2024年1月15日发(作者：)
化工设备与管路知识讲座培训资料(doc 91页)
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化工设备与管路知识讲座
前言
本书分两部分，第一部分主要讲解化工设备知识，第二部分讲解化工管路方面的知识，很适合新手学习。
第一章 设备概论与分类
第二章 压力容器
第一节 各种反应罐
第二节 各种常用换热器
第三节 各种常用塔器
第四节 几种常用的蒸馏塔填料
第三章 压力容器的安全附件
第四章 泵与风机
第一节 离心泵
第二节 隔膜式计量泵
第三节 自吸泵
第四节 螺杆泵
第五节 隔膜泵
第六节 屏蔽泵
第五章 化工转动设备的润滑与保养
第六章 化工管道工程基础
第一节 管道的设计压力和设计温度
第二节 公称直径、外径及壁厚
第七章 管道器材及选择
第一节 管子
第二节 管件
第三节 阀门
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第一章 设备概论与分类
设备概论
（一）什么是设备？
设备是人们在生产或生活上所需的机械、装置和设施等可供长期使用，并在使用中基本保持原有实物形态的物质资料。
（二）设备是企业的主要生产工具，也是企业现代化水平的重要标志。
（三）设备是固定资产的重要组成部分。
化工设备的特性
化工生产过程一般具有高温、高压、低温或真空的特点。
化工生产所处理的物料品种复杂，大多数具有易燃、易爆等特性。
化工生产过程中的反应物和生成物，都离不开酸、碱、盐介质，它们具有不同程度的腐蚀性。
化工生产过程是连续性很强的作业，任何一个生产环节上的设备发生故障都将影响整个生产系统的正常运行。
随着生产的发展和科学技术的进步化工设备日趋大型化、自动化和计算机程序控制。
化工设备的分类
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第二章 压力容器
压力容器的定义：
（1）最高工作压力 P≥0.1MPa（表压）；
（2）内直径 ≥0.15m，且容积≥0.025m3；
（3）盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于标准沸点的液体。
按压力分类
（1）低压容器： 0.1MPa≤P＜1.6MPa;
（2）中压容器： 1.6MPa≤P＜10MPa；
（3）高压容器： 10MPa≤P＜100MPa；
（4）超高压容器： P ≥100MPa
第一节 各种反应罐
一、 反应设备（反应釜）
化工生产是由原料处理、化学反应、产品分离/提纯三部分所组成.而化学反应过程是化工生产关键的一个部分,它对化工生产情况的好坏起着决定性的作用.而化学反应是在反应设备内进行的,所以反应设备就成为化工生产的关键设备。
目前我公司最常见的还是釜式反应设备。因此下面主要认识釜式反应设备。由于化学反应设备的类型很多,因此反应设备的类型是多种多样的, 反应设备还包括管式反应器、塔式反应器及流化床反应器。
釜式反应器是液液相反应或液固相反应最常用的一种反应设备。
釜式反应器主要由釜体、搅拌器和换热器三部分组成
反应釜组成
釜体：为圆筒形其高与直径之比一般为1~3之间。上、下盖多为椭圆形；釜式反应器的材质多采用普通碳钢或不锈钢。
搅拌器：为了使反应器的物料混合均匀和传热良好，反应釜多装有搅拌器，不同的反应要求有不同形状的搅拌器。
换热器：为了使反应釜内的物料在最适宜的温度下反应，常常需要对物料进行加热或冷却。反应釜的换热装置最常用的有夹套、蛇管（盘管）和回流冷凝器三种。
二、 塔式反应器
1、 鼓泡塔反应器
鼓泡塔反应器广泛应用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。例如，各种有机化合物的氧化反应、各种石蜡和芳烃的氯化反应、各种生物化学反应、污水处理曝气氧化和氨水碳化生成固体碳酸氢铵等反应，都采用这种鼓泡塔反应器。鼓泡塔反应器在实际应用中具有以下优点：
气体以小的气泡形式均匀分布，连续不断地通过气液反应层，保证了气、液接触面，使气、液充分混合，反应良好。
结构简单，容易清理，操作稳定，投资和维修费用低。
鼓泡塔反应器具有极高的储液量和相际接触面积，传质和传热效率较高，适用于缓慢化学反应和高度放热的情况。
