化工设备设计的选材与应用

谢亚武(广东众和工程设计有限公司，广东 广州 510030)

0 引言

近来年，我国经济发展迅速，化工产业获得大量机遇，发展飞快，现已成为我国经济体系中不可或缺的支柱产业之一。但机遇到来的同时，也带来了诸多挑战，随着社会的不断进步，行业需求日益增多，市场竞争日益激烈，化工产业为保障自身市场竞争力，必须实时对自身技术手段和管理体系进行创新和优化，确保工程效率，提升工作质量，更好地服务社会。化工企业在整个流程中，确保化工设备正常运转是重要的工作内容，同时其材料的选择和应用是重要的工作内容之一。

1 化工工艺及化工设备适应性设计的必要性

提高化工工艺和化工设备的适应性，是推动我国化工不断现代化的必要条件。因此，必须重视化学适应性设计。首先，采用高适应性设计可以改变许多传统化工装置存在的特点问题，进一步提高企业开发化工设备的能力和价值，最大限度地发挥化工装置的实用价值，使之适应现代企业的生产要求，从而大大减少资源和成本的不必要消耗。第二，因为石化行业技术密集，有许多化工项目涉及到实际生产。采用合适的化学工艺和化学设备，做好适应性设计工作，不仅可以提高设备的利用率，还可以加快设备维护的效率，帮助员工更好地控制一些工艺细节，从而进一步保证化工生产的产量和速度。第三，确保化工过程和化工设备在生产活动中具有良好的适应性，有利于控制和解决各种生产问题，避免影响企业生产的正常进行。特别是随着市场条件的日益复杂，对改进化工过程和设备的适应性设计也提出了更高的要求。通过采用最优自适应设计，可以合理简化不必要的生产环节，使化工装置继续保持稳定高效的工作状态，在提高产品质量的同时，进一步提高化工企业的市场竞争力[1]。

2 化工工艺及化工设备适应性设计的实施办法

2.1 参数设计

化工设备安装完毕后，为了保证生产活动的安全，有必要在正式开工前对设备参数进行调整。在确定最终的技术参数选择之前，必须将整个装置置于试验状态，并根据实际生产要求进行试验。以重整器的参数设置为例：在测试过程中，必须先向设备中添加一定量的反应材料，然后对设备进行持续加热。此时，工作人员必须仔细观察再熔炉出口液态水的状态，确定满足物料加热要求的最佳温度，最后将再熔炉调整到相应的温度[2]。应注意的是，液态水的体积很可能远低于重整器入口处的水蒸汽量，此时参数的设置很可能与实际生产需求存在较大差距，这将导致生产过程中产生水锤，并将严重损害设备管道的质量。为了解决这个问题，需要调整平均流量，使设备的加热水温保持在合理的范围内，然后根据测试数据调整设备的运行参数。

2.2 防腐处理

在化工生产过程中，经常会出现一些腐蚀性很强的化学品。此时，生产活动的风险系数将会增加，不仅会损坏化学设备，还会危及员工的人身安全。例如在乙烯裂解项目中，在原料连续加热的过程中，设备上部结构的管道有损坏的风险，导致管道泄漏。通过对问题原因的深入分析，确定原因是管道中残留了大量的硫化物质，对管道造成很大的侵蚀和损坏[3]。因此，工作人员可以合理调整装置的排气喷嘴和动力喷嘴，进行防腐管理，防止管道严重腐蚀，确保公司项目生产计划的顺利实施。

2.3 设备改造

鉴于不同的工业条件，需要对原有的化工设备进行合理更新，以进一步提高其适应性，避免给生产活动的正常发展带来不便。例如煤油加氢的操作连接涉及使用高容量设备，在扩大设备容量的同时，还必须调整生产过程中使用的相应反应器，否则生产活动将无法得到支持。在化学反应过程中，除了添加标准量的原材料外，员工还应在反应容器中添加足量的化学添加剂，以确保生产质量。通过观察研究发现，改造后的设备内部压力发生了一定程度的变化，与过去相比有了很大提高[4]，其根本原因是原材料的分流效应低。随着反应温度的逐渐升高，大量原料在设备中积累，随后发生结焦和碳化。在这种情况下，设备的安全性和适用性将大大降低，此时工作人员可以通过增加锁定装置，来提高设备的原材料转移能力和适应性。

