化工设备1.docx
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化工设备1
化工设备
（1）
第一章化工设备概述
第一节化工设备的应用、类型及基本要求
一、化工设备的应用
化工生产企业的各种装置都是由不同类型的设备所构成的。
石油、化工产品也都是按照一定的工艺过程，利用与之相配套的化工设备生产出来的。
典型炼油、化工生产装置所需的化工设备见表1-1。
表1-1典型炼油、化工生产装置所需的化工设备
序号
生产装置名称
所需的主要设备
1
常减压
加热炉、分馏塔、换热器、空气冷却器、各种油泵
2
催化裂化
加热炉、反应器、沉降器、再生器、旋风分离器、分馏塔、空气冷却器、离心式鼓风机、各种油泵、各类容器
3
催化重整
加热炉、分馏塔、反应器、抽提塔、各种换热器、各种油泵
4
润滑油脱蜡
加热炉、各类塔器、转鼓式真空过滤机、套管结晶器、离心式空气压缩机、各种泵
5
合成氨
加热炉、反应器、分馏塔、压缩机、换热设备、各种泵
6
丁烯氧化脱氢生产丁二烯
反应器、各种塔器、蒸发器、空气压缩机、混合器、废热锅炉、各种泵
从表1-1可见，化工生产离不开化工设备，化工设备是化工生产必不可少的物质技术基础，是生产力的主要因素之一，是化工产品质量保证体系的重要组成部分。
化工设备不仅用于化工和炼油生产中，而且在轻工、医药、食品、冶金、能源、交通等工业部门也有着广泛的应用。
二、化工设备的特点
（1）功能原理多样化。
由于化工工艺过程是多样性的，如工作压力、温度、介质特性及生产要求是各不相同的，所以与其配套的设备虽然量比较大，但很难形成批量生产的定型产品，而只能按照不同的工艺条件和使用要求，逐个进行设计和制造。
这就使得工业生产中使用的化工设备功能原理、结构特征是多种多样的。
（2）外壳多为压力容器。
虽然不同类型的设备服务对象不同，形式多样，功能原理及内部构造也不同。
但就其总体结构而言都是承受压力的容器，有共同之处。
所以凡有关设备所共有的问题都将在“压力容器”的名称下予以介绍。
但是压力容器是一种特殊的设备，往往是在高温、高压、或高真空、低温下工作，且工作介质大多易燃、易爆、有毒和强腐蚀等，这种设备一旦发生安全事故其后果是不堪设想的，所以国家劳动部门对其进行严格、系统和强制性的管理，制定了相应的标准和技术规范，并且实施了设计、制造、检验、安装、操作等持证上岗制度。
（3）化工、机械、电气一体化。
先进的化工工艺过程需要借助于性能优良的机械设备得以实现，而要保证设备高效、安全、可靠地运行，就需要对其运行状态进行适时监控。
并且对物料、压力、温度等参数也需要实施精确可靠控制。
因此生产过程中的成套设备都是将化工过程、机械设备、控制技术三方面紧密结合在一起，实现化工、机械、电气一体化，以达到对设备操作过程进行控制的目的这不仅是化工设备在应用上的一个突出特点，也是设备应用水平不断提高的一个发展方向。
（4）设备结构大型化。
随着先进生产工艺的提出和设备设计、制造以及检测水平的不断提高，对设备大、高负荷化工设备的需求日趋增加。
如目前使用的乙烯换热器最大直径可达2.4m，高压加氢反应器直径可达6m、壁厚450mm、质量达千吨以上。
设备结构的大型化，增加了材料应用、设计制造、安装检修、使用维护等方面的难度，也对相关人员提出了更高的要求。
三、化工设备的基本要求
1.工艺性能要求
化工设备是为化工工艺服务的，所以设备从结构形式和性能特点上应能在指定的生产条件下完成指定的生产任务。
如压力、温度、介质特性等要求。
首先应达到工艺指标，如反应设备的反应速度、换热设备的传热量、塔设备的传质效率、储存设备的储存量等；其次还应有较高的生产效率和较低的资源消耗，化工设备的生产效率是用单位时间内单位体积所完成的生产任务来衡量的，如换热设备在单位时间内单位传热面积上的传热量、反应设备在单位时间单位容积内的产品数量等。
