化工设备原理

化工设备化工生产中常用的设备设备分类•化工行业设备大体分为动设备和静设备。1、动设备是指有驱动机带动的转动设备（亦指有能源消耗的设备），如泵、压缩机、风机等，其能源可以是电动力、气动力、蒸汽动力等。2、静设备是指在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。•化工静设备分类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、铜等金属）、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。3、按受力情况分为外压设备（包括真空设备）和内压设备，其中内压设备又分为常压设备（操作压力＜0.1MPa）、低压设备（操作压力0.1MPa～1.6MPa）、中压设备（操作压力1.6MPa～10MPa）、高压设备（操作压力10MPa～100MPa）和超高压设备（操作压力100MPa以上）•化工机器：按照其功能和工作原理主要分为：流体机械、分离机械、混合机械、输送机械、造粒机械等。其中流体机械、分离机械是最常用、最典型的化工机器。（1）流体机械：流体机械是以流体为工作介质进行能量转换的机械。广义的流体机械应包括两类：一类是将流体的能量转换为动力能的机械，称为原动机，如水轮机、汽轮机、燃气轮机及蒸汽机等；一类是将原动机的动力能传给流体以增加流体的能量的机械，称为工作机，如泵、压缩机等。这两类机械的理论基础、作用原理以至基本结构形式都基本相同，至是所进行过程相反，所起的作用也是相反的。前者是经过机器后的工作介质的压力有所下降的机械，后者是介质的压力有所增加的机械。1、按输送流体的种类分：①、泵：加压或输送液体的流体机械统称为泵。②、加压或输送气体的流体机械统称为压气机。压气机根据排气压力等级分为以下类型：A、通风机:P排＜0.015MPaB、鼓风机：0.015MPa＜P排＜0.3MPaC、压缩机：P排＞0.3MPaD、真空泵：P进≤0MPa2、按工作原理主要分为：①容积式流体机械：利用活塞、柱塞或各种形状的转子等原件在流体机械内部空腔中对流体进行挤压，使流体压力提高并排出的机械。如活塞泵、膜片式压缩机、螺杆泵、齿轮泵、罗茨风机、滑片式压缩机、液环泵等。②透平式流体机械：依靠高速旋转叶轮的动力学作用使流经叶轮流道的流体增加速度和压力，并在以后的流道中，部分速度能又转化为压能的流体机械，也有称动力式或速度式流体机械。如离心泵、离心风机、轴流泵、轴流压缩机、混流泵等（二）分离机械：把非均匀也想混合物分离的机械叫分离机械。按照其分离原理主要分为以下四种方式。1、浮选：是悬浮液内释放出足够的空气（或其他气体），并以七宝的形式粘附于固体颗粒表面，使颗粒靠气体浮力升到液面上，再将固体颗粒加以刮离。浮选在矿物分离方面早已应用，在造纸、炼油和污水处理方面已被公认为一种有效的固液分离方法。2、沉降：是利用固液两相或液液两相密度差来进行分离的操作。根据力场的不同分为重力沉降和离心沉降。3、过滤：使炫富液通过多孔性介质（过滤介质）而使固液两相分离的操作。4、筛分：将含有不同粒状、片状或块状，通过多孔介质（筛）进行脱水或分级。•泵•将液体物料沿着管路从一个车间输送到另一个车间，或从一个设备输送到另一个设备，是化工生产中经常要进行的操作，在液体流动时，有时需要将一定的外界机械能加给液体。液体输送机械就是将外加能量加给液体的机械，通常称为泵。•按照工作原理来分类，化工厂常用泵可分为四类：A离心泵依靠作旋转运动的叶轮进行工作‘B往复泵依靠作往复运动的活塞进行工作；C旋转泵依靠旋转的转子进行工作，如齿轮泵；D流体作用泵依靠另一种流体进行工作，如喷射泵、空气升液器等。离心泵泵的装置简图如下图所示，主要由叶轮、泵壳、泵轴、轴封、入口阀门、出口阀门等几部分组成。1、泵体2、叶轮3、密封圈4、护轴套5、后盖6、轴7、托架8、联轴器部件离心泵的叶轮一般由叶片、前盖板、后盖板和轮毂等四部分组成。