化工设备基础知识

化工设备基础,培训课程主讲教师张祥兰,授课计划,化工设备基础,第一讲化工设备基础知识,第1章化工设备基本知识,1.1化工生产对化工设备的基本要求1.1.1化工生产的特点1、生产的连续性性强为了提高生产效率，节约成本，化工生产过程一般采用连续的工艺流程。2、生产条件的苛刻性化工生产的特点：高温、高压、易燃、易爆、剧毒、强腐蚀性等。3、生产原理的多样性4、生产技术含量高专业复合，化、机、电一体化的发展势态。,1.1.2化工生产对化工设备的基本要求1.安全性能要求足够的强度抵抗破坏能力良好的韧性断裂前吸收变形能量的能力足够的刚度和抗失稳能力抵抗变形能力和保持原有平衡状态的能力良好的抗腐蚀性金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏可靠的密封性防止介质泄漏的能力。,2.工艺性能要求工艺指标如储罐的储存量、换热器的传热量、反应器的反应速率、塔设备的传质效率等。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。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）。,3.使用性能要求结构合理、制造简单运输与安装方便操作、控制、维护简便,4.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。,简单地说既安全又经济,1.2化工容器结构与分类,1.2.1化工容器的基本结构,1.2.2化工容器与设备的分类1.按压力等级分按承压方式分类，化工容器可分为内压容器（）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低压（代号L）容器0.1MPap1.6MPa；中压（代号M）容器1.6MPap10MPa；高压（代号H）容器10MPap100MPa；超高压（代号U）容器p100MPa。外压容器中，当容器的内压小于一个绝对大气压（约0IMPa）时又称为真空容器。,2.按原理与作用分反应容器（代号R）主要是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。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。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。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。,3.按相对壁厚分按容器的壁厚可分为薄壁容器和厚壁容器，称为薄壁容器或称厚壁容器4.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。,5.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。6.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、方形等容器。,7.按安全技术管理分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。高压容器；中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；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10MPam3；中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且PV乘积大于等于05MPam3；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02MPam3。