[能源/化工]化工设备基础知识

[能源/化工]化工设备基础知识 化工设备基础知识 第一节、化工静设备基础知识 一、化工设备的概念 化工设备是指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、传质和化学反应等过程，或用于储存物料。 二、化工设备的分类 1、按结构特征和用途分为容器、塔器、换热器、反应器(包括各种反应釜、固定床或液态化床)和管式炉等。 2、按结构材料分为金属设备(碳钢、合金钢、铸铁、铝、铜等)、非金属设备(陶瓷、玻璃、塑料、木材等)和非金属材料衬里设备(衬橡胶、塑料、耐火材料及搪瓷等)其中碳钢设备最为常用。 23、按受力情况分为外压设备(包括真空设备)和内压设备，内压设备又分为常压设备(操作压力小于1kgf/cm)、22低压设备(操作压力在1,16 kgf/cm之间)、中压设备(操作压力在16,100 kgf/cm之间)、高压设备(操作22压力在100,1000 kgf/cm之间)和超高压设备(操作压力大于1000 kgf/cm) 三、化工容器结构与分类 1、基本结构 在化工类工厂使用的设备中，有的用来贮存物料，如各种储罐、计量罐、高位槽;有的用来对物料进行物理处理，如换热器、精馏塔等;有的用于进行化学反应，如聚合釜，反应器，合成塔等。尽管这些设备作用各不相同，形状结构差异很大，尺寸大小千差万别，内部构件更是多种多样，但它们都有一个外壳，这个外壳就叫化工容器。所以化工容器是化工生产中所用设备外部壳体的总称。由于化工生产中，介质通常具有较高的压力，故化工容器痛常为压力容器。化工容器一般由筒体、封头、支座、法兰及各种开孔所组成，见图1-1。 图1,1化工容器的总体结构 1—法兰; 2—支座; 3—封头拼接焊缝; 4—封头; 5—环焊缝; 6—补强圈; 7—人孔; 8—纵焊缝; 9—筒体; 10—压力 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ; 11—安全阀; 12—液面计 1)筒体 筒体是化工设备用以储存物料或完成传质、传热或化学反应所需要的工作空间，是化工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。圆柱形筒体(即圆筒)和球形筒体是工程中最常用的筒体结构。 2)封头 根据几何形状的不同，封头可以分为球形、椭圆形、碟形、球冠形、锥壳和平盖等几种，其中以椭圆形封头应用最多。封头与筒体的连接方式有可拆连接与不可拆连接(焊接)两种，可拆连接一般采用法兰连接方式。 3)密封装置 化工容器上需要有许多密封装置，如封头和筒体间的可拆式连接，容器接管与外管道间可拆连接以及人孔、手孔盖的连接等，可以说化工容器能否正常安全地运行在很大程度上取决于密封装置的可靠性。 4)开孔与接管 化工容器中，由于工艺要求和检修及监测的需要，常在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。 5)支座 化工容器靠支座支承并固定在基础上。随安装位置不同，化工容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类，其中立式容器支座又有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四种。大型容器一般采用裙式支座。卧式容器支座有支承式、鞍式和圈式支座三种;以鞍式支座应用最多。而球形容器多采用柱式或裙式支座。 6)安全附件 由于化工容器的使用特点及其内部介质的化学工艺特性，往往需要在容器上设置一些安全装置和测量、控制仪表来监控工作介质的参数，以保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。 化工容器的安全装置主要有安全阀、爆破片、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计、测温仪表等。 上述筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件等即构成了一台化工设备的外壳。对于储存用的容器，这一外壳即为容器本身。对用于化学反应、传热、分离等工艺过程的容器而言，则须在外壳内装入工艺所要求的内件，才能构成一个完整的产品。 2、分类 从不同的角度对化工容器及设备有各种不同的分类方法，常用的分类方法有以下几种。 1)按压力等级分 ? ? 1 按承压方式分类，化工容器可分为内压容器与外压容器。内压容器又可按设计压力大小分为四个压力等级，具体划分如下: 低压(代号L)容器 0.1MPa?p<1.6 MPa; 中压(代号M)容器 1.6MPa?p<10.0 MPa; 高压(代号H)容器 10.0MPa?p<100 MPa; 超高压(代号U)容器 p ?100Mpa。 外压容器中，当容器的内压小于一个绝对大气压(约0.1Mpa)时又称为真空容器。 2)按原理与作用分 根据化工容器在生产工艺过程中的作用，可分为反应容器、换热容器、分离容器、储存容器。 ?反应容器(代号R)主要是用于完成介质的物理、化学反应的容器，如反应器、反应釜、聚合釜、合成塔、蒸压釜、煤气发生炉等。 ?换热容器(代号E)主要是用于完成介质热量交换的容器。如管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器等。 ?