化工设备设计概述

1第二篇化工设备设计基础7概述27概述37概述（续）47概述（续）7.1容器的结构与分类57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。

67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77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87概述（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107概述（续）117概述（（续）2、容器的分分类（1）按容器形形状分类方形和矩形形容器——平板焊成，，制造简单单，承压能能力差，只只用作常压压或低压小小型贮槽。。球形容器——由数块弓形形板拼焊而而成，承压压能力好，，但由于安安装内件不不便和制造造稍难，一一般多用作作储罐。圆筒形容器器——由圆柱形筒筒体和各种种回转形成成形封头（（半球形、、椭球形、、蝶形、圆圆锥形等））或平板形形封头所组组成。作为为容器主体体的圆柱形形筒体，制制造容易，，安装内件件方便，而而且承压能能力较好，，应用最广广。127概述（（续）图赤道正正切柱式支支承单层壳壳球罐1-球壳；2-液位计导管管；3-避雷针；4-安全泄放阀阀；5-操作平台；；6-盘梯；7-喷淋水管；；8-支柱；9-拉杆137概述（（续）外直径与内内直径的比比值(Do/Di)max≤≤1.1-1.2薄壁圆柱壳壳或薄壁圆圆筒厚壁圆柱壳壳或厚壁圆圆筒外直径与内内直径的比比值(Do/Di)max＞1.1-1.2（2）按容器的的厚度分类类——薄壁容器和和厚壁容器器（D0——容器外径，，Di——容器内径，，δ——容器厚度））147概述（（续）（3）按按承承压压性性质质和和能能力力分分类类承压压方式式内压压容容器器外压压容容器器[当容容器器的的内内压压力力小小于于一一个个绝绝对对大大气气压压（（约约0.1MPa）时时又又称称为为真真空空容容器器]中压压(M)容器器1.6MPa≤≤p＜10.0MPa高压压(H)容器器10MPa≤≤p＜100MPa超高高压压(U)容器器p≥≥100MPa低压压(L)容器器0.1MPa≤≤p＜1.6MPa按照照设设计计压压力力P157概述述（（续续））（4）按按壁壁温温分分类类常温温容容器器———壁温温在在-20~200℃℃条件件下下工工作作的的容容器器。。高温温容容器器———指壁壁温温达达到到材材料料蠕蠕变变温温度度的的容容器器，，对对碳碳素素钢钢、、低低合合金金钢钢T＞420℃℃，其其他他合合金金钢钢T＞450℃℃，奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢T＞550℃℃，均均属属高高温温容容器器。。中温温容容器器———在常常温温和和高高温温之之间间。。低温温容容器器———壁温温低低于于-20℃℃，其其中中-20~-40℃℃为浅浅冷冷容容器器，，<-40℃℃为深深冷冷容容器器。。167概述述（（续续））（5）按按支支承承形形式式分分类类———卧式式容容器器和和立立式式容容器器。。（6）按按结结构构材材料料分分类类———有金金属属制制的的和和非非金金属属制制的的两两类类。。金属属———应用用最最多多的的是是低低碳碳钢钢和和低低合合金金钢钢。。非金金属属材材料料———既可可作作容容器器衬衬里里，，又又可可作作独独立立构构件件。。常常用用的的有有硬硬聚聚乙乙烯烯、、玻玻璃璃钢钢、、不不锈锈钢钢石石墨墨、、化化工工搪搪瓷瓷、、化化工工陶陶瓷瓷、、砖砖、、板板、、花花岗岗岩岩、、橡橡胶胶衬衬里里等等。。177概述述（（续续））（7）按按安安全全技技术术管管理理分分类类三类类容容器器第一一类类压压力力容容器器第三三类类压压力力容容器器《压力力容容器器安安全全技技术术监监察察规规程程》将容容器器分分为为三三类类：：（1）压力力（P）（2）压力力与与容容积积的的乘乘积积（PV）（3）介质质危危害害程程度度（4）容器器的的作作用用第二二类类压压力力容容器器分类类依依据据187概述述（（续续））①第三三类类压压力力容容器器具有有下下列列情情况况之一一的，，为为第第三三类类压压力力容容器器:a．