在塔的内、外都可以安装换热装置。
和填料塔相比较，鼓泡塔能处理悬浮液体。
鼓泡塔在使用时也有一些很难克服的缺点，主要表现如下：
为了保证气体沿截面的均匀分布，鼓泡塔的直径不宜过大，一般在2~3m以内。
鼓泡塔反应器液相轴向返混很严重，在不太大的高径比情况下，可认为液相处于理想混合状态，因此较难在单一连续反应器中达到较高的液相转化
率。
鼓泡塔反应器在鼓泡时所耗压降较大。
简单鼓泡塔（上图）
1-塔体；2-夹套；3-气体分布器；4-塔体；5-挡板；6-塔外换热器；7-液体捕集器；8-扩大段
主要由塔体和气体分布器组成。塔体可安装夹套或其它型式换热器或设有扩大段、液滴捕集器等；塔内液体层中可放置填料；塔内可安置水平多孔隔板以提高气体分散程度和减少液体返混。
简单鼓泡塔内液相可近似视为理想混合流型，气相可近似视为理想置换流型。
最佳空塔气速应满足两个条件：（1）保证反应过程的最佳选择性；(2）保证反应器体积最小。
影响传质的因素：
当气体空塔气速低于0.05m/s时，气体分布器的结构就决定了气体的分散状况、气泡的大小，进而决定了气含率和液相传质系数的大小。
当气体空塔气速大于0.1m/s时，气体分布器的结构无关紧要。此时的气泡是靠气流与液体间的冲击和摩擦而形成，气泡大小及其分布状况主要取决于气体空塔气速。
气体升液式鼓泡塔（上图）
1-筒体；2-气升管；3-气体分布器
塔内装有气升管，引起液体形成有规则的循环流动，可以强化反应器传质效果，并有利于固体催化剂的悬浮。
特点：在这种鼓泡塔中气流的搅动比简单鼓泡塔激烈得多。简单鼓泡塔中气体空塔速度不超过1m/s，气体升液式鼓泡塔中气升鼓泡管内气体空管速度可高达2m/s，换算至全塔截面的空塔气速可达1m/s，其液体循环速度可达1～2m/s。
鼓泡塔的传递特性：
鼓泡塔的流体力学特性
鼓泡塔的最基本现象：气体以气泡形态存在。
基本特性：气泡的形状、大小及其运动状况直接影响宏观反应过程。
1.流动状态和气泡特性
工业鼓泡塔反应器通常在两种流动状态下操作，即安静区和湍动区。
所谓安静区操作，即鼓泡塔中的气体流量较小，气泡大小比较均匀，规则地浮升，液体搅拌并不显著。在安静区操作，既能达到一定的气体流量，又可避免气体的轴向返混，很适用于动力学控制的慢反应。
所谓湍动区操作，在气体流量较大时，气泡运动呈不规则现象，液体作高度地湍动，塔内物料强烈混合，气泡作用的机理比较复杂，这种情况称为湍动区。在湍动区气泡大小不均匀，大气泡上升速度快，小气泡上升速度慢，停留时间不等，加之无定向搅动，不仅呈极大的液相返混，也造成气相返混。
2.气泡大小
气泡的大小直接关系到气液传质面积。在同样的空塔气速下，气泡越小，说明分散越好，气液相接触面积就越大。
在安静区，因为气泡上升速度慢，所以小孔气速对其大小影响不大，主要与分布器孔径及气液特性有关。
在湍动区，气泡是靠气流与液体之间的喷射、冲击和摩擦而形成。因此在这种鼓泡塔内，气泡的形状、大小和运动是各式各样的，是瞬息万变的，是随机的，形成大小不一的气泡群。
3.气含率
气含率的含义是气液混合液中气体所占的体积分率，可用下式表示：
/jpkc/hx/WLKC/content/ch7/7_ - taide.t - taide.t的博客
式中εG——气含率；
VG——气体体积，m3；
VL——液体体积，m3；
VGL——气液混合物体积，m3。
对圆柱形塔来说，由于横截面一定，因此气含率的大小意味着通气前后塔内充气床层膨胀高度的大小。对于传质与化学反应来讲，气含率非常重要，因为气含率与停留时间及气液相界面积的大小有关。
影响气含率的因素主要有设备结构、物性参数和操作条件等。一般气体的性质对气含率影响不大，可以忽略。而液体的表面张力σL、粘度μL与密度ρL对气含率都有影响。溶液里存在电解质时会使气液界面发生变化，生成上升速度较小的气泡，使气含率比纯水中的高15%～20%。空塔气速增大时，εG也随之增加，但μOG达到一定值时，气泡汇合，εG反而下降。εG随塔径D的增加而下降，但当D＞0.15m时，D对εG无影响。当μOG＜0.05m/s时，εG与塔径D无关。（因此实验室试验设备的直径一般应大于0.15m，只有当μOG＜0.05m/s时，才可取小塔径。
4.气液比相界面积
