化工设备机械基础第一、二章

化工设备机械基础张茂润

安徽理工大学化工学院第一页，共四十二页。化工机械的概念:为保证化工生产连续进行的所有设备与机器的总称。设备的的概念:在化工产品生产过程中用于进行化学反应、传质、传热、分离、结晶和贮存物料等装置。常用的化工设备其结构见图(a)、(b)、(c)、(d)。机器的概念:在化工产品生产过程中用于为各种流体提供动力的装置(如各种泵、压缩机、风机等)。设备与机器的区别：研究对象：化工设备的设计理论、设计的基本程序和方法及设计结果的正确表达。第二页，共四十二页。(a)带搅拌的反应器

(b)列管式换热器

第三页，共四十二页。（c）填料塔

（d）贮罐

第四页，共四十二页。化工容器的概念：所有化工设备外部壳体的总称。是设计一切化工设备的基础。化工容器的结构：

筒体、封头、附件（法兰、支座、人孔、手孔等）筒体支座法兰封头人孔工艺接管液面计第五页，共四十二页。化工容器设计的主要内容：筒体、封头的强度、刚度、稳定性计算，结构设计；附件选型。化工容器的设计是设计一切化工设备的基础。一、化工容器的分类(1)按几何形状分类矩形容器（优、缺点）圆筒形容器（优、缺点，应用最广）球形容器（优、缺点）、锥形容器（优、缺点）(2)按承压性质分类

外压容器的概念：内压容器：常压容器、低压容器(L)、中压容器(M)、第六页，共四十二页。、高压容器(H)、超高压容器(U)。(3)按材料分类金属制容器、非金属制容器。研究对象：钢制的、典型的、常见的中、低、常压容器的设计。容器又分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。二、零、部件设计的机械要求(1)具有一定的强度防止构件在外力作用下被破坏。(2)具有足够的刚度

防止构件在外力作用下发生过大变形。(3)具有充分的稳定性防止构件在外力作用下失去自身几何的形状。

第七页，共四十二页。(4)具有一定的耐久性构件具有的使用寿命10-12年。(5)具有良好的密封性防止构件发生泄漏。三、零、部件标准化的意义(1)有利于产品的批量生产、提高产品的质量、降低产品的价格等。(2)有利于零、部件之间的互换，提高劳动效率，降低劳动强度。(3)有利于世界各国之间的技术交流。四、零、部件标准化的基本参数(1)公称直径DN第八页，共四十二页。卷制的圆筒公称直径DN系列第九页，共四十二页。卷制的圆筒:DN=Di

(内径)管制的筒体:DN=Do(管子的外径)

钢管:DN≠管子内、外径

(2)公称压力PN将化工容器承受的压力划分为若干个标准的压力等级，这一压力等级称为公称压力。公称压力PN(MPa)公称压力的确定：由化工容器的工作压力向标准的压力等级取值。要求：掌握上述基本参数，并会确定其值。0.250.61.01.62.54.06.4101625第十页，共四十二页。应用举例：

需要设计一台体积为20的液氨贮罐，若液氨的工作压力为1.6;罐体的长径比为，试确定贮罐的。解:（1）罐体的确定将罐体视为筒体，取

，由得：

=1.996（m），圆整,罐体（2）罐体的确定因操作压力＝1.6

，=1.6LDi第十一页，共四十二页。第一章化工设备常用金属材料的基本性能本章要求：一、了解金属材料的基本性能(重点:机械、耐腐蚀性能)；二、掌握化工设备常用金属材料牌号的意义及用途；三、了解提高和改善碳钢机械性能和加工性能的方法化工生产的特点：高温、高压、强腐蚀。1.1金属材料的基本性能一、机械性能（重点）

(1)机械强度概念、强度指标（σs、σb）

第十二页，共四十二页。(2)弹塑性弹塑性指标（E、δ、Ψ）、制造化工容器使用材料的δ≥20%。(3)冲击韧性αK制造化工容器使用材料的αK≥24

Kgm/cm2(4)硬度概念、布氏硬度HB、洛氏硬度HR的测试方法及应用。(5)碳钢在高温下的机械性能

强度、弹塑性、冲击韧性、硬度的变化蠕变现象：(6)碳钢在低温下的机械性能r

r

hFF第十三页，共四十二页。碳钢在高温下的机械性能5101520252001004005003000.10.20.30.40.520040060080020406080100200300400800T(Cº)第十四页，共四十二页。强度、弹塑性、冲击韧性、硬度的变化

冷脆现象:二、材料的耐腐蚀性能（重点）耐腐蚀性能的概念:衡量耐腐蚀性能的指标：腐蚀速率V（mm/a）根据腐蚀速率V的不同，金属材料分为下列三类：耐腐蚀材料：V＜0.05mm/a；

