第一章 化工设备概述

《化工设备操作与维护》主讲：付大勇坐下来能写，站起来能说，走出去能干坐下来能写，站起来能说，走出去能干写在课前的话坐下来能写，站起来能说，走出去能干坐下来能写，站起来能说，走出去能干《化工设备操作与维护》课程介绍坐下来能写，站起来能说，走出去能干（1）化工设备概述

（2）压力容器基础（3）换热设备的使用与维护

（4）塔设备的使用与维护（5）反应设备的使用与维护

（6）管式加热炉的使用与维护（7）管道与阀门的使用与维护（8）储存设备的使用与维护（9）泵的使用与维护

（10）压缩机的使用与维护（11）其他化工设备介绍

（12）化工设备的运行管理讲课顺序：第一章——第七章——第九章——第三章——第四章——第二章——第八章——第五章课程要求坐下来能写，站起来能说，走出去能干1.用心听讲、做好笔记，没有听不会的内容；2.理论练习实际，实训室逐步开放；3.认真完成作业或者任务。课程考核（1）知识考核（50%）试卷考试为主（2）能力考核（20%）设备操作为主（3）过程考核（30%）回答问题+出勤+作业+讨论第一章化工设备概述气体、液体、粉体原料产品化工设备这个过程称为化工工艺过程工艺过程什么是化工？

化工设备用于完成传质、传热、动量传递和化学反应等过程，或用于储存物料。一、化工设备在化工中的应用第一节化工设备的应用与分类

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：化肥、甲醇、二甲醚等化工产品生产过程需要有与之加工工艺相配套的精馏塔、换热器、加热炉、泵等等化工设备。化工设备是为化工工艺服务。化工设备分为动设备和静设备两大类：泵、压缩机、风机等———属转动设备（动设备）塔、换热器、储罐等———属工艺设备（静设备）化工设备是实现化工生产的重要工具，没有相应的机器和设备，任何化工生产过程都将无法实现。例一天然气制甲醇工艺流程例二加氢精制重柴油工艺流程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

换热设备反应设备传质设备储存设备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二、化工设备的类型流体输送设备用于输送原料、成品及半成品流体输送设备加热设备换热设备反应设备传质设备传质是由于物质浓度不均匀引起的质量转移。包括精馏、蒸发、吸收、萃取、浸提、膜过滤等。

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。化工设备=受压外壳+功能内件

换热器、加热炉=圆筒外壳

+传热管塔器=圆筒外壳

+传质元件（浮阀、填料等）反应釜=圆筒、夹套

+搅拌器

三、化工设备的主要结构7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，以确保所需的强度。

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，才能构成一台独立而完整的产品。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。四、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。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。3、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。设备基本要求

安全可靠性

工艺性能要求

使用性能要求

经济性能要求

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、良好的抗腐蚀性化工生产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：是指失去原有形状而不可恢复。设备常见的失效形式之一。4、密封性能好——密封性是指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年一般设备：>10年使用性能要求1、生产效率高、消耗系数低生产效率：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，便于控制优良的环境性能留下蓝天和绿地！经济性能要求

在满足以上要求的前提下，尽量做到经济合理。如从原材料选用、制造成本、运输和安装等基本建设投资和日常维护、操作维护等方面降低费用，以获得良好的综合经济效益。第二节化工设备常用材料

化学工业是多品种的基础工业，为了适应化工生产的多种需要，化工设备的种类很多，设备的操作条件也比较复杂，处理的介质大多数又有腐蚀性，对设备来说，既有温度、压力要求，又有耐腐蚀要求，而且这些要求有时还是相互矛盾的，生产条件又经常变化。这种多样性的操作特点，使化工设备的材质选用具有复杂性。合理选用材质是化工设备设计的重要环节。一、材料的性能工艺性能使用性能制造性能，加工过程特性，铸、锻、焊使用过程表现的特性，力学性能、物理性能、化学性能

金属和合金加工工艺性能是指在保证加工质量的前提下加工过程的难易程度。工艺性能主要有：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。这些性能直接影响化工设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料时必须考虑的因素。1、工艺性能（1）铸造性

铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力。对金属材料而言，铸造性主要包括流动性、收缩率、偏析倾向等指标。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。对某些工程塑料而言，在其成型工艺方法中，也要求有较好的流动性和小的收缩率。

（2）可锻性

可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能。可锻性好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。一般来说，钢的可锻性较好，而铸铁不能进行任何压力加工。热塑性塑料可经过挤压和压塑成型。（3）可焊性

可焊性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可焊性，但与金属的焊接机制及工艺方法并不相同。

（4）切削加工性

切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能。它与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。有利切削的硬度为HB160～230，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。金属和塑料相比，切削工艺有不同的要求。

2、力学性能

力学性能：材料抵抗外力而不产生超过允许变形或不被破坏的能力。

a、强度：是固体材料在外力作用下抵抗产生朔性变形和断裂的特性。（1）屈服强度ReL

金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加时，仍继续发生明显的塑性变形，这时所对应的应力值，称为“屈强度服”。（2）抗拉强度Rm

金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫做抗拉强度。

b、塑性：是指金属在外力作用下产生塑性变性而不被破坏的能力。（1）延伸率:

试件受力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率，称为延伸率。（2）断面收缩率

试件受力拉断后，断面缩小的面积与原始截面面积比值的百分率，叫做断面收缩率。

c、硬度：是指金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力。

常用的硬度指标分为：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）等。硬度是材料的重要性能指标之一。一般说来，硬度高强度也高，耐磨性较好。大部分金属硬度和强度之间有一定的关系，因而可用硬度近似地估计抗拉强度值。

d、冲击韧性：是衡量材料韧性的一个指标。将预测定的材料先加工成标准式样。然后放在实验机的机座上，将具有一定重量G的摆锤举止一定的高度H，再将起释放，摆锤冲断式样所失去的能量，称为冲击功Ak，3、物理性能（1）热膨胀性

金属及合金受热时，一般来说体积都要胀大，这一特性称为热膨胀性。（2）弹性模数与泊桑比弹性模数是材料在弹性变形范围内，应力和应变成正比，其比例系数称为弹性模数。用以衡量材料产生弹性变形难易程度。泊桑比是拉伸实验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于各种钢材它近乎为一个常数约为0.3。4、化学性能（1）耐腐蚀性

金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解质溶液侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。（2）抗氧化性

金属和合金抵抗自由氧和其它气体介质如水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等的腐蚀能力。二、压力容器用钢要求

根据化工工艺对化工设备的基本要求，对压力容器用钢的基本要求是：较高的强度，良好的塑性、韧性，良好的焊接性和耐腐蚀性。控制钢中的化学成分

实施不同热处理方法

锰的影响：锰可脱氧和减轻硫的有害作用；硅的影响：硅溶于铁素体使钢的强度、硬度提高；硫的影响：“热脆性”;磷的影响：磷溶于铁素体使铁素体在室温的强度提高，而塑性、韧性下降，既产生所谓“冷脆性”;氮的影响：“时效”,使钢的硬度、强度提高，塑性下降;氢的影响：氢在钢中的严重危害是造成“白点”。退火和正火,可以降低硬度，提离塑性；调整组织，部分改穆机械性能；使组织均匀化，消除部分内应力；淬火可以增加工件的硬度、强度和耐磨性；回火可以降低或消除工件淬火后的内应力，使组织趋于稳定。金属材料复合材料非金属材料应用材料金属元素或以金属元素为主形成的、具有金属特性的物质由两种或两种以上不同性质或不同组织的材料组合而成的材料除金属材料和复合材料以外的所有材料二、化工设备常用金属材料金属材料的分类铸造生铁金属黑色金属有色金属生铁钢炼钢生铁合金生铁铜及其合金轻金属及其合金其它有色及其合金纯铜（紫铜）铜锌合金（黄铜）铜锡合金（锡青铜）无锡合金（铝青铜等）铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金铅、锡及其合金锌及其合金镍、钴及其合金

1.碳钢

工业上使用的金属材料大多是由金属与金属、金属与非金属熔合在一起的合金。以铁为主，碳的质量分数小于2.11%大于0.0218%并含有少量的锰、硅、硫、磷等元素的合金称为碳钢或非合金钢。中碳钢低碳钢高碳钢碳的质量分数小于0.25%大于0.25%小于0.60%碳的质量分数大于0.60%三、化工设备常用金属材料

碳钢中硫的存在会使钢产生热脆性，磷的存在会使钢产生冷脆性，因此一般认为硫和磷是有害元素，硫和磷的质量分数越小，碳钢的品质越好。碳钢中硫和磷的质量分数不超过0.035%优质碳钢碳钢中硫和磷的质量分数不超过0.045%普通碳钢碳钢中硫和磷的质量分数不超过0.030%高级优质碳钢锰的影响：冶炼过程中加入锰铁高于0.8%时，提高强度；硅的影响：提高强度，降低韧性和塑性，耐H2S腐蚀；硫的影响：矿石和焦炭（FeS）“热脆性”；磷的影响：磷溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，而塑性、韧性下降，即所谓“冷脆性”；铬的影响：耐腐蚀抗氧化；提高强度硬度和耐磨性；使钢材的韧性和塑性降低；氢的影响：氢在钢中的严重危害是造成“白点”。镍的影响：提高淬透性，保持良好塑性和韧性；提高耐腐蚀性和低温冲击韧性；提高热强性能。合金元素对钢的性能影响碳素结构钢钢板2.合金钢

合金钢是在低碳钢的基础上，加入一定量的合金元素而得到的。常加的元素有锰、钼、铌、钒、镍、铬、硼、钨、铝等。当合金元素总质量分数小于等于5%时称为低合金钢。低合金结构钢的牌号由“平均碳的质量分数的万分数+元素符号+该元素平均质量分数的百分数”表示。当钢中某元素的平均质量分数不超过1.5%时，牌号中只标出元素符号而不标明质量分数；当质量分数大于1.5%而不超过2.5%时，在该元素后只标整数2；以此类推。不锈钢是化工设备中使用较多的一种合金钢，其牌号由“平均碳的质量分数的千分数+元素符号+该元素平均质量分数的百分数”表示。（1）低合金钢板优点特点是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。钢的热处理钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能，称为热处理。缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软?铁匠把打好的烧红的铁为什么要放到水里一下?常用热处理工艺缓慢加热，保温一定时间后：

※随炉冷却(曲线1)—退火；※空气中冷却(曲线2)—正火；

作用：①降低硬度，增加塑性，改善机械性能；②使组织均匀化，消除内应力。[注]加热温度为临界点(钢的内部组织发生转变的温度)以上30～50℃。缓慢加热，保温一定时间在淬火剂中冷却(曲线3)-淬火作用：提高硬度、强度和耐磨性。

淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。低温回火(150～250℃)；

中温回火(300～450℃)；

高温回火(500～680℃)。

淬火+高温回火称为调质处理。

效果：强度、塑性、韧性均提高。回火（2）不锈钢钢板

化工生产介质大多都是有腐蚀的，为确保容器安全运行，从选材角度考虑需要选用耐腐蚀的不锈钢。但腐蚀介质的性质千差万别，而且其腐蚀性在很大程度上受介质的浓度及温度的影响，因而为适应不同介质和操作条件的要求，不锈钢的牌号也很多，其中主要是按GB4237-92《不锈钢热轧钢板》生产的各类热轧钢板。3.铸铁

铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金，工业上常用的铸铁的质量分数一般在2.5%-4.5%之间，而锰、硅、硫及磷的质量分数高于钢。根据碳在铸铁中的存在形式有白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁之分，其中灰口铸铁应用较多。铸铁具有良好的铸造性、减震性、耐磨性和切削加工性，而且生产工艺简单、成本低，在化工设备，特别是转动设备中有着广泛的应用。灰铸铁的牌号是由“HT+数字”表示。球墨铸铁的牌号是由“QT+两组数字”表示。补充：钢材中元素的作用钢材中元素的作用1.png钢材中元素的作用2.png钢中元素作用综合.png◆化工陶瓷◆化工搪瓷◆塑料聚四氟乙烯因其优良的抗腐蚀性能而被称为“塑料王”。◆橡胶◆玻璃钢四、化工设备常用非金属材料无机材料有机材料陶瓷：主要用做化工设备，如容器、反应器、塔附件、热交换器、泵、管道、管件等。搪瓷：反应罐、储罐、换热器、蒸发器、塔和阀门。玻璃：管道或管件、容器、反应器、泵、热交换器、隔膜阀塑料：聚氯乙烯（PVC）可制成贮槽、离心泵、阀门管件。聚四氟乙烯（F-4）可做密封件、耐蚀件如填料、垫片和泵、阀门的零件。橡胶：主要用衬里、密封件涂料：保护设备免遭大气及酸、碱等介质的腐蚀