1 化工设备概述 邢晓林

化-机-电技术紧密结合
“化工过程”、“机械设备”及“控制技术”等三个方面紧密结合在一起，实现 “化－ 机－电”一体化，是化工设备在应用上的一个突出特点，也是未来的发展方向。

设备结构大型化
许多行业对使用大型、高负荷化工设备的需求日趋增加，设备结构大型化的特征更加明显。 由于国外解决了抗氢材料及一系列制造技术问题，现在可以制造直径6米、壁厚450mm、重1200 吨的大型热壁高压容器。我国目前设备最大壁厚也可以达到200mm，重量达560吨。 6
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按安全技术监察规程要求分类 我国《压力容器安全技术监察规程》采用了既考虑容器的 压力等级、容积大小、又考虑介质危害程度以及在生产过程中 的作用的分类方法，将压力容器划分成了三个类别。 其中第三类压力容器危害性最大，要求也最高。具体划分 如下：
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具有下列情况之一的，为第三类压力容器：
（1）高压容器


重质油加氢裂化（图1-2）
原料油、循环油和氢气混合后经加热进入反应器，反应后的生成物和氢气自反应器下部排出， 经换热、冷却后送入高压分离器。自高压分离器下部排出的生成油经减压后再送入低压分离器。 最后，由低压分离器分出来的液体产物再经加热后送入分馏塔，分离出汽油、煤油等油品。 由高压分离器分出的含氢气体（纯度约75%）可作为循环氢，经氢压缩机压缩后在系统中 循环使用。同时，由低压分离器分出的含氢干气体可作为燃料气使用。 5
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1.5 压力容器常用材料
安全可靠，工艺过程的复杂性和多样性决定了压力容器用材的广泛性。 下面就重点介绍钢材的基本要求和选用原则。 一、压力容器用钢的基本要求 压力容器需要承受压力或其他载荷，钢材应具有足够的强度；
在考虑强度要求的同时，钢材应有良好的韧性；
从制造工艺考虑，钢材还要有良好的焊接性能和和较好的冷热加工性 能；
为了满足工艺条件需要，钢材应具有较好的耐腐蚀能力；
考虑到压力容器的使用性能，钢中的硫和磷含量应较低。
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二、压力容器常用钢材简介
1、壳体常用材料
按照GB150-1998《钢制压力容器》的规定，根据不同的工艺， 选用碳素结构钢、压力容器用碳素钢、低合金钢和不锈钢等钢种。 碳素钢：非压力容器钢，Q235-A·F、Q235-A等。 压力容器用碳素钢和低合金钢板 属一般压力容器专用钢板，低合金钢是在普通结构钢的基础上 加入了少量或微量的合金元素，如Mn、Si、Mo、V、Ni、Cr等，从 而使钢材的强度和综合机械性能得到明显改善。我国GB6654-1996 《压力容器用钢板》提供了多个钢板品种， 如20R、16MnR、 15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR；
绍的钢板基本相同。见教材P13表1-3我国常用钢管基本使用情
况。
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3、管板与法兰常用材料 通常是用钢板或锻件经切削、钻孔后制成，然后与壳体进行组焊连接。 因此，管板常用的材料：Q235-A、Q235-B、Q235-C、16Mn、 16MnR。法兰常用的材料：板材Q235-A、Q235-B、Q235-C、16Mn、 15MnVR；锻件20、20MnMo、15CrMo等。
（2）毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器
（3）易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积＞10Mpa· m3的中压储存容器 （4）易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积≥0.5Mpa· m3的中压反应容器 （5）毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积≥0.2Mpa· m3的低压容器 （6）高压、中压管壳式余热锅炉 （7）中压搪玻璃压力容器 （8）使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限＞ 540Mpa）的材料制造 的压力容器 （9）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、水久气体运输（半挂）车]和罐 式集装箱（介质为液化气 体、低温液体）等 （10）容积大于等于50m3的球形储罐 （11）容积大于5m3的低温液体储存容器

