化工设备机械基础培训教程

化工设备机械基础张茂润

安徽理工大学化工学院化工机械的概念:为保证化工生产连续进行的所有设备与机器的总称。设备的的概念:在化工产品生产过程中用于进行化学反应、传质、传热、分离、结晶和贮存物料等装置。常用的化工设备其结构见图(a)、(b)、(c)、(d)。机器的概念:在化工产品生产过程中用于为各种流体提供动力的装置(如各种泵、压缩机、风机等)。设备与机器的区别：研究对象：化工设备的设计理论、设计的基本程序和方法及设计结果的正确表达。(a)带搅拌的反应器

(b)列管式换热器

（c）填料塔

（d）贮罐

化工容器的概念：所有化工设备外部壳体的总称。是设计一切化工设备的基础。化工容器的结构：

筒体、封头、附件（法兰、支座、人孔、手孔等）筒体支座法兰封头人孔工艺接管液面计化工容器设计的主要内容：筒体、封头的强度、刚度、稳定性计算，结构设计；附件选型。化工容器的设计是设计一切化工设备的基础。一、化工容器的分类(1)按几何形状分类矩形容器（优、缺点）圆筒形容器（优、缺点，应用最广）球形容器（优、缺点）、锥形容器（优、缺点）(2)按承压性质分类

外压容器的概念：内压容器：常压容器、低压容器(L)、中压容器(M)、、高压容器(H)、超高压容器(U)。(3)按材料分类金属制容器、非金属制容器。研究对象：钢制的、典型的、常见的中、低、常压容器的设计。容器又分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。二、零、部件设计的机械要求(1)具有一定的强度防止构件在外力作用下被破坏。(2)具有足够的刚度

防止构件在外力作用下发生过大变形。(3)具有充分的稳定性防止构件在外力作用下失去自身几何的形状。

(4)具有一定的耐久性构件具有的使用寿命10-12年。(5)具有良好的密封性防止构件发生泄漏。三、零、部件标准化的意义(1)有利于产品的批量生产、提高产品的质量、降低产品的价格等。(2)有利于零、部件之间的互换，提高劳动效率，降低劳动强度。(3)有利于世界各国之间的技术交流。四、零、部件标准化的基本参数(1)公称直径DN卷制的圆筒公称直径DN系列卷制的圆筒:DN=Di

(内径)管制的筒体:DN=Do(管子的外径)

