教案首頁
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課程名稱 |
化工設備機械基礎 |
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項 目 |
第一章 |
課題 |
化工容器 |
課型 |
理論課 |
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授課班級 |
13級應用化工班 |
授課
時間 |
9月11日 |
課
時 |
1課時 |
授課教師 |
喬曼 |
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學習目標 |
專業(yè)能力 |
掌握常用化工容器的結構、分類及安全技術監(jiān)察
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核心能力 |
1、掌握容器設計的基本要求
2、理解公稱直徑和公稱壓力的意義 |
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教學對象分 析 |
2013級三年制學生雖然已經學過分析化學、無機化學、有機化學等課程的基本知識，但是部分學生基礎較差，學習態(tài)度不夠端正，自律性差，上課好動，喜歡說話等。針對以上問題學生對于化工設備機械基礎這門課學起來一定會有難度，所以在教學過程中，盡量采用模塊式教學和導入式教學方法結合，盡量讓學生學好這門課程，為后續(xù)課程打下基礎。 |
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教學方法 |
教學媒體—板書一體化教學、分析討論法、講授法、演示法、比較法等 |
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教學回顧 |
化工設備機械基礎是一門專業(yè)基礎課，所以、理論性比較強，有許多概念性東西，所以學生聽著就比較枯燥，但是通過給學生放一些動畫，學生基本能夠區(qū)分這些概念。 |
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教研室主任審簽： 年 月 日
教學環(huán)節(jié) |
教學過程（教學內容和教學方法） |
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教學過程：
一、 課前準備工作
1、自我介紹
2、課程安排
本學期上課周數(shù) 12 周，每周 4 學時，共 48 學時
3、課堂要求
1、上課紀律（不玩手機、不交頭接耳、不看課外書、不隨意走動）
2、作業(yè)認真完成
二、導入新課
從一些簡單的化工設備入手導入今天的課程——化工容器。
三、探索--接收新知
（一）、容器的結構和分類
1.壓力容器的主要作用：儲裝壓縮氣體、液體、液化氣體或為這些介質的傳熱、傳質、化學反應提供一個密閉的空間。
壓力容器的主要結構部件:一個能承受壓力的殼體及其他必要的連接件和密封件。
2.容器的分類
表1-1 1-2 1-3 1-4
（二）、容器零部件的標準化
標準化的目的：使容器零部件具有通用性，將容器零部件規(guī)定在一定的壓力等級（公稱壓力）和一定的尺寸范圍（公稱直徑）內，制定標準化系列。
壓力容器零部件的兩個基本參數(shù)：公稱直徑（DN）和公稱壓力(PN)。
（三）容器機械設計的基本要求
強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性、密封性、節(jié)省材料和便于制造、方便操作和便于運輸、技術經濟指標合理
四、 總結——課堂小結
通過本節(jié)課的學習，讓學生對一些常見的化工容器的基礎知識有了初步的認識，能夠將所學拓展到以后課程的學習中，為之后的學習和應用打下堅實的基礎。
五、鞏固----作業(yè)布置
習題: 一、二、三 |
教案首頁
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課程名稱 |
化工設備機械基礎 |
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項 目 |
第二章 |
課題 |
化工設備常用材料及選擇 |
課型 |
理論課 |
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授課班級 |
13級應用化工班 |
授課
時間 |
9月11~25日 |
課
時 |
9 |
授課教師 |
喬曼 |
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學習目標 |
專業(yè)能力 |
1、材料的力學性能；
2、化工設備材料的選擇 |
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核心能力 |
材料的性能 |
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教學對象分 析 |
2013級三年制學生雖然已經學過第一章節(jié)的內容，對本章節(jié)的學習起了一定的鋪墊左右，但本章新的概念性東西，和需要理解記憶的知識較多，所以學生學起來會有一定的困難。在教學過程中，盡量采用模塊式教學和導入式教學方法結合，盡量讓學生學好這門課程，為后續(xù)課程打下基礎。 |
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教學方法 |
教學媒體—板書一體化教學、分析討論法、講授法、演示法、比較法等 |
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教學回顧 |
通過上一節(jié)課的學習學生對化工容器的一些知識有了一定的了解為本節(jié)課的學習起了鋪墊的作用。 |
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教研室主任審簽： 年 月 日
教學環(huán)節(jié) |
教學過程（教學內容和教學方法） |
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教學過程：
一、 課前準備工作
1、自我介紹
2、課程安排
本學期上課周數(shù) 12 周，每周 4 學時，共 48 學時
3、課堂要求
1、上課紀律（不玩手機、不交頭接耳、不看課外書、不隨意走動）
2、作業(yè)認真完成
二、導入新課
從回顧上一節(jié)課的知識入手導入今天的課程——化工設備常用材料及選擇。
三、探索--接收新知
概述
一、化工設備選材的重要性和復雜性
1.操作條件的限制
2.制造條件的限制
3.材料自身性能的限制
二、選材要遵循
適用、安全和經濟的原則。
第一節(jié) 材料的性能
一、力學性能
材料在外力(或外加能量)作用下抵抗外力所表現(xiàn)的行為，包括變形和抗力，即在外力作用下不產生超過允許的變形或不被破壞的能力。
1、強度：固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變形和斷裂的特性。
屈服強度σs(σ0.2) ：金屬材料承受載荷作用，當載荷不再增加或緩慢增加時，仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象就稱為屈服。
抗拉強度σb ：金屬在拉伸條件下，從開始加載到發(fā)生斷裂所能承受的最大應力值，叫作抗拉強度。
蠕變強度σn ：材料在高溫下，在一定的應力下，抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力。
“蠕變”現(xiàn)象：高溫高壓的蒸汽管道下?lián)献冃危?br>
高溫高壓下法蘭及螺栓蠕變變形而泄漏；
鉛絲在常溫下受重力作用而變長變細。
持久強度σD ：材料在高溫下，抵抗發(fā)生斷裂的能力。
疲勞極限σn ：材料在交變載荷作用下，會在遠低于材料本身的屈服點時就已經斷裂了，這種現(xiàn)象就是疲勞。我們把）經過106~108次循環(huán)試驗而不發(fā)生斷裂的最大應力，作為疲勞強度。
疲勞強度舉例：頻繁開、停車——容器內壓力或溫度波動；
活塞式壓縮機壓縮氣體——容器及管道內壓力波動；
離心泵頻繁開停機或震動——泵軸受力成交變式。
2、塑性：
金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。
主要有兩個塑性指標：
伸長率δ
斷面收縮率Ψ
冷彎性能：室溫下對試板以一定的內半徑（R=0.5～3板厚）進行彎曲，a=1200或1800 ，是否出現(xiàn)裂紋或起層。-----是鋼材塑性指標和冶金質量的綜合指標。
塑性指標的實際意義：便于成型加工和焊接。如彎卷、鍛壓、冷沖、焊接等；
使構件在承載后由于變形而避免發(fā)生斷裂。
——壓力容器及其零件都需要具備這個性質。
3、韌性：
表示材料彈塑性變形為斷裂全過程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂紋擴展的能力。
承受靜載荷抗裂紋擴展的能力—— 缺口敏感性
承受動載荷時抗裂紋的能力—— 沖擊韌性
問題：判斷正誤并說出理由
韌性高的材料，塑性好；塑性較高的材料，韌性也好。
注意！韌性是材料在外加動載荷突然襲擊時的一種及時和迅速塑性變形的能力。韌性高的材料，一般都有較高的塑性指標；但塑性較高的材料，卻不一定都有高的韌性。其所以如此，就是因為靜載菏下能夠緩慢塑性變形的材料．在動載荷下不一定能迅速塑性變形。