气液比相界面积是指单位气液混合鼓泡床层体积内所具有的气泡表面积，α的大小直接关系到传质速率，是重要的参数，α值测定比较困难，人们常利用传质关系式NA=kLαΔcA直接测定kLα之值进行使用。
5.鼓泡塔内的气体阻力ΔP
鼓泡塔内的气体阻力由两部分组成：一是气体分布器阻力，二是床层静压头的阻力。
6、返混
鼓泡塔内液相存在返混，所以通常工业鼓泡塔反应器内液相视为理想混合。塔内气体的返混一般不太明显，常假设为置换流，其计算误差约为5%。但要求严格计算时，尤其是当气体的转化率较高时，需考虑返混。
鼓泡塔的传质
鼓泡塔反应器内的传质过程中，一般气膜传质阻力较小，可以忽略，而液膜传质阻力的大小决定了传质速率的快慢。
当鼓泡塔在安静区操作时，影响液相传质系数的因素主要是气泡大小、空塔气速、液体性质和扩散系数等；而在湍动区操作时，液体的扩散系数、液体性质、气泡当量比表面积以及气体表面张力等，成为影响传质系数的主要因
素。
鼓泡塔的传热
鼓泡塔中的传热，通常以三种方式进行：利用溶剂、液相反应物或产物的汽化带走热量；采用液体循环外冷却器移出反应热，（；采用夹套、蛇管或列管式冷却器。
鼓泡床中由于气泡的运动，床层中的液体剧烈扰动。流体对换热器壁的给热系数比自然对流给热系数大10余倍之多，通常它不成为热交换中的主要阻力。鼓泡塔的总传热系数通常为 694～915W/(m2·K)。
半连续鼓泡塔
半连续操作的鼓泡塔反应器是指液体一次性加入，气体连续通入反应器底部，以气泡形式通过床层，最后从顶部逸出，直到液相中组成达到要求时停止送气且将液体作为成品排出反应器。在这种反应器中，气体是连续投料，液体是间歇投料，故称半连续操作的鼓泡塔反应器。与均相间歇反应器一样，每个操作周期由反应时间τ 与辅助时间τ'组成。
三、 填料塔反应器
填料塔反应器是广泛应用于气体吸收的设备，也可用作气、液相反应器，由于液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而与气相接触进行反应，故液相主体量较少。适用于瞬间反应、快速和中速反应过程。例如，催化热碱吸收CO2、水吸收NOX形成硝酸、水吸收HCl生成盐酸、吸收SO3生成硫酸等通常都使用填料塔反应器。填料塔反应器具有结构简单、压降下、易于适应各种腐蚀介质和不易造成溶液起泡的优点。填料塔反应器也有不少缺点。首先，它无法从塔体中直接移去热量，当反应热较高时，必须借助增加液体喷淋量以显热形式带出热量；其次，由于存在最低润湿率的问题，在很多情况下需采用自身循环才能保证填料的基本润湿，但这种自身循环破坏了逆流的原则。尽管如此，填料塔反应器还是气液反应和化学吸收的常用设备。特别是在常压和低压下，压降成为主要矛盾时和反应溶剂易于起泡时，采用填料塔反应器尤为适
合。
规整填料塔
规整填料
四、 板式塔反应器
板式塔反应器的液体是连续相而气体是分散相，借助于气相通过塔板分散成小气泡而与板上液体相接触进行化学反应。板式塔反应器适用于快速及中速反应。采用多板可以将轴向返混降低至最小程度，并且它可以在很小的液体流速下进行操作，从而能在单塔中直接获得极高的液相转化率。同时，板式塔反应器的气液传质系数较大，可以在板上安置冷却或加热元件，以适应维持所需温度的要求。但是板式塔反应器具有气相流动压降较大和传质表面较小等缺点。
板式塔塔盘类型
五、 喷淋塔反应器
喷淋塔反应器结构较为简单，液体以细小液滴的方式分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相，具有相接触面积大和气相压降小等优点。适用于瞬间、界面和快速反应，也适用于生成固体的反应。喷淋塔反应器具有持液量小和液侧传质系数过小，气相和液相返混较为严重的缺点。
六、 管式反应器
一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联;可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50;填充段长与粒径之比大于100(气体)或200(液体)，物料的流动可近似地视为平推流。
七、 流化床反应器
一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。