尚腐蚀材料：0.05mm/a≤V＜0.1mm/a；

不耐腐蚀材料：V＞0.1mm/a为了使设计的化工容器具有一定的使用寿命，在设计截面尺寸时需考虑腐蚀裕量C2.第十五页，共四十二页。

C2=使用年限×V（单面腐蚀）；C2=2×使用年限×V（双面腐蚀）三、物理性能密度、熔点、热胀系数、沸点等。四、加工工艺性能金属材料具有切削、焊接、铸造、锻造等加工的可能性。制造化工容器使用的材料要求具有良好的加工工艺性能，以便制造方便。1.2常用金属材料牌号的意义及用途

制造化工设备常用金属材料：碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及其合金。

第十六页，共四十二页。一、碳钢(1)普通碳素钢甲类钢、乙类钢、特类钢,三种钢的特点，最常用的是甲类3号钢。甲类钢的牌号组成：以Q235—AF为例，Q—屈服极限，235—屈服极限值(MPa)，A—材料的等级(A、B、C、D四个等级)，F—沸腾钢，b—半镇静钢，g—锅炉钢，R—容器钢，Z—镇静钢(一般不写)。(2)优质碳素钢优质碳素钢的冶炼工艺及对S、P等杂质的控制更加严格，其质量和价格比普通碳素钢高，牌号以含碳量（以第十七页，共四十二页。万分计）表示，根据含碳量的不同，优质碳素钢可分为三类优质低碳钢:

(C≤0.25%)08、10、15、20、25。优质中碳钢:

(0.25%<C<0.6%)30、35、40、45、50、55优质高碳钢:

(C≥0.6%)60、65、70。10板材用于制造垫片，20、20g板材用于制造锅炉的外壳，30、35棒材用于制造螺栓、螺母，45用于制造传动轴，60、65、70用于制造弹簧、刀具、量具等。碳钢的耐腐蚀性能较差，但可以用其制造的容器盛放浓硫酸、浓硝酸(原因)。为了提高碳钢的耐腐蚀性能，在碳钢中加入少量的合金元素如

Mn、Cr、Ni、Ti、V、Si等生成的钢称为合金钢。第十八页，共四十二页。二、合金钢(1)普通低合金钢制造容器最常用的牌号有：

16Mn、16MnR、15MnVR、15MnDR牌号各项符号的意义：以15MnVR为例，15—含碳量(以万分计)、Mn—合金元素,其后的数字为合金元素含量(以百分计，低于1.5%不写)，V—合金元素，R—容器。(2)合金结构钢合金结构钢牌号各项符号的意义与普通低合金钢相似，以20Cr为例：20—含碳量（以万分计）、Cr—合金元素,其后的数字为合金元素含量（以百分计，低于1.5%不第十九页，共四十二页。写），合金结构钢在化工设备上应用较少，主要用于通用机械。(3)不锈钢及不锈耐酸钢常用的牌号有：

1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni10Ti,00Cr18Ni9Ti牌号各项符号的意义：与普通低合金钢相似，但其含碳量以千分计。0.8/1000、0.5/1000、0.3/1000。(4)耐热钢牌号较多,每个牌号具有不同的使用温度范围。三、铸铁铸铁的概念:含碳量为2.5-4%的铁碳合金。特点:强度、硬度高;塑性、焊接性能、冷冲压性能差第二十页，共四十二页。常用的铸铁牌号有：

灰口铸铁(HT)、球墨铸铁(QT)、可锻铸铁(KT)、高硅铸铁(GT)。牌号各项符号的意义，以HT150-330为例：HT-灰口铸铁、150-抗拉强度(MPa)、330-抗弯强度(MPa)。四、有色金属及其合金（简要介绍）

铜、铝及其合金。1.3提高和改善碳钢机械性能和加工性能的方法碳钢的机械性能和加工性能由碳钢的化学成份和组织结构决定，因此改变其性能的方法如下。一、调正和控制碳钢的化学成份改变碳钢的化学成份可以改变其机械和加工性能。（举例说明）第二十一页，共四十二页。二、改变碳钢的组织结构热处理的概念：

常用的热处理方式：退火，正火，淬火，回火，调质处理。化学热处理的概念：常用的热处理方式：渗碳(S-C

)，渗氮(S-N

)，碳氮共渗(C-N)。三、冷、热加工冷加工和热加工可以使材料发生塑性变形，留有残余应力，材料的机械和加工性能都会发生改变。T/℃t加热保温冷却第二十二页，共四十二页。

第二章内压薄壁容器的应力分析本章要求：一、了解回转壳体、中间面、轴对称等的概念；二、掌握第一曲率半径、第二曲率半径的概念；三、掌握薄膜应力的基本方程及其应用条件；四、熟练掌握薄膜应力理论在典型壳体中的应用；五、了解边缘应力的概念薄壁容器的概念:(Do/Di<1.2)厚壁容器的概念:(Do/Di≥1.2)研究对象：内压薄壁容器的设计。（原因）第二十三页，共四十二页。内压薄壁容器的应力分类:薄壁容器承受内压作用后，产生的变形如图所示。根据变形的不同应力可分为三类，1—远离联接边缘处的两向拉应力，即薄膜应力