2.4 安全生产

安全一直是化工行业发展的永恒主题，采取科学合理的操作方式是保证生产任务顺利完成的基础。通过对以往案例的调查和分析可知，工艺方法或操作模式选择不当是设备在运行过程中严重磨损和损坏的主要原因。在缩短化工设备使用寿命的同时，也给未来的生产活动带来巨大的安全隐患。因此，在实施适应性工艺设计和先进化工设备的基础上，还需要考虑人为因素和自然条件对整个化工生产过程的影响。例如化工技术人员在选择生产工艺时，必须认真分析生产现场环境温度、气压等外部因素对化工生产工艺可能产生的影响，选择特性一致的化工设备，并相应改进工艺方案，确保化工生产安全。同时，要严格控制人为操作失误造成的安全问题，可以通过制定标准化的技术标准和操作规程来限制员工，尽可能减少设备损坏，科学监督员工根据实际情况合理选择化工工艺。

3 化工设备选材的重要性

首先，化工企业的工作流程不比其他企业，其工艺流程会接触许多化工原料。化工原料多为金属或化学制剂混合而成的混合料，其特点都具有极高的活跃性，很容易产生反应。在反应进行时，如设备选用原材料无法抵抗腐蚀，获取表面材料和内部化学成分相互反应，都会使得内部化学制剂或有毒气体溢出，对工作人员身心健康造成危害。此外，化学反应的进行通常需要经历加热、制冷、加压等条件，因此在设备选择时，需要对其耐热性、防冻能力和耐压等进行详细检测。化工产品的成分组成比例固定，一旦在升降温过程中，使得设备损毁，其杂质进入化工产品中，会极大影响化工产品的质量。如若是生活用品的质量出现问题，会产生大量售后问题，严重时产品丧失效用，对消费者生命财产安全造成威胁，不仅会影响自身口碑，还会大量增加工程造价。最后，化工企业大型化工设备运作通常是靠电能供应或燃料燃烧的高位能，这些能源造价极高，若在加工过程中无法获得足够数量的成品或者质量不达标，就会使得化工企业整体负运转。化工企业的经济保障主要是依靠化工产品的质量和生产效率，一旦这些方面指标受到影响，整体都可能会出现亏损现象。

4 化工设备设计中材料影响因素

4.1 成本因素

化工企业因其特异性耗资巨大，在整个工艺流程实现时，需要依靠大量的化学原材料和添加剂及能源供应，因此整个化工生产过程造价极高。所以，要保证生产效率和成品质量，才能稳固投资额和利润。其中，设备材料的正确选择是有效保障化工产品质量的重要因素之一。正确选择化工设备材料，才能确保在化学反应进行中不会出现原材料损耗或破坏，确保正常生产。

4.2 安全性因素

化工生产本身具备一定危险性，主要体现在化学原料本身危害性和化学反应副作用上。所以，在工作过程中，就要确保化学反应在密闭安全的地点和空间进行，同时确保不会有有害物质或气体溢出。这就需要对反应设备进行完善，确保设备原料不会和内部化学反应相掺杂。同时，还要具有完善安全防护措施，选用正确的材料，确保应对各类突发状况。

5 化工设备设计中材料的选择分析

5.1 化工设备设计中金属材料选择的相关分析

首先，应合理选择碳钢金属材料。在实际应用过程中，碳钢是工程设计人员最常选用的金属。碳钢具有高稳定性、良好的机械和物理性能，适用于各种环境。碳钢的生产工艺简单，市场价格低廉，许多公司选择碳钢作为化工设备的主要材料。在设计过程中，设计师应充分发挥碳钢材料的优势，通过喷涂防腐涂料等方法，充分利用化工设备中的碳钢材料。

