第1章化工设备结构认识

第1章化工设备结构认识

第1章化工设备结构认识1.1常用化工设备种类1.2典型化工设备结构1.3化工设备零部件标准化1.1常用化工设备种类（1）反应类设备主要用于使物料在其中进行化学反应，生成新的物质或使物料进行搅拌、沉降等单元操作。（2）换热类设备主要用来使两种不同温度的物料进行热交换，达到加热或冷却的目的。如热交换器、冷凝器、蒸发器、冷却器等。（3）储存类设备主要用于储存生产用的原料气体、液体、液化气体等，如各种形式的储罐。（4）塔类设备主要用于吸收、精馏、萃取等单元操作。均为直立式，横截面为圆柱形。如吸收塔、干燥塔和过滤塔等。1.2典型化工设备结构1.2.1容器主要由钢制圆筒体和两端的封头组成，并设有各种化工工艺接管，以及为检修方便开设的人孔、手孔，和为保护容器安全而设置的安全装置等。卧式容器示意图1.容器形状

立式容器

卧式容器

方形容器

球形容器

2.容器的受压情况1）内压容器当容器内部介质压力大于外部压力时，称为内压容器。压力小于0.1MPa为常压容器容器的分类设计压力p(MPa)低压容器（代号L）中压容器（代号M）高压容器（代号H）超高压容器（代号U）0.1≤p﹤1.61.6≤p﹤1010≤p﹤100p≥100容器内部压力小于外部压力时，称为外压容器．其中，内部压力小于一个绝对大气压(0.1MPa)的外压容器，又叫真空容器。2）外压容器如真空容器(真空精馏塔)或容器外有夹套。1MPa=10kgf/cm²3.容器分类(按管理分类)为了有利于安全技术管理和监督检查，根据压力容器的压力高低介质危害程度容积大小以及在生产过程中的作用压力容器(不包报核能容器、船舶上的专用容器和直接受火焰加热的容器)可分为三类:（1）一类容器非易燃或无毒介质的低压容器、易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器等3.容器分类（2）具有下列情况之一的，为第二类压力容器：

中压容器；低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；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）；低压管壳式余热锅炉；低压搪玻璃压力容器。3.容器分类3.容器分类（3）具有下列情况之一的，为第三类压力容器：

高压容器；中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；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）。中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于0.5MPa·m3）。低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且乘积大于等于0.2MPa·m3）。高压、中压管壳式余热锅炉。

中压搪玻璃压力容器。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。

移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等；球形储罐（容积大于等于50m3）；低温液体储存容器（容积大于5m3）。低温液体储存容器（容积大于5m3）

1.2.2搅拌反应釜

搅拌反应釜主要零件有：搅拌器、内筒、夹套、搅拌轴、悬挂支座、人孔、轴封装置和传动装置等。

（1）釜体为进行化学反应提供一定的空间的容器。由圆筒形筒体及上、下封头组成。（2）传热装置常用的传热装置是在釜体外部设置夹套，有时也在釜体内部设置蛇管。（3）搅拌装置各种物料混合均匀，接触良好。搅拌装置由电动机经减速器减到搅拌器所需转速后，再通过联轴器来带动。搅拌器的型式主要有：桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。1）桨式搅拌器桨式搅拌器适用于流动性大，黏度小的液体物料，桨式搅拌器也适用于纤维状和结晶状的溶解液，如果液体物料层很深时可在桨式搅拌器轴上装置数排桨叶。折叶桨式搅拌器三宽叶桨式搅拌器2）框式和锚式搅拌器框式搅拌器结构比较坚固，搅动物料量大。框式和锚式搅拌器特殊框式搅拌器

