jī)器指動(dòng)設(shè)備，如各種壓縮機(jī)、泵等。本課主要介紹化工設(shè)備。,一、化工生產(chǎn)的特點(diǎn),與其他工業(yè)生產(chǎn)相比，化工生產(chǎn)具有其自身的特點(diǎn)。1.生產(chǎn)的連續(xù)性強(qiáng)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(xué)反應(yīng)可連續(xù)進(jìn)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(qiáng)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(duì)金屬或非金屬物件的腐蝕，使機(jī)器與設(shè)備的使用壽命大為降低。腐蝕生成物的沉積，可能堵塞機(jī)器與設(shè)備的通道，破壞正常的工藝條件，影響

6、生產(chǎn)的正常進(jìn)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(shè)備要承受高溫或高壓，有的設(shè)備要承受低溫或低壓。溫度和壓力的不同，影響到設(shè)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(qiáng)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(huì)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(xué)反應(yīng)等若干類型。同一類型中功能原理也多種多樣，如傳熱設(shè)備的傳熱過程，按傳熱機(jī)理又可分為熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。故化工設(shè)備的用途、操作條件、結(jié)構(gòu)形式也千差萬別。（5）生產(chǎn)的技術(shù)含量高現(xiàn)代化工生產(chǎn)既包含了先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，又需要先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，還離不開先進(jìn)的控制與檢

8、測(cè)手段。因此，生產(chǎn)技術(shù)含量要求高。并呈現(xiàn)出學(xué)科綜合，專業(yè)復(fù)合，化、機(jī)、電一體化的發(fā)展勢(shì)態(tài)。,二、化工生產(chǎn)對(duì)化工設(shè)備的基本要求,（一）安全性能要求1.足夠的強(qiáng)度材料強(qiáng)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(diǎn)和抗拉強(qiáng)度是鋼材常用的強(qiáng)度判據(jù)。過程設(shè)備是由材料制造而成的，其安全性與材料強(qiáng)度緊密相關(guān)。在相同設(shè)計(jì)條件下，提高材料強(qiáng)度，可以增大許用應(yīng)力，減薄過程設(shè)備的壁厚，減輕重量、便于制造、運(yùn)輸和安裝，從而降低成本，提高綜合經(jīng)濟(jì)性。

9、對(duì)于大型過程設(shè)備，采用高強(qiáng)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(yīng)力腐蝕）等方面的原因，化工設(shè)備的構(gòu)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(dòng)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(shè)備在載荷作用下保持原有形狀的能力。剛度不足是過程設(shè)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(jié)構(gòu)，若法蘭因剛度不足而發(fā)生過度變形，將導(dǎo)致密封失效而泄漏。4.良好的抗腐蝕性過程設(shè)備的介質(zhì)往往是腐蝕性強(qiáng)的酸、堿、鹽。材料被腐蝕后，不僅會(huì)導(dǎo)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(qiáng)的耐腐蝕性能。5.可靠的密封性密封性是指化工設(shè)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(shè)備安全運(yùn)行的必要條件。,,（

11、二）工藝性能要求1.達(dá)到工藝指標(biāo)化工設(shè)備都有一定的工藝指標(biāo)要求，以滿足生產(chǎn)的需要。如儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存量、換熱器的傳熱量、反應(yīng)器的反應(yīng)速率、塔設(shè)備的傳質(zhì)效率等。工藝指標(biāo)達(dá)不到要求，將影響整個(gè)過程的生產(chǎn)效率，造成經(jīng)濟(jì)損失。2.生產(chǎn)效率高、消耗低化工設(shè)備的生產(chǎn)效率用單位時(shí)間內(nèi)單位體積（或面積）所完成的生產(chǎn)任務(wù)來衡量。如換熱器在單位時(shí)間單位傳熱面積的傳熱量、反應(yīng)器在單位時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從工藝、結(jié)構(gòu)等方面來考慮提高化工設(shè)備的生產(chǎn)效率和降低消耗。,,（三）使用性能要求1.結(jié)構(gòu)合理、制造簡單化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)要緊湊、設(shè)計(jì)要合理、材料利用率要高。制造方法要有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，有利于成批生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。2.運(yùn)輸與安裝方便化工設(shè)備一般由機(jī)械制造廠生產(chǎn)，再運(yùn)至使用單位安裝。對(duì)于中小型設(shè)備運(yùn)輸安裝一般比較方便，但對(duì)于大型設(shè)備，應(yīng)考慮運(yùn)輸?shù)目尚行?，如運(yùn)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(shè)備的噸位等。對(duì)于特大型設(shè)備或有特殊要求的設(shè)備，則應(yīng)考慮采用現(xiàn)場(chǎng)組裝的條件和方法。,,3.操作、控制、維護(hù)簡便化工設(shè)備的操作程序和方法要簡單，最好能設(shè)有防止錯(cuò)誤操作的報(bào)警裝置。設(shè)備上要有測(cè)量、報(bào)警和調(diào)節(jié)裝置，能檢測(cè)流量、溫度、壓力、濃度、液位等狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)操作過程中出現(xiàn)超溫、超壓和其他異常情況時(shí)，能發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并可對(duì)操作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。（四）經(jīng)濟(jì)性能要求在滿足安全性、工藝性、使用性的前提下，應(yīng)盡量減少化工設(shè)備

