第1章化工設(shè)備結(jié)構(gòu)認識

第1章化工設(shè)備結(jié)構(gòu)認識

第1章化工設(shè)備結(jié)構(gòu)認識1.1常用化工設(shè)備種類1.2典型化工設(shè)備結(jié)構(gòu)1.3化工設(shè)備零部件標準化1.1常用化工設(shè)備種類（1）反應(yīng)類設(shè)備主要用于使物料在其中進行化學(xué)反應(yīng)，生成新的物質(zhì)或使物料進行攪拌、沉降等單元操作。（2）換熱類設(shè)備主要用來使兩種不同溫度的物料進行熱交換，達到加熱或冷卻的目的。如熱交換器、冷凝器、蒸發(fā)器、冷卻器等。（3）儲存類設(shè)備主要用于儲存生產(chǎn)用的原料氣體、液體、液化氣體等，如各種形式的儲罐。（4）塔類設(shè)備主要用于吸收、精餾、萃取等單元操作。均為直立式，橫截面為圓柱形。如吸收塔、干燥塔和過濾塔等。1.2典型化工設(shè)備結(jié)構(gòu)1.2.1容器主要由鋼制圓筒體和兩端的封頭組成，并設(shè)有各種化工工藝接管，以及為檢修方便開設(shè)的人孔、手孔，和為保護容器安全而設(shè)置的安全裝置等。臥式容器示意圖1.容器形狀

立式容器

臥式容器

方形容器

球形容器

2.容器的受壓情況1）內(nèi)壓容器當(dāng)容器內(nèi)部介質(zhì)壓力大于外部壓力時，稱為內(nèi)壓容器。壓力小于0.1MPa為常壓容器容器的分類設(shè)計壓力p(MPa)低壓容器（代號L）中壓容器（代號M）高壓容器（代號H）超高壓容器（代號U）0.1≤p﹤1.61.6≤p﹤1010≤p﹤100p≥100容器內(nèi)部壓力小于外部壓力時，稱為外壓容器．其中，內(nèi)部壓力小于一個絕對大氣壓(0.1MPa)的外壓容器，又叫真空容器。2）外壓容器如真空容器(真空精餾塔)或容器外有夾套。1MPa=10kgf/cm23.容器分類(按管理分類)為了有利于安全技術(shù)管理和監(jiān)督檢查，根據(jù)壓力容器的壓力高低介質(zhì)危害程度容積大小以及在生產(chǎn)過程中的作用壓力容器(不包報核能容器、船舶上的專用容器和直接受火焰加熱的容器)可分為三類:（1）一類容器非易燃或無毒介質(zhì)的低壓容器、易燃或有毒介質(zhì)的低壓分離容器和換熱容器等3.容器分類（2）具有下列情況之一的，為第二類壓力容器：

中壓容器；低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)）；低壓反應(yīng)容器和低壓儲存容器（僅限易燃介質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)）；低壓管殼式余熱鍋爐；低壓搪玻璃壓力容器。3.容器分類3.容器分類（3）具有下列情況之一的，為第三類壓力容器：

高壓容器；中壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)）；中壓儲存容器（僅限易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且pV乘積大于等于10MPa·m3）。中壓反應(yīng)容器（僅限易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且pV乘積大于等于0.5MPa·m3）。低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)，且乘積大于等于0.2MPa·m3）。高壓、中壓管殼式余熱鍋爐。

中壓搪玻璃壓力容器。使用強度級別較高（指相應(yīng)標準中抗拉強度規(guī)定值下限大于等于540MPa）的材料制造的壓力容器。

移動式壓力容器，包括鐵路罐車（介質(zhì)為液化氣體、低溫液體）、罐式汽車和罐式集裝箱（介質(zhì)為液化氣體、低溫液體）等；球形儲罐（容積大于等于50m3）；低溫液體儲存容器（容積大于5m3）。低溫液體儲存容器（容積大于5m3）