缺口敏感性：指在帶有一定應力集中的缺口條件下，并且在靜載荷作用條件下，抵抗裂紋擴展的能力。
4、硬度：
金屬材料抵抗其它更硬的物體壓入其內的能力。
表示金屬材料在一個小的體積范圍內抵抗
彈性變形、塑性變形或破斷的能力。
布氏硬度HB（一般在HB450以上就不能使用) 、 洛氏硬度HR (可以用于硬度很高的材料) 、 維氏硬度HV ( 比洛氏硬度更適合于測定極薄試樣的硬度) ，顯微硬度。
小結
材料的力學性能所包括的強度、塑性、韌性、硬度四個指標中，強度和塑性占主導地位，但使用時要考慮溫度的變化。
二、化學性能
1、耐腐蝕性
金屬和合金對周圍介質，如大氣、水汽、各種電解液侵蝕的抵抗能力叫做耐腐蝕性。
2、抗氧化性
在現(xiàn)代工業(yè)生產中的許多高溫化工設備，在高溫工作條件下，不僅有自由氧的氧化腐蝕過程，還有其他氣體介質如水蒸氣，CO2、SO2等的氧化腐蝕作用，因此鍋爐給水中的含氧量和其他介質中的硫及其他雜質的含量對鋼的氧化是有一定影響的。
三、物理性能
相對密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性、磁性、彈性模數(shù)與泊桑比等。
1、線膨脹系數(shù)α
2、彈性模量E
材料在彈性范圍內，應力和應變成正比，即σ＝Eε，這個比例系數(shù)E稱為彈性模量，表示金屬材料在彈性變形階段的應力和應變關系。
對不同材料，材料的彈性模量越大．使它產生一定量的彈性變形的應力也越 。對同一種材料，彈性模數(shù)E隨溫度的升高而 。
3、泊桑比
泊桑比是拉伸試驗中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長之比，以μ表示。對于各種鋼材它近乎為一個常數(shù)，即μ＝0.3。
四、加工工藝性能
金屬和合金的工藝性能是指鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性、熱處理性能等直接影響化工設備和零部件的制造工藝方法，也是選擇材料時
必須考慮的因素。
良好的冷熱加工性能
良好的焊接性能
第二節(jié) 化工設備常用材料特性
分類
1.黑色金屬—— 1）生鐵
2）鋼
按質量分：
按化學成分：
按冶煉方法分：
按用途分：
2.有色金屬
鋼鐵牌號及表示方法
1.牌號的表示原則
依據國家標準GB221-2000,牌號中化學元素——化學符號或漢字表示；產品用途、冶煉和澆鑄方法——漢字或漢語拼音字母表示。
例如：沸騰鋼——F或沸
灰口鑄鐵——HT或灰鐵
鑄鋼——ZG
鍋爐鋼——g或鍋
容器鋼——R或容
2.鋼號表示法
低合金鋼—— 16MnR 16——含碳量0.16%；
Mn——合金元素；
R ——容器鋼。
特殊性能鋼—— Cr18Ni9 1——含碳量0.1%（千分數(shù)）；
Cr,Ni——主要合金元素；
18——含鉻量18%；
9 ——含鎳量9%。
碳鋼與鑄鐵：鋼鐵的組成=95%以上鐵+（0.05～4%）碳+1%雜質 ——鐵碳合金
含碳量0.02~2% 為鋼；含碳量＞2% 為鑄鐵；含碳量＜0.02% 為工業(yè)純鐵；含碳量＞ 4.3% 無實用價值。
一、 鐵碳合金的組織結構
1.金屬的組織與結構
在1500倍顯微鏡下觀察到的顯微組織，即金屬的金相組織。
金相組織結構直接影響金屬材料的性質。
如，鑄鐵中的石墨形式不同，其性質也不同。
球狀石墨：強度最好；細片狀石墨：次之；粗片狀石墨：差
純鐵在不同溫度下的晶體結構：
2. 鐵與碳的相互關系和碳鋼的基本組織
鐵碳關系：固溶態(tài)，化合態(tài)，混合態(tài)
固溶：元素于固態(tài)下相互溶解，保持溶劑晶格原來形式。
（1）鐵素體（F）
體心立方晶格（α-Fe ）+C→
塑性好，強度低
韌性好，強度高
滲碳體（C）——鐵碳關系之二：化合態(tài)
C+Fe→ Fe3C Fe3C 稱為滲碳體。
性能特點:.硬，脆；在一定條件下可以分解
滲碳體的作用：少量滲碳體散布在鐵素鐵中（總含c量﹤2%）成為碳素鋼。提高了強度和硬度，可軋制成鋼材。
鐵碳關系之三——游離態(tài)
鐵碳合金中含碳量﹥2%時，部分碳以石墨形式存在于其中，即所謂鑄鐵。
組織結構特點——
性能特點：石墨性軟、強度極低，相當于鑄鐵中存在許多孔洞。
二、碳鋼
1.碳鋼中雜質對其性能的影響
1）.錳(Mn)
來源——在冶煉過程中加入錳鐵。
作用——鋼材中錳含量高于0.8%時，即為合金元素存在——提高強度。是有益元素。
2）.硫(S)
· 來源——礦石和焦炭。
· 存在形式：FeS。
· 作用——FeS 的熔點低于鋼材熱加工開始溫度， 它過早熔化，導致工件開裂，稱為熱脆性。
有害元素！
3). 磷(P)
· 來源——礦石。
· 作用——溶于鐵素體，使鋼材常溫下脆性增加，塑性、韌性下降，即所謂“冷脆性”。
有害元素！
4）.氫(H)
來源——鋼由高溫奧氏體冷至常溫時，氫的溶解度降低，來不及到鋼的表面逸出而積聚，并產生高壓力，在鋼材內產生“白點”。
“白點”——裂紋源
有害元素！
2.碳鋼的分類、牌號
（1）普通碳鋼
含P、S等有害雜質較多（S≤0.055% P≤0.045%)
· 常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F
#Q235-B, # Q235-C, Q275 (參見表1-6）
式中 Q—普通碳鋼，“屈服”的拼音首位字母。
235——材料屈服點（MPa)
A,B,C,D——鋼材質量等級，越后越高。
F——沸騰鋼
#—GB150-98規(guī)定使用材料
（2）.優(yōu)質碳素鋼
特點：含硫、磷等雜質較少，均≤0.04%，雜質少，組織均勻，表面質量好。
常用有：08,10,15,20,20g,20R,30Mn,40Mn等。
式中 數(shù)字--含c量的萬分數(shù);
g --鍋爐鋼；
R --容器鋼；
Mn ---含錳元素約1%。
（3）.高級優(yōu)質鋼 磷硫雜質極少
P,s含量≤0.03%。
表示法：如20A
三、 鑄鐵
鐵+ (2.5～4.0%)碳+Si、Mn、P、S 等雜質
1）灰鑄鐵 如 HT150-330, HT200-400
HT---灰鑄鐵
第一個數(shù)字---抗拉強度（MPa)
第二個數(shù)字---抗彎強度（MPa)
特點：斷口呈灰色，石墨呈片狀；
質脆，耐磨，抗壓不抗拉，可鑄性好，易切削；
吸音減振，某些介質中耐腐蝕性好。
2）.可斷鑄鐵 如 KT300-10
KT---可斷鑄鐵
300---抗拉強度（MPa)
10----延伸率（%）
特點：碳以團絮狀存在，強度比灰鑄鐵高，具有較高的塑性和韌性。
3）球墨鑄鐵 如 QT400-15
QT---球墨鑄鐵 400---抗拉強度（MPa)
15----延伸率（%）
特點：碳以球狀石墨存在，可鑄性好，易切削；強度高，較好的塑性和韌性。
45號鋼、球墨鑄鐵、灰鑄鐵的機械性能比較
4）高硅鑄鐵：STSi15R, STSi11Cu2CrR, STSi17R…
式中 ST---高硅耐蝕鑄鐵，Si15---含硅15%左右，
Cu2---含銅2%左右，R ---混合稀土元素（≤0.1%）。
特點：※耐腐蝕性好；
※質硬、脆，較難機加工，一般采用鑄造；
※導熱性能差，膨脹系數(shù)大，受熱易裂。
用途：制造耐腐蝕泵、閥門、旋塞、冷卻排管、輔助陽極、管道配件等。
四、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼
鎮(zhèn)靜鋼——質量最好；半鎮(zhèn)靜鋼——質量次之；沸騰鋼——質量最差
五、鋼的熱處理
熱處理工藝實例：
※縫紉用鋼針在火上燒，再慢慢冷下來后變軟；
※建筑用鐵線用火燒軟；
※泵軸調質—內韌外硬；
※扁鏟淬火—提高硬度和韌性 ；
※容器焊后退火—消除內應力；
熱處理工藝曲線：
1）常用熱處理工藝
緩慢加熱，保溫一定時間后
※ 隨爐冷卻（曲線1） -- 退火；
※ 空氣中冷卻（曲線2）--正火 ；
作用：①降低硬度，增加塑性，改善機械性能；
②使組織均勻化，消除內應力。
【注】加熱溫度為臨界點（鋼的內部組織發(fā)生轉變的溫度) 以上30～50℃。
（2）化學熱處理--將零件放在化學介質中進行加熱-保溫-冷卻的過程?！沽慵砻娓男浴?br>
方式：滲碳，滲氮，滲鉻，氰化等。
淬火
緩慢加熱，保溫一定時間 淬火劑中冷卻（曲線3）；
淬火劑:水，鹽水---用于 碳鋼；油---用于合金鋼。
作用：提高硬度、強度和耐磨性。
回火
淬火后再進行一次較低溫度的加熱與冷卻。
作用：消除內應力，穩(wěn)定組織，滿足技術要求。
回火又分為：低溫回火（150～250 ℃ ）；
中溫回火（300～450 ℃ ）；
高溫回火（500～680℃）。
淬火+高溫回火 稱為調質處理。
效果：強度、塑性、韌性均提高 。
第三節(jié) 低合金鋼及化工設備用特種鋼
1. 合金元素對鋼的影響
——為改善鋼材性能特意加入合金元素，以改變鋼材性質。例如：
鉻：耐腐蝕抗氧化；
提高了強度硬度和耐磨性；
使鋼材的韌性和塑性降低。
錳：提高強度和低溫沖擊韌性。
鎳：提高淬透性，保持良好塑性和韌性；
提高耐腐蝕性和低溫沖擊韌性；
提高熱強性能。
硅：提高強度、高溫疲勞強度、耐熱性、耐H2S腐蝕；
降低了塑性和沖擊韌性。
2. 普通低合金鋼
1. 成分特點：
※由碳素鋼+Si、Mn、Cu、 Ti、V、Nb等元素組成；
※含碳量均較低，≤0.2%；
※合金元素總含量＜5% 。
2. 相對于碳素鋼，其性能特點：
※強度提高；
※耐腐蝕性能提高；
※低溫性能提高。
碳素鋼與低合金鋼比較
3.常用材料：板，管，圓鋼等型材。
4.用途：
廣泛用于造船，壓力容器，橋梁，高壓鍋爐，汽車，礦山機械，農業(yè)機械等。
5.常用材料：
16MnR，15MnVR,18MnMoNbR,
16MnDR,15CrMoR,14Cr1MoR….
