化工设备基础知识文档格式.docx
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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。
6）安全附件
由于化工容器的使用特点及其内部介质的化学工艺特性，往往需要在容器上设置一些安全装置和测量、控制仪表来监控工作介质的参数，以保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。
化工容器的安全装置主要有安全阀、爆破片、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计、测温仪表等。
上述筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件等即构成了一台化工设备的外壳。
对于储存用的容器，这一外壳即为容器本身。
对用于化学反应、传热、分离等工艺过程的容器而言，则须在外壳内装入工艺所要求的内件，才能构成一个完整的产品。
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。
1）按压力等级分
按承压方式分类，化工容器可分为内压容器与外压容器。
内压容器又可按设计压力大小分为四个压力等级，具体划分如下：
低压（代号L）容器0.1MPa≤p<
1.6MPa；
中压（代号M）容器1.6MPa≤p<
10.0MPa；
高压（代号H）容器10.0MPa≤p<
100MPa；
超高压（代号U）容器p≥100Mpa。
外压容器中，当容器的内压小于一个绝对大气压（约0.1Mpa）时又称为真空容器。
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。
在一台化工容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应按工艺过程的主要作用来划分品种。
3）按相对壁厚分
按容器的壁厚可分为薄壁容器和厚壁容器，当筒体外径与内径之比小于或等于1.2mm
时称为薄壁容器，大于1.2mm时称厚壁容器。
4）按支承形式分
当容器采用立式支座支承时叫立式容器，用卧式支座支承时叫卧式容器。
5）按材料分
当容器由金属材料制成时叫金属容器；
用非金属材料制成时，叫非金属容器。
6）按几何形状分
按容器几何形状，可分为圆柱形、球形、椭圆形、锥形、矩形等容器。
7）按安全技术管理分
上面所述的几种分类方法仅仅考虑了压力容器的某个设计参数或使用状况，还不能综合反应压力容器面临的整体危害水平。
例如储存易燃或毒性程度中度以及上危害介质的压力容器，其危害性要比相同几何尺寸、储存毒性程序轻度或非易燃介质的压力容器大得多。
压力容器的危害性还与其设计压力p和全容积V的乘积有关，pV值愈大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。
为此，《压力容器安全技术监察规程》采用既考虑容器压力与容积乘积大小，又考虑介质危害程度以及容器品种的综合分类方法，有利于安全技术监督和管理。
该方法将压力容器分为三类。
（1）、第三类压力容器
具有下列情况之一的为第三类压力容器。
①高压容器；
②中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；
③中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于10MPa•m3）
④中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积≥0.5MPa.m3）；
⑤低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积≥0.2MPa•m3）；
⑥高压、中压管壳式余热锅炉；
⑦中压搪玻璃压力容器；
⑧使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa）的材料制造的压力容器；
⑨移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车［液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车］和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等；
⑩球形储罐（容积大于等于50m3）；
⑾低温液体储存容器（容积大于5m3）。
（2）、第二类压力容器
具有下列情况之一的为第二类压力容器。
①中压容器；
②低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；
③低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；
④低压管壳式余热锅炉；
⑤低压搪玻璃压力容器。
（3）、第一类压力容器
除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。
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。
而其不同的内件结构则在介绍两种塔型时分别介绍。
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。
但随着装置的大型化，不等直径、不等壁厚的塔体已逐渐增多。
塔体除满足工艺条件对它提出的强度、刚度要求外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所带来的影响，以及吊装、运输、检验、开停工等情况。
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；
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。
1）填料
ⅰ、填料的选择
填料塔操作的好坏与选用填料的正确与否有很大关系。
选择填料的原则如下：
单位体积填料的表面积要大；
使气液相接触的自由体积要大；
对气相阻力要小，即空隙截面积大；
重量要轻；
机械强度要高；
耐介质腐蚀，经久耐用；
价格低廉。
填料的选择，应根据操作压力和介质来选择填料的材质，根据操作工艺要求，选择填料的型式，根据填料塔径选择填料尺寸。
ⅱ、填料的分类
工业用填料大致分为实体填料和网体填料两大类。
ⅲ、填料材质
选择填料要根据被处理物料的腐蚀性及操作压力，确定使用填料的材质。
ⅳ、填料尺寸选择
填料尺寸选定与塔径尺寸有关，一般要求塔径与填料直径之比不能太小，否则，填料与塔壁的间隙过大，易使液体沿塔壁空隙流下，使截面上液体分布不均。
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
①管式喷淋器
小直径的填料塔（300mm以下）可以采用管式喷淋器，如图1-4（a）、（b）所
示。
直径小于600mm的塔可采用多孔直管式如图1-4（c）。
该结构的优点是结构简
单，缺点是喷淋面积小而且不均匀。
图1-4管式喷淋器
（a）直管；
（b）弯管；
（c）多孔直管式
对于直径稍大的填料塔（1200mm以下），可以采用多孔环管喷淋器，如图1-5所示。
环状管的下面开有小孔，小孔直径为4~8mm，共有3~5排，小孔面积总和约与管截面积相等，环管中心圆直径D1一般为塔径Dg的60～80％。
这种喷淋器优点是结构简单，制造及安装方便，但缺点是喷淋面积小，不够均匀，而且液体要清洁，否则小孔易堵塞。
②莲蓬头式喷淋器
这种结构是应用最普遍的一种喷淋装置，结构简单，喷淋较均匀，如图1－6所示。
莲蓬头可以作成半球形、碟形或杯形，它悬于填料上方中央处，液体经小孔分股喷出，莲蓬头直径一般为塔径的20～30％，小孔直径为3～15mm，它的安装位置离填料表面的距离一般约为（0.5～1）Dg，此种结构的缺点是容易堵塞，液体分布情况与压头有关，所以适用于料液清洁且料液压头不变或变化不大的情况，一般用于直径600mm以下的塔设备。
③溢流型喷淋器
盘式分布器是常用的一种溢流型喷淋装置，液体经过进液管加到喷淋盘内，然后从喷淋盘内的降液管溢流，喷淋到填料上。
中央进料的盘式分布器如图1－7所示。
降液管一般按等边三角形排列，焊接在喷淋盘的分布板上。
图1－5环管多孔喷淋器
图1－6莲蓬头式喷淋器
图1－7盘式分布器
④冲击型喷淋器
反射板式喷洒器为冲击型的一种，利用液流冲击反射板（可以是平板、凸板或锥形板）以飞溅分布液体。
最简单的结构为平板，液体循中心管流下，冲击后分成液滴并向各方飞溅。
3）液体再分布装置
由于工艺条件的要求，需要的填料层总高度较大，当喷淋液体喷到填料表面后，液体有流向塔壁造成“壁流”的倾向，称为“干锥体”现象，使液体分布不均，降低了填料塔的效率。
为避免产生“干锥体”现象，必须在塔结构上采取措施，即沿填料层每隔一段距离，装设液体再分布器，使其在整个高度的填料层内部都得到喷淋液的均匀分布。
分配锥是最简单的一种结构，如图1－8所示。
（b）图为具有通孔的分配锥，适用塔径在600~800mm的塔，α为35º
～45º
，D1＝（0.7～0.8）Dg。
图1-9所示为槽形液体再分配器，器上的通孔是增加气体通过的截面积，使气体通过再分配器时，速度变化不大，该分布器适用塔径600mm以上的塔。
图1-8分配锥
图1-9槽形再分配器
4）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。
在工业填料塔中，最常用的填料支承是栅板，它是用竖扁钢制成，其结构见图1-10。
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。
图1-11是一种小型除沫器，该结构适用于除沫器直径与塔径相近的情况。
若塔体直径大于1000mm以上时，将采取分块结构型式，便于丝网的安装与检修。
（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。
五、化工换热设备的结构和分类
化工换热设备是在化工生产过程中即化学反应物中实现热能传递的设备，使热量从温度较高的流体传给另一种温度较低的流体。
在化肥、化工、炼油工业生产中，常常进行着各种不同的换热过程，特别是近年开发的各种化工工艺，充分进行了热能的综合利用，各种型式的高效、节能换热设备不断推出，应用到不同的冷换操作单元中。
例如：
加热或冷却、蒸发或冷凝。
换热设备就是在生产过程即化学反应或物理反应中实现热能传递的设备，使热量从温度较高的流体传给另一种温度较低的流体。
根据生产工艺的不同，为达到热量的充分利用和满足工艺参数，换热设备可以是热交换器（如两流体介质相互换热）、冷凝器（如用水蒸汽冷凝）、加热器（如高温工艺气加热水）、冷却器（如水或液体氨作冷载体）等。
在化工生产中，换热设备不但作为一个单独的化工设备，而且在其他设备中也常附有换热设备或换热部分，如蒸馏设备中的回流冷凝器，蒸发设备中的加热，高低变炉和氨合成塔中触媒的换热等，均为重要的不可缺少的化工操作设备。
化工生产流程中，用于汽－液、汽－气、气－气、液－液之间的换热设备，按热量的授受方式可分为①表面式换热器；
②蓄热式换热器；
③液体间接式换热器；
④直接接触式换热器。
表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面
的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。
表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的热交换器。
蓄热式换热器是借助于由固体构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，蓄热体与高温流体接触一定时间，接受和储蓄了一定热量，然后与低温流体接触一定时间，把热量释放给低温流体。
蓄热式换热器有用在一段炉对流段上的旋转换热器，回收烟气温度用于预热燃烧空气；
还有阀门切换式换热器等。
流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体热交换器和低温流体之间循环，在高温流体换热器接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。
直接接触式热交换器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如：
冷水塔、气体冷凝器等。
另外，换热器按用途还可分为：
加热器———把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。
预热器———预先加热流体，为后序操作提供标准的工艺参数；
过热器———用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态；
蒸发器———用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相
的变化。
（一）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
薄管板换热器用于中压、大直径换热设备上更有满意的效果。
薄管板的结构一般有三种型式，如图1－13。
图1－13薄管板结构
（a）凸面薄管板；
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