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1、第三节化工装备的分类与典型结构一、化工设备分类与典型结构化工设备种类繁多，形式多种多样。按工艺用途不同，可分为塔槽（罐）类、换热设备、反应器、干燥设备、分离器、加热炉和废热锅炉等。而化肥、化工、炼油厂中使用的化工设备大多数是压力容器，对压力容器进行分类也有许多种方法。按工作压力不同，可分为低压、中压、高压和超高压四个等级，具体划分见表1 一1 。从安全技术管理方面进行分类，可分为固定式容器和移动式容器。除了用做运输贮存气体的瓶装、桶装和槽车装的贮存容器外，所有设备都是固定式容器。表1 一1 压力容器分级等级低压容器中压容器压力朋Fa ( kgf / c mZ ) 0 . 098 ( 1 ）簇p
2、 1 . 57 ( 16 ) 1 . 57 ( 16 ）镇p 9 . 8 ( 100 ) 高压容器超高压容器压力户彻Pa ( kgf / crnz ) 9 . 8 ( 100 ）镇p 98 ( 1000 ) 力）98 ( 1000 ) 1 贮槽与塔器贮槽（或贮罐）是指用于贮存各种介质，维持稳定压力，输物料作用的容器，贮槽的种类很多，按容积大小可分为小型贮罐和大型贮罐。小型贮罐按占地面积、安装费用和外观情况的不同，可分为立式和卧式；大型贮罐按其形状可分为锥顶罐、拱顶罐、浮顶罐、球形罐等。石油炼制装置多采用大型贮罐，小型贮罐在化肥、化工、炼油生产中也得到广泛应用。按贮存介质种类的不同，有液氨贮槽，
3、丙烷、丁烷、石油液化气罐，液氧、液氮、液体二氧化碳容器以及压缩空气贮气罐和缓冲罐等。贮罐的结构一般有以下三种。( 1 ）中小型贮罐由圆筒体和两个封头焊接而成，通常器内为低压，其结构比较简单，如图1 一1 所示。圆筒体一般采用无缝钢管或钢板卷焊而成。封头形状可分为四类，即碟形封头、椭圆形封头、半球形封头和锥形封头。随罐内所需压力的增加，可依次选用碟形、椭圆形、半球形封头的结构形式。当容器内含有颗粒状、粉末状的物料或是豁稠液体时，它的底部常用锥形封头，以利于汇集和卸起到缓冲、持续进行生产和运图1 一1 圆筒形容器下这些物料。有时为了使气体在器内均匀分布或改变气体速度，也可采用锥形封头。( 2 ）大
4、型贮罐主要用于贮存不带压力、腐蚀性较小的液体和煤气。其罐顶形式有三种，即锥顶、拱顶和浮顶等，如图1 一2 所示。用析架加强的浮盘液面津熏苹氯钢轨放射线形的加强析架液面高盘式浮船( a ）锥顶浮盘液面式浮船浮盘低盘式浮船双盘式浮船锚固螺栓( b ）拱顶浮盘加强圈一、( c ）浮顶图1 一2 罐顶的结构形式锥顶罐采用1 巧一1 / 16 锥度，圆锥顶承受的内外压力很低，只能承受一500 一500 Pa （一50 一50 mmHZO ）的压力。拱顶罐耐压力0 . 01 一0 . 02 MPa ( 0 . 10 一0 . 20 kgf / c mZ ) ，罐顶为拱形，罐壁上设有加强圈。( 3 ）球形罐
5、其结构如图1 一3 所示。它也属于大型贮罐，在相同容积下表面积最小。在图1 一3 球形罐相同压力下，球形罐比圆筒形罐的壁厚要薄，其壳体应力为圆筒形罐壳体应力的1 / 2 ，但制造加工复杂，造价较高。它主要用于大型液化气体贮罐，例如丙烷、丁烷、石油液化气以液态贮存时一般采用球形贮罐。从日本、法国引进的30 万吨年合成氨装置的液氨贮罐和石油液化气等易挥发性液体的贮罐都采用球形贮罐。不论是哪种形式的贮槽或贮罐，其故障主要发生在壳体本身，通常为燃烧爆炸、严重腐蚀、侵蚀以及严重泄漏等。在化工、石油化工生产中，经常会遇到物质从一相转移到另一相的过程。例如用水吸收气态氯化氢制盐酸时，氯化氢由气相转移到液相（
