化工設備機械基礎第一、二章

化工設備機械基礎張茂潤

安徽理工大學化工學院第一頁，共四十二頁?；C械的概念:為保證化工生產(chǎn)連續(xù)進行的所有設備與機器的總稱。設備的的概念:在化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中用于進行化學反應、傳質(zhì)、傳熱、分離、結(jié)晶和貯存物料等裝置。常用的化工設備其結(jié)構(gòu)見圖(a)、(b)、(c)、(d)。機器的概念:在化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中用于為各種流體提供動力的裝置(如各種泵、壓縮機、風機等)。設備與機器的區(qū)別：研究對象：化工設備的設計理論、設計的基本程序和方法及設計結(jié)果的正確表達。第二頁，共四十二頁。(a)帶攪拌的反應器

(b)列管式換熱器

第三頁，共四十二頁。（c）填料塔

（d）貯罐

第四頁，共四十二頁?；と萜鞯母拍睿核谢ぴO備外部殼體的總稱。是設計一切化工設備的基礎。化工容器的結(jié)構(gòu)：

筒體、封頭、附件（法蘭、支座、人孔、手孔等）筒體支座法蘭封頭人孔工藝接管液面計第五頁，共四十二頁?；と萜髟O計的主要內(nèi)容：筒體、封頭的強度、剛度、穩(wěn)定性計算，結(jié)構(gòu)設計；附件選型。化工容器的設計是設計一切化工設備的基礎。一、化工容器的分類(1)按幾何形狀分類矩形容器（優(yōu)、缺點）圓筒形容器（優(yōu)、缺點，應用最廣）球形容器（優(yōu)、缺點）、錐形容器（優(yōu)、缺點）(2)按承壓性質(zhì)分類

外壓容器的概念：內(nèi)壓容器：常壓容器、低壓容器(L)、中壓容器(M)、第六頁，共四十二頁。、高壓容器(H)、超高壓容器(U)。(3)按材料分類金屬制容器、非金屬制容器。研究對象：鋼制的、典型的、常見的中、低、常壓容器的設計。容器又分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。二、零、部件設計的機械要求(1)具有一定的強度防止構(gòu)件在外力作用下被破壞。(2)具有足夠的剛度

防止構(gòu)件在外力作用下發(fā)生過大變形。(3)具有充分的穩(wěn)定性防止構(gòu)件在外力作用下失去自身幾何的形狀。

第七頁，共四十二頁。(4)具有一定的耐久性構(gòu)件具有的使用壽命10-12年。(5)具有良好的密封性防止構(gòu)件發(fā)生泄漏。三、零、部件標準化的意義(1)有利于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品的價格等。(2)有利于零、部件之間的互換，提高勞動效率，降低勞動強度。(3)有利于世界各國之間的技術(shù)交流。四、零、部件標準化的基本參數(shù)(1)公稱直徑DN第八頁，共四十二頁。卷制的圓筒公稱直徑DN系列第九頁，共四十二頁。卷制的圓筒:DN=Di

(內(nèi)徑)管制的筒體:DN=Do(管子的外徑)

鋼管:DN≠管子內(nèi)、外徑

(2)公稱壓力PN將化工容器承受的壓力劃分為若干個標準的壓力等級，這一壓力等級稱為公稱壓力。公稱壓力PN(MPa)公稱壓力的確定：由化工容器的工作壓力向標準的壓力等級取值。要求：掌握上述基本參數(shù)，并會確定其值。0.250.61.01.62.54.06.4101625第十頁，共四十二頁。應用舉例：

需要設計一臺體積為20的液氨貯罐，若液氨的工作壓力為1.6;罐體的長徑比為，試確定貯罐的。解:（1）罐體的確定將罐體視為筒體，取

，由得：

=1.996（m），圓整,罐體（2）罐體的確定因操作壓力＝1.6

，=1.6LDi第十一頁，共四十二頁。第一章化工設備常用金屬材料的基本性能本章要求：一、了解金屬材料的基本性能(重點:機械、耐腐蝕性能)；二、掌握化工設備常用金屬材料牌號的意義及用途；三、了解提高和改善碳鋼機械性能和加工性能的方法化工生產(chǎn)的特點：高溫、高壓、強腐蝕。1.1金屬材料的基本性能一、機械性能（重點）

