第一章 化工設備概述

《化工設備操作與維護》主講：付大勇坐下來能寫，站起來能說，走出去能干坐下來能寫，站起來能說，走出去能干寫在課前的話坐下來能寫，站起來能說，走出去能干坐下來能寫，站起來能說，走出去能干《化工設備操作與維護》課程介紹坐下來能寫，站起來能說，走出去能干（1）化工設備概述

（2）壓力容器基礎（3）換熱設備的使用與維護

（4）塔設備的使用與維護（5）反應設備的使用與維護

（6）管式加熱爐的使用與維護（7）管道與閥門的使用與維護（8）儲存設備的使用與維護（9）泵的使用與維護

（10）壓縮機的使用與維護（11）其他化工設備介紹

（12）化工設備的運行管理講課順序：第一章——第七章——第九章——第三章——第四章——第二章——第八章——第五章課程要求坐下來能寫，站起來能說，走出去能干1.用心聽講、做好筆記，沒有聽不會的內容；2.理論練習實際，實訓室逐步開放；3.認真完成作業(yè)或者任務。課程考核（1）知識考核（50%）試卷考試為主（2）能力考核（20%）設備操作為主（3）過程考核（30%）回答問題+出勤+作業(yè)+討論第一章化工設備概述氣體、液體、粉體原料產品化工設備這個過程稱為化工工藝過程工藝過程什么是化工？

化工設備用于完成傳質、傳熱、動量傳遞和化學反應等過程，或用于儲存物料。一、化工設備在化工中的應用第一節(jié)化工設備的應用與分類

石油、化工產品都是按照一定的工藝過程，利用與之相配套的機械設備生產出來的。如：化肥、甲醇、二甲醚等化工產品生產過程需要有與之加工工藝相配套的精餾塔、換熱器、加熱爐、泵等等化工設備?；ぴO備是為化工工藝服務。化工設備分為動設備和靜設備兩大類：泵、壓縮機、風機等———屬轉動設備（動設備）塔、換熱器、儲罐等———屬工藝設備（靜設備）化工設備是實現(xiàn)化工生產的重要工具，沒有相應的機器和設備，任何化工生產過程都將無法實現(xiàn)。例一天然氣制甲醇工藝流程例二加氫精制重柴油工藝流程化工設備不僅被廣泛用于化學、石油化工、醫(yī)藥、冶金、機械、采礦、電力、航天航空、交通運輸等工業(yè)生產部門，在農業(yè)、民用和軍工部門也頗常見，其中尤以石油化學工業(yè)應用最為普遍，石油化工企業(yè)中的塔、釜、槽、罐等。序號生產裝置名稱所需的主要設備1常減壓加熱爐、分餾塔、換熱器、空氣冷卻器、各種油泵2催化裂化加熱爐、反應器、沉降器、再生器、旋風分離器、分餾塔、空氣冷卻器、離心式鼓風機、各種油泵、各類容器3催化重整加熱爐、分餾塔、反應器、抽提塔、各種換熱器、各種油泵4潤滑油脫蠟加熱爐、各類塔器、轉鼓式真空過濾機、套管結晶器、離心式空氣壓縮機、各種泵5合成氨加熱爐、反應器、分餾塔、壓縮機、換熱設備、各種泵典型煉油、化工生產裝置所需的化工設備

換熱設備反應設備傳質設備儲存設備用于完成介質的物理、化學反應。用于完成介質的熱量交換用于完成介質的流體壓力平衡緩沖和氣體凈化分離用于儲存、盛裝氣體、液體、液化氣體等介質在一種壓力容器中，如同時具備兩個以上的工藝作用原理時，應按工藝過程中的主要作用來劃分品種加熱設備二、化工設備的類型流體輸送設備用于輸送原料、成品及半成品流體輸送設備加熱設備換熱設備反應設備傳質設備傳質是由于物質濃度不均勻引起的質量轉移。包括精餾、蒸發(fā)、吸收、萃取、浸提、膜過濾等。

設備主要介質：氣體、液體、粉體的流動材料，具有一定的溫度和壓力，一般化工設備都是由能承受一定溫度、壓力載荷的外殼和必要的內件組成?；ぴO備=受壓外殼+功能內件

換熱器、加熱爐=圓筒外殼

+傳熱管塔器=圓筒外殼

+傳質元件（浮閥、填料等）反應釜=圓筒、夾套

+攪拌器

三、化工設備的主要結構7塔設備

外殼一般包括筒體、封頭、密封裝置、開孔接管、支座和安全附件，其功能是提供能承受一定溫度和壓力的密閉空間。筒體的作用是提供工藝所需的承壓空間，是壓力容器最主要的受壓元件之一，其內直徑和容積往往需由工藝計算確定。

