化工生产单元操作设备简介.doc

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第三节化工装置基础与日常运行

化工生产过程中，化工装置的正常运行和安全生产是重中之重。

任何化工生产装置都有与之相应的操作规程，以指导、组织和管理生产。

“三传一反”精辟概括了化工生产过程的本质。

“三传”指化学工业中遵循共同的物理变化规律的三大基本单元操作，即动量传递、热量传递和质量传递过程；“一反”指化学反应。

根据生产工艺要求，将若干单元有机组合起来，就构成了完整的化工生产过程。

下面将简单介绍一些“三传一反”中的典型化工装置及日常运行和操作。

一、流体输送装置

流体输送装置主要包括液体输送装置和气体的压缩与输送装置。

1.液体输送装置

液体输送装置统称泵。

根据泵的工作原理和结构特征可划分为动力式泵、容积式泵、流体作用泵和其他类型泵等。

动力式泵也称叶片式泵，包括离心泵、轴流泵和旋涡泵等，此类泵的压头随流量而变；容积式泵也称正位移泵，包括往复泵、隔膜泵、齿轮泵和螺杆泵等，此类泵的压头几乎与流量无关；流体作用泵是利用一种流体的作用来产生压力或真空环境，从而输送另一种流体的装置，如酸蛋、喷射泵、水锤泵和空气升液器等。

（1）离心泵

离心泵是典型的动力式泵，在化工生产中应用最为广泛。

①离心泵的结构

离心泵的名称很形象，它是依靠离心力作用来输送流体的。

图1-离心泵的结构

离心泵的主要构件有：

叶轮、泵壳、轴封和泵轴等，见图1-

叶轮是离心泵中能量传递的部件，它的作用是将原动机的机械能传递给被输送的液体，以增加液体的静压能和动能。

离心泵的叶轮可分为闭式、半闭式和开式三种，如图1-所示。

目前，大多数离心泵采用闭式叶轮，半开式和开式叶轮常用语输送含有杂质的液体。

图1-离心泵叶轮的类型

泵壳也称蜗壳，是离心泵的能量转化装置，它的作用是将叶轮提供的动能转化为静压能，并将叶轮甩出的液体收集起来导向泵的出口管或下一级叶轮。

图1-离心泵的工作原理

轴封是用来封闭泵轴穿出泵壳处的间隙，以防止外界空气进入泵壳，或阻止泵内的高压液体泄漏到泵壳外面。

轴封分为填料密封和机械密封两种类型，其中机械密封应用广泛。

②离心泵的工作原理

启动前准备：

开泵前，先在泵内灌满要输送的液体（灌泵）。

同时关闭排出管路上的流量调节阀（出口阀），待电动机启动后，再打开出口阀。

泵的排液：

启动后叶轮告诉旋转产生较强离心力，液体从叶轮中心被抛向外周，以很高的速度流向泵壳，部分动能转化为静压能，而以较高压力从排液口排出。

泵的吸液：

当泵内液体从叶轮中心被抛向叶轮外缘时，在叶轮中心处形成低压区，液体在吸入液面与叶轮中心处的压强差的作用下，沿着吸入管连续不断地进入叶轮中心。

其工作原理如图1-所示。

离心泵无自吸能力，启动前需要灌泵，否则会发生气缚现象。

③离心泵的特性曲线及应用

离心泵的主要参数有流量、扬程（压头）、轴功率、有效功率、效率和转速等。

实验可知，当离心泵的转速一定时，其流量与扬程、轴功率和效率之间存在着一定的关系，这些关系可以在相应的坐标中绘制成、和三条曲线（如下页图1-），称为离心泵的特性曲线。