(1)機械強度概念、強度指標（σs、σb）

第十二頁，共四十二頁。(2)彈塑性彈塑性指標（E、δ、Ψ）、制造化工容器使用材料的δ≥20%。(3)沖擊韌性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的測試方法及應用。(5)碳鋼在高溫下的機械性能

強度、彈塑性、沖擊韌性、硬度的變化蠕變現(xiàn)象：(6)碳鋼在低溫下的機械性能r

r

hFF第十三頁，共四十二頁。碳鋼在高溫下的機械性能5101520252001004005003000.10.20.30.40.520040060080020406080100200300400800T(Co)第十四頁，共四十二頁。強度、彈塑性、沖擊韌性、硬度的變化

冷脆現(xiàn)象:二、材料的耐腐蝕性能（重點）耐腐蝕性能的概念:衡量耐腐蝕性能的指標：腐蝕速率V（mm/a）根據(jù)腐蝕速率V的不同，金屬材料分為下列三類：耐腐蝕材料：V＜0.05mm/a；

尚腐蝕材料：0.05mm/a≤V＜0.1mm/a；

不耐腐蝕材料：V＞0.1mm/a為了使設計的化工容器具有一定的使用壽命，在設計截面尺寸時需考慮腐蝕裕量C2.第十五頁，共四十二頁。

C2=使用年限×V（單面腐蝕）；C2=2×使用年限×V（雙面腐蝕）三、物理性能密度、熔點、熱脹系數(shù)、沸點等。四、加工工藝性能金屬材料具有切削、焊接、鑄造、鍛造等加工的可能性。制造化工容器使用的材料要求具有良好的加工工藝性能，以便制造方便。1.2常用金屬材料牌號的意義及用途

制造化工設備常用金屬材料：碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金。

第十六頁，共四十二頁。一、碳鋼(1)普通碳素鋼甲類鋼、乙類鋼、特類鋼,三種鋼的特點，最常用的是甲類3號鋼。甲類鋼的牌號組成：以Q235—AF為例，Q—屈服極限，235—屈服極限值(MPa)，A—材料的等級(A、B、C、D四個等級)，F(xiàn)—沸騰鋼，b—半鎮(zhèn)靜鋼，g—鍋爐鋼，R—容器鋼，Z—鎮(zhèn)靜鋼(一般不寫)。(2)優(yōu)質(zhì)碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼的冶煉工藝及對S、P等雜質(zhì)的控制更加嚴格，其質(zhì)量和價格比普通碳素鋼高，牌號以含碳量（以第十七頁，共四十二頁。萬分計）表示，根據(jù)含碳量的不同，優(yōu)質(zhì)碳素鋼可分為三類優(yōu)質(zhì)低碳鋼:

(C≤0.25%)08、10、15、20、25。優(yōu)質(zhì)中碳鋼:

(0.25%<C<0.6%)30、35、40、45、50、55優(yōu)質(zhì)高碳鋼:

(C≥0.6%)60、65、70。10板材用于制造墊片，20、20g板材用于制造鍋爐的外殼，30、35棒材用于制造螺栓、螺母，45用于制造傳動軸，60、65、70用于制造彈簧、刀具、量具等。碳鋼的耐腐蝕性能較差，但可以用其制造的容器盛放濃硫酸、濃硝酸(原因)。為了提高碳鋼的耐腐蝕性能，在碳鋼中加入少量的合金元素如

Mn、Cr、Ni、Ti、V、Si等生成的鋼稱為合金鋼。第十八頁，共四十二頁。二、合金鋼(1)普通低合金鋼制造容器最常用的牌號有：

16Mn、16MnR、15MnVR、15MnDR牌號各項符號的意義：以15MnVR為例，15—含碳量(以萬分計)、Mn—合金元素,其后的數(shù)字為合金元素含量(以百分計，低于1.5%不寫)，V—合金元素，R—容器。(2)合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼牌號各項符號的意義與普通低合金鋼相似，以20Cr為例：20—含碳量（以萬分計）、Cr—合金元素,其后的數(shù)字為合金元素含量（以百分計，低于1.5%不第十九頁，共四十二頁。寫），合金結(jié)構(gòu)鋼在化工設備上應用較少，主要用于通用機械。(3)不銹鋼及不銹耐酸鋼常用的牌號有：