需根據筒體的直徑、長度和壁厚，確定結構形式。壓力空間的作用：密封+耐壓筒體

容器不需開啟時，可把封頭和筒體焊接在一起，從而有效地保證密封，節(jié)省材料和減少加工制造的工作量。根據幾何形狀的不同：封頭球形球冠形橢圓形蝶形錐殼平蓋凸形封頭

對于因檢修或更換內件的原因而需要多次開啟的容器，封頭和筒體的連接應采用可拆式的，此時在封頭和筒體之間就必須要有一個密封裝置。封頭螺栓法蘭連接（簡稱法蘭連接）是一種應用最廣的密封裝置，它的作用是通過螺栓連接，并通過擰緊螺栓使密封元件壓緊而保證密封。法蘭按其所連接的部件分為容器法蘭和管道法蘭。密封裝置

由于工藝要求和檢修的需要，常在壓力容器的筒體或封頭上開設各種大小的孔或安裝接管，如人孔、手孔、視鏡孔、物料進出口接管，以及安裝壓力表、液面計、安全閥、測溫儀表等接管開孔。開孔、補強

筒體或封頭上開孔后，開孔部位的強度被削弱，并使該處的應力增大。這種削弱程度隨開孔直徑的增大而加大，因而容器應盡量減少開孔的數量，尤其要避免開大孔。對容器已開設的孔，還應進行開孔補強設計，以確保所需的強度。

壓力容器靠支座支承并固定在基礎上。隨安裝位置不同，圓筒形容器支座分立式容器支座和臥式容器支座兩類腿式支座支承式支座耳式支座裙式支座支座

安全附件：連鎖裝置；警報裝置；計量裝置；泄放裝置壓力容器安全附件主要有：安全閥爆破裝置緊急切斷閥安全聯(lián)鎖裝置壓力表液面計測溫儀表等安全附件對于用于化學反應、傳熱、分離等工藝過程的容器，則須在外殼內裝入工藝所要求的內件，才能構成一臺獨立而完整的產品。上述六大部件構成了一臺壓力容器的外殼。對于儲存用的容器，這一外殼即為容器本身。四、化工設備的基本要求化工生產的特點1、生產的連續(xù)性強

化工生產處理流體傳質、傳熱、可連續(xù)性工藝流程，以提高工作效率。2、生產條件苛刻

介質腐蝕性強：酸、堿影響壽命；

溫度壓力變化大，合理選擇設備材料。4、生產原理多樣性

傳質、傳熱、傳能、化學反應5、生產技術含量高

先進生產工藝、先進的生產設備、先進的控制檢測手段。3、介質多為易燃、易爆、有毒性

易燃：CH4、H2；

有毒：SO2、NO2、CO、H2S。1979年9月7日國內某電化廠415升液氯鋼瓶爆炸，擊穿5個，爆炸5個，10200公斤液氯外泄，波及7公里范圍，59人死亡，779人嚴重中毒。

1979年12月18日國內某液化氣站400M3儲罐爆炸，引發(fā)3個球罐和一個臥罐爆炸，5000只氣瓶爆炸，600噸液化氣燃燒，32人死亡，54人傷。

1986年4月28日前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站壓力殼發(fā)生核泄漏，31人死亡，20個國家4億人受害。設備基本要求

安全可靠性

工藝性能要求

使用性能要求

經濟性能要求

優(yōu)良的環(huán)境性能安全可靠性

影響過程設備安全可靠性的因素主要有：材料的強度、韌性和與介質的相容性；設備的剛度、抗失穩(wěn)能力和密封性能。1、足夠的強度、良好的韌性強度：是指載荷作用下材料抵抗永久變形和斷裂的能力。屈服點和抗拉強度是鋼材常用的強度判據。韌性：韌性是指材料斷裂前吸收變形能量的能力。材料韌性越好，臨界尺寸越大，過程設備對缺陷就越不敏感。韌性隨著強度的提高而降低。在選擇材料時，應特別注意材料強度和韌性的合理匹配。3、良好的抗腐蝕性化工生產的介質通常是腐蝕性強的酸、堿、鹽。材料被腐蝕后，不僅會導致壁厚減薄，而且有可能改變其組織和性能。因此，材料必須與介質相容。2、結構有足夠的剛度和抗失穩(wěn)能力剛度：是過程設備在載荷作用下保持原有形狀的能力。失穩(wěn)：是指失去原有形狀而不可恢復。設備常見的失效形式之一。4、密封性能好——密封性是指設備防止介質或空氣泄漏的能力內泄漏：內部各腔體間的泄漏；輕者引起產品污染，重者引起設備爆炸等。外泄漏：介質通過可拆部件或穿透性缺陷泄漏到環(huán)境中，或空氣進入設備中的泄漏。引起環(huán)境污染、中毒、燃燒和爆炸等。工藝性能要求1、功能要求：要求達到某種功能以滿足生產的需要如：儲罐的儲存量、換熱器的傳熱量和壓力降，反應器的反應速率，塔的流量、傳熱傳質效率等。2、壽命要求