高高压压容容器器；；b．中中压压容容器器（（仅仅限限毒毒性性程程度度为为极极度度和和高高度度危危害害介介质质））；；c．中压储储存容器器（仅限限易燃或或毒性程程度为中中度危害害介质，，且pV乘积大于于等于10MPa·m3）；d.中压反应应容器（（仅限易易燃或毒毒性程度度为中度度危害介介质，且且pV乘积大于于等于0.5MPa··m3）；197概述述（续））f．高压、、中压管管壳式余余热锅炉炉；g．中压搪搪玻璃压压力容器器；h．使用强度级别别较高的材料制制造的压压力容器器；（指相应应标准中中抗拉强强度规定定值下限限≥540MPa）e．低压容容器（仅仅限毒性性程度为为极度和和高度危危害介质质，且pV乘积大于于等于0.2MPa··m3）；207概述述（续））j．球形储储罐（容容积大于于等于50m3）k.低温液体体储存容容器（容容积大于于5m3）i．移动式式压力容容器铁路罐车车（介质质为液化化气体、、低温液液体）罐式汽车车[液化气体体运输（（半挂））车、低低温液体体运输（（半挂））车、永永久气体体运输（（半挂））车]罐式集集装箱箱（介介质为为液化化气体体、低低温液液体等等）217概述述（（续））②第二类类压力力容器器具有下下列情情况之一的，为为第二二类压压力容容器:a．中压压容器器；b．低压压容器器（仅仅限毒毒性程程度为为极度度和高高度危危害介介质））；d．低压压管壳壳式余余热锅锅炉；；e．低压压搪玻玻璃压压力容容器。。c．低压压反应应容器器和低低压储储存容容器（仅限限易燃燃介质质或毒毒性程程度为为中度度危害害介质质）；；227概述述（（续））③第一类类压力力容器器除上述述规定定以外外的低压容容器为第一一类压压力容容器。。237概述述（（续））247概述述（（续））7.2容器机机械设设计的的基本本要求求容器的的总体体尺寸寸（例例如反反应釜釜釜体体容积积的大大小，，釜体体长度度与直直径的的比例例，传传热方方式及及传热热面积积的大大小；；又如如蒸馏馏塔的的直径径与高高度，，接口口管的的数目目，方方位及及尺寸寸等）），一一般是是根据据工艺艺生产产要求求，通通过化化工工工艺计计算和和生产产经验验决定定的。。这些些尺寸寸通常常称为为设备的的工艺艺尺寸寸。257概述述（（续））当设备备的工工艺尺尺寸初初步确确定之之后，，可进进行结结构、、强度度设计计，设设计时时应满满足：：1、强度度——不发生生破坏坏——如焊缝缝开裂裂，筒筒体爆爆破，，螺栓栓拉断断等。。2、刚度度——不发生生过大大变形形——如塔体体倾斜斜，塔塔盘下下凹等等。3、稳定定性——不发生生瘪塌塌或褶褶皱——如卧式式容器器支座座之间间的筒筒体发发生瘪瘪塌，，气柜柜抽负负瘪塌塌，塔塔体支支座在在起吊吊时发发生瘪瘪塌等等。267概述述（（续））4、耐久久性——保证使使用寿寿命一般化化工设设备设设计使使用寿寿命为为10～15年。高压容容器，，因制制造成成本较较高，，为20～25年。大多取取决于于腐蚀蚀情况况，有有些取取决于于疲劳劳、蠕蠕变或或振动动。5、密封封性——包括内内漏和和外漏漏277概述述（（续））6、节省省材料料，便便于制制造——尽可能能降低低材料料消耗耗。尤尤其是是贵重重材料料的消消耗，，在考考虑结结构时时应使使其便便于制制造，，保证证质量量。应应尽量量减少少或避避免复复杂的的加工工工序序，尽尽量减减少加加工量量。在在设计计时应应尽量量采用用标准准设计计和标标准零零部件件。7、方便便操作作和便便于运运输——化工设设备的的结构构应考考虑操操作方方便，，及安安装、、维护护、检检修方方便（（人孔孔、手手孔位位置））。在在化工工设备备的尺尺寸和和形状状上还还应考考虑到到运输输的方方便和和可能能性。。287概述述（（续））压力容容器设设计要要求刚度稳定性性节省材料便便于制造方便操作便于运输耐久性密封性强度297概述（（续）7.3容器的标准准化设计1、标准化化的意义（1）从产品的的设计、制制造、检验验和维修等等诸多方面面来看，标标准化是组组织现代化化生产的重重要手段。。