安全可靠性 （材料、焊接、强度、刚度、密封性等） 工艺条件 （化工设备从结构和性能等，满足相应的工艺条件要求）


经济合理性
便于操作和维护 环境保护要求
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1.4 压力容器及其分类
一、压力容器 在很多情况下，压力容器又是化工设备的泛称，如：
将主要用于完成介质的物理、化学反应的设备称为反应压力容器；
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2、接管与换热管常用材料 在压力容器和化工设备中，不可避免地要使用大量的钢管。 如容器上的各种工艺接管，列管式换热设备使用的换热管等。 这些接管与换热管使用的多是无缝钢管，而且属受压部件。 常用的无缝钢管材料一般分为四类，即碳素钢、低合金钢、 低合金耐热钢和高合金钢。其冶炼要求，性能要求与前面介
本课程的性质及任务、学习方法、特点
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1.1 化工设备及其应用
任何一种石油、化工产品，都是人们利用一定的生产技术和按照特定 的工艺要求，将原料经过一系列物理或化学加工处理后得到的。这一 系列加工处理的步骤称为化工生产过程。 实现某种化工生产过程，就需要有相应的机器和设备。如： 对物料进 行混合、分离、加热和化学反应等操作，就需要有混合搅拌设备、分 离设备、传热和反应设备； 对流体进行输送，就需要有管道、阀门和 储存设备等。 化工机器及设备是实现化工生产的重要工具，没有相应的机器和 设备，任何化工生产过程都将无法实现。
将用于完成介质热量交换的设备称为换热压力容器； 将用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离的设备称为分离压 力容器等。这些设备虽然内部结构和功能不同，操作条件各异，但 从强、刚度计算角度分析，除内部构件外，都有一个能承受压力载 荷且容积达到一定数值的密闭壳体，这个密闭的壳体即属于压力容 器。 ———— 按照我国《压力容器安全技术监察规程》的有关规定，若 密闭容器同时具备以下条件即可视为压力容器： 8
化工设备
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主要章节概要
化工设备概述
化工设备强度计算基础 内压薄壁容器的设计与计算
外压容器计算
厚壁容器计算 化工设备主要零部件 换热设备及选用 塔设备与反应设备
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第一章 化工设备概述
1.1 化工设备及其应用 1.2 化工设备的特点 1.3 化工设备的基本要求 1.4 压力容器及其分类 1.5 压力容器常用材料 1.6 压力容器常用规范简介
压力容器使用有较多的密封装置，主要目的是在压力容器某一可能发 生介质泄漏而需要加以密封的部位，设置一个完善的物理壁垒。
由于工艺过程的要求和检修需要，在压力容器的筒体和封头上开设有 不同尺寸的安装孔和工艺接管。 支座是支撑和固定设备的一个基础部件，由板材或型材组焊而成。
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1.4 压力容器及其分类
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1.1 化工设备及其应用
化工设备在生产中的应用实例：


天然气部分氧化法制氢（图1-1）：
合成氨厂以天然气、氧气或富氧空气为原料，利用甲烷燃烧、转化生成氢和CO，作为合成氨 原料气的工艺流程。具体过程是：天然气在0.16~0.17Mpa压力下进入饱和塔，在塔中加入热水 使天然气饱和水蒸气。饱和后的天然气再加入转化所需的蒸汽，经热交换器与转化气换热后进 入混合器。接下来与空气充分混合进入转化器，并在800~850℃温度和触媒作用下完成以下转 化反应。
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低温压力容器用低合金钢板 按压力容器的工作温度分类，设计温度≤-20℃的容器即属于 低温容器范畴。对于这类容器，应选用耐低温的专用钢材。 不锈钢钢板 指含铬量在12%-30%的铁基耐蚀合金。根据含铬量的不同， 一类是铬含量在12%～17%的不锈钢，它在大气中可以自发钝化； 另一类是用在腐蚀性较强的介质中，其铬合金的含量约在17%以 上，称为“耐酸钢”。针对工业生产中腐蚀性介质的多样性，我 国GB4237-92《不锈钢热轧钢板》标准为压力容器壳体制造提供 了多种不锈钢钢板，如0Cr13Al、0Cr13、0Cr18Ni9、 0Cr18N10Ti、0Cr17Ni12Mo2、0Cr19Ni13Mo3、00Cr19Ni10等。
1.4 压力容器及其分类
压力容器应具备的条件：
最高工作压力≥0.1MPa（不含液柱压力）； 内径（非圆形截面指断面最大尺寸）≥0.15m，且容 积大于或等于0.025m3； 介质为气体、液化气体或最高工作温度等于标准沸 点的液体。
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1.4 压力容器及其分类
一、压力容器的结构 圆筒型压力容器如图1-8所示，分解为筒体（筒身）、封头（端盖）、 密封装置、人（手）孔、接管与支座等六个组成部件。筒体和封头是 用板、壳制造而成的具有典型几何形状的焊接结构件。筒体和封头构 成了整个压力容器实现化学反应或储存物料的压力空间，是压力容器 最主要的受压元件。
二、压力容器分类 我国《压力容器安全技术监察规程》中的分类方法：
按设计压力高低分类
按照承压性质，容器可以分为内压和外压容器。当作用于器壁内 部的压力高于容器外表面所承受的压力，称为内压容器，反之为外 压容器。内压容器按设计压力大小又可分为四个压力等级，即： （1）低压容器（代号L） 0.1MPa ≤p＜1.6 MPa； （2）中压容器（代号M） 1.6MPa ≤p＜10.0 MPa；
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按压力容器壁厚分类： 根据器壁厚度的不同将压力容器分为薄壁和厚壁容器，两者 是按其外径DO与内径Di的比值大小来划分。 （1）薄壁容器——直径之比 K= DO/Di ≤ 1.2 （2）厚壁容器——直径之比 K= DO/Di ＞ 1.2 需要说明的是：
以上两类容器在进行设计计算时的理论依据和要求是不同的。 薄壁容器，由于其壁厚相对于直径较小，其强度计算的理论基础 是旋转薄壳理论和薄膜应力公式，由此确定的薄膜应力是两向应 力，且沿壁厚均匀分布。而厚壁容器的强度计算的理论基础是由 弹性应力分析所得的拉美公式，由此计算得到的应力是三向应力， 沿壁厚为非均匀分布。
（3）高压容器（代号H） 10.0MPa ≤p＜100 MPa；