化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)培訓(xùn)教程

化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)張茂潤(rùn)

安徽理工大學(xué)化工學(xué)院化工機(jī)械的概念:為保證化工生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行的所有設(shè)備與機(jī)器的總稱。設(shè)備的的概念:在化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、分離、結(jié)晶和貯存物料等裝置。常用的化工設(shè)備其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖(a)、(b)、(c)、(d)。機(jī)器的概念:在化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中用于為各種流體提供動(dòng)力的裝置(如各種泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等)。設(shè)備與機(jī)器的區(qū)別：研究對(duì)象：化工設(shè)備的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)的基本程序和方法及設(shè)計(jì)結(jié)果的正確表達(dá)。(a)帶攪拌的反應(yīng)器

(b)列管式換熱器

（c）填料塔

（d）貯罐

化工容器的概念：所有化工設(shè)備外部殼體的總稱。是設(shè)計(jì)一切化工設(shè)備的基礎(chǔ)?；と萜鞯慕Y(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(jì)化工容器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：筒體、封頭的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；附件選型?；と萜鞯脑O(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一切化工設(shè)備的基礎(chǔ)。一、化工容器的分類(lèi)(1)按幾何形狀分類(lèi)矩形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)）圓筒形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)，應(yīng)用最廣）球形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)）、錐形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)）(2)按承壓性質(zhì)分類(lèi)

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)、、高壓容器(H)、超高壓容器(U)。(3)按材料分類(lèi)金屬制容器、非金屬制容器。研究對(duì)象：鋼制的、典型的、常見(jiàn)的中、低、常壓容器的設(shè)計(jì)。容器又分為Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)。二、零、部件設(shè)計(jì)的機(jī)械要求(1)具有一定的強(qiáng)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(guò)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。

(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(biāo)準(zhǔn)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(jià)格等。(2)有利于零、部件之間的互換，提高勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。(3)有利于世界各國(guó)之間的技術(shù)交流。四、零、部件標(biāo)準(zhǔn)化的基本參數(shù)(1)公稱直徑DN卷制的圓筒公稱直徑DN系列卷制的圓筒: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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的壓力等級(jí)，這一壓力等級(jí)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(biāo)準(zhǔn)的壓力等級(jí)取值。要求：掌握上述基本參數(shù)，并會(huì)確定其值。0.250.61.01.62.54.06.4101625應(yīng)用舉例：

需要設(shè)計(jì)一臺(tái)體積為20的液氨貯罐，若液氨的工作壓力為1.6;罐體的長(zhǎng)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第一章化工設(shè)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(diǎn):機(jī)械、耐腐蝕性能)；二、掌握化工設(shè)備常用金屬材料牌號(hào)的意義及用途；三、了解提高和改善碳鋼機(jī)械性能和加工性能的方法化工生產(chǎn)的特點(diǎn)：高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕。1.1金屬材料的基本性能一、機(jī)械性能（重點(diǎn)）

(1)機(jī)械強(qiáng)度概念、強(qiáng)度指標(biāo)（σs、σb）

(2)彈塑性彈塑性指標(biāo)（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(cè)試方法及應(yīng)用。(5)碳鋼在高溫下的機(jī)械性能

強(qiáng)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(jī)械性能r

r

hFF碳鋼在高溫下的機(jī)械性能5101520252001004005003000.10.20.30.40.520040060080020406080100200300400800T(Co)強(qiáng)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(diǎn)）耐腐蝕性能的概念:衡量耐腐蝕性能的指標(biāo)：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(lèi)：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(shè)計(jì)的化工容器具有一定的使用壽命，在設(shè)計(jì)截面尺寸時(shí)需考慮腐蝕裕量C2.

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(diǎn)、熱脹系數(shù)、沸點(diǎn)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(hào)的意義及用途

制造化工設(shè)備常用金屬材料：碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金。

一、碳鋼(1)普通碳素鋼甲類(lèi)鋼、乙類(lèi)鋼、特類(lèi)鋼,三種鋼的特點(diǎn)，最常用的是甲類(lèi)3號(hào)鋼。甲類(lèi)鋼的牌號(hào)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(jí)(A、B、C、D四個(gè)等級(jí))，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(xiě))。(2)優(yōu)質(zhì)碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼的冶煉工藝及對(duì)S、P等雜質(zhì)的控制更加嚴(yán)格，其質(zhì)量和價(jià)格比普通碳素鋼高，牌號(hào)以含碳量（以萬(wàn)分計(jì)）表示，根據(jù)含碳量的不同，優(yōu)質(zhì)碳素鋼可分為三類(lèi)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(dòng)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。二、合金鋼(1)普通低合金鋼制造容器最常用的牌號(hào)有：

16Mn、16MnR、15MnVR、15MnDR牌號(hào)各項(xiàng)符號(hào)的意義：以15MnVR為例，15—含碳量(以萬(wàn)分計(jì))、Mn—合金元素,其后的數(shù)字為合金元素含量(以百分計(jì)，低于1.5%不寫(xiě))，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(hào)各項(xiàng)符號(hào)的意義與普通低合金鋼相似，以20Cr為例：20—含碳量（以萬(wàn)分計(jì)）、Cr—合金元素,其后的數(shù)字為合金元素含量（以百分計(jì)，低于1.5%不寫(xiě)），合金結(jié)構(gòu)鋼在化工設(shè)備上應(yīng)用較少，主要用于通用機(jī)械。(3)不銹鋼及不銹耐酸鋼常用的牌號(hào)有：

1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni10Ti,00Cr18Ni9Ti牌號(hào)各項(xiàng)符號(hào)的意義：與普通低合金鋼相似，但其含碳量以千分計(jì)。0.8/1000、0.5/1000、0.3/1000。(4)耐熱鋼牌號(hào)較多,每個(gè)牌號(hào)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(diǎn):強(qiáng)度、硬度高;塑性、焊接性能、冷沖壓性能差常用的鑄鐵牌號(hào)有：

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

銅、鋁及其合金。1.3提高和改善碳鋼機(jī)械性能和加工性能的方法碳鋼的機(jī)械性能和加工性能由碳鋼的化學(xué)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(xué)成份改變碳鋼的化學(xué)成份可以改變其機(jī)械和加工性能。（舉例說(shuō)明）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(xué)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(yīng)力，材料的機(jī)械和加工性能都會(huì)發(fā)生改變。T/℃t加熱保溫冷卻

第二章內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析本章要求：一、了解回轉(zhuǎn)殼體、中間面、軸對(duì)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(yīng)力的基本方程及其應(yīng)用條件；四、熟練掌握薄膜應(yīng)力理論在典型殼體中的應(yīng)用；五、了解邊緣應(yīng)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(duì)象：內(nèi)壓薄壁容器的設(shè)計(jì)。（原因）內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分類(lèi):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(yīng)力可分為三類(lèi)，1—遠(yuǎn)離聯(lián)接邊緣處的兩向拉應(yīng)力，即薄膜應(yīng)力

(無(wú)力矩理論計(jì)算)。2—聯(lián)接邊緣處的彎曲正應(yīng)力，即邊緣應(yīng)力

(有力矩理論計(jì)算)。3—開(kāi)孔處由于應(yīng)力集中，產(chǎn)生的峰值應(yīng)力(彈性力學(xué)理論計(jì)算)。本章介紹薄膜應(yīng)力理論及薄膜應(yīng)力的計(jì)算。p1232.1

回轉(zhuǎn)殼體薄膜應(yīng)力理論

一、基本假設(shè)及基本概念1.基本假設(shè)(1)小位移假設(shè)(2)直法線假設(shè)(3)不擠壓假設(shè)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(diǎn)的法線。ABO1O2母線B1B2經(jīng)線nK法線(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(duì)稱問(wèn)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(duì)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(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(diǎn)K為研究對(duì)象，由于經(jīng)線AB為一平面曲線，則該曲線在K點(diǎn)有一曲率半徑，則曲率半徑稱曲線在K點(diǎn)的第一曲率半徑ρ1。其計(jì)算方法如下：若經(jīng)線AB的方程為，則第二曲率半徑ρ2：通過(guò)K點(diǎn)的法線作一與經(jīng)線AB垂直的平面，該平面KABρ1K1KnABK2ρ2與回轉(zhuǎn)殼體的中間面相交，交線為曲線，該曲線在K點(diǎn)也有一曲率半徑，則曲率半徑稱K點(diǎn)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(yīng)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(diǎn)在經(jīng)線和緯線方向產(chǎn)生兩向拉應(yīng)力。（如圖所示）p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(yīng)力理論的應(yīng)用條件(1)殼體的幾何形狀必須是對(duì)稱的、連續(xù)的。ρ2p(2)殼體所承受的載荷必須是對(duì)稱的、連續(xù)的。2.2

薄膜應(yīng)力理論在典型殼體中的應(yīng)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(diǎn)A的薄膜應(yīng)力為：

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p由以上兩式可知：，因此圓柱殼的危險(xiǎn)截面是縱截面，破壞時(shí)沿著軸線方向開(kāi)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(diǎn)A的薄膜應(yīng)力為：由以上兩式可知：因此球殼上任意橫截面都是危險(xiǎn)截面。ASDp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(diǎn)A的薄膜應(yīng)力為：圓錐殼上任意一點(diǎn)的薄膜應(yīng)力隨著點(diǎn)的位置的變化而變化。

在錐尖處：

在錐大端處：

D2αr

mAS四、承受氣壓作用的橢球殼

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

且均為拉應(yīng)力；在赤道上：

hbaAp當(dāng)時(shí)，最大應(yīng)力在極點(diǎn)上，當(dāng)時(shí)，最大應(yīng)力在極點(diǎn)和赤道上，但赤道上由原來(lái)的拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力:當(dāng)時(shí)，最大應(yīng)力在赤道上，且為壓應(yīng)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(diǎn)的壓力為：

HyADS代入得：但液體的重量通過(guò)底板傳到地面上，圓柱殼的經(jīng)線沒(méi)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(2)懸掛的圓柱殼距離自由液面為y處A點(diǎn)的壓力為：在距離自由液面為y處將圓柱殼截為兩