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化工设备基础 主讲王松竹 二 九年九月 模块一化工设备基础知识 任务二化工生产与化工设备的关系 任务三化工生产对化工设备的基本要求 新内容简介 任务四化工容器的结构与分类 任务一课程知识构架及学习目标 理论知识化工设备基本知识化工设备力学基础机械传动与联接 自学 压力容器塔设备换热器搅拌反应釜化工管路 一 知识构架 实验内容 碳钢热处理实验 拉伸 压缩实验 水压试验4 外压容器失稳实验 任务一课程知识构架及学习目标 二 学习目标1 了解材料 工程结构 力学和机械传动与联接方面的基本知识 掌握常用化工设备的结构 性能特点 应用3 初步掌握化工设备结构和设计的基本知识 课程安排与要求 一 课程安排 68学时 1 实验 3 4次2 平时作业3 课堂提问4 实验报告 二 要求 1 实验 平时作业不能缺 否则没成绩 2 课堂纪律不能旷课否则没成绩3 良好学风4 学习方法课前预习 课后复习完成一定数量的习题学会知识的综合应用 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 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在换热器中进行能量转换由泵 压缩机等装置承担化工机械技术的进步能促进新工艺的诞生和实施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成为现实 化工工艺发展不断要求新装备 任务二化工生产与化工机械设备的关系 化工过程 对原料进行化学和物理加工 以获得有利产品的过程 设备 完成某种单元过程的装置 二甲醚 空气 压缩机 反应器 吸收塔 离子交换塔 甲醛成品 反应 传热 压缩 分离 离子交换 压缩机 冷却塔 甲醛生产 AgCH3OH 气 1 2 O2 气 HCHO 气 H2O 气 973K 二氧化碳 水蒸汽 天然气 压缩机 转化炉 冷却塔 合成反应器 分馏塔 冷凝塔 甲醇 反应 传热 压缩 反应 分离 传热 甲醇生产 CO 2H2 CH3OHCO2 3H2 CH3OH H2O 千万吨级大炼油厂大型塔器 国外最大常压塔 9m 减压塔 16m 大型换热器 国外最大15000m2 国内只有4000m2 29 化工工艺发展不断要求新装备 百万吨级大乙烯大型离心压气机 单机45 000KW 要求高可靠性 高寿命 大型低温球罐 30 1 72MPa 国外最大3700m3双层结构 低温钢 化工设备的特点 功能原理的多样化须进行单独的设计外部壳体多是压力容器化 机 电技术紧密结合设备结构大型化吨量大尺寸大温度高目前国内 合成氨年产量达30多万吨尿素高达60多万吨国外 合成氨年产量达60多万吨尿素高达100多万吨合成氨塔的直径达3000mm12 5万m3储油罐高达20m 化工生产的特点生产的连续性强处理物料大多是气体 液体和粉体 处理过程如传质 传热 化学反应可连续进行 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 在连续性的过程中 每一生产环节都非常重要 若出现事故 将破坏连续性生产生产条件苛刻介质腐蚀性强 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 任务三化工生产对化工设备的基本要求 温度和压力变化大 温度和压力变化大 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介质大多易燃易爆有毒性 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生产原理的多样性 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生产的技术含量高 既包含了先进的生产工艺 又需要先进的生产设备 还离不开先进的控制与检测手段 并呈现出学科综合 专业复合 化 机 电一体化的发展势态 化工生产对化工设备的基本要求安全性要求工艺性要求使用性能要求经济性能要求 安全性能要求 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 