化工设备基础知识

1化工设备基础知识第一节、化工静设备基础知识一、化工设备的概念化工设备是指化工生产中静止的或配有少量传动机构组成的装置，主要用于完成传热、传质和化学反应等过程，或用于储存物料。二、化工设备的分类1、按结构特征和用途分为容器、塔器、换热器、反应器（包括各种反应釜、固定床或液态化床）和管式炉等。2、按结构材料分为金属设备（碳钢、合金钢、铸铁、铝、铜等）、非金属设备（陶瓷、玻璃、塑料、木材等）和非金属材料衬里设备（衬橡胶、塑料、耐火材料及搪瓷等）其中碳钢设备最为常用。3、按受力情况分为外压设备（包括真空设备）和内压设备，内压设备又分为常压设备（操作压力小于1kgf/cm2）、低压设备（操作压力在1～16kgf/cm2之间）、中压设备（操作压力在16～100kgf/cm2之间）、高压设备（操作压力在100～1000kgf/cm2之间）和超高压设备（操作压力大于1000kgf/cm2）三、化工容器结构与分类1、基本结构在化工类工厂使用的设备中，有的用来贮存物料，如各种储罐、计量罐、高位槽；有的用来对物料进行物理处理，如换热器、精馏塔等；有的用于进行化学反应，如聚合釜，反应器，合成塔等。尽管这些设备作用各不相同，形状结构差异很大，尺寸大小千差万别，内部构件更是多种多样，但它们都有一个外壳，这个外壳就叫化工容器。所以化工容器是化工生产中所用设备外部壳体的总称。由于化工生产中，介质通常具有较高的压力，故化工容器痛常为压力容器。化工容器一般由筒体、封头、支座、法兰及各种开孔所组成，见图1-1。图1－1化工容器的总体结构1—法兰；2—支座；3—封头拼接焊缝；4—封头；5—环焊缝；6—补强圈；7—人孔；8—纵焊缝；9—筒体；10—压力表；11—安全阀；12—液面计1）筒体筒体是化工设备用以储存物料或完成传质、传热或化学反应所需要的工作空间，是化工容器最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往需由工艺计算确定。圆柱形筒体（即圆筒）和球形筒体是工程中最常用的筒体结构。2）封头根据几何形状的不同，封头可以分为球形、椭圆形、碟形、球冠形、锥壳和平盖等几种，其中以椭圆形封头应用最多。封头与筒体的连接方式有可拆连接与不可拆连2接（焊接）两种，可拆连接一般采用法兰连接方式。3）密封装置化工容器上需要有许多密封装置，如封头和筒体间的可拆式连接，容器接管与外管道间可拆连接以及人孔、手孔盖的连接等，可以说化工容器能否正常安全地运行在很大程度上取决于密封装置的可靠性。4）开孔与接管化工容器中，由于工艺要求和检修及监测的需要，常在筒体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开孔。5）支座化工容器靠支座支承并固定在基础上。随安装位置不同，化工容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类，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种。大型容器一般采用裙式支座。卧式容器支座有支承式、鞍式和圈式支座三种；以鞍式支座应用最多。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点及其内部介质的化学工艺特性，往往需要在容器上设置一些安全装置和测量、控制仪表来监控工作介质的参数，以保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。化工容器的安全装置主要有安全阀、爆破片、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计、测温仪表等。上述筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件等即构成了一台化工设备的外壳。对于储存用的容器，这一外壳即为容器本身。对用于化学反应、传热、分离等工艺过程的容器而言，则须在外壳内装入工艺所要求的内件，才能构成一个完整的产品。2、分类从不同的角度对化工容器及设备有各种不同的分类方法，常用的分类方法有以下几种。1）按压力等级分按承压方式分类，化工容器可分为内压容器与外压容器。内压容器又可按设计压力大小分为四个压力等级，具体划分如下：低压（代号L）容器0.1MPa≤p1.6MPa；中压（代号M）容器1.6MPa≤p10.0MPa；高压（代号H）容器10.0MPa≤p100MPa；超高压（代号U）容器p≥100Mpa。