3. 容器鋼和鍋爐鋼
（1）.工作環(huán)境：
鍋爐：中溫或高溫；中壓或高壓。
容器：壓力；溫度；介質腐蝕；操作特點。
（2）.對材質要求：
1）較高的強度；
2）良好的塑性、韌性和冷彎性能；
3）較低的缺口敏感性；
4）良好的焊接性能和其他工藝性能；
5）良好的冶金質量。
4.常用的材料：
容器鋼——（GB150-1998 《鋼制壓力容器》推薦）
Q235-B，Q235-C;20R;16MnR，15MnVR，15MnVNbR，18MnMoNbR。
鍋爐鋼—— 20g；12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg。
（4）.標準：
《壓力容器用鋼板》GB6654-1996
《壓力容器用碳素鋼和低合金厚鋼板》YB/T40-87
5. 不銹耐酸鋼
不銹---耐大氣腐蝕；
耐酸---耐酸及強腐蝕性介質的腐蝕。
常用品種：
1）鉻不銹鋼---如1Cr13, 2Cr13, 0Cr13等。
第一個數(shù)字---含碳量的千分數(shù)[見表1-5(1-4）]； Cr13---含鉻13%。
◎組織成分：鉻固溶于鐵素體的晶格中形成固溶體。
“不銹”的原因：在氧化性介質中，鉻能生成一層穩(wěn)定而致密的氧化膜，對鋼材起保護作用。
性能特點：碳的作用---與鉻生成碳化鉻(Cr23C6)，消耗大量的鉻。為保證耐腐蝕性能，不銹鋼中碳含量越低越好。
鉻的作用：——能提高耐腐蝕性能。實際鉻不銹鋼的平均含鉻量≥13%。
——能提高鋼的淬透性，顯著提高鋼的強度、硬度和耐磨性，而塑性、韌性降低。
用作受載荷大的耐蝕零件，如軸類，活塞桿、螺栓、浮閥等
2）鉻鎳不銹鋼
常用鉻鎳不銹鋼型號:0Cr18Ni9 0Cr18Ni10Ti
式中 0---含碳量的千分數(shù)； Cr18---含鉻量18%左右；Ni9---含鎳量9%左右。
通常以鉻鎳平均含量“18-8”標志這種鋼。
組織特征：C、Cr、Ni固溶于奧氏體晶格中，是單一的奧氏體組織。
性能特點:
①耐腐蝕性好 ※Cr含量≥13%，表面形成氧化膜；※組織為單一的奧氏體，在電解液中不能形成微電池，避免了電化學腐蝕。
②力學性能優(yōu)異。[見P298附錄五]
③在400～850℃期間，碳生成碳化鉻在晶界析出，使晶界附近貧鉻（鉻含量低于12%）導致晶間腐蝕。不能反復施焊，否則必須進行熱處理。
④不耐氯離子腐蝕。
6. 高溫用鋼（耐熱鋼）
高溫環(huán)境---原油加熱、裂解、催化等。如轉化爐爐管，工作溫度為650～800℃。碳鋼使用溫度一般在400℃以下。如20鋼 500℃時屈服點只有50MPa,變得很軟，鋼中的Fe3C分解出石墨碳（石墨化過程）；同時鋼表面生成氧化皮，層層剝落?！间撛诟邷叵聫姸群涂寡趸跃陆?。
高溫設備對材料的要求：
①化學穩(wěn)定性?！挚垢邷貧怏w（O2、H2S、SO2 等)腐蝕的能力。鋼的表面能生成致密的氧化膜。
抗氧化鋼——抗高溫氧化，強度不高。 Cr13SiAl, Cr25Ti, Cr25Ni12等。
②熱強性?！垢邷厝渥兡芰?。
熱強鋼——抗蠕變，有一定抗氧化能力。 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等。
各元素的作用：
元素 Cr—提高抗氧化性，強化并穩(wěn)定金相組織。
Mo—提高高溫強度，強化并穩(wěn)定金相組織，提高再結晶溫度。
Ni—形成奧氏體組織，提高高溫強度和耐腐蝕性。
Ti—穩(wěn)定金相組織，不銹鋼中能減少鉻與碳的化合。
Al,Si—提高高溫抗氧化性，本身生成致密的氧化膜。
7. 低溫用鋼
低溫環(huán)境——天然氣液化、空氣分離、潤滑油脫脂、輕烴回收等。普通碳鋼在低溫下（-20℃以下）變脆，沖擊韌性顯著下降。 低溫用鋼的組織 成分特點：※一般低溫（-40~-20 ℃)鋼——含碳量很低的鐵素體組織，再加入適量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。如 16MnDR,09MnNiDR等。
※深冷（-40℃以下)用鋼——含碳量低的奧氏體組織。如 15Mn26Al4。
8. 鋼材的品種和規(guī)格
無縫鋼管表示法： 如 f219×10其中 219-鋼管的外徑,mm；
10-鋼管名義壁厚,mm。有縫鋼管 由板卷焊接而成。用于水管，蒸汽管等。
如 1吋,1/4吋,3/4吋等.
3）型鋼：圓鋼、方鋼、扁鋼、等邊角鋼、不等邊角鋼、工字鋼、槽鋼
4）鑄鋼和鍛鋼：鋼水鑄造成型---鑄鋼。
如：ZG200-400式中200-屈服點；400-抗拉強度。
鋼坯鍛壓成型---鍛鋼
第四節(jié) 有色金屬材料
一. 鋁及其合金
1.特性：1）密度小，體輕；2）導電、導熱性好。不產生火花；3）塑性高，強度低；4）易冷加工，可焊，可鑄；5）耐低溫；6）一定的耐腐蝕性；7）不污染食物。
2.常用鋁材：
1）純鋁：高純鋁——L01，L02（濃硝酸設備）；
工業(yè)純鋁—L1，L2，L4（換熱器，塔，儲罐，深冷設備等）。
2）鑄造鋁——ZL（泵，閥門，離心機等）。
3）防銹鋁——LF（深冷設備，分離塔等）。
二. 銅及其合金
1.純銅（紫銅）
特性：1）塑性好，導電性好，導熱好；
2）低溫下保持較高塑性和沖擊韌性；
3）耐低濃度酸。
用場：深冷裝置；密封墊片。常用材料：T2，T3，T4，TUP（用磷脫氧的無氧純銅）。
2.黃銅——銅與鋅的合金。
特性：鑄造性能好；較高的力學性能；易切削加工；可焊接；耐蝕性較好；有應力腐蝕開裂傾向。
化工常用材料：H80,H68,H62等。
3.青銅
常用材料：錫青銅（銅錫合金）——鑄造青銅用場較多。
特點：良好的耐腐蝕性，耐磨性。
用場：泵殼，軸承，渦輪，閥門等。
三. 鉛及其合金
特點：
1）強度低、硬度低、不耐磨、非常軟；
2）耐硫酸腐蝕性能強，但不耐甲酸、乙酸、硝酸及堿溶液；
3）耐輻射性強。
用場：加料管、鼓泡器、耐酸泵等，特別是在一些有輻射的場合用來進行屏蔽。
四. 鈦及其合金
特點：1）密度不大而強度高； 2）耐腐蝕性能近乎或超過不銹鋼； 3）耐熱。
用場：航空工業(yè)，化學工業(yè)。
第五節(jié) 非金屬材料
1. 無機非金屬材料
1）. 化工陶瓷
特點：1）良好的耐腐蝕性能；2）足夠的不透性、耐熱性；
3）一定的機械強度；4）性脆易裂，導熱性差。
用場：化工陶瓷設備及管道，管件等。
2）.化工搪瓷
——含高硅的瓷釉經900℃煅燒，密著在金屬胎表面而成。
特點：1）優(yōu)良的耐腐蝕性能；
2）優(yōu)良的電絕緣性能；
3）易碎裂。
用場：搪瓷設備，如反應釜、儲罐、換熱器、塔、閥門等。
3）.玻璃
特點：1）良好的耐腐蝕性能；
2）足夠熱穩(wěn)定性；
3）透明、清潔、阻力?。?br>
4）性脆易裂，導熱性差。
用場：管道，管件等。
4）.輝綠鹽柱石
特點：良好的耐腐蝕性能；用場：用作設備襯里。
2. 有機非金屬材料
1）. 工程塑料：高分子合成樹脂+
填料——提高力學性能；
增塑劑——降低硬度和脆性；
穩(wěn)定劑——延緩老化；
固化劑——加快固化速度。
特點：1）良好的耐腐蝕性能；2）一定的機械強度；3）密度不大；4）價格較低。
常用材料： 硬聚氯乙烯塑料；聚乙烯塑料；耐酸酚醛塑料；四氟乙烯塑料
2）.涂料——高分子膠體的混合物溶液。用途：設備防腐
常用涂料：防銹漆；底漆；大漆；環(huán)氧樹脂漆；酚醛樹脂漆。等
3). 不透性石墨——各種樹脂侵汲石墨，消除孔隙而成。
特點：1）較高的化學穩(wěn)定性和良好的導熱性，熱膨脹系數(shù)小，耐溫度急變性好；2）不污染介質；3）加工性能好，相對密度??；4）力學性能較低，性脆。
用場：腐蝕性強的換熱器；泵，管道，機械密封環(huán)，爆破片等。
4). 玻璃鋼——用合成樹脂做黏結劑，玻璃纖維為骨架制成。
特點：1）強度高
2）加工性能好
3）耐腐蝕性好
用場：容器，儲槽，塔，鼓風機，攪拌器，泵，管道，閥門等。
第六節(jié) 化工設備的腐蝕及防腐措施
一. 金屬的腐蝕
1.化學腐蝕——金屬遇到干燥氣體或非電解質溶液發(fā)生的腐蝕。
特點：1）腐蝕產物在金屬表面；2）腐蝕過程中無電流產生。
腐蝕產物特性：1）致密而穩(wěn)定，與金屬結合牢固——鈍化膜——鈍化作用；2）不穩(wěn)定，與金屬結合不牢固——脫落——活化作用。