分离容器(代号S)主要是用于完成介质流体压力平衡缓冲和气体净化分离的容器。如分离器、过滤器、蒸发器、集油器、缓冲器、干燥塔等。 ?储存容器(代号C,其中球罐代号B)主要是用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的容器。如液氨储罐、液化石油气储罐等。 在一台化工容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应按工艺过程的主要作用来划分品种。 3)按相对壁厚分 按容器的壁厚可分为薄壁容器和厚壁容器，当筒体外径与内径之比小于或等于1.2mm 时称为薄壁容器，大于1.2mm 时称厚壁容器。 4)按支承形式分 当容器采用立式支座支承时叫立式容器，用卧式支座支承时叫卧式容器。 5)按材料分 当容器由金属材料制成时叫金属容器;用非金属材料制成时，叫非金属容器。 6)按几何形状分 按容器几何形状，可分为圆柱形、球形、椭圆形、锥形、矩形等容器。 7)按安全技术管理分 上面所述的几种分类方法仅仅考虑了压力容器的某个设计参数或使用状况，还不能综合反应压力容器面临的整体危害水平。例如储存易燃或毒性程度中度以及上危害介质的压力容器，其危害性要比相同几何尺寸、储存毒性程序轻度或非易燃介质的压力容器大得多。压力容器的危害性还与其设计压力p和全容积V的乘积有关， pV值愈大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。为此，《压力容器安全技术监察规程》采用既考虑容器压力与容积乘积大小，又考虑介质危害程度以及容器品种的综合分类方法，有利于安全技术监督和管理。该方法将压力容器分为三类。 (1)、第三类压力容器 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); 3) ?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10 MPa•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?0.5 MPa .m); 3?低压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积? 0.2 MPa •m); ?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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 中抗拉强度规定值下限大于等于540 MPa )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, 液化气体运输(半挂)车、低温液体运输(半挂)车、永久气体运输(半挂)车, 和罐式集装箱(介质为液化气体、低温液体)等; 3?球形储罐(容积大于等于50m); 3?低温液体储存容器(容积大于5 m)。 (2)、第二类压力容器 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)、第一类压力容器 除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。 四、化工塔设备的分类和结构 (一)塔设备的分类 1、按操作压力分类 1)加压塔;2)减压塔;3)常压塔。 2、按化工单元操作分类 ? ? 2 1)精馏塔; 2)吸收塔和解吸塔; 3)萃取塔; 4)反应塔; 5)再生塔; 6)干燥塔。 3、按气液接触的基本构件分类 1)填料塔; 2)板式塔 (二) 塔设备的结构 1、塔设备的基本部件 填料塔和板式塔结构见图1,2图1,3。从图中可看出，两种不同的塔结构，均包括一些基本部件，如塔体、支座及塔体附件。而其不同的内件结构则在介绍两种塔型时分别介绍。 图1,2填料塔结构图 1—支座; 2—液体出口; 3—填料支承; 4—卸料孔; 5—塔体; 6—填料; 7—液体再分布器; 8—喷淋装置 1)塔体 塔体是塔设备的主要部件，大多数塔体是等直径、等壁厚的圆筒体，顶盖以椭圆形封头为多。但随着装置的大型化，不等直径、不等壁厚的塔体已逐渐增多。塔体除满足工艺条件对它提出的强度、刚度要求外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所带来的影响，以及吊装、运输、检验、开停工等情况。 塔体材质常采用的有:铸铁、碳素钢、低合金钢、不锈耐酸钢(复层、衬里)等。 2)塔体支座 塔设备常采用裙式支座。它应当具有足够的强度和刚度，来承受塔体操作重量、风力、地震等引起的载荷。 塔体支座的材质常采用碳素钢，也有采用铸铁的。 3)塔体附件 ?接管;?人孔和手孔;?吊耳;?吊柱;?平台和爬梯。 2、填料塔 图1,3板式塔总体结构图 1—裙座; 2—裙座人孔; 3—塔底液体出口; 4—裙座气孔; 5—塔体; 6—人孔; 7—蒸汽入口; 8—塔板; 9—回流入口; 10—吊柱; 11—塔顶蒸汽出口; 12—进料口 填料塔是化学工业中最常用的气液传质设备之一，在塔内设置填料使气液两相能够达到良好传质所需的接触面积。填料塔具有结构简单，便于用耐腐蚀材料制造，适应性较好。 填料塔广泛的应用在蒸馏、吸收和解吸操作，而在大型装置中，填料塔的使用范围正在扩大。六十年代后期，直径超过3米的填料塔已十分普遍。目前，填料塔不仅可以大型化，而且在某些方面超过了板式塔的规模。