第一、二章--化工机械

1、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

2、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、中压容器、高压容,器、超高压容器。 (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

3、容器的 设计。 容器又分为类、类、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

4、的圆筒公称直径 DN 系列,卷制的圆筒: DN = D i (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P N (M Pa) 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。,应用举例： 需要设计一台体积为20 的液氨贮罐，若液氨的工作压力为1.6 ; 罐体的长径比为 ， 试确定贮罐的 。 解:（1）罐体的 确定 将罐体视为筒体，取 ，由 得： =1.996（m）， 圆整 , 罐体 （2）罐体 的确定

5、 因操作压力 1.6 ， = 1.6,L,D i,第一章 化工设备常用金属材料的基本性能 本章要求： 一、了解金属材料的基本性能(重点:机械、耐腐蚀性能)； 二、掌握化工设备常用金属材料牌号的意义及用途； 三、了解提高和改善碳钢机械性能和加工性能的方法 化工生产的特点：高温、高压、强腐蚀。 1.1 金属材料的基本性能 一、机械性能（重点） (1) 机械强度 概念、强度指标,(2) 弹塑性 弹塑性指标 、制造化工容器使 用材料的 。 (3) 冲击韧性 制造化工容器使用材料的 (4) 硬度 概念、布氏硬度HB、洛氏硬度 HR的测试方法及应用。 (5)碳钢在高温下的机械性能 强度、弹塑性、冲击韧性、

6、硬度的变化 蠕变现象： (6)碳钢在低温下的机械性能,r,r,h,F,F,碳钢在高温下的机械性能,5,10,15,20,25,200,100,400,500,300,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,200,400,600,800,20,40,60,80,100,200,300,400,800,T(C),强度、弹塑性、冲击韧性、硬度的变化 冷脆现象: 二、材料的耐腐蚀性能（重点） 耐腐蚀性能的概念: 衡量耐腐蚀性能的指标：腐蚀速率V（mm/a） 根据腐蚀速率V 的不同，金属材料分为下列三类： 耐腐蚀材料：V0.05 mm/a； 尚腐蚀材料：0.05 mm/a V0.1 mm/a ； 不耐

7、腐蚀材料：V 0.1 mm/a 为了使设计的化工容器具有一定的使用寿命，在设计截 面尺寸时需考虑腐蚀裕量C2.,C2=使用年限V（单面腐蚀）；C2=2使用年限V（双面腐蚀） 三、物理性能 密度、熔点、热胀系数、沸点等。 四、加工工艺性能 金属材料具有切削、焊接、铸造、锻造等加工的可能性。制造化工容器使用的材料要求具有良好的加工工艺性能，以便制造方便。 1.2 常用金属材料牌号的意义及用途 制造化工设备常用金属材料：碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及其合金。,一、碳 钢 (1)普通碳素钢 甲类钢、乙类钢、特类钢, 三种钢的特点，最常用的是甲 类3号钢。 甲类钢的牌号组成：以Q235AF为例，Q屈服极

8、限，235屈服极限值(M Pa) ， A材料的等级(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 优质碳素钢的冶炼工艺及对S、P 等杂质的控制更加 严格，其质量和价格比普通碳素钢高，牌号以含碳量（以,万分计）表示，根据含碳量的不同，优质碳素钢可分为三类 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板材用于制造垫片，20、20g板材用于制造锅炉的外 壳，30、35棒材用于制造螺

9、栓、螺母，45用于制造传动轴，60、65、70用于制造弹簧、刀具、量具等。 碳钢的耐腐蚀性能较差，但可以用其制造的容器盛放浓硫酸、浓硝酸 (原因) 。为了提高碳钢的耐腐蚀性能， 在碳钢中加入少量的合金元素如 M n、Cr、Ni、Ti、V、 S i等生成的钢称为合金钢。,二、合金钢 (1)普通低合金钢 制造容器最常用的牌号有： 16Mn、16MnR、15MnVR、15MnDR 牌号各项符号的意义：以15MnVR为例，15含碳量(以万分计)、M n合金元素 , 其后的数字为合金元素含量(以百分计，低于1.5%不写)，V合金元素，R容器。 (2)合金结构钢 合金结构钢牌号各项符号的意义与普通低合金钢

