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化工静设备基础知识 机械维修公司 1 目录 一 化工生产及特点二 化工设备的概念三 压力容器及分类四 反应设备五 塔设备六 换热设备七 储存压力容器及其它设备 2 一 化工生产及特点 化工生产与每个公民的生活息息相关 大到国防 航天 火箭 小到涉及到每一个人的衣 食 住 行等等 在当今的信息化时代 化工生产任在国民经济中占有很大的比例 可以说 化工生产的水平的高低是衡量一个国家综合国力的表现 化工生产尤其重要 其本身又具有其以下特点 生产的连续性很强介质的腐蚀性强 设备维护难度大原料品种多 大多是危险化学品工艺条件苛刻 温度和压力的变化大单元操作多 设备种类复杂生产技术含量高 管理难度大 3 二 化工设备的概念 化工设备指主要作用部件是静止的或者只有很少运动的机械 如各种容器 槽 罐等 反应釜 换热器 塔器 普通干燥器 蒸发器 反应炉 电解槽 结晶设备 吸附设备 普通分离设备以及离子交换设备等 又称 静设备 化工机器 化工机械 指主要作用部件为运动的机械 如各种粉碎机 过滤机 离心分离机 旋转窑 搅拌机 旋转干燥机以及流体输送机械等 又称 动设备 4 化工设备 1 各种物料泵2 各种风机3 各种空压机4 各种冷冻机5 各种真空泵 动设备 静设备 1 常压容器2 压力容器 5 三 压力容器及分类 压力容器一般是指在工业生产中用来完成反应 传热 传质 分离 贮存等工艺过程 并承受0 1MPa表压以上压力的密闭容器 特种设备安全监察条例 中明确指出压力容器的定义为 压力容器 是指盛装气体或者液体 承载一定压力的密闭设备 其范围规定为最高工作压力大于或者等于0 1MPa 表压 且压力与容积的乘积大于或者等于2 5MPa L的气体 液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器 盛装公称工作压力大于或者等于0 2MPa 表压 且压力与容积的乘积大于或者等于1 0MPa L的气体 液化气体和标准沸点等于或者低于60 液体的气瓶 氧舱等 压力容器的定义 6 压力容器的基本组成 7 压力容器主要由筒体 封头 密封装置 开孔接管 支座及安全附件这六大部件即构成了一台压力容器的外壳 对于储存用的容器 这一外壳即为容器本身 对于用于化学反应 传热 分离等工艺过程的容器 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 压力容器分类 介质危害性指介质的毒性 易燃性 腐蚀性 氧化性等 其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性 A 毒性 8 B 易燃性可燃气体或蒸汽与空气的混合物遇着明火能够发生爆炸的浓度范围称爆炸浓度极限 爆炸时的最低浓度称为爆炸下限 最高浓度称为爆炸上限 爆炸极限一般用可燃气体或蒸汽在混合物中的体积分数表示 爆炸下限小于10 或爆炸上限和下限之差值大于等于20 的介质 一般称为易燃介质 按压力等级分类按承压方式可分为内压容器与外压容器 内压容器又可按设计压力分为四个等级 9 按容器在生产中的作用分类按根据压力容器在生产工艺过程中的作用 可分为反应压力容器 换热压力容器 分离压力容器 储存压力容器4种 10 11 按安装方式分类固定式压力容器 移动式压力容器 移动式压力容器 12 按安全技术管理分类TSGR0004 2009 固定式压力容器安全技术监察规程 根据介质 设计压力和容积三个因素进行压力容器分类 共分三类压力容器 1 第一组介质 毒性程度为极度危害 高度危害的化学介质 易爆介质 液化气体 2 第二组介质 除第一组以外的介质 a 对于第一组介质 压力容器的分类见图A 1 b 对于第二组介质 压力容器的分类见图A 2 13 14 图A 1压力容器类别划分图 第二组介质 15 四 反应设备 反应设备概述在器内实现一个或几个化学反应 并使反应物通过化学反应转变为反应产物的设备 称为反应设备 16 反应器分类按聚集状态分类 反应器 均相 非均相 气相反应器 石油烃裂解的管式炉就是气相反应器 液相反应器 如生产乙酸乙酯的设备就是液相反应器 气 液 苯烃化制乙苯是采用气 液相反应器气 固 乙烯直接氧化制环氧乙烷是采用气 固相反应器液 液液 固气 