其次，应合理选择金属材料的不锈钢。在石油化工生产过程中，往往会产生大量强酸碱化合物，腐蚀性强，这对石油化工设备的产品质量和安全性提出了更高的要求[5]。在化工设备材料的设计和选择中，尽可能选择碳钢。但对化学腐蚀性介质，如：酸、碱、盐和其他介质，不锈钢也具有一定的耐腐蚀性。不同等级不锈钢的耐腐蚀性主要取决于其结构中所含的合金元素。因此，在选择各种金属材料的过程中，工作人员应该关注不锈钢材料中合金元素的组分。

第三，应合理选择金属材料的有色金属及其合金。由于信息技术和生产技术的发展，有色金属在化学工业中的开发和使用也取得了很大进展。钛可以与氧和氮形成致密的保护膜，具有很高的化学稳定性，并且在任何温度的气体中都具有很高的耐腐蚀性。钛在高温下对大多数酸高度稳定，但不耐氢氟酸。因此，在化工设备设计领域，通常使用以钛为涂层材料，以碳钢、低合金钢和不锈钢板为基材的复合板。在选择钛或钛合金或钛钢复合板时，设计师应注意钛材料的适用温度范围。

第四，我国大力提倡可持续发展，在发展经济的同时注重保护环境。化工企业本身就具有一定污染性，在工艺加工后极易对周围生态环境产生破坏。可回收材料在使用过程中可回收再利用，符合节能理念；清洁材料在实验时不会释放有毒气体污染性物质，符合环保减排理念。

5.2 在化工设备设计中非金属材料的选择

玻璃和石墨分别是二氧化硅和碳结构，二者具有极明显的惰性，不易和其他物质反应。首先，在众多非金属化工材料中，玻璃材料具有很高的熔点，经过特殊工艺加工的玻璃极耐高温，同时结构坚韧具有足够的韧性，这就使得玻璃材料在化工生产中能够应对绝大部分化学反应所造成的影响。石墨材料，其根本是碳结构，本身结构坚固不易受到损坏，具有强的稳定性。

首先，合理选择非金属石墨材料。在选择石墨材料时，设计者要关注石墨的内部性质，注意耐腐蚀性能的优化，石墨中有大量细小的气泡孔，通常占石墨面积的1/4。通过浸渍和固化气泡孔，可以形成具有强抗渗性的石墨。这种石墨材料可在温度≤160 ℃、压力≤0.5 MPa的环境中长期使用，其内部性能也能保持良好状态。不少研究认为，即便是在盐酸、稀硫酸等强酸性介质的腐蚀环境内，石墨材料的性能也比较好，且传热效率较高。对比碳钢、其他金属材料，其传热系数高出2倍之多。石墨换热器在行业内也获得了广泛使用，但是石墨内部拉渗性能、塑性较低，因此在设计期间，需要注意这一问题的解决。

其次，应合理选择非金属材料玻璃钢。FRP增强塑料(简称“FRP”)是一种应用广泛的复合材料，具有很强的耐腐蚀性。在化工设备的设计中，它常被用作储存高腐蚀性介质的储罐，如：酸、碱、盐等一般浓缩介质。同时，玻璃钢具有密度低、导热系数低、可设计性强等优点，广泛应用于工业领域。然而，FRP材料有一个缺点即没有很好的耐高温性，FRP材料的温度必须保持在60 ℃以内。因此，在使用化工设备时，设计者应特别注意区域环境温度，并做出科学合理的选择。同时，设计师必须选择合适的树脂基体聚合形成的FRP，以确保FRP的耐腐蚀性。