,高压、中压管壳式余热锅炉；中压搪玻璃压力容器；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；移动式压力容器，包括铁路罐车、罐式汽车车、低温液体运输车、永久气体运输车和罐式集装箱等；球形储罐（容积大于等于50m3）；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。中压容器；低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；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）；低压管壳式余热锅炉；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。,上述内容中提到的毒性程度是参照GB5044职业性毒物危害程度分级的规定，按介质毒性最高允许的浓度值分为4级。（1）极度危害（I级）最高允许浓度小于0.1mg/m3，如氟、氢氟酸、光气等介质（2）高度危害（级）最高允许浓度为0.11.0mg/m3，如氟化氢、氯等介质。（3）中度危害（级）最高允许浓度为1.010mg/m3，如二氧化硫、氨、一氧化碳、甲醇等。（4）轻度危害（级）最高允许浓度大于或等于10mg/m3，如氢氧化钠、四氟乙烯、丙酮等介质。易燃介质是指与空气混合的爆炸下限小于10%，或爆炸上限、下限之差大于或等于20的气休，如一甲胺、乙烯、乙烷、丙烷、丁烷、环氧乙烷、三甲胺、丁二烯等。,1.3化工容器与设备有关标准规范简介,1.3.1常用材料标准1钢板碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板及钢带（GB91289）碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带（GB327488）,(3)不锈钢热轧钢板（GB423792）(4)压力容器用钢板（GB66541996）2.钢管(1)输送流体用无缝钢管（GB816387）(2)石油裂化用无缝钢管（GB994888）(3)化肥设备用高压无缝钢管（GB647986）（4）高压锅炉用无缝钢管（GB531085）,1.3.2压力容器规范简介,美国机械工程协会制订的锅炉和受压容器规范（简称ASME规范）等。美国ASME规范是世界上制订最早（1915）、最完备的压力容器规范。1989年制订了有关压力容器的第一部国家标准钢制压力容器（简称GB150）。,l.美国ASME规范ASME规范共有11卷22册。第篇压力容器共有3个分篇：第1分篇压力容器，属于常规设计标准；第2分篇压力容器一另一规则，采用的是分析设计标准；第3分篇高压容器另一规则主要适用于设计压力不小于70MPa的高压容器。,2.GB150钢制压力容器GB150钢制压力容器是中国第一部压力容器国家标准。它包括10章正文、8个附录补充件和3个附录参考件。3.JB4732钢制压力容器分析设计标准4.压力容器安全技术监查规程5.压力容器设计与制造的有关规则（1）压力容器设计单位资格管理与监督规程（2）压力容器制造单位资格认可与管理规程,1.4化工设备常用材料,1.4.1材料常用性能1.机械性能强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。2.物理性能比重、熔点、导热性、热膨胀性等。,强度：材料抵抗破坏的能力塑性：产生塑性变形而不破坏的能力硬度：材料抵抗其它物体压入的能力HBSHBWHRC韧性：材料抵抗冲击的能力疲劳强度：材料抵抗交变载荷的能力,3.耐腐蚀性能腐蚀分均匀腐蚀和非均匀腐蚀。腐蚀速度表示材料的耐腐蚀性。良好材料尚可材料不好材料4.制造性能（工艺性能）铸造性、锻造性、焊接性和切削性等。,1.4.2钢的热处理过程：加热、保温和冷却三个阶段。目的：改善金属材料的性能，满足使用要求。分类：分为普通热处理和表面热处理两大类。普通热处理包括退火、正火、淬火、回火等；表面热处理包括表面淬火、化学热处理等。一般零件的生产工艺过程为：锻造预先热处理机械加工（粗加工）最终热处理机械加工（精加工）,1退火和正火退火是将钢加热，保温，缓慢冷却（炉冷、坑冷）的热处理工艺。正火是将钢加热，保温，空冷的热处理工艺。目的是：软化钢材以利于切削加工；消除内应力以防止工件变形；细化晶粒，改善组织，为零件的最终热处理做好准备。,2淬火和回火淬火是将钢加热，保温，快速冷却（水冷或油冷）的热处理工艺。淬火后必须回火。按照温度范围不同，回火分为三类：（1）低温回火的回火温度范围为150250，回火后的钢具有高硬度和高耐磨性，主要用于各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件；（2）中温回火的回火温度范围为350500，回火后的钢具有较高的弹性极限和屈服强度，一定的韧性和硬度，主要用于各种弹簧和模具等；（3）高温回火的回火温度范围为500650，回火后的钢具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能如各种轴、齿轮、连杆、高强度螺栓等。通常将淬火和高温回火相结合的热处理工艺称为调质。,3表面热处理具有外硬内韧”的性能。（1）表面淬火将钢的表面快速加热至淬火温度，快速冷却。表面淬火后一般进行低温回火。（2）化学热处理向工件表层渗入某种元素的热处理工艺。按照渗入元素的不同，化学热处理分为渗碳、渗氮（氨化）、碳氮共渗（氰化）、渗金属等。,1.4.3金属材料黑色金属：如钢、铸铁和铁合金等；非铁合金（旧称有色金属）:如铜及其合金、铝及其合金、铅及其合金等。钢分为非合金钢（旧称碳钢）、低合金钢和合金钢三类。,1碳钢碳钢是含碳量小于211的铁碳合金（1）碳素结构钢这类钢的牌号由代表屈服极限的字母“Q”、屈服极限的数值（单位MPa）、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分顺序组成。质量等级按由低到高分为A、B、C、D四级；脱氧方法符号F、bZ、TZ分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，表示镇静钢的Z一般省略不标。,例如，Q235A表示碳素结构钢，屈服极限为235MPa，A级质量，镇静钢。碳素结构钢有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个钢种，其中Q235A钢在化工设备制造中应用广泛。,（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号以钢中平均含碳量的万分数（两位数字）表示。如45表示优质碳素结构钢，平均含碳量为万分之四十五，即0.45。优质碳素结构钢有10、15、20、25、30、3540、45、55、65、70等，常按含碳量不同分为三类。（1）低碳钢，含碳量C0.25，常用钢号有10、15、20、25等。（2）中碳钢，含碳量C0.250.60，。常用牌号有30、35、40、45、50、55、60等，其中以45钢应用最广。（3）高碳钢，含碳量C0.60，钢的强度和硬度均较高，塑性差，常用来制造弹簧。常用的牌号有60、65、70钢。,2低合金钢低合金钢与合金钢是指在碳钢基础上有目的地加入某些元素所形成的钢种。常加人的元素有Si、Mn、Cr、B、W、V、Ni、Ti、Nb、AI等。目的：为了改善钢的性能，满足使用要求。“低合金”是指钢中含有合金元素总量5.有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460.最常用的是Q345钢.,3合金钢合金钢的牌号通常是由含碳量数字、合金元素符号、合金元素含量数字顺序组成。含碳量数字为两位数时表示平均含碳量的万分数，为一位数时表示平均含碳量的千分数；合金元素含量数字位于合金元素符号之后，通常表示合金元素平均含量的百分数，当合金元素平均含量15时不标数字.,例如40Cr钢平均含碳量为万分之四十，即04、平均含Cr1.5；ICr18Ni9Ti钢平均含碳量为千分之一，即0.1、平均含Cr18、Ni9。Ti1.5。,（l）合金渗碳钢渗碳钢的含碳量为低碳。渗碳钢分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢两类。