液 固 17 按反应器结构形式分类 移动床 18 釜式搅拌反应器 19 槽形 釜式 反应器 主要用于液相均相 液相非均相或气液相反应 可间歇操作 也可连续操作 由壳体 搅拌器和换热装置等组成 塔式反应器 指高径比较大的反应设备 广泛用于气 液相反应 液 液相反应 管式反应器 用于气相或液相连续反应 由于管子能承受较高的压力 用于加压下的反应尤为适合 固定床反应器 流体通过静态催化剂颗粒进行反应的反应器 多用于气 固相反应 一般固体为催化剂 气体为反应物料 流化床反应器 固体在反应器内呈流化状态 主要用于气 固相催化反应 移动床反应器 固体颗粒自反应器顶部连续加入 自上而下移动 由底部卸出 反应流体与颗粒成逆流接触 20 机械搅拌式反应器搅拌容器又称搅拌罐 它由罐体 夹套和附件等构成 其中罐体和夹套均包括筒体 上封头和下封头 附件包括各管接头 仪表 人孔和支座等 搅拌容器的主要作用是为反应物料提供容积 并为反应过程提供温度和压力 21 管式反应器管式反应器的应用条件 需要的反应时间较长 反应过程放出或吸入的热量较大 或反应过程在高温 高压条件下进行 一种呈管状 长径比很大的连续操作反应器 这种反应器可以很长 如丙烯二聚的反应器管长以公里计 反应器的结构可以是单管 也可以是多管并联 可以是空管 如管式裂解炉 也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管 以进行多相催化反应 22 水平管式反应器 盘管式反应器 23 多管并联管式反应器 24 塔式反应器塔式反应器是指高径比较大的反应设备 广泛应用于气 液相反应和液 液相反应 在气液相反应过程中 至少有一种反应物在气相 另一些反应物则在液相 气相中的反应物必须传递至液相 在液相中发生化学反应 有时 反应物都存在于气相 它们一齐传递到催化剂溶液中进行反应 气液相反应属于非均相反应过程 处理气液相反应过程的反应器称为气液相反应器 填料塔反应器 25 板式塔反应器 回流的作用 26 喷淋塔反应器 喷淋塔反应器结构较为简单 液体以细小液滴的方式分散于气体中 气体为连续相 液体为分散相 具有相接触面积大和气相压降小等优点 适用于瞬间 界面和快速反应 也适用于生成固体的反应 喷淋塔反应器具有持液量小和液侧传质系数过小 气相和液相返混较为严重的缺点 27 鼓泡塔反应器 塔式反应器特征 反应器高度为直径的数倍以至十几倍 内部常设置能增加两相接触的构件 如填料 筛板等 适用于两种流体相反应的过程 如气液反应 液液反应 28 固定床反应器催化剂以固相装填在反应器内 反应物流以气相或液相通过催化剂床层 在催化剂表面进行化学反应的装置称固定床反应器 固定床反应器在石油加工 石油化工工业应用十分广泛 例如 乙烯氧化制环氧乙烷 乙苯脱氢制苯乙烯等都在固定床反应器中进行 特征 反应器内填充有固定不动的固体颗粒 可以是催化剂 也可以是固体反应物 适用于气固催化反应 固相加工反应 应用非常广泛 29 固定床反应器根据换热方式不同 可分为三种型式 1 换热式固定床反应器 列管式固定床反应器 特点 1 结构型式类似于列管式换热器 2 管内装填催化剂 反应物料自上而下通过床层 管间为载热体 与管内物料进行换热 以维持所需的温度条件 30 优点 1 返混小 流体同催化剂可进行有效接触 当反应伴有串联副反应时可得较高选择性 2 催化剂机械损耗小 3 结构简单 缺点 1 传热差 反应放热量很大时 即使是列管式反应器也可能出现飞温 反应温度失去控制 急剧上升 超过允许范围 2 操作过程中催化剂不能更换 催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用 常代之以流化床反应器或移动床反应器 固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状 网状催化剂早已应用于工业上 目前 蜂窝状 纤维状催化剂也已被广泛使用 31 2 绝热式固定床反应器 绝热式固定床反应器 特点 1 床层与外界没有热量交换 2 结构简单 造价低廉 但适用热效应不大或催化剂对温度要求不高的反应 32 特点 流体沿轴向自上而下流经床层 床层同外界无热交换 特点 流体沿径向流过床层 可采用离心流动或向心流动 床层同外界无热交换 33 3 自热式固定床反应器以冷的原料作为载热体 