（1）金屬的高溫氧化及脫碳——金屬在高溫下的氣體腐蝕。
解決方法：冶煉時加入鉻，硅或鋁——不起皮鋼
溫度＞700℃時——脫碳作用。
脫碳反應：Fe3C+O2=3Fe+CO2
Fe3C+CO2=3Fe+CO
Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2
力學性能下降。
（2）氫腐蝕
鐵碳合金發(fā)生氫腐蝕的開始溫度和壓力：
第一階段：氫脆——以原子狀態(tài)侵入鋼材內部，聚集，使鋼變脆。與氫在鋼中的溶解度成正比。
第二階段：氫侵蝕——發(fā)生化學反應：Fe3C+2H2=3Fe+CH4
危害：1）甲烷在晶界聚集，成為裂紋源；
2）甲烷在鋼材表面鼓泡，降低力學性能；
3）滲碳體還原為鐵素體，體積減小，產生組織應力，促進裂紋擴展。又提供氫和甲烷聚集條件，加重氫侵蝕——鋼材組織成為網格。
2.電化學腐蝕
——金屬與電解液接觸發(fā)生電化學反映。
三個環(huán)節(jié)：
發(fā)生電化學腐蝕必備條件：
1）同一金屬中有不同電位的組織成分或存在不同電位的金屬；
2）陽極和陰極互相連接；
3）陽極和陰極同處在連通的電解液中。
晶間腐蝕和應力腐蝕——均屬于電化學腐蝕。
1.晶間腐蝕
腐蝕性介質沿晶粒間滲入金屬深處，腐蝕破壞金屬晶粒間的結合力，使之強度和塑性完全喪失?！皟炔客呓狻弊饔?。
不銹鋼有晶間腐蝕可能：
在450~850 ℃之間，生成(Cr·Fe)23C6，沿晶界析出，晶界成為貧鉻帶。在電化學行為中，貧鉻帶成為陽極，晶粒成為陰極，形成微電池。
解決辦法：
1）鋼中加入Ti和Nb元素；
2）減少不銹鋼中的碳含量。
2.應力腐蝕亦稱腐蝕開裂——金屬在腐蝕性介質和拉應力共同作用下產生的破壞形式。
腐蝕斷裂過程分三個階段：
1）孕育階段——機械裂紋。
2）裂紋擴展——裂紋尖端為高度應力集中區(qū)，出現(xiàn)微電池。
3）破壞階段。
二.金屬腐蝕的評定方法：
1）質（重）量變化評定法——試驗測定，單位表面、單位時間腐蝕引起的質（重）量變化量。
2）腐蝕深度評定法——用每年金屬厚度的減少量表示腐蝕速度。
三. 金屬腐蝕破壞的形
危險性較小，
壁厚有保證即可。
四. 金屬設備的防腐措施
1.襯覆保護層
1）金屬保護層——電鍍，噴鍍，襯里等。2）非金屬保護層
· 非金屬襯里——瓷磚，石墨板，水玻璃膠泥；
· 防腐涂料——防腐漆，環(huán)氧樹脂等。
2.電化學保護
1）陽極保護——被保護設備接直流電源陽極，生成“鈍化膜”。
2）陰極保護
——犧牲陽極保護
3.添加緩蝕劑——腐蝕性介質中加入少量緩蝕劑，降低或停止腐蝕作用。
注意！
1）不影響產品（介質）質量；
2）符合性；
3）種類和用量要經試驗確定。
第七節(jié). 化工設備材料的選擇
要考慮：
· 設備的操作條件——壓力、溫度、介質特性、操作特點；
· 材料的使用性能——力學性能、物理性能、化學性能；
· 加工工藝性能——焊接性能、熱處理性能、冷彎性能及其他冷熱加工性能；
· 經濟合理性及設備結構——材料價格、制造費用和使用壽命。
選材一般原則：
1.壓力容器用鋼材應符合GB150-1998《鋼制壓力容器》的要求，設計壓力不大于35MPa。接受《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》的監(jiān)督。
2.壓力容器承壓件用普通碳鋼鋼板的適用范圍：
3.設計溫度應在允許使用溫度范圍內。見書p46表1-30。
4.耐腐蝕
!同時考慮正常生產、停車、空料、內填料等的實際情況。
5.經濟性好
6.其他
（1）高壓設備應優(yōu)先選用低合金高、中強度鋼，從而節(jié)省鋼材。
（2）承受剛度控制的設備，不宜采用高強度材料。
（3）1Cr18Ni9Ti 鋼材使用溫度不高于500℃時，許用應力按0Cr18Ni10Ti 選取。
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教案首頁
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課程名稱 |
化工設備機械基礎 |
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項 目 |
第三章 |
課題 |
內壓薄壁容器的設計 |
課型 |
理論課 |
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授課班級 |
13級應用化工班 |
授課
時間 |
9月27日~10月11 |
課
時 |
8課時 |
授課教師 |
喬曼 |
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學習目標 |
專業(yè)能力 |
薄膜理論及其應用 |
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核心能力 |
對容器的基本感性認識
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教學對象分 析 |
2013級三年制學生雖然已經學過分析化學、無機化學、有機化學等課程的基本知識，但是部分學生基礎較差，學習態(tài)度不夠端正，自律性差，上課好動，喜歡說話等。針對以上問題學生對于化工設備機械基礎這門課學起來一定會有難度，所以在教學過程中，盡量采用模塊式教學和導入式教學方法結合，盡量讓學生學好這門課程，為后續(xù)課程打下基礎。 |
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教學方法 |
教學媒體—板書一體化教學、分析討論法、講授法、演示法、比較法等 |
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教學回顧 |
通過上一章課的學習學生基本掌握了化工設備常用材料及其選擇，為本章節(jié)的學習做了鋪墊。 |
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教研室主任審簽： 年 月 日
教學環(huán)節(jié) |
教學過程（教學內容和教學方法） |
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教學過程：
一、回顧--溫故知新
以PPT呈示一些簡單的內壓薄壁容器，以提高學生對本節(jié)課的學習興趣。
二、觀察--思考討論
引出上一章節(jié)化工設備材料的基本內容，讓學生結合之前所學知識聯(lián)想到與本節(jié)課的聯(lián)系，提高學生的學習討論積極性。
三、探索--接收新知
第一節(jié) 回轉殼體的應力分析—薄膜應力理論
薄壁容器：容器的厚度與其最大截面圓的內徑之比小于0.1的容器稱為薄壁容器。（超出這一范圍的稱為厚壁容器）
應力分析是強度設計中首先要解決的問題。
計算殼壁應力有如下理論：
（1）無矩理論，即薄膜理論。假定殼壁如同薄膜一樣，只承受拉應力和壓應力，完全不能承受彎矩和彎曲應力。殼壁內的應力即為薄膜應力。
（2）有矩理論。殼壁內存在除拉應力或壓應力外，還存在彎曲應力。
在工程實際中，理想的薄壁殼體是不存在的，因為即使殼壁很薄，殼體中還會或多或少地存在一些彎曲應力，所以無矩理論有其近似性和局限性。由于彎曲應力一般很小，如略去不計，其誤差仍在工程計算的允許范圍內，而計算方法大大簡化，所以工程計算中常采用無矩理論。
一、薄膜容器及其應力特點
1. 內壓薄壁容器的結構與受力：
2. 內壓薄壁容器的變形：
3. 內壓薄壁容器的內力：
結論
在任何一個壓力容器中，總存在著兩類不同性質的應力
①環(huán)向應力或周向應力，單位MPa，方向為垂直于縱向截面；
②軸向應力或經向應力，單位MPa，方向為垂直于橫向截面；
③由于厚度δ 很小，認為都是沿壁厚均勻分布的，并把它們稱為薄膜應力。
二、基本概念與基本假設
1、回轉殼體中的基本的幾何概念
中間面：平分殼體厚度的曲面稱為殼體的中間
面。中間面與殼體內外表面等距離，它代表了殼體的幾何特性。
回轉曲面 ：由平面直線或平面曲線繞其同平面內的回轉軸回轉一周所形成的曲面。
回轉殼體：由回轉曲面作中間面形成的殼體。
本章研究的是滿足軸對稱條件的薄壁殼體。
