化工专业化工原理认识实习指导书

化工专业化工原理认识实习指导书 化工原理教研室编 辽宁石油化工大学 2005 年 3 月 化工专业化工原理认识实习指导书 一、实习性质、目的、内容及方式 通过观看影像资料和实地参观，使学生初步了解有关化工单元操作过程及 设备的概况，获得一个感性认识，为以后学习专业课程打下基础，有利于培养 学生理论联系实际的学风和能力。 二、实习中涉及的理论知识要点 1列管式换热器简介 又称管壳式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换 热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材 料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。 结构 由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成（见 图 1）。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行 换热 的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为 壳程流体。为提高管外流体的 传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板 可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流 程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑， 管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易 结垢的流体。 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。为提 高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流 体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提 高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为 多壳程。多管程与多壳程可配合应用。 类型 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不 同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂， 或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过 50时，需采取适当补偿措 施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下 几种主要类型： 固定管板式换热器 管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只 适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大 而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。 浮头式换热器 管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整 个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广，但结 构比较复杂，造价较高。 U 型管换热器 每根换热管皆弯成 U 形，两端分别固定在同一管板上 下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力， 结构比浮头式简单，但管程不易清洗。 流道的选择 进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：不洁净和 易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；腐蚀性流体宜走管程，以免管束 与壳体同时受腐蚀；压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；饱和蒸 汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；若两流 体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以 减小热应力。 操作强化 当管壁两侧传热分系数相差很大时（如粘度小的液体与气体间 的换热），应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。如果管外传热分系数小， 可采用外螺纹管（低翅片管），以增大管外一侧的传热面积和流体湍动，减小 热阻。如果管内传热分系数小，可在管内设置麻花铁，螺旋圈等添加物，以增 强管内扰动，强化换热，当然这时流体的流动阻力也将增大。 图 1-1 列管式换热器示意图 2板式塔简介 2.1 概述 板式塔为逐级接触式气液传质设备，是最常用的气液传质设备之一。 传质 机理如下所述：塔内液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下层塔板的 受液盘，然后横向流过塔板，从另一侧的降液管流至下一层塔板。溢流堰的作 用是使塔板上保持一定厚度的液层。气体则在压力差的推动下，自下而上穿过 各层塔 板 的 气 体 通 道 （ 泡 罩 、 筛 孔 或 浮 阀 等 ） ， 分 散 成 小 股 气 流 ， 鼓泡通过各 层塔板的液层。在塔板上，气液两相密切接触，进行热量和质量的交换。在板 式塔中，气液两相逐 级 接 触 ， 两 相 的 组 成 沿 塔 高 呈 阶 梯 式 变 化 ， 在 正 常 操 作 下 ， 液 相为连续相，气相为分散相。 一般而论，板式塔的空塔速度较高，因而生 产 能 力 较 大 ， 塔 板 效 率 稳 定 ， 操 作 弹 性 大 ， 且 造 价 低，检修、清洗方便，故工业上应用较为广泛。 图 2-1 板式塔分离装置 2.2 塔板结构 如图 2-2 所示，板式塔为逐级接触式气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、 塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。 操作时，塔内液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下层塔板的受液 盘，然后横向流过塔板，从另一侧的降液管流至下一层塔板。溢流堰的作用是 使塔板上保持一定厚度的液层。气体则在压力差的推动下，自下而上穿过各层 塔 板 的 气 体 通 道 （ 泡 罩 、 筛 孔 或 浮 阀 等 ） ， 分 散 成 小 股 气 流 ， 鼓泡通过各层塔 板的液层。在塔板上，气液两相密切接触，进行热量和质量的交换。在板式塔 中，气液两相逐 级 接 触 ， 两 相 的 组 成 沿 塔 高 呈 阶 梯 式 变 化 ， 在 正 常 操 作 下 ， 液 相 为连续相，气相为分散相。 一般而论，板式塔的空塔速度较高，因而生 产 能 力 较 大 ， 塔 板 效 率 稳 定 ， 操 作 弹 性 大 ， 且 造 价 低，检修、清洗方便，故工业上应用较为广泛。 塔板可分为有降液管式塔板（也称溢流式塔板或错流式塔板）及无降液管式塔 板（ 也称穿流式塔板或逆流式塔板）两类，在工业生产中，以有降液管式塔板 应用最为广泛，在此只讨论有降液管式塔板。 图 2-2 板式塔的结构 塔壳体；塔板；溢流堰； 受液盘；降液管 2.3 塔板类型 2.3.1 泡罩塔板 泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其结构如图片 2-3 所示，它主要由升气 管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。 泡罩有 80、100、150mm 三种尺寸，可根据塔径的大小选择。泡罩的下部周边 开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。 