化工设备基础

1化工设备机械基础B化学与生物工程学院化工教研室姚金环2012年9月2化工设备储罐换热设备塔设备反应釜3储槽4储槽5储槽6浮头式换热器7套管式换热器8螺旋板式换热器9U型管式换热器10精馏塔11精馏塔12喷淋式吸收塔13吸收塔14萃取塔15离心式干燥塔16反应釜17反应釜181、这些设备要满足什麽生产工艺要求？结构如何才可以？2、用什麽材料，如何制作出来的？3、抵抗压力，温度的能力如何？——安全性如何？4、经济性如何？19一、主要内容1.化工设备常用材料（8学时）—简介化工设备常用材料性能、分类、热处理方法；2.中、低压化工容器设计（26学时）—薄膜理论；内、外压容器设计方法、容器零部件设计（自学）；3.典型化工设备机械设计（12学时）—管壳式换热器、塔设备以及搅拌器的机械设计方法。4.复习答疑（2学时）20二、学习本课程的目的与要求目的基本掌握化工设备常用材料的主要性能及选用方法；基本掌握中低压、外压容器及典型化工设备的设计方法。要求重点掌握——设计概念及方法；掌握——化工设备的结构特点；领会贯通——课堂上讲授的内容。21三、使用的教材及主要参考书使用的教材：《化工设备机械基础》(第六版），刁玉玮、王立业编著；主要参考书：《工程材料》闫康平编著化学工业出版社，2001。《化工容器及设备》卓震编著中国石化出版社1998《化工设备设计》聂清德编著化学工业出版社199122第一篇化工设备材料第一章化工设备材料及其选择1.1概述化工设备的使用环境压力：真空—低压—中压—高压—超高压温度：低温—常温—中温—高温介质：腐蚀性；易燃；易爆；有毒；剧毒。23选用材料的一般要求材料品种应符合我国资源和供应情况；材质可靠，能保证使用寿命；要有足够的强度，良好的塑性和韧性以及抗腐蚀性；便于制造加工，焊接性能良好；经济上合算。241.2金属材料的性能一、力学性能在外力（外加能量）作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等指标。金属材料在外力作用下所引起的变形和破坏过程，分为：弹性变形阶段弹-塑性变形阶段断裂251.强度及其指标固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。例如：※容器爆裂；※管道破裂；※地脚螺栓拉断；※炉管爆裂；…..——强度不够！断裂脆性断裂：断裂前没有明显塑性变形阶段韧性断裂：发生大量塑性变形之后才发生断裂26金属材料的重要强度指标（1）屈服点（s）屈服现象：金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形。屈服点（s）：材料发生屈服现象时的应力，即发生塑性变形时的应力。单位：MPa。一些合金没有明显的屈服点，规定发生0.2%残余伸长时的应力，作为“条件屈服点”。记作0.2。ssopF0.20.2opF27（2）抗拉强度(b)抗拉强度(b)：金属材料在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值。由于外力形式的不同，有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪切强度等。抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标，是试件拉断前最大载荷下的应力。以b表示，单位MPa。屈强比：s/b。屈强比小，表明材料具有较大的塑性储备。但屈强比太小，材料的强度水平不能充分发挥。bboPF28（3）蠕变极限（n）“蠕变”现象：在高温时，在一定的应力下，应变随时间而变化的现象，或金属在高温和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象。例如：由于存在蠕变，高温高压的蒸汽管道的管径随时间的延长不断增大，壁厚减薄，最后可能导致断裂；高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；铅丝在高温下受重力作用而变长变细。“蠕变极限”：材料在高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力，以n表示，单位MPa。材料的蠕变极限与温度、蠕变速度有关。29（4）持久强度（D）持久强度（D）：在给定温度下，促使试样或工件经过一定时间发生断裂的应力，以D表示，单位MPa。它是一定温度和一定应力下，材料抵抗断裂的能力。材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。