1.2.2攪拌反應(yīng)釜

攪拌反應(yīng)釜主要零件有：攪拌器、內(nèi)筒、夾套、攪拌軸、懸掛支座、人孔、軸封裝置和傳動裝置等。

（1）釜體為進行化學(xué)反應(yīng)提供一定的空間的容器。由圓筒形筒體及上、下封頭組成。（2）傳熱裝置常用的傳熱裝置是在釜體外部設(shè)置夾套，有時也在釜體內(nèi)部設(shè)置蛇管。（3）攪拌裝置各種物料混合均勻，接觸良好。攪拌裝置由電動機經(jīng)減速器減到攪拌器所需轉(zhuǎn)速后，再通過聯(lián)軸器來帶動。攪拌器的型式主要有：槳式、推進式、框式、渦輪式、螺桿式和螺帶式等。1）槳式攪拌器槳式攪拌器適用于流動性大，黏度小的液體物料，槳式攪拌器也適用于纖維狀和結(jié)晶狀的溶解液，如果液體物料層很深時可在槳式攪拌器軸上裝置數(shù)排槳葉。折葉槳式攪拌器三寬葉槳式攪拌器2）框式和錨式攪拌器框式攪拌器結(jié)構(gòu)比較堅固，攪動物料量大?？蚴胶湾^式攪拌器特殊框式攪拌器

3）推進式攪拌器通常為兩個攪拌葉，第一個槳葉安裝在反應(yīng)釜的上部，把液體或氣體往下壓；第二個槳葉安裝在下部，把液體往上推。使物料循環(huán)流動，所起作用以容積循環(huán)為主，剪切作用較小，上下翻騰效果良好。當(dāng)需要有更大的流速時，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流筒。四葉推進式攪拌器三葉推進式攪拌器4）渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器型式很多。槳葉又分為平直葉和彎曲葉兩種。渦輪攪拌器的主要優(yōu)點是當(dāng)能量消耗不大時，攪拌效率較高。因此它適用于乳濁液、懸浮液等。

六葉開啟渦輪式攪拌器六斜葉開啟渦輪式攪拌器齒形圓盤渦輪式攪拌器

5）特殊型式攪拌器一種螺帶式攪拌器，常用扁鋼按螺旋繞成，直徑較大，常做成幾條緊貼釜內(nèi)壁，與釜壁的間隙很小，所以攪拌時能不斷地將粘于釜壁的沉積物刮下來。對黏稠物料，采用行星傳動的攪拌器。行星傳動器的優(yōu)點是攪拌強度很高，被旋轉(zhuǎn)部分帶動攪拌的物料體積很大，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

螺桿式攪拌器螺帶螺桿式攪拌器（4）軸封裝置攪拌軸是轉(zhuǎn)動的，釜體封頭是靜止的，在攪拌軸伸出封頭之處必然有間隙，必須進行密封(軸封)，以保持設(shè)備內(nèi)的壓力(或真空度)，防止反應(yīng)物料逸出和雜質(zhì)的滲入。通常采用填料密封或機械密封。

填料密封結(jié)構(gòu)簡單、易于制造，并適用于低壓、低溫的場合。圖1-12填料密封結(jié)構(gòu)

機械密封主要是將較易泄漏的軸向密封改變?yōu)椴灰仔孤┑亩嗣婷芊狻＃?）傳動裝置通常采用立式布置在罐體的頂部，包括電動機、減速裝置、聯(lián)軸器及機座等。1.2.3換熱設(shè)備管殼式換熱器

是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的換熱器，是目前應(yīng)用最廣的類型。

管殼式換熱器工作原理圖換熱器主要零部件f．墊圈g．分層擱板h．管箱筒節(jié)i．管板j．折流板k．支持板

a．筒體

b．管束d．封頭e．筒節(jié)管殼式換熱器裝配圖

分類

管殼式換熱器按結(jié)構(gòu)特點分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、Ｕ型管式換熱器、雙重管式換熱器、填函式換熱器和雙管板換熱器等。前3種應(yīng)用比較普遍。固定管板式換熱器