泵的制造商提供的特性曲线是用20的清水实验测定的，当泵输送的液体与20的清水性质不同时，还图1-离心泵特性曲线

需要进行特性换算。

曲线是选择泵和操作泵的主要参考依据。

生产中如果要求的输出压头恒定，则尽量选择该曲线比较平坦的离心泵。

曲线是合理选择电机功率和启动泵的主要参考依据。

泵启动时，为了减小其启动电流而保护电机，应该在关闭泵的排出调节阀的情况下启动电源。

曲线是检查泵的工作性能的依据。

离心泵在该曲线的最高点的工作效率最高，是泵的设计点。

选择电机的原则是使工作状态下的轴功率大于并接近于电机功率。

选择泵时应该综合考虑上述三条曲线，使泵的实际工作状态最佳化。

④离心泵的日常运行与操作

a．了解输送任务，如压力、温度、流量、吸入和排出高度、参数变化范围等，以保证泵的适用；熟悉操作规程，严格按照操作规程制定操作计划。

b．检查各仪表的开车前状态，如进口这空表和出口压力表等。

c．盘车，保证泵能够正常运转。

d．灌泵，同时检查泵的密封性，通知接料岗位准备接料。

f．启动泵，慢慢打开出口阀，通过流量和压力等参数指示，将出口阀调节至适当开度。

g．输送任务完成后，慢慢关闭离心泵出口阀，关闭电机电源，关闭进口阀。

图1-多级离心泵

h．离心泵运行过程中，要注意合理的巡检，如液位、压力、流量等参数和有无泄漏及异常声响等。

i．离心泵的安装高度应该低于其最大安装高度，否则会发生汽蚀现象或液体不能被上吸。

离心泵的流量调节可采用经典的出口阀调节，也可采用现代控制技术的变频调节。

如果要求的压头较高，可采用多级离心泵，如图1-所示。

（2）往复泵

往复泵是典型的正位移泵。

往复泵的结构、工作原理和操作方法区别很大。

①往复泵的结构及工作原理

如下页图1-所示，往复泵由泵缸、活塞、吸入阀、排出阀、活塞杆等组成。

活塞自左向右移动时，泵缸内形成负压，则贮槽内的液体经吸入阀进入泵缸内；当活塞自右向左移动时，缸内液体受压而压力增大，由排出阀排出。

活塞往复一次，各吸入和排出一次液体，称为一个工作循环。

活塞由一端移至另一端，称为一个冲程。

图1-往复泵构造和工作原理

往复泵按照往复部件不同，可分为活塞泵、柱塞泵和隔膜泵等

②往复泵的日常运行特点与操作注意事项

a．往复泵适用于输送高压、高粘度和小流量的液体。

b．往复泵的流量与压头无关，流量取决于活塞的面积、冲程和往复频率，而且瞬时流量不稳定。

c．往复泵的出口压力取决于泵的强度、密封情况和原动机功率等。

d．往复泵启动前应严格检查进、出口管路、阀门等，给泵体内加入清洁的润滑油，使泵各运动部件保持润湿。

e．往复泵有自吸能力而无需灌泵，但为了避免启动时的干摩擦，启动前最好灌泵。

f．往复泵运行前应向机体内加入清洁润滑油至油窗上的指示刻度。

往复泵运行中应无异常冲击声，进出口阀应无泄漏，否则停泵检修。

g．往复泵长时间运行后应进行大修，所有零件拆洗重装。

往复泵的流量调节方式为旁路调节，绝不能用出口阀进行流量调节。

在启动往复泵等正位移泵时，先打开出口阀和旁路阀，然后启动电机，根据生产工艺要求的流量缓慢关闭旁路阀，以进行适当的流量调节；在停泵时，先打开旁路阀，然后关闭电机，再关闭进口阀，最后关闭出口阀。

2、气体的压缩装置—压缩机

压缩机是一种用于压缩气体，以提高气体压力或输送气体的装置。

气体的压力取决于单位时间内气体分子撞击单位面积的次数与强烈程度。

（1）离心式压缩机

离心式压缩机因气体在机内沿径向流动而得名，就是使气流不断增速和减速而彼此挤压来提高气体压力的。

离心式压缩机的结构和操作原理同离心鼓风机（透平）相似,但结构上是多级式的，其级数可以在十级以上。

离心式鼓风机的结构类似于多级离心泵。

离心压缩机的工作原理：

原动机带动压缩机主轴叶轮转动，在离心力作用下，气体被甩到工作轮后面的扩压器中去，而在工作轮中间形成稀薄地带，前面的气体从工作轮中间的进汽部份进入叶轮，由于工作轮不断旋转，气体能连续不断地被甩出去，从而保持了气压机中气体的连续流动，气体因离心作用增加了压力，还可以很大的速度离开工作轮，气体经扩压器逐渐降低了速度，动能转变为静压能，进一步增加了压力。

