化工设备基础知识

化工设备基础培训课程主讲教师张祥兰授课计划化工设备基础第一讲化工设备基础知识第1章化工设备基本知识1.1化工生产对化工设备的基本要求1.1.1化工生产的特点1、生产的连续性性强为了提高生产效率，节约成本，化工生产过程一般采用连续的工艺流程。2、生产条件的苛刻性化工生产的特点：高温、高压、易燃、易爆、剧毒、强腐蚀性等。3、生产原理的多样性4、生产技术含量高专业复合，化、机、电一体化的发展势态。1.1.2化工生产对化工设备的基本要求1.安全性能要求足够的强度——抵抗破坏能力良好的韧性——断裂前吸收变形能量的能力足够的刚度和抗失稳能力——抵抗变形能力和保持原有平衡状态的能力良好的抗腐蚀性——金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏可靠的密封性——防止介质泄漏的能力。2.工艺性能要求工艺指标如储罐的储存量、换热器的传热量、反应器的反应速率、塔设备的传质效率等。生产效率高、消耗低化工设备的生产效率用单位时间内单位体积（或面积）所完成的生产任务来衡量。消耗是指生产单位质量或体积产品所需要的资源（如原料、燃料、电能等）。3.使用性能要求结构合理、制造简单运输与安装方便操作、控制、维护简便4.经济性能要求在满足安全性、工艺性、使用性的前提下，应尽量减少化工设备的基建投资和日常维护、操作费用，并使设备在使用期内安全运行，以获得较好的经济效益。简单地说既安全又经济1.2化工容器结构与分类1.2.1化工容器的基本结构1.2.2化工容器与设备的分类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（）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低压（代号L）容器0.1MPa≤p＜1.6MPa；中压（代号M）容器1.6MPa≤p＜10MPa；高压（代号H）容器10MPa≤p＜100MPa；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．IMPa）时又称为真空容器。pp外内pp外内2.按原理与作用分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.按相对壁厚分按容器的壁厚可分为薄壁容器和厚壁容器，称为薄壁容器或称厚壁容器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。0/1.2iDD0/1.2iDD/0.1iD/0.1iD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、方形等容器。7.按安全技术管理分《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乘积大于等于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乘积大于等于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、罐式汽车车、低温液体运输车、永久气体运输车和罐式集装箱等；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。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。上述内容中提到的毒性程度是参照GB5044《职业性毒物危害程度分级》的规定，按介质毒性最高允许的浓度值分为4级。（1）极度危害（I级）最高允许浓度小于0.1mg/m3，如氟、氢氟酸、光气等介质．（2）高度危害（Ⅱ级）最高允许浓度为0.1～1.0mg/m3，如氟化氢、氯等介质。（3）中度危害（Ⅲ级）最高允许浓度为1.0～10mg/m3，如二氧化硫、氨、一氧化碳、甲醇等。（4）轻度危害（Ⅳ级）最高允许浓度大于或等于10mg/m3，如氢氧化钠、四氟乙烯、丙酮等介质。易燃介质是指与空气混合的爆炸下限小于10%，或爆炸上限、下限之差大于或等于20％的气休，如一甲胺、乙烯、乙烷、丙烷、丁烷、环氧乙烷、三甲胺、丁二烯等。1.3化工容器与设备有关标准规范简介1.3.1常用材料标准1．钢板⑴碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板及钢带（GB912—89）⑵碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带（GB3274—88）(3)不锈钢热轧钢板（GB4237—92）(4)压力容器用钢板（GB6654—1996）2.钢管(1)输送流体用无缝钢管（GB8163—87）(2)石油裂化用无缝钢管（GB9948—88）(3)化肥设备用高压无缝钢管（GB6479－86）（4）高压锅炉用无缝钢管（GB5310—85）1.3.2压力容器规范简介美国机械工程协会制订的《锅炉和受压容器规范》（简称ASME规范）等。美国ASME规范是世界上制订最早（1915）、最完备的压力容器规范。1989年制订了有关压力容器的第一部国家标准《钢制压力容器》（简称GB150）。l.美国ASME规范ASME规范共有11卷22册。第Ⅷ篇《压力容器》共有3个分篇：第1分篇《压力容器》，属于常规设计标准；第2分篇《压力容器一另一规则》，采用的是分析设计标准；第3分篇《高压容器另一规则》主要适用于设计压力不小于70MPa的高压容器。2.GB150《钢制压力容器》GB150《钢制压力容器》是中国第一部压力容器国家标准。它包括10章正文、8个附录补充件和3个附录参考件。3.JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》4.