钢管:DN≠管子内、外径

(2)公称压力PN将化工容器承受的压力划分为若干个标准的压力等级，这一压力等级称为公称压力。公称压力PN(MPa)公称压力的确定：由化工容器的工作压力向标准的压力等级取值。要求：掌握上述基本参数，并会确定其值。0.250.61.01.62.54.06.4101625应用举例例：需要设计计一台体体积为20的的液氨贮贮罐，若若液氨的的工作压压力为1.6;罐体的长长径比为为，，试确确定贮罐罐的。解:（1）罐体体的确确定将罐体视视为筒体体，取，由得得：=1.996（（m），，圆整整,罐体（2）罐罐体的的确定因操作压压力＝1.6，=1.6LDi第一章化化工工设备常常用金属属材料的的基本性性能本章要求求：一、了解解金属材材料的基基本性能能(重点:机械、、耐腐蚀蚀性能)；二、掌握握化工设设备常用用金属材材料牌号号的意义义及用途途；三、了解提高高和改善碳钢钢机械性能和和加工性能的的方法化工生产的特特点：高温、、高压、强腐腐蚀。1.1金金属材料的基基本性能一、机械性能能（重点）(1)机机械强度概概念念、强度指标标（σs、σb）(2)弹弹塑性弹弹塑性指指标（E、δ、Ψ）、制造化工工容器使用材料的δ≥20%。(3)冲击击韧性αK制造化工容器器使用材料的的αK≥24Kgm/cm2(4)硬度度概念、布氏硬硬度HB、洛氏硬度HR的测试方法及及应用。(5)碳钢在在高温下的机机械性能强度、弹塑性性、冲击韧性性、硬度的变变化蠕变现象：(6)碳钢在低温下下的机械性能能rrhFF碳钢在高温下下的机械性能能5101520252001004005003000.10.20.30.40.520040060080020406080100200300400800T(Cº)强度、弹塑性性、冲击韧性性、硬度的变化冷脆现象:二、材料的耐耐腐蚀性能（（重点）耐腐蚀性能的的概念:衡量耐腐蚀性性能的指标：：腐蚀速率V（mm/a）根据腐蚀速率率V的不同，金属属材料分为下下列三类：耐腐蚀材料：：V＜0.05mm/a；尚腐蚀材料：：0.05mm/a≤V＜0.1mm/a；不耐腐蚀材料料：V＞0.1mm/a为了使设计的的化工容器具具有一定的使使用寿命，在在设计截面面尺寸时需考考虑腐蚀裕量C2.C2=使用年限××V（单面腐蚀））；C2=2×使用年年限×V（双面腐蚀））三、物理性能能密度、熔点、、热胀系数、、沸点等。四、加工工艺艺性能金属材料具有有切削、焊接接、铸造、锻锻造等加工的的可能性。制制造化工容器器使用的材料料要求具有良良好的加工工工艺性能，以以便制造方便便。1.2常用金属材料料牌号的意义义及用途制造化工设备备常用金属材材料：碳钢、、合金钢、铸铸铁、有色金金属及其合金金。一、碳钢(1)普通碳碳素钢甲类钢、乙类类钢、特类钢钢,三种钢钢的特点，最最常用的是甲甲类3号钢。甲类钢的牌号号组成：以Q235—AF为例，Q—屈服极限，235—屈服服极限值(MPa)，A—材料的等级级(A、B、C、、D四个等级)，，F—沸腾钢，b—半镇静钢，g—锅炉钢，R—容器钢，Z—镇静钢(一般不写)。(2)优质碳素钢优质碳素钢的的冶炼工艺及及对S、P等杂质的控制制更加严格，其质量量和价格比普普通碳素钢高高，牌号以含含碳量（以万分计）表示示，根据含碳碳量的不同，，优质碳素钢钢可分为三类类优质低碳钢:(C≤0.25%)08、10、、15、20、25。优质中碳钢:(0.25%<C<0.6%)30、35、、40、45、50、55优质高碳钢:(C≥0.6%)60、65、、70。10板材用于于制造垫片，，20、20g板材用于制造造锅炉的外壳，30、35棒材用于于制造螺栓、、螺母，45用于制造传传动轴，60、65、70用于制造造弹簧、刀具具、量具等。。碳钢的耐腐蚀蚀性能较差，，但可以用其其制造的容器器盛放浓硫酸酸、浓硝酸(原因)。。为了提高高碳钢的耐腐腐蚀性能，在碳钢中加入入少量的合金金元素如Mn、Cr、Ni、Ti、V、Si等生成的钢称称为合金钢。。二、合金钢(1)普通低低合金钢制造容器最常常用的牌号有有：16Mn、16MnR、15MnVR、15MnDR牌号各项符号号的意义：以以15MnVR为例，15—含碳量量(以万分计)、Mn—合金元素,其后的的数字为合金金元素含量(以百分计，，低于1.5%不写)，，V—合金元素，R—容器。