1、化工设备使用与维护,任课老师：朱婷婷联系方式：15615837243,课程性质,本课程是化工类专业的一门专业核心课程，课程的主要内容包括化工设备基础知识，化工生产中常用的换热设备、塔设备、反应设备、管道和阀门、泵、压缩机、离心机等设备的使用与维护，典型化工设备的运行管理。,课程目标,1了解相关化工设备的选材、结构、主要工艺参数、工作原理、基本操作、日常维护以及异常工况判断与处理、检修；2能够根据各类化工设备的结构特点，根据工艺特点正确对化工设备进行选型；3能根据不同化工设备操作规程，进行常见化工设备的安全、规范操作；4能针对生产过程中设备异常工况，进行及时判断与应急处理；5能根据设备维护知识，
2、进行常见化工设备的日常维护与检修。,学习方法,切忌死记硬背，要学会方法，融会贯通课前预习，课后复习完成一定数量的习题,参考书目,（1）教材马秉骞主编， 化工设备使用与维护，高等教育出版社（2）参考书陈炳和主编，化学反应过程与设备，化学工业出版社王绍良主编，化工设备基础，化学工业出版社郑端阳主编，化工机械检修实训指导，化学工业出版社,课程考核,总成绩 = 理论 (85) + 实践 (15)，其中理论成绩中平时成绩占15%，期末成绩占85% 平时成绩：出勤率、课堂笔记、上课回答问题和作业完成情况等。,化工设备概述,化工设备的应用与分类,1,化工设备常用材料,2,化工设备的腐蚀与防护,3,化工设备的
3、应用与分类,一、化工设备在化工生产中的应用化工过程：对原料进行化学和物理加工，以获得有利产品的过程。设备：完成某种单元过程的装置。,化工设备的应用与分类,甲醛生产,甲醚,空 气,压 缩 机,反 应 器,吸 收 塔,离子交换塔,甲醛成品,反应,传热,压缩,分离,离子交换,压 缩 机,冷 却 塔,化工设备的应用与分类,甲醇生产,二氧化碳,水 蒸 汽,天然气,压 缩 机,转 化 炉,冷却塔,合成反应器,分 馏 塔,冷 凝 塔,甲 醇,反 应,传 热,压 缩,反 应,分 离,传 热,化工设备的应用与分类,化工设备的应用与分类,二、化工设备的类型,流体输送设备（泵、鼓风机、压缩机、配套管件及阀门）加热设
4、备（管式加热炉）换热设备（加热器、换热器、冷凝器、冷却器、再沸器）传质设备（精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔）反应设备（夹套式搅拌反应器）储存设备（立式储罐、卧式储罐、球形储罐）,化工设备的应用与分类,化工设备的应用与分类,离心泵,化工设备的应用与分类,管式加热炉,化工设备的应用与分类,换热器,化工设备的应用与分类,精馏塔,化工设备的应用与分类,反应釜,化工设备的应用与分类,储存容器,立式储罐,卧式储罐,化工设备的应用与分类,方形容器,球形容器,化工设备的应用与分类,三、化工生产对化工设备的要求化工设备的使用环境压力 真空低压中压 高压超高压温度 低温中温高温介质 有毒、易燃、剧毒,事故造成的污
5、染使哈尔滨市停水三天。,实例 吉林石化双苯厂发生爆炸2005年11月13日中石油吉林石化公司双苯厂苯胺装置发生爆炸 着火事故。事故共造成造成6人死亡，2人重伤，21人轻伤。 事故发生后，疏散群众达1万多人。,化工设备的应用与分类,化工设备的应用与分类,化工设备的应用与分类,化工设备的应用与分类,化工设备的应用与分类,1、工艺性能要求（1）达到工艺指标（2）生产效率高、消耗低2、安全性能要求（1）足够的强度（2）足够的刚度（3）良好的韧性（4）可靠的密封性（5）良好的抗腐蚀性,3、使用和经济性能要求（1）操作、控制、维护简便（2）结构合理，制造简单（3）环境保护要求,一、材料性能 在外力作用下不
6、产生超过允许的变形或不被破坏的能力。 如：弹性、塑性、强度、硬度和韧性等指标。,化工设备常用材料,1、力学性能,常温拉应力下20号钢的拉抻试验,l0=10d0,l0= 5d0,或,1.材料的弹性和刚度,化工设备常用材料,正比阶段，A点对应的应力为比例极限，用Rp表示，材料服从胡克定律=E。 斜率tan=E=/称为材料的弹性模量，反映了材料抵抗弹性变形的能力，即刚度。 E值越大，材料的刚度也越大，越不容易发生弹性变形；E值越小，材料的弹性越好，越容易发生弹性变形,OA：,化工设备常用材料,弹性阶段，A点对应的应力为弹性极限，用Re表示，不再服从胡克定律，但变形仍是弹性的。试件在外力作用下，发生了
