常用化工设备结构详细手册

常用化工设备结构详细手册前言化工设备是化工生产的核心载体，其结构设计的合理性直接影响生产效率、安全及经济性。本手册聚焦反应设备、换热设备、分离设备、储存设备及流体输送设备五大类常用化工设备，从结构组成、工作原理、设计要点到维护实践进行系统解析，为化工工程设计、设备运维及技术人员提供实用参考。第一章反应设备1.1搅拌反应釜（釜式反应器）1.1.1结构组成搅拌反应釜核心由釜体、搅拌装置、传动系统、密封装置、换热组件、支座六大部件构成：釜体：多为圆筒形，上下配椭圆形/平/锥形封头（依压力、卸料需求选择），材质依介质腐蚀性选碳钢（Q235+防腐衬里）、不锈钢（304、316L）或非金属（搪玻璃、PP）。搅拌装置：含搅拌轴、搅拌桨（桨式、涡轮式、锚式、螺带式等）。桨式适用于低黏度均相混合；涡轮式强化传质（气液/液液反应）；锚式适配高黏度或带结晶的体系；螺带式用于高黏度物料的强制循环。传动系统：电机→减速机→联轴器→搅拌轴，减速机多为摆线针轮或齿轮减速，需匹配搅拌扭矩与转速（一般10~500rpm）。密封装置：分机械密封（高压、易燃/有毒介质，泄漏量<5mL/h）、填料密封（低压、非剧毒，成本低但需定期换填料）、磁力密封（零泄漏，适用于强腐蚀/剧毒体系，但功率损耗大）。换热组件：夹套（常压或低压，换热面积大但温差小）、内盘管（高压或局部换热，温差大但面积受限），夹套形式有整体式、半管型、蜂窝型（强化传热）。支座：立式釜用裙座（承重且利于配管），小型釜用支腿（带垫板，便于移动）。1.1.2工作原理物料在釜内通过搅拌桨的剪切、循环作用实现混合，同时通过夹套/盘管内的热载体（蒸汽、热水、导热油或冷媒）调节反应温度，压力由安全阀、爆破片或压力控制系统维持。1.1.3结构设计要点压力与温度：釜体设计压力需覆盖反应压力+10%余量，温度需考虑热胀冷缩（如搪玻璃釜温差≤50℃/h，防止衬里崩瓷）。搅拌桨选型：依据物料黏度（<1Pa·s选桨式/涡轮式，1~10Pa·s选锚式，>10Pa·s选螺带式）、反应类型（气液反应需高气含率，选涡轮式+导流筒）。密封可靠性：机械密封需配冷却/冲洗系统（如Plan52/53，防止结晶或聚合物附着）；磁力密封需校核磁缸的扭矩传递能力。1.1.4安装与维护安装：搅拌轴需与釜体轴线同轴（偏差≤0.1mm/m），密封腔需清洁无杂质，换热夹套试压（1.25倍设计压力，保压30min无泄漏）。维护：定期检查搅拌桨磨损（高黏度物料易磨桨叶）、密封泄漏（机械密封泄漏量超标需换动/静环）、衬里完整性（搪玻璃釜用电火花检测仪检测针孔）。第二章换热设备2.1列管式换热器2.1.1结构组成列管式换热器由管箱、管束、壳体、折流板、管板、支座组成：管箱：分单程（进出口在同侧，结构简单）、多程（如2/4/6程，通过分程隔板提高流速，强化传热），材质与管束/壳体匹配或衬里（如硫酸系统用碳钢衬铅）。管束：由换热管（无缝管，碳钢、不锈钢、钛、铜等）、定距管、拉杆组成，管长一般为1.5/2/3/6m（长径比L/d=4~25，过长易振动，过短传热差）。壳体：圆筒形，两端连管箱/封头，内部设折流板（弓形、圆盘-圆环形），作用是改变壳程流体流向，增加湍流度（Re>____为湍流，<2000为层流，需折流板强化）。管板：连接管束与壳体，分固定管板式（结构简单，无热补偿，适用于温差<50℃）、浮头式（一端管板固定，一端浮头可自由伸缩，温差>100℃）、U型管式（管束呈U型，两端固定在同一管板，热补偿好，适用于高温高压，但管程难清洗）。2.1.2工作原理管程流体（一般走腐蚀性/易结垢介质，如盐酸）与壳程流体（走清洁/大流量介质，如蒸汽）通过管壁进行热交换，折流板迫使壳程流体多次横掠管束，提高传热系数（K值一般为100~1000W/(m²·℃)）。2.1.3结构设计要点管材选择：强腐蚀选钛管（如氯碱行业），高温选镍基合金（如Inconel），普通工况选碳钢+防腐涂层。程数与流速：管程流速1~3m/s（防止结垢），壳程流速0.5~1.5m/s（防止振动，流速过高需加防冲板）。热补偿：温差>50℃时，优先选浮头式或U型管式，固定管板式需设膨胀节（但易泄漏，慎用）。2.1.4安装与维护安装：管束穿管后需胀接/焊接（胀焊并用适用于高压），管板与壳体法兰需均匀紧固，防止偏载泄漏。维护：定期用化学清洗（如柠檬酸洗水垢）或机械清洗（通炮机洗管程），检查管板腐蚀（电化学腐蚀易在管板与壳体间隙发生）、折流板脱落（导致壳程短路，传热下降）。第三章分离设备（塔设备）3.1板式精馏塔3.1.1结构组成板式塔核心为塔体、塔板、降液管、溢流堰、进料/出料/回流口、再沸器、冷凝器：塔体：圆筒形，钢板卷制，上下封头（椭圆/锥形），材质依物系选碳钢、不锈钢或复合材料（如环氧玻璃钢衬里）。塔板：分筛板（开孔率10%~20%，结构简单，成本低，但操作弹性小）、浮阀塔板（浮阀可随气量调节开度，操作弹性大，常用F1型浮阀，开孔率15%~25%）、泡罩塔板（泡罩罩住升气孔，气液接触充分，适用于易结垢体系，但压降大）。降液管：分弓形（占塔板面积10%~15%，液流量大时用）、圆形（小塔用），需保证液流停留时间（一般≥3~5s，防止夹带气泡）。溢流堰：出口堰高度h（一般50~150mm），决定塔板上液层厚度（h+清液层，一般50~150mm），堰长Lw需满足液流强度（≤100m³/(m·h)，防止液泛）。3.1.2工作原理物料从进料口进入，在塔板上与上升蒸汽逆流接触，轻组分（低沸点）汽化上升，重组分（高沸点）冷凝下降，通过多层塔板的传质，塔顶得到轻组分产品，塔底得重组分，再沸器提供上升蒸汽，冷凝器冷凝回流。3.1.3结构设计要点塔径计算：依据气液流量、空塔气速（一般0.8~1.2倍液泛气速，液泛气速用Smith或Francis公式计算），塔径D=√(4V/(πu))，V为气相体积流量。塔板数确定：通过逐板计算或简捷法（Fenske-Underwood-Gilliland），实际塔板数需加5%~10%余量（考虑效率损失）。气液分布：进料口需设分布器（如多孔式、堰式），防止偏流；塔板上设受液盘（凹形，收集降液管流下的液体，防止飞溅）。3.1.4安装与维护安装：塔板水平度偏差≤2mm/m，降液管与塔板间隙均匀（防止液漏），人孔安装后需做气密性试验（0.05MPa保压30min）。维护：定期清理塔板堵塞（如聚合物、结晶体，用高压水冲洗或化学溶解），检查浮阀卡涩（浮阀锈死需更换），再沸器结垢（用蒸汽吹扫或化学清洗）。第四章储存设备4.1立式圆筒形储罐（常压/低压）4.1.1结构组成立式储罐由罐体、封头、裙座、人孔、接管、附件（呼吸阀、阻火器、液位计、防雷接地）组成：罐体：由筒节（钢板卷焊，厚度依GB150或API650计算，腐蚀裕量一般2~4mm）、上下封头（椭圆封头居多，曲率半径R=0.8~1.0Di，Di为罐内径）。裙座：分圆筒形（承重好，配人孔便于检修）、圆锥形（稳定性好，适用于高径比>2的罐），裙座上设排气孔（防止罐底积水腐蚀）、防火层（储存易燃液体时，裙座包耐火砖或防火涂料，高度≥1.5m）。接管：进料管（一般从罐顶或上部侧面，防止冲击罐底）、出料管（从罐底或下部侧面，带切断阀）、呼吸管（接呼吸阀，平衡罐内压力，防止抽瘪或超压）、液位计管（侧装或顶装，磁性浮子/雷达液位计）。附件：呼吸阀（正压+200~500Pa，负压-50~200Pa，防止介质挥发或空气进入）、阻火器（防止回火，适用于易燃介质）、防雷接地（接地电阻≤10Ω，罐顶设避雷针或避雷带）。4.1.2工作原理储罐通过进料/出料管实现物料储存与输送，呼吸阀自动调节罐内压力（当罐内压力超正压值，呼吸阀打开排气；低于负压值，吸入空气或氮气），液位计实时监测液位，防止超装/抽空。4.1.3结构设计要点壁厚计算：按薄膜应力公式，δ=（pDi）/（2[σ]φ-p）+C，p为设计压力（常压罐p=0.1MPa，含操作压力+液柱静压力），[σ]为许用应力，φ为焊缝系数（双面焊全熔透φ=1.0，单面焊φ=0.85），C为腐蚀裕量+钢板负偏差。防腐设计：内防腐（储存酸/碱用环氧酚醛漆、橡胶衬里），外防腐（碳钢罐外刷防锈漆+面漆，海边或潮湿区加环氧煤沥青防腐层）。抗震设计：地震区储罐需做抗震验算（按GB____，考虑水平地震作用，高径比>2时设抗风圈）。4.1.4安装与维护安装：罐底焊接后需做真空试漏（负压≥53kPa，保压30min），罐体组对时筒节垂直度偏差≤1mm/m，裙座与基础预埋板焊接需牢固（做抗拉拔试验）。维护：定期测厚（罐底、罐壁下部，每年1次，腐蚀速率超0.1mm/年需加强防腐），检查呼吸阀（每季1次，确保启闭灵活），清理罐底沉积物（每3~5年1次，进罐前需置换、测氧、测爆）。第五章流体输送设备5.1离心泵5.1.1结构组成离心泵由泵体（蜗壳）、叶轮、泵轴、密封装置、轴承、联轴器、支架组成：泵体：分蜗壳式（收集叶轮甩出的液体，转化动能为压能，效率高）、导叶式（多级泵用，引导液体进入下一级叶轮），材质依介质选铸铁（清水）、不锈钢（腐蚀介质）、氟塑料（强腐蚀，如硫酸、氢氟酸）。叶轮：分闭式（有前、后盖板，效率高，适用于清洁液体）、半开式（无前盖板，适用于含颗粒液体，如泥浆泵）、开式（无盖板，适用于高黏度液体，效率低）。叶轮叶片数一般6~12片，后弯式（β2=20°~30°，效率高）。密封装置：机械密封（动环+静环，靠弹簧压紧，泄漏量<5mL/h，适用于有毒/易燃介质）、填料密封（石棉或聚四氟乙烯填料，靠压盖压紧，泄漏量≤20mL/h，适用于低压清水）、干气密封（用氮气隔离，零泄漏，适用于高压、有毒气体压缩机，泵也可适配）。轴承：分滚动轴承（结构简单，成本低，适用于中低转速）、滑动轴承（承载大，适用于高转速、大功率泵，如多级锅炉给水泵）。5.1.2工作原理电机通过联轴器带动泵轴旋转，叶轮高速旋转使液体受离心力甩向泵体，叶轮中心形成低压区，液体从吸入室进入叶轮，完成“吸入-加压-排出”循环，扬程H=u2²/(2g)-u1²/(2g)+(p2-p1)/(ρg)+(z2-z1)（伯努利方程）。5.1.3结构设计要点扬程与流量匹配：泵的工作点需在高效区（效率≥80%的区间），通过切割叶轮（切割量≤10%直径）或调节阀门（节流调节，能耗高）、变频（节能，需配变频器）调节流量。气蚀防治：必需汽蚀余量NPSHr≤装置汽蚀余量NPSHa（NPSHa=NPSHr+0.5m），通过降低泵安装高度、增大吸入管径、减少吸入阻力（如缩短吸入管、减少弯头）实现。材质耐蚀耐磨：输送含颗粒介质（如矿浆）选高铬铸铁叶轮；输送强腐蚀介质（如盐酸）选氟塑料泵或钛泵，泵体衬氟或衬胶。5.1.4安装与维护安装：泵轴与电机轴同轴度偏差≤0.1mm（径向）、0.05mm（轴向），吸入管需短而直，底部设底阀（自吸泵除外），泵体灌满液体排气。维护：定期检查轴承温度（≤75℃，滚动轴承）、密封泄漏（机械