高壓容器：>20年塔設備、反應設備：>15年一般設備：>10年使用性能要求1、生產效率高、消耗系數低生產效率：設備單位時間內單位容積（或面積）處理物料或所得產品的數量。消耗系數：是指生產單位質量或體積產品所需的資源（包括原材料和能量，如原料、燃料、電等）和人力。工藝流程和結構形式都對設備的經濟性有顯著影響。2、結構合理、制造簡便

，操作簡單，便于控制優(yōu)良的環(huán)境性能留下藍天和綠地！經濟性能要求

在滿足以上要求的前提下，盡量做到經濟合理。如從原材料選用、制造成本、運輸和安裝等基本建設投資和日常維護、操作維護等方面降低費用，以獲得良好的綜合經濟效益。第二節(jié)化工設備常用材料

化學工業(yè)是多品種的基礎工業(yè)，為了適應化工生產的多種需要，化工設備的種類很多，設備的操作條件也比較復雜，處理的介質大多數又有腐蝕性，對設備來說，既有溫度、壓力要求，又有耐腐蝕要求，而且這些要求有時還是相互矛盾的，生產條件又經常變化。這種多樣性的操作特點，使化工設備的材質選用具有復雜性。合理選用材質是化工設備設計的重要環(huán)節(jié)。一、材料的性能工藝性能使用性能制造性能，加工過程特性，鑄、鍛、焊使用過程表現(xiàn)的特性，力學性能、物理性能、化學性能

金屬和合金加工工藝性能是指在保證加工質量的前提下加工過程的難易程度。工藝性能主要有：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理性能等。這些性能直接影響化工設備和零部件的制造工藝方法，也是選擇材料時必須考慮的因素。1、工藝性能（1）鑄造性

鑄造性是指澆注鑄件時，材料能充滿比較復雜的鑄型并獲得優(yōu)質鑄件的能力。對金屬材料而言，鑄造性主要包括流動性、收縮率、偏析傾向等指標。流動性好、收縮率小、偏析傾向小的材料其鑄造性也好。對某些工程塑料而言，在其成型工藝方法中，也要求有較好的流動性和小的收縮率。

（2）可鍛性

可鍛性是指材料是否易于進行壓力加工的性能?？慑懶院脡闹饕圆牧系乃苄院妥冃慰沽砗饬俊Ｒ话銇碚f，鋼的可鍛性較好，而鑄鐵不能進行任何壓力加工。熱塑性塑料可經過擠壓和壓塑成型。（3）可焊性

可焊性是指材料是否易于焊接在一起并能保證焊縫質量的性能，一般用焊接處出現(xiàn)各種缺陷的傾向來衡量。低碳鋼具有優(yōu)良的可焊性，而鑄鐵和鋁合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可焊性，但與金屬的焊接機制及工藝方法并不相同。

（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。它與材料種類、成分、硬度、韌性、導熱性及內部組織狀態(tài)等許多因素有關。有利切削的硬度為HB160～230，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨損小，加工表面光潔。金屬和塑料相比，切削工藝有不同的要求。

2、力學性能

力學性能：材料抵抗外力而不產生超過允許變形或不被破壞的能力。

a、強度：是固體材料在外力作用下抵抗產生朔性變形和斷裂的特性。（1）屈服強度ReL

金屬材料承受載荷作用，當載荷不再增加時，仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，這時所對應的應力值，稱為“屈強度服”。（2）抗拉強度Rm

金屬材料在受力過程中，從開始加載到發(fā)生斷裂所能達到的最大應力值，叫做抗拉強度。

b、塑性：是指金屬在外力作用下產生塑性變性而不被破壞的能力。（1）延伸率:

