第二篇-化工设备设计基本(第七章--概述)

第二篇化工设备设计基础问题的提出：（一）设备是工艺的基础（二）材料是设备的基础化工生产过程不仅取决于化学工艺过程，而且与化工机械密切相关。化工机械分为化工设备和化工机器，本课程主要介绍化工设备。第七章概述第一节化工容器结构与分类一、化工容器的基本结构化工设备的适用场合不同，设备内部的结构也不同，但它们都有一外壳，这一外壳称为化工容器。不同类型的化工容器虽然服务对象不同、操作条件各异、结构形式多样,但大多是能承受一定压力且容积达到一定数值的密闭容器，化工容器又称压力容器。1.化工容器的概念2.化工容器的结构组成化工容器常见的结构由：筒体、封头、支座、密封装置、开孔以及各种工艺接管和附件等。图7-1化工容器的结构简图二、化工容器的分类(1)内压容器:容器器壁内部的压力高于容器外表面所承受的压力。低压容器（L）0.1MPa≤P1.6MPa中压容器（M）1.6MPa≤P10.0MPa高压容器（H）10.0MPa≤P100MPa超高压容器（U）P≥100MPa(2)外压容器:容器器壁外部压力大于内部所承受压力。容器内压力小于一个大气压(0.1MPa)时称为真空容器。1.按压力等级分2.按压力容器的原理与作用分（1）反应压力容器（R）：主要用于完成介质的物理、化学反应的压力容器。代表设备：反应器、分解塔、合成塔（2）换热压力容器（E）：主要用于介质热量交换的压力容器。代表设备：换热器、余热或废热锅炉、冷凝器、蒸发器等。（3）分离压力容器（S）：主要用于介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器。代表设备：分离器、过滤器、缓冲器、干燥器等。（4）储存压力容器（C，球罐B）：主要用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器。代表设备：液化石油气储罐、液氨储罐、球罐、槽车等1、常温容器壁温-20℃~200℃2、高温容器指壁温达到材料蠕变温度下工作的容器。碳钢420℃;合金钢450℃;奥氏体不锈钢550℃3、中温容器指壁温在常温和高温之间的容器；4、低温容器指壁温低于一20℃条件下工作的容器。其中-20℃~-40℃(浅冷容器)低于-40℃者为(深冷容器)3.按容器壁温分4.按容器壁厚分根据容器器壁的厚度不同，将压力容器又可分为：薄壁容器和厚壁容器。判别条件如下：（1）径比K=D0/Di≤1.2为薄壁容器（2）径比K=D0/Di＞1.2为厚壁容器D0—容器外径Di—容器内径5.其它分类（1）支承形式；（2）材料；（3）几何形状6.按安全技术管理综合分类《压力容器安全技术监察规程》，综合考虑了设计压力、几何容积、材料强度、应用场合和介质危害程度等影响因素。Ι对容器的设计、制造、检验、使用和管理要求愈高。ⅡⅢ高压(MPa)10≤p100反应储存分离三类容器二类容器换热中压(MPa)1.6≤p10反应储存分离一类容器换热低压(MPa)0.1≤p1.6≥0.2≥10≥0.5PV值MPa·m3高度、极度毒性易燃、中度毒性非易燃无/轻毒介质性质压力容器类别简易判断表反应压力容器图1-2高压反应器图1-3合成塔图1-4吸收塔压力容器实例：换热压力容器图1-5列管式换热器图1-6大型集成换热器图1-7蒸发器图1-8废（余）热锅炉分离压力容器图1-9双介质过滤器图1-10旋膜式除氧器储存压力容器图1-11液氨储罐图1-12高位储罐图1-13球形储罐一、化工生产的特点1.生产的连续性强；2.生产的条件苛刻；介质腐蚀性强；温度和压力变化大。3.介质大多易燃易爆有毒性；4.生产原理的多样性：“三传一反”；5.生产的技术含量高先进的工艺、设备、控制与检测—学科综合。第二节容器机械设计的基本要求（一）安全性能要求1.强度：构件在外力作用下抵抗破坏的能力；2.刚度：构件在外力作用下保持形状的能力;3.稳定性：构件在外力的作用下突然丧失保持原有形状的能力；4.耐久性：指设备的可使用年限;5.密封性：保持介质不泄露的能力；6.其他方面：抗腐蚀能力；良好的韧性等。二、化工生产对设备的基本要求（二）工艺、使用、经济性能要求1、达到工艺指标；2、生产效率高、消耗低；3、结构合理、制造简单；4、运输与安装方便；5、操作、控制、维护简便；6、产品总成本低：基建投资、日常维护、操作费，管理成本等。第三节容器的标准化设计一、标准化的意义•设计—无需计算和制图，按已有标准图选择。•制造—有利于成批生产，降低成本，保证产品质量，提高竞争力。•维修—备件规格尺寸通用，实现互换性。•通商贸易—国内、国际间通用，消除贸易障碍。我国已实现容器零部件标准化的有：圆筒体、封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜和液面计等。二、容器零部件标准化的基本参数1.公称直径DN将容器及管子直径加以标准化以后的标准直径。1)压力容器：筒体及封头的内径；2)管子：管子的公称通径；3)其它零部件2.