7、变形，而当外力消除以后变形也随之消失，试件恢复到原来的形状，不会产生永久性的变形，这种性质为材料的弹性。,OA：,化工设备常用材料,金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，这种现象就称为屈服。,2、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。,化工设备常用材料,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,开始出现塑性变形时的应力，称为“屈服点”,ss,sb,金属在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所能承受的最大应力值，叫作抗拉强度。,2、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。,化工设备常用材料,材料在高温下，在一定的应
8、力下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力。,2、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。,化工设备常用材料,材料在高温下，抵抗发生断裂的能力。,2、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。,化工设备常用材料,材料在交变载荷作用下，会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了，这种现象就是疲劳。我们把经过106108次循环试验而不发生断裂的最大应力，作为疲劳强度。,2、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。,化工设备常用材料,3、塑性：金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。主要有两个塑性指标：,延伸率,断面收缩率,化工设备常用材料,4、韧性： 表示材料弹
9、塑性变形为断裂全过程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。,承受静载荷抗裂纹扩展的能力 缺口敏感性承受动载荷时抗裂纹的能力 冲击韧性,化工设备常用材料,（1）冲击韧度,冲击功,冲击韧度,化工设备常用材料,注意！韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。韧性高的材料，一般都有较高的塑性指标；但塑性较高的材料，却不一定都有高的韧性。其所以如此，就是因为静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动载荷下不一定能迅速塑性变形。,化工设备常用材料,（2）缺口敏感性,指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件下，抵抗裂纹扩展的能力。,图 冲击试验的标准试样,化工设备常用材
10、料,5、硬度：金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。,布氏硬度HB（一般在HB450以上就不能使用) 、 洛氏硬度HR (可以用于硬度很高的材料) 、 维氏硬度HV ( 比洛氏硬度更适合于测定极薄试样的硬度) ，显微硬度。,化工设备常用材料,材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位，但使用时要考虑温度的变化。,T,T,6、温度,化工设备常用材料,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： 可焊性能、锻造性能、可断性能、切削加工性能、热处理性能等
11、。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。,2、工艺性能,化工设备常用材料,可焊性能母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等；铸造性能流动性、凝固收缩率等；可锻性能抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；切削加工性能热处理性能,化工设备常用材料,钢板校平,化工设备常用材料,卷筒,压制封头,煨制弯管,组对与焊接,3、物理性能,（1）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。（2）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。 泊桑比是拉伸实验中试件单位
