化工设机械基础-第二章

1、化 工 设 备 机 械 基 础,第二章 化工设备结构与管道,2.1 换热器,1）、概述 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，在炼油厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资 的3540,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。,综上所述，换热设备是炼油、化工生产中不可缺

2、少的重要设备。换热设备在动力、原子能、冶金及食品等其他工业部门也有着广泛的应用。,2)、衡量换热器的指标 （1）、传热效率要高。 （2）、结构要紧凑。 （3）、要节省材料。 （4）、流体在设备中的阻力要小，即压力降要小。 （5）、要求结构可靠、制造成本低，便于安装、检修、使用周 期长。 由于要全面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。,3)、换热器的分类,（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

3、变）（evaporator）、再沸器（reboiler） 、 废热锅炉（waste heat boiler） 。 （3）、按材料分类：分为金属材料和非金属材料换热器。,传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间,直接接触式,图2-1 直接接触式换热器,温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大,蓄热式,图22 蓄热式换热器,间壁式,又称表面式换热器 利用间壁进行热交换。冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。,图23 管式换热器,图24 板式换热器,2.1.1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

4、。 2）、列管式换热器的工作原理： 高温流体A（红色）由管箱进入换热管，低温流体B （蓝色） 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。,图25 列管式换热器,2.1.2列管式换热器的主要类型,从结构上分,固定管板式换热器,浮头式换热器,U形管式换热器,填料函式换热器,2.1.2.1 固定管板式换热器 1）、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。 2 ）、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。 3）、缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热 应力。 4）、适用场合：适用于壳程介质清洁，不易

5、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。,图26 固定管板式换热器,图27 带膨胀节的固定管板式换热器,膨胀节的作用：由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。,2.1.2.1浮头式换热器,1）、结构特点：一块管板固定，另一块是浮动的与浮头盖用浮头钩圈法兰相连。,图28 浮头结构图,1 浮动管板 2 浮头钩圈法兰相连 3 浮头盖,2）、优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。3）、缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。4）、适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易 结垢的场合,图29

6、 浮头式换热器,2.1.2.3 U形管式换热器,1）、结构特点：只有一块管板，换热管呈U形。,图210 U型管式换热器结构图,2）、优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。,3）、缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。4） 、适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。,图210 U型管式换热管箱器 结构图,图210 U型换热管结构图,2.1.2.4 填料函式换热器,1）、结构特点：该换热器的结构与浮头式换热器的结构相似， 只是浮头伸到了壳体外，斧头与壳体之间采取填料函式密封。,填料函式密封,图211 填料函式换热器,2）、优点：结构简单，加工制

7、造方便，造价低，管内和管间清洗方便。,3）、缺点：填料处易泄漏。 4）、适用场合： 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、易 爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。,2.1.3 列管式换热器的组成元件及其连接,2.1.3.1 换热管 1）、概述： 换热管是管壳式换热器的传热元件，主要通过管壁的内外 面进行传热，所以换热管的形状、尺寸和材料，对传热有很大 的影响。 小管径且管壁较薄的管子在相同的壳径内可以排列较多的 管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结构紧凑，单位传 热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但制造麻烦，且易 结垢，不易清洗。,所以一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的

8、或污染的流体采用大直径管子。我国管壳式换热器常用换热管为：碳钢、低合金钢管有：192、 252.5、 383、 573.5 ；不锈钢管有252、 382.5。,长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，在 炼油厂所用的换热器中最常用的是6m管长。换热管一般都用光 管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管。,2）、换热管在管板上的排列方式:,有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等。如图 211所示。,流体流动方向,流体流动方向,正三角形,转角正三角形,流体流动方向,流体流动方向,正方形,转角正方形,正三角形最普遍，因为在相同的管板面积上排管最多，

9、结构紧凑，但管外清洗不方便；正方形排管少，结构不够紧凑,但管外清洗较方便。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，浮头式换热器多用正方形排列。,图212 换热管排列图,图213 管板,图214 焊接管口,2.1.3.2 管子与管板的连接,管子与管板的连接方法有：胀接、焊接、胀焊接结合等。 1）、胀接 利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性 变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子 产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。,（a）胀管前,（b）胀管后,图2-15 胀管前后示意图,适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力4MPa，设计温度30

