化工静设备知识

化工设备知识第一节、化工静设备基础知识一、化工静设备的概念化工静设备是指化工生产中静止的或配有少量传动机构组成的装置，主要用于完成传热、传质和化学反应等过程，或用于储存物料。二、化工设备的分类1、按结构特征和用途分为容器、塔器、换热器、反应器（包括各种反应釜、固定床或液态化床）和管式炉等。2、按结构材料分为金属设备（碳钢、合金钢、铸铁、铝、铜等）、非金属设备（陶瓷、玻璃、塑料、木材等）和非金属材料衬里设备（衬橡胶、塑料、耐火材料及搪瓷等）其中碳钢设备最为常用。3、按受力情况分为外压设备（包括真空设备）和内压设备，内压设备又分为常压设备（操作压力小于0.1Mpa）、低压设备（操作压力在0.1～1.6Mpa之间）、中压设备（操作压力在1.6～10Mpa之间）、高压设备（操作压力在10～100Mpa之间）和超高压设备（操作压力大于100Mpa）.三、化工容器化工容器一般由筒体、封头、支座（基本件）、接管、法兰（对外连接件）、人孔、手孔、液面计（附件）以及一些内构件等零部件组成。1．筒体、封头：就如同房子四周的墙，它是构成容器空间的主要部件（属主要受压元件）。壳体按形状的不同，可以分为圆筒壳体、圆锥壳体、球壳体、椭圆壳体、矩形壳体等。而封头有椭圆形封头、半球形封头、碟形封头、锥形封头及平板封头等。2．接管：是介质进出容器的通道。3．法兰：是容器及接管的可拆连接装置，分为设备法兰和管法兰（属主要受压元件）。4．支座：是用于支承容器的部件。5．人孔、手孔：是为便于制造、检验和维护管理而设置的部件（属主要受压元件）。6．液面计：用于观察或监控液位的部件（属安全附件，此外还有安全阀、压力表等）。2、化工容器的分类：容器的分类方法很多，可以按生产过程中的作用原理分，也可以按容器形状、承压性质、结构材料、设计压力高低及安全监察分。按材料分类：金属容器、非金属容器、复合材料容器等.按容器形状分类：矩形容器、球形容器、圆筒形容器等。按承压性质分类：内压容器和外压容器两种。（1）外压容器是指容器外部压力大于内部压力的情况，特别地，当外压为常压时的外压容器，又称为真空容器。（2）内压容器是指容器内部的压力大于外部压力的容器。按设计压力高低分类：内压容器按其设计压力高低，可分为：低压容器、中压容器、高压容器、超高压容器容器分类设计压力(Mpa)低压容器0.1≤P＜1.6中压容器1.6≤P＜10高压容器10≤P＜100超高压容器P≥100按照在生产过程中的作用原理分类：反应容器、换热容器、分离容器和储存容器四种（1）反应容器：完成介质的物理、化学反应。如：合成塔、反应釜、聚合釜、反应器、发生器等。（2）换热容器：完成介质的热量交换。如：热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、废热锅炉等。（3）分离容器：完成介质的压力平衡和气体净化等。如：分离器、过滤器、缓冲器、洗涤器、吸收塔等。（4）储存容器：盛装生产生活用的原料气体、液体、液化气体等。如：各种贮槽、贮罐、高位槽、槽车等。四、化工塔器设备塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液和液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。这些过程都是在一定的压力、温度、流量等工艺条件下，在一定的设备内完成的。由于其过程中两种介质主要发生的是质的交换，所以也将实现这些过程的设备叫传质设备；从外形上看这些设备都是竖直安装的圆筒形容器，且长径比较大，形如“塔”，故习惯上称其为塔设备。