所以，近代化学、石油工业中，填料塔的地位变得日益重要。近来，由于塔内采用接触面积较大的矩鞍型或聚丙烯鲍尔环填料，经实践证明，已克服大型填料塔的不足，显示出效率高，处理量大，压力降小等优点。 1)填料 ? ? 3 ?、填料的选择 填料塔操作的好坏与选用填料的正确与否有很大关系。选择填料的原则如下:单位体积填料的表面积要大;使气液相接触的自由体积要大;对气相阻力要小，即空隙截面积大;重量要轻;机械强度要高;耐介质腐蚀，经久耐用;价格低廉。填料的选择，应根据操作压力和介质来选择填料的材质，根据操作工艺要求，选择填料的型式，根据填料塔径选择填料尺寸。 ?、填料的分类 工业用填料大致分为实体填料和网体填料两大类。 ?、填料材质 选择填料要根据被处理物料的腐蚀性及操作压力，确定使用填料的材质。 ?、填料尺寸选择 填料尺寸选定与塔径尺寸有关，一般要求塔径与填料直径之比不能太小，否则，填料与塔壁的间隙过大，易使液体沿塔壁空隙流下，使截面上液体分布不均。 ?、常用填料的特性 ?拉西环 拉西环使用历史悠久，各种参数比较完整;设计与操作经验丰富，外形简单、制造方便;取材容易、造价低廉，适用于非金属耐腐蚀材料制造等优点。但拉西环由于表面积利用率低，因而使塔的生产能力降低，阻力较大，加上自身的形状决定了它沟流和壁流严重，使气液分布不均匀，气—液接触不良。 ?鲍尔环 鲍尔环除钢制外，还有用陶瓷和塑料制成的。具有如下优点: 对于同样的空隙率而言，阻力比拉西环小，因而可提高气速，生产能力可以提高。 由于小窗叶片向环中心弯，液体分布较为均匀，所以沟流和壁流情况比拉西环好。 开小窗后表面积比拉西环要大，且环内表面得以充分利用，以进行气液传质，而拉西环内表面利用率较低。 操作弹性范围大。 在一般情况下，当同样压降时，处理量比拉西环大50,以上;在同样处理量时，压降可降低，传质效率能提高20,左右。 ?、鞍形填料 鞍形填料又分弧鞍形和矩鞍形两种。 此种填料常用于吸收操作，处理腐蚀性介质较为适宜，且成本低。近来，又对矩鞍形填料予以改进。它是目前瓷制填料中处理量大，效率较高的一种。 2)塔设备喷淋装置 在塔顶部装设喷淋装置，可使塔顶引入的液体能沿塔截面均匀分布进入填料层，避免部分填料得不到湿润，降低填料层的有效利用率，影响传质效果。喷淋装置的类型很多，常用的如下表: 管式 喷淋型 莲蓬头式 盘式 溢流式 槽式 喷淋装置类型 反射板式 冲击式 宝塔式 离心式 机械式 ?管式喷淋器 小直径的填料塔(300mm以下)可以采用管式喷淋器，如图1-4(a)、(b)所 示。直径小于600mm的塔可采用多孔直管式如图1-4(c)。该结构的优点是结构简 单，缺点是喷淋面积小而且不均匀。 图1-4管式喷淋器 (a)直管;(b)弯管;(c)多孔直管式 ? ? 4 对于直径稍大的填料塔(1200mm以下)，可以采用多孔环管喷淋器，如图1-5所示。环状管的下面开有小孔， 一般为塔径D的60,80,。小孔直径为4~8mm，共有3~5排，小孔面积总和约与管截面积相等，环管中心圆直径D1g这种喷淋器优点是结构简单，制造及安装方便，但缺点是喷淋面积小，不够均匀，而且液体要清洁，否则小孔易堵塞。 ?莲蓬头式喷淋器 这种结构是应用最普遍的一种喷淋装置，结构简单，喷淋较均匀，如图1,6所示。莲蓬头可以作成半球形、碟形或杯形，它悬于填料上方中央处，液体经小孔分股喷出，莲蓬头直径一般为塔径的20,30,，小孔直径为3,15mm，它的安装位置离填料表面的距离一般约为(0.5,1)Dg，此种结构的缺点是容易堵塞，液体分布情况与压头有关，所以适用于料液清洁且料液压头不变或变化不大的情况，一般用于直径600mm以下的塔设备。 ?溢流型喷淋器 盘式分布器是常用的一种溢流型喷淋装置，液体经过进液管加到喷淋盘内，然后从喷淋盘内的降液管溢流，喷淋到填料上。中央进料的盘式分布器如图1,7所示。降液管一般按等边三角形排列，焊接在喷淋盘的分布板上。 1,5环管多孔喷淋器 图 图1,6莲蓬头式喷淋器 图1,7盘式分布器 ?冲击型喷淋器 反射板式喷洒器为冲击型的一种，利用液流冲击反射板(可以是平 板、凸板或锥形板)以飞溅分布液体。最简单的结构为平板，液体循中 心管流下，冲击后分成液滴并向各方飞溅。 3)液体再分布装置 由于工艺条件的要求，需要的填料层总高度较大，当喷淋液体喷到 填料表面后，液体有流向塔壁造成“壁流”的倾向，称为“干锥体”现象，使液体分布不均，降低了填料塔的效率。为避免产生“干锥体”现象，必须在塔结构上采取措施，即沿填料层每隔一段距离，装设液体再分布器，使其在整个高度的填料层内部都得到喷淋液的均匀分布。分配锥是最简单的一种结构，如图1,8所示。(b)图为具有通孔的分配锥，适用塔径在600~800mm的塔，α为35º,45º，D,(0.7,0.8)D。图1-9所示为槽形液体再分配器，1g 器上的通孔是增加气体通过的截面积，使气体通过再分配器时，速度变化不大，该分布器适用塔径600mm以上的塔。 ? ? 5 图1-8 分配锥 图1-9 槽形再分配器 4)填料的支承结构 填料的支承结构不但要有足够的强度和刚度，而且须有足够的自由截面积，否则会增大塔的压力降，使在支承处不致首先发生液泛。 在工业填料塔中，最常用的填料支承是栅板，它是用竖扁钢制成，其结构见图1-10。 5)除沫器 除沫器是用来捕集夹带在气相中液滴的装置，装在塔内顶部，它能起到保证传质效率，降低物料损失，改善塔后压缩机或真空泵的操作状况以及减少对环境污染的作用。 