第一章 化工设备概述

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1、第一章 化工设备概述掌握化工设备常用钢材的性能及应用主要知识点化工设备的类型及在化工生产中的应用了解压力容器相关标准规范第一章 化工设备概述本课程的性质化工设备课是“化工设备维修技术”专业的核心专业课，它是在工程材料、化工制图、工程力学、化工原理及工艺等课程的基础上进行学习，是对这些课程的综合应用，同时也为进一步学习化工设备制造技术、化工设备技术管理、毕业设计等课程打基础和提供支持。本课程的学习内容化工容器设计：压力容器基础知识、基本理论，常 用材料及应用；中低压容器、外压容器设计计算， 相关标准规范的应用；常用化工设备介绍：换热设备、塔设备、反应设备 、储存设备等典型化工设备，以及法兰、人孔

2、、支 座、开孔补强等设备的主要零部件结构类型、使用 与维护等。本课程的学习目标培养学生应用所学的基础理论，结合有关标准和技术规范解决工程实际问题的能力。通过本课程的学 习使学生了解化工设备的类型、特点及应用，掌握石 油化工设备常用材料及性能 ，熟悉有关标准和技术规 范 ，掌握中低压容器设计的基本理论和方法，掌握典 型设备及主要零部件的结构、特点和使用方法。为化 工设备的设计、制造、安装、使用、维护、检修等打 下比较扎实的理论基础。并且通过实训现场教学、下 厂实习及课程设计，起到由学生向生产一线的工程技 术人员过渡的桥梁作用。本课程的特点本课程是以“知识和技术”为主的专业课，不同 于以“技能”为

3、主的课程。学习的目标是工程应用，但解决工程实际问题需要一定的理论支持，也需要熟悉 国家和行业的相关标准规范。所以，本课程理论与实 践并重，动脑略多于动手。本课程的理论部分，对工程材料、尤其是各类钢材，工程力学方面的知识，以及分析和计算的能力有 一定的要求；典型化工设备及主要零部件的结构特点 、选型、使用和维护等内容，要求有较高的“识图”能力，且要熟悉有关标准规范。一、化工设备的应用一、化工设备的应用第一节 化工设备应用与类型石油、化工产品都是按照一定的工艺过程，利用与之相 配套的机械设备生产出来的。如加工原油就是要有与之加工 工艺相配套的精馏塔、换热器、加热炉、泵等。化工机械提 出了不同的要求

4、，为化工工艺服务。化工机械分两类：一类：动设备，泵、压缩机、风机化工机器二类：静设备，塔、换热器、反应釜化工设备化工设备：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 化学反应过程或用于储存物料。化工设备不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶金、 机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，在 农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油化学工业应用 最为普遍，石油化工企业中的塔、釜、槽、罐等。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

5、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、各种泵典型炼油、化工生产装置所需的化工设备 二、化工设备的特点二、化工设备的特点随着科学技术的发展，化工设备向多功能、大型化、 成套化和专业化方向发展，呈现出以下特点：1、功能原理多样化，是典型的非标设备化工生产过程是化工设备的前提，要考虑化工 生产过程中介质特性，工艺条件，操作方法，及生 产能力差异。根据设备的功能，条件寿命，安全质 量以及环保要求，采用不同材料、结构、

6、制造工艺 对其进行单独设计。导致设备功能原理，结构特征 多样化。如换热器、塔设备等。螺旋管式换热器螺旋管式换热器折流杆换热器折流杆换热器浮头式外导流筒换热器浮头式外导流筒换热器U U型管式换热器型管式换热器折流杆换热器折流杆换热器各种换热器各种换热器各种塔设备各种塔设备净化塔净化塔填料塔填料塔空气分离塔空气分离塔解吸塔解吸塔2、外部壳体多为压力容器设备主要介质：气体、液体、粉体的流动材料， 具有一定的温度和压力，一般化工设备都是由能承受 一定温度、压力载荷的外壳和必要的内件组成。l 换热器、加热炉 = 圆筒外壳 + 传热管l 塔器 = 圆筒外壳 + 传质元件（浮阀、填料等） l 反应釜 = 圆