6、水）中去，这种过程称为物质的传递过程。气体吸收、液体的蒸馏、固体的干燥、溶剂的萃取都属于传质过程。为其工艺过程服务的相应设备，如吸收塔、蒸馏塔、反应塔（作为反应设备使用）、萃取塔等都属于塔设备。吸收塔是指用适当的液体吸收剂处理气体混合物，使其分离，以达到净化气体或提取其中有用物料的操作设备，此种设备又叫分离容器。如化肥工业的碳化塔、二氧化碳水洗塔、尾气回收塔和脱硫塔等，其结构形式有填料塔、泡罩塔及喷淋塔等。蒸馏塔是指利用挥发度不同将液体混合物分离成纯组分的操作设备，如筛板塔、浮阀塔（包括条形、文丘里阶梯式和盘式浮阀）。萃取塔是利用一种溶剂对不同物来自上层的降液管分配液体的溢流堰。巾冒齿缝液面0
7、0 口口口日口口口口口口尸！l 比汀口 作日目日双 升气管日对至下层的降液管图1 一4 泡罩塔的结构简图质具有不同溶解度的性质，加人适当溶剂于混合物中，而使混合物中的组分得到完全或部分分离的操作设备，如填料塔、筛板塔、转盘塔等。关图1 一5 填料塔总体结构1 一液体分布装置；2 一分配锥；3 一填料；4 一塔体；5 一卸放口；6 一栅板；子一支承板；8 一出料装置；少裙座塔设备通常按照内件的结构特点进行分类，可分为板式塔和填料塔两大类。( 1 ）板式塔板式塔由塔体、内件及支座等部件组成。塔体多用钢板焊接而成。若采用铸铁制造，则塔间采用法兰连接。由于化工工艺和制造工艺的要求，在塔体上还设有液面计
8、、人孔、手孔、进料管、出料管、进气管、回流管、压力表和温度计等零部件。板式塔内件主要有塔盘、降液管、受液盘、除沫器等。按塔盘的结构形式不同，又有泡罩塔、条形浮阀塔、筛板塔等之分。典型的泡罩塔如图1 一4 所示。( 2 ）填料塔填料塔的结构如图1 一5 所示。它主要由塔体、液体分布装置、填料、液体再分配装置、支承结构、支座以及气液进出口等组成。填料塔结构简单，塔内组件较少，机械故障相对减小。但塔内污染、腐蚀和泄漏故障仍是必须引起注意的问题。特别是在检修前未作置换、置换不彻底、置换方法不正确或设备本身制造缺陷以及检修中违章动火等，都将会引起爆炸事故。在石油化工厂中塔爆炸事故时有发生。2 换热器换热
9、器是用来完成各种传热过程的设备。按功能分类，可分为加热器、冷却器、冷凝器和再沸器等；按热量传递的方式不同，可分为间壁式、直接接触式和蓄能式三大类；按结构形式分，可分为蛇管式、套管式、列管式、翅片管式和板式等。其中列管式换热器是化肥、化工、炼油厂中应用最广、效率较高的一种传统的传热设备，如图1 一6 所示，它还是高温、高压和大型换热器的II 干十气厅一一一一一一一一一一一一一一匀叮击习目一一: 11 一一皿夸氛分割流板带法兰管板封头斗加热管接管图1 一6 列管式换热器主要结构形式。换热器的分类见表1 一2 。管束、封头失效，管子胀口泄漏、腐蚀以及因换热器材料疲劳、零部件破坏而引起的燃烧爆炸事故，
10、会使生产遭到损失，甚至威胁人身安全，因此必须给予足够的重视。热量传递方式间壁形状结构形式表1 一2 换热器的分类霉耳适管壳温差成50 高温高压场合用范围，壳程承受较低压力列管式管壳式U 形管式填料函式薄管板式间壁式紧凑式套管式蛇管式板式螺旋板式板翅式伞板式板壳式直接接触式蓄热式管内外承受高压压差较小场合中压、大直径（2000 以下）逆流操作，传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器用于管内流体的冷却或冷凝用于豁性较大的液体间换热逆流操作，回收低温热能主要用于制氧通道较小，易堵，要求流体干净压力不能太高允许换热流体之间直接接触高温炉气中回收热量3 ，反应设备反应设备是进行化学反应过程的设备。它是提供工