图1-10填料支承结构 图1-11 小型除沫器 常见的除沫器有折板除沫器、填料除沫器及丝网除沫器，其中丝网除沫器采用最多，它适用于分离5微米的液滴，其除沫率可达99%。丝网由一定规格编织成的丝网带卷制成盘状物，再用支承板加以固定，丝网带可用金属或非金属材料制成，丝网支承栅板的自由截面积应大于90%。适用于洁净气体。若在气液中含有粘结物时，则易堵塞网孔，影响塔的正常操作。 图1-11是一种小型除沫器，该结构适用于除沫器直径与塔径相近的情况。若塔体直径大于1000mm以上时，将采取分块结构型式，便于丝网的安装与检修。 (三)板式塔 板式塔因空塔速度比填料塔高，所以生产强度比填料塔大。板式塔的塔板结构有多种，它是决定塔特性的主要因素。 1、塔板的主要部件 塔板的主要部件有: 1)降液管 降液管的作用是使液体由上一层塔板流到下一层塔板。 2)出口堰 出口堰具有维持板上液层高度及使液流均匀的作用。 3)入口堰 其作用是使上一层板流入的液体能在板上均匀分布，并减少进入处液体水平冲出。 降液管与下层塔板至入口堰处称为受液盘，这种结构便于液体的侧线抽出。在低液流量时，仍能造成正液封，具有改变液体流向的缓冲作用。 4)塔板 塔板有整块式或分块式两种。 (1)整块式塔板 此种塔板一般用于塔径小于800mm，人不便进入安装和检修的塔内。塔体由若干塔节组成，塔节与塔节之间? ? 6 用法兰连接。塔板与塔板之间用管子支承。塔板与塔壁间隙用填料来密封。 (2)分块式塔板 分块式塔板用于塔径在900mm以上，人可以进入的塔内。塔体为一焊制整体圆筒，不分塔节，而塔板是分成数块，通过人孔送入塔内，装到焊在塔内壁的塔板固定件上。 为了进行塔内清洗和检修，在塔板中央设置一块内部通道板，通道板应为上、下均可拆的。 塔板上的鼓泡构件型式很多，常用鼓泡构件为泡罩、浮阀等。下节分别叙述。 (3)泡罩塔板 泡罩塔板所用的泡罩有圆形和条形两类，其主要特点是鼓泡元件各具有升气管。上升气体经升气管由泡罩齿缝吹入液层，两相接触密切，加之板上液层较高，两相接触时间较长，分离效果较好。但由于气体通过泡罩的路线曲折及液层较高，导致压降及雾沫夹带增高等缺点。同时，由于塔板上液面梯度较大，气相分布不均，影响传质效率，这也是泡罩结构所造成的。 (4)浮阀塔板及特点 ?生产能力大，比泡罩塔板约提高20,40,，与筛板塔相近。 ?操作弹性大，在较宽的气速变化范围内，板效率变化较小，其弹性范围(即最大负荷与最小负荷之比)为7,9。 ?由于气,液接触状态良好，以及气体为水平方向吹出，雾沫夹带量小，因此塔板效率高，比泡罩塔效率可提高15,左右。 ?液面梯度小，蒸汽分配比较均匀，塔板压降比泡罩塔小。 ?塔板结构简单，安装容易。 浮阀塔板结构与泡罩塔板类同。操作时气流自下而上吹起浮阀，从浮阀周边水平方向吹入塔板上液层，进行两相接触。液体则由上一层塔板的降液管流入，经进口堰均布，再横向流过塔板与气相接触传质后，再经溢流堰进入降液管，流入下一层塔板。 五、化工换热设备的结构和分类 化工换热设备是在化工生产过程中即化学反应物中实现热能传递的设备，使热量从温度较高的流体传给另一种温度较低的流体。 在化肥、化工、炼油工业生产中，常常进行着各种不同的换热过程，特别是近年开发的各种化工工艺，充分进行了热能的综合利用，各种型式的高效、节能换热设备不断推出，应用到不同的冷换操作单元中。例如:加热或冷却、蒸发或冷凝。换热设备就是在生产过程即化学反应或物理反应中实现热能传递的设备，使热量从温度较高的流体传给另一种温度较低的流体。根据生产工艺的不同，为达到热量的充分利用和满足工艺参数，换热设备可以是热交换器(如两流体介质相互换热)、冷凝器(如用水蒸汽冷凝)、加热器(如高温工艺气加热水)、冷却器(如水或液体氨作冷载体)等。在化工生产中，换热设备不但作为一个单独的化工设备，而且在其他设备中也常附有换热设备或换热部分，如蒸馏设备中的回流冷凝器，蒸发设备中的加热，高低变炉和氨合成塔中触媒的换热等，均为重要的不可缺少的化工操作设备。 化工生产流程中，用于汽,液、汽,气、气,气、液,液之间的换热设备，按热量的授受方式可分为?表面式换热器;?蓄热式换热器;?液体间接式换热器;?直接接触式换热器。 表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面 的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的热交换器。 蓄热式换热器是借助于由固体构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，蓄热体与高温流体接触一定时间，接受和储蓄了一定热量，然后与低温流体接触一定时间，把热量释放给低温流体。蓄热式换热器有用在一段炉对流段上的旋转换热器，回收烟气温度用于预热燃烧空气;还有阀门切换式换热器等。 流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体热交换器和低温流体之间循环，在高温流体换热器接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。 直接接触式热交换器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如:冷水塔、气体冷凝器等。另外，换热器按用途还可分为: 加热器———把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。 