外压容器中，当容器的内压小于一个绝对大气压（约0.1Mpa）时又称为真空容器。2）按原理与作用分根据化工容器在生产工艺过程中的作用，可分为反应容器、换热容器、分离容器、储存容器。①反应容器（代号R）主要是用于完成介质的物理、化学反应的容器，如反应器、反应釜、聚合釜、合成塔、蒸压釜、煤气发生炉等。②换热容器（代号E）主要是用于完成介质热量交换的容器。如管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器等。③分离容器（代号S）主要是用于完成介质流体压力平衡缓冲和气体净化分离的容器。如分离器、过滤器、蒸发器、集油器、缓冲器、干燥塔等。④储存容器（代号C,其中球罐代号B）主要是用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的容器。如液氨储罐、液化石油气储罐等。3在一台化工容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应按工艺过程的主要作用来划分品种。3）按相对壁厚分按容器的壁厚可分为薄壁容器和厚壁容器，当筒体外径与内径之比小于或等于1.2mm时称为薄壁容器，大于1.2mm时称厚壁容器。4）按支承形式分当容器采用立式支座支承时叫立式容器，用卧式支座支承时叫卧式容器。5）按材料分当容器由金属材料制成时叫金属容器；用非金属材料制成时，叫非金属容器。6）按几何形状分按容器几何形状，可分为圆柱形、球形、椭圆形、锥形、矩形等容器。7）按安全技术管理分上面所述的几种分类方法仅仅考虑了压力容器的某个设计参数或使用状况，还不能综合反应压力容器面临的整体危害水平。例如储存易燃或毒性程度中度以及上危害介质的压力容器，其危害性要比相同几何尺寸、储存毒性程序轻度或非易燃介质的压力容器大得多。压力容器的危害性还与其设计压力p和全容积V的乘积有关，pV值愈大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。为此，《压力容器安全技术监察规程》采用既考虑容器压力与容积乘积大小，又考虑介质危害程度以及容器品种的综合分类方法，有利于安全技术监督和管理。该方法将压力容器分为三类。（1）、第三类压力容器具有下列情况之一的为第三类压力容器。①高压容器；②中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；③中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于10MPa•m3)④中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积≥0.5MPa.m3）；⑤低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积≥0.2MPa•m3）；⑥高压、中压管壳式余热锅炉；⑦中压搪玻璃压力容器；⑧使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa）的材料制造的压力容器；⑨移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车［液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车］和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等；⑩球形储罐（容积大于等于50m3）；⑾低温液体储存容器（容积大于5m3）。（2）、第二类压力容器具有下列情况之一的为第二类压力容器。①中压容器；②低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；③低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；④低压管壳式余热锅炉；⑤低压搪玻璃压力容器。4（3）、第一类压力容器除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。四、化工塔设备的分类和结构（一）塔设备的分类1、按操作压力分类1）加压塔；2）减压塔；3）常压塔。