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 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 可就能因其本身的缺陷或在波动载荷作用下发生脆性破断 足够的刚度和抗失稳的能力 刚度是指设备在外力作用下 抵抗变形保持原有形状的能力良好的抗腐蚀性 材料被酸 碱 盐腐蚀后 不仅会导致壁厚减薄 最终会破坏可靠的密封性 密封性是指化工设备防止介质泄漏的能力 介质泄漏 可能造成环境污染 还可能引起中毒 燃烧 爆炸 使用性能要求 结构合理 制造简单 结构要简单 设计要合理 材料利用率高 制造方法要有利于实现机械化 自动化 成批生产运输安装方便 对于大型设备要考虑运行的可行性 运载工具的能力 空间大小 码头深度 桥梁和路面的承载能力 吊装设备的吨位 大型 特殊要求设备要考虑现场组装的条件和方法操作 控制 维护简便 操作程序和方法要尽量简单 能设有防止误操作的报警装置 设备上要有测量 报警和调节装置 操作过程出现超温 超压等时 能报警 并可对操作状态自动调节 1 单位生产能力 技术经济要求 2 消耗系数 3 设备价格 4 管理成本 5 产品总成本 压力容器 满足介质压力 介质容积及其乘积等要求的容器 相关知识化工机械 化工生产中所使用的机械设备的总称 包括化工设备与化工机器化工设备指静止设备 各种塔 换热器化工机器指动设备 各种压缩机 泵等 任务四化工容器的结构与分类 化工容器 化工生产中所使用的化工设备外部壳体的总称 化工设备 化工设备主要由化工容器和不同的设备内件所组成 相关知识 化工容器的结构及作用 化工容器由哪几部分组成 主体 筒体 封头附件 开孔与接管 密封装置 支座 安全装置等 化工容器的标准件 三化 系列化 通用化 标准化 各部分的作用是什么 容器的分类 按承压性质分类按承压性质可将容器分为内压容器和外压容器两类 容器的内部介质压力大于外界压力时为内压容器 反之 则为外压容器 真空容器是指内部压力小于一个绝对大气压 0 1MPa 的外压容器 内压容器按其设计压力 可划分为低压 中压 高压和超高压四个压力等级 高压容器的设计计算方法 材料选择 制造技术及检验要求与中 低压容器不同 本书只讨论中 低压容器的设计 内压容器的分类 按原理与作用分反应容器R 如反应 分解塔 合成塔换热容器E 热交换器 蒸发器 冷凝器分离类容器S 如洗涤塔 过滤器 吸收塔 干燥塔储存类容器C 其中球罐的代号为B 如各种储罐 按容器的外径Do和内径Di的比值K不同 可将容器分为 a 厚壁容器 K 1 2b 薄壁容器 K 1 2 按支承形式分 立式容器和卧式容器按材料分 金属容器和非金属容器按几何形状分 圆柱形 球形 椭圆形 锥形 矩形等 按工作温度分 低温容器 常温容器 中温容器 高温容器 按监察规程分 压力容器安全技术监察规程 1 最高工作压力Pw 0 1MPa 2 内直径Di 0 15m 且V 0 025m3 3 盛装介质为气体 液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体 监察规程的管辖范围 压力容器必备的三个条件 根据容器的压力等级 介质毒性危害程度以及pV值 压力容器 不包括核能容器 船舶上的专用容器和直接受火焰加热的容器 可分为三类 三类容器 1 高压容器 2 低压容器 毒性为极度或高度危害介质的中压和PV大于0 2MPam3 3 中压反应容器 易燃或毒性程度为中度危害介质且PV 0 5MPam3 4 中压储存容器 易燃或毒性程度为中度危害介质且PV 10MPam3 5 高压 中压管壳式余热锅炉 6 中压搪玻璃压力容器 7 球形 V 50m3 和低温储存容器 V 5m3 8 移动式压力容器 1 一般中压容器 二类容器 2 介质为易燃或毒性程度为中度危害的低压反应容器和储存容器 3 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器 4 低压管壳式余热锅炉 5 搪玻璃压力容器 GB5044 职业性接触毒物危害程度分级 1 极度危害10mg m3 氢氧化钠 丙酮等 一类容器 1 非易燃或低毒的低压反应容器和储存容器 2 除上述规定以外的低压容器 易燃介质是指与空气混合的爆炸下限小于 或爆炸上限下限之差大于或等于 的气体如一