10、相似， 以20Cr为例：20含碳量（以万分计）、Cr合金元素, 其后的数字为合金元素含量（以百分计，低于1.5%不,写），合金结构钢在化工设备上应用较少，主要用于通用 机械。 (3)不锈钢及不锈耐酸钢 常用的牌号有： 1Cr 18Ni 9Ti ,0Cr18Ni 9Ti ,0Cr18Ni 10Ti ,00Cr18Ni 9Ti 牌号各项符号的意义：与普通低合金钢相似，但其含碳量以千分计。0.8/1000、0.5/1000 、 0.3/1000。 (4)耐热钢 牌号较多,每个牌号具有不同的使用温度范围。 三、铸 铁 铸铁的概念:含碳量为2.5-4%的铁碳合金。 特点:强度、硬度高 ; 塑性、焊接性能

11、、冷冲压性能差,常用的铸铁牌号有： 灰口铸铁(HT)、 球墨铸铁(QT)、可锻铸铁( KT )、高硅铸铁(GT )。 牌号各项符号的意义，以HT 150-330为例：HT-灰口铸铁、150-抗拉强度(M Pa)、330-抗弯强度(M Pa)。 四、有色金属及其合金（简要介绍） 铜、铝及其合金。 1.3 提高和改善碳钢机械性能和加工性能的方法 碳钢的机械性能和加工性能由碳钢的化学成份和组织结构决定，因此改变其性能的方法如下。 一、调正和控制碳钢的化学成份 改变碳钢的化学成份可以改变其机械和加工性能。（举例说明）,二、改变碳钢的组织结构 热处理的概念： 常用的热处理方式： 退火，正火，淬火，回火，

12、调质处理。 化学热处理的概念： 常用的热处理方式：渗碳(S-C )，渗氮(S-N )，碳氮共渗(C-N ) 。 三、冷、热加工 冷加工和热加工可以使材料发生塑性变形，留有残余 应力，材料的机械和加工性能都会发生改变。,T/,时间/t,加热,保温,冷却,第二章 内压薄壁容器的应力分析 本章要求： 一、了解回转壳体、中间面、轴对称等的概念； 二、掌握第一曲率半径、第二曲率半径的概念； 三、掌握薄膜应力的基本方程及其应用条件； 四、熟练掌握薄膜应力理论在典型壳体中的应用； 五、了解边缘应力的概念 薄壁容器的概念: ( 1.2) 厚壁容器的概念: ( 1.2) 研究对象：内压薄壁容器的设计。（原因）,

13、内压薄壁容器的应力分类: 薄壁容器承受内压作用后，产生的变形如图所示。 根据变形的不同应力可分为三类， 1远离联接边缘处的两向拉应力， 即薄膜应力 (无力矩理论计算) 。 2联接边缘处的弯曲正应力， 即边缘应力 (有力矩理论计算) 。 3 开孔处由于应力集中，产生 的峰值应力(弹性力学理论计算)。 本章介绍薄膜应力理论及薄膜应力的计算。,p,1,2,3,2.1 回转壳体薄膜应力理论 一、基本假设及基本概念 1. 基本假设 (1)小位移假设 (2)直法线假设 (3)不挤压假设 2. 基本概念 (1) 一般回转壳体 中间面曲线AB绕轴线O1O2旋转 360得到的几何体。 (2)母线、经线、法线 曲

14、线AB称一般回转壳体的母线,曲线AB1称一般回转壳 体的经线，n称一般回转壳体在K点的法线。,A,B,O1,O2,母线,B1,B2,经线,n,K,法线,(3)回转壳体的中间面 距离壳体外壁和内壁等距离 的面称中间面。 (4)回转壳体的轴对称问题 壳体的几何形状、约束条件、 承受的载荷均关于回转轴对称。 (5)圆锥面、纬线 用圆锥面与回转壳体 正交(圆锥面的经线与 回转壳体的经线垂直、 圆锥面的底面与回转壳 体的轴线垂直)的交线。,D i,S,D,S,纬线,圆锥面,经线,回转壳体,(6)第一曲率半径 、第二曲率半径 第一曲率半径 ：以经线AB上任 一点K为研究对象，由于经线AB为一 平面曲线，则