3）推进式搅拌器通常为两个搅拌叶，第一个桨叶安装在反应釜的上部，把液体或气体往下压；第二个桨叶安装在下部，把液体往上推。使物料循环流动，所起作用以容积循环为主，剪切作用较小，上下翻腾效果良好。当需要有更大的流速时，反应釜内设有导流筒。四叶推进式搅拌器三叶推进式搅拌器4）涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器型式很多。桨叶又分为平直叶和弯曲叶两种。涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高。因此它适用于乳浊液、悬浮液等。

六叶开启涡轮式搅拌器六斜叶开启涡轮式搅拌器齿形圆盘涡轮式搅拌器

5）特殊型式搅拌器一种螺带式搅拌器，常用扁钢按螺旋绕成，直径较大，常做成几条紧贴釜内壁，与釜壁的间隙很小，所以搅拌时能不断地将粘于釜壁的沉积物刮下来。对黏稠物料，采用行星传动的搅拌器。行星传动器的优点是搅拌强度很高，被旋转部分带动搅拌的物料体积很大，缺点是结构复杂。

螺杆式搅拌器螺带螺杆式搅拌器（4）轴封装置搅拌轴是转动的，釜体封头是静止的，在搅拌轴伸出封头之处必然有间隙，必须进行密封(轴封)，以保持设备内的压力(或真空度)，防止反应物料逸出和杂质的渗入。通常采用填料密封或机械密封。

填料密封结构简单、易于制造，并适用于低压、低温的场合。图1-12填料密封结构

机械密封主要是将较易泄漏的轴向密封改变为不易泄漏的端面密封。（5）传动装置通常采用立式布置在罐体的顶部，包括电动机、减速装置、联轴器及机座等。1.2.3换热设备管壳式换热器

是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的换热器，是目前应用最广的类型。

管壳式换热器工作原理图换热器主要零部件f．垫圈g．分层搁板h．管箱筒节i．管板j．折流板k．支持板

a．筒体

b．管束d．封头e．筒节管壳式换热器装配图

分类

管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、Ｕ型管式换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等。前3种应用比较普遍。固定管板式换热器

浮头式换热器

U型管式换热器

1.2.4塔设备

主要用于吸收、精馏、萃取等单元操作。均为直立式，横截面为圆柱形。如吸收塔、干燥塔和过滤塔等。一般可将塔分成填料塔和板式塔两大类。

1.填料塔

以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。

（1）填料填料塔气液接触的元件，填料分成乱堆填料(颗粒填料)和规整填料两大类。1）拉西环

拉西环是工业上最早使用的一种填料，为外径与高度相等的圆环，通常由陶瓷或金属材料制成。拉西环环拉西环拉西环结构简单，制造容易，但堆积时相邻环间易形成线接触，填料层的均匀性差，因而存在严重的向壁偏流和沟流现象，致使传质效率低。而且流动阻力大，操作范围小。其改善方面有θ形、十字格形的拉西环。

2）鲍尔环鲍尔环是在拉西环的壁上开一层或两层长方形窗口，窗孔的母材两层交错地弯向环中心对接。这种结构使填料层内气、液分布性能大为改善，尤其是环的内表面得到充分利用。与同样尺寸的拉西环相比，鲍尔环的气液通量可提高50%，而压降仅为其一半，分离效果也得到提高。其改进为阶梯形鲍尔环，圆筒部分的一端制成喇叭口形状。这样填料间呈现点接触，床层均匀且空隙率大，与鲍尔环相比气体阻力减少25%，生产能力提高10%。

3）阶梯环鲍尔环基础上改造得出的。环壁上开有窗孔，其高度为直径的一半。由于高径比的减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了阻力。喇叭口一边，不仅增加机械强度，而且使填料之间为点接触，有利于液膜的汇集与更新，提高了传质效率。目前所使用的环型填料中最为优良的一种。4）弧鞍型表面全部敞口，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流动呈弧形，气体阻力小。但两面对称有重叠现象，容易产生沟流。强度差，易破碎。应用较少。5）矩鞍型矩鞍形填料结构不对称，堆积时不重叠，均匀性更高。该填料气流阻力小，处理能力大，性能虽不如鲍尔环好，但构造简单，是一种性能优良的填料。