試件受力拉斷后，總伸長的長度與原始長度之比的百分率，稱為延伸率。（2）斷面收縮率

試件受力拉斷后，斷面縮小的面積與原始截面面積比值的百分率，叫做斷面收縮率。

c、硬度：是指金屬材料表面上不大的體積內抵抗其他更硬物體壓入表面發(fā)生變形或破裂的能力。

常用的硬度指標分為：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）等。硬度是材料的重要性能指標之一。一般說來，硬度高強度也高，耐磨性較好。大部分金屬硬度和強度之間有一定的關系，因而可用硬度近似地估計抗拉強度值。

d、沖擊韌性：是衡量材料韌性的一個指標。將預測定的材料先加工成標準式樣。然后放在實驗機的機座上，將具有一定重量G的擺錘舉止一定的高度H，再將起釋放，擺錘沖斷式樣所失去的能量，稱為沖擊功Ak，3、物理性能（1）熱膨脹性

金屬及合金受熱時，一般來說體積都要脹大，這一特性稱為熱膨脹性。（2）彈性模數與泊桑比彈性模數是材料在彈性變形范圍內，應力和應變成正比，其比例系數稱為彈性模數。用以衡量材料產生彈性變形難易程度。泊桑比是拉伸實驗中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長之比。對于各種鋼材它近乎為一個常數約為0.3。4、化學性能（1）耐腐蝕性

金屬和合金對周圍介質，如大氣、水汽、各種電解質溶液侵蝕的抵抗能力叫做耐腐蝕性。（2）抗氧化性

金屬和合金抵抗自由氧和其它氣體介質如水蒸氣、二氧化碳、二氧化硫等的腐蝕能力。二、壓力容器用鋼要求

根據化工工藝對化工設備的基本要求，對壓力容器用鋼的基本要求是：較高的強度，良好的塑性、韌性，良好的焊接性和耐腐蝕性?？刂其撝械幕瘜W成分

實施不同熱處理方法

錳的影響：錳可脫氧和減輕硫的有害作用；硅的影響：硅溶于鐵素體使鋼的強度、硬度提高；硫的影響：“熱脆性”;磷的影響：磷溶于鐵素體使鐵素體在室溫的強度提高，而塑性、韌性下降，既產生所謂“冷脆性”;氮的影響：“時效”,使鋼的硬度、強度提高，塑性下降;氫的影響：氫在鋼中的嚴重危害是造成“白點”。退火和正火,可以降低硬度，提離塑性；調整組織，部分改穆機械性能；使組織均勻化，消除部分內應力；淬火可以增加工件的硬度、強度和耐磨性；回火可以降低或消除工件淬火后的內應力，使組織趨于穩(wěn)定。金屬材料復合材料非金屬材料應用材料金屬元素或以金屬元素為主形成的、具有金屬特性的物質由兩種或兩種以上不同性質或不同組織的材料組合而成的材料除金屬材料和復合材料以外的所有材料二、化工設備常用金屬材料金屬材料的分類鑄造生鐵金屬黑色金屬有色金屬生鐵鋼煉鋼生鐵合金生鐵銅及其合金輕金屬及其合金其它有色及其合金純銅（紫銅）銅鋅合金（黃銅）銅錫合金（錫青銅）無錫合金（鋁青銅等）鋁及鋁合金鈦及鈦合金鎂及鎂合金鉛、錫及其合金鋅及其合金鎳、鈷及其合金

1.碳鋼

工業(yè)上使用的金屬材料大多是由金屬與金屬、金屬與非金屬熔合在一起的合金。以鐵為主，碳的質量分數小于2.11%大于0.0218%并含有少量的錳、硅、硫、磷等元素的合金稱為碳鋼或非合金鋼。中碳鋼低碳鋼高碳鋼碳的質量分數小于0.25%大于0.25%小于0.60%碳的質量分數大于0.60%三、化工設備常用金屬材料

碳鋼中硫的存在會使鋼產生熱脆性，磷的存在會使鋼產生冷脆性，因此一般認為硫和磷是有害元素，硫和磷的質量分數越小，碳鋼的品質越好。碳鋼中硫和磷的質量分數不超過0.035%優(yōu)質碳鋼碳鋼中硫和磷的質量分數不超過0.045%普通碳鋼碳鋼中硫和磷的質量分數不超過0.030%高級優(yōu)質碳鋼錳的影響：冶煉過程中加入錳鐵高于0.8%時，提高強度；硅的影響：提高強度，降低韌性和塑性，耐H2S腐蝕；硫的影響：礦石和焦炭（FeS）“熱脆性”；磷的影響：磷溶于鐵素體，使鋼材常溫下脆性增加，而塑性、韌性下降，即所謂“冷脆性”；鉻的影響：耐腐蝕抗氧化；提高強度硬度和耐磨性；使鋼材的韌性和塑性降低；氫的影響：氫在鋼中的嚴重危害是造成“白點”。鎳的影響：提高淬透性，保持良好塑性和韌性；提高耐腐蝕性和低溫沖擊韌性；提高熱強性能。合金元素對鋼的性能影響碳素結構鋼鋼板2.合金鋼