母線：形成回轉殼體中間面的那條直線或平面曲線。
經線：通過回轉軸的平面與中間面的交線
經線與母線形狀完全相同
法線：過中間面上的點M且垂直于中間面的直線n稱為中間面在該點的法線。（法線的延長線必與回轉軸相交）
緯線：以法線為母線繞回轉軸回轉一周所形成的園錐法截面與中間面的交線圓
平行圓：垂直于回轉軸的平面與中間面的交線稱平行圓。顯然，平行圓即緯線。
2、無力矩理論基本假設
假定材料具有連續(xù)性、均勻性和各向同性，即殼體是完全彈性的
小位移假設：殼體受力后，殼體中各點的位移遠小于壁厚 ，利用變形前尺寸代替變形后尺寸
直法線假設：殼體在變形前垂直于中間面的直線段，在變形后仍保持為直線段，并且垂直于變形后的中間面。
不擠壓假設：殼體各層纖維變形前后均互不擠壓
三、經向應力計算公式——區(qū)域平衡方程式
1、截面法
用假想截面將殼體沿經線的法線方向切開，即平行圓直徑D 處有垂直于經線的法向圓錐面截開，取下部作脫離體，建立靜力平衡方程式。
2、回轉殼體的經向應力分析
⒈Z軸上的合力為Pz
⒉作用在截面上應力的合力在Z軸上的投影為Nz
⒊在Z 方向的平衡方程
四、環(huán)向應力計算公式——微體平衡方程式
五、薄膜理論的適用條件
無力矩理論是在旋轉薄殼的受力分析中忽略了彎矩的作用。此時應力狀態(tài)和承受內壓的薄膜相似，又稱薄膜理論。
回轉殼體曲面在幾何上是軸對稱,殼體厚度無突變；曲率半徑是連續(xù)變化的，材料是各向同性的，且物理性能（主要是E和μ）應當是相同的
載荷在殼體曲面上的分布是軸對稱和連續(xù)的
殼體邊界的固定形式應該是自由支承的
殼體的邊界力應當在殼體曲面的切平面內，要求在邊界上無橫剪力和彎矩
· δ/Di≤0.1
薄膜理論的應用
區(qū)域平衡方程式
微體平衡方程式
討論1：薄壁圓筒上開孔的有利形狀
① 環(huán)向應力是經向應力的2倍，所以環(huán)向承受應力更大，環(huán)向上就要少削弱面積，故開設橢圓孔時，橢圓孔之短軸平行于筒體軸線
討論2：介質與壓力一定，壁厚越大，是否應力就越小
二、受氣體內壓的球形殼體
對相同的內壓，球殼的環(huán)向應力要比同直徑、 同厚度的圓筒殼的環(huán)向應力小一半，這是球殼顯著的優(yōu)點。
三、受氣體內壓的錐形殼體
錐形殼體環(huán)向應力是經向應力兩倍，隨半錐角a的增大而增大。
α角要選擇合適，不宜太大
在錐形殼體大端r=R時，應力最大，在錐頂處，應力為零。因此，一般在錐頂開孔。
第二節(jié) 內壓圓筒邊緣應力及其處理
一、邊緣應力概念
壓力容器邊緣——指“不連續(xù)處”，主要是幾何不連續(xù)及載荷（支撐）不連續(xù)處，以及溫度不連續(xù)，材料不連續(xù)等處。
在不連續(xù)點處，由于介質壓力及溫度作用，除了產生薄膜應力外，還發(fā)生變形協(xié)調，導致了附加內力的產生。
二、邊緣應力特點
（1）.局部性
只產生在一局部區(qū)域內，邊緣應力衰減很快。
（2）.自限性
邊緣應力是由于不連續(xù)點的兩側產生相互約束而出現(xiàn)的附加應力。
當邊緣處的附加應力達到材料屈服極限時，相互約束便緩解了，不會無限制地增大。
三、對邊緣應力的處理
1.利用局部性特點——局部處理。如：改變邊緣結構，邊緣局部加強，筒體縱向焊縫錯開焊接，焊縫與邊緣離開，焊后熱處理等。
2.利用自限性——保證材料塑性
——可以使邊緣應力不會過大，避免產生裂紋。
——尤其對低溫容器，以及承受疲勞載荷的壓力容器，更要注意邊緣的處理。
對大多數(shù)塑性較好的材料，如低碳鋼、奧氏體不銹鋼、銅、鋁等制作的壓力容器，一般不對邊緣作特殊考慮。
3.邊緣應力的危害性。邊緣應力的危害性低于薄膜應力。
1）薄膜應力無自限性，正比于介質壓力。屬于一次應力。
2）邊緣應力具有局部性和自限性，屬于二次應力。
第三節(jié) 內壓薄壁圓筒的強度設計
內壓薄壁圓筒與封頭的強度設計公式推導過程
1. 根據薄膜理論進行應力分析，確定薄膜應力狀態(tài)下的主應力
2. 根據彈性失效的設計準則，應用強度理論確定應力的強度判據
3. 對于封頭，考慮到薄膜應力的變化和邊緣應力的影響，按殼體中的應力狀況在公式中引進應力增強系數(shù)
4. 根據應力強度判據，考慮腐蝕等實際因素導出具體的計算公式。
一、強度設計的基本知識
（一）、關于彈性失效的設計準則
1、彈性失效理論
容器上一處的最大應力達到材料在設計溫度下的屈服點，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是說，容器的每一部分必須處于彈性變形范圍內。
保證器壁內的相當應力必須小于材料由單向拉伸時測得的屈服點。
2、強度安全條件
為了保證結構安全可靠地工作，必須留有一定的安全裕度，使結構中的最大工作應力與材料的許用應力之間滿足一定的關系，即
（二）、強度理論及其相應的強度條件
1、薄壁壓力容器的應力狀態(tài)
2、常用強度理論
第一強度理論
（最大主應力理論）
強度條件適用于脆性材料
第三強度理論
（最大剪應力理論）
強度條件適用于塑性材料
第四強度理論
（能量理論） 強度條件適用于塑性材料
第二強度理論（最大變形理論）與實際相差較大，目前很少采用。
壓力容器材料都是塑性材料，應采用三、四強度理論
二、內壓薄壁圓筒殼體與球殼的強度設計
（一）、內壓圓筒強度計算公式：
計算壁厚公式：
再考慮腐蝕裕量C2 ,于是得到圓筒的設計壁厚為：
在公式（3-6a）基礎上，考慮到鋼板的負偏差C1（鋼板在軋制時產生了偏差）
——名義壁厚公式：
再根據鋼板標準規(guī)格向上圓整。
Sn——最終名義厚度。
這是寫在圖紙上的鋼板厚度！
強度校核公式
最大允許工作壓力計算公式
1、當筒體采用無縫鋼管時，應將式中的Di換為D0
2、以上公式的適用范圍為
3、用第四強度理論計算結果相差不大
（二）、設計參數(shù)的確定
1、壓力
工作壓力：指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。
設計壓力： 指設定的容器頂部的最高壓力，它與相應設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。
計算壓力：指在相應設計溫度下，用以確定殼體各部位厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。
計算壓力pc=設計壓力p+液柱靜壓力
工作壓力pw---正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。
· 由工藝計算確定：
· 化學反應所要求的；
· 傳遞過程所必需的；
· 由液化氣體的飽和蒸汽壓所決定的。
設計壓力p：設定的容器頂部的最高壓力---設計載荷。
取值方法：
（1）容器上裝有安全閥取不低于安全閥開啟壓力 ： p ≤（1.05～1.1）pw系數(shù)取決于彈簧起跳壓力 。
（2）容器內有爆炸性介質，安裝有防爆膜時：
取 設計壓力為爆破片設計爆破壓力加制造范圍上限。
（3）無安全泄放裝置——取 p=（1.0~1.1）pw 。
（4）盛裝液化氣容器—— 設計壓力應根據工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。（地面安裝的容器按不低于最高飽和蒸汽壓考慮，如40℃，50℃，60℃時的氣體壓力）。
注意：要考慮實際工作環(huán)境，如放置地區(qū)，保溫，遮陽，噴水等。
（5）外壓容器——取 p≥正常操作下可能產生的最大壓差。注意：“正常操作”——含空料，真空檢漏，穩(wěn)定生產，中間停車等情況。
（6）真空容器—不設安全閥時，取0.1MPa ；設有安全閥時 取Min（1.25×△p ,0.1MPa) 。
（7）帶夾套容器——取正常操作時可能出現(xiàn)的最大內外壓差。例如 帶夾套的反應釜：夾套內蒸汽壓力為0.2MPa,釜內開始抽真空，然后釜內升壓至0.3MPa。該釜壁承受壓力如何？
釜壁可能承受壓力情況：
※釜內空料，夾套內充蒸汽-----外壓0.2MPa;
※釜內真空，夾套內充蒸汽-----外壓0.3MPa;
※釜內0.3MPa，夾套內0.2MPa----內壓0.1MPa;
※釜內0.3MPa，夾套內空料—--內壓0.3MPa;
釜壁承受的最大壓差:內壓0.3MPa或外壓0.3MPa.