浮頭式換熱器

U型管式換熱器

1.2.4塔設(shè)備

主要用于吸收、精餾、萃取等單元操作。均為直立式，橫截面為圓柱形。如吸收塔、干燥塔和過濾塔等。一般可將塔分成填料塔和板式塔兩大類。

1.填料塔

以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備。

（1）填料填料塔氣液接觸的元件，填料分成亂堆填料(顆粒填料)和規(guī)整填料兩大類。1）拉西環(huán)

拉西環(huán)是工業(yè)上最早使用的一種填料，為外徑與高度相等的圓環(huán)，通常由陶瓷或金屬材料制成。拉西環(huán)環(huán)拉西環(huán)拉西環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但堆積時相鄰環(huán)間易形成線接觸，填料層的均勻性差，因而存在嚴重的向壁偏流和溝流現(xiàn)象，致使傳質(zhì)效率低。而且流動阻力大，操作范圍小。其改善方面有θ形、十字格形的拉西環(huán)。

2）鮑爾環(huán)鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的壁上開一層或兩層長方形窗口，窗孔的母材兩層交錯地彎向環(huán)中心對接。這種結(jié)構(gòu)使填料層內(nèi)氣、液分布性能大為改善，尤其是環(huán)的內(nèi)表面得到充分利用。與同樣尺寸的拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣液通量可提高50%，而壓降僅為其一半，分離效果也得到提高。其改進為階梯形鮑爾環(huán)，圓筒部分的一端制成喇叭口形狀。這樣填料間呈現(xiàn)點接觸，床層均勻且空隙率大，與鮑爾環(huán)相比氣體阻力減少25%，生產(chǎn)能力提高10%。

3）階梯環(huán)鮑爾環(huán)基礎(chǔ)上改造得出的。環(huán)壁上開有窗孔，其高度為直徑的一半。由于高徑比的減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了阻力。喇叭口一邊，不僅增加機械強度，而且使填料之間為點接觸，有利于液膜的匯集與更新，提高了傳質(zhì)效率。目前所使用的環(huán)型填料中最為優(yōu)良的一種。4）弧鞍型表面全部敞口，不分內(nèi)外，液體在表面兩側(cè)均勻流動，表面利用率高，流動呈弧形，氣體阻力小。但兩面對稱有重疊現(xiàn)象，容易產(chǎn)生溝流。強度差，易破碎。應(yīng)用較少。5）矩鞍型矩鞍形填料結(jié)構(gòu)不對稱，堆積時不重疊，均勻性更高。該填料氣流阻力小，處理能力大，性能雖不如鮑爾環(huán)好，但構(gòu)造簡單，是一種性能優(yōu)良的填料。

6）環(huán)矩鞍兼具環(huán)型、鞍型填料的優(yōu)點。敞開的側(cè)壁有利于氣體和液體通過，減少了填料層內(nèi)滯液死區(qū)。填料層內(nèi)流體孔道增多，使氣液分布更加均勻，傳質(zhì)效率得以提高。一般采用金屬材質(zhì)，機械強度高。7）球型球體為空心，氣體和液體從其內(nèi)部經(jīng)過。由于球體結(jié)構(gòu)的對稱性，填料裝填密度均勻，不易產(chǎn)生空穴和架橋，故氣液分散性能好。常采用塑料材質(zhì)。一般用于特定場合，工程上應(yīng)用較少。8）格柵填料以條狀單元體經(jīng)一定規(guī)則組合而成，其結(jié)構(gòu)隨條狀單元體的形式和組合規(guī)則而變，具有多種結(jié)構(gòu)形式。特點是比表面積較低，主要用于低壓降、大負荷、防堵的場合。木格柵填料格里奇格柵填料9）波紋填料波紋填料是由許多層波紋薄片組成，各片高度相同但長短不等，搭配組合成圓盤狀，填料波紋與水平方向成45°傾角，相鄰兩片反向重疊使其波紋互相垂直。圓盤填料塊水平放入塔內(nèi)，相鄰兩圓盤的波紋薄片方向互成90°角。金屬絲網(wǎng)波紋填料金屬孔板波紋填料波紋填料因波紋薄片的材料與形狀不同分成板波紋填料和網(wǎng)波紋填料。板波紋填料可由陶瓷、塑料、金屬、玻璃鋼等材料制成。填料的空隙率大，阻力小，流體通量大、效率高，而且制造方便、價格低，正向通用化、大型化方向發(fā)展。