塔设备的分类及一般构造随着炼油、化工生产工艺的不断改进和发展，与之相适应的塔设备也形成了形式繁多的结构和类型，以满足各种特定的工艺要求。为了便于研究和比较，人们从不同的角度对塔设备进行分类。如按工艺用途分类，按操作压力分类，也可按其内部结构进行分类。1、按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔。塔设备根据其完成的工艺操作不同，其压力和温度也不相同。但当达到相平衡时，压力、温度、气相组成和液相组成之间存在着一定的函数关系。在实际生产中，原料和产品的成分和要求是工艺确定的，不能随意改变，压力和温度有选择的余地，但二者之间是相互关联的，如一项先确定了，另一项则只能由相平衡关系求出。从操作方便和设备简单的角度来说，选常压操作最好，从冷却剂的来源角度看，一般宜将塔顶冷凝温度控制在30～40℃以便采用廉价的水或空气作为冷却剂。所以塔设备根据具体工艺要求，设备及操作成本综合考虑，有时可以在常压下操作、有时需要在加压下操作,有时还需要减压操作。2、按塔的内件构成结构分为板式塔和填料塔。塔设备尽管其用途各异，操作条件也各不相同，但就其构造而言都大同小异，主要由塔体、支座、内部构件及附件组成。根据塔内部构件的结构可以将其分为板式塔和填料塔两大类。塔体是塔设备的外壳，由圆筒和两封头组成；封头可以是半球形、椭圆形、碟形等；支座是将塔体安装在基础上的连接部分，一般采用裙式支座，有圆筒形和圆锥形两种，常采用圆筒形。裙座与塔体采用对接銲接或搭接焊接连接，裙座的高度由工艺要求的附属设备（如再沸器、泵）及管线的布置情况而定。2、填料塔填料塔是化学工业中最常用的气液传质设备之一，在塔内设置填料使气液两相能够达到良好传质所需的接触面积。填料塔具有结构简单，便于用耐腐蚀材料制造，适应性较好。填料塔广泛的应用在蒸馏、吸收和解吸操作，而在大型装置中，填料塔的使用范围正在扩大。六十年代后期，直径超过3米的填料塔已十分普遍。目前，填料塔不仅可以大型化，而且在某些方面超过了板式塔的规模。所以，近代化学、石油工业中，填料塔的地位变得日益重要。近来，由于塔内采用接触面积较大的矩鞍型或聚丙烯鲍尔环填料，经实践证明，已克服大型填料塔的不足，显示出效率高，处理量大，压力降小等优点。填料塔结构：1—支座；2—液体出口；3—填料支承；4—卸料孔；5—塔体；6—填料；7—液体再分布器；8—喷淋装置1）塔体塔体是塔设备的主要部件，大多数塔体是等直径、等壁厚的圆筒体，顶盖以椭圆形封头为多。塔体材质常采用的有：铸铁、碳素钢、低合金钢、不锈耐酸钢（复层、衬里）等。2）塔体支座塔设备常采用裙式支座。它应当具有足够的强度和刚度，来承受塔体操作重量、风力、地震等引起的载荷。塔体支座的材质常采用碳素钢，也有采用铸铁的。?3）塔体附件?①接管；②人孔和手孔；③吊耳；④吊柱；⑤平台和爬梯。3、常用填料的特性①拉西环拉西环使用历史悠久，各种参数比较完整；设计与操作经验丰富，外形简单、制造方便；取材容易、造价低廉，适用于非金属耐腐蚀材料制造等优点。但拉西环由于表面积利用率低，因而使塔的生产能力降低，阻力较大，加上自身的形状决定了它沟流和壁流严重，使气液分布不均匀，气—液接触不良。②鲍尔环鲍尔环除钢制外，还有用陶瓷和塑料制成的。具有如下优点：对于同样的空隙率而言，阻力比拉西环小，因而可提高气速，生产能力可以提高。由于小窗叶片向环中心弯，液体分布较为均匀，所以沟流和壁流情况比拉西环好。