(2)合金结构钢合金结构钢牌牌号各项符号号的意义与普普通低合金钢钢相似，以20Cr为例：20—含碳量量（以万分计））、Cr—合金元素,其后的数字为为合金元素含含量（以百分分计，低于1.5%不写），合金结结构钢在化工工设备上应用用较少，主要要用于通用机械。(3)不锈钢钢及不锈耐酸酸钢常用的牌号有有：1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni10Ti,00Cr18Ni9Ti牌号号各各项项符符号号的的意意义义：：与与普普通通低低合合金金钢钢相相似似，，但但其其含含碳碳量量以以千千分分计计。。0.8/1000、、0.5/1000、、0.3/1000。。(4)耐热热钢钢牌号号较较多多,每每个个牌牌号号具具有有不不同同的的使使用用温温度度范范围围。。三、、铸铸铁铁铸铁铁的的概概念念:含含碳碳量量为为2.5-4%的铁铁碳碳合合金金。特点点:强强度度、硬度度高高;塑性性、焊焊接接性性能能、、冷冷冲冲压压性性能能差常用用的的铸铸铁铁牌牌号号有有：：灰口口铸铸铁铁(HT)、、球球墨墨铸铸铁铁(QT)、、可可锻锻铸铸铁铁(KT)、、高高硅硅铸铸铁铁(GT)。。牌号号各各项项符符号号的的意意义义，，以以HT150-330为例例：：HT-灰灰口口铸铸铁铁、150-抗抗拉拉强强度度(MPa)、、330-抗抗弯弯强强度度(MPa)。。四、、有有色色金金属属及及其其合合金金（（简简要要介介绍绍））铜、铝铝及及其其合合金金。。1.3提高高和和改改善善碳碳钢钢机机械械性性能能和和加加工工性性能能的的方方法法碳钢钢的的机机械械性性能能和和加加工工性性能能由由碳碳钢钢的的化化学学成成份份和和组组织织结结构构决决定定，，因因此此改改变变其其性性能能的的方方法法如如下下。。一、、调调正正和和控控制制碳碳钢钢的的化化学学成成份份改变变碳碳钢钢的的化化学学成成份份可可以以改改变变其其机机械械和和加加工工性性能能。。（（举举例例说说明明））二、、改改变变碳碳钢钢的的组组织织结结构构热处处理理的的概概念念：：常用用的的热热处处理理方方式式：：退火火，，正正火火，，淬淬火火，，回回火火，，调调质质处处理理。。化学学热热处处理理的的概概念念：：常用用的的热热处处理理方方式式：：渗渗碳碳(S-C)，，渗渗氮氮(S-N)，，碳碳氮氮共共渗渗(C-N)。。三、、冷、、热热加加工工冷加加工工和和热热加加工工可可以以使使材材料料发发生生塑塑性性变变形形，，留留有有残残余余应力力，，材材料料的的机机械械和和加加工工性性能能都都会会发发生生改改变变。。T/℃t加热热保温温冷却却第二二章章内内压压薄薄壁壁容容器器的的应应力力分分析析本章章要要求求：：一、、了了解解回回转转壳壳体体、、中中间间面面、、轴轴对对称称等等的的概概念念；；二、、掌掌握握第第一一曲曲率率半半径径、、第第二二曲曲率率半半径径的的概概念念；；三、、掌掌握握薄薄膜膜应应力力的的基基本本方方程程及及其其应应用用条条件件；；四、、熟熟练练掌掌握握薄薄膜膜应应力力理理论论在在典典型型壳壳体体中中的的应应用用；；五、、了了解解边边缘缘应应力力的的概概念念薄壁壁容容器器的的概概念念:(Do/Di<1.2)厚壁壁容容器器的的概概念念:(Do/Di≥1.2)研究究对对象象：：内内压压薄薄壁壁容容器器的的设设计计。（（原原因因））内压压薄薄壁壁容容器器的的应应力力分分类类:薄壁壁容容器器承承受受内内压压作作用用后后，，产产生生的的变变形形如如图图所所示示。。根据据变变形形的的不不同同应应力力可可分分为为三三类类，，1——远远离离联联接接边边缘缘处处的的两两向向拉拉应应力力，，即薄薄膜膜应应力力(无无力力矩矩理理论论计计算算)。2——联联接接边边缘缘处处的的弯弯曲曲正正应应力力，，即边边缘缘应应力力(有有力力矩矩理理论论计计算算)。3——开开孔孔处处由由于于应应力力集集中中，，产产生生的峰值值应应力力(弹弹性性力力学学理理论论计计算算)。本章章介介绍绍薄薄膜膜应应力力理理论论及及薄薄膜膜应应力力的的计计算算。。p1232.1回转转壳壳体体薄薄膜膜应应力力理理论论一、、基基本本假假设设及及基基本本概概念念1.基基本本假假设设(1)小小位位移移假假设设(2)直直法法线线假假设设(3)不不挤挤压压假假设设2.基基本本概概念念(1)一一般回转壳壳体平面曲线AB绕轴线线O1O2旋转360°得到的几几何体。