叶轮类型可分为：开式、半开式、闭式三种结构。开式叶轮：无前后盖板的叶轮。适用于输送浆状或纤维状的介质。半开式叶轮：是指叶轮流道是半封闭的，与闭式叶轮相比没有前盖板，适用于输送含有固体颗粒或杂质的液体。闭式叶轮：是指叶轮流道是相对封闭的，在前盖板、后盖板与叶片形成封闭的流道。它适于输送扬程高、清洁液体的场合。•泵壳：由于泵壳的形状像蜗牛，因此又称为蜗壳。这种特殊的结构，使叶轮与泵壳之间的流动通道沿着叶轮旋转的方向逐渐增大并将液体导向排出管。•轴封装置：由于泵壳固定而泵轴是转动的，因此在泵轴与泵壳之间存在一定的空隙，为了防止泵内液体沿空隙漏出泵外或空气沿相反方向进人泵内，需要对空隙进行密封处理。用来实现泵轴与泵壳间密封的装置称为轴封装置。常用的密封方式有两种，即填料函密封与机械密封。喷射泵•1、喷射入口2、被输送流体入口3、混合室•4、出口•工作原理：蒸汽通过喷嘴膨胀加速，形成高速气流射入混合室，由于蒸汽速度高形成负压，低于设备内的压力，设备内的空被抽入混合室，被高速气流带入扩压管，速度不断降低，压力增加，到出口时，压力略大于大气压而排入空气。抽汽器不断把设备内的空气抽出，保持设备的高度真空。（射水和射汽两种）•抽空冷凝器如何形成真空？答：当蒸汽携带不凝气进入冷凝器，蒸汽温度下降，冷凝成水，其比容急剧下降形成真空。为保持它的高度真空，还设置了抽空器抽出冷凝器中的不凝气和未凝蒸汽，冷凝器应尽可能保持严密，防止空气漏入，并保持一定液位（水封）。•压气机压气机在化工生产过程中应用非常广泛，它的作用是将气体从一个地方输送到另一个地方或者将气体压力升到一定程度，是产生气体压力能的设备。按能量转换方式的不同，常用压缩机可分为容积式压缩机和速度式压缩机。容积式压缩机中典型的机型是往复式压缩机，速度式压缩机中典型是离心式压缩机。往复式压缩机：是依靠往复运动的活塞在气缸中运动，气缸容积周期性的变化来压缩气体，已达到提高气体压力的目的。优点：适用范围广、压缩效率高、适应性较强。缺点：不适用于流量大的工艺，调整范围较窄。压气机容积式速度式回转式往复式离心式轴流式滑片式螺杆式活塞式隔膜式涡旋式•一般大型的往复式压缩机组由主机和辅机二大部分组成，主机主要包括曲轴、连杆、十字头、气缸组件、气阀组件、活塞组件、活塞组件、轴封组件、以及驱动组件。辅机主要包括润滑系统、中间冷却系统、气体缓冲及排液系统、气路系统。•往复压缩中的曲轴、连杆、十字头组成传动机械，曲轴中的主轴和曲轴销形成一个曲拐，主轴转动时有一个较大直径的运动轨迹，十字头只能在机体导轨中往复运动，连杆与曲轴销连接的一头做往复运动，所以传动机构同时将旋转运动变成往复运动，并传递动力。•压缩形式有有油压缩和无油压缩。•气缸组件是构成压缩容积实现气体压缩的主要部件。为了能承受体积压力，应有足够的强度；由于活塞在其中的往复运动，内壁承受摩擦，气缸内壁要有一定的摩擦要求。按气缸冷却方式可分为风冷和水冷二中，大型机组多数采用水冷缸体。按活塞在气缸中作用方式的不同有单作用、双作用与级差式气缸，双作用气缸可减少气体的波动和提高效率。为了在缸内壁磨损后的修复，一般在缸内都装有一圆筒形薄壁缸套、一旦缸套内径超差，可镗去再换一个缸套。•气缸上装有气阀，气阀是靠气阀两边的压差来实现自动启闭的，常用的气阀有换装阀、网状阀、蝶形阀。•离心式压缩机：依靠高速旋转的叶轮，使吸入的气体能量头提高，并通过扩压元件把气流的能量头转换成所需的压头，已达到提高气体压力的目的。•工作原理：汽轮机（或电动机）带动压缩机主轴叶轮转动，在离心力作用下，气体被甩到工作轮后面的扩压器中去。而在工作轮中间形成稀薄地带，前面的气体从工作轮中间的进汽部份进入叶轮，由于工作轮不断旋转，气体能连续不断地被甩出去，从而保持了气压机中气体的连续流动。气体因离心作用增加了压力，还可以很大的速度离开工作轮，气体经扩压器逐渐降低了速度，动能转变为静压能，进一步增加了压力。