化工静设备基础知识.docx

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化工静设备基础知识

化工设备基础知识

第一节、化工静设备基础知识

一、化工设备的概念

化工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1kgf/cm2）、低压设备（操作压力在1～16kgf/cm2之间）、中压设备（操作压力在16～100kgf/cm2之间）、高压设备（操作压力在100～1000kgf/cm2之间）和超高压设备（操作压力大于1000kgf/cm2）

三、化工容器结构与分类

1、基本结构

图1－1化工容器的总体结构

1—法兰；2—支座；3—封头拼接焊缝；4—封头；5—环焊缝；

6—补强圈；7—人孔；8—纵焊缝；9—筒体；10—压力表；11—安全阀；12—液面计

1）筒体

筒体是化工设备用以储存物料或完成传质、传热或化学反应所需要的工作空间，是化工容器最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往需由工艺计算确定。

圆柱形筒体（即圆筒）和球形筒体是工程中最常用的筒体结构。

2）封头

根据几何形状的不同，封头可以分为球形、椭圆形、碟形、球冠形、锥壳和平盖等几种，其中以椭圆形封头应用最多。

封头与筒体的连接方式有可拆连接与不可拆连接（焊接）两种，可拆连接一般采用法兰连接方式。

3）密封装置

化工容器上需要有许多密封装置，如封头和筒体间的可拆式连接，容器接管与外管道间可拆连接以及人孔、手孔盖的连接等，可以说化工容器能否正常安全地运行在很大程度上取决于密封装置的可靠性。

4）开孔与接管

化工容器中，由于工艺要求和检修及监测的需要，常在筒体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开孔。

5）支座

化工容器靠支座支承并固定在基础上。

随安装位置不同，化工容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类，其中立式容器支座又有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四种。

大型容器一般采用裙式支座。

卧式容器支座有支承式、鞍式和圈式支座三种；以鞍式支座应用最多。

而球形容器多采用柱式或裙式支座。

2、分类

从不同的角度对化工容器及设备有各种不同的分类方法，常用的分类方法有以下几种。

2）按原理与作用分

根据化工容器在生产工艺过程中的作用，可分为反应容器、换热容器、分离容器、储存容器。

①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。

②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。

③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。

④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。

四、化工塔设备的分类和结构

（一）塔设备的分类

1、按操作压力分类

1）加压塔；2）减压塔；3）常压塔。

2、按化工单元操作分类

1）精馏塔；2）吸收塔和解吸塔；3）萃取塔；

4）反应塔；5）再生塔；6）干燥塔。

3、按气液接触的基本构件分类

1）填料塔；2）板式塔

（二）塔设备的结构

1、塔设备的基本部件

填料塔和板式塔结构见图1－2图1－3。

从图中可看出，两种不同的塔结构，均包括一些基本部件，如塔体、支座及塔体附件。

图1－2填料塔结构图

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。

2、填料塔

图1－3板式塔总体结构图

1—裙座；2—裙座人孔；3—塔底液体出口；4—裙座气孔；

5—塔体；6—人孔；7—蒸汽入口；8—塔板；9—回流入口；

10—吊柱；11—塔顶蒸汽出口；12—进料口

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。

ⅴ、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

喷淋装置类型反射板式

冲击式宝塔式

离心式

机械式

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。

5）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。

图1-10填料支承结构图1-11小型除沫器

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。

三）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。

化工装置常用换热设备结构、性能和特点

1、管壳式换热器

①管壳式换热器的类型和优缺点

常用的管壳式换热器有固定管板式、浮头式和“U”形管式。

固定管板式换热器结构简单，造价低，制造容易，管程清洗检修方便。

壳程清洗困难，管束制造后有温差应力存在，当冷热两流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料热膨胀系数相差较大、热应力超过材质的许用应力时，在壳体上应设膨胀节，由于膨胀节不能承受较大内压，所以换热器壳程压力不能太高。

固定管板式换热器适用于两种介质温差不大（一般应低于30℃），或温差较大但壳程压力不高的条件。

浮头式换热器的优点是壳体和管束的温差不受限制，管束清洗和检修较为方便，管程、壳程均容易清扫。

缺点是结构复杂，密封要求较高，一旦泄漏在线处理较为困难。

一般在温差较大的化工单元操作中设置浮头式换热器。

U形管式换热器，克服了固定管板式和浮头式换热器的缺点，但在U形拐弯处很难清洗干净，更换管子较为困难，特别是管板中心部的U形管，泄漏后只能堵管，要想更换管子必须从管板处全部切除，造成很大浪费。

U形管换热器适用于两种流体温差较大，且壳程易结垢的条件。

②管壳式换热器的结构特点

ⅰ、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，如图1－12所示。

其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。

图1－12固定管板式换热器结构图

1—排气口2—封头3—法兰4—管板5—排气口6—壳体7—列管8—支座9—定距管10—折流板11—膨胀节12—壳体接管13—排气口14—封头接管15—封头16—排气口17—法兰18—管板19—排液口20—支座21—接管22—排液口23—入口管

ⅱ、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，如图1－14所示。

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。

浮头式换热器的浮头也有不同的结构型式，常用的如图1－15所示，它是用钳形环和螺栓使浮头和管板密封贴合，以使管内和管间流体互不渗漏。

这种结构现在用的不多了。

根据设计规范，采用了图1－16所示结构，即浮头盖法兰直接和钩圈用螺栓紧固，使浮头法兰和活动的管板密封贴合，虽然减少了管束的有效传热面积，但密封性可靠，整体也较紧凑。

图1-14浮头式换热器

1—吊环；2—平盖板；3—法兰；4—接口；5—管线接管；6—分程板；7—壳体；8—排气口；9—接管；10—接管；11—封头；12—接管；13—排气口；14—接管；15—支座；16—内封头；17—堰板；18—吊耳；19—浮头衬托；20—浮动管板；21—列管；22—折流板；23—定距管；24—支座；25—接管；26—排液口；27—法兰；28—固定管板；29—法兰；30—排液口；31—接管；32—管箱

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。

工作原理如图1-18。

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。

图1－18板式换热器工作原理图

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。

板式换热器的结构及部件性能：

板式换热器的整体结构如图1－19，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。

图1－19板式换热器结构图

1—固定板；2—进口；3—孔；4—支架；5—螺栓；6—孔；7—螺杆；8—夹紧螺栓；9—螺母；10—防松螺母；11—下导杆；12—立柱；13—紧固压板；14—上滑杆；

15—板片；16—胶垫；17—板片；18—压紧板

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。

图1－20传热板片