7化工设备设计概述

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（续）（4）储运设备盛装生活和生产用的原料气

2、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

3、、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，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

4、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P15 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

5、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

6、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0.2MPam3）；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

7、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

8、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

9、。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

10、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，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

11、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。 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

12、径25.4mm；外径33.5mm，壁厚3.25mm 壁厚误差+12%；-15%，外径偏差正负0.5mm35 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

13、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

14、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

15、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

16、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（H

17、S） 、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2.5mm）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）

18、 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，介质对材料的腐蚀速度0.