使冷原料本身预热到反应所需的温度 然后进入床层进行反应 自热式固定床反应器 使用前提 放热反应 热量大致平衡 34 固定床反应器的特点 1 固定床反应器之所以成为气固相催化反应器的主要型式 是和它具有的下述优点分不开的 2 床层极薄 流速很低 床层内流体轴向流动可看成理想置换流动 因而化学反应速度快 因此 为完成同样生产任务 所需要的催化剂用量和反应器体积小 3 流体停留时间可以严格控制 温度分布可以适当调节 因而有利于提高化学反应的转化率和选择性 固定床中催化剂不易磨损 可在高温高压下操作 35 流化床反应器特征 反应器内固体粒子可以象流体一样被流化起来 适用于气固 液固 气液固反应 Eg 催化剂快速失活需立即再生的 催化裂化装置 强放热反应 丙烯氨氧化 萘氧化 丁烯氧化脱氢 固相加工反应 黄铁矿 闪锌矿的焙烧 石灰石的煅烧等 1 流化床工作原理 气体从反应器底部的气体分布板 分布管进入 将反应器床层上固体催化剂颗粒流化如液体沸腾状 在流化状态中进行反应 36 2 流化床反应器的结构流化床由浓相段 稀相段和扩大段三部分组成 流化床的下部称为浓相段 或称密相段 化学反应主要在此段进行 在浓相段部装有气体分布板 它有以下作用 支承床层上的催化剂或其它固体颗粒 分流作用 使气体通过分布板的孔均匀分布在床层的整个截面上 造成良好的起始流化床稀相段也装有冷却水管 目的是将反应温度降至规定的温度以下 以终止反应 稀相段之上为扩大段 扩大段内装有旋风分离器 以分离并回收被反应气体带走的催化剂细粒 37 移动床反应器当催化剂由于积炭而迅速失活时 可以在移动床反应器中周期性地或连续地使催化剂缓缓离开反应器去再生 然后通过机械传送或气动传输返回反应器 移动床中催化剂的磨损比流化床少 但由于混合不均匀以及传热性能差 不适于放热反应 这类反应器应用于石油炼制中的催化裂化 后来又推广到连续再生的催化重整工艺中 在反应器外再生催化剂 避免了为再生使工业装置频繁停工 并可使催化剂在更为苛刻的条件下工作 38 移动床反应器 鲁奇炉 特征 固体颗粒自反应器顶部连续加入 自上而下移动 由底部卸出 反应流体与颗粒成逆流接触 适用 催化剂需要连续再生的催化反应 固相加工反应 39 五 塔设备 塔设备简介塔设备是能够实现蒸馏和吸收两种分离操作的气液传质设备 广泛地应用于化工 石油化工 石油等工业中 其结构形式基本上可以分为板式塔和填料塔两大类 虽然这两种塔既能用于蒸馏操作也适用于吸收操作 但在工业生产中 当处理量大时多采用板式塔 而当处理量小时多采用填料塔 当然也有例外 对于一个具体地工艺过程 选用何种塔型为宜 尚需根据两类塔型各自地特点和工艺本身地要求而定 塔设备的分类 塔设备的形式很多 为了便于比较和选择 将塔设备进行分类 分类方式有很多种 按操作压力分 常压塔 减压塔和加压塔 按所完成的工艺过程分 精馏塔 吸收塔 解析塔 萃取塔 反应塔和干燥塔 按塔内件结构分 板式塔 填料塔 40 塔设备的总体结构塔设备的总体结构有内件 塔体 支座 人孔或手孔 除沫器 接管 吊柱 扶梯 操作平台等 a 塔体 外壳 由圆筒 等径或不等径 上 下封头构成 工作时承受内压或外压及温度 风载荷 地震载荷 偏置构件的偏心重力载荷等 b 支座 塔设备高大沉重 一般采用裙式支座 c 人孔 不同的塔设备 人孔或手孔的结构及位置等也不相同 d 接管 有进 出液管 进 出气管 回流管 取样管 仪表管 液位计管等 e 除沫器 用于捕集夹带在气流中的液滴 f 吊柱 安装于塔顶 用于安装 检修时吊运塔内件 41 注 板式塔和填料塔除内件以外 其余构件是大致相同的 吊柱 气体出口 回流管 集油箱 进料管 塔盘 保温支持 防涡流板 出料口 裙座 气体入口管 壳体 人孔 梯子平台 破沫器 回流液体分布管 液体分布器 填料压圈 填料 填料支承 液体收集器 液体再分布器 气体分布管 42 填料塔与板式塔的比较 43 填料塔 板式塔 44 填料塔以填料作为气 液接触和传质的基本构件 液体在填料表面呈膜状自上而下流动 气体呈连续相自下而上与液体作递向流动 并进行气 液两相间的传质和传热 两相的组分浓度和温度沿塔高连续变化 填料塔属于微分接触型的气 液传质设备 A 散装填料安装以乱堆为主的填料 也可以整砌 具有一定外形的颗粒体 根据形状分为 环形 鞍形及环鞍形 45 46 47 48 B 规整填料在塔内按均匀的几何图形规则 