7、筒夹套 + 搅拌器7 7 塔设备塔设备外壳一般包括筒体、封头、密封装置、开 孔接管、支座和安全附件，其功能是提供能 承受一定温度和压力的密闭空间。筒体的作用是提供工艺所需的承压空间，是压力容 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。需根据筒体的 直径、长度和壁 厚，确定结构形 式。压力空间的作 用：密封+耐压筒体容器不需开启时，可把封头和筒体焊接在一起，从而有效 地保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量。根据几何形状的不同：封头球形球冠形椭圆形蝶形锥壳 平盖凸形封凸形封 头头对于因检修或更换内件的原因而需要多次开启的容器，封 头和筒体的连接应采用可拆式的，此时在封头和筒

8、体之间就 必须要有一个密封装置。封头螺栓法兰连接（简称法 兰连接）是一种应用最 广的密封装置，它的作 用是通过螺栓连接，并 通过拧紧螺栓使密封元 件压紧而保证密封。法兰按其所连接的 部件分为容器法兰 和管道法兰。密封装 置由于工艺要求和检修的需要，常在 压力容器的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。 开孔、 补强筒体或封头上开孔后，开孔部位的强度被削弱，并使该处的应力增大。这种削弱程度随开孔直径的增大而加大，因而容器应尽量减少开孔的数量，尤其要避免开大孔。对容器已开设的孔，还应进行开孔补强设计

9、，以确保所需的强度。 v 压力容器靠支座支承并固定在基础上。随安装位置不同， 圆筒形容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类腿式支座 支承式支座 耳式支座 裙式支座支座安全附件：连锁装置；警报装置；计量装置；泄放装置压力容器安全附件主要有： 安全阀 爆破装置 紧急切断阀 安全联锁装置 压力表 液面计 测温仪表等安全附 件对于用于化学反应、传 热、分离等工艺过程的 容器，则须在外壳内装 入工艺所要求的内件， 才能构成一立而完 整的产品。上述六大部件构成了一台压力容器的外壳。对于储存用的容器，这 一外壳即为容器本身。3、化-机-电紧密结合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

10、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。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。三、化工设备的基本要求三、化工设备的基本要求 化工生 产的特 点1、生产的连续性强化工生产处理流体传质、传热、可连 续性工艺流程，以提高工作效率。2、生产条件苛刻介质腐蚀性强：酸、碱影响寿命；温度压力变化大，合理选择设备材料 。 3

11、、介质多为易燃、易爆、有毒性易燃：CH4、H2；有毒：SO2、NO2、CO、H2S。1979年9月7日国内某电化厂415升液氯 钢瓶爆炸，击穿5个，爆炸5个，10200公斤液 氯外泄，波及7公里范围，59人死亡，779人 严重中毒。1979年12月18日国内某液化气站400M3储 罐爆炸，引发3个球罐和一个卧罐爆炸，5000 只气瓶爆炸，600吨液化气燃烧，32人死亡， 54 人伤。1986年4月28日前苏联切尔诺 贝利核电站压力壳发生核泄漏， 31人死亡，20个国家4亿人受害 。4、生产原理多样性传质、传热、传能、化学反应5、生产技术含量高先进生产工艺、先进的生产设备、 先进的控制检测手段。

12、设备基 本要求v 安全可靠性v 工艺性能要求v 使用性能要求v 经济性能要求v 优良的环境性能安全可靠性 影响过程设备安全可靠性的因素主要有：材料的强度、韧性和与介质的相容性；设备的刚度、抗失稳能力和密封性能。1、足够的强度、良好的韧性强度：是指载荷作用下材料抵抗永久变形和断裂的能力。屈服点和抗拉强度是钢材常用的强度判据。韧性：韧性是指材料断裂前吸收变形能量的能力。材料韧性越好，临界尺寸越大，过程设备对缺陷就越不敏感。韧性随着强度的提高而降低。在选择材料时，应特别注意材料强度和韧性的合理匹配。3、良好的抗腐蚀性过程设备的介质通常是腐蚀性强的酸、碱、盐。材料被腐蚀后，不仅会导致壁厚减薄，而且有可

13、能改变其组织和性能。因此，材料必须与介质相容。2、结构有足够的刚度和抗失稳能力刚度：是过程设备在载荷作用下保持原有形状的能力。失稳：是过程设备常见的失效形式之一。4、密封性能好 密封性是指过程设备防止介质或空气泄漏的能力内泄漏：内部各腔体间的泄漏；轻者引起产品污染，重者引起设备爆炸等。外泄漏：介质通过可拆部件或穿透性缺陷泄漏到环境中，或空气进入设备中的泄漏。引起环境污染、中毒、燃烧和爆炸等。工艺性能要求1、功能要求 ：要求达到某种功能以满足生产的需要如：储罐的储存量、换热器的传热量和压力降，反应器的反应速率，塔的流量、传热传质效率等。2、寿命要求 高压容器： 20年塔设备、反应设备： 15年

14、一般设备： 10年使用性能要求使用性能要求1、生产效率高、消耗系数低生产效率：过程设备单位时间内单位容积（或面积）处理物料或所得产品的数量。消耗系数：是指生产单位质量或体积产品所需的资源（包括原材料和能量，如原料、燃料、电等）和人力。工艺流程和结构形式都对过程设备的经济性有显著影响。2、结构合理、制造简便 ，操作简单，便于控制3、易于运输和安装 优良的环境性能留下蓝天和绿地！留下蓝天和绿地！经济性能要求满足以上要求，考虑价格。四、化工设备的类型四、化工设备的类型所谓“压力容器”是指压力和容积达到一定的 数值，容器所处的工作温度使其内部介质呈气态 的密闭容器。按中国压力容器安全技术监察规 程的规

15、定，同时具备下列条件的容器称为压力 容器。 (1) 工作压力大于等于0.1MPa（不含液柱静压 力）； (2) 直径（非圆形截面指断面最大尺寸）大于 等于0.15m，且容积大于等于0.025m3； (3) 介质为气体、液化气体或最高工作温度高 于等于标准沸点的液体。内压容器又可按设计压力（p）大小分为四个 压力等级，具体划分如下 ：1、按承压方式分类，压力容器可分为内压容 器与外压容器。 低压(代号L)容器 0.1 MPap1.6 MPa; 中压(代号M)容器 1.6 MPap10.0 MPa; 高压(代号H)容器 10 MPap100 MPa; 超高压(代号U)容器 p100MPa。2、按工

16、作温度分 低温容器：设计温度-20; 常温容器：设计温度-20200; 中温容器：设计温度-200450; 高温容器：设计温度-450 。3、按壁厚分 薄壁容器：K=D0/Di1.24、按工艺过程的作用分 换热设备(代号R)反应设备(代号E)传质设备（代号S)储存设备（代号C，其中球罐代号B）用于完成介质的物理、 化学反应。用于完成介质的热量交换用于完成介质的流体压力平衡 缓冲和气体净化分离用于储存、盛装气 体、液体、液 化气体等介质 在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时 ，应按工艺过程中的主要作用来划分品种加热设备化工设备类型及应用设备类型 及要求化工设备 应用类型：加热设备、换热设备 、传质设备、反应设备、储 存设备。要求：满足工艺要求；安全 可靠运行； 经济合理。化工设备不仅用于化工和炼 油生产中，在轻工、医药、 食品、冶金、能源、交通等 工业部门也有广泛的应用小结第二节 化工设备常用材料化学工业是多品种的基础工