资源消耗是指生产单位质量或体积产品所需的原料、燃料、电能等。
2.安全性能要求
◆化工生产的特点要求化工设备必须要有足够的安全性。
国内外生产实践表明，化工设备发生事故相当频繁，而且事故的危害性极大。
为了保证其安全可靠地运行，防止事故的发生，化工设备必须具有足够的强度和刚度（稳定性）、良好的韧性、耐腐蚀性和可靠的密封性。
◆化工设备及其零部件要有足够的强度，以保证安全运行。
设备是由一定的材料构成的，其安全性与材料的性能密切相关，在相同条件下，提高材料的强度可以减小尺寸、减轻重量、降低成本。
但是如果过分追求高强度材料，不仅使材料和制造成本增加，而且高强度钢一般韧性都较差，由于制造时的焊接等原因，不可避免地存在如裂纹、夹渣、气孔等缺陷，加之使用中产生的疲劳及应力腐蚀等，这就要求制造设备的材料要有良好的韧性。
所以选材时要注意材料的综合性能。
◆设备的刚度（稳定性）与其结构及尺寸有关、与金属材料的种类关系不大，强度足够的设备刚度不一定满足要求。
刚度不足也是化工设备失效的主要形式之一，如在法兰连接中、若法兰刚度不足而发生过度的变形，将会导致密封失效而泄露；承受外压的容器如稳定性不足，将会失去原有的形状而丧失各种能力。
◆化工设备必须要有可靠的密封性，否则易燃、易爆、有毒介质泄露出来，不仅使生产和设备本身受到损失，而且威胁操作人员的安全、污染环境，甚至引起爆炸，造成极其严重的后果。
◆耐腐蚀性也是保证化工设备安全运行的一个基本要求，化工生产中的酸、碱、盐腐蚀性很强，其他许多介质也都有程度不同的腐蚀性，腐蚀不仅使设备壁厚减薄、而且有可能改变材料的组织和性能，所以要选择合适的耐腐蚀材料或采取相应的防腐蚀措施，以提高设备的使用寿命和运行的安全性。
3.使用和经济性能要求
在满足工艺要求和安全可靠运行的前提下，要尽量作到适用和经济合理。
要求设备结构合理、制造简单、成本低廉，运输与安装方便，操作、控制及维护简便。
基本建设投资和日常维护、操作费用低，以获得较好的综合经济效益。
四、化工设备的类型
化工生产条件苛刻、技术含量高，生产原理多样性，所用设备种类多。
各种工艺装置的任务不同，所采用的设备也不仅相同。
按化工设备在生产中的作用可将其归纳为加热设备、换热设备、传质设备、反应设备及储存设备等几种类型。
1.加热设备
加热设备是将原料加热到一定的温度，使其汽化或为其进行反应提供足够的热量。
在石油化工生产中常用的加热设备是管式加热炉，它是一种火力加热设备，按其结构特征有圆筒炉、立式炉及斜顶炉等，其中应用较多的是圆筒炉。
管式加热炉是乙烯生产、氢气和合成氨等工艺过程中，进行裂解或转化反应的心脏设备，它支配着整个工厂或装置的产品质量、收率、能耗及操作周期等。
2.换热设备
换热设备的作用是将热量从高温流体传给低温流体，以达到加热、冷凝、冷却的目的，并从中回收热量、节约燃料。
换热设备的种类很多，按其使用目的有加热器、换热器、冷凝器、冷却器及再沸器等，按换热方式可分为直接混合式、蓄热式和间壁式。
在石油化工生产中，应用最多的是各种间壁式换热设备。
换热设备的投资也是很大的，在化工厂的建设中，换热设备约占总费用的10%~20%，在炼油厂中换热设备约占全部工艺设备总投资的35%~40%。
换热设备在动力、原子能、冶金、轻工、制药、食品、交通及家电等工业部门也有着广泛的应用。
3.传质设备
传质设备是利用物料之间某些物理性质，如沸点、密度、溶解度等的不同，将处于混合状态的物质（气态或液态）中的某些组分分离出来。
在进行分离的过程中物料之间发生的主要是质量的传递，故称其为传质设备。
这类设备就其外形而言，大多都为细而高的塔状，所以通常也叫塔设备。