10）脈沖填料：是由帶縮頸的中空棱柱形單體，按一定方式拼裝而成的一種規(guī)則填料。脈沖填料組裝后，會形成帶鎖頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收縮和擴大，氣液兩相通過時產(chǎn)生強烈的湍動，在縮頸處，氣速最高，湍動劇烈，從而強化傳質(zhì)，在擴大段，氣速減到最小，實現(xiàn)兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重復(fù)，實現(xiàn)了“脈沖”傳質(zhì)過程。特點是處理量大，壓降小。適用于真空精餾，大塔徑場合。（2）填料支承

填料的支承結(jié)構(gòu)不僅要支承全部濕填料的重量，還必須使上升的氣體能夠順利通過。因此填料支承除應(yīng)有足夠的強度和剛度外，還應(yīng)有足夠的截面積，以免在支承處發(fā)生液泛。最常用的填料支承有柵板式和升氣管式。（3）液體噴淋裝置

填料塔操作時，在任一橫截面上保證氣液的均勻分布十分重要。因此，對液體分布裝置的基本要求是：能均勻分布液體；不易堵塞；氣體通過時阻力小，噴淋時液滴飛濺?。徊恍枰艽蟮囊后w壓力。經(jīng)驗表明，對塔徑為0.75m以上的塔，每平方米塔橫截面上應(yīng)有40～50個噴淋點；對塔徑在0.75m以下的塔，噴淋點至少應(yīng)為160個/m2。（4）液體再分布裝置

為了使液體沿塔截面均勻分布，不論顆粒型或規(guī)整型填料，堆積高度若超過塔徑的2～6倍，則應(yīng)設(shè)置液體再分布裝置，使向塔壁彌散的液體重新集中于塔截面中部。作用是減小壁流現(xiàn)象。在填料層內(nèi)每隔一定高度設(shè)置液體再分布裝置對拉西環(huán)填料，再分布器的距離約為塔徑的25～3倍，對鮑爾環(huán)及鞍形等較好填料約為塔徑的5～10倍，但通常不應(yīng)超過6m。

填料塔詳圖

(5)填料塔與板式塔的比較對于許多逆流氣液接觸過程，填料塔和板式塔都是可以適用的，設(shè)計者必須根據(jù)具體情況進行選用。填料塔和板式塔有許多不同點，了解這些不同點對于合理選用塔設(shè)備是有幫助的。1）填料塔操作范圍較小，特別是對于液體負荷變化更為敏感。當(dāng)液體負荷較小時，填料表面不能很好地潤濕，傳質(zhì)就效果急劇下降；當(dāng)液體負荷過大時，則容易產(chǎn)生液泛。設(shè)計良好的板式塔，則具有大得多的操作范圍。2）填料塔不宜于處理易聚合或含有固體懸浮物的物料，而某些類型的板式塔（如大孔徑篩板、泡罩塔等）則可以有效地處理這種物質(zhì)。另外，板式塔的清洗亦比填料塔方便。3）當(dāng)氣液接觸過程中需要冷卻以移除反應(yīng)熱或溶解熱時，填料塔因涉及液體均不問題而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。板式塔可方便地在塔板上安裝冷卻盤管。同理，當(dāng)有側(cè)向出料時，填料塔也不如板式塔方便。4）以前亂堆填料塔直徑很少大于0.5m，后來又認為不宜超過1.5m，根據(jù)近10年來填料塔的發(fā)展狀況，這一限制似乎不再成立。板式塔直徑一般不小于0.6m。5）關(guān)于板式塔的設(shè)計資料更容易得到而且更為可靠，因此板式塔的設(shè)計比較準確，安全系數(shù)可取得更小。6）當(dāng)塔徑不很大時，填料塔因結(jié)構(gòu)簡單而造價便宜。7）對于易起泡物質(zhì)，填料塔更適合，因填料對泡沫有限制和破碎的作用。8）對于腐蝕性物質(zhì)，填料塔更適合，因可采用瓷質(zhì)填料。9）對熱敏性物質(zhì)宜采用填料塔，因為填料塔內(nèi)的滯液量比板式塔少，物料在塔內(nèi)的停留時間短。10）填料塔的壓降比板式塔小，因而對真空操作更為適宜。填料塔用于：塔徑小真空操作易起泡腐蝕性物系熱敏性物系2.板式塔

