《化工设上备概述》PPT课件.ppt
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1、第一章 化工设备概述,掌握化工设备常用钢材的性能及应用,主要知识点,化工设备的类型及在化工生产中的应用,了解压力容器相关标准规范,第一章 化工设备概述,一、化工设备的应用,第一节 化工设备应用与类型,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。如加工原油就是要有与之加工工艺相配套的精馏塔、换热器、加热炉、泵等。化工机械提出了不同的要求,为化工工艺服务。,化工机械分两类: 一类:动设备,泵、压缩机、风机化工机器 二类:静设备,塔、换热器、反应釜化工设备,化工设备:化工生产中静止的或配有少量传动机构组成的装 置,主要用于完成传热、传质和化学反应过程或用于储存物料。,化
2、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。,典型炼油、化工生产装置所需的化工设备,二、化工设备的特点,随着科学技术的发展,化工设备向多功能、大型化、成套化和专业化方向发展,呈现出以下特点:,1、功能原理多样化,是典型的非标设备 化工生产过程是化工设备的前提,要考虑化工生产过程中介质特性,工艺条件,操作方法,及生产能力差异。根据设备的功能,条件寿命,安全质量以及环保要求,采用不同材料、结构、制造工艺对其进行单独设计。导致设备功能原理,结构特
3、征多样化。如换热器、塔设备等。,螺旋管式换热器,折流杆换热器,浮头式外导流筒换热器,U型管式换热器,折流杆换热器,各种换热器,各种塔设备,净化塔,填料塔,空气分离塔,解吸塔,2、外部壳体多为压力容器 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,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
4、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
5、,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
6、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。,3、化-机-电紧密结合 生产过程中的成套设备都是将化工过程、机械设备、控制技术三方面紧密结合在一起,实现化工、机械、电气一体化,以达到对设备操作过程进行控制的目的这不仅是化工设备在应用上的一个突出
7、特点,也是设备应用水平不断提高的一个发展方向。,4、设备结构大型化 随着先进生产工艺的提出和设备设计、制造以及检测水平的不断提高,对设备大、高负荷化工设备的需求日趋增加。设备结构的大型化,增加了材料应用、设计制造、安装检修、使用维护等方面的难度。,三、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。,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
8、,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。,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。,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
9、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,过程设备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
10、。 失稳:是过程设备常见的失效形式之一。,4、密封性能好 密封性是指过程设备防止介质 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:过程设备单位时间内单位容
11、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过程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,3、易于运输和安装,优良的环境性能,留下蓝天和绿地!,经济性能要求,满足以上要求,考虑价格。,四、化工设备的类型,所谓“压力容器”是指压力和容积达到一定的数值,容器所处的工作温度使其内部介质呈气态的密闭容器。按中国压力容器安全技术监察规程的规定,同时具备下列条件的容器称为压力容器。 (1) 工作压力大于等于0.1MPa(不含液柱静压力); (2) 直径(非圆形
12、截面指断面最大尺寸)大于等于0.15m,且容积大于等于0.025m3; (3) 介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。,内压容器又可按设计压力(p)大小分为四个压力等级,具体划分如下 :,1、按承压方式分类,压力容器可分为内压容器与外压容器。,低压(代号L)容器 0.1 MPap1.6 MPa; 中压(代号M)容器 1.6 MPap10.0 MPa; 高压(代号H)容器 10 MPap100 MPa; 超高压(代号U)容器 p100MPa。,2、按工作温度分,低温容器:设计温度-20; 常温容器:设计温度-20200; 中温容器:设计温度-200450; 高温容器:设计温度
13、-450 。,3、按壁厚分,薄壁容器:K=D0/Di1.2,4、按工艺过程的作用分,换热设备(代号R),反应设备(代号E),传质设备(代号S),储存设备(代号C,其中球罐代号B),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,化工设备类型及应用,设备类型及要求,化工设备应用,类型:加热设备、换热设备、传质设备、反应设备、储存设备。 要求:满足工艺要求;安全可靠运行; 经济合理。,化工设备不仅用于化工
14、和炼油生产中,在轻工、医药、食品、冶金、能源、交通等工业部门也有广泛的应用,小结,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,给化工设备选用材料造成了复杂性。合理选用化工材料是设计化工设备的重要环节。,选用化工材料的一般要求:,(1)材料品种应符合我国资源和供应情况; (2)材料可靠,能保证使用寿命; (3)要有足够的强度,良好的性和韧性; (4)便于制造加工,焊
15、接性能良好; (5)经济上合算。,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,a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
16、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。 b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。,c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。 d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
17、利切削的硬度为HB160230,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)屈服点s=ps/F 金属材料承受载荷作用,当载荷不再增加时,仍句续发生明显的索性变形,这种现象,习惯上称为“屈服”。开始出现索性变形时的应力,称为“屈服点”。 (2)抗拉强度b=pb/F 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。,(3)蠕变强度 蠕变是指在高温时,在一定的应力下,应变随时
18、间而增加的现象,或者金属在高温和应力作用下逐渐产生变形的现象。 (4)疲劳强度 金属在无数次交变载荷作用下,而不致引起断裂的最大应力。 (5)持久强度p 在给定温度下,促使试样或工件经过一定时间发生断裂的应力叫做持久强度.,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(H
19、R)、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H1,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,a. 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。 b. 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
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