1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni10Ti,00Cr18Ni9Ti牌號各項符號的意義：與普通低合金鋼相似，但其含碳量以千分計。0.8/1000、0.5/1000、0.3/1000。(4)耐熱鋼牌號較多,每個牌號具有不同的使用溫度范圍。三、鑄鐵鑄鐵的概念:含碳量為2.5-4%的鐵碳合金。特點:強度、硬度高;塑性、焊接性能、冷沖壓性能差第二十頁，共四十二頁。常用的鑄鐵牌號有：

灰口鑄鐵(HT)、球墨鑄鐵(QT)、可鍛鑄鐵(KT)、高硅鑄鐵(GT)。牌號各項符號的意義，以HT150-330為例：HT-灰口鑄鐵、150-抗拉強度(MPa)、330-抗彎強度(MPa)。四、有色金屬及其合金（簡要介紹）

銅、鋁及其合金。1.3提高和改善碳鋼機械性能和加工性能的方法碳鋼的機械性能和加工性能由碳鋼的化學成份和組織結(jié)構(gòu)決定，因此改變其性能的方法如下。一、調(diào)正和控制碳鋼的化學成份改變碳鋼的化學成份可以改變其機械和加工性能。（舉例說明）第二十一頁，共四十二頁。二、改變碳鋼的組織結(jié)構(gòu)熱處理的概念：

常用的熱處理方式：退火，正火，淬火，回火，調(diào)質(zhì)處理?；瘜W熱處理的概念：常用的熱處理方式：滲碳(S-C

)，滲氮(S-N

)，碳氮共滲(C-N)。三、冷、熱加工冷加工和熱加工可以使材料發(fā)生塑性變形，留有殘余應力，材料的機械和加工性能都會發(fā)生改變。T/℃t加熱保溫冷卻第二十二頁，共四十二頁。

第二章內(nèi)壓薄壁容器的應力分析本章要求：一、了解回轉(zhuǎn)殼體、中間面、軸對稱等的概念；二、掌握第一曲率半徑、第二曲率半徑的概念；三、掌握薄膜應力的基本方程及其應用條件；四、熟練掌握薄膜應力理論在典型殼體中的應用；五、了解邊緣應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)研究對象：內(nèi)壓薄壁容器的設計。（原因）第二十三頁，共四十二頁。內(nèi)壓薄壁容器的應力分類:薄壁容器承受內(nèi)壓作用后，產(chǎn)生的變形如圖所示。根據(jù)變形的不同應力可分為三類，1—遠離聯(lián)接邊緣處的兩向拉應力，即薄膜應力

(無力矩理論計算)。2—聯(lián)接邊緣處的彎曲正應力，即邊緣應力

(有力矩理論計算)。3—開孔處由于應力集中，產(chǎn)生的峰值應力(彈性力學理論計算)。本章介紹薄膜應力理論及薄膜應力的計算。p123第二十四頁，共四十二頁。2.1

回轉(zhuǎn)殼體薄膜應力理論

一、基本假設及基本概念1.基本假設(1)小位移假設(2)直法線假設(3)不擠壓假設2.基本概念(1)一般回轉(zhuǎn)殼體平面曲線AB繞軸線O1O2旋轉(zhuǎn)360°得到的幾何體。(2)母線、經(jīng)線、法線曲線AB稱一般回轉(zhuǎn)殼體的母線,曲線AB1稱一般回轉(zhuǎn)殼體的經(jīng)線，n稱一般回轉(zhuǎn)殼體在K點的法線。ABO1O2母線B1B2經(jīng)線nK法線第二十五頁，共四十二頁。(3)回轉(zhuǎn)殼體的中間面距離殼體外壁和內(nèi)壁等距離的面稱中間面。(4)回轉(zhuǎn)殼體的軸對稱問題殼體的幾何形狀、約束條件、承受的載荷均關(guān)于回轉(zhuǎn)軸對稱。(5)圓錐面、緯線用圓錐面與回轉(zhuǎn)殼體正交(圓錐面的經(jīng)線與回轉(zhuǎn)殼體的經(jīng)線垂直、圓錐面的底面與回轉(zhuǎn)殼體的軸線垂直)的交線。DiSDS緯線圓錐面經(jīng)線回轉(zhuǎn)殼體第二十六頁，共四十二頁。(6)第一曲率半徑ρ1、第二曲率半徑ρ2第一曲率半徑ρ1：以經(jīng)線AB上任一點K為研究對象，由于經(jīng)線AB為一平面曲線，則該曲線在K點有一曲率半徑，則曲率半徑稱曲線在K點的第一曲率半徑ρ1。其計算方法如下：若經(jīng)線AB的方程為，則第二曲率半徑ρ2：通過K點的法線作一與經(jīng)線AB垂直的平面，該平面KABρ1K1KnABK2ρ2第二十七頁，共四十二頁。與回轉(zhuǎn)殼體的中間面相交，交線為曲線，該曲線在K點也有一曲率半徑，則曲率半徑稱K點的第二曲率半徑ρ1

。第二曲率半徑的中心落在回轉(zhuǎn)軸上。二、回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應力分析

回轉(zhuǎn)殼體承受內(nèi)壓作用后，在沿經(jīng)線和緯線方向產(chǎn)生兩向拉伸變形，因此殼體上任一點在經(jīng)線和緯線方向產(chǎn)生兩向拉應力。（如圖所示）p第二十八頁，共四十二頁。三、區(qū)域平衡方程

p—介質(zhì)壓力(MPa)ρ2

—第二曲率半徑(mm)S—壁厚(mm)四、微體平衡方程

ρ1

—第一曲率半徑(mm)五、薄膜應力理論的應用條件(1)殼體的幾何形狀必須是對稱的、連續(xù)的。ρ2p第二十九頁，共四十二頁。(2)殼體所承受的載荷必須是對稱的、連續(xù)的。2.2

薄膜應力理論在典型殼體中的應用一、承受氣壓作用的圓柱殼中徑為D、壁厚為S、承受內(nèi)壓p作用的圓柱殼。任意點A的薄膜應力為：

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p第三十頁，共四十二頁。由以上兩式可知：，因此圓柱殼的危險截面是縱截面，破壞時沿著軸線方向開裂。二、承受氣壓作用的球殼中徑為D、壁厚為S、承受內(nèi)壓p作用的球殼。任意一點A的薄膜應力為：由以上兩式可知：因此球殼上任意橫截面都是危險截面。ASDp第三十一頁，共四十二頁。三、承受氣壓作用的圓錐殼大端徑為D、壁厚為S、錐角為2α、承受內(nèi)壓p作用的圓錐殼，任意點A的薄膜應力為：圓錐殼上任意一點的薄膜應力隨著點的位置的變化而變化。

在錐尖處：

在錐大端處：

D2αr

mAS第三十二頁，共四十二頁。四、承受氣壓作用的橢球殼

半長軸、半短軸分別為的橢球殼，承受內(nèi)壓p作用時，任意點A的薄膜應力為：由上式可以看出，是隨X而變化的，在極點處：

且均為拉應力；在赤道上：

hbaAp第三十三頁，共四十二頁。當時，最大應力在極點上，當時，最大應力在極點和赤道上，但赤道上由原來的拉應力變成壓應力:當時，最大應力在赤道上，且為壓應力:五、承受液壓作用的圓柱殼(1)置于地面上的圓柱殼距離自由液面為y處A點的壓力為：

HyADS第三十四頁，共四十二頁。代入得：但液體的重量通過底板傳到地面上，圓柱殼的經(jīng)線沒有發(fā)生變形，所以σm=0，因此區(qū)域平衡方程不適用于承受液壓作用的圓柱殼。微體平衡方程適用于承受液壓作用的圓柱殼，且σθ沿高度方向呈線性分布。σm=0σθ=0第三十五頁，共四十二頁。(2)懸掛的圓柱殼距離自由液面為y處A點的壓力為：在距離自由液面為y處將圓柱殼截為兩段，取下段為研究對象，其受力如圖所示?！哐芯繉ο筇幱谄胶鉅顟B(tài)∴∑Y=0

即:

yHDiAS第三十六頁，共四十二頁。由此可見σm是一常量且與點的位置無關(guān)。σθ的計算與置于地面上的圓柱殼相同。應用舉例:中徑為D、壁厚為S、置于地面上的圓柱殼，殼內(nèi)氣體的壓力為p、液體的密度為、液體的高度為h，試計算點A、B兩點的薄膜應力，并畫出沿殼體高度方向的應力分布圖。pyABHh第三十七頁，共四十二頁。解:(1)A點薄膜應力的計算A點的分別為: