1、化工设备概论 化工设备基础知识 化工生产对化工设备的基本要求 化工容器结构与分类化工设备基础知识一、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
2、压力小于0.7kg.f/cm2）、低压设备（操作压力在0.716kg.f/cm2之间）、中压设备（操作压力在16100kg.f/cm2之间、高压设备（操作压力在1001000kg.f/cm2之间）和超高压设备（操作压力大于1000kg.f/cm2）。化工生产对化工设备的基本要求化工生产是以流程性物料（气体、液体、粉体）为原料，以化学处理和物理处理为手段，以获得设计规定的产品为目的的工业生产。化工生产过程不仅取决于化学工艺过程，而且与化工机械装备密切相关。化工机械是化工生产得以进行的外部条件。如介质的化学反应，由反应器提供符合反应条件要求的空间；质量传递通常在塔设备中完成；热量传递一般在换热器中
3、进行；能量转换由泵、压缩机等装置承担。同时化工机械技术的发展和进步，又能促进新工艺的诞生和实施，如大型压缩机和超高压容器的研制成功，使人造金刚石的构想变为现实，使高压聚合反应得以实现。所以，先进的化工机械，一方面为化学工艺过程服务，另一方面又促进化学工艺过程的发展。化工机械通常分为化工设备和化工机器两大类，化工设备指静止设备，如各种塔器、换热器等；化工机器指动设备，如各种压缩机、泵等。本课主要介绍化工设备。一、化工生产的特点与其他工业生产相比，化工生产具有其自身的特点。1.生产的连续性强由于化工生产所处理的大多是气体、液体和粉体，便于输送和控制，处理过程如传质、传热、化学反应可连续进行，为了提
4、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。在连续性的过程中，每一生产环节都非常重要，若出现事故，将破坏连续性生产。2.生产的条件苛刻（1）介质腐蚀性强化工生产过程中，有很多介质具有腐蚀性。例如，酸、碱、盐一类的介质，对金属或非金属物件的腐蚀，使机器与设备的使用寿命大为降低。腐蚀生成物的沉积，可能堵塞机器与设备的通道，破坏正常的工艺条件，影响生产的正常进行。（2）温度和压力变化大根据不同的工艺条件要求，介质的温度和压力各不相同。介质温度从深冷到高温，压力从真空到数百兆帕。使得有的设备要承受高温或高压，有的设备要承受低温或低压。温度和压力的不同，影响到设备的工作条件和材料选择。（3
5、）介质大多易燃易爆有毒性化工生产过程中，有不少介质是容易燃烧和爆炸的，例如氨气、氢气、苯蒸气等均属此类。还有不少介质有较强的毒副作用，如二氧化硫、二氧化氮、硫化氢、一氧化碳等。这些易燃、易爆、有毒性的介质一旦泄漏，不仅会造成环境的污染，而且还可能造成人员伤亡和重大事故的发生。（4）生产原理的多样性化工生产过程按作用原理可分为质量传递、热量传递、能量传递和化学反应等若干类型。同一类型中功能原理也多种多样，如传热设备的传热过程，按传热机理又可分为热传导、对流和辐射。故化工设备的用途、操作条件、结构形式也千差万别。（5）生产的技术含量高现代化工生产既包含了先进的生产工艺，又需要先进的生产设备，还离不
6、开先进的控制与检测手段。因此，生产技术含量要求高。并呈现出学科综合，专业复合，化、机、电一体化的发展势态。二、化工生产对化工设备的基本要求（一）安全性能要求1.足够的强度材料强度是指载荷作用下材料抵抗永久变形和断裂的能力。屈服点和抗拉强度是钢材常用的强度判据。过程设备是由材料制造而成的，其安全性与材料强度紧密相关。在相同设计条件下，提高材料强度，可以增大许用应力，减薄过程设备的壁厚，减轻重量、便于制造、运输和安装，从而降低成本，提高综合经济性。对于大型过程设备，采用高强度材料的效果尤为显著。2.良好的韧性韧性是指材料断裂前吸收变形能量的能力。由于原材料制造（特别是焊接）和使用（如疲劳、应力腐蚀
7、）等方面的原因，化工设备的构件常带有各种各样的缺陷，如裂纹、气孔、夹渣等。如果材料韧性差，就可能因其本身的缺陷或在波动载荷作用下发生脆性破断。3.足够的刚度和抗失稳能力刚度是过程设备在载荷作用下保持原有形状的能力。刚度不足是过程设备过度变形的主要原因之一。例如，螺栓、法兰和垫片组成的连接结构，若法兰因刚度不足而发生过度变形，将导致密封失效而泄漏。4.良好的抗腐蚀性过程设备的介质往往是腐蚀性强的酸、碱、盐。材料被腐蚀后，不仅会导致壁厚减薄，而且有可能改变其组织和性能。因此，材料必须具有较强的耐腐蚀性能。5.可靠的密封性密封性是指化工设备防止介质泄漏的能力。由于化工生产中的介质往往具有危害性，若发
8、生泄漏不仅有可能造成环境污染，还可能引起中毒、燃烧和爆炸。因此密封的可靠性是化工设备安全运行的必要条件。（二）工艺性能要求1.达到工艺指标化工设备都有一定的工艺指标要求，以满足生产的需要。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。工艺指标达不到要求，将影响整个过程的生产效率，造成经济损失。2.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。如换热器在单位时间单位传热面积的传热量、反应器在单位时间单位容积内的产品数量等。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）。设计时应从工艺、结构等方面来考虑提高化工
9、设备的生产效率和降低消耗。（三）使用性能要求1.结构合理、制造简单化工设备的结构要紧凑、设计要合理、材料利用率要高。制造方法要有利于实现机械化、自动化，有利于成批生产，以降低生产成本。2.运输与安装方便化工设备一般由机械制造厂生产，再运至使用单位安装。对于中小型设备运输安装一般比较方便，但对于大型设备，应考虑运输的可行性，如运载工具的能力、空间大小、码头深度、桥梁与路面的承载能力、吊装设备的吨位等。对于特大型设备或有特殊要求的设备，则应考虑采用现场组装的条件和方法。3.操作、控制、维护简便化工设备的操作程序和方法要简单，最好能设有防止错误操作的报警装置。设备上要有测量、报警和调节装置，能检测流
10、量、温度、压力、浓度、液位等状态参数，当操作过程中出现超温、超压和其他异常情况时，能发出警报信号，并可对操作状态进行调节。（四）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。化工容器结构与分类 一、化工容器的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
11、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，故化工容器通常为压力容器。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1-1-1。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接（焊接）两种，可拆连接一般采用法兰连接方式。
12、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时可拆连接以及人孔、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
13、、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。二、化工容器与设备的分类从不
14、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。（一）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 P 1.6MPa；中压（代号M）容器1.6MPa P 10.0MPa； 高压（代号H）容器10.0MPa 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0.1MPa）时又称为真空容器。（二）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
15、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。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。（三）按相对壁厚分按容器的壁厚可分为薄壁容器和厚壁
16、容器，当筒体外径与内径之比小于或等于1.2时称为薄壁容器，大于1.2时称厚壁容器。（四）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。（五）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。 （六）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。（七）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
17、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 乘积大于等
18、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（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）；（11）、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。上述压力容器分类方法综合考虑了设计压力、几何容积、材料强度、应用场合和介质危害程度等影响因素，分类方法比较科学合理。