11、作介质进行化学反应的密闭空间，而工作介质的化学反应又往往在有压力情况下进行（因为提高压力将有利于合成与聚合反应）, 因此，反应设备又是维持一定压力、完成化学反应的压力容器。在反应的同时还伴随有温度的变化，所以反应设备内还装设一些加热或冷却装置，为了加速反应或使反应均匀，还装设触媒筐或搅拌器等。反应设备在化工、石油化工中应用极为广泛，例如，用于有机染料和制药工业的各种反应锅、制碱工业的苛化桶、化肥工业的甲烷合成塔和氨合成塔以及乙烯工程高压聚乙烯聚合釜等。反应设备与工艺过程密切相关，其结构形式繁多，大型化肥、化工、炼油厂使用较多的有三种，即反应锅、固定床催化反应设备和流化（或沸腾）床催化反应设备，
12、其性能特点、适用范围如表1 一3 所示。表1 一3 各类反应设备性能比较类型反应锅（一级或多级串联）特点适应性强，操作弹性大，连续操作时温度和浓度容易控制，产品质量均一；但转化率高时，反应锅尺寸较大返混小，高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损；操作时温度不易控制，流体速度较低，流体与固体接触面小，合成效率较低，一般为10 一12 % ，催化剂装卸困难流体与固体接触面积大，传热好，传质传热系数大，催化剂有效系数大，温度均匀，易控制，固体颗粒容易加入和取出，流动容易；颗粒和器壁易磨损，固定床的高度与直径比较小，返混大，影响转化率，操作条件限制大适用范围应用举例液相、液一液相、液一固相、气液一固相
13、染料、制药、农药、涂料、制烧碱等反应锅、反应桶固定床催化反应设备气固（非催化剂与催化剂）相化肥工业的甲烷、氨合成塔，基本有机合成的甲醛、醋酸合成塔流化床催化反应设备气一固或气一液（非催化剂与催化剂）相，特别是催化剂失活很快的反应硫铁矿的焙烧，活性炭的制造，化肥工业的氨合成塔反应釜（或反应锅）的结构如图1 一7 所示。它主要由搅拌器、罐体、夹套、压出管、人孔、轴封、传动装置和支座等部件构成。反应釜的主要部分是容器，一般由釜体（或罐体）和上、下封头构成。釜体的形状通常为圆筒形，上、下封头通常为椭圆形、圆锥形和平板形，其中椭圆形封头最为常见。反应釜内所有的人孔接管、搅拌的传动装置都直接安装在反应锅的
14、顶盖上，顶盖与釜体采用法兰连接。提供化学反应所需热量或带走化学反应生成热的夹套传热装置焊在釜体上（此为不可拆的，也有可拆的结构形式）。中低压反应釜通常采用上述结构形式。超高压的反应设备，如生产高压聚乙烯的反应器，也是带有搅拌装置的反应器，它主要由“B 形环密封装置、搅拌器、夹套、泄爆装置、筒体和电动机罩等部件构成。其壳体壁厚，顶盖、夹套形式等与一般反应釜大不相同，结构十分复杂。合成塔是典型的固定床催化反应设备。它是合成氨厂合成系统的关键设备，其作用是在高温高压和在催化剂存在的条件下，将氮氢混合气在塔内直接合成为氨。合成塔的结构如图1 一8 所示。它主要由外筒、内件（包括触媒筐、热交换器、分气盒
15、）、上下盖、法兰和电加热器等部件构成。鞍男图1 一7 反应釜结构图1 一搅拌器；2 一罐体；3 一夹套；4 一搅拌轴；5 一压出管；6 一支座；7 一人孔；8 一轴封；9 一传动装置图1 一8 合成塔1 一电极杆；2 一电炉丝小盖；3 一上盖；4 一内件上盖；5 一外筒；6 一触媒筐冷却管；7 一不锈钢丝网；8 一波纹板换热器；9 一冷气管；10 一电炉丝；11 一触媒筐；12 一中心管；13 一温度计套管乙酸、硫按、染料、梭甲基纤维素、片、味精和阿司匹林等产品。外筒是一个多层钢板卷焊的圆筒形高压容器，塔体上、下部为锻钢件。筒体上部有上盖及支持圈、密封装置、电热器安装孔和温度计套管等。筒体下部有下盖，下盖上设有气体出口和直接调节触媒层人口温度的副线冷气人口。内件的上部为触媒筐，下部为热交换器，中间为分气盒。触媒筐上有触媒筐盖，下有多孔板，并有不锈钢丝网，以防放在其上的触媒漏出。在触媒筐内装有冷却管，以使催化床中的反应温度控制在最适宜的温度下。触媒筐下部的热交换器采用波纹管板式（早期合成塔大多是列管式热交换器），其作用是利用反应热将进人到塔内冷的混合气体预热至催化床反应的最佳温度。电加
