化工设备设计概述

第六章化工设备设计概述一、容器的结构与分类四、容器机械设计的基本要求二、容器零部件的标准化三、压力容器的安全监察一、容器的结构与分类图6-1压力容器的总体结构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—液面计一、容器的结构与分类•1.按容器的作用原理–⑴反应设备–主要是用来完成介质的物理、化学反应的设备。如：反应器、发生器、反应釜、聚合釜、高压釜、分解塔、合成塔、变换炉等。–⑵换热设备–主要是用来完成介质的热量交换的设备。如：热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、废热锅炉等。–⑶分离设备–主要是用来完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等的设备。如：分离器、过滤器、缓冲器、洗涤器、吸收塔、干燥塔等。–⑷贮运设备–主要是用来盛装生产和生活用的原料气体、液体、液化气体等。如：各种贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。一、容器的结构与分类•2.按容器形状分类–⑴方形和矩形容器–由平板焊成，制造简单，但承压能力差，只用作小型常压贮槽。–⑵球形客器–由数块弓形板拼焊而成，承压能力好，但由于安装内件不便和制造稍难，一般多用作贮罐。–⑶圆筒形容器–由圆柱形简体和各种回转形成型封头(半球形、椭球形、碟形、圆锥形)或平板封头所组成。作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，因此这类容器应用最广。MPaMPaMPaMPaMPa100100~1010~6.16.1~1.01.0超高压高压中压低压常压内压容器3.按承压性质和能力分类设计压力通常为低压外压容器:一、容器的结构与分类一、容器的结构与分类•4.按壁温分类•⑴常温容器–指壁温高于-20℃至200℃条件下工作的容器；•⑵高温容器–指壁温达到材料蠕变温度下工作的容器。对碳家钢或低合金钢容器，温度超过420℃，合金钢（如Cr-Mo钢）超过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃，均属高温容器；•⑶中温容器–指壁温在常温和高温之间的容器；•⑷低温容器–指壁温低于-20℃条件下工作的容器。其中低于-20℃至-40℃者为浅冷容器，低于-40℃者为深冷容器。一、容器的结构与分类•5.按结构材料分类–金属容器：目前应用最多的是低碳钢和普通低合金钢制的容器。在腐蚀严重或产品纯度要求高的场合，使用不锈钢、不锈复合钢板或铝、银、钴等制的容器，在深冷操作中，可用铜或铜合金。而承压不大的塔节或容器，可用铸铁。–非金属材料既可作容器的衬里，又可作独立的构件。常用的有硬聚氯乙烯、玻璃。钢、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷以及砖、板、花岗岩、橡胶衬里等。一、容器的结构与分类•6.按综合安全管理分类•《压力容器安全技术监察规程》-99版，根据容器压力的高低、介质的危害程度以及在使用中的重要性，将压力容器分为以下三类：•A.三类容器。符合下列情况之一者为三类容器：–(1)高压容器；–(2)中压容器(毒性程度为极度和高度危害介质)；–(3)中压贮存容器(易燃或毒性程度为中度危害介质，且设计压力与容积之积pV≥10MPa·m3)；–(4)中压反应容器(易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV≥0.5MPa·m3)；–(5)低压容器(毒性程度为极度和高度危害介质，且pV≥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(抗拉强度规定值下限≥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（气体、低温液体或永久气体运输车）和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体等）；–(10)球形贮罐(容积V≥50m3)；–(11)低温液体贮存容器(V≥5m3)。一、容器的结构与分类•6.按综合安全管理分类•B.二类容器。符合下列情况之一且不在第1款之内者为二类容器：–(1)中压容器；–(2)低压容器(毒性程度为极度和高度危害介质)；–(3)低压反应容器和低压贮存容器(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。•C.一类容器。低压容器且不在第1、第2款之内者。•注：化学介质毒性程度和易燃介质的划分可参照有关规定。二、容器零部件的标准化•1.标准化的意义就广义而言，从产品的设计、制造、检验和维修等许多方面来看，标准化是组织现代化生产的重要手段之一。–实现标准化，有利于成批生产，缩短生产周期、提高产品质量，降低成本，从而提高产品的竞争能力。标准化为组织专业化生产提供了有利条件。–有利于合理地利用国家资源，节省原材料，能够有效地保障人民的安全与健康；采用国际性的标准化，可以消除贸易障碍提高竞争能力，实现标准化可以增加零部件的互换性。–有利于设计、制造、安装和检修，提高劳动生产率。–我国有关部门已经制定了一系列容器零部件的标准。例如封头、法兰、支座、人孔、手孔和视镜等。二、容器零部件的标准化•2.容器零部件标准化的基本参数•容器零部件标准化的基本参数是公称直径DN和公称压力PN。•⑴公称直径•钢板卷制的筒体和成形封头来说，公称直径是指它们的内径；•无缝钢管做容器筒体时公称直径是指无缝钢管的外径。•管子的公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管子外径的一个数值。只要管子的公称直径一定，外径也就确定了。而管子的内径则根据壁厚的不同有多种尺寸，它们大都接近于管子的公称直径。–【补充】对于法兰来说，它的公称直径是指与它相配的筒体或管子的公称直径。例如，公称直径为200mm的管法兰，指的是联接公称直径为200mm管子用的管法兰。公称直径是1000mm的压力容器法兰，指的是公称直径为1000mm容器筒体和封头用的法兰。•⑵公称压力–容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以PN表示，单位MPa。二、容器零部件的标准化300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000•卷制压力容器公称直径系列159219273325377426•无缝钢管做筒体的公称直径系列三、压力容器的安全监察•1.安全监察的必要性–应用广泛、特殊、事故率高、危害性大，一旦发生破坏会导致爆炸、介质泄漏等灾难性事故，因此必须纳为特种设备进行管理。•2.压力容器相关的法规和标准–法规性规定：具有强制性•《特种设备安全监察条例》2003年–锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施•《压力容器安全技术监察规程》－1999–最高工作压力PW≥0.1MPa（表压，不包括液柱静压力）–内直径（非圆形截面则指断面最大尺寸）Di≥150mm，且容积V≥0.025m3–介质为气体、液化气体或最高工作温度高于标准沸点的液体•《钢制压力容器》GB150－1998–技术性标准、规定•材料；零部件；产品型式、参数；有关化工与石油化工单元设备的标准三、压力容器的安全监察•3.压力容器法规、标准技术资料之间的相互关系三、容器机械设计的基本要求•1.强度：强度就是容器抵抗外力破坏的能力。•2.刚度：刚度是指构件抵抗外力使其发生变形的能力。•3.稳定性：是指容器或构件在外力作用下维持其原有形状的能力。•4.耐久性：化工设备的耐久性是根据所要求的使用年限来决定的。化工设备的设计使用年限一般为10年～15年。•5.密封性•6.节省材料和便于制造•7.方便操作和便于运输•8.技术经济指标合理–化工设备的主要技术经济指标包括单位生产能力、消耗系数、设备价格、管理费用和产品总成本等五项。单位生产能力是指化工设备每单位体积、单位重量或单位面积在单位时间内所能完成的生产任务。单位生产能力愈高愈好。