开小窗后表面积比拉西环要大，且环内表面得以充分利用，以进行气液传质，而拉西环内表面利用率较低。操作弹性范围大。在一般情况下，当同样压降时，处理量比拉西环大50％以上；在同样处理量时，压降可降低，传质效率能提高20％左右。③鞍形填料鞍形填料又分弧鞍形和矩鞍形两种。此种填料常用于吸收操作，处理腐蚀性介质较为适宜，且成本低。近来，又对矩鞍形填料予以改进。它是目前瓷制填料中处理量大，效率较高的一种2）塔设备喷淋装置在塔顶部装设喷淋装置，可使塔顶引入的液体能沿塔截面均匀分布进入填料层，避免部分填料得不到湿润，降低填料层的有效利用率，影响传质效果。喷淋装置的类型很多，常用的如下表：管式、喷淋型、莲蓬头式、盘式、溢流式、槽式、3）填料的支承结构填料的支承结构不但要有足够的强度和刚度，而且须有足够的自由截面积，否则会增大塔的压力降，使在支承处不致首先发生液泛。4）除沫器除沫器是用来捕集夹带在气相中液滴的装置，装在塔内顶部，它能起到保证传质效率，降低物料损失，改善塔后压缩机或真空泵的操作状况以及减少对环境污染的作用。常见的除沫器有折板除沫器、填料除沫器及丝网除沫器，其中丝网除沫器采用最多，它适用于分离5微米的液滴，其除沫率可达99%。丝网由一定规格编织成的丝网带卷制成盘状物，再用支承板加以固定，丝网带可用金属或非金属材料制成，丝网支承栅板的自由截面积应大于90%。适用于洁净气体。若在气液中含有粘结物时，则易堵塞网孔，影响塔的正常操作。二）板式塔板式塔因空塔速度比填料塔高，所以生产强度比填料塔大。板式塔的塔板结构有多种，它是决定塔特性的主要因素。1、塔板的主要部件塔板的主要部件有：1）降液管降液管的作用是使液体由上一层塔板流到下一层塔板。2）出口堰出口堰具有维持板上液层高度及使液流均匀的作用。3）入口堰其作用是使上一层板流入的液体能在板上均匀分布，并减少进入处液体水平冲出。降液管与下层塔板至入口堰处称为受液盘，这种结构便于液体的侧线抽出。在低液流量时，仍能造成正液封，具有改变液体流向的缓冲作用。4）塔板塔板有整块式或分块式两种。（1）整块式塔板此种塔板一般用于塔径小于800mm，人不便进入安装和检修的塔内。塔体由若干塔节组成，塔节与塔节之间用法兰连接。塔板与塔板之间用管子支承。塔板与塔壁间隙用填料来密封。（2）分块式塔板分块式塔板用于塔径在900mm以上，人可以进入的塔内。塔体为一焊制整体圆筒，不分塔节，而塔板是分成数块，通过人孔送入塔内，装到焊在塔内壁的塔板固定件上。为了进行塔内清洗和检修，在塔板中央设置一块内部通道板，通道板应为上、下均可拆的。塔板上的鼓泡构件型式很多，常用鼓泡构件为泡罩、浮阀等。下节分别叙述。（3）泡罩塔板泡罩塔板所用的泡罩有圆形和条形两类，其主要特点是鼓泡元件各具有升气管。上升气体经升气管由泡罩齿缝吹入液层，两相接触密切，加之板上液层较高，两相接触时间较长，分离效果较好。但由于气体通过泡罩的路线曲折及液层较高，导致压降及雾沫夹带增高等缺点。同时，由于塔板上液面梯度较大，气相分布不均，影响传质效率，这也是泡罩结构所造成的。（4）浮阀塔板及特点①生产能力大，比泡罩塔板约提高20～40％，与筛板塔相近。②操作弹性大，在较宽的气速变化范围内，板效率变化较小，其弹性范围（即最大负荷与最小负荷之比）为7～9。③由于气－液接触状态良好，以及气体为水平方向吹出，雾沫夹带量小，因此塔板效率高，比泡罩塔效率可提高15％左右。④液面梯度小，蒸汽分配比较均匀，塔板压降比泡罩塔小。?⑤塔板结构简单，安装容易。浮阀塔板结构与泡罩塔板类同。操作时气流自下而上吹起浮阀，从浮阀周边水平方向吹入塔板上液层，进行两相接触。