(无力矩理论计算)。2—联接边缘处的弯曲正应力，即边缘应力

(有力矩理论计算)。3—开孔处由于应力集中，产生的峰值应力(弹性力学理论计算)。本章介绍薄膜应力理论及薄膜应力的计算。p123第二十四页，共四十二页。2.1

回转壳体薄膜应力理论

一、基本假设及基本概念1.基本假设(1)小位移假设(2)直法线假设(3)不挤压假设2.基本概念(1)一般回转壳体平面曲线AB绕轴线O1O2旋转360°得到的几何体。(2)母线、经线、法线曲线AB称一般回转壳体的母线,曲线AB1称一般回转壳体的经线，n称一般回转壳体在K点的法线。ABO1O2母线B1B2经线nK法线第二十五页，共四十二页。(3)回转壳体的中间面距离壳体外壁和内壁等距离的面称中间面。(4)回转壳体的轴对称问题壳体的几何形状、约束条件、承受的载荷均关于回转轴对称。(5)圆锥面、纬线用圆锥面与回转壳体正交(圆锥面的经线与回转壳体的经线垂直、圆锥面的底面与回转壳体的轴线垂直)的交线。DiSDS纬线圆锥面经线回转壳体第二十六页，共四十二页。(6)第一曲率半径ρ1、第二曲率半径ρ2第一曲率半径ρ1：以经线AB上任一点K为研究对象，由于经线AB为一平面曲线，则该曲线在K点有一曲率半径，则曲率半径称曲线在K点的第一曲率半径ρ1。其计算方法如下：若经线AB的方程为，则第二曲率半径ρ2：通过K点的法线作一与经线AB垂直的平面，该平面KABρ1K1KnABK2ρ2第二十七页，共四十二页。与回转壳体的中间面相交，交线为曲线，该曲线在K点也有一曲率半径，则曲率半径称K点的第二曲率半径ρ1

。第二曲率半径的中心落在回转轴上。二、回转壳体的薄膜应力分析

回转壳体承受内压作用后，在沿经线和纬线方向产生两向拉伸变形，因此壳体上任一点在经线和纬线方向产生两向拉应力。（如图所示）p第二十八页，共四十二页。三、区域平衡方程

p—介质压力(MPa)ρ2

—第二曲率半径(mm)S—壁厚(mm)四、微体平衡方程

ρ1

—第一曲率半径(mm)五、薄膜应力理论的应用条件(1)壳体的几何形状必须是对称的、连续的。ρ2p第二十九页，共四十二页。(2)壳体所承受的载荷必须是对称的、连续的。2.2

薄膜应力理论在典型壳体中的应用一、承受气压作用的圆柱壳中径为D、壁厚为S、承受内压p作用的圆柱壳。任意点A的薄膜应力为：

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p第三十页，共四十二页。由以上两式可知：，因此圆柱壳的危险截面是纵截面，破坏时沿着轴线方向开裂。二、承受气压作用的球壳中径为D、壁厚为S、承受内压p作用的球壳。任意一点A的薄膜应力为：由以上两式可知：因此球壳上任意横截面都是危险截面。ASDp第三十一页，共四十二页。三、承受气压作用的圆锥壳大端径为D、壁厚为S、锥角为2α、承受内压p作用的圆锥壳，任意点A的薄膜应力为：圆锥壳上任意一点的薄膜应力随着点的位置的变化而变化。

在锥尖处：

在锥大端处：

D2αr

mAS第三十二页，共四十二页。四、承受气压作用的椭球壳

半长轴、半短轴分别为的椭球壳，承受内压p作用时，任意点A的薄膜应力为：由上式可以看出，是随X而变化的，在极点处：

且均为拉应力；在赤道上：

hbaAp第三十三页，共四十二页。当时，最大应力在极点上，当时，最大应力在极点和赤道上，但赤道上由原来的拉应力变成压应力:当时，最大应力在赤道上，且为压应力:五、承受液压作用的圆柱壳(1)置于地面上的圆柱壳距离自由液面为y处A点的压力为：

HyADS第三十四页，共四十二页。代入得：但液体的重量通过底板传到地面上，圆柱壳的经线没有发生变形，所以σm=0，因此区域平衡方程不适用于承受液压作用的圆柱壳。微体平衡方程适用于承受液压作用的圆柱壳，且σθ沿高度方向呈线性分布。σm=0σθ=0第三十五页，共四十二页。(2)悬挂的圆柱壳距离自由液面为y处A点的压力为：在距离自由液面为y处将圆柱壳截为两段，取下段为研究对象，其受力如图所示。∵研究对象处于平衡状态∴∑Y=0

即:

yHDiAS第三十六页，共四十二页。由此可见σm是一常量且与点的位置无关。σθ的计算与置于地面上的圆柱壳相同。应用举例:中径为D、壁厚为S、置于地面上的圆柱壳，壳内气体的压力为p、液体的密度为、液体的高度为h，试计算点A、B两点的薄膜应力，并画出沿壳体高度方向的应力分布图。pyABHh第三十七页，共四十二页。解:(1)A点薄膜应力的计算A点的分别为: