化工设备设计概述.ppt

1、1,第二篇 化工设备设计基础,7 概 述,2,7 概 述,3,7 概 述（续）,4,7 概 述（续）,7.1 容器的结构与分类,5,7 概 述（续）,1、容器的结构 反应设备、换热设备、分离设备和储运设备 （1）反应设备 用来完成介质物理、化学反应。 如反应器、发生器、反应釜、 聚合釜、分解塔、合成塔、 交换炉等。,6,7 概 述（续）,（2）换热设备 用来完成介质的热量交换。如热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、废热锅炉等。,管壳式换热器,7,7 概 述（续）,（3）分离设备 完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等。如分离器、过滤器、缓冲器、洗涤器、吸收塔、干燥塔等。,吸收塔,8,7 概 述（

2、续）,（4）储运设备 盛装生活和生产用的原料气体、液体、液化气等。如各种储罐、储槽、高位槽、计量槽、槽车等。,球 罐,9,容 器设备外部壳体的总称，凡含有压力介质的 封闭容器都被称做压力容器。,7 概 述（续）,1-法兰 2-支座 3-封头拼接焊缝 4-封头 5-环焊缝 6-补强圈 7-人孔 8-纵焊缝 9-筒体 10-压力表 11-安全阀 12-液面计,10,7 概 述（续）,11,7 概 述（续）,2、容器的分类,（1）按容器形状分类 方形和矩形容器平板焊成，制造简单，承压能力差，只用作常压或低压小型贮槽。 球形容器由数块弓形板拼焊而成，承压能力好，但由于安装内件不便和制造稍难，一般多用作

3、储罐。 圆筒形容器由圆柱形筒体和各种回转形成形封头（半球形、椭球形、蝶形、圆锥形等）或平板形封头所组成。作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，应用最广。,12,7 概 述（续）,图 赤道正切柱式支承单层壳球罐 1-球壳；2-液位计导管；3-避雷针； 4-安全泄放阀；5-操作平台；6-盘梯； 7-喷淋水管；8-支柱；9-拉杆,13,7 概 述（续）,外直径与内直径的比值 (Do/Di)max1.1-1.2,薄壁圆柱壳或薄壁圆筒,厚壁圆柱壳或厚壁圆筒,外直径与内直径的比值 (Do/Di)max 1.1-1.2,（2）按容器的厚度分类 薄壁容器和厚壁容器,（D0容器外径

4、，Di容器内径，容器厚度）,14,7 概 述（续）,（3）按承压性质和能力分类,承压 方式,内压容器,外压容器,当容器的内压力小于一个绝对大气压（约0.1MPa）时又称为真空容器,中压(M)容器 1.6 MPap10.0 MPa,高压(H)容器 10 MPap100 MPa,超高压(U)容器 p100MPa,低压(L)容器 0.1 MPap1.6 MPa,按照设计压力P,15,7 概 述（续）,（4）按壁温分类 常温容器壁温在 -20200条件下工作的容器。 高温容器指壁温达到材料蠕变温度的容器，对碳素钢、低合金钢 T420，其他合金钢T450，奥氏体不锈钢T550，均属高温容器。 中温容器在

5、常温和高温之间。 低温容器壁温低于-20，其中 -20-40 为浅冷容器，-40为深冷容器。,16,7 概 述（续）,（5）按支承形式分类 卧式容器和立式容器。 （6）按结构材料分类 有金属制的和非金属制的两类。 金属应用最多的是低碳钢和低合金钢。 非金属材料既可作容器衬里，又可作独立构件。常用的有硬聚乙烯、玻璃钢、不锈钢石墨、化工搪瓷、化工陶瓷、砖、板、花岗岩、橡胶衬里等。,17,7 概 述（续）,（7）按安全技术管理分类,三类容器,第一类压力容器,第三类压力容器,压力容器安全技术监察规程将容器分为三类： （1）压力（ P ） （2）压力与容积的乘积（PV） （3）介质危害程度 （4）容器的

6、作用,第二类压力容器,分类依据,18,7 概 述（续）, 第三类压力容器,具有下列情况之一的，为第三类压力容器:,a高压容器；,b中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；,c中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于10MPam3）；,d. 中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于0.5MPam3）；,19,7 概 述（续）,f高压、中压管壳式余热锅炉；,g中压搪玻璃压力容器；,h使用强度级别较高的材料制造的压力容器；,（指相应标准中抗拉强度规定值下限540MPa）,e低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于等于0.2M