12、横向收缩与单位纵向伸长之比。对于各种钢材它近乎为一个常数约为0.3。,化工设备常用材料,4、化学性能,（1）耐腐蚀性 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解质溶液侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。（2）抗氧化性 金属和合金抵抗自由氧和其它气体介质如水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等的腐蚀能力。,化工设备常用材料,化工设备常用材料,二、化工设备常用的金属材料,金属材料,复合材料,非金属材料,应用材料,金属元素或以金属元素为主形成的、具有金属特性的物质,由两种或两种以上不同性质或不同组织的材料组合而成的材料,除金属材料和复合材料以外的所有材料,1、金属的分类,铸造生铁,金属,黑色金属,有色金属,生铁,钢
13、,炼钢生铁,合金生铁,铜及其合金,轻金属及其合金,其它有色及其合金,纯铜（紫铜）,铜锌合金（黄铜）,铜锡合金（锡青铜）,无锡合金（铝青铜等）,铝及铝合金,钛及钛合金,镁及镁合金,铅、锡及其合金,锌及其合金,镍、钴及其合金,化工设备常用材料,1.碳钢 工业上使用的金属材料大多是由金属与金属、金属与非金属熔合在一起的合金。以铁为主，碳的质量分数小于2.11%并含有少量的锰、硅、硫、磷等元素的合金称为碳钢或非合金钢。,中碳钢,低碳钢,高碳钢,碳的质量分数小于0.25%,大于0.25%小于0.60%,碳的质量分数大于0.60%,化工设备常用材料,3) 磷(P),来源矿石。 作用溶于铁素体，使钢材常温下
14、脆性增加，塑性、韧性下降，即所谓“冷脆性”。 有害元素！ 4) 氢(H) 来源钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并产生高压力，在钢材内产生“白点”。 “白点”裂纹源 有害元素！,化工设备常用材料,碳钢中杂质对其性能的影响1）锰(Mn) 来源在冶炼过程中加入锰铁。 作用钢材中锰含量高于0.8%时，即为合金元素存在提高强度，有益元素。 2）硫(S) 来源矿石和焦炭。 存在形式：FeS。 作用FeS 的熔点低于钢材热加工开始温度， 它过早熔化，导致工件开裂，称为热脆性。 有害元素！,化工设备常用材料,化工设备常用材料,碳钢的分类、牌号,（1）普通碳钢含P、S等有害
15、杂质较多（S0.055% P0.045%)常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F #Q235-B, # Q235-C, Q275 式中 Q普通碳钢，“屈服”的拼音首位字母。 235材料屈服点（MPa) A,B,C,D钢材质量等级，越后越高。 F沸腾钢 #GB150-98规定使用材料,化工设备常用材料,（2）优质碳素钢,特点：含硫、磷等杂质较少，均0.04%，杂质少，组织均匀，表面质量好。 常用的有：08，10，15，20，20g,20R，30Mn，40Mn等。式中数字-含c量的万分数; g 锅炉钢； R 容器钢； Mn含锰元素约1%。 （3）高级优质钢 磷硫杂质极少 P，S含
16、量0.03%。 表示法：如20A,GB150-98规定使用材料！,钢的热处理,钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能，称为热处理。,化工设备常用材料,热处理工艺实例： 缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软； 建筑用铁线用火烧软； 泵轴调质内韧外硬； 扁铲淬火提高硬度和韧性 ； 容器焊后退火消除内应力； ,化工设备常用材料,(1) 常用热处理工艺,缓慢加热，保温一定时间后： 随炉冷却(曲线1) 退火； 空气中冷却(曲线2) 正火； 作用：降低硬度，增加塑性，改善机械性能；使组织均匀化，消除内应力。注 加热温度为临界点(钢的内部组织发生转变的温度)
17、以上3050。,化工设备常用材料,缓慢加热，保温一定时间在淬火剂中冷却(曲线3)； 淬火剂:水，盐水用于碳钢；油用于合金钢。 作用：提高硬度、强度和耐磨性。,淬火,化工设备常用材料,淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。 低温回火 (150250)； 中温回火 (300450)； 高温回火 (500680)。, 淬火+高温回火称为调质处理。 效果：强度、塑性、韧性均提高。,回火,化工设备常用材料,(2) 化学热处理将零件放在化学介质中进行加热-保温-冷却的过程，使零件表面改性。 渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。,化工设备常用材料,时效热处理 材料经固溶处理或