如果一个工作叶轮得到的压力还不够，可通过使多级叶轮串联起来工作的办法来达到对出口压力的要求。级间的串联通过弯通，回流器来实现。这就是离心式压缩机的工作原理。•优点：结构紧凑、转速平衡、易损部件少、日常维护简单，压缩过程与润滑不接触可做到绝对无油，转速高可与汽轮机直联。•缺点：不适应于气量太小或压力大的场合，稳定工况较窄，•较往复机效率低，转速高造成零件制造、装配要求高。•临界转速：转子在运转过程中都会发生振动，转子的振动会随转速的增加而增大，到达某一转速时振幅达到最大值（也是就平常所说的共振），超过这一转速后振幅随转速增加逐渐减小，且稳定在某一范围内，这一转子振幅最大的转速称为转子的临界转速。•离心式压缩机转子分为两种：刚性转子和挠性转子刚性转子：转子的正常转速低于临界转速。挠性转子：转子的正常转速高于临界转速。通常转子的临界转速都会比正常转速高或低30%。•离心式压缩机由转子及定子两大部分组成：•转子包括转轴，固定在轴上的叶轮、轴套、平衡盘、推力盘及联轴节等零部件。•定子则有气缸，定位于缸体上的各种隔板以及轴承等零部件。•在转子与定子之间需要密封气体之处还设有密封元件。1、叶轮•叶轮是离心式压缩机中最重要的一个部件，驱动机的机械功即通过此高速回转的叶轮对气体作功而使气体获得能量，它是压缩机中唯一的作功部件，亦称工作轮。叶轮一般是由轮盖、轮盘和叶片组成的闭式叶轮，也有没有轮盖的半开式叶轮，只有叶片的开式叶轮。•2、主轴•主轴是起支持旋转零件及传递扭矩作用的。根据其结构形式。有阶梯轴及光轴两种，光轴有形状简单，加工方便的特点。•注意：叶轮和轴不是同时加工的，这一点在所有离心式的泵和压缩机中都是如此，叶轮由于结构比较复杂需要单独加工，并且由于金属特性，安装在轴上之后要做动平衡试验，安装动平衡块或对部分部件进行重新加工，减少振动。叶轮安装在轴上一般使用两种方式，插销式和热夹套式。•3、平衡盘•在多级离心式压缩机中因每级叶轮两侧的气体作用力大小不等，使转子受到一个指向低压端的合力，这个合力即称为轴向力。轴向力对于压缩机的正常运行是有害的，容易引起止推轴承损坏，使转子向一端窜动，导致动件偏移与固定元件之间失去正确的相对位置，情况严重时，转子可能与固定部件碰撞造成事故。平衡盘是利用它两边气体压力差来平衡轴向力的零件。它的一侧压力是末级叶轮盘侧间隙中的压力，另一侧通向大气或进气管，通常平衡盘只平衡一部分轴向力，剩余轴向力由止推轴承承受，在平衡盘的外缘需安装气封，用来防止气体漏出，保持两侧的差压。轴向力的平衡也可以通过叶轮的两面进气和叶轮反向安装来平衡。•平衡盘一般只能平衡大约80%的轴向推力，它平衡轴向推力是依靠平衡管来实现的，一般的大型机组及大型泵都存在轴向推力的问题，也都设有平衡管。•如何判断两套设备轴向推力大小可用下列公式从侧面反映出来，压比越大代表轴向推力越大（出口压力越高不代表轴向推力就大）。•压比＝（P出口压力+0.1MPa）/（P入口压力+0.1MPa）•注意：在正常的生产过程中要及时消除轴向推力，由于化工设备大多属于高转速设备，设备轴向位移应保持在允许范围内，超过这个范围就会引起摩擦碰撞，发生严重损坏事故，如机封损坏造成泄漏着火等严重事故。定期检查平衡管是否堵塞，机封磨损情况等。•4、推力盘•由于平衡盘只平衡部分轴向力，其余轴向力通过推力盘传给止推轴承上的止推块，构成力的平衡，推力盘与推力块的接触表面，应做得很光滑，在两者的间隙内要充满合适的润滑油，在正常操作下推力块不致磨损，在离心压缩机起动时，转子会向另一端窜动，为保证转子应有的正常位置，转子需要两面止推定位，其原因是压缩机起动时，各级的气体还未建立，平衡盘二侧的压差还不存在，只要气体流动，转子便会沿着与正常轴向力相反的方向窜动，因此要求转子双面止推，以防止造成事故。•5、联轴器•由于离心压缩机具有高速回转、大功率以及运转时难免有一定振动的特点，所用的联轴器既要能够传递大扭矩，又要允许径向及轴向有少许位移，联轴器分齿型联轴器和膜片联轴器，目