6）环矩鞍兼具环型、鞍型填料的优点。敞开的侧壁有利于气体和液体通过，减少了填料层内滞液死区。填料层内流体孔道增多，使气液分布更加均匀，传质效率得以提高。一般采用金属材质，机械强度高。7）球型球体为空心，气体和液体从其内部经过。由于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不易产生空穴和架桥，故气液分散性能好。常采用塑料材质。一般用于特定场合，工程上应用较少。8）格栅填料以条状单元体经一定规则组合而成，其结构随条状单元体的形式和组合规则而变，具有多种结构形式。特点是比表面积较低，主要用于低压降、大负荷、防堵的场合。木格栅填料格里奇格栅填料9）波纹填料波纹填料是由许多层波纹薄片组成，各片高度相同但长短不等，搭配组合成圆盘状，填料波纹与水平方向成45°倾角，相邻两片反向重叠使其波纹互相垂直。圆盘填料块水平放入塔内，相邻两圆盘的波纹薄片方向互成90°角。金属丝网波纹填料金属孔板波纹填料波纹填料因波纹薄片的材料与形状不同分成板波纹填料和网波纹填料。板波纹填料可由陶瓷、塑料、金属、玻璃钢等材料制成。填料的空隙率大，阻力小，流体通量大、效率高，而且制造方便、价格低，正向通用化、大型化方向发展。

10）脉冲填料：是由带缩颈的中空棱柱形单体，按一定方式拼装而成的一种规则填料。脉冲填料组装后，会形成带锁颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动，在缩颈处，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质，在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。特点是处理量大，压降小。适用于真空精馏，大塔径场合。（2）填料支承

填料的支承结构不仅要支承全部湿填料的重量，还必须使上升的气体能够顺利通过。因此填料支承除应有足够的强度和刚度外，还应有足够的截面积，以免在支承处发生液泛。最常用的填料支承有栅板式和升气管式。（3）液体喷淋装置

填料塔操作时，在任一横截面上保证气液的均匀分布十分重要。因此，对液体分布装置的基本要求是：能均匀分布液体；不易堵塞；气体通过时阻力小，喷淋时液滴飞溅小；不需要很大的液体压力。经验表明，对塔径为0.75m以上的塔，每平方米塔横截面上应有40～50个喷淋点；对塔径在0.75m以下的塔，喷淋点至少应为160个/m2。（4）液体再分布装置

为了使液体沿塔截面均匀分布，不论颗粒型或规整型填料，堆积高度若超过塔径的2～6倍，则应设置液体再分布装置，使向塔壁弥散的液体重新集中于塔截面中部。作用是减小壁流现象。在填料层内每隔一定高度设置液体再分布装置对拉西环填料，再分布器的距离约为塔径的25～3倍，对鲍尔环及鞍形等较好填料约为塔径的5～10倍，但通常不应超过6m。

填料塔详图

(5)填料塔与板式塔的比较对于许多逆流气液接触过程，填料塔和板式塔都是可以适用的，设计者必须根据具体情况进行选用。填料塔和板式塔有许多不同点，了解这些不同点对于合理选用塔设备是有帮助的。1）填料塔操作范围较小，特别是对于液体负荷变化更为敏感。当液体负荷较小时，填料表面不能很好地润湿，传质就效果急剧下降；当液体负荷过大时，则容易产生液泛。设计良好的板式塔，则具有大得多的操作范围。2）填料塔不宜于处理易聚合或含有固体悬浮物的物料，而某些类型的板式塔（如大孔径筛板、泡罩塔等）则可以有效地处理这种物质。另外，板式塔的清洗亦比填料塔方便。3）当气液接触过程中需要冷却以移除反应热或溶解热时，填料塔因涉及液体均不问题而使结构复杂化。板式塔可方便地在塔板上安装冷却盘管。同理，当有侧向出料时，填料塔也不如板式塔方便。4）以前乱堆填料塔直径很少大于0.5m，后来又认为不宜超过1.5m，根据近10年来填料塔的发展状况，这一限制似乎不再成立。板式塔直径一般不小于0.6m。5）关于板式塔的设计资料更容易得到而且更为可靠，因此板式塔的设计比较准确，安全系数可取得更小。6）当塔径不很大时，填料塔因结构简单而造价便宜。7）对于易起泡物质，填料塔更适合，因填料对泡沫有限制和破碎的作用。8）对于腐蚀性物质，填料塔更适合，因可采用瓷质填料。9）对热敏性物质宜采用填料塔，因为填料塔内的滞液量比板式塔少，物料在塔内的停留时间短。10）填料塔的压降比板式塔小，因而对真空操作更为适宜。填料塔用于：塔径小真空操作易起泡腐蚀性物系热敏性物系2.板式塔