如精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔等。
按结构组成塔设备可分为板式塔和填料塔，其中板式塔应用较多。
在炼油、化工生产装置中，塔设备的投资费用占整个工艺设备费用的25%~30%。
需要说明一点，有些设备外形呈塔状、但工作原理是反应或换热，如合成氨生产的合成塔及化工厂常见的凉水塔等。
4.反应设备
反应设备的作用是完成一定的化学和物理反应，其中化学反应是起主导和决定作用的，物理过程是辅助的或伴生的。
反应设备在石油化工生产中应用也是很多的，如苯乙烯、乙烯、高压聚乙烯、聚丙烯、合成橡胶、合成氨、苯胺染料和油漆颜料等工艺过程，都要用到反应设备；在炼油生产中，如催化裂化、催化重整、加氢裂化、加氢精制等装置，都采用不同类型的反应设备。
反应设备的种类很多，有的已标准化、如夹套式搅拌反应器。
5.储存设备
储存设备是用来盛装生产用的原料气、液体、液化气等物料的设备。
这类设备属于结构相对比较简单的容器类设备，所以又称为储存容器或储罐，按其结构特征有立式储罐、卧式储罐及球形储罐等。
球形储罐用于储存石油气及各种液化气，大型卧式储罐用于储存压力不太高的液化气和液体，小型的卧式和立式储罐主要作为中间产品罐和各种计量、冷凝罐用。
第二节化工设备常用材料
一、对压力容器用钢的基本要求
根据化工工艺对化工设备的基本要求，对压力容器用钢的基本要求是：
较高的强度，良好的塑性、韧性，良好的焊接性和耐腐蚀性。
作为钢厂出厂时必检项目是：
化学成分、抗拉强度
、屈服点
、断后伸长率
、180o冷弯、冲击功
。
制造厂接受钢材来货时必须检查钢厂的质量保证书，对制造重要容器的钢材甚至还要进行抽样复验，以至逐张进行超声波100%面积检验以确定其轧制质量。
二、常用钢材介绍
（一）钢板
1.碳素结构钢钢板
在压力容器中可供选用的牌号有Q235-A·F、Q235-A、Q235-B、Q235-C。
这属于一般用途的碳素结构钢而并非压力容器专用钢，但由于其轧制技术成熟，质量稳定，价格较低，在限定的条件下使用是可靠的，所以在规定的条件下可用于压力容器。
其中Q235—B和Q235—C在限定条件下可用其制作压力容器的壳体。
Q235-B的使用温度为0℃~350℃，用作压力容器壳体时厚度不超过20mm、容器的设计压力也不得超过1.6MPa，不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器；Q235-C的使用温度为0℃~400℃，用作压力容器壳体时厚度不超过30mm、容器的设计压力也不得超过2.5MPa。
2.压力容器用碳素钢和低合金钢钢板
这类材料属于一般压力容器专用钢板。
其中，低合金钢是在普通结构钢的基础上加入了少量或微量的合金元素，如Mn、Si、Mo、V、Ni、Cr等，从而使钢材的强度和综合力学性能得到明显改善。
压力容器用碳素钢和低合金钢板使用性能见表1-2
3.低温压力容器用低合金钢钢板
按中国设计规范规定，设计温度小于等于-20℃者为低温容器。
低温用钢是一种专用钢种，除了要求具有一定的强度外，更要求具备足够的韧性，以防止压力容器的低温脆断。
因此，低温脆性评定指标是防止材料低温脆断的重要依据，也是低温用钢的主要性能指标。
见表1-3。
4.不锈钢钢板
化工生产介质大多都是有腐蚀的，为确保容器安全运行，从选材角度考虑需要选用耐腐蚀的不锈钢。
但腐蚀介质的性质千差万别，而且其腐蚀性在很大程度上受介质的浓度及温度的影响，因而为适应不同介质和操作条件的要求，不锈钢的牌号也很多，其中主要是按GB4237-92《不锈钢热轧钢板》生产的各类热轧钢板。
其使用条件见表1-4。
不锈钢虽然应用广泛，但就某一个钢号而言其应用有一定的局限性，目前尚未找到一个能够抵抗多种介质腐蚀的钢种。