2、按化工单元操作分类1）精馏塔；2）吸收塔和解吸塔；3）萃取塔；4）反应塔；5）再生塔；6）干燥塔。3、按气液接触的基本构件分类1）填料塔；2）板式塔（二）塔设备的结构1、塔设备的基本部件填料塔和板式塔结构见图1－2图1－3。从图中可看出，两种不同的塔结构，均包括一些基本部件，如塔体、支座及塔体附件。而其不同的内件结构则在介绍两种塔型时分别介绍。图1－2填料塔结构图1—支座；2—液体出口；3—填料支承；4—卸料孔；5—塔体；6—填料；7—液体再分布器；8—喷淋装置1）塔体塔体是塔设备的主要部件，大多数塔体是等直径、等壁厚的圆筒体，顶盖以椭圆形封头为多。但随着装置的大型化，不等直径、不等壁厚的塔体已逐渐增多。塔体除满足工艺条件对它提出的强度、刚度要求外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所带来的影响，以及吊装、运输、检验、开停工等情况。塔体材质常采用的有：铸铁、碳素钢、低合金钢、不锈耐酸钢（复层、衬里）等。2）塔体支座塔设备常采用裙式支座。它应当具有足够的强度和刚度，来承受塔体操作重量、风力、地震等引起的载荷。塔体支座的材质常采用碳素钢，也有采用铸铁的。3）塔体附件①接管；②人孔和手孔；③吊耳；④吊柱；⑤平台和爬梯。2、填料塔5图1－3板式塔总体结构图1—裙座；2—裙座人孔；3—塔底液体出口；4—裙座气孔；5—塔体；6—人孔；7—蒸汽入口；8—塔板；9—回流入口；10—吊柱；11—塔顶蒸汽出口；12—进料口填料塔是化学工业中最常用的气液传质设备之一，在塔内设置填料使气液两相能够达到良好传质所需的接触面积。填料塔具有结构简单，便于用耐腐蚀材料制造，适应性较好。填料塔广泛的应用在蒸馏、吸收和解吸操作，而在大型装置中，填料塔的使用范围正在扩大。六十年代后期，直径超过3米的填料塔已十分普遍。目前，填料塔不仅可以大型化，而且在某些方面超过了板式塔的规模。所以，近代化学、石油工业中，填料塔的地位变得日益重要。近来，由于塔内采用接触面积较大的矩鞍型或聚丙烯鲍尔环填料，经实践证明，已克服大型填料塔的不足，显示出效率高，处理量大，压力降小等优点。1）填料ⅰ、填料的选择填料塔操作的好坏与选用填料的正确与否有很大关系。选择填料的原则如下：单位体积填料的表面积要大；使气液相接触的自由体积要大；对气相阻力要小，即空隙截面积大；重量要轻；机械强度要高；耐介质腐蚀，经久耐用；价格低廉。填料的选择，应根据操作压力和介质来选择填料的材质，根据操作工艺要求，选择填料的型式，根据填料塔径选择填料尺寸。ⅱ、填料的分类工业用填料大致分为实体填料和网体填料两大类。ⅲ、填料材质选择填料要根据被处理物料的腐蚀性及操作压力，确定使用填料的材质。ⅳ、填料尺寸选择6填料尺寸选定与塔径尺寸有关，一般要求塔径与填料直径之比不能太小，否则，填料与塔壁的间隙过大，易使液体沿塔壁空隙流下，使截面上液体分布不均。ⅴ、常用填料的特性①拉西环拉西环使用历史悠久，各种参数比较完整；设计与操作经验丰富，外形简单、制造方便；取材容易、造价低廉，适用于非金属耐腐蚀材料制造等优点。但拉西环由于表面积利用率低，因而使塔的生产能力降低，阻力较大，加上自身的形状决定了它沟流和壁流严重，使气液分布不均匀，气—液接触不良。②鲍尔环鲍尔环除钢制外，还有用陶瓷和塑料制成的。具有如下优点：对于同样的空隙率而言，阻力比拉西环小，因而可提高气速，生产能力可以提高。由于小窗叶片向环中心弯，液体分布较为均匀，所以沟流和壁流情况比拉西环好。开小窗后表面积比拉西环要大，且环内表面得以充分利用，以进行气液传质，而拉西环内表面利用率较低。操作弹性范围大。在一般情况下，当同样压降时，处理量比拉西环大50％以上；在同样处理量时，压降可降低，传质效率能提高20％左右。③、鞍形填料鞍形填料又分弧鞍形和矩鞍形两种。此种填料常用于吸收操作，处理腐蚀性介质较为适宜，且成本低。近来，又对矩鞍形填料予以改进。它是目前瓷制填料中处理量大，效率较高的一种。2）塔设备喷淋装置在塔顶部装设喷淋装置，可使塔顶引入的液体能沿塔截面均匀分布进入填料层，避免部分填料得不到湿润，降低填料层的有效利用率，影响传质效果。喷淋装置的类型很多，常用的如下表：管式喷淋型莲蓬头式盘式溢流式槽式喷淋装置类型反射板式冲击式宝塔式离心式机械式①管式喷淋器小直径的填料塔（300mm以下）可以采用管式喷淋器，如图1-4（a）、（b）所示。直径小于600mm的塔可采用多孔直管式如图1-4（c）。该结构的