整齐地堆砌的填料 49 规整填料塔示意图 50 板式塔以塔板作为气 液接触和传质的基本构件 液体自上而下流入各层塔板 形成液池 气体以鼓泡或喷射的形式自下而上穿过各层塔板的筛孔 液池 使气 液两相密切接触而传质和传热 两相的组分浓度呈阶梯式变化 板式塔属于逐级接触型的气 液传质设备 51 1 各种塔板的特点 52 2 板式塔性能比较 53 54 55 板式塔示意图 塔体 进口堰 受液盘 降液管 塔板 出口堰 56 除沫器 57 裙座 塔体 无保温时排气孔 裙座筒体 人孔 螺栓座 基础环 有保温时排气孔 引出管通道 排液孔 保温支撑圈 58 填料塔与板式塔的比较对于许多逆流气液接触过程 填料塔和板式塔都是可以适用的 必须根据具体情况进行选用 填料塔和板式塔有许多不同点 了解这些不同点对于合理选用塔设备很有帮助 填料塔操作范围较小 特别是对于液体负荷变化更为敏感 当液体负荷较小时 填料表面不能很好地润湿 传质就效果急剧下降 当液体负荷过大时 则容易产生液泛 设计良好的板式塔 则具有大得多的操作范围 填料塔不宜于处理易聚合或含有固体悬浮物的物料 而某些类型的板式塔 如大孔径筛板 泡罩塔等 则可以有效地处理这种物质 另外 板式塔的清洗亦比填料塔方便 当气液接触过程中需要冷却以移除反应热或溶解热时 填料塔因涉及液体均布问题而使结构复杂化 板式塔可方便地在塔板上安装冷却盘管 同理 当有侧线出料时 填料塔也不如板式塔方便 59 以前乱堆填料塔直径很少大于0 5m 后来又认为不宜超过1 5m 根据近10年来填料塔的发展状况 这一限制似乎不再成立 板式塔直径一般不小于0 6m 关于板式塔的设计资料更容易得到而且更为可靠 因此板式塔的设计比较准确 安全系数可取得更小 当塔径不很大时 填料塔因结构简单而造价便宜 对于易起泡物系 填料塔更适合 因填料对泡沫有限制和破碎的作用 对于腐蚀性物系 填料塔更适合 因可采用瓷质填料 对热敏性物系宜采用填料塔 因为填料塔内的滞液量比板式塔少 物料在塔内的停留时间短 填料塔的压降比板式塔小 因而对真空操作更为适宜 60 六 换热设备 换热器简介在炼油 化工生产中 绝大多数的工艺过程都有加热 冷却和冷凝的过程 这些过程总称为换热过程 传热过程的进行需要一定的设备来完成 这些使传热过程得以实现的设备就称之为换热设备 据统计 在化工厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资的35 40 因为绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热量的变化密切相关 如反应过程中 有的要放热 有的要吸热 要维持反应的连续进行 就必须排除多余的热量或补充所需的热量 工艺过程中某些废热或余热也需要加以回收利用 以降低成本 61 衡量换热器的指标传热效率要高 结构要紧凑 要节省材料 流体在设备中的阻力要小 即压力降要小 要求结构可靠 制造成本低 便于安装 检修 使用周期长 由于要全部满足上述要求是非常困难的 因而产生了各种各样的换热器 以适应各种特定的工艺条件 62 换热器分类 1 按传热方式可分为 直接接触式 蓄热式 间壁式 2 按其工艺用途可分为 冷却器 cooler 冷凝器 condenser 加热器 一般不发生相变 heater 蒸发器 发生相变 evaporator 再沸器 reboiler 废热锅炉 wasteheatboiler 3 按材料分类 分为金属材料和非金属材料换热器 63 直接接触式换热器 64 蓄热式换热器 65 管式换热器 板式换热器 66 列管式换热器的基本结构形式1 列管式换热器的主要结构 壳体 管箱 管板 换热管 折流挡板以及其它附件组成 2 列管式换热器的工作原理 低温流体 蓝色 由管箱进入换热管 高温流体 红色 在管外流动 由于两种流体存在温度差 于是通过管壁进行热量交换 67 68 69 70 列管式换热器的主要类型 71 1 固定管板式换热器A 结构特点 两块管板均与壳体相焊接 并加入了热补偿原件 膨胀节 B 优点 结构简单 紧凑 能承受较高的压力 造价低 管程清洗方便 管子损坏时易于堵管或更换 C 缺点 不易清洗壳程 壳体和管束中可能产生较大的热应力 D 适用场合 适用于壳程介质清洁 不易结垢 管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合 