計算壓力pc---在相應設計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當元件所承受的液柱靜壓力小于5%設計壓力時，可忽略不計。
即計算壓力=設計壓力+液柱靜壓力(≥5%P時計入)，可見，計算壓力≥設計壓力≥工作壓力=容器頂部表壓
2、設計溫度
指容器在正常工作情況下，在相應的設計壓力下，設定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面厚度的溫度平均值）。
設計溫度是選擇材料和確定許用應力時不可少的參數(shù)。
確定設計溫度的方法：（1）對類似設備實測；（2）傳熱計算；（3）參照書P45表3-2。
3、許用應力和安全系數(shù)
許用應力是以材料的各項強度數(shù)據為依據，合理選擇安全系數(shù)n得出的。
4.焊接接頭系數(shù)（f）
容器上存在有：
縱焊縫----A類焊縫
環(huán)焊縫----B類焊縫
需要進行無損檢驗。
檢驗方法主要是：X射線檢查和超聲波檢查。焊接后常出現(xiàn) ①缺陷，夾渣，未焊透，晶粒粗大等，在外觀看不出來；②熔池內金屬從熔化到凝固的過程受到熔池外金屬的剛性約束，內應力很大。
焊縫區(qū)強度比較薄弱
焊縫區(qū)的強度主要取決于熔焊金屬、焊縫結構和施焊質量。
焊接接頭系數(shù)的大小決定于焊接接頭的型式和無損檢測的長度比率。
焊接接頭系數(shù)φ是焊接削弱而降低設計許用應力的系數(shù)。
5.壁厚附加量
滿足強度要求的計算厚度之外，額外增加的厚度，包括鋼板負偏差(或鋼管負偏差) C1、腐蝕裕量 C2
即 C＝ C1十 C2
容器壁厚附加量——
（1）鋼板或鋼管厚度負偏差 C1:
在設計容器壁厚時要預先考慮負偏差。
1、鋼板負偏差參見P49表3-7選??；鋼管厚度負偏差參見相關文件。
2、當鋼材的厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，負偏差可以忽略不計。
2）腐蝕裕量C2
容器元件由于腐蝕或機械磨損——厚度減薄。在設計壁厚時要考慮容器使用壽命期內的安全性！
具體規(guī)定如下：
對有腐蝕或磨損的元件: C2=KaB
Ka---腐蝕速率（mm/a），由材料手冊或實驗確定。
B----容器的設計壽命，通常為10～15年。
一般情況, Ka=0.05～0.13mm/a的輕微腐蝕時， 對單面腐蝕取C2=1～2mm; 對雙面腐蝕取C2=2～4mm。對于不銹鋼，一般取0。容器各元件受到的腐蝕程度不同時，設計中可采用不同的腐蝕裕量。
介質為壓縮空氣、水蒸氣或水的碳鋼或低合金鋼容器，單面腐蝕裕量不小于1mm；
對不銹鋼容器，腐蝕輕微時可取C2=0
6.直徑系列與鋼板厚度
壓力容器的直徑系列已經施行標準化（GB9019-88)，筒體與封頭的公稱直徑配套
（三）、容器的壁厚和最小壁厚
1.容器壁厚的定義
※實際壁厚不得小于名義壁厚減去鋼板負偏差，可保證強度要求！
※熱加工封頭時，加工單位應預先考慮加工減薄量！
2、最小厚度
設計壓力較低的容器計算厚度很薄。大型容器剛度不足，不滿足運輸、安裝。限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度：
a.碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mm
b.對高合金鋼制容器，不小于2mm
（四）、容器耐壓試驗及其強度校核
目的 在于檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，即考察容器的密封性，以確保設備的安全運行。
1）檢驗容器宏觀強度—是否出現(xiàn)裂紋,是否變形過大；
2）密封點及焊縫的密封情況。
需要注意的問題：
（1）需要焊后熱處理的容器，須熱處理后進行 壓力試驗和氣密試驗；
（2）須分段交貨的容器，在工地組裝并對環(huán)焊 縫進行熱處理后，進行壓力試驗；
（3）塔器須安裝后進行水壓試驗；
1、試驗壓力
內壓容器試驗壓力
液壓試驗
氣壓試驗
p——設計壓力 MPa ;
[s]---元件材料在實驗溫度下的許用應力，MPa;
[s]t——元件材料在設計溫度下的許用應力，MPa。
[s]/[s]t大于1.8時，按1.8計算；如果容器各元件(圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件等)所用材料不同時，應取各元件材料的比值中最小者.
容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時，公式中應以最大允許工作壓力代替設計壓力p
2、壓力試驗的應力校核
圓筒壁在試驗壓力下的計算應力
液壓試驗
氣壓試驗
3.壓力試驗的要求與試驗方法
壓力試驗的種類：液壓試驗 氣壓試驗 氣密性試驗
①液壓試驗介質：一般為水；
過程： 開始→充水排氣→設計壓力無泄漏→試驗壓力下保壓30分鐘→試驗壓力的80%保壓檢查→卸壓→吹凈→結束
試壓合格的條件：
1）無滲漏；
2）無可見變形；
3）試驗過程中無異常響聲；
4）σb ≥540MPa的材料，表面經無損檢驗
無裂紋。
②氣壓試驗
——不適合液壓試驗的，如因結構緣故排液或充液困難，或容器內不允許殘留微量液體時采用。
③氣密試驗
—針對介質具有毒性程度為極度或具有高度危害的容器；
——在液壓試驗后進行；
——氣密試驗壓力取設計壓力。
第四節(jié) 內壓圓筒封頭的強度設計
一、半球形封頭
結構：（1）整體半球殼體；
（2）焊接半球殼體--瓜瓣組焊。
半球形封頭是由半個球殼構成的，它的計算壁厚公式與球殼相同
二、橢圓形封頭
——橢圓殼應力分布
1.橢圓封頭的結構 ：為什麼要有直邊？（1）保證封頭的制造質量；
（2）不連續(xù)點與環(huán)焊縫分開，從而避免邊緣應力與焊接應力、膜應力集聚，降低合應力。
2. 壁厚的計算公式
橢球殼壁內應力的大小及變化受a/b值的影響，——形狀系數(shù)K。
厚度計算公式為：
三、碟形封頭
計算厚度公式
標準碟形封頭計算厚度公式
四、球冠形封頭（無折邊球形封頭）
壁厚計算公式：
五、錐形封頭
廣泛應用于許多化工設備的底蓋，它的優(yōu)點是便于收集與卸除這些設備中的固體物料。此外，有一些塔設備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體將直徑不等的兩段塔體連接起來，這時的錐形殼體稱為變徑段。
錐形封頭厚度計算公式
五、平板封頭
是常用的一種封頭。其幾何形狀有圓形、橢圓形、長圓形、矩形和方形等，最常用的是圓形平板封頭。
在各種封頭中，平板結構最簡單，制造就方便，但在同樣直徑、壓力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直徑和壓力低的容器。
但有時在高壓容器中，如合成塔中也用平蓋，這是因為它的端蓋很厚且直徑較小，制造直徑小厚度大的凸形封頭很困難。
平板封頭厚度設計公式
六、封頭的選擇
封頭的選擇主要根據設計對象的要求，并考慮經濟技術指標。
1、幾何方面
單位容積的表面積，半球形封頭為最小。橢圓形和碟形封頭的容積和表面積基本相同，可以認為近似相等。
2、力學方面
半球形封頭的應力分布最好，橢圓形封頭應力情況第二，碟形封頭在力學上的最大缺點在于其具有較小的折邊半徑r，平板受力情況最差。
3、制造及材料消耗方面
封頭愈深，直徑和厚度愈大，制造愈困難
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教案首頁
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課程名稱 |
化工設備機械基礎 |
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項 目 |
第五章 |
課題 |
攪拌式反應器及其機械設計基礎 |
課型 |
理論課 |
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授課班級 |
13級應用化工班 |
授課
時間 |
10月25日~10月30 |
課
時 |
4課時 |
授課教師 |
喬曼 |
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學習目標 |
專業(yè)能力 |
攪拌器各部分結構及其特點 |
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核心能力 |
攪拌器的各部分性能參數(shù) |
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教學對象分 析 |
2013級三年制學生雖然已經學過分析化學、無機化學、有機化學等課程的基本知識，但是部分學生基礎較差，學習態(tài)度不夠端正，自律性差，上課好動，喜歡說話等。針對以上問題學生對于化工設備機械基礎這門課學起來一定會有難度，所以在教學過程中，盡量采用模塊式教學和導入式教學方法結合，盡量讓學生學好這門課程，為后續(xù)課程打下基礎。 |
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教學方法 |
教學媒體—板書一體化教學、分析討論法、講授法、演示法、比較法等 |
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教學回顧 |
通過上一章課的學習學生基本掌握了壓力容器零部件的相關知識，為本章節(jié)的學習做了鋪墊。 |
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教研室主任審簽： 年 月 日
教學環(huán)節(jié) |
教學過程（教學內容和教學方法） |
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教學過程：
一、回顧--溫故知新
以PPT呈示一些常見的攪拌器視圖，以提高學生對本節(jié)課的學習興趣。
二、觀察--思考討論
引出上一章節(jié)壓力容器零部件的基本內容，讓學生結合之前所學知識聯(lián)想到與本節(jié)課的聯(lián)系，提高學生的學習討論積極性。
三、探索--接收新知
1 概述
結構：
2 攪拌器的型式及選型
3 攪拌器的功率
3.1 攪拌器功率和攪拌器作業(yè)功率
攪拌器功率：對液體作功使之流動，并連續(xù)運轉所需功率。
攪拌器作業(yè)功率：使攪拌槽中的液體以最佳方式完成攪拌過程所需要的功率。
3.2 影響攪拌器功率的因素
· 攪拌器的幾何參數(shù)和運轉參數(shù)；
· 攪拌槽的幾何參數(shù)；
· 介質的物性參數(shù)。
4 攪拌罐結構設計
1）.罐體的長徑比
主要因素：攪拌功率；傳熱；物料攪拌反應特性。
（1）長徑比對攪拌功率的影響
在固定轉速下，攪拌功率∝漿葉直徑的5次方。
——長徑比應選得大一些。
（2）長徑比對傳熱的影響
要考慮：傳熱面積；物料的溫度梯度。
2）.攪拌罐裝料量
(1)裝料系數(shù)η
盛裝物料的容積=η*罐體全容積
Η取值：一般取0.6~0.85
· 物料反應時有泡沫——0.6~0.7；
· 物料黏度較大或運作平穩(wěn)——0.8~0.85。
（2）確定筒體直徑和高度
5 傳動裝置及攪拌軸
5.1 傳動裝置
· 包括：電動機，減速裝置，聯(lián)軸節(jié)，攪拌軸。
· 軸承的布置：
（1）設在支架內；
（2）設在設備底部，承受徑向載荷，軸向載荷由減速機或電機承受；
（3）設在密封函處，主要控制擺動量，保證密封運轉正常。
5.2 軸的計算
1.軸的強度計算
——軸承受扭轉+彎曲的聯(lián)合作用。
載荷：扭矩+彎矩，以扭矩為主。
扭轉強度條件：
許用剪應力[τ]=（0.5~0.6）[σ]
考慮到彎曲作用和動載荷性質， [τ]k 常規(guī)定的較低。Q235-A軸，取12~20MPa。
抗扭截面模數(shù)為：
便可計算軸徑。
2.軸的剛度計算
目的：避免過大扭轉變形，保護軸封。
剛度條件：
1）精密穩(wěn)定傳動，取0.25~0.5°/m ;
2) 一般傳動，取0.5~1 °/m ；
3) 精度要求低的傳動，?。? °/m 。
6 軸封
常用形式：填料密封，機械密封，迷宮密封，浮動環(huán)密封等。
連接，法蘭對管壁產生的附加應力較小。常用于高壓管道。
3、按法蘭形狀分圓形、方形和橢圓形
三、影響法蘭密封的因素
1、螺栓預緊力
預緊力使墊片壓緊實現(xiàn)初始密封。適當提高預緊力可增加墊片的密封能力，即在正常工況下保留較大的接觸面比壓力。
預緊力不宜太大，否則使墊片整體屈服喪失回彈能力，甚至將墊片擠出或壓壞。
預緊力應均勻地作用到墊片上，可采取減小螺栓直徑、增加螺栓個數(shù)等措施來提高密封性能。
2、壓緊面（密封面）
壓緊面的質量要求：形狀和粗糙度應與墊片相匹配;使用金屬墊片時其壓緊面的質量要求比使用非金屬墊片時高；壓緊面表面不允許有刀痕和劃痕；應能均勻地壓緊墊片，保證平面度和垂直度。
壓緊面的型式: 主要根據工藝條件、密封口徑以及準備采用的墊片等進行（常用5種）選擇
平面型壓緊面: 優(yōu)點：結構簡單，加工方便。
缺點：是接觸面積大，需要的預緊比壓大，螺栓承載大，故法蘭等零件要求高、笨重，墊片易擠出，密封性能較差。使用壓力P≤2.5MPa，有毒、易燃、易爆介質中不能使用。
凹凸型壓緊面:由一個凹面和一個凸面配合組成。墊片放凹面中。
優(yōu)點：便于對中，能防墊片擠出。
可用在P≤6.4MPa，DN≤800mm
榫槽型壓緊面: 一榫一槽密封面組成，優(yōu)點是對中性好，密封預緊壓力小，墊片不易擠出，不受介質沖刷，用于易燃易爆密封要求高處。缺點是更換較困難，榫易損壞。注意：應使固定在設備上的法蘭為槽面,可拆下部分的法蘭為榫面。
錐形壓緊面: 通常用于高壓密封，其缺點是需要的尺寸精度和表面粗糙度要求高。須與透鏡墊片配合,常用于高壓管道。
梯形槽壓緊面: 槽底不起密封作用，是槽的內外錐面與墊片接觸成梯形,形成密封的，與橢圓或八角形截面的金屬墊圈配合。
3、墊片性能
· 墊片密封面的塑性變形能力——實現(xiàn)初始密封；
· 墊片材料及結構的回彈能力——提高工作狀態(tài)下的殘余密封比壓。
· 耐腐蝕能力。
· 力學性能，尤其抗高溫蠕變能力。
· 工作溫度下的變質硬化或軟化性。
4、法蘭剛度——法蘭在外力作用下抵抗變形的能力。
剛度小——受力後變形大，墊片受力不均，易泄漏。剛度不足：過大的翹曲變形,這也是密封失效的主要原因之一。
提高法蘭剛度的措施：增加法蘭厚度；減小螺栓力作用的力臂(即縮小中心圓直徑)；增大法蘭盤外徑；螺栓數(shù)量要足夠。
5、操作條件：指壓力、溫度及介質的物理化學性質對密封性能的影響。
特點：在壓力、介質和溫度的聯(lián)合作用下，尤其是波動的高溫下，會嚴重影響密封性能，甚至使密封因疲勞而完全失效。
原因：高溫下，介質粘度小，滲透性大，易泄漏；介質對墊片和法蘭的腐蝕作用加劇，增加了泄漏的可能性；法蘭、螺栓和墊片均會產生較大的高溫蠕變與應力松弛，使密封失效；某些非金屬墊片還會加速老化、變質，甚至燒毀。
四、法蘭標準及選用
1、壓力容器法蘭標準
壓力容器法蘭：平焊法蘭和對焊法蘭
平焊法蘭比較：乙型法蘭帶有一個短筒體，因此剛性較甲型法蘭好，可用于壓力較高，直徑較大的場合；
焊縫形式：甲型為V型坡口，乙型為U型坡口，因此乙型更易焊透，故其強度和剛度更高。
對焊法蘭特點：由于有長頸，并采用對焊，故剛性更好，用于壓力更高處.
注意問題 ：平焊與對焊法蘭都有帶襯環(huán)與不帶襯環(huán)兩種。
密封面都有平面型、凹凸型、榫槽型三種。
2、如何選用壓力容器法蘭
選擇法蘭的主要參數(shù)：公稱壓力（PN）和公稱直徑（DN）
公稱直徑的確定：
◎管法蘭—與相聯(lián)接管子的公稱直徑相同；
◎壓力容器法蘭— ·板卷筒體，與相聯(lián)接筒體的公稱直徑相同；
·無縫鋼管作筒體，與相聯(lián)接無縫管的公稱直徑相同。
公稱壓力 ：公稱壓力——是以16Mn在200℃時的最高工作壓力為依據制定的，因此當法蘭材料和工作溫度不同時，最大工作壓力將降低或升高。
法蘭公稱壓力與法蘭的最大操作壓力和操作溫度以及法蘭材料三個因素有關。
壓力容器法蘭設計步驟：
（1）確定DN;
（2）根據法蘭材質、工作溫度和最高工作壓力，確定PN；
（3）由PN,DN確定法蘭形式及連接尺寸、螺栓尺寸及數(shù)量。
（4）根據介質工作溫度、工作壓力確定密封面及墊 片類型；
（5）確定螺栓、螺帽材質；
（6）繪制草圖。
2.管法蘭
管法蘭標準：
1）HG20592~20635——97 ?鋼制管法蘭、墊片、緊固件?
2）GB9112~9123 ?鋼制管法蘭?