如果一个工作叶轮得到的压力还不够，可通过使多级叶轮串联起来工作的办法来达到对出口压力的要求。

级间的串联通过弯通，回流器来实现。

离心式压缩机的级构成如下页图1-所示。

离心式压缩机的基本单元是由一个叶轮和与之相匹配的固定原件构成的级。

一台压缩机可由若干个缸串联而成，每缸又可有若干段，每段可由一个或若干个级组成。

离心式压缩机的主要结构包括转子、叶轮、缸体、隔板、密封和轴承等。

图1-离心式压缩机的级构成

一般离心式压缩机的压力范围在350以上，工业用高压工业用高压离心压缩机的压力有15~35MPa的，海上油田注气用的离心压缩机压力有高达70MPa的。

离心式压缩机的主要参数包括流量、排气压强、压缩比、功率和效率等。

多级离心式压缩机还有中间冷却或缸内冷却装置，理论上看，冷却次数越多，压缩过程越接近于等温压缩。

离心式压缩机在运行中可能发生气动非稳定现象，主要有阻塞、喘振和失速现象。

阻塞是离心式压缩机在某一转速下运行，流量增加至某个值时，压缩机性能急剧恶化而不能继续增加流量或提高排气压力的现象；喘振是在压缩机随着流量减小到某个值时出现旋转失速后，更进一步出现的非稳定工况现象，这里不再详述。

离心式压缩机的运行注意以下几点：

①自控仪表和系统装置齐全，并逐步确认其准确可靠；

②机组缸体和管路完整到位；

③压缩机与工艺管路连线的止逆阀正常无内泄，止逆阀出现问题不能使用；

④启动前，操作人员应按操作规程对各部位和系统全面检查、确认；

⑤对危险气体压缩机，应对压缩机及相关系统进行氮气置换。

⑥压缩机一定在工艺条件允许情况下运行，决不可超负荷运转；

⑦压缩机停机后的维护十分重要，否则可能造成再次启动时发生事故。

（2）往复式压缩机

图1-往复式压缩机的结构

如图1-所示，往复式压缩机属于容积式压缩机，其工作原理类似于往复泵。

目前往复式压缩机主要是活塞式空压机为主，而活塞式空压机现在主要向中压及高压方向发展，这是离心式压缩机目前无法达到的一个高度。

往复式压缩机按照排气压力可分为低压（）、中压（）、高压（）和超高压（）压缩机。

一般工业中常用多级往复式压缩机，将几个气缸串联起来进行多级气体压缩。

气体在一个气缸被压缩后，经中间冷却器、油水分离器，图1-多级往复压缩示意图

再进入另一个气缸压缩，连续地依次经过若干个气缸的压缩，即达到要求的最终压力。

压缩一次称为一级，连续压缩的次数就是级数。

多级往复压缩如图1-。

往复式压缩机的特点与运行：

①运动部件多，结构复杂，检修工作量大，维修费用高；

②压缩空气不是连续排出、有脉动；

③活塞环的磨损、气缸的磨损、皮带的传动方式使效率下降很快；

④噪音大，且不适应连锁控制和无人值守；

⑤往复式压缩机启动前必须加好润滑油，打开管路上的出口阀，打开进入气缸夹套的冷却水阀，检查自控仪表和安全装置情况，试运转正常后再打开吸入阀进气；

⑥经常检查各级进、出口阀门的工作情况，检查压缩机的润滑情况，定期排放各级中间冷却器、油水分离器中的油、水等；

⑦往复压缩机的流量调节可用旁路法，也可用变频器控制转速，还有一些其他方法不再详述。

二、传热装置

传热装置即换热器，是对物料进行加热或冷却的装置。

传热过程的推动力是温度差，流体在换热器内可以进行无相变或有相变的热量传递，如加热、沸腾、冷却、冷凝等过程。

因此，换热器按照其用途可以分为加热器、冷却器、冷凝器、再沸器和蒸发器等，它们根据化工过程中不同的工艺要求，应用非常广泛。

换热器主要是用作控制和调节工艺介质的温度，使工艺介质发生相变，或者进行热量的回收。

工业换热器大多是间壁式，下面介绍列管式换热器和加热炉。

1、列管式换热器

图1-列管式换热器的构造

（1）列管式换热器的构造及类型

如图1-所示，列管式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱（封头）等部件组成。

壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。

进行换热的冷、热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。

为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板，挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍动程度。

图1-单壳程四管程列管式换热器

列管式换热器的结构特点决定了流体流动空间的特点，流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。

上图就是最简单的单壳程单管程换热器。

为提高管内流体的速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。

这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。

同样，