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化工设备结构认识

发布时间:2022-06-14 10:40:24    来源:fun88乐天使

  第1章 化工设备结构认识 1.1 化工设备结构认识 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:主要用于盛装生产用的原料 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. 2.1 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。

  ①受内压:压力小于0.1MPa为常压容器, 0.1~1.6MPa为低压容器, 1.6~10MPa为中压容器, 10~100MPa为高压容器; >100MPa为超高压。 ②受外压:如真空容器(真空精馏塔)或容器外 有夹套。 1Mpa=10 kgf / cm²

  (1)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0.5Pa· 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)

  (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)除上述规定以外的低压容器为第一类压力 容器。

  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——一个容 器,为进行化学反应 提供一定的空间。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,有时同时在 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。

  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,桨式搅拌器中如果 液体物料层很深时可在轴上装置数排桨叶。

  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 内循环流动,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。

  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。

  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。

  (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。

  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。

  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。

  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拉西环(Rasching ring) : 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(pall ring):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(berl saddle) : 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(intolox saddle):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(Intalox):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。

  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。

  波纹填料因波纹薄片的材料与形状不同分成 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。

  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。

  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,喷淋点密度集至少应为160个 /m2塔截面。

  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。

  对拉西环填料,再分布器的距离约为塔径的2 5~ 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。

  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,当有侧线出料时,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对于易起泡物系,填料塔更适合,因填料对 泡沫有限制和破碎的作用。 ⑧对于腐蚀性物系,填料塔更适合,因可采用 瓷质填料。 ⑨对热敏性物系宜采用填料塔,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

  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。根据塔板结构型式的不同,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,处理能力大,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 固体粒子的料掖。

  浮阀塔操作弹性大,效率高,处理能力大,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、塔板效率及压力降等略低于筛 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。

  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、 液而计、气体或液体分布器,等等。 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。

  (1)公称直径: 标准化的名义直径,代号DN(或Dg)。 表1-1 卷制压力容器公称直径

  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。

  (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)封头型式的选择: 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,也可考虑作小型低 压设备的封头。压力容器 上的孔盖、法兰盖等也属 平板封头。

  是可拆连接的一种。由于法兰连接有 较好的强度和密封性,使用范围也较广, 因而在化工企业中广泛应用。

  (1)工作原理  预紧工况:螺栓力通过 法兰压紧面作用到垫片 上,使垫片发生弹性或 塑性变形,以填满法兰 压紧面上的不平间隙。  操作工况:当通入介质 压力时,螺栓被拉长, 法兰压紧面沿着彼此分 离的方向移动、垫片的 压缩量减小,垫片产生 部分回弹,预紧密封比 压下降。

  化工设备用的法兰有两类:  管法兰用于管道连接。  压力容器法兰(或称设备法兰):用于设 备筒体(或封头)的连接。

  作用:密封、增大承力面积、琐紧等作用。  类型: 按材料有:橡胶板、塑料板、石棉板、石棉橡 胶板、缠绕垫片(薄金属带与石棉带一起缠绕 成型) 、金属片包裹石棉垫片、金属垫片等; 按形状分有:平面、环状(O形环)、波形(齿形), 等等。

  •普通橡胶垫片适用于温度低于120℃的场合。 •石棉橡胶板用于对水蒸汽温度低于450℃,对油类温度低于 350℃,压力小于5MPa以下的情况。 •对于一股的腐蚀性介质,最常用的是耐酸石棉板。 •在一些重要场合,则可用聚四氟乙烯作垫片材料。 •缠绕式垫片具有多道密封作用,在温度、压力有较大波动时应 用。

  设备的支座用来支承设备的重量和固定设 备的位置。支座有适用于立式设备和卧式 设备两大类,分别按设备的结构形状、安 装位置、材料和载荷情况而有多种型式。

  1.1化工容器的主要结构包括哪几部分? 1.2化工容器可分成哪几类?除了课本介绍的几种分 类方式外,你还知道哪些分类方式?请举例说明。 1.4试阐述搅拌反应釜的组成及各主要组成部分的功 用。 1.5反应釜的传热装置有哪些?各运用在什么情况之 下? 1.7列管式换热器有哪几种类型,其中管子与壳体之 间无温差应力的换热器有哪几种? 1.8固定管板式列管换热器管壳之间易产生温差应力, 为什么在现实中应用还较为广泛?

  1.11填科塔由哪几部分组成,它与板式塔在结构上 有何区别? 1.12试阐述填料的种类及其运用情况。 1.14板式塔由哪几部分组成?试说明各主要组成部分 的作用。 1.15试比较泡罩塔、浮阁塔和筛板塔三种板式塔的 优缺点。 1.16化工设备上通用零部件标准的最基本参数是? 1.17法兰密封面的形式有哪三种? 1.18设备支座最常用的标准化结构有哪几种?

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