(2)母线线、经线、、法线曲线AB称称一般回转转壳体的母母线,曲线线AB1称一般回转转壳体的经线，，n称一般回转转壳体在K点的法线线。ABO1O2母线B1B2经线nK法线(3)回转转壳体的中中间面距离壳体外外壁和内壁壁等距离的面称中间间面。(4)回转转壳体的轴轴对称问题题壳体的几何何形状、约约束条件、、承受的载荷荷均关于回回转轴对称称。(5)圆锥锥面、纬线线用圆锥面与与回转壳体体正交(圆锥锥面的经线线与回转壳体的的经线垂直直、圆锥面的底底面与回转转壳体的轴线垂垂直)的交交线。DiSDS纬线圆锥面经线回转壳体(6)第一曲率半半径ρ1、第二曲率率半径ρ2第一曲率半半径ρ1：以经线AB上任一点K为研研究对象，，由于经线线AB为一一平面曲线，，则该曲线线在K点有有一曲率半径，则曲曲率半径称称曲线在K点的第一曲率半径径ρ1。其计算方方法如下：：若经线AB的方程为为，，则第二曲率半半径ρ2：通过K点的的法线作一与经线线AB垂直直的平面，，该平面KABρ1K1KnABK2ρ2与回转转壳壳体体的的中中间间面面相相交交，，交交线线为为曲曲线线，，该该曲曲线线在在K点点也也有一一曲曲率率半半径径，，则则曲曲率率半半径径称称K点点的的第二二曲曲率率半半径径ρ1。第二二曲曲率率半半径径的的中中心心落落在在回回转转轴轴上上。。二、、回转转壳壳体体的的薄膜膜应应力力分分析析回转转壳壳体体承承受受内内压压作作用用后后，，在沿沿经经线线和和纬纬线线方方向向产产生生两两向拉拉伸伸变变形形，，因因此此壳壳体体上上任任一点点在在经经线线和和纬纬线线方方向向产产生生两向向拉拉应应力力。。（（如如图图所所示示））p三、区域域平衡方方程p——介质压力力(MPa)ρ2—第二曲率率半径(mm)S——壁厚(mm)四、微微体平平衡方方程ρ1—第一曲曲率半半径(mm)五、薄薄膜应应力理理论的的应用用条件件(1)壳体体的几几何形形状必必须是是对称称的、、连续续的。。ρ2p(2)壳体体所承承受的的载荷荷必须须是对对称的的、连连续的的。2.2薄膜应应力理理论在在典型型壳体体中的的应用用一、承承受气气压作作用的的圆柱柱壳中径为为D、壁厚厚为S、承受受内压压p作用的的圆柱柱壳。。任意意点A的薄膜膜应力力为：：ADSp由以上上两式式可知知：，，因此此圆柱柱壳的的危险险截面面是纵截面面，破坏坏时沿沿着轴线方方向开开裂。二、承承受气气压作作用的的球壳壳中径为为D、壁厚厚为S、承受受内压压p作用的的球壳壳。任任意一一点A的薄薄膜应应力为为：由以上上两式式可知知：因此球球壳上上任意意横截截面都都是危危险截截面。。ASDp三、承承受气气压作作用的的圆锥锥壳大端径径为D、壁厚厚为S、锥角角为2α、承受受内压压p作用的的圆锥锥壳，，任意意点A的薄膜膜应力力为：：圆锥壳壳上任任意一一点的的薄膜膜应力力随着点点的位位置的的变化化而变变化。。在锥尖尖处：：在锥大大端处处：D2αrmAS四、承承受气气压作作用的的椭球球壳半长轴轴、半半短轴轴分别别为的的椭球壳壳，承承受内内压p作用时时，任任意点A的的薄膜膜应力力为：：由上式式可以以看出出，是是随X而变化化的，，在极极点处处：：且均为为拉应应力；；在赤道道上：：hbaAp当时时，，最大大应力力在极极点上上，当时时，最最大应应力在在极点点和赤赤道上上，但但赤道道上由原来来的拉拉应力力变成成压应应力:当时时，最最大应应力在在赤道道上，，且为为压应应力:五、承承受液液压作作用的的圆柱柱壳(1)置于地地面上上的圆圆柱壳壳距离自自由液液面为为y处A点点的压力力为：：HyADS代入得得：但液体体的重重量通通过底底板传传到地地面上上，圆圆柱壳壳的经经线没没有发生变形，，所以σm=0，因此区域平衡方方程不适用用于承受液压作用用的圆柱壳壳。微体体平衡方程适用于于承受液压压作用的圆圆柱壳，且σθ沿高度方向呈呈线性分布布。σm=0σθ=0(2)悬挂的圆柱柱壳距离自由液液面为y处A点的压力为：在距离自由由液面为y处将圆柱壳截为两两段，取下下段为研究究对象，其受受力如图所所示。∵研究对对象处于平平衡状态∴∑Y=0即:yHDiAS由此可见σm是一常量且且与点的位位置无关。。σθ的计算与置于地面上上的圆柱壳壳相同。应用举例:中径为D、壁厚为S、置于地面上上的圆柱壳壳，壳内气体的的压力为p、液体的密密度为、液体的高高度为h，试计算点A、B两两点的薄膜应力，并画出沿壳壳体高度方方向的应力分分布图。pyABHh解:(1)A点薄膜应力的计算A点的分别为:由得得:由得