《压力容器安全技术监查规程》5.压力容器设计与制造的有关规则（1）《压力容器设计单位资格管理与监督规程》（2）《压力容器制造单位资格认可与管理规程》1.4化工设备常用材料1.4.1材料常用性能1.机械性能强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。2.物理性能比重、熔点、导热性、热膨胀性等。强度：材料抵抗破坏的能力塑性：产生塑性变形而不破坏的能力硬度：材料抵抗其它物体压入的能力HBSHBWHRC韧性：材料抵抗冲击的能力疲劳强度：材料抵抗交变载荷的能力rsbk3.耐腐蚀性能腐蚀分均匀腐蚀和非均匀腐蚀。腐蚀速度表示材料的耐腐蚀性。良好材料尚可材料不好材料4.制造性能（工艺性能）铸造性、锻造性、焊接性和切削性等。0.1/vmm年0.1~1/vmm年1/vmm年1.4.2钢的热处理过程：加热、保温和冷却三个阶段。目的：改善金属材料的性能，满足使用要求。分类：分为普通热处理和表面热处理两大类。普通热处理包括退火、正火、淬火、回火等；表面热处理包括表面淬火、化学热处理等。一般零件的生产工艺过程为：锻造→预先热处理→机械加工（粗加工）→最终热处理→机械加工（精加工）1．退火和正火退火是将钢加热，保温，缓慢冷却（炉冷、坑冷）的热处理工艺。正火是将钢加热，保温，空冷的热处理工艺。目的是：软化钢材以利于切削加工；消除内应力以防止工件变形；细化晶粒，改善组织，为零件的最终热处理做好准备。2．淬火和回火淬火是将钢加热，保温，快速冷却（水冷或油冷）的热处理工艺。淬火后必须回火。按照温度范围不同，回火分为三类：（1）低温回火的回火温度范围为150～250℃，回火后的钢具有高硬度和高耐磨性，主要用于各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件；（2）中温回火的回火温度范围为350～500℃，回火后的钢具有较高的弹性极限和屈服强度，一定的韧性和硬度，主要用于各种弹簧和模具等；（3）高温回火的回火温度范围为500～650℃，回火后的钢具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能如各种轴、齿轮、连杆、高强度螺栓等。通常将淬火和高温回火相结合的热处理工艺称为调质。3．表面热处理具有‘外硬内韧”的性能。（1）表面淬火将钢的表面快速加热至淬火温度，快速冷却。表面淬火后一般进行低温回火。（2）化学热处理向工件表层渗入某种元素的热处理工艺。按照渗入元素的不同，化学热处理分为渗碳、渗氮（氨化）、碳氮共渗（氰化）、渗金属等。1.4.3金属材料黑色金属：如钢、铸铁和铁合金等；非铁合金（旧称有色金属）:如铜及其合金、铝及其合金、铅及其合金等。钢分为非合金钢（旧称碳钢）、低合金钢和合金钢三类。1．碳钢碳钢是含碳量小于2．11％的铁碳合金（1）碳素结构钢这类钢的牌号由代表屈服极限的字母“Q”、屈服极限的数值（单位MPa）、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分顺序组成。质量等级按由低到高分为A、B、C、D四级；脱氧方法符号F、b．Z、TZ分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，表示镇静钢的Z一般省略不标。例如，Q235A表示碳素结构钢，屈服极限为235MPa，A级质量，镇静钢。碳素结构钢有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个钢种，其中Q235A钢在化工设备制造中应用广泛。（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号以钢中平均含碳量的万分数（两位数字）表示。如45表示优质碳素结构钢，平均含碳量为万分之四十五，即0.45％。优质碳素结构钢有10、15、20、25、30、35．40、45、55、65、70等，常按含碳量不同分为三类。（1）低碳钢，含碳量C＜0.25％，常用钢号有10、15、20、25等。（2）中碳钢，含碳量C＝0.25％～0.60％，。常用牌号有30、35、40、45、50、55、60等，其中以45钢应用最广。（3）高碳钢，含碳量C＞0.60％，钢的强度和硬度均较高，塑性差，常用来制造弹簧。常用的牌号有60、65、70钢。2．低合金钢低合金钢与合金钢是指在碳钢基础上有目的地加入某些元素所形成的钢种。常加人的元素有Si、Mn、Cr、B、W、V、Ni、Ti、Nb、AI等。目的：为了改善钢的性能，满足使用要求。“低合金”是指钢中含有合金元素总量＜5％.有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460.最常用的是Q345钢.3．合金钢合金钢的牌号通常是由含碳量数字、合金元素符号、合金元素含量数字顺序组成。含碳量数字为两位数时表示平均含碳量的万分数，为一位数时表示平均含碳量的千分数；合金元素含量数字位于合金元素符号之后，通常表示合金元素平均含量的百分数，当合金元素平均含量＜1．5％时不标数字.例如40Cr钢平均含碳量为万分之四十，即0．4％、平均含Cr＜1.5％；ICr18Ni9Ti钢平均含碳量为千分之一，即0.1％、平均含Cr18％、Ni9％。Ti＜1.5％。（l）合金渗碳钢渗碳钢的含碳量为低碳。渗碳钢分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢两类。碳素渗碳钢为低碳钢，常用牌号有15、20等;合金渗碳钢的常用牌号有20Cr、20CrMnTi、20MnVB等，其中20CrMnTi应用最为广泛。（2）合金调质钢调质钢的含碳量为中碳。它是机械零件用钢的主体