操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层，齿缝浸 没于液层之中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从 中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板 上形成鼓泡层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面 泡罩塔板的单个泡罩 大型泡罩塔盘 图 2-3 泡罩塔板 泡罩塔板的优点是操作弹性较大，塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价高， 板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。泡罩塔板已逐渐被筛板、浮 阀塔板所取代，在新建塔设备中已很少采用。 2.3.2 筛孔塔板 筛孔塔板简称筛板，如图 2-4 所示。塔板上开有许多均匀的小孔，孔径一 般为 38mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保 持一定厚度的液层。 操作时，气体经筛孔分散成小股气流，鼓泡通过液层，气液间密切接触而 进行传热和传质。在正常的操作条件下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体 经筛孔向下泄漏。 筛板的优点是结构简单、造价低，板上液面落差小，气体压降低，生产能 力大，传质效率高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。 图 2-4 筛板塔 应予指出，筛板塔的设计和操作精度要求较高，过去工业上应用较为谨慎。 近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板塔的操作非常精确，故应用 日趋广泛。 2.3.3 浮阀塔板 浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，应用广泛。浮阀的类型很多，国 内常用的有 F1 型、V-4 型及 T 型等。如图 2-5 所示： V-4 型浮阀 F1 型浮阀 T 型浮阀 图 2-5 浮阀塔板 浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下 浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转 90，以限制 阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定 距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上， 在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。 操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，增加了 气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以 足够的气速通过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，开度增大， 使气速不致过大。图 2-6 所示为新型的导向浮阀塔板： 图 2-6 导向浮阀塔盘 浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效 率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作 过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。 2.3.4 喷射塔板 上述几种塔板，气体是以鼓泡或泡沫状态和液体接触，当气体垂直向上穿过液 层时，使分散形成的液滴或泡沫具有一定向上的初速度。若气速过高，会造成 较为严重的液沫夹带，使塔板效率下降，因而生产能力受到一定的限制。为克 服这一缺点，近年来开发出喷射型塔板，大致有以下几种类型： （1）舌型塔板 舌型塔板的结构如图 2-6a 所示，在塔板上冲出许多舌孔， 方向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，有 18、 20、 25三种（一般为 20），舌片尺寸有 5050mm 和 2525mm 两种。舌孔按正 三角形排列，塔板的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管，降液管截面 积要比一般塔板设计得大些。 操作时，上升的气流沿舌片喷出，其喷出速度可达 2030m/s。当液体流过 每排舌孔时，即被喷出的气流强烈扰动而形成液沫，被斜向喷射到液层上方， 喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中，流到下一层塔板。 a 舌形塔板 b 浮舌塔板 图 2-7 喷射型塔板 舌型塔板的优点是：生产能力大，塔板压降低，传质效率较高；缺点是： 操作弹性较小，气体喷射作用易使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，从 而降低塔板效率。 （2）浮舌塔板 如图 2-7b 所示，与舌型塔板相比，浮舌塔板的结构特点 是其舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点， 具有处理能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适宜于热敏性物系的减压 分离过程。 3填料塔简介 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔 身是一直立式圆筒（如图 3-1 所示），底部装有填料支承板，填料以乱堆或整 砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。 液体从塔顶经 液 体 分 布 器 喷 淋 到 填 料 上 ， 并 沿 填 料 表 面 流 下 。 气 体 从 塔 底 送 入 ， 经 气 体 分 布 装 置 （ 小 直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续 通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属 于 连 续 接 触 式 气 液 传 质 设 备 ， 两 相 组 成 沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气 相为连续相，液相为分散相。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的 液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布 不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设 置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层 填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋 到下层填料上。 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等 优点。 填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地 润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料； 对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。 图 3-1 填料塔结构图 三、实习环节安排及注意事项 时间为一周：周一看影像资料，周二至周五下厂参观。 具体安排如下： 序号 实践内容 要求 学时 1 实习动员，观看录像 了解主要单元操作设备结构 1 天 2 抚顺机械厂 参观了解列管换热器内部结构 1 天 3 抚顺石油一厂 参观了解蒸馏装置中主要单元设备， 1 天 4 抚顺化塑厂 参观了解乙苯生产装置中主要单元设备 1 天 5 抚顺洗化厂 参观了解烷基苯和磺化装置的主要单元设备 1 天 注意事项： (1)遵守工厂中有关安全的规定，务必注意安全和防火。 (2)遵守实习纪律，按时上、下班、有事要请假。 (3)在实习车间不得做任何与实习无关的事情。 (4)实习期间，学生必须身穿实习工作服，头戴安全帽。 (5)实行期间，一切行动听从指