板式塔為逐級接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，它主要由圓柱形殼體、塔板、溢流堰、降液管及受液盤等部件構(gòu)成。根據(jù)塔板結(jié)構(gòu)形式的不同，板式塔可分為泡罩塔、篩板塔、浮閥塔、舌形塔和噴射塔。

泡罩塔操作彈性大，效率高，液氣比范圍大，不易堵塞，易于操作；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，壓降大，安裝維修麻煩。篩板塔效率高，處理能力強，壓降小，結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便；但操作彈性稍低于泡罩塔，小孔徑篩板易堵塞，不適宜處理臟的、粘性大的和帶固體粒子的料液。浮閥塔操作彈性大，效率高，處理能力強，壓降小，不易積垢堵塞，結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易；但其構(gòu)造、生產(chǎn)能力、塔板效率及壓降等略低于篩板塔。舌形塔與泡罩塔相比，塔盤結(jié)構(gòu)簡單，壓降小，處理能力大，且安裝維修方便，但操作彈性小，塔板效率低。1.3化工設(shè)備零部件標準化化工設(shè)備常用零部件：①容器(簡體、封頭)；②法蘭；③人孔、手孔、視孔；④攪拌器；⑤密封裝置；⑥聯(lián)接零件；⑦機械傳動件；⑧設(shè)備附件，如支座、接管、液面計、氣體或液體分布器等。為了便于設(shè)計、制造及零件的互換，從而提高化工設(shè)備的質(zhì)量，降低成本，各國已制訂了一系列化工設(shè)備零部件標準。例如：①筒體標準：GB/T9019-2001(GB—國家標準)；②封頭標準：JB/T4746-2002(JB—機電部標準)；③法蘭標準：管法蘭有兩個標準，一個是國家標準（GB/T9115—2000），另一個是原化學(xué)工業(yè)部標準（HG/T20592～HG/T20635-2009）(HG—化工部標準)，設(shè)備法蘭標準：JB/T4701～4703—2000；④人孔標準：JB/T2555—1979，HG/T21515～HG/T21535—2005等。1.公稱直徑與公稱壓力（1）公稱直徑標準化的名義直徑，代號DN(或Dg)。表1-1所示卷制壓力容器公稱直徑

化工設(shè)備及零部件標準化的最重要參數(shù)是公稱直徑與公稱壓力。(2)公稱壓力

規(guī)定的標準壓力等級，表示管子、法蘭、管件的耐壓程度，記作PN。如國家標準GB/T1048—2005將管路元件的公稱壓力定為十個等級：0.25MPa、0.6MPa、1.0MPa、1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa、10MPa、16MPa、25MPa等。2．筒體化工設(shè)備中圓筒形容器應(yīng)用最為廣泛，無論是立式或臥式。其主體一般是由圓筒體和兩個封頭組成的。筒體有鋼板卷焊而成和取自大口徑無縫鋼管的兩種。

卷板機3．封頭（1）封頭形式常見的封頭形式有橢圓形、碟形、球形、錐形和平板封頭等。

（2）封頭形式的選擇

1）一般壓力容器封頭(中、低壓)，在條件許可時，應(yīng)采用受力狀態(tài)好與制造難度不大的橢圓形封頭。2）當(dāng)制造條件較差時可用碟形或無折邊球形封頭，但壁厚應(yīng)適當(dāng)加大或采用加固措施。

3）錐體封頭(底)一般用于收集固體顆?；蚴沽黧w分布均勻的場合。此外，也常用于兩直徑不等設(shè)備的聯(lián)結(jié)過渡段(變徑段)。4）平板封頭一般用作常壓容器的蓋或底。直徑較大時應(yīng)加固。當(dāng)制造條件較差時，也