10、0，且无特殊要求的场合。,要求：管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。胀 接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽(开槽可以增加连接强 度和紧密性)。,图2-16 液压胀管器,液压胀接,机械胀接,2）、焊接,焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起。 优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性， 管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单， 压力较低时可使用较薄的管板。 缺点：在焊接接头处产生的热 应力可能造成应力腐蚀开裂和 疲劳破裂，同时管子、管板间 存在间隙，易出现“缝隙腐蚀”。,管板,换热管,间隙,图2-17 换热管焊接示意图,3）、焊胀结合,胀焊结合连接主要有： 强度

11、焊密封胀先焊后胀。 强度胀密封焊先胀后焊。 概念解释：密封焊不保证强度，只防漏； 强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度； 密封胀只消除间隙，不承担拉脱力； 强度胀既消除间隙，又满足胀接强度。 目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。,2.1.3.3 管板与壳体的连接,不同类型的管壳式换热器其壳体与管板的连接方式不同， 在固定管板式换热器中，两端管板均与壳体采用焊接连接，这 种连接称为管板与壳体的不可拆连接；在浮头式、U形管式换 热器中固定端的管板与壳体采用可拆连接。 1）、不可拆连接结构 将管板直接焊接在壳体上，根据管板是否兼作法兰其结构 不同，（下面两组图分别表示其结构）多数情况下采用管板

12、兼 作法兰的结构。,图2-18 管板兼作法兰时与壳体的连接结构（焊接）,图2-19 管板不兼作法兰时与壳体的连接结构（焊接）,2）、可拆连接结构,在浮头式、U形管式换热器中固定端的管板与壳体采用可拆 连接，将管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，这样便于管束 从壳体中抽出进行清洗和维修。,图2-20 管板与壳体的可拆连接结构,2.1.3.4 管箱、折流挡板,1）、管箱： 管箱的作用是将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管 内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可 通过设置隔板起分隔作用。,图2-21 三种形式的管箱结构图,2）、折流挡板,折流板是设置在壳体内与管束垂直的弓形或圆盘圆

13、环形平 板，安装折流板迫使壳程流体按照规定的路径多次横向穿过管 束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了传热效果，在卧 式换热器中折流板还可起到支撑管束的作用。 常用的折流挡板有：单弓形、双弓形、三弓形和圆盘圆环形。 单弓形折流挡板对介质流向的影响。,图2-22 单弓形折流挡板,双弓形折流挡板对介质流向的影响。 图2-23 双弓形折流挡,圆盘圆环形折流挡板对介质流向的影响。,图2-24 圆盘圆环形折流挡,2.2 塔设备,在石油、化工、轻工等部门，塔设备是一种应用极为广泛的 气液传质设备，由于化工生产中的工艺条件千差万别，因而与相 适应的塔设备的种类也是多种多样的，按其内部结构来分可分为 板式塔

14、和填料塔。 2.2.1 板式塔 1）、板式塔的总体结构 、塔体与裙座结构 、塔盘结构：塔盘板、降液管、溢流堰、紧固件和支承件。 、除沫装置：用于分离气体夹带的液滴，多位于塔顶出口处。 、设备管道：人孔、接管等。 、塔附件：保温圈、吊柱、扶梯、平台等。,2）、板式塔的工作原理,它由一个通常呈圆柱形的 壳体及其中按一定间距水平设 置的若干塔板所组成。板式塔 正常工作时，液体在重力作用 下自上而下通过各层塔板后由 塔底排出；气体在压差推动下, 经均布在塔板上的开孔由下上 穿过各层塔板后由塔顶排出,在 每块塔板上皆贮有一定的体， 气体穿过板上液层时,两相接触 进行传质。,图2-25板式塔挡,2.2.1

15、.2 板式塔的种类,板式塔按塔盘的结构又可分为:泡罩塔、浮阀塔和筛板塔。 1）、泡罩塔： 泡罩塔最主要的传质单元是泡罩， 它由升气管和带有梯形齿缝的圆筒形泡 罩组成，气体由下层塔板上升进入升 气管，通过泡罩齿缝与上层塔板上的 液体充分接触，进行传质或传热。,下层气体,上层液体,特点,由于其气液接触比较充分,塔板效率较高，操作弹性大，故广泛的用于精馏、吸收、解吸等传质过程中。但结构复杂、造价高、维修安装麻烦。,图2-26 圆筒形泡罩,2）、浮阀塔,浮阀塔板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，