碳素渗碳钢为低碳钢，常用牌号有15、20等;合金渗碳钢的常用牌号有20Cr、20CrMnTi、20MnVB等，其中20CrMnTi应用最为广泛。,（2）合金调质钢调质钢的含碳量为中碳。它是机械零件用钢的主体。调质钢分为碳素调质钢和合金调质钢两类。40、4550是常用而廉价的碳素调质钢。合金调质钢的常用牌号有40Cr、35SIMn、35CrMO、40MnB等，最典型的钢种是40Cr，用于制造一般尺寸的重要零件。,（3）滚动轴承钢滚动轴承钢的牌号以字母“G”后附铬元素符号Cr及其含量的千分数表示，碳的含量不标出。例如GCr15表示含Cr千分之十五，即1.5的滚动轴承钢。滚动轴承钢的常用牌号有GCr9、GCr15、GCr15SiMn等，最有代表性的是GCr15。,（4）不锈钢Cr是不锈钢获得耐蚀性的基本合金元素，一般不锈钢含Cr11.7以上；大多数不锈钢的含C量为0.10.2。铬不锈钢的常用牌号有ICr13、2Cr13、3Cr134Cr13、ICrl7、8Crl7等。铬镍不锈钢的常用牌号有OCr19Ni9、ICr19Ni9、ICrl8Ni9Ti等。,（5）耐热钢耐热钢分为抗氧化钢和热强钢两类。在高温下有较好的抗氧化性又有一定强度的钢称为抗氧化钢，常用牌号有OCrl9Ni93Cr18Mn12Si2N等。高温下有一定抗氧化能力和较高强度以及良好组织稳定性的钢称为热强钢，常用牌号有1Cr13、1Cr18Ni9Ti、1Cr5M。1CrllMoV等。,4有色金属（1）铝及其合金工业纯铝的牌号有1070、1060、1050等（对应的原牌号为LI、L2、L3），数字越小则纯度越低。铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两类。其牌号由四位数字组成。如5A02、3A21、ZAlSi12等。铝的耐腐蚀性好，铝的导热性能好，不易产生火花，铝不污染物品和不改变物品颜色等。,（2）铜及其合金工业纯铜按杂质含量可分为T1、T2、T3、T4四个牌号，纯度依次降低。铜合金按主要合金元素的种类分为黄铜、青铜等，黄铜是以锌为主要合金元素的铜合锌金；青铜是以锌以外的其他元素为主要合金元素的铜合金。以锡为主要合金元素的青铜称为锡青铜，以锡以外的其他元素为主要合金元素的青铜称为无锡青铜。,铜合金分为压力加工铜合金和铸造铜合金两类。如H80表示平均含铜80、其余为锌的黄铜；如ZCuZn38表示平均含Sn38、其余为铜的铸造黄铜；如ZCuSn10Zn2表示平均含Sn10、Zn2、其余铜的铸造锡青铜。工业纯铜和黄铜具有极好的导热性，优越的低温力学性能和耐腐蚀性能；青铜具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。,（3）铅及其合金铅在许多介质中，特别是在硫酸中，具有很高的耐腐蚀性。铅强度和硬度都低、不耐磨、非常软、比重大等，不适宜单独做化工设备。铅与锑的合金称为硬铅，强度和硬度都比纯铅高。,（4）滑动轴承合金滑动轴承合金用来制造滑动轴承的轴瓦及其内衬（称为轴承衬）。锡基轴承合金是以锡为基体，再加入锑及铜等合金元素的合金。例如ZSnSb11Cu6表示平均含Sb11Cu6其余为锡的锡基轴承合金。铅基轴承合金是以铅为基体，再加人锑、锡及铜等合金元素的合金。例如ZPbSb16Sn16Cu2表示平均含Sb16、Sn16、Cu2、余为铅的铅基轴承合金。铜基轴承合金有ZCuPb30、ZCuSn10Pbl、ZCuAl10Fe3等。常用的铝基轴承合金为ZAlSn6CuNi1.,1.4.4非金属材料分无机材料和有机材料如陶瓷、搪瓷、玻璃；塑料、橡胶、涂料等非金属材料具有优良的耐腐蚀性能，资源丰富，成形工艺简单，应用广泛。还可单独用作结构材料或作密封、保温材料。,1.4.5压力容器用钢的选用原则,选用材料时，应综合考虑设备的使用和操作条件、材料的焊接和冷（热）加工性能、化工设备的功能及制造工艺、材料的来源及经济合理性等。,1考虑设备使用和操作条件,使用和操作条件是指设备的操作压力、操作温度、介质特性和工作特点，选用材料时，首先就要考虑这些使用条件对没备的影响。