例如，处理浓度低于50%的稀硝酸，在室温下可采用0Cr13钢，但在沸腾温度下则需要采用0Cr18Ni9钢。
因此，表中不锈钢板的使用还应根据介质的种类、浓度及温度等条件综合考虑。
（二）钢管
钢管在化工设备中应用也是很多的，如容器壳体上各种接管，管壳式换热器上的换热管、加热炉的炉管等。
这些都要求使用无缝钢管，另外大直径的无缝钢管还可直接用来制作容器的壳体。
纳入GB150-1998中的几类钢管使用情况见表1-5。
表1-2压力容器用碳素钢和低合金钢钢板使用性
钢号
钢板
标准
厚度范围/mm
使用温
度/℃
说明
20R
GB6654-1996
6～100
-20～475
20R是GB6654-1996标准中唯一的碳素钢类压力容器用钢，属低碳钢中的优质钢。
它按压力容器专用钢要求进行冶炼和检验，严于一般的碳素结构钢
16MnR（Q345）
6～120
-20～475
16MnR是在低碳钢的基础上加入合金元素Mn而得到的低合金钢。
与20R钢相比，含碳量相仿，但加入适量的Mn元素后，使16MnR的强度显著提高
15MnVR
6～60
-20～400
15MnVR是在16MnR钢采用Mn元素进行强化的基础上再加入0.04%～0.12%的V元素而得到的强度级别为400MPa的低合金钢。
一般在热轧状态下使用。
其强度、塑性、韧性以及可焊性均较好
15MnVNR
6～60
-20～400
15MnVNR是在16MnR和16MnR的基础上再添加N元素。
在高温时，显著降低钢的过热敏感性，并大大提高钢的常温和高温强度
18MnMoNbR
30～100
-20～475
18MnMoNbR是在采用Mn元素的基础上再添加Mo-Nb合金元素进行复合强化后的一种高强度钢。
它不仅具有强度高的特点，而且也可作为中温和抗氢容器用钢。
热轧状态下，其塑性和韧性值偏低，故一般均在正火+回火状态下使用，是制造石油化工压力容器和锅炉气包的一种有前途的钢种
13MnNiMoNbR
30～120
-20～400
13MnNiMoNbR是GB150-1998中强度级别较高的一种钢材，强度级别达到650MPa
15CrMoR
6～100
-20～550
15CrMoR是一种耐热低合金钢。
由于钢中加入了Cr、Mo元素，除具有良好的常温力学性能和工艺性能外，还具有较好的热强性、热稳定性和高温抗氧化性
14Cr1MnR
-
16～120
-20～550
已列入GB150-1998附录但尚未列入材料标准（国家标准或行业标准）的钢材
07MnCrMoVR
-
16～50
-20～350
表1-3低温压力容器用低合金钢（GB3531）
钢号
使用状态
厚度/mm
使用温度/℃
最低冲击试验温度/℃
16MnDR
正火
6～36
-40～350
-40
36～100
-30～350
-30
15MnNiDR
正火，正火加回火
6～60
-45～100
-45
09Mn2VDR
正火，正火加回火
6～36
-50～100
-50
09MnNiDR
正火，正火加回火
6～60
-70～350
-70
07MnNiCrMoVDR
调质
16～50
-40～350
-40
表1-4不锈钢钢板
钢号
钢板标准
使用状态
厚度/mm
使用温
度/℃
其他要求
0Cr13
GB4237-92
退火
2～60
-20～600
按GB4237-92的规定
0Cr18Ni19
固溶
-196～700
0Cr18Ni10Ti
固溶
稳定化
0Cr17Ni12Mo2Ti
固溶
0Cr18Ni12Mo2Ti
-196～500
0Cr19Ni13Mo3
-196～700
00Cr19Ni10
-196～425
表1-5常用钢管使用情况
类型
标准
钢号
厚度/mm
使用说明