7、Pam3）；,20,7 概 述（续）,j球形储罐（容积大于等于50m3）,k. 低温液体储存容器（容积大于5m3）,i移动式压力容器,铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）,罐式汽车液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车,罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体等）,21,7 概 述（续）, 第二类压力容器,具有下列情况之一的，为第二类压力容器:,a中压容器；,b低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；,d低压管壳式余热锅炉；,e低压搪玻璃压力容器。,c低压反应容器和低压储存容器 （仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；,22,7 概 述（续）, 第一类压力容

8、器,除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。,23,7 概 述（续）,24,7 概 述（续）,7.2 容器机械设计的基本要求,容器的总体尺寸（例如反应釜釜体容积的大小，釜体长度与直径的比例，传热方式及传热面积的大小；又如蒸馏塔的直径与高度，接口管的数目，方位及尺寸等），一般是根据工艺生产要求，通过化工工艺计算和生产经验决定的。这些尺寸通常称为设备的工艺尺寸。,25,7 概 述（续）,当设备的工艺尺寸初步确定之后，可进行结构、强度设计，设计时应满足：,1、强度不发生破坏 如焊缝开裂，筒体爆破，螺栓拉断等。 2、刚度不发生过大变形 如塔体倾斜，塔盘下凹等。 3、稳定性不发生瘪塌或褶皱 如卧式容器

9、支座之间的筒体发生瘪塌，气柜抽负瘪塌，塔体支座在起吊时发生瘪塌等。,26,7 概 述（续）,4、耐久性保证使用寿命 一般化工设备设计使用寿命为1015年。高压容器，因制造成本较高，为2025年。大多取决于腐蚀情况，有些取决于疲劳、蠕变或振动。 5、密封性包括内漏和外漏,27,7 概 述（续）,6、节省材料，便于制造 尽可能降低材料消耗。尤其是贵重材料的消耗，在考虑结构时应使其便于制造，保证质量。应尽量减少或避免复杂的加工工序，尽量减少加工量。在设计时应尽量采用标准设计和标准零部件。 7、方便操作和便于运输 化工设备的结构应考虑操作方便，及安装、维护、检修方便（人孔、手孔位置）。在化工设备的尺寸

10、和形状上还应考虑到运输的方便和可能性。,28,7 概 述（续）,压力容器设计要求,刚度,稳定性,节省材料便于制造,方便操作 便于运输,耐久性,密封性,强度,29,7 概 述（续）,7.3容器的标准化设计,1、 标准化的意义 （1）从产品的设计、制造、检验和维修等诸多方面来看，标准化是组织现代化生产的重要手段。 a）实现标准化，有利于成批生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本，从而提高产品竞争能力； b）实现标准化，可以增加零部件的互换性，有利于设计、制造、安装和维修，提高劳动生产率。,30,7 概 述（续）,（2）标准化为组织专业化生产提供了有利条件，有利于合理地利用国家资源，节省原材料，

11、能够有效地保障人民的安全与健康。 （3）采用国际性的标准化，可以消除贸易障碍，提高国际竞争能力。,31,7 概 述（续）,2、容器零部件标准化的基本参数,压力容器的直径和操作压力是由工艺条件确定。 压力容器及其零部件标准化的基本参数 公称直径（又称公称通径）DN 公称压力 PN。,32,7 概 述（续）,公称直径，也称为公称通径，用“DN”表示 为使用方便将容器及管子标准化以后的标准直径 对用钢板卷制的圆筒公称直径指其内径 对用无缝钢管制作的圆筒公称直径指钢管外径 对管法兰公称直径指与其相连接的管子的名义直径，也就是管件的公称通径，它既不是管子的内径，也不是管子的外径，而是接近内外径的某个整数

12、。 压力容器法兰的公称直径指与法兰相配套的容器或封头的公称直径。,33,7 概 述（续）,34,7 概 述（续）,4分、6分、1寸是英制说法即英寸。 普通4分管12-管内径15mm；外径21.3mm ，壁厚2.75mm 普通6分管34-管内径20mm ;外径26.8mm，壁厚2.75mm 普通1吋管1-管内径25.4mm；外径33.5mm，壁厚3.25mm 壁厚误差+12%；-15%，外径偏差正负0.5mm,35,7 概 述（续）,法兰的公称压力 指某种材料制造的法兰，在一定的温度下所能承受的最大工作压力，用“PN”表示，是法兰承载能力的标志。压力容器法兰的公称压力是指在规定的螺栓材料和垫片的

13、基础上，16MnR材料制造的法兰，在200时所允许的最大工作压力。,36,7 概 述（续）,7.4 化工容器常用金属材料的基本性能,化学工业是多品种的基础工业，为了适应化工生产的多种需要，化工设备的种类很多，设备的操作条件也比较复杂。 按操作压力，有真空、常压、低压、中压、高压和超高压； 按操作温度，有低温、常温、中温和高温； 处理的介质大多数具有腐蚀性，或为易燃、易爆、剧毒等。 对于某种具体设备来说，往往既有温度、压力要求，又有耐腐蚀要求，而且这些要求有时还是互相矛盾的，有时某些条件又经常变化。,37,7 概 述（续）,选择材料的一般要求： （1）供货情况好（如符合中国资源和供应情况）较易获

14、得； （2）材质稳定性好，能保证使用寿命； （3）要有足够的强度、一定的塑性和韧性，对腐蚀性强介质能耐腐蚀，且须满足不同使用场合的特殊要求； （4）便于制造加工，焊接性能良好； （5）经济上合算。,38,7 概 述（续）,1、力学性能,材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。 压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性、刚性和冲击韧性等。,39,7 概 述（续）,（1）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征。 常用的强度指标 屈服极限 S （或0.2）和强度极限 b ，在交变载荷作用下的持久极限r，这是容器设计计算中用以确定需用应力

15、的主要依据。,40,7 概 述（续）,屈强比 屈服极限S与强度极限b之比，反映材料屈服后强化能力的高低。 屈强比愈低表示屈服后仍有较大的强度裕量，高强度钢的屈强比数值较高，可达0.8 以上，而低强度钢的屈强比可低到0.6 以下。 持久强度 指钢材在设计温度下经10 万小时断裂的持久强度的平均值。,41,7 概 述（续）,延伸率：试样在拉断后的总伸长量与试件原长之比值的百分率。标距是直径的5倍5和10倍10。 断面收缩率：试样在拉断后的断口面积的缩小同原断面面积之比的百分率。,（2） 塑性 金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 常用的塑性指标：断后伸长率和断面收缩率。,表明钢材被拉断时

16、的拉长程度,表明钢材被拉断时的拉细程度,42,7 概 述（续）,（3）韧性 材料对缺口或裂纹敏感程度的反映。 韧性好的材料即使存在宏观裂纹或缺口而造成应力 集中时，也具有相当好的防止发生脆性断裂和裂纹 快速失稳扩展的能力。 常用韧性指标： 冲击韧性、脆性转变温度、断裂韧性,43,7 概 述（续）,冲击韧性衡量材料韧性的指标之一，可用带V 形缺口的冲击试样在冲击试验机中所吸收的能量k 作为冲击韧性值，其单位为焦耳每平方米（J/m2）。 （标准一般直接采用冲击功AKV,而较少采用k值。）,44,7 概 述（续）,脆性转变温度 冲击韧性k数值随温度降低而减小，在某一温度区间内k数值突然明显下降，材料

17、变脆，当脆性断裂占总面积50%所对应的温度为脆性转变温度。 断裂韧性 含裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展的能力。可用裂纹失稳扩展从而导致断裂时的应力强度因子临界值 KIC 表示。该断裂韧性值可以衡量材料的韧性情况，即可以看出存在裂纹时材料所具有的防脆断能力。,45,7 概 述（续）,（4）硬度 钢材抵抗压入物压陷的能力。 布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC） 、维氏硬度（HV） 、肖氏硬度（HS） 、显微硬度等。 表征材料表面局部区域抵抗压缩变形和断裂能力 硬度是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。,46,7 概 述（续）,布氏硬度 以直径为D（10mm，5mm 或2

18、.5mm）的钢球，在压力F（N）下压入金属表面而测得。 大部分金属硬度和强度之间有一定的关系，因而可用硬度近似地估计抗拉强度值。 根据经验，其关系为： 低碳钢 b 0.36HBS 高碳钢 b 0.34HBS 灰铸铁 b 0.1HBS,47,7 概 述（续）,（5）材料在高温下的力学性能 一般金属材料的力学性能 随温度的升高会发生显著的变 化。通常是随着温度的升高， 金属的强度降低，塑性提高。,48,7 概 述（续）,蠕变在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象；或者金属在高温和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象。, 蠕变极限n ：反映材料高温下的变形问题。在一定温度下，产生10-7mm/mm.hr蠕变速度的应力值。即在该温度下经过10万小时（约12年）产生1%总变形的应力值。 持久极限D ：反映材料高温下的断裂性能。在一定温度下，经过规定的工作期限（10万小时）后产生断裂时的应力值。,49,7 概 述（续）,2、物理性能,金属材料的物理性能有 相对密度、熔点、热膨胀系数、导热系数和导电性等。 使用时可查有关手册。,50,7 概 述（续）,3、化学性能,材料在所处介质中的化学稳定性，即材料是否会与介质发生化学和电化学反应而引起腐蚀。 （1）耐腐蚀性 金属和合金对周围介质（如大气、水、土壤、各种电解液）侵蚀的抵抗能力。 用腐蚀速度来表示，一般认为，介质对