合金鋼是在低碳鋼的基礎上，加入一定量的合金元素而得到的。常加的元素有錳、鉬、鈮、釩、鎳、鉻、硼、鎢、鋁等。當合金元素總質量分數小于等于5%時稱為低合金鋼。低合金結構鋼的牌號由“平均碳的質量分數的萬分數+元素符號+該元素平均質量分數的百分數”表示。當鋼中某元素的平均質量分數不超過1.5%時，牌號中只標出元素符號而不標明質量分數；當質量分數大于1.5%而不超過2.5%時，在該元素后只標整數2；以此類推。不銹鋼是化工設備中使用較多的一種合金鋼，其牌號由“平均碳的質量分數的千分數+元素符號+該元素平均質量分數的百分數”表示。（1）低合金鋼板優(yōu)點特點是一種低碳低合金鋼，合金元素含量較少（總量一般不超過3%），具有優(yōu)良的綜合力學性能，其強度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能等均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼。采用低合金鋼，不僅可以減薄容器的壁厚，減輕重量，節(jié)約鋼材，而且能解決大型壓力容器在制造、檢驗、運輸、安裝中因壁厚太厚所帶來的各種困難。鋼的熱處理鋼、鐵固態(tài)下加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金相組織以滿足所要求的物理、化學與力學性能，稱為熱處理?？p紉用鋼針在火上燒，再慢慢冷下來后變軟?鐵匠把打好的燒紅的鐵為什么要放到水里一下?常用熱處理工藝緩慢加熱，保溫一定時間后：

※隨爐冷卻(曲線1)—退火；※空氣中冷卻(曲線2)—正火；

作用：①降低硬度，增加塑性，改善機械性能；②使組織均勻化，消除內應力。[注]加熱溫度為臨界點(鋼的內部組織發(fā)生轉變的溫度)以上30～50℃。緩慢加熱，保溫一定時間在淬火劑中冷卻(曲線3)-淬火作用：提高硬度、強度和耐磨性。

淬火后再進行一次較低溫度的加熱與冷卻。作用：消除內應力，穩(wěn)定組織，滿足技術要求。低溫回火(150～250℃)；

中溫回火(300～450℃)；

高溫回火(500～680℃)。

淬火+高溫回火稱為調質處理。

效果：強度、塑性、韌性均提高?；鼗穑?）不銹鋼鋼板

化工生產介質大多都是有腐蝕的，為確保容器安全運行，從選材角度考慮需要選用耐腐蝕的不銹鋼。但腐蝕介質的性質千差萬別，而且其腐蝕性在很大程度上受介質的濃度及溫度的影響，因而為適應不同介質和操作條件的要求，不銹鋼的牌號也很多，其中主要是按GB4237-92《不銹鋼熱軋鋼板》生產的各類熱軋鋼板。3.鑄鐵

鑄鐵是碳的質量分數大于2.11%的鐵碳合金，工業(yè)上常用的鑄鐵的質量分數一般在2.5%-4.5%之間，而錳、硅、硫及磷的質量分數高于鋼。根據碳在鑄鐵中的存在形式有白口鑄鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵之分，其中灰口鑄鐵應用較多。鑄鐵具有良好的鑄造性、減震性、耐磨性和切削加工性，而且生產工藝簡單、成本低，在化工設備，特別是轉動設備中有著廣泛的應用。灰鑄鐵的牌號是由“HT+數字”表示。球墨鑄鐵的牌號是由“QT+兩組數字”表示。補充：鋼材中元素的作用鋼材中元素的作用1.png鋼材中元素的作用2.png鋼中元素作用綜合.png◆化工陶瓷◆化工搪瓷◆塑料聚四氟乙烯因其優(yōu)良的抗腐蝕性能而被稱為“塑料王”?！粝鹉z◆玻璃鋼四、化工設備常用非金屬材料無機材料有機材料陶瓷：主要用做化工設備，如容器、反應器、塔附件、熱交換器、泵、管道、管件等。搪瓷：反應罐、儲罐、換熱器、蒸發(fā)器、塔和閥門。玻璃：管道或管件、容器、反應器、泵、熱交換器、隔膜閥塑料：聚氯乙烯（PVC）可制成貯槽、離心泵、閥門管件。聚四氟乙烯（F-4）可做密封件、耐蝕件如填料、墊片和泵、閥門的零件。橡膠：主要用襯里、密封件涂料：保護設備免遭大氣及酸、堿等介質的腐蝕