碳素钢和低合金钢管
GB8163
10，20
≤10
无缝管，适用于流体输送，可Q235、20R、16MnR与等材料配合使用，是应用最广泛的一类无缝管
GB9948
10，20
≤16
无缝管，主要用于管式加热炉辐射室炉管，以及高温条件下换热器和热油管
GB6479
10，20G，16Mn，15Mv
≤40
化肥设备用高压无缝管，适用温度-40～400℃，适用压力10～32MPa，可与多种容器壳体用钢板配合使用
低温钢管
未列入冶金产品标准
09Mn2VD，09MnD
无缝管
中温抗氢钢管
GB9948
12CrMo，15CrMo
≤16
无缝管，用于石油加工中管式加热炉辐射室护管，以及高温条件下换热管和热油管等
GB6479
12CrMo，15CrMo，10MoWVNb，
12Cr2Mo，1Cr5Mo
≤40
化肥设备用高压无缝管
高合金钢管
GB/T14796
0Cr13，0Cr18Ni9，0Cr18Ni10Ti
0Cr17Ni12Mo2，0Cr18Ni12Mo2Ti
0Cr19Ni13Mo3，00Cr19Ni10
00Cr17Ni14Mo2
≤16
热轧和冷拔无缝管。
适用于腐蚀介质、高温或低温的设备
高合金钢管
GB13296
0Cr18Ni9
1Cr18Ni9Ti
0Cr18Ni10Ti
00Cr19Ni10
0Cr17Ni12Mo2
0Cr18Ni12Mo2Ti
00Cr19Ni13Mo3，
≤13
锅炉、换热器用无缝管。
使用于腐蚀介质、高温或低温的设备
（三）锻件
压力容器的某些零部件，如锻焊结构的容器的筒节、压力容器法兰、换热器的管板、锻制平封头、锻制紧缩口等，都要求用锻件来制造。
常用锻件的毛坯有筒形、环形、饼形、碗形、长颈法兰专用锻件、条形等，见图1-1。
（四）螺栓、螺母常用材料
螺栓与螺母是压力容器和化工设备中广泛使用的一类基础零件。
由于螺栓要承受较大的负荷，因此，螺栓与螺母一般采用机械强度高的材料制造，同时也要求材料具有良好的塑性、韧性以及良好的机械加工性能。
对高温和高强度螺栓用钢，还必须具有良好的抗松弛性、良好的耐热性以及较低的缺口敏感性。
螺栓与螺母需要配套使用，通常螺栓的强度和硬度应略高于螺母。
螺栓、螺母用钢使用条件见表1-6。
图1-1锻件形状
表1-6螺栓、螺母用钢使用条件
螺栓用钢
标准
使用温度/℃
螺母用钢
使用条件
Q235-A
GB700
0～300
Q215-A
Q235-A
适用于p＜2.5MPa的压力容器
35，40
40MnB
40MnV
40Cr
GB699
GB3077
≤350
Q235-A
20，25
35，45，40Mn
适用于p≤10MPa的压力容器，密封要求较高时，使用温度应≤200℃
35CrMoA35CrMoVA
GB3077
≤500
45，40Mn
30CrMoA
35CrMoA
适用于p≥2.5MPa的压力容器，密封要求较高时，使用温度应≤400℃
1Cr5Mo
GB1221
≤600
1Cr5Mo
适用于高温密封
2Cr5Mo
GB1220
≤500
2Cr13
1Cr13
适用于高温及有一定耐蚀要求的密封
0Cr19Ni19
GB1220
≤700
1Cr13
0Cr19Ni19
冷作硬化状态的使用温度上限为100℃
三、压力容器用钢的选用原则
压力容器的操作条件各不相同，所用钢材种类繁多，所以在选材上没有统一的标准，只能根据具体情况分析确定。
一般应考虑如下几个方面。
（1）设备的使用和操作条件；
（2）材料的力学性能；
（3）材料的焊接和冷热加工性能；
（4）设备的使用功能和制造工艺；
（5）国家或行业的相关标准；
（6）材料的来源与价格。
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