规定：化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。30（5）疲劳强度（-1）疲劳现象：构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，这种交变载荷，使金属材料在应力远小于屈服点时就发生断裂。“疲劳极限”：构件或零件在无数次交变载荷作用下不致断裂的最大应力。表示符号：-1(MPa)。例如：频繁开、停车——容器内压力或温度波动；活塞式压缩机压缩气体——容器及管道内压力波动；离心泵频繁开停机或震动——泵轴受力成交变式。312.塑性及其主要指标塑性：金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。塑性指标：金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。因塑性不足引起材料破坏的例子：◎锻件裂纹；◎卷板裂纹；◎焊缝热影响区裂纹32主要指标(1)延伸率（δ）：试件受拉力断裂后，总伸长长度与原始长度之比的百分率。000100%100%KKlllll33（2）断面收缩率（）：试件断裂后，断面缩小的面积与原始面积之比的百分率。000100%FkkFFFF式中：试件的原始截面积；断裂后试件的最小截面积。34（3）冷弯角室温下对试板以一定的内半径（R=0.5～3板厚）进行弯曲，=120°或180°，是否出现裂纹或起层。—是衡量金属材料和焊缝塑性的指标之一。35塑性指标的实际意义良好的塑性可顺利地进行某些成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；良好的塑性使零件在使用中能由于塑性变形而避免突然断裂。——压力容器及其零件都需要具备这个性质。363.硬度金属材料表面上不大的体积内抵抗其它更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力。硬度反映材料弹性、强度、塑性和韧性等的综合性能指标。硬度试验示意图37常用硬度指标布氏硬度（HBS、HBW);洛氏硬度（HRA、HRB、HRC);维氏硬度（HV)肖氏硬度（HS）等。硬度与强度之间存在一定关系，可以根据硬度的大小估计材料的抗拉强度。384.冲击韧性及指标冲击韧性是衡量材料韧性的一个指标，是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常以标准试样的冲击吸收功。目前，工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属承受冲击载荷的能力。KA看看冲击试验K39摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功（试件所吸收的功）冲击韧性值的试验确定吸收功的高低取决于材料能否迅速塑性变形的能力。1212(),N.mKAGHGHGHH单位是KKAF40材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其冲击韧性不一定高。冲击韧性与塑性的区别：415.缺口敏感性——在带有一定应力集中的缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力。韧性范畴——静载荷下抵抗裂纹扩展的性能。冲击韧性？——是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。缺口敏感性一般也是通过试验方法测定。附录中列举了一些材料的力学性能。42二、物理性能1lllt—相对密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊松比等。rmtclE1.线膨胀系数金属及合金受热时，一般说来体积都要胀大（即几何尺寸都要伸长），这一特性成为热膨胀性。通常应用线膨胀系数来定量，以表示。ll化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：43特别注意：（1）异种钢的焊接，要考虑它们的线膨胀系数是否接近，以避免应膨胀量不等而使构件变形或损坏。（2）一些设备的衬里及组合件，要注意材料的线膨胀系数要和基体材料相同或接近，防止受热后因膨胀量不同而松动或破环。442.弹性模量E与泊松比μ弹性模数E：材料在弹性范围内，应力和应变成正比，这个比例系数E称为弹性模量，即单位N/m2，它直接表示金属材料在弹性变形阶段的应力和应变关系。它是金属材料对弹性变形抗力的指标，是衡量材料产生弹性变形难易程度的。同一种材料，E随着温度升高而降低。泊松比μ：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比。各种钢材近乎为μ=0.3。常用金属材料的性质见表1-2和书后附录E45三、化学性能—金属材料在所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。主要考虑的化学性能：1.耐腐蚀性——对介质侵蚀的抵抗能力；2.抗氧化性——在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、CO2、SO2等。常用金属材料在不同温度和酸碱盐类介质中的耐腐蚀性见表1-346四、加工工艺性能工艺性能铸造性锻造性焊接性切削加工性热处理性能这些性能直接影响化工设备及零部件的制造工艺方法，也是选材时必须考虑的因素—指在保证加工质量的前提下加工过程的难易程度。471.3金属材料的分类及牌号一、分类钢普通钢优质钢高级优质钢（1）生铁—炼钢生铁、铸造生铁（铸铁）、合金生铁（2）钢a.按质量分类：金属材料黑色金属有色金属1.黑色金属48钢碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢b.按化学成分分类：49钢沸腾钢镇静钢半镇静钢c.按冶炼方法分类：钢平炉钢转炉钢电炉钢钢酸性钢碱性钢d.按炼钢时脱氧情况和锭模型式不同50钢建筑钢结构钢弹簧钢特殊性能钢工具钢轴承钢碳素结构钢合金结构钢不锈钢耐热钢e.按用途分类：512.有色金属铜及其合金纯（紫）铜黄铜（铜锌合金）锡青铜（铜锡合金）铝青铜（无锡青铜）按合金成分分类：52其他有色金属及其合金铅、锡及其合金锌及其合金镍、钴及其合金轻金属及其合金铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金53二、钢铁牌号及表示方法1.牌号表示原则依据国家标准（GB/T221-2000）的规定，牌号中化学元素用化学符号或汉字表示；产品用途、冶炼和浇注方法用汉字或汉语拼音字母并用的原则。例如：沸腾钢——F或沸灰口铸铁——HT或灰铁铸钢——ZG锅炉钢——g或锅容器钢——R或容※钢铁产品用途、冶炼和浇注方法表示法可查阅书13页表1-4542.钢号表示法例：优质碳素钢——08F20R沸腾钢含碳量为0.08%；容器钢含碳量为0.2%普通碳素钢——Q235-A·F沸腾钢等级为A钢材屈服点(MPa)屈服点屈字的拼音首位字母※钢号表示法见书13页表1-5·55低合金钢——16MnR16——含碳量0.16%；Mn——合金元素；R——容器钢。特殊性能钢——1Cr18Ni91——含碳量0.1%（千分数）；Cr,Ni——主要合金元素；18——含铬量18%；9——含镍量9%。56铸铁、铸钢牌号表示方法：HT300-540抗弯强度，MPa抗拉强度，MPa灰铸铁QT600-2延伸率，%抗拉强度，MPa球墨铸铁ZG200-400抗拉强度，MPa屈服点，MPa铸钢571.4碳钢与铸铁钢和铸铁的组成=95%以上铁+（0.05～4%）碳+1%杂质——铁碳合金含碳量0.02~2%为钢；含碳量＞2%为铸铁；含碳量＜0.02%为工程纯铁，很少使用；含碳量＞4.3%，铸铁太脆无实际应用价值。58一、铁碳合金的组织结构1.金属的组织与结构在低于1500倍的显微镜下观察到的金属的晶粒，称为金属的显微组织，简称组织；用X光和电子显微镜可以观察到金属原子的各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构。金属内部的微观组织和结构直接影响金属材料的性质。如，灰铸铁中的石墨组织形式不同，其性质也不同。细片状石墨：次之粗片状石墨：差球状石墨：强度最好59纯铁在不同温度下的晶体结构：60612.纯铁的同素异构转变（面心立方晶格）（体心立方晶格）固态下铁原子重新排列910℃FeFe这种在固态下晶体结构随温度变化的现象，称“同素异构转变”。623.铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁碳关系：固溶体，化合物，混合物固溶：元素于固态下相互溶解，保持溶剂晶格原来形式。（1）铁素体（F）体心立方晶格（α-Fe）+C铁素体（固溶体）塑性和韧性好，强度和硬度低（2）奥氏体（A）面心立方晶格+C奥氏体（固溶体）强度、硬度高，塑性低，韧性好且无磁性63——铁碳关系之二：化合物C+Fe→Fe3CFe3C称为渗碳体。性能特点：硬、脆；在一定条件下可以分解（3）渗碳体（C）游离石墨