预热器———预先加热流体，为后序操作提供标准的工艺参数; 过热器———用于把流体(工艺气或蒸汽)加热到过热状态; 蒸发器———用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相 的变化。 (一)化工装置常用换热设备结构、性能和特点 1、管壳式换热器 ?管壳式换热器的类型和优缺点 常用的管壳式换热器有固定管板式、浮头式和“U”形管式。 固定管板式换热器结构简单，造价低，制造容易，管程清洗检修方便。壳程清洗困难，管束制造后有温差应力存在，当冷热两流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料热膨胀系数相差较大、热应力超过材质的许用应力时，在壳体上应设膨胀节，由于膨胀节不能承受较大内压，所以换热器壳程压力不能太高。 固定管板式换热器适用于两种介质温差不大(一般应低于30?)，或温差较大但壳程压力不高的条件。 浮头式换热器的优点是壳体和管束的温差不受限制，管束清洗和检修较为方便，管程、壳程均容易清扫。缺点是结构复杂，密封要求较高，一旦泄漏在线处理较为困难。一般在温差较大的化工单元操作中设置浮头式换热器。 U形管式换热器，克服了固定管板式和浮头式换热器的缺点，但在U形拐弯处很难清洗干净，更换管子较为困难，特别是管板中心部的U形管，泄漏后只能堵管，要想更换管子必须从管板处全部切除，造成很大浪费。U形管? ? 7 换热器适用于两种流体温差较大，且壳程易结垢的条件。 ?管壳式换热器的结构特点 ?、固定管板式换热器 固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成，如图1,12所示。其结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起。管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器，管程可以用隔板分成任何程数。应用极为广泛。近年来，也有设计开发出固定管板的挠性管板，即薄管板式换热器，这是根据弹性薄圆板理论，在均匀载荷作用下周边固定支承的圆平板产生的挠度可被看作在管板布管区的变形，无论是热应力还是管壳温差应力挠性变形薄管板均能承受，它的应用比常规的固定管板式换热器更具有优点。 图1,12固定管板式换热器结构图 1—排气口 2—封头 3—法兰 4—管板 5—排气口 6—壳体 7—列管 8—支座 9—定距管 10—折流板 11—膨胀节 12—壳体接管 13—排气口 14—封头接管 15—封头 16—排气口 17—法兰 18—管板 19—排液口 20—支座 21—接管 22—排液口 23—入口管 薄管板换热器用于中压、大直径换热设备上更有满意的效果。薄管板的结构一般有三种型式，如图1,13。 图1,13薄管板结构 (a)凸面薄管板;(b)平面薄管板;(c)凹面薄管板 ?、浮头式换热器 浮头式换热器主要由壳体、浮动式封头管箱、管束等部件组成，如图1,14所示。它的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，也就是壳体和管束热膨胀可自由，故管束和壳体之间没有温差应力。一般浮头设计成可拆卸结构，使管束可自由地抽出和装入。浮头式换热器的浮头也有不同的结构型式，常用的如图1,15所示，它是用钳形环和螺栓使浮头和管板密封贴合，以使管内和管间流体互不渗漏。这种结构现在用的不多了。根据设计规范，采用了图1,16所示结构，即浮头盖法兰直接和钩圈用螺栓紧固，使浮头法兰和活动的管板密封贴合，虽然减少了管束的有效传热面积，但密封性可靠，整体也较紧凑。 图1-14浮头式换热器 1—吊环; 2—平盖板; 3—法兰; 4—接口; 5—管线接管; 6—分程板; 7—壳体;8—排气口;9—接管;10—接管; 11—封头;12—接管;13—排气口;14—接管; 15—支座; 16—内封头; 17—堰板;18—吊耳;? ? 8 19—浮头衬托;20—浮动管板;21—列管; 22—折流板;23—定距管;24—支座;25—接管;26—排液口; 27—法兰; 28—固定管板; 29—法兰;30—排液口;31—接管; 32—管箱 ?、“U”形管式换热器 U形管式换热器的结构如图1-17所示。结构特点是换热管做成U形，两端固定在同一块管板上，由于壳体和管子分开，可以不考虑热膨胀，管束可以自由伸缩，不会因为流体介质温差而产生温差应力。U形管换热器只有一块管板，没有浮头，结构比较简单。管束可以自由抽出和装入，方便清洗。由于换热管均做成半径不等的U形弯，最外层损坏后可更换外，其余的管子损坏只有堵管。同时和固定管板式换热器相比，它的管束的中心部分存有空隙，流体很容易走短路，影响了传热效果，管板上排列的管子也比固定管板式换热器少，体积有 些庞大。由于U形管曲率半径不一样，也增加了制造程序，加上切管长短不一，流体流动状态下的分布也不均匀，堵管后更减少了换热面积。 图1-15浮头结构之一 图1-16浮头结构之二 图1-17 U形管式换热器 1—吊耳; 2—盖板; 3—法兰; 4—接管; 5—接管; 6—隔板; 7—接管;8—短管; 9—壳体;10—折流板; 11—挡板; 12—拉杆; 13—列管;14—放气管; 15—封头; 16—接管; 17—支座;18—支座; 19—接管;20—短管;21—法兰;22—管板;23—接管;24—接管;25—管箱 U形管换热器，一般使用于高温高压的场合，在压力高时，须加厚管子弯管段的壁厚。为增加流体介质在壳程内的流速，可在壳体内设置折流板和纵向隔板，以提高传热效果。 2、板式换热器 板式换热器是一种高效换热器，在工厂应用中有伞板换热器和平板换热器，化工装置中常用后一种。工作原理如图1-18。 板式换热器的特点: ?、体积小，占地面积少。 ?、传热效率高，可使在低速下强化传热。 ? ? 9 图1,18 板式换热器工作原理图 ?、组装方便，当增加换热面积时，只多装板片，进出口管口方位不需变动。 ?、热损失小，不需保温，热损失只为1,左右。 ?、拆卸、清洗方便，检修容易在现场进行。特别对于易结垢的介质，板片随时拆下清洗。 ?、使用寿命长。一组板式换热器，一般可使用5,8年，而后常因橡胶板条老化而泄漏，拆下后重新粘结板条，组装板片可继续使用。 ?、板式换热器的缺点是密封周边较长，容易泄漏，使用温度只能低于150?，承受压差较小，处理量较小，一旦发现板片结垢必须拆开清洗。 板式换热器的结构及部件性能: 板式换热器的整体结构如图1,19，主要有传热板片、密封板条、两端压板、固定螺栓、支架、进出口管等部件组成。 图1,19板式换热器结构图 1—固定板; 2—进口; 3—孔; 4—支架; 5—螺栓; 6—孔; 7—螺杆;8—夹紧螺栓; 9—螺母; 10—防松螺母;11—下导杆; 12—立柱;13—紧固压板; 14—上滑杆; 15—板片; 16—胶垫; 17—板片; 18—压紧板 ? ? 10 ?、传热板片传热板片是换热器主要起换热作用的元件，一般波纹做成人字形，但A板和B板人字相反，如图1,20。按照流体介质的不同，传热板片的材质也不一样，大多采用不锈钢和钛材制作而成。制作工艺为平板冲压，大多压成矩形板片。 ?、密封板条 板式换热器的泄漏多是因为密封板条压制错位或者老化引起的，所以在开始组装或者解体时必须选择合适的密封板条，以适用流体介质的性能。一般选用乙丙胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶等，然后用401号粘结剂粘牢固化后组装。对于使用的密封板条应有严格的技术要求，例如:耐温、弹性好，抗大气腐蚀、抗阳光紫外线、抗老化等性能。 ?、端盖 两端盖主要是夹紧压住所有的传热板片，保证流体介质不泄漏，一般为碳素，端盖应平滑，不应有变形、腐蚀、锈蚀等缺陷。 ?、固定螺栓 固定螺栓一般是通杆螺纹，预紧螺栓时，一定用力矩扳手，使固定板片的力均匀。螺纹裸露部分，一定用塑料套管保护，防止锈蚀。 ?、支架 支架是挂传换板片的，对于不同型号的换热器，支架的高度、长度也不一样，同时，支架下部有和基础固定的螺栓。吊装和安装换热器时，严格选择吊点，防止支架变形。 ?、进出口管 进出口管和两端压盖联在一起，值得注意的是在进出口管内衬有橡胶衬套，安装时不能被外部压变形，否则很容易造成泄漏。 图1,20 传热板片 1—人字形板片; 2—密封板条 六、化工管路与阀门 化工管路与阀门是化工生产中不可缺少的组成部分，是各类化工设备的纽带，其主要作用是输送和控制各种流体，如气体、液体等。 (一)、化工用管的种类: 按材质分: 1、 金属用管 ?、铸铁管，铸铁管是化工管路中常用的管道之一。由于性脆及连接紧密性较差，只适用于输送低压介质，不宜输送高温高压蒸汽及有毒、易爆性物质。常用于地下给水管、煤气总管和下水管道。铸铁管的规格以Ф内径×壁厚(mm)表示。 ?、有缝钢管，有缝钢管按使用压力分普通水煤气管(耐压0.1,1.0MPa)和加厚管(耐压1.0~1.5MPa)。一般用于输送水、煤气、取暖蒸汽、压缩空气、油等压力流体。镀锌的叫白铁管或镀锌管。不镀锌的叫黑铁管。其规格以公称直径表示。最小公称直径6mm，最大公称直径150mm。 ?、无缝钢管，无缝钢管的优点是质量均匀强度较高。其材质有碳钢、优质钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢。因制造方法不同，分为热轧无缝钢管和冷拔无缝钢管两种。管道工程中管径超过57mm时，常用热轧管，57mm以下时常用冷拔管。无缝钢管常用于输送各种受压气体、蒸气和液体，能耐较高温度(约435?)。合金钢管用于输送腐蚀性介质，其中耐热合金管耐温可达900~950?。无缝钢管的规格以Ф内径×壁厚(mm)表示。冷拔管最大外径为200mm，热轧管最大外径630mm。无缝钢管按用途分为一般无缝管和专用无缝管，如石油裂化无缝管、锅炉无缝管、化肥无缝管等。 ?、铜管，铜管传热效果好，因此主要应用于换热设备和深冷装置的管路，仪表测压管或传送有压力的流体，但温度高于250?时，不宜在压力下使用。因价格较贵，一般使用在重要场所。 ?、铝管，铝具有很好的耐蚀性。铝管常用于输送浓硫酸、醋酸、硫化氢及二氧化碳等介质，也常用于换热器。铝管不耐碱，不能用于输送碱性溶液及含氯离子的溶液。由于铝管的机械强度随着温度的升高而显著降低，故铝管的使用温度不能超过200?，对于受压管路，使用温度将更低。铝在低温下具有较好的机械性能，故在空气分离装置中大都采用铝及铝合金管。 ?、铅管，铅管常用作输送酸性介质的管路，可输送0.5,,15,的硫酸、二氧化碳、60,的氢氟酸及浓度低于80,的醋酸等介质，不宜输送硝酸、次氯酸等介质。铅管最高使用温度为200?。 ? ? 11 2、 非金属用管 ?、塑料管，塑料管的优点是耐蚀性好、质量轻、成型方便、容易加工。缺点是强度低，耐热性差。目前最常用的塑料管有硬聚氯乙烯管、软聚氯乙烯管、聚乙烯管、聚丙烯管以及金属管表面喷涂聚烯、聚三氟氯乙烯等。 ?、橡胶管，橡胶管具有较好的耐腐蚀性能，质量轻，有良好的可塑性，安装、拆卸灵活方便。常用的橡胶管一般由天然橡胶或合成橡胶制成，适用于对压力要求不高的场合。 ?、玻璃管，玻璃管具有耐腐蚀、透明、易于清洗、阻力小、价格低等优点，缺点是性脆、不耐压。常用于检测或实验性工作场合。 ?、陶瓷管，化工陶瓷与玻璃相近，耐腐蚀性好，除氢氟酸、氟硅酸和强碱外，能耐各种浓度的无机酸、有机酸和有机溶剂的腐蚀，由于强度低、性脆，一般用于排除腐蚀性介质的下水道和通风管道。 ?、水泥管，主要用于对压力要求、接管密封不高的场合，如地下排污、排水管等。 (二)、管件与阀门 管路中除管子以外，为满足工艺生产和安装检修等需要，管路中还有许多其他构件如短管、弯头、三通、异径管、法兰、盲板、阀门等。我们通常称这些构件为管路附件简称管件。管件是组成管路不可缺少的部分。这里简单介绍几种常用管件。 图1,21 弯头 1、弯头 图1,21 弯头主要用来改变管路的走向，可根据弯头弯曲的程度不同来分类，常见的有90º、45º、180º、360º弯头。180º、360º弯头又称U形弯管。另外还有工艺配管需要的特定角度的弯头。弯头可用直管弯曲或用管子拼焊而成，也可用模压后焊接而成，或用铸造和锻造等方法制成，如在高压管路中的弯头大都是优质碳钢或合金钢锻制而成的。 图1,22三通 2、三通 图1,22 当两条管路之间相互连通或需要有旁路分流时，其接头处的管件称为三通。根据接入管的角度不同，有垂直接入的正接三通、斜接三通。斜接三通按斜接角度来定名称，如45º斜三通等。此外按出入口的口径大小分别称谓，如等径三通等。 除常见的三通管件外，还常以接口的多少称，例如四通、五通、斜接五通等。常见的三通管件，除用管子拼焊外，还有用模压组焊、铸造和锻造而成。 图1,23 短接管和异径管 3、短接管和异径管图1,23 ? ? 12 当管路装配中短缺一小段，或因检修需要在管路中置一小段可拆的管段时，经常采用短接管。短接管有带连接头(如法兰、丝扣等)，或仅仅是一直短管，也称为管垫。 将两个不等管径的管口连通起来的管件称为异径管。通常叫大小头。这种管件有铸造异径管，也有用管子割焊而成或用钢板卷焊而成。高压管路中的异径管是用锻件或用高压无缝钢管缩制而成。 4、法兰、盲板 图1,24 为便于安装和检修，管路中常采用可拆连接，法兰就是一种常用的连接零件。 图1,24 法兰、盲板 为清理和检查需要在管路上设置手孔盲板或在管端装盲板。盲板还可以用来暂时封闭管路的某一接口或将管路中的某一段管路中断与系统的联系。在一般中低压管路中，盲板的形状与实心法兰相同，所以这种盲板又叫法兰盖，这种盲板同法兰一样都已标准化，具体尺寸可以在有关手册中查到。 另外在化工设备和管路的检修中，为确保安全，常采用钢板制成的实心圆片插入两个法兰之间，用来暂时将设备或管路与生产系统隔绝。这种盲板习惯叫插入盲板。插入盲板的大小可与插入处法兰的密封面外径相同。 5、阀门 用来控制流体在管路内流动的装置称为阀门。其主要作用有: ?启闭作用———切断或沟通管路中的流体流动; ?调节作用———调节管路内流体流速、流量; ?节流作用———流体流过阀门后，产生很大压力降。 根据阀门在管路的作用不同，可分为切断阀(又称截止阀)、节流阀、止回阀、安全阀等;根据阀门的结构形式不同，可分为闸阀、旋塞(常称考克)、球阀、蝶阀、隔膜阀、衬里阀等。此外，根据制作阀门的材料不同，又分为不锈钢阀、铸钢阀、铸铁阀、塑料阀、陶瓷阀等。各种阀门的选用可查有关手册和样本，这里仅介绍最常见的几种阀门。 (1)截止阀(图1-25)，因结构简单，制造维修方便，在中低压管路中应用广泛。它是利用装在阀杆下面圆形阀盘(阀头)与阀体内凸缘部分(阀座)相配合来达到截止流体流动的目的。阀杆靠螺纹升降可调节阀门的开启程度，起到一定的调节作用。 由于阀门的截流作用是依靠阀头与阀座平面接触密封，不适合用于含有固体颗粒流体的管路上。截止阀可按使用介质特性选用合适的阀头、阀座、壳体的材料。对于使用中因密封不好或阀头、阀座等零件损坏的阀门，可以采取光刀、研磨、堆焊镶套等办法修复使用，以延长阀门使用寿命。 图1-25 截止阀 (2)闸阀(图1-26)，是靠与介质流动方向垂直的一块或两块平板，同阀体密封面相配合达到封闭的目的。阀板的升起就使阀门开启。平板随阀杆的旋转而升降，用开启的大小调节流体的流量。这种阀门阻力小、密封性能好、开关省力，特别适用于大口径的管路上，但闸阀的结构比较复杂、种类较多。根据阀杆结构不同，有明杆和暗杆之分;根据阀板的结构形式又分为楔式、平行式等。一般楔式阀板为单阀板，平行式多用两块阀板。平行式比楔式容易制造，好修理，使用中不易变形，但不宜用于输送含有杂质的流体管路中，多用于输送水、干净气体，油类等管路中。 (3)旋塞(图1-27)，旋塞俗称考克，它是利用阀体内插入一个中央带孔的锥形栓塞启闭管路。旋塞根据密封形式不同，可分填料旋塞、油密封式旋塞和无填料旋塞等。 旋塞的结构简单，外形尺寸小，启闭迅速，操作方便，流体阻力小，便于制成三通路或四通路的分配或切换阀门。旋塞的密封面大，容易磨损，开关时费力，不易调节流量，但切断迅速。旋塞可用于压力和温度较低或介质中含有固体颗粒的流体管路中，但不宜用于压力较高、温度较高或蒸汽管路中。 (4)节流阀(图1-28)，属于截止阀的一种。其阀头的形状为圆锥形或流线形，可以较好的控制调节流体的流量或进行节流调压等。该阀制作精度要求较高，密封性能好。