16、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。,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

17、性下降。,特点,图2-27 浮阀塔,3)、筛板塔,塔板上开有许多孔径一般为38mm的小孔。 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。,特点,筛板塔的结构简单、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2-28 筛板塔,2.2.1.3 塔盘的结构,塔盘实际上是塔中的气、液通道。为了满足正常操作要求，塔 盘结构本身必须具有一定的刚度以维持水平，塔盘与塔壁之间要

18、保持一定的密封性以避免气、液短路。,塔盘的结构有整块式和分块式两种。,整体式塔盘,分块式塔盘,DN700mm,DN1000mm,分块式：无塔盘圈，有支持圈(支持板)，无密封结构 整块式：有塔盘圈，无支持圈(支持板)，有密封结构,区 别,1）、整块式塔盘,结构塔体由若干塔节组成，内装有一定数量的塔盘，塔节间 用法兰连接。,图2-29 整块式塔盘结构,1塔盘板 2降液管 3拉杆 4定距管 5塔盘圈 6吊耳 7螺栓 8螺母 9压板 10 压圈 11石棉绳,2）、分块式塔盘,在直径较大的板式塔中，为了安装检修和增大塔板的刚度，将整 块塔盘分为若干块，这种塔盘称分块式塔盘，根据装配的位置不 同可分为：矩

19、形板、弓形板和通道板三种。安装时由人孔将各块 板送入塔内，拼装在焊于塔壁上的支撑圈上。,图2-30 分块式塔盘结构1,图2-30 分块式塔盘结构2,2.2.2 填料塔,1）、填料塔的总体结构 、塔体 、喷淋装置 、填料 、液体再分布器 、填料支撑装置 、支座以及进出口等部件 2）、填料塔工作原理 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，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。,231 填料塔结构图,2.2.2.1 填料的种类,填料塔的所有填料可分为实体填料和网体填料两大类。网体 填料就是用丝网制成的各种填料，主要介绍实体填

20、料。 、拉西环 它通常是外径与高相等的圆筒体，可用陶瓷、金属或塑料制造, 其壁厚在满足强度的条件下，尽可能薄。 、鲍尔环 它在金属拉西环的壁上开一排或两排长方形的小窗，窗的叶片向 环中心弯曲并在中心处接搭，上下两排窗位置相错。 、鞍形填料 鞍形填料有两种形式矩鞍形和弧鞍形，矩鞍形填料是对称的，易 重合，填料利用率低；弧鞍形填料则避免了这种缺点。,、阶梯环是对鲍尔环的进一步改进，它一端为圆筒形鲍尔环，另一端为喇叭圆筒形。这种填料形状不对称表面利用率高。,图232 实体填料,2.2.2.2 液体喷淋装置,液体喷淋装置也称液体再分布装置，作用是将液体均匀地喷洒 在塔顶填料上，使填料表面能够全部被淋湿

21、。常见的类型有:喷洒 型、溢流型和冲击型。,喷洒型,管式喷洒器,环管多孔喷洒器,莲蓬头喷洒器,溢流型,盘式分布器,槽式分布器,冲击型,管式喷洒器,适用于DN300mm的塔器，通过填料上的进液管（直、弯或缺口）进行喷洒，其结构简单,但喷淋面积较小且不均匀。,图2-33 管式喷洒器,环管多孔喷洒器,适用于DN1200mm的塔器，其结构简单，制造和安装方便，缺点是喷洒面积小，不够均匀，而且液体要求清洁，否则小孔易堵塞。（环管下面开小孔，一般为35排）。,图2-34 环管多孔喷洒,莲蓬头喷洒器,一般可用于塔径小于600mm的塔中，莲蓬头的主要有半球形、碟形、杯形，其优点是结构简单，制造安装方便，缺点是