板式塔为逐级接触式气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。根据塔板结构形式的不同，板式塔可分为泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔和喷射塔。

泡罩塔操作弹性大，效率高，液气比范围大，不易堵塞，易于操作；但结构复杂，造价高，压降大，安装维修麻烦。筛板塔效率高，处理能力强，压降小，结构简单，制造维修方便；但操作弹性稍低于泡罩塔，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液。浮阀塔操作弹性大，效率高，处理能力强，压降小，不易积垢堵塞，结构简单，安装容易；但其构造、生产能力、塔板效率及压降等略低于筛板塔。舌形塔与泡罩塔相比，塔盘结构简单，压降小，处理能力大，且安装维修方便，但操作弹性小，塔板效率低。1.3化工设备零部件标准化化工设备常用零部件：①容器(简体、封头)；②法兰；③人孔、手孔、视孔；④搅拌器；⑤密封装置；⑥联接零件；⑦机械传动件；⑧设备附件，如支座、接管、液面计、气体或液体分布器等。为了便于设计、制造及零件的互换，从而提高化工设备的质量，降低成本，各国已制订了一系列化工设备零部件标准。例如：①筒体标准：GB/T9019-2001(GB—国家标准)；②封头标准：JB/T4746-2002(JB—机电部标准)；③法兰标准：管法兰有两个标准，一个是国家标准（GB/T9115—2000），另一个是原化学工业部标准（HG/T20592～HG/T20635-2009）(HG—化工部标准)，设备法兰标准：JB/T4701～4703—2000；④人孔标准：JB/T2555—1979，HG/T21515～HG/T21535—2005等。1.公称直径与公称压力（1）公称直径标准化的名义直径，代号DN(或Dg)。表1-1所示卷制压力容器公称直径

化工设备及零部件标准化的最重要参数是公称直径与公称压力。(2)公称压力

规定的标准压力等级，表示管子、法兰、管件的耐压程度，记作PN。如国家标准GB/T1048—2005将管路元件的公称压力定为十个等级：0.25MPa、0.6MPa、1.0MPa、1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa、10MPa、16MPa、25MPa等。2．筒体化工设备中圆筒形容器应用最为广泛，无论是立式或卧式。其主体一般是由圆筒体和两个封头组成的。筒体有钢板卷焊而成和取自大口径无缝钢管的两种。

卷板机3．封头（1）封头形式常见的封头形式有椭圆形、碟形、球形、锥形和平板封头等。

（2）封头形式的选择

1）一般压力容器封头(中、低压)，在条件许可时，应采用受力状态好与制造难度不大的椭圆形封头。2）当制造条件较差时可用碟形或无折边球形封头，但壁厚应适当加大或采用加固措施。

3）锥体封头(底)一般用于收集固体颗粒或使流体分布均匀的场合。此外，也常用于两直径不等设备的联结过渡段(变径段)。4）平板封头一般用作常压容器的盖或底。直径较大时应加固。当制造条件较差时，也