第七章化工设备设计基础概述

第七章概述一、容器的结构容器一般是由壳体(又称筒体)、封头(又称端盖)、法兰、支座、接口管及人孔等组成，如下图所示。

第一节容器的结构与分类二、容器的分类1、按容器的形状分类名称特点方形和矩形容器由平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压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，制造稍难，一般多用作贮罐圆筒形容器由圆柱形筒体和各种凸形封头(半球形、椭球形、碟形、圆锥形)或平板封头所组成。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，因此这类容器应用最广3、按承压性质和能力分类按承压性质可将容器分为内压容器和外压容器两类内压容器按其设计压力，可划分为低压、中压、高压和超高压四个压力等级

容器的分类低压容器中压容器高压容器超高压容器设计压力p(MPa)0.1≤p＜1.61.6≤p＜1010≤p＜100p≥1004、按容器壁温分类可分为常温容器、中温容器、高温容器和低温容器。低温容器指在壁温高于-20℃至200℃条件下工作的容器；高温容器指在壁温达到材料蠕变温度下工作的容器。对碳素钢或低合金钢容器，温度超过420℃，合金钢超过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃，均属高温容器；中温容器指在常温和高温之间的容器。低温容器指在壁温低于-20℃条件下工作的容器，其中低于-20℃至-40℃者为浅冷容器，低于-40℃者为深冷容器。

5、按支承形式分类按支承形式可以分为卧式容器和立式容器6、按金属材料分类可分为金属的和非金属的。金属容器中又可分为钢制容器、铸铁容器及有色金属容器。目前应用最多的是低碳钢和普通低合金钢的容器，在腐蚀严重或产品纯度要求高的场合，使用不锈钢、不锈复合钢板、铝制钢板及钛材等制的容器。在深冷操作中，可用铜或铜合金；非金属材料既可作为容器的衬里，又可作为独立的构件。常用的有硬聚氯乙烯、玻璃钢、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等。

7、按安全技术管理分类为了加强压力容器的安全技术管理和监督检查，根据压力容器压力、容积和介质危害性将固定式压力容器分为三类。TSG特种设备安全技术规范固定式压力容器安全技术监察规程2009---2009年12月1日实施附件A压力容器的分类A1压力容器分类时考虑的因素A1.1介质分组压力容器的介质分为两组，包括气体、液化气体或者最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体。A1.1.1第一组介质：毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质；易燃介质；液化气体。A1.1.2第二组介质：由除第一组以外的介质组成，如水蒸汽、氮气等。A1.2介质危害性介质危害性指设备在生产过程中因事故致使介质与人体大量接触、发生爆炸或因泄漏引起职业性慢性危害的严重程度，用介质毒性危害程度和爆炸危害程度表示。A1.2.1毒性程度：综合考虑急性毒性和最高容许浓度。极度危害最高容许浓度小于0.1mg/m3；高度危害最高容许浓度0.1～1.0mg/m3;中度危害最高容许浓度1.0～10.0mg/m3;轻度危害最高容许浓度大于等于10.0mg/m3。A1.2.2易燃介质：指气体或液体的蒸汽、薄雾与空气混合形成的爆炸混合物，其爆炸下限小于10%，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大于等于20%。A1.2.3介质毒性危害程度和爆炸危害程度采用GB5044—1985《职业接触性毒物危险程度分级》、HG20660—2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危害程度分类》标准。A1.2压力指设计压力，即设定的压力容器顶部压力（表压），与相应的设计温度一起作为设计载荷的条件，并作为超压释放装置调定压力的基础，其值不得小于压力容器的最高工作压力。A1.3容积是指压力腔的几何容积，即由设计图样标注的尺寸计算（不考虑制造公差），且不扣除内件体积（但应扣除与压力容器永久性连接的内件体积），并经圆整后的容积。永久性连接是指只有通过破坏方式才能分开的连接。A2压力容器分类A2.1压力容器应当先按照介质组别，选择分类图，再根据设计压力P（单位MPa）和容积V（单位为L），标出坐标点，确定压力容器类别。(1)对于第一组介质，压力容器的分类见下图。(2)对于第二组介质，压力容器的分类见图新版容器分类优点考虑99版容规容器分类方法的不足，本次修订拟与欧盟承压设备分类方法的指导思想接轨，由设计压力、容积和介质危害性三个因素决定压力容器类别，不再考虑容器在生产过程中的作用、材料强度等级、结构形式等因素，简化分类方法，强化危险性原则，从单一理念上对压力容器进行分类监管，突出本质安全思想。根据危险程度的不同，仍然划分为三类（Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类），利用PV值在不同介质分组坐标图上查取相应的类别，简单易行、科学合理、准确唯一。8、按应用情况可分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器和储存压力容器。反应压力容器（代号Ｒ）指主要用来完成介质的物理、化学反应的压力容器，如反应器、反应釜；换热压力容器（代号Ｅ）指主要用于完成介质热量交换的压力容器，如冷凝器、蒸发器等；分离压力容器（代号Ｓ）指主要用来完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器，例如分离器、过滤器、缓冲器、干燥塔等；储存压力容器（代号Ｃ，其中球罐代号为Ｂ）主要指用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器，如各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。

(1)强度要求：即构件在外力作用下应具有足够的抵抗破坏的能力。在规定的载荷作用下构件当然不应破坏，包括断裂和发生较大的塑性变形。例如，冲床曲轴不可折断；建筑物的梁和板不应发生较大塑性变形。强度要求就是指构件在规定的使用条件下不发生意外断裂或塑性变形。(2)刚度要求：即构件在外力作用下应具有足够的抵抗变形的能力。在载荷作用下，构件即使有足够的强度，但若变形过大，仍不能正常工作。例如，机床主轴的变形过大，将影响加工精度；齿轮轴变形过大将造成齿轮和轴承的不均匀磨损，引起噪音。刚度要求就是指构件在规定的事业条件下不发生较大的变形。