主要用于仪表控制或取样等管路中，但不宜用于粘度大和含固体颗粒介质的管路中。 (5)球阀(图1-29)，又称球心阀，是近几年发展较快的一种阀门。它利用一个中间开孔的球体作阀心，依? ? 13 靠球体的旋转来控制阀门的开或关。它和旋塞相仿，但比旋塞的密封 图1-26 闸板阀 图1,27 旋塞 面小，结构紧凑，开关省力，远比旋塞应用广泛。随着球阀制造精度的提高，球阀不仅在中低压管路中使用，而且已在高压管路中应用。但由于密封材料的限制，目前还不宜用于高温管路中。 (6)隔膜阀(图1-30)，常见的有胶膜阀。这种阀门的启闭是一块特制的橡胶膜片，膜片夹置在阀体与阀盖之间，关闭时阀杆下的圆盘把膜片压紧在阀体上达到密封。这种阀门结构简单，密封可靠，便于检修，流体阻力小。适用于输送酸性介质和带悬浮物的流体管路中，但一般不宜用于较高压力或温度高于60?的管路，不宜用于输送有机溶剂和强氧化介质的管路中。 ? ? 14 图1-28 节流阀 图1,29 球阀 (7)止回阀(图1-31)，又称止逆阀或叫单向阀。安在管路中使流体只能向一个方向流动，不允许反向流动。它是一种自动关闭阀门，在阀体内有一个阀瓣或摇板。当介质顺流时流体将阀瓣自动顶开;当流体倒流时，流体(或弹簧力)自动将阀瓣关闭。 图1,30 隔膜阀 ? ? 15 图1,31 止回阀 按止回阀结构的不同，分为升降式和旋启式二类。升降式止回阀瓣是垂直于阀体通道升降运动的，一般用于水平或垂直管道上;旋启式止回阀的阀瓣常称为摇板，摇板一侧与轴连接，摇板可绕轴旋转，旋启式止回阀一般安装在水平管道上，对于小口径的也可以安装于垂直的管道上，但要注意流量不宜太大。 止回阀一般适用于清洁介质的管路中，对含有固体颗粒和粘度较大的介质管路中不宜采用。升降式的止回阀封闭性能比旋启式的好，但旋启式的止回阀流体阻力比升降式的小。一般情况下旋启式止回阀适用于大口径的管路中。 (8)蝶阀( 图1,32)，是靠管内一个可以转动的圆盘(或椭圆盘)来控制管路启闭。它结构简单，外形尺寸小。由于密封结构及材料问题，该阀门封闭性能较差，只适用于低压、大口径管路中的调节，常用在输送水、空气、煤气等介质的管路中。 (9)减压阀(图1,33)，是将介质压力降低到一定数值的自动阀门，一般阀后压力要小于阀前压力的50%，它主要靠膜片、弹簧、活塞等零件利用介质的压差来控制阀瓣与阀座的间隙达到减压的目的。减压阀的种类很多，常见的有活塞式和薄膜式二种。 (10)衬里阀(图1,34)，为防止介质的腐蚀，有的阀门需要在阀体和阀头等衬耐腐蚀的材料(如铅、橡胶、搪瓷等)，衬里材料应根据介质的性质来选用。为衬里方便，衬里阀门大多制成直角式或直流式。 图1,32 蝶阀 ? ? 16 (11)安全阀(图1-35)，为确保化工生产的安全，在有压力的管路系统中，常设有安全装置，即选用一定厚度的金属薄片，像插入盲板一样装在管路的端部或三通接口上。当管路内压力升高时，薄片被冲破从而达到泄压目的。爆破板一般用于低压、大口径的管路中，但在大多数化工管路中则用安全阀，安全阀的种类很多，大致可分为两大类，即弹簧式和杠杆式。 图1,34 衬里阀 图1,35 安全阀 弹簧式安全阀，主要依靠弹簧的作用力来达到密封。当管内压力超过弹簧的弹力时，阀门被介质顶开，管内? ? 17 流体排出，使压力降低。一旦管内压力降到低于弹簧弹力时，阀门重新关闭。 杠杆式安全阀主要靠杠杆上重锤的作用力达到密封，作用原理同弹簧式。 安全阀的选用，是根据工作压力和工作温度决定公称压力的等级，其口径大小可参考有关规定计算确定。安全阀的结构型式、阀门的材质均应按介质的性质、工作条件选用。安全阀的起跳压力、试验及验收等均有专门规定，由安全部门定期校验、铅封打印。在使用中不得任意调节，以确保安全。 6、管路的连接 管路的连接包括管道与管道的连接、管道与各种管件、阀门及设备接口等处的连接。目前普遍采用的有:法兰连接、螺纹连接、焊接及填料式连接等。(图1-36) (1)法兰连接 这是一种可拆式的连接，它与设备法兰相同。法兰盘与管道固定在一起，且采用与设备法兰相同的密封面型式及垫片实现可靠的密封。 (2)螺纹连接 这种连接常用白漆加麻丝或四氟膜缠绕在螺纹表面，然后将螺纹配合拧紧，主要依靠锥管螺纹的咬合和在螺纹之间加敷的密封材料来达到密封。这种连接方法可以拆卸，但没有法兰连接那样方便，且密封可靠性较低，其使用压力、使用温度不宜过高。 目前，螺纹连接大多用于水煤气钢管、自来水管路及一般生活用管路和机器润滑油管路中。 (3)焊接连接 这是一种不可拆连接结构，是用焊接的方法将管道和各管件、阀门直接连成一体的。这种连接密封非常可靠、结构简单、便于安装，但给检修工作带来不便。 图1-36焊接连接 管路的焊接有对接、搭接、带衬环的对接、加管箍焊接等，如图5-9-17所示。可根据管路材料和施工要求选用。 (4)除上述三种常见的连接结构外，在实际管路中还可看到许多不同的连接结构。 ?承插式连接(图1-37)，它的管口是特制的，管端套入后，在承插处的空隙中填入密封材料如麻、水泥、铅等填料以达到密封目的。这种连接常用于公称压力0.6MPa以下的管路中，同时对于铸铁管道和非金属管道(如水泥管、陶瓷管等)在密封要求不高的情况下也可采用这种连接。 ?填料函式连接(图1-38)，这种结构靠压紧填料来达到密封目的，其特点是管道可以自由伸缩，以补偿管路因温度变化而引起的长度变形。该连接适用于公称压力1.6MPa以下的管路中。 图1-37 承插连接 图1-38 填料函式连接 ? ? 18