22、小孔易堵塞，不适于处理污浊液体。,图2-35 莲蓬头喷洒器,盘式分布器,液体从中央进料管加到喷淋盘内，然后均匀地从喷淋盘上的降液管处均匀往下喷淋。分布板上钻有泪孔，以便在停工检修时排净板上的液体。,图2-36 中央进料的盘式分布器,槽式分布器,主要用于DN1000mm的塔，其优点是自由截面大，适应性好，处理量大，操作弹性大，结构见下图，液体先加入分配槽，然后再由分配槽的开口处到喷淋槽，喷淋槽上有堰口，两侧有三角形或矩形的开口，各开口的下缘应位于同一水平面上，再由此溢流到填料上。,图2-37 分布槽,1主槽,2分槽,图2-38 槽式孔流分布器,冲击型分布器,下图所示为常用的反射式喷淋器，具有一定

23、速度的液体从管内流出，冲击在反射板上使液体向四周飞溅，达到均匀喷淋的目的。,图2-39 反射板式喷淋器,2.2.2.3 液体再分布器,当液体流过填料层时，流体慢慢地会从器壁流走（壁流）现象 产生，使液体分布不均匀，塔中央部分填料可能没有润湿，起不 到作用，降低了整个塔的效率。因此就需要液体再分布器使液体 流经一定的高度填料后再重新分布。,图2-40 分配锥结构 1,液体再分布器的作用：将上层填料流下的液体收集，再分布，避免塔中心的填料不能被液体湿润而形成“干锥 ”。,液体再分布器的 典型结构,分配锥,具有通孔的分配锥,图2-41 分配锥结构 2,2.2.2.4 填料的支承结构,填料的支承结构不

24、仅要支承 全部是填料的重量，换必须使上 升的气体能顺利通过，因此要求 栅板： 1）栅板有足够的强度和耐腐蚀性; 2）栅板必须有足够的自由截面,一 般应各填料的自由截面大致相等； 3）槽板扁钢条之间的距离约为 填料外径的60%80%； 4）栅板可以制成整块的或分块的。,图2-43 栅板结构 1,图2-44 栅板结构 2,2.3 反应设备,反应设备是化工生产中实现化工反应的主要设备，其中搅 拌反应釜是一种典型的反应设备。它在一定的压力和温度下， 将一定容积的多种物料搅拌混合，反应所发出或所需的热量有 换热装置输入或带走，该设备促进化学反应的进行。 2.3.1 搅拌反应釜的主要结构及其用途 1）、釜

25、体：是一个密闭容器，为物料进行化学反应提供一定的 空间，通常由圆形筒体和上下封头组成。 2）、传热装置：反应釜内的化学反应通常伴有反应热，因此需 要设置传热装置来输入或带走反应热，通常在釜体内设置蛇管或 在釜体外设置夹套。,图245 搅拌反应釜结构图,1-搅拌器 2-罐体 3-夹套 4-搅拌轴 5-压出管 6-支座 7-人孔 8-轴封 9-传动装置,3）、搅拌装置： 为了使参加反应的各种物料混合均匀，加速反应的进行和便 于控制反应速度。它由搅拌轴和搅拌器组成。 4）、轴封装置： 由于搅拌轴是转动的，而釜体封头是静止的,为了避免介质通 过转轴从釜内泄露或外部杂质进入釜内,因此必须进行密封，该 密

26、封称为“轴封”。 有两种形式：机械密封、填料密封。 5）、其它附件： 有人孔、手孔、各种接管、温度计、压力表、试镜和安全泄放 装置等。,、机械密封,把转轴的密封面从轴向改为径向，通过动环和静环两个端面的相互贴合，并作相对运动达到密封的装置，又称端面密封。,泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长,在搅拌反应器中得到广泛地应用。,定义,特点,原理,当转轴旋转时，动环和固定不动的静环紧密接触，并经轴上弹簧压紧力的作用，阻止容器内介质从接触面上泄漏，达到密封效果。,1 弹簧 2 动环 3 静环,图2-46 机械密封结构图,填料密封,定义,特点,结构简单，制造容易，适用于非腐蚀性和弱腐蚀性介质、密封要求不高、并允许定期维护的搅拌设备。,在压盖压力作用下，装在搅拌轴与填料箱本体之间的填料，对搅拌轴表面产生径