例如，对一台操作压力很高的设备，就需要选择高或超高强度钢，同时注意强度和韧性的匹配，在满足强度要求的前提下，尽缺选用塑性和韧性较好的材料：对于高温、高压、有氢介质作用的没备，选材时除了满足高温下的热强性（考虑蠕变和持久极限）和抗高温氧化性能外，还要考虑抗氢腐蚀及氢脆性能通常应选用抗氢腐蚀的钢材，如12CrMoV、15CrMnR等。,2考虑材料的焊接和冷热加工性,由于压力容器绝大多数是焊接结构，制造中避免不了要进行冷（热）卷、冷（热）冲和焊接等加工。在满足操作条件的基础上，应尽量选用具有良好冷热加工成型性能和塑性的材料，并保证伸长率在15%20%以上。另外，在一定焊接工艺条件下，为获得优质的焊接接头，还需要考虑钢材中含碳量的形响。,3考虑设备的使用功能和制造工艺,根据设备不同的使用功能和结构特点，需要选择不同性能要求的材料。例如，压力容器的壳体，其主要功能是构成化学或物理反应所需的空间，由于它直接与介质接触，并承受一定的压力，故选用耐腐蚀的压力容器专用钢板对换热设备，选择材料不仅要考虑耐蚀性能，还应考虑有良好的导热性能；而支座的主要功能是支撑和固定设备，属非受压元件并且不与介质接触，所以，可以考虑选择一般的钢材，如普通碳素钢中的Q235-A、Q235-B等。选材除了要明确设备的功能特点外，还应考虑其制造工艺的影响。如用于强腐蚀环境的搪玻璃容器，在沸腾钢上搪玻璃的效果要比镇静钢好，因此，在这种情况下，可选择Q235A.F沸腾钢。,4考虑材料的来源与价格,选用的材料应考虑有较多的生产厂家，供货应比较方便，并有成功的材料使用实例。另外，还要分析形响材料价格的因素，选用材料的性价比应较高。例如，不锈钢、低合金钢和普通碳素钢具有不同的价格，为了满足一定生产工艺过程，当所需不锈钢的厚度较大时，应尽可能选用复合钢板、衬里或堆焊结构，即基材使用一般压力容器用钢，而与介质直接接触的复层、衬里或堆焊层则可采用耐腐蚀材料。除此而外，选用的材料应符合相应的国家标准或行业标准的规定，特别是有使用限制的材料，要认真考虑其适用条件。如前提到的Q235一AF、Q235一A、Q235一B、Q235一C等普通钢板，应按GB150一1998的有关规定选作压力容器壳体材料。,1.5金属材料的腐蚀与防护,1.5.1腐蚀基本概念金属材料在周围介质的作用下所发生的破坏称为腐蚀。铁生锈、铜发绿锈、铝生白斑点等是常见的腐蚀现象。在化工生产中，由于物料（如酸、碱、盐和腐蚀性气体等）往往具有强烈的腐蚀性，而化工设备被腐蚀将造成严重的后果：引起设备事故影响生产的连续性；造成跑冒滴漏，损失物料，增加原材料消耗，恶化劳动条件，提高产品成本，影响产品质量等。因此，化工设备的腐蚀与防腐问题必须认真对待。,1.5.2腐蚀类型及机理,腐蚀的分类方法很多，其中按破坏特征分为均匀腐蚀和局部腐蚀；按腐蚀机理分为化学腐蚀和电化学腐蚀。1均匀腐蚀2局部腐蚀,3化学腐蚀化学腐蚀是指金属与干燥的气体或非电解质溶液产生化学作用引起的腐蚀。各种管式炉的炉管受高温氧化，金属在铸造、锻造、热处理过程中发生的高温氧化以及金属在苯、含硫石油、乙醇等非电解质溶液中的腐蚀均属化学腐蚀。化学腐蚀的特点是腐蚀过程中无电流产生，且温度越高，腐蚀介质浓度越大，腐蚀速度越快。化学腐蚀后若形成致密、牢固的表面膜，则可阻止外部介质继续渗入，起到保护金属的作用。例如，铬与氧形成Cr2O3，铝与氧形成Al2O3等都属于这种表面膜。,4电化学腐蚀电化学腐蚀是指金属与电解质溶液产生电化学作用引起的腐蚀。金属在酸、碱、盐溶液、土壤、海水中的腐蚀属于电化学腐蚀。电化学腐蚀的特点是腐蚀过程中有电流产生。通常电化学腐蚀比化学腐蚀强烈得多，金属的破坏大多是由电化学腐蚀引起的。,1.5.3防腐措施,为了防止和减轻化工设备的腐蚀，除应选择合适的材料制造设备外，还可采取多种措施，如隔离腐蚀介质、电化学保护及缓蚀剂保护等。1隔离腐蚀介质用耐蚀性良好的隔离材料覆盖在耐蚀性较差的被保护材料表面，将被保护材料与腐蚀性介质隔开，以达到控制腐蚀的目的。隔离材料有金属材料和非金属材料两大类。非金属隔离材料主要有涂料（如涂刷酚醛树脂）、块状材料衬里（如衬耐酸砖）、塑料或橡胶衬里（如碳钢内衬氟橡胶）等。金属隔离材料有铜（如