液体则由上一层塔板的降液管流入，经进口堰均布，再横向流过塔板与气相接触传质后，再经溢流堰进入降液管，流入下一层塔板。五、化工装置常用换热设备结构、性能和特点1、板式换热器的结构及部件性能：板式换热器的整体结构主要有传热板片、密封板条、两端压板、固定螺栓、支架、进出口管等部件组成。①、传热板片传热板片是换热器主要起换热作用的元件，一般波纹做成人字形，但A板和B板人字相反，如图1－20。按照流体介质的不同，传热板片的材质也不一样，大多采用不锈钢和钛材制作而成。制作工艺为平板冲压，大多压成矩形板片。?②、密封板条板式换热器的泄漏多是因为密封板条压制错位或者老化引起的，所以在开始组装或者解体时必须选择合适的密封板条，以适用流体介质的性能。一般选用乙丙胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶等，然后用401号粘结剂粘牢固化后组装。对于使用的密封板条应有严格的技术要求，例如：耐温、弹性好，抗大气腐蚀、抗阳光紫外线、抗老化等性能。③、端盖两端盖主要是夹紧压住所有的传热板片，保证流体介质不泄漏，一般为碳素，端盖应平滑，不应有变形、腐蚀、锈蚀等缺陷。④、固定螺栓固定螺栓一般是通杆螺纹，预紧螺栓时，一定用力矩扳手，使固定板片的力均匀。螺纹裸露部分，一定用塑料套管保护，防止锈蚀。⑤、支架支架是挂传换板片的，对于不同型号的换热器，支架的高度、长度也不一样，同时，支架下部有和基础固定的螺栓。吊装和安装换热器时，严格选择吊点，防止支架变形。⑥、进出口管进出口管和两端压盖联在一起，值得注意的是在进出口管内衬有橡胶衬套，安装时不能被外部压变形，否则很容易造成泄漏。2、常见换热器介绍1、固定管板式换热器固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成，结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起。管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器，管程可以用隔板分成任何程数。应用极为广泛。近年来，也有设计开发出固定管板的挠性管板，即薄管板式换热器，这是根据弹性薄圆板理论，在均匀载荷作用下周边固定支承的圆平板产生的挠度可被看作在管板布管区的变形，无论是热应力还是管壳温差应力挠性变形薄管板均能承受，它的应用比常规的固定管板式换热器更具有优点。2、浮头式换热器浮头式换热器主要由壳体、浮动式封头管箱、管束等部件组成。它的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，也就是壳体和管束热膨胀可自由，故管束和壳体之间没有温差应力。一般浮头设计成可拆卸结构，使管束可自由地抽出和装入。2、板式换热器板式换热器是一种高效换热器，在工厂应用中有伞板换热器和平板换热器，化工装置中常用后一种。板式换热器的特点:①、体积小，占地面积少。②、传热效率高，可使在低速下强化传热。③、组装方便，当增加换热面积时，只多装板片，进出口管口方位不需变动。④、热损失小，不需保温，热损失只为1％左右。⑤、拆卸、清洗方便，检修容易在现场进行。特别对于易结垢的介质，板片随时拆下清洗。⑥、使用寿命长。一组板式换热器，一般可使用5～8年，而后常因橡胶板条老化而泄漏，拆下后重新粘结板条，组装板片可继续使用。⑦、板式换热器的缺点是密封周边较长，容易泄漏，使用温度只能低于150℃，承受压差较小，处理量较小，一旦发现板片结垢必须拆开清洗。