a）实现标准准化，有利利于成批生生产，缩短短生产周期期，提高产产品质量，，降低成本本，从而提提高产品竞竞争能力；；b）实现标准准化，可以以增加零部部件的互换换性，有利利于设计、、制造、安安装和维修修，提高劳劳动生产率率。307概述（（续）（2）标准化为为组织专业业化生产提提供了有利利条件，有有利于合理理地利用国国家资源，，节省原材材料，能够够有效地保保障人民的的安全与健健康。（3）采用国际际性的标准准化，可以以消除贸易易障碍，提提高国际竞竞争能力。。317概述（（续）2、容器零部部件标准化化的基本参参数压力容器的的直径和操操作压力是是由工艺条条件确定。。压力容器及及其零部件件标准化的的基本参数数公称直径（又称公称称通径）DN公称压力PN。327概述（（续）公称直径，，也称为公称称通径，用用“DN”表示——为使用方便便将容器及及管子标准准化以后的的标准直径径对用钢板卷制的的圆筒公称直径——指其内径对用无缝钢管制制作的圆筒筒公称直径——指钢管外径对管法兰公称直径——指与其相连连接的管子子的名义直直径，也就就是管件的的公称通径径，它既不不是管子的的内径，也也不是管子子的外径，，而是接近近内外径的的某个整数数。压力容器法法兰的公称直径径——指与法兰相相配套的容容器或封头头的公称直直径。337概述（（续）347概述（（续）4分、6分、1寸是英制说说法即英寸寸。普通4分管1\2"---管内径15mm；外径21.3mm，壁厚2.75mm普通6分管3\4"---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%，外径偏差差正负0.5mm357概述（（续）法兰的公称压压力——指某种材料制制造的法兰，，在一定的温温度下所能承承受的最大工工作压力，用用“PN”表示，是法兰兰承载能力的的标志。压力力容器法兰的的公称压力是是指在规定的的螺栓材料和和垫片的基础础上，16MnR材料制造的法法兰，在200℃时所允许的最最大工作压力力。367概述（续续）7.4化工容器常用用金属材料的的基本性能化学工业是多多品种的基础础工业，为了了适应化工生生产的多种需需要，化工设设备的种类很很多，设备的的操作条件也也比较复杂。。——按操作压力，有真空、常常压、低压、、中压、高压压和超高压；；——按操作温度，有低温、常常温、中温和和高温；——处理的介质大多数具有腐腐蚀性，或为为易燃、易爆爆、剧毒等。。对于某种具体体设备来说，，往往既有温温度、压力要要求，又有耐耐腐蚀要求，，而且这些要要求有时还是是互相矛盾的的，有时某些些条件又经常常变化。377概述（续续）选择材料的一一般要求：（1）供货情况好好（如符合中中国资源和供供应情况）较较易获得；（2）材质稳定性性好，能保证证使用寿命；；（3）要有足够的的强度、一定定的塑性和韧韧性，对腐蚀蚀性强介质能能耐腐蚀，且且须满足不同同使用场合的的特殊要求；；（4）便于制造加加工，焊接性性能良好；（5）经济上合算算。387概述（续续）1、力学性能——材料在一定温温度条件和外外力作用下，，抵抗变形和和断裂的能力力称为材料的的力学性能。。压力容器用材材料的常规力力学性能指标标主要包括强度、硬度、、塑性、刚性性和冲击韧性性等。397概述（续续）（1）强度——固体材料在外外力作用下抵抵抗产生塑性性变形和断裂裂的特征。常用的强度指指标——屈服极限σS（或σ0.2）和强度极限限σb，在交变载荷荷作用下的持持久极限σr，这是容器设设计计算中用用以确定需用用应力的主要要依据。407概述（续续）屈强比——屈服极限σS与强度极限σb之比，反映材材料屈服后强强化能力的高高低。屈强比愈低表表示屈服后仍仍有较大的强强度裕量，高高强度钢的屈屈强比数值较较高，可达0.8以上，而低强强度钢的屈强强比可低到0.6以下。持久强度——指钢材在设计计温度下经10万小时断裂的的持久强度的的平均值。417概述（续续）延伸率：试样在拉断断后的总伸长长量与试件原原长之比值的的百分率。标标距是直径的的5倍δ5和10倍δ10。断面收缩率：试样在拉断断后的断口面面积的缩小同同原断面面积积之比的百分分率。（2）塑性——金属在外力作作用下产生塑塑性变形而不不被破坏的能能力。