第二节容器机械设计的基本要求

(3)稳定性要求：即构件在外力作用下能保持原有直线平衡状态的能力。承受压力作用的细长杆，如千斤顶的螺杆、内燃机的挺杆等应始终维持原有的直线平衡状态，保证不被压弯。稳定性要求就是指构件在规定的使用条件下不产生丧失稳定性破坏。(4)耐久性：化工设备的耐用久性是根据所要求的使用的年限来决定的。容器要求有一定的耐腐蚀以及抗疲劳、抗蠕变等性能。(5)密封性：化工设备一般要求密封性良好。(6)节省材料和便于制造。(7)方便操作和便于运输。标准化的意义为便于设计，有利于成批生产，提高质量，便于互换，降低成本，提高劳动生产率，我国各有关部门对容器的零部件(例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液面计等)进行了标准化、系列化工作，许多化工设备(例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相应的标准。第三节容器的标准化设计

二、容器零部件标准化的基本参数容器零部件标准的最基本参数是公称直径DN与公称压力PN；㈠公称直径指标准化以后的标准直径，以DN表示，单位mm，例如内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200。它主要分为三方面：1、压力容器的公称直径用钢板卷焊制成的筒体，其公称直径指的是内径。现行标准中规定的公称直径系列如表7-6所示。若容器直径较小，筒体可直接采用无缝钢管制作。此时，公称直径指钢管外径，如表7-7所示。设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表7-6或表7-7所规定的公称直径。封头的公称直径与筒体一致。表7-6压力容器公称直径（mm）GB9019-88300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000

表7-7无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）1592192733253774262、管子的公称直径为了使管子、管件连接尺寸统一，采用DN表示其公称直径（也称公称口径、公称通径)。化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等一般压力的流体，管道往往采用电焊钢管，称有缝管。有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。其公称直径不是外径，也不是内径，而是近似普通钢管内径的一个名义尺寸。每一公称直径，对应一个外径，其内径数值随厚度不同而不同。公称直径可用公制mm表示，也可用英制in表示，见表7-8。

表7-8水、煤气钢管的公称直径输送、外径与壁厚（mm）GB3902-82公称直径外径壁厚（mm）in（mm）普通钢管（mm）加厚钢管（mm）61/810.02.002.5081/413.52.252.75103/817.02.252.75151/221.32.753.25203/426.82.753.5025133.53.254.003242.33.254.004038.03.504.25管路附件也用公称直径表示，意义同有缝管。

工程中所用的无缝管，如输送流体用无缝钢管(GB8163-87)、石油裂化用无缝钢管(GB9948-88)、化肥设备用高压无缝钢管（GB6479-86)等，标记方法不用公称直径，而是以外径乘厚度表示。标准中称此外径与厚度为公称外径与公称厚度。

输送流体用无缝钢管和一般用途无缝钢管分热轧管和冷拔管两种。冷拔管的最大外径为200mm；热轧管的最大外径为630mm。在管道工程中，管径超过57mm时，常采用热轧管。管径在57mm以内常选用冷拔管。

3、容器零部件的公称直径有些零部件如法兰、支座等的公称直径，指的是与它相配的筒体、封头的公称直径。DN2000法兰是指与DN2000筒体(容器)或封头相配的法兰。DN2000鞍座是指支承DN2000mm容器的鞍式支座。还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径表示的。如管法兰，DN200管法兰是指连接DN200mm管子的管法兰。另有一些容器零部件，其公称直径是指结构中的某一重要尺寸，如视镜的视孔、填料箱的轴径等。DN80(Dg80)视镜，其窥视孔的直径为80mm。

㈡公称压力容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以PN表示，单位MPa。由于工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件的尺寸也就不同。为了使石油、化工容器的零部件标准化、通用化、系列化，必须将其承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。表7-9列出了压力容器法兰与管法兰的公称压力。

设计时如果选用标准零部件，必须将操作温度下的最高操作压力(或设计压力)调整为所规定的某一公称压力等级(调整方法见第五节)，然后根据DN与PN选定该零部件的尺寸。表7-9压力容器法兰与管法兰的公称压力（MPa）

压力容器法兰0.250.61.01.62.54.06.4

管法兰0.250.61.01.62.54.05.0101525第四节化工容器常用金属材料的基本性能力学性能、物理性能、化学性能和加工性能等一、力学性能决定许用应力强度、硬度、弹性、塑性、韧性等1、强度是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力

抵抗外力的静强度按所抵抗外作用形式可分为抵抗冲击外力的冲击强度抵抗交变外力的疲劳强度常温下抵抗外力的常温强度按环境温度可分为高温下抵抗外力的高温强度低温下抵抗外力的低温强度常温强度指标：屈服强度σs和抗拉(压)强度σb(σy)屈强比σs/σb适当蠕变强度σn：在高温时，材料抵抗发生缓慢塑性变形的能力持久强度σD：在给定温度下，促使试样经过一定时间发生断裂的应力疲劳强度σ-1：σ-1,以106-107次不被破坏的应力2、硬度局部抵抗能力弹性、强度与塑性的综合性能指标压入硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB)和维氏硬度(HV)低碳钢σb=0.36

HB高碳钢σb=0.34

HB灰铸铁σb=