18、冷塑变形后，在室温或高于室温条件下，其组织和性能随时间而变化的过程。 时效可进一步消除内应力，稳定零件尺寸，它与回火作用相类似。,化工设备常用材料,3. 表面淬火,使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则具有一定的韧性。,化工设备常用材料,化工设备常用材料,2.合金钢 合金钢是在低碳钢的基础上，加入一定量的合金元素而得到的。常加的元素有锰、钼、铌、钒、镍、铬、硼、钨、铝等。当合金元素总质量分数小于等于5%时称为低合金钢。,1). 成分特点 由碳素钢+Si、Mn、Cu、 Ti、V、Nb等元素组成； 含碳量均较低，0.2%； 合金元素总含量5%。2). 相对于碳素钢： 强
19、度提高； 耐腐蚀性能提高； 低温性能提高。,1. 常用于制作：板，管，圆钢等型材。,2. 用途： 广泛用于造船，压力容器，桥梁，高压锅炉，汽车，矿山机械，农业机械等。 3. 常用材料： 16MnR，15MnVR，18MnMoNbR，16MnDR，15CrMoR，14Cr1MoR.,化工设备常用材料,合金元素对钢的影响为改善钢材性能特意加入合金元素，以改变钢材性质。例如：铬：耐腐蚀抗氧化；提高强度硬度和耐磨性；使钢材的韧性和塑性降低。锰：提高强度和低温冲击韧性。镍：提高淬透性，保持良好塑性和韧性；提高耐腐蚀性和低温冲击韧性；提高热强性能。硅：提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐H2S腐蚀；降低塑性
20、和冲击韧性。,化工设备常用材料,不锈耐酸钢,不锈耐大气腐蚀；耐酸耐酸及强腐蚀性介质的腐蚀。常用品种：1) 铬不锈钢如1Cr13，2Cr13，0Cr13等。 第一个数字含碳量的千分数； Cr13含铬13%。组织成分：铬固溶于铁素体的晶格中形成固溶体。,化工设备常用材料,“不锈”的原因 在氧化性介质中，铬能生成一层稳定而致密的氧化膜，对钢材起保护作用。,性能特点：碳的作用与铬生成碳化铬(Cr23C6)，消耗大量的铬。为保证耐腐蚀性能，不锈钢中碳含量越低越好。,化工设备常用材料,铬的作用 能提高耐腐蚀性能。实际铬不锈钢的平均含铬量13% 能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而塑性、韧性
21、降低。用作受载荷大的耐蚀零件，如轴类，活塞杆、螺栓、浮阀等。,化工设备常用材料,铬镍不锈钢,常用铬镍不锈钢型号：0Cr18Ni9, 0Cr18Ni10Ti 式中 0 含碳量的千分数； Cr18 含铬量18%左右； Ni9 含镍量9%左右。 通常以铬镍平均含量“18-8”标志这种钢。组织特征：C、Cr、Ni固溶于奥氏体晶格中，是单一的奥氏体组织。,化工设备常用材料,性能特点: 耐腐蚀性好 Cr含量13%，表面形成氧化膜； 组织为单一的奥氏体，在电解液中不能形成微电池，避免了电化学腐蚀。 力学性能优异 在400850期间，碳生成碳化铬在晶界析出，使晶界附近贫铬（铬含量低于12%）导致晶间腐蚀。 不
22、能反复施焊，否则必须进行热处理。 不耐氯离子腐蚀,化工设备常用材料,耐热钢,高温环境原油加热、裂解、催化等。如转化炉炉管，工作温度为650800。 碳钢使用温度一般在400以下。如20钢 500时屈服点只有50MPa,变得很软，钢中的Fe3C分解出石墨碳（石墨化过程）；同时钢表面生成氧化皮，层层剥落。 碳钢在高温下强度和抗氧化性均下降。,化工设备常用材料,高温设备对材料的要求 化学稳定性抵抗高温气体（O2、H2S、SO2 等)腐蚀的能力。钢的表面能生成致密的氧化膜。 抗氧化钢抗高温氧化，强度不高。Cr13SiAl, Cr25Ti, Cr25Ni12等。 热强性抗高温蠕变能力。 热强钢抗蠕变，有
23、一定抗氧化能力。 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等。,化工设备常用材料,Cr提高抗氧化性，强化并稳定金相组织。Mo提高高温强度，强化并稳定金相组织，提高再结晶温度。Ni形成奥氏体组织，提高高温强度和耐腐蚀性。Ti稳定金相组织，不锈钢中能减少铬与碳的化合。Al, Si提高高温抗氧化性，本身生成致密的氧化膜。,各元素的作用,化工设备常用材料,低温用钢,低温环境天然气液化、空气分离、润滑油脱脂、轻烃回收等。普通碳钢在低温下（-20以下）变脆，冲击韧性显著下降。低温用钢的组织成分特点：一般低温钢(-40-20 ) 含碳量很低的铁素体组织，再加入适量的Mn、Al、Ti、