常用的塑性指指标：断后伸长率δ和断面收缩率率Ψ。表明钢材被拉拉断时的拉长程度表明钢材被拉拉断时的拉细程度427概述（续续）（3）韧性——材料对缺口或或裂纹敏感程程度的反映。。韧性好的材料料即使存在宏宏观裂纹或缺缺口而造成应应力集中时，也具具有相当好的的防止发生脆脆性断裂和裂裂纹快速失稳扩展展的能力。常用韧性指标标：——冲击韧性、脆脆性转变温度度、断裂韧性性437概述（续续）冲击韧性——衡量材料韧性性的指标之一一，可用带V形缺口的冲击击试样在冲击击试验机中所所吸收的能量量αk作为冲击韧性性值，其单位位为焦耳每平平方米（J/m2）。（标准一般直直接采用冲击击功AKV,而较少采用αk值。）447概述（续续）脆性转变温度度——冲击韧性αk数值随温度降降低而减小，，在某一温度度区间内αk数值突然明显显下降，材料料变脆，当脆脆性断裂占总总面积50%所对应的温度度为脆性转变变温度。断裂韧性——含裂纹构件抵抵抗裂纹失稳稳扩展的能力力。可用裂纹纹失稳扩展从从而导致断裂裂时的应力强强度因子临界界值KIC表示。该断裂裂韧性值可以以衡量材料的的韧性情况，，即可以看出出存在裂纹时时材料所具有有的防脆断能能力。457概述（续续）（4）硬度——钢材抵抗压入入物压陷的能能力。——布氏硬度（HB）、洛氏硬度度（HRA、HRB、HRC）、维氏硬硬度（HV）、肖氏硬硬度（HS）、显微硬硬度等。——表征材料表面面局部区域抵抵抗压缩变形形和断裂能力力——硬度是反映材材料的弹性、、塑性、强度度和韧性等的的一种综合性性能指标。467概述（续续）布氏硬度——以直径为D（10mm，5mm或2.5mm）的钢球，在在压力F（N）下压入金属属表面而测得得。大部分金属硬硬度和强度之之间有一定的的关系，因而而可用硬度近近似地估计抗抗拉强度值。。根据经验，其其关系为：低碳钢σb≈0.36HBS高碳钢σb≈0.34HBS灰铸铁σb≈0.1HBS477概述（续续）（5）材料在高温温下的力学性性能一般金属材料料的力学性能能随温度的升高高会发生显著著的变化。通常是随随着温度的升升高，金属的强度降降低，塑性提提高。487概述（续续）蠕变——在高温时，在在一定的应力力下，应变随随时间而增加加的现象；或或者金属在高高温和应力作作用下逐渐产产生塑性变形形的现象。※蠕变极限σn：反映材料高高温下的变形形问题。在一一定温度下，，产生10-7mm/mm.hr蠕变速度的应应力值。即在在该温度下经经过10万小时（约12年）产生1%总变形的应力力值。※持久极限σD：反映材料高高温下的断裂裂性能。在一一定温度下，，经过规定的的工作期限（（10万小时）后产产生断裂时的的应力值。497概述（续续）2、物理性能金属材料的物物理性能有———相对对密密度度、、熔熔点点、、热热膨膨胀胀系系数数、、导导热热系系数数和和导导电电性性等等。。———使用用时时可可查查有有关关手手册册。。507概述述（（续续））3、化化学学性性能能———材料料在在所所处处介介质质中中的的化化学学稳稳定定性性，，即即材材料料是是否否会会与与介介质质发发生生化化学学和和电电化化学学反反应应而而引引起起腐腐蚀蚀。。（1）耐耐腐腐蚀蚀性性———金属属和和合合金金对对周周围围介介质质（（如如大大气气、、水水、、土土壤壤、、各各种种电电解解液液））侵侵蚀蚀的的抵抵抗抗能能力力。。———用腐腐蚀蚀速速度度来来表表示示，，一一般般认认为为，，介介质质对对材材料料的的腐腐蚀蚀速速度度<0.1mm/a时，，材材料料属属于于耐耐腐腐蚀蚀的的。。517概述述（（续续））527概述述（（续续））（2）抗抗氧氧化化性性———抗产产生生氧氧化化腐腐蚀蚀（（周周围围介介质质含含自自由由氧氧或或氧氧原原子子（（如如H2O，CO2，SO2）的的腐腐蚀蚀））的的能能力力。。现代代工工业业生生产产中中的的许许多多设设备备，，如如各各种种工工业业锅锅炉炉、、热热加加工工机机械械、、汽汽轮轮机机及及各各种种高高温温化化工工设设备备等等，，它它们们在在高高温温工工作作条条件件下下，，不不仅仅有有自自由由氧氧的的氧氧化化腐腐蚀蚀过过程程，，还还有有其其它它气气体体介介质质（（如如水水蒸蒸气气、、C