5.3 在化工设备设计中衬里材料的选择

衬里材料具有保护金属或其他基体免受各种介质侵蚀的能力，耐受酸、碱、无机盐及多种有机物的腐蚀，并有良好的弹性、耐磨性、抗冲击性、渗水性小、透气性良好及金属和其他基体的粘合性能，被广泛应用到化工设备中，如：搅拌釜、储罐、热交换器、塔器等。近年来，国内外不断开发各种新型衬里材料，其中较为突出的是新型高分子防腐衬里材料，具有优异的耐蚀性和热稳定性等优点。因衬里材料不同分别有：衬不锈钢设备、衬(搪)铅设备、衬橡胶设备、衬耐酸板，砖(或铸石板)设备、衬塑料设备、喷铝设备、搪玻璃设备等。化工设备在实际生产中，涉及介质众多繁杂，这就要求化工设备具有良好的防腐性能。根据设备材料、使用介质、环境因素等选择合理的衬里材料，采用优良的施工工艺，是防止设备腐蚀，延长设备使用寿命，降低成本的重要措施[6]。

6 化工设备设计中材料的应用

6.1 碳钢材料的应用

碳钢材料的种类相对丰富。在选择材料时，设计师不仅要考虑碳钢的耐高温性，还要考虑其力学性能，以确保材料能发挥良好的作用。碳钢适用于在常压和常温下制造薄壁容器的高性能结构材料，具有优异的塑性、韧性和加工工艺。但是，如果在压力容器的设计中使用碳钢材料，则应严格按照相关标准进行，按照GB/T 150.2—2011 《压力容器》附录D《Q235系列钢板的使用规定》开展。合金钢是在添加合金元素的基础上发展起来的优质碳素钢，其综合性能得到了极大提高。在选择时，工程设计部门必须充分考虑合金元素对钢材特性的影响，并结合工艺生产要求选择合适的合金钢。目前，中国化工企业大型化工厂使用的材料主要是碳钢和低合金钢。在硫酸工业中，碳钢广泛应用于80%～100%浓度范围和60～80 ℃温度范围内的硫酸储罐和管道中[7]。但是，当硫酸流速过高时，应选择其他材料。当储存无水气体氨和液氨时，碳钢作为储存设备材料也具有良好的耐腐蚀性。

6.2 不锈钢材料的应用

不锈钢有多种类型和强度，它不仅是一种耐腐蚀材料，也是一种耐磨材料，它既可用作低温材料，也可用作高温材料。然而，在非高温环境中，不锈钢的耐腐蚀性可以得到更好的发展。设计人员在化工容器设计过程中选用不锈钢材料，必须充分考虑不锈钢的化学成分，确保选用的不锈钢材料在厚度、性能等方面能满足使用要求[8]。不锈钢耐酸钢对一般酸、碱等介质具有良好的耐腐蚀性，但对还原酸如：盐酸、稀硫酸等介质，其耐腐蚀性与碳钢的耐腐蚀性差别不大，氯离子的应力腐蚀远低于碳钢。因此，工程设计部门应结合现场条件选择合适的材料，避免浪费。在实际生产过程中，奥氏体不锈钢因其良好的硬度和塑性结合而得到广泛应用，其焊接性能优于其他金相不锈钢。设备设计过程中通常使用S30408、S30403不锈钢和S31608、S31603不锈钢。

6.3 材料应用应注意的防腐措施

首先，在设计化工设备的材料选择时，一些设计师往往只考虑酸、碱等强腐蚀性介质，而忽略了水、大气等常见介质的腐蚀风险[9]。奥氏体不锈钢在含有极少量氯化离子的环境空气中，也会发生应力腐蚀。其次，一些设计师没有准确考虑设备结构对腐蚀的影响。由此在设计中，应尽可能减少结构空间，在不可避免的关键部位，应通过添加缓蚀剂来填充和保护空间，同时设备的设计必须避免死角等结构缺陷。

7 结语

综上所述，在化工设备的设计中，材料的选择是非常重要的，它直接关系到化工设备的质量。技术人员和工程设计人员应根据化工设备使用的材料进行具体分析和研究，并根据材料的特性和化工设备的生产条件，合理选择材料，从而在实际应用过程中充分发挥其优势和特点，合理保证化工设备的产品质量，延长化工设备的使用寿命，对促进石化行业的健康发展具有十分积极的意义。