15、该曲线在K点有一曲率 半径，则曲率半径称曲线在K点的第 一曲率半径 。其计算方法如下： 若经线AB的方程为 ，则 第二曲率半径 ：通过K点的法线 作一与经线AB垂直的平面，该平面,K,A,B,K1,K,n,A,B,K2,与回转壳体的中间面相交，交线为曲线，该曲线在K点也 有一曲率半径，则曲率半径称K点的第二曲率半径1 。 第二曲率半径的中心落在回转轴上。 二、回转壳体的薄膜应力分析 回转壳体承受内压作用后， 在沿经线和纬线方向产生两 向拉伸变形，因此壳体上任 一点在经线和纬线方向产生 两向拉应力。 （如图所示）,p,三、区域平衡方程 p 介质压力(M Pa) 第二曲率半径(mm) S 壁厚(m

16、m) 四、微体平衡方程 第一曲率半径(mm) 五、薄膜应力理论的应用条件 (1)壳体的几何形状必须是对称的、连续的。,2,p,(2)壳体所承受的载荷必须是对称的、连续的。 2.2 薄膜应力理论在典型壳体中的应用 一、承受气压作用的圆柱壳 中径为D、壁厚为S、承受内压 p作用的圆柱壳。任意 点A的薄膜应力为：,A,D,S,p,由以上两式可知： ，因此圆柱壳的危险截面是纵截面，破坏时沿着轴线方向开裂。 二、承受气压作用的球壳 中径为D、壁厚为S、承受内压 p 作用的球壳。任意一点A的薄膜应力为： 由以上两式可知： 因此球壳上任意横截面都是危险截面。,A,S,D,p,三、承受气压作用的圆锥壳 大端径

17、为D、壁厚为S、锥角为2、承受内压 p 作用的圆锥壳，任意点A的薄膜应力为： 圆锥壳上任意一点的薄膜应力 随着点的位置的变化而变化。 在锥尖处： 在锥大端处：,D,2,r m,A,S,p,四、承受气压作用的椭球壳 半长轴、半短轴分别为 的 椭球壳，承受内压 p 作用时，任意 点A的薄膜应力为： 由上式可以看出， 是随 X 而变化的，在极点处 ： 且均为拉应力； 在赤道上 ：,h,b,a,A,p,当 时，最大应力在极点上， 当 时，最大应力在极点和赤道上，但赤道上 由原来的拉应力变成压应力: 当 时，最大应力在赤道上，且为压应力: 五、承受液压作用的圆柱壳 (1)置于地面上的圆柱壳 距离自由液面

18、为 y 处A点的压力为：,H,y,A,S,D,代入 得： 但液体的重量通过底板传到地面上，圆柱壳的经线没有 发生变形，所以 ，因此区域平衡方程不适用于承 受液压作用的圆柱壳。 微体平衡 方程适用于承受液压作用的圆柱 壳，且 沿高度方向呈线性分布。,(2) 悬挂的圆柱壳 距离自由液面为 y处A点的 压力为： 在距离自由液面为y处将圆 柱壳截为两段，取下段为研究 对象，其受力如图所示。 研究对象处于平衡状态 Y =0 即:,y,H,D i,A,S,由此可见 是一常量且与点的位置无关。 的计算与置于地面上的圆柱壳相同。 应用举例: 中径为D、壁厚为S、置于地面上的圆柱壳，壳内气体的 压力为p 、液体的密度为 、液体的高度为h ，试计 算点A 、B两点的薄膜应 力，并画出沿壳体高度方 向的应力分布图。,p,y,A,B,H,h,解: (1)A点薄膜应力的计算 A点 的分别为: 由 得: 由 得: (2) B点薄膜应力的计算 B点的压力为： 由 得: 由 得:,2.3 边缘应