14、的基建投資和日常維護(hù)、操作費(fèi)用，并使設(shè)備在使用期內(nèi)安全運(yùn)行，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。,化工容器結(jié)構(gòu)與分類,一、化工容器的基本結(jié)構(gòu)在化工類工廠使用的設(shè)備中，有的用來貯存物料，如各種儲(chǔ)罐、計(jì)量罐、高位槽；有的用來對(duì)物料進(jìn)行物理處理，如換熱器、精餾塔等；有的用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，如聚合釜，反應(yīng)器，合成塔等。盡管這些設(shè)備作用各不相同，形狀結(jié)構(gòu)差異很大，尺寸大小千差萬別，內(nèi)部構(gòu)件更是多種多樣，但它們都有一個(gè)外殼，這個(gè)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(shè)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。化工容器一般由筒體、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(shè)備用以儲(chǔ)存物料或完成傳質(zhì)、傳熱或化學(xué)反應(yīng)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(jì)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(jié)構(gòu)。,,,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(yīng)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(shí)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(yùn)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(cè)的需要，常在筒體或封頭上開設(shè)各種大小的孔或安裝

17、接管，如人孔、手孔、視鏡孔、物料進(jìn)出口接管，以及安裝壓力表、液面計(jì)、安全閥、測(cè)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(chǔ)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(yīng)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(diǎn)及其內(nèi)部介質(zhì)

18、的化學(xué)工藝特性，往往需要在容器上設(shè)置一些安全裝置和測(cè)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(jìn)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(jì)、測(cè)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(gòu)成了一臺(tái)化工設(shè)備的外殼。對(duì)于儲(chǔ)存用的容器，這一外殼即為容器本身。對(duì)用于化學(xué)反應(yīng)、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(gòu)成

19、一個(gè)完整的產(chǎn)品。,二、化工容器與設(shè)備的分類,從不同的角度對(duì)化工容器及設(shè)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(jí)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(shè)計(jì)壓力大小分為四個(gè)壓力等級(jí)，具體劃分如下：低壓（代號(hào)L）容器0.1MPa ≤ P ﹤1.6MPa；中壓（代號(hào)M）容器1.6MPa ≤ P＜ 10.0MPa； 高壓（代號(hào)H）容器10.0MPa ≤ P ＜ 100mpa；超高壓

20、（代號(hào)U）容器P ≥ 100MPa。外壓容器中，當(dāng)容器的內(nèi)壓小于一個(gè)絕對(duì)大氣壓（約0.1MPa）時(shí)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(yīng)容器、換熱容器、分離容器、儲(chǔ)存容器。1.反應(yīng)容器（代號(hào)R）主要是用于完成介質(zhì)的物理、化學(xué)反應(yīng)的容器，如反應(yīng)器、反應(yīng)釜、聚合釜、合成塔、蒸壓釜、煤氣發(fā)生爐等。2.換熱容器（代號(hào)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(hào)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(chǔ)存容器（代號(hào)C，其中球罐代號(hào)B）主要是用于儲(chǔ)存、盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)的容器。如液氨儲(chǔ)罐、液化石油氣儲(chǔ)罐等。在一臺(tái)化工容器中，如同時(shí)具備兩個(gè)以上的工藝作用原理時(shí)，應(yīng)按工藝過程的主要作用來劃分品種。,,（三）按相對(duì)壁厚分按容器的壁厚可分為薄壁容器和厚壁容器，當(dāng)筒體外

22、徑與內(nèi)徑之比小于或等于1.2時(shí)稱為薄壁容器，大于1.2時(shí)稱厚壁容器。（四）按支承形式分當(dāng)容器采用立式支座支承時(shí)叫立式容器，用臥式支座支承時(shí)叫臥式容器。（五）按材料分當(dāng)容器由金屬材料制成時(shí)叫金屬容器；用非金屬材料制成時(shí)，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(shù)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(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)或使用狀況，還不能綜合反應(yīng)壓力容

23、器面臨的整體危害水平。例如儲(chǔ)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(chǔ)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(shè)計(jì)壓力P 和全容積V 的乘積有關(guān)，PV 值愈大，則容器破裂時(shí)爆炸能量愈大，危害性也愈大，對(duì)容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、使用和管理的要求愈高。為此，《壓力容器安全技術(shù)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(shù)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(chǔ)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(yīng)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(qiáng)度級(jí)別較高（指相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強(qiáng)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(dòng)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(yùn)輸（半掛）車、低溫液體運(yùn)輸（半掛）車、永久氣體運(yùn)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(chǔ)罐（容積大于等于50m3）；（11

26、）、低溫液體儲(chǔ)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(yīng)容器和低壓儲(chǔ)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(shè)計(jì)壓力、幾何容積、材料強(qiáng)度、應(yīng)