24、Nb、Cu、V、N等元素, 16MnDR, 09MnNiDR。深冷用钢(-40以下) 含碳量低的奥氏体组织, 15Mn26Al4。,化工设备常用材料,3.铸铁 铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金，工业上常用的铸铁的质量分数一般在2.5%-4.5%之间，而锰、硅、硫及磷的质量分数高于钢。根据碳在铸铁中的存在形式有白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁之分，其中灰口铸铁应用较多。 铸铁具有良好的铸造性、减震性、耐磨性和切削加工性，而且生产工艺简单、成本低，在化工设备，特别是转动设备中有着广泛的应用。灰铸铁的牌号是由“HT+数字”表示。球墨铸铁的牌号是由“QT+两组数字”表示。,化工设备常用材料,无机
25、材料,有机材料,陶瓷：主要用做化工设备，如容器、反应器、塔附件、热交换器、泵、管道、管件等。,搪瓷：反应罐、储罐、换热器、蒸发器、塔和阀门。,玻璃：管道或管件、容器、反应器、泵、热交换器、隔膜阀,塑料：聚氯乙烯（PVC）可制成贮槽、离心泵、阀门管件。聚四氟乙烯（F-4）可做密封件、耐蚀件如填料、垫片和泵、阀门的零件。聚四氟乙烯因其优良的抗腐蚀性能而被称为“塑料王”。,橡胶：主要用衬里、密封件,涂料：保护设备免遭大气及酸、碱等介质的腐蚀。,无机非金属材料,化工设备常用材料,化工设备的腐蚀与防护,一、腐蚀的概念及类型1.定义：金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏现象。2.类型2.1 按腐
26、蚀的机理分类1）化学腐蚀 2）电化学腐蚀2.2 按腐蚀破坏的特征分类1）均匀腐蚀 2）缝隙腐蚀 3）晶间腐蚀 4）应力腐蚀,化学腐蚀：金属遇到干燥气体或非电解质溶液发生的腐蚀1.特点1) 腐蚀产物在金属表面2) 腐蚀过程中无电流产生2.腐蚀产物特性：1) 致密而稳定，与金属结合牢固钝化膜钝化作用2) 不稳定，与金属结合不牢固脱落活化作用,化工设备的腐蚀与防护,金属在高温下的化学腐蚀,解决方法：冶炼时加入铬，硅或铝 不起皮钢,化工设备的腐蚀与防护,脱碳反应： Fe3C+O2=3Fe+CO2 Fe3C+CO2=3Fe+CO Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2,温度700时脱碳作用。,力学性能下降
27、。,化工设备的腐蚀与防护,铁碳合金发生氢腐蚀的开始温度和压力：,第一阶段：氢脆以原子状态侵入钢材内部，聚集，使钢变脆。与氢在钢中的溶解度成正比。,化工设备的腐蚀与防护,第二阶段：氢侵蚀,发生化学反应： Fe3C+2H2=3Fe+CH4,危害：1) 甲烷在晶界聚集，成为裂纹源； 2) 甲烷在钢材表面鼓泡，降低力学性能； 3) 渗碳体还原为铁素体，体积减小，产生组织应力，促进裂纹扩展。又提供氢和甲烷聚集条件，加重氢侵蚀钢材组织成为网格。,化工设备的腐蚀与防护,电化学腐蚀金属与电解液接触发生电化学反映。,三个环节：,化工设备的腐蚀与防护,发生电化学腐蚀必备条件,1) 同一金属中有不同电位的组织成分或
28、存在不同电位的金属；2) 阳极和阴极互相连接；3) 阳极和阴极同处在连通的电解液中。,化工设备的腐蚀与防护,晶间腐蚀和应力腐蚀,均属于电化学腐蚀。1. 晶间腐蚀 腐蚀性介质沿晶粒间渗入金属深处，腐蚀破坏金属晶粒间的结合力，使之强度和塑性完全丧失“内部瓦解”作用。不锈钢有晶间腐蚀可能 在450850 之间，生成(CrFe)23C6，沿晶界析出，晶界成为贫铬带。在电化学行为中，贫铬带成为阳极，晶粒成为阴极，形成微电池。,化工设备的腐蚀与防护,解决办法：1) 钢中加入Ti和Nb元素；2) 减少不锈钢中的碳含量。,化工设备的腐蚀与防护,应力腐蚀,亦称腐蚀开裂金属在腐蚀性介质和拉应力共同作用下产生的破坏
29、形式。腐蚀断裂过程分三个阶段：1) 孕育阶段机械裂纹。2) 裂纹扩展裂纹尖端为高度应力集中区，出现微电池。3) 破坏阶段。,化工设备的腐蚀与防护,裂纹扩展应力腐蚀,化工设备的腐蚀与防护,金属腐蚀破坏的形式,危险性较小，壁厚有保证即可。,危险性较大隐蔽；穿孔泄漏；局部应力过大。,化工设备的腐蚀与防护,二、金属设备的防腐措施,1. 衬覆保护层1) 金属保护层电镀，喷镀，衬里等。2) 非金属保护层非金属衬里瓷砖，石墨板，水玻璃胶泥；防腐涂料防腐漆，环氧树脂等。2. 电化学保护1) 阳极保护被保护设备接直流电源阳极，生成“钝化膜”。,化工设备的腐蚀与防护,2) 阴极保护 牺牲阳极保护。,化工设备的腐蚀与防护,3. 添加缓蚀剂, 腐蚀性介质中加入少量缓蚀剂，降低或停止腐蚀作用。注意: 1) 不影响产品（介质）质量； 2) 符合性； 3) 种类和用量要经试验确定。,化工设备的腐蚀与防护,本章结束谢谢大家,