72 具有补偿圈的固定管板式换热器 73 带补偿圈的列管式换热器工作示意图 74 固定管板式换热器结构图1 排气口2 封头3 法兰4 管板5 排气口6 壳体7 列管8 支座9 定距管10 折流板11 膨胀节12 壳体接管13 排气口14 封头接管15 封头16 排气口17 法兰18 管板19 排液口20 支座21 接管22 排液口23 入口管 75 a 固定管板式换热器b 带膨胀节的固定管板式换热器c d 浮头式换热e U形管式换热器 76 2 浮头式换热器两端的管板 一端不与壳体相连 可自由沿管长方向浮动 当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时 管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩 可完全消除热应力 特点 结构较为复杂 成本高 消除了温差应力 是应用较多的一种结构形式 77 图6 2浮头式换热器1 吊环 2 平盖板 3 法兰 4 接口 5 管线接管 6 分程板 7 壳体 8 排气口 9 接管 10 接管 11 封头 12 接管 13 排气口 14 接管 15 支座 16 内封头 17 堰板 18 吊耳 19 浮头衬托 20 浮动管板 21 列管 22 折流板 23 定距管 24 支座 25 接管 26 排液口 27 法兰 28 固定管板 29 法兰 30 排液口 31 接管 32 管箱 78 浮头式列管换热器工作示意图 79 3 U形管式换热器把每根管子都弯成U形 两端固定在同一管板上 每根管子可自由伸缩 来解决热补偿问题 特点 结构较简单 管程不易清洗 常为洁净流体 适用于高压气体的换热 80 U型管式列管换热器工作示意图 81 4 填料函式换热器一端可以自由滑动 但密封是靠填料函 结构比浮头稍简单 在壳程流体压力较高时 它易泄漏 特别对于易燃 易爆 易挥发有毒的流体是不适合的 化工厂内很少应用 填料函式换热器 活动管板 填料压盖 填料 填料函 纵向隔板 82 填料函式换热器 83 5 列管式换热器的常见故障与处理方法 84 板式换热器 平板式换热器冷热流体在板片的两侧流过 通过板片换热 板上可被压制成多种形状的波纹 可增加刚性 提高湍动程度 增加传热面积 易于液体的均匀分布 优点 传热效率高 总传热系数大 结构紧凑 操作灵活 安装检修方便 缺点 耐温 耐压性较差 易渗漏 处理量小 85 板式换热器工作示意图 86 87 板式换热器 88 板翅式换热器板翅式换热器是一种传热效果好 更为紧凑的板式换热器 板翅式换热器的基本结构 是由于平隔板和各种型式的翅片构成板束组装而成 在两块平行薄金属板 平隔板 间 夹入波纹状或其他形状的翅片 两边以侧条密封 即组成为一个单元体 各个单元体又以不同的叠积适当排列 并用钎焊固定 成为常用的逆流或错流式板翅式换热器组装件 或称为板束 再将带有集流进出口的集流箱焊接到板束上 就成为板翅式换热器 优点 结构高度紧凑 传热效率高 允许较高的操作压力 缺点 制造工艺复杂 检修清洗困难 89 板翅式换热器 90 螺旋板式换热器工作示意图 91 七 储存压力容器及其它设备 卧式圆柱形储罐卧式圆柱形储罐简称卧式储罐或卧罐 可分为地面卧式储罐与地下卧式储罐 92 卧式圆柱形储罐 93 立式平底筒形储罐这类固定式储罐属于大型仓储式常压或低压存储设备 主要用于储存压力不大于0 1MPa的消防水 石油 汽油等常温条件下饱和蒸汽压较低的物料 可分为固定顶储罐和浮顶储罐 94 立式平底筒形储罐 95 进料口 进料口 出料口 安装液位计 人孔 96 球形储罐 97 南极板 立杆 顶部平台 北极板 赤道带板 螺旋盘梯 上温带板 中间平台 支柱 下温带板 98 球形储罐 99 压力容器的安全附件压力容器的安全附件是为防止容器超温 超压 超负荷而装设在设备上的一种安全装置 压力容器的安全附件较多 但最常用的安全附件有安全泄压装置 安全阀 爆破片 防爆帽 压力表 液位计等 安全泄压装置安全泄压装置是为保证压力容器安全运行 防止它超压的一种器具 常见的安全泄压装置有安全阀 爆破片和防爆帽 功能 当容器在正常工作压力下运行时 保持严密不漏 若容器内压力一旦超过规定 则能自动地 迅速地排泄出器内的介质 使设备的压力始终保持在许用压力范围以内 一