流化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克勒炉（见煤气化炉）；但现代流化反应技术的开拓，是以40年代石油催化裂化为代表的。目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。
分类按流化床反应器的应用可分为两类：一类的加工对象主要是固体,如矿石的焙烧,称为固相加工过程；另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程。
流化床反应器的结构有两种形式：
①有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生。
②无固体物料连续进料和出料装置，用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程。
特性与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：
①可以实现固体物料的连续输入和输出；
②流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应。但另一方面，由于返混严重，可对反应器的效率和反应的选择性带来一定影响。再加上气固流化床中气泡的存在使得气固接触变差，导致气体反应得不完全。因此，通常不宜用于要求单程转化率很高的反应。此外，固体颗粒的磨损和气流中的粉尘夹带，也使流化床的应用受到一定限制。为了限制返混，可采用多层流化床或在床内设置内部构件。这样便可在床内建立起一定的浓度差或温度差。此外，由于气体得到再分布，气固间的接触亦可有所改善。
近年来，细颗粒和高气速的湍流流化床及高速流化床均已有工业应用。在
气速高于颗粒夹带速度的条件下，通过固体的循环以维持床层，由于强化了气固两相间的接触，特别有利于相际传质阻力居重要地位的情况。但另一方面由于大量的固体颗粒被气体夹带而出，需要进行分离并再循环返回床层，因此，对气固分离的要求也就很高了。
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第二节 各种常用换热器
换热器
在化工生产，为保证化学反应的顺利进行，使化学反应维持在一定温度和压力下进行，有时需要供热，有时需要冷却。因此合理而有效地进行传热是化工生产中十分重要的基本操作之一。
换热器种类介绍：
夹套式：多用于设备直径不大；需要传热面积较小；载热体的压力不高；反应物腐蚀性较大时的反应釜。
蛇管式：蛇管式换热器多用于载热体压力高；或夹套传热面积不够时，可在釜外或釜内安装蛇管换热器。
列管冷凝器：如果反应物在沸腾时，产生大量蒸汽，则可在反应器外部安装回流冷凝器，以回收反应物料及取出反应放出的热。
还有：蝶片式冷凝器、螺旋板式换热器等等。
列管式换热器
其他种类换热器
1.沉浸蛇管换热器
2.U型管式换热器
3.板翅式换热器
4.夹套换热器
5.具有补偿圈的换热器
第三节 各种常用塔器
塔器：
（1）什么是塔器：
塔器是化工、石油等工业生产中广泛应用的重要生产设备。它的外形是一个直立的圆柱形容器，它的高度要比直径大的多，从外形看起来好像一座塔，所以通常叫做塔器。
（2）塔器的主要功能：
提供气、液两相得以充分接触的机会，使化工生产中的传质和传热过程能够迅速而有效地进行，又能使接触后的气、液两相及时分离。例如塔器多用于物料的蒸馏、吸收、萃取、净化、除尘、冷却等单元操作过程。
塔器做为反应设备使用时，叫做反应塔。作为蒸馏设备使用时，叫做蒸馏塔。
管壳式合成塔工作原理：
管壳式合成塔采用列管式结构。管程装填催化剂,壳程加入锅炉水,沸腾后移走热量,反应温度由控制反应器壳程中沸水的压力来调节,操作温度190-210 ℃,操作压力1-3 MPa。该型式塔催化剂床层的温差较小,操作比较平稳,转化率也较高,还能副产中压蒸汽,但由于壳程占据了很大的空间,催化剂的装填系数小(仅35% ) 。这种塔为解决热膨胀应力问题,必须采用两种不同膨胀系数的特殊的不锈钢材质,管材需要进口,供货周期很长,设备造价也很高。
近年来为了适应大型生产的需要,Lurgi公司开发了管壳式和冷管式合成塔串联的组合型合成装置,分别采用水冷和气冷移热,预热后的气体