公称压力PN规定的标准压力等级公称直径DN1)压力容器(筒体、封头)的公称直径：由钢板卷制的筒体，公称直径是指它的内径；当筒体的直径较小，直接采用无缝钢管制作时，容器的公称直径应是指无缝钢管的外径；封头的公称直径与筒体一致。2)管子：公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管于外径的一个数值。只要管子的公称直径一定，它的外径也就确定了，而管子的内径则根据壁厚的不同有多种尺寸，它们大都接近于管子的公称直径。3)其它零部件的公称直径：有些零部件的公称直径，如压力容器法兰，鞍式支座等就是指与它相配的筒体与封头的公称直径。而管法兰、手孔等则是指与它相配的管子的公称直径。★化工设备选材的重要性和复杂性1.操作条件的限制2.制造条件的限制3.材料自身性能的限制★选材要遵循适用、安全和经济的原则。第四节化工容器常用金属材料的基本性能一、材料的性能1.加工工艺性能（制造性能）材料在加工制造过程中表现出来的特性。(1)可焊性：少的焊接缺陷;(2)可锻性：不发生热脆;(3)可塑性：优良的塑性加工性能;(4)机械加工性能：保证好的切削性。2.使用性能材料在使用过程中表现出来的特性。(1)物理性能；(2)化学性能；(3)力学性能。3.力学性能材料在外力(或外加能量)作用下抵抗外力所表现的行为，包括变形和抗力，即在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。硬度强度塑性韧性疲劳材料在交变载荷作用下，会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了，这种现象就是疲劳。我们把）经过106~108次循环试验而不发生断裂的最大应力，作为疲劳强度。（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性。持久强度σD蠕变强度σnt屈服强度σs(σ0.2)抗拉强度σb疲劳极限σn（2）塑性：金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。主要有两个塑性指标：延伸率δ：断面收缩率Ψ：%100%100000lllllKK%100%100000FFFFFKK（3）硬度：金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。布氏硬度HB（一般在HB450以上就不能使用)洛氏硬度HR(可以用于硬度很高的材料)维氏硬度HV(比洛氏硬度更适合于测定极薄试样的硬度)。（4）韧性：表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。承受静载荷抗裂纹扩展的能力——缺口敏感性承受动载荷时抗裂纹的能力——冲击韧性韧性高的材料，塑性好；塑性较高的材料，韧性也好？问题判断正误并说出理由注意！韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。韧性高的材料，一般都有较高的塑性指标；但塑性较高的材料，却不一定都有高的韧性。其所以如此，就是因为静载荷下能够缓慢塑性变形的材料。在动载荷下不一定能迅速塑性变形。材料在交变载荷作用下，会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了，这种现象就是疲劳。我们把经过106~108次循环试验而不发生断裂的最大应力，作为疲劳强度。（5）疲劳反映材料抵抗疲劳能力的指标主要是疲劳极限σD。材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位，但使用时要考虑温度的变化。小结sTTs蠕变：长期在高温下工作的容器，材料内部的应力在远低于屈服点时，容器会发生缓慢的、连续不断的塑性变形，即为蠕变。长期的蠕变将使设备产生过大的塑性变形，最终导致破坏。(6)材料的高温蠕变：二、物理性能三、化学性能1.耐腐蚀性：金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力。2.抗氧化性：在高温工作条件下，设备不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气体介质（如水蒸气，CO2、SO2等）的氧化腐蚀作用。相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数、泊桑比等。四、工艺性能金属和合金的加工工艺性能是指铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能等。对于设计压力容器最重要的两个性能是：1.良好的冷热加工性能例A：用钢板卷制筒体，如果不好会发生裂纹，存在事故的隐患。例B：冲压封头，微裂纹或宏观裂纹，都会使以后的生产造成事故。2.良好的焊接性能例：容器焊缝裂纹扩展，易造成事故。