化工生产中为了将原料加工成一定规格的成品，往往需要经过原料预处理、化学反应以及反应产物的分离和精制等一系列化工过程，实现这些过程所用的机械称为化工设备。

化工设备一般分为静设备和动设备两大类。

1 静设备

静设备是指安装后处于静止状态即可在生产操作过程中无需动力传动的设备。静设备被广泛地应用与生产中的传质、传热、介质加热、化学反应等各种工艺过程以及储存物料。如各种容器、塔器、反应器、换热器等。

静设备部分的投资大约占全厂设备总投资的50%-60%。

1.1 精馏塔

蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发性的差异将其分离的化工单元操作，按照蒸馏方式可以分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏以及特殊精馏等多种方式。


如果进行多次部分气化或部分冷凝，最终可得到较纯的轻、重组分，这称为精馏。精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，有板式塔与填料塔两种主要类型。

板式塔由圆筒形塔体和按一定间距水平装在塔内的若干塔板组成；填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。两者主要区别如下：

（1）填料塔操作范围较小，对于液体负荷的变化特别敏感。当液体负荷较小时，填料表面不能很好地润湿，传质效果急剧下降；当液体负荷过大时，容易产生液泛。板式塔具有较大的操作范围；

（2）填料塔不宜处理含固体悬浮物的物料，而某些类型的板式塔（如大孔径穿流板塔）可以有效地处理这种物系，板式塔的清洗亦比填料塔方便；

（3）填料塔的压降比板式塔的小，因而对真空操作更为适宜。板式塔因为每块塔板的开孔率为5%-10%，又有25-50mm清液层，故压降大，各块理论板压降约为1Kpa；压降小是填料塔的主要优点，规整填料约0.15Kpa压降；

（4）对于真空精馏和常压精馏，填料塔的效率优于板式塔，其原因在于填料充分利用了塔内空间，提供了大的传质面积，使得气液两相可以充分接触传质；

（5）板式塔较填料塔投资较小。


在实际生产过程中，精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种。对于石油化工等大型生产过程，主要是采用连续精馏。

1.2 换热器

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。石化装置常用的是管壳式换热器、U型管换热器等，精细化工常用碟片式冷凝器、螺旋板冷凝器等。


管壳式换热器适应性最大，使用最广泛。在中等压力（4.0Mpa以下）情况下，采用管壳式换热器最为合适。U型管换热器适用于高压下操作。

1.3 空冷器

空冷器是以环境空气作为冷却介质，使管内高温工艺流体得到冷却或冷凝的设备，一般布置在装置的最顶层。它与水冷相比，其优点是节省了大量的冷却用水，减少了工业地区水的污染问题；第二个优点是节省了工厂的投资和维修费用。它的缺点是占地面积大，造价较高。


图7 空冷器

1.4 加热炉

管式加热炉是将炉管中通过的物料加热至所需温度，然后进入下一工艺设备进行分馏、裂解或反应等。常用的管式加热炉按其外形结构型式分为圆筒形加热炉、卧管立式加热炉、立管立式加热炉等。


管式加热炉一般由辐射段和对流段组成。在辐射段内，高温烟气主要以辐射的方式将加热量传给辐射管。烟气上升进入对流段，在对流段中烟气主要以对流的方式将热量传给对流管。为了提高加热炉的热效率，普遍采用余热回收系统，并采用集中排烟的高烟囱以减少环境污染。

1.5 储罐

储罐是用于储存液体或气体的钢制密封容器即为钢制储罐，按结构分类可分为固定顶储罐、浮顶储罐、球形储罐等。50m3以上为大型储罐多为立式储罐；50m 3以下的为小型储罐多为卧式储罐，通常用于生产环节或加油站。


1.5.1 固定顶储罐

固定顶储罐是指罐顶为球冠状、罐体为圆柱形的一种钢制容器，制造简单、造价低廉，所以在国内外许多行业应用最为广泛，最常用的容积为 1,000 -10,000m 3。

固定顶罐顶部留有一定容量的气相空间，气相空间大会使罐内储存油品的蒸发损失变大，所以固定顶罐不适宜轻质油品和原油的储存，主要用于储存闪点＞60℃的各种馏分、燃料油、煤油、低挥发性及重质油品。


1.5.2 浮顶储罐

浮顶储罐是由漂浮在介质表面上的浮顶和立式圆柱形罐壁所构成。浮顶随罐内介质储量的增加或减少而升降，浮顶外缘与罐壁之间有环形密封装置，罐内介质始终被内浮顶直接覆盖，减少介质挥发。浮顶储罐分为外浮顶和内浮顶两种形式。

1.5.2.1 外浮顶储罐

外浮顶储罐适宜建造大容积储罐，建造大容积储罐不仅可以节省单位储油容积的钢材耗量和建设投资，而且可以减少罐区的占地面积，节省油罐附件和罐区管网。

但是外浮顶储罐的浮顶直接暴露在大气下，储存的油品容易被雨雪、灰尘玷污，故而外浮顶罐多用来储存原油、乙烯原料，较少用于储存成品油。

外浮顶储罐最大容积为150,000m。

1.5.2.2 内浮顶储罐

内浮顶储罐是在拱顶储罐内部增设浮顶而成，罐内增设浮顶可减少介质的挥发损耗，外部的拱顶又可以防止雨水、积雪及灰尘等进入罐内，保证罐内介质清洁。这种储罐主要用于储存轻质油，例如汽油、航空煤油等。

内浮顶最大容积为30,000m。

1.6 反应器

反应器是实现反应过程的设备，是化工生产流程中的中心环节。反应器按结构大致可分为管式、釜式、塔式、固定床和流化床等类型，精细化工中常用反应釜。


固定床是装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右，堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应，主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。

流化床是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。

2 动设备

动设备是指有驱动机带动的转动设备，如泵、压缩机、风机、电机以及成型机、包装机、搅拌机等。

2.1 泵

泵是输送液体或使液体增压的机械，它是将电机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加。石油化工装置用泵主要分三大类，即离心泵、往复泵和旋转泵。


2.1.1 离心泵

石油化工厂多采用离心泵，约占工艺用泵总量的80%-90%。离心泵的操作费用最省，维修工作量小。

2.1.2 往复泵

往复泵有前后移动的柱塞，以置换液体迫使液体由出口嘴子留出。往复泵包括活塞泵、柱塞泵（计量泵）、隔膜泵。


图20 活塞泵

2.1.3 旋转泵

旋转泵用以输送较重或粘度较大的物料，如润滑脂、沥青、重燃料油等。旋转泵包括齿轮泵、螺杆泵等。


2.2 风机

风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械。通常所说的风机包括：引风机，鼓风机等。


图22 引风机、鼓风机

2.3 压缩机

压缩机将低压气体提升为高压气体的一种从动的流体机械。化工生产装置中常用离心式压缩机、往复式压缩机等。

在离心式压缩机中，气体从轴向进入，由于叶轮的旋转，气体被离心力告诉甩出叶轮，然后进入流通面积逐渐扩大的扩大器中，将动能转化成压力能。


图23 压缩机

3 总结

自控设计人员应了解化工生产中常用设备的基本原理和常见的形式，有助于了解项目工艺生产流程，掌握典型设备的控制方案等。

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