从顶部离开,进入管壳式合成塔的管内催化剂床层反应,管外通入锅炉给水,沸腾后带走热量,出塔气体进入冷管式合成塔上部催化剂床层继续反应,出冷管的塔气体回收热量,温度降低后进入分离器进行分离。气体作为循环气进行再循环,由于采用串联式合成塔,故循环量比较小,可节省能耗。Lurgi工艺利用反应热副产中压蒸汽,能较好的回收能量,其经济性和操作可靠程度更好。
生产装置大型化可以明显降低产品投资和产品成本。装置大型化已经成为我国工业发展的趋势。合成的核心设备是合成塔。选择稳定、节能、高产率、经济的合成塔对生产厂家至关重要。从操作、结构、材料及维修等方面考虑，对合成塔的基本要求有：
1、稳定性好，结构可靠；
2、在操作上要求催化剂温度易于控制，调节灵活；合成反应器的转化率高；催化剂生产强度大，活性高而且稳定；能回收高位能的反应热；床层中气体分布均匀；压降低。
3、催化剂升温、还原操作方便、还原充分；
4、气体能均匀地通过催化剂层，阻力小，乙二醇产量高；
5、操作稳定、调节方便，能适应各种操作条件的变化；
6、装卸催化剂方便，制造、安装和维修容易；
7、各个内件的连接与保温适当，使内件能在塔内自由移动，避免产生热应力。
塔器基本结构：
1、填料
2、支撑栅板
3、液体收集器
4、集液环
5、多级槽式液体分布6、填料压圈
7、支撑栅板
8、蒸汽入口管
9、塔底
10、至再沸器循环管
11、裙座
12、底座环
器
第四节 几种常用的蒸馏塔填料
拉西环填料
鲍尔环填料
阶梯环填料
矩鞍环填料
不锈钢波纹丝网填料
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第三章 压力容器的安全附件
安全阀、爆破片、压力表、液位计、温度计等是压力容器的主要安全附件，这些安全附件的灵敏可靠是压力容器安全工作的重要保证。
（一）安全阀：安全阀是压力容器上最常用的安全泄压装置。
常用的种类有：
（1）重锤杠杆式安全阀；
（2）弹簧式安全阀。
（3）先导式安全阀。
（二）爆破片：
爆破片又称防爆膜、防爆片，是一种断裂型的泄压装置，它利用膜片的断裂来泄压。泄压后爆破片不能继续有效使用，压力容器也被迫停止运行。
（三）压力表：
压力表是一种测量压力大小的仪表，可用来测量容器的实际压力值，操作人员可以根据压力表指示的压力对容器进行操作，将压力控制在允许范围内。
法定单位是Pa（ N/m2 ）帕，工程单位常用KPa千帕、 MPa兆帕来表示。
弹簧压力表
隔膜压力表
（四）液位计：
液位计是用来测量液态介质液位的一种计量仪表。压力容器操作人员可根据液位计所指示液面的高低来调节或控制液体介质的量，从而保证压力容器内介质的液位始终保持在设计的正常范围内，不至于发生因超装过量而导致的事故或由于投料过量而造成物料反应不平衡等现象。
常用的液位计有：
（1）玻璃管式液位计；
（2）玻璃板式液位计；
（3）磁浮子液位计。
磁浮子翻板液位计
（五）温度计：
玻璃棒式温度计
压力式温度计
压力式温度计由温包、毛细管和显示测量仪表组成，它是利用温包里的气体或液体因受热而改变压力，通过毛细管带动显示测量仪表中的传动机构，由指针指示测量值。测量范围一般为-80℃~400℃，可测量液体、气体的温度；
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第四章 泵与风机
输送液体的机械称为泵，输送气体的机械称为压缩机和风机
第一节 离心泵
(一) 离心泵的构造
1、泵体 2、叶轮 3、后盖 4、轴套 5、密封环座 6、机封 7、轴承 8、泵轴
(二) 离心泵的原理
叶轮安装在泵壳内，并紧固在泵轴上，泵轴由电机直接带动。泵壳中央有液体吸入与吸入管连接。液体经吸入管进入泵内。泵壳上的液体排出口与排出管连接。
在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。
液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。
(三) 离心泵组成
泵壳：泵壳的主要作用是将叶轮封闭在一定的空间，以便叶轮吸进和排出液体，并将液体的大部分动能转化为静压能
轴封装置：旋转的泵轴与固定的泵体之间的密封称为轴封，它的作用是防止高压液体从泵内沿轴漏出，或者外界空气沿轴渗入。
叶轮：离心泵的叶轮是使液体接受外加能量的部分，是泵的主要部件之一，按结构通常有三种类型， 为开式、半开式、闭式。
开式
半开式
闭式