注：?壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程?推薦1）。
第二節(jié) 容器支座
概述：容器支座，支承容器重量、固定容器位置并使容器在操作中保持穩(wěn)定。
結構型式由容器自身的型式決定，分臥式容器支座、立式容器支座、球形容器支座。
一、立式容器支座
立式容器的支座主要有耳式支座、支承式支座、裙式支座
中、小型直立容器常采用前二種，高大的塔設備則廣泛采用裙式支座。
㈠ 耳式支座：
簡稱耳座，筋板和支腳板。廣泛用在反應釜及立式換熱器等直立設備上。簡單、輕便，但局部應力較大。當設備較大或器壁較薄應加墊板。不銹鋼制設備，用碳鋼作支座，防止合金元素流失，也需加一個不銹鋼墊板。
已標準化JB/T 4725-92 《耳式支座》。
該標準分A型（短臂）和B型（長臂）（有保溫層或直接放在樓板上）
每類又分帶墊板與不帶墊板兩種結構
耳式支座選用的方法：
（1）估算設備總重，算每個支座（按2個計算）的負荷Q值；
（2）確定支座型式，從表4-13或表4-15按允許負荷Q允大于實際負荷Q，選支座。
小型設備耳式支座，可支承在管子或型鋼制的立柱上。大型設備的支座往往擱在鋼梁或混凝土制的基礎上。
㈡ 支承式支座
用鋼管、角鋼、槽鋼制作，或用數(shù)塊鋼板焊成，型式、結構、尺寸及材料JB/T 4724-92 《支承式支座》。
㈢ 裙式支座
塔設備最常用裙式支座。目前還沒有標準。各部分尺寸均需通過計算或實踐經驗確定。有關裙式支座的結構及其設計方法詳見第十七章。
二、臥式容器支座
鞍式支座：應用最廣泛的臥式容器支座。已有標準JB/T4712-92 《鞍式支座》，根據容器公稱直徑和重量選用。
由橫向筋板、若干軸向筋板和底板焊接而成。在與設備連接處，有帶加強墊板和不帶加強墊板兩種結構。
㈡ 圈座
采用圈座的情況：對于大直徑薄壁容器和真空容器，因其自身重量可能造成嚴重撓曲；多于兩個支承的長容器。
除常溫常壓下操作的容器外，至少應有一個圈座是滑動支承的。
㈢ 腿式支座:簡稱支腿
連接處造成嚴重的局部應力，只適用于小型設備（DN≤1600、L≤5m）。
腿式支座的結構型式、系列參數(shù)等參見標準JB/T 4714-92 《腿式支座》。
第三節(jié) 容器的開孔補強
一. 容器開孔應力集中現(xiàn)象及其原因
容器為什么要開孔？工藝、安裝、檢修的要求。
開孔后，為什么要補強？削弱器壁的強度，出現(xiàn)不連續(xù)，形成高應力集中區(qū)。
峰值應力通常較高，達到甚至超過材料屈服極限。局部應力較大，加之材質和制造缺陷等,為降低峰值應力，需要對結構開孔部位進行補強，以保證容器安全運行。
開孔處出現(xiàn)應力集中，應力集中系數(shù)為：K=σ實際/σ膜
開孔的形狀：應力集中和開孔形狀有關，圓孔的應力集中程度最低。
二.開孔補強原則與補強結構
(一)開孔補強的設計原則
1.等面積補強原則：該方法認為在有效的補強范圍內，殼體處本身承受內壓所需截面積外的多余截面積A不應少于開孔所減少的有效截面積。即這種以通過開孔中心的縱截面上的投影面積來衡量的補強設計方法，具有使開孔后截面的平均應力不致升高的含義。在一般情況下可以滿足開孔補強的需要，方法簡便，我國的容器標準采用的主要是這種方法。
2.極限分析補強設計準則：由于開孔只造成殼體的局部強度削弱，如果在某一壓力載荷下容器開孔處的某一區(qū)域其整個截面進入塑性狀態(tài)，以至發(fā)生塑性流動，此時的載荷便為極限載荷。利用塑性力學方法對帶有整體補強的開孔補強結構求解出塑性失效的極限載荷。以極限載荷為依據來進行補強結構設計，即以大量的計算可以定出補強結構的尺寸要求，使其具有相同的應力集中系數(shù)。。
（二）.補強形式：
1.內加強齊平接管
2.外加強齊平接管
3.對稱加強凸出接管
4.密集補強
(三). 補強結構：
（1）補強圈結構
材質厚度一般與殼體相同；補強圈要與殼體、接管很好地焊接，以同時受力。補強板上有一個M10小孔，用以檢查焊縫缺陷；名曰泄漏信號孔。
（2）整體補強結構
若須補強的接管較多，可采取增加殼體壁厚的辦法，也稱為整體補強。
(四).等面積補強的設計方法
1. 開孔有效補強范圍及補強面積的計算
等面積補強——補強的金屬量等于或大于開孔所削弱的金屬量。
2. 容器上開孔及補強的有關規(guī)定
筒體及封頭開孔最大直徑不允許超過：
（1） 圓筒Di≤1500mm，開孔最大直徑d≤1/2Di，且d≤520mm；圓筒Di＞1500mm時，開孔最大直徑d≤1/3Di，且d≤1000mm；
（2） 凸形封頭或球殼的開孔最大直徑d＜1/2Di。
（3） 錐殼開孔最大直徑d≤1/3Di，Di為開孔中心處的錐殼內直徑。
3. 不需補強的最大開孔直徑
計算壁厚考慮了焊縫系數(shù)，鋼板規(guī)格，殼體壁厚超過實際強度，最大應力值降低，相當于容器已被整體加強。
且容器開孔總有接管相連，其接管多于實際需要的壁厚也起補強作用。
容器材料有一定塑性儲備，允許承受不是十分過大的局部應力，所以當孔徑不超過一定數(shù)值時，可不進行補強。
殼體開孔滿足全部條件，可不另行補強：
(1) 設計壓力小于或等于2.5MPa；
(2) 兩相鄰開孔中心的間距(對曲面間距以弧長計算)應不小于兩孔直徑之和的兩倍；
(3) 殼體名義壁厚大于12mm，接管公稱外徑小于或等于80mm；殼體名義壁厚小于或等于12mm ，接管公稱外徑小于或等于50mm
(4) 接管最小壁厚滿足表4-19的要求。
第四節(jié) 容器附件
一、接口管：用于裝置測量、控制儀表，或連接其他設備和介質的輸送管道。
鑄造接管：鑄造設備接管可與筒體一并鑄出。
螺紋管主要用來接溫度計、壓力表或液面計等，陰螺紋或陽螺紋
二、凸緣：接管長度必須很短時可用凸緣代替(又叫突出接口)，凸緣本身有加強作用，不需另外補強。當螺柱折斷在螺栓孔中，取出較困難。凸緣與管道法蘭配用，聯(lián)接尺寸應根據所選用的管法蘭來確定。
三、手孔與人孔：檢查設備內部空間以及安裝和拆卸內部構件。手孔直徑150mm～250mm，標準手孔公稱直徑有DN150和DN250兩種。
手孔結構：容器上接一短管，其上蓋一盲板。
人孔：設備直徑超過900mm，有手孔也設人孔。人孔的形狀有圓形和橢圓形。橢圓形人孔短軸與筒身軸線平行。圓形人孔直徑400mm～600mm，容器壓力不高或有特殊需要時，直徑可以大一些。橢圓形人孔(或稱長圓形人孔)的最小尺寸為400mm×300mm?！?br>
使用中常打開，可用快開式結構人孔。
手孔（HG21515～21527-95）和人孔（HG21528～21535-95）已有標準，
設計時根據設備的公稱壓力，工作溫度以及所用材料等按標準直接選用。
四、視鏡與液面計
㈠ 視鏡：觀察內部，也可用作物料液面指示鏡。分為不帶頸視鏡和帶頸視鏡。
不帶頸視鏡——凸緣構成，結構簡單，不易結料，有比較寬闊的視察范圍。
當視鏡需要斜裝或設備直徑較小時，則需采用帶頸視鏡。
視鏡已經標準化，化工生產中常用的還有壓力容器視鏡、帶燈視鏡、帶燈有沖洗孔的視鏡、組合視鏡等。
㈡ 液面計
公稱壓力不超過0.7MPa，開長條孔，矩形凸緣或法蘭把玻璃固定在設備上。
承壓容器，一般都是將液面計通過法蘭、活接頭或螺紋接頭與設備聯(lián)接在一起設備直徑大，可同時用幾組液面計接管。
現(xiàn)有標準中有反射式玻璃板液面計、反射式防霜液面計、透光式板式液面計和磁性液面計。
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教案首頁
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課程名稱 |
化工設備機械基礎 |
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項 目 |
第七章 |
課題 |
換熱設備 |
課型 |
理論課 |
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授課班級 |
13級應用化工班 |
授課
時間 |
11月13~11月27日 |
課
時 |
10課時 |
授課教師 |
喬曼 |
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學習目標 |
專業(yè)能力 |
（1）典型管殼式換熱器的選型
（2）固定管板式換熱器的基本結構
（3）管子的選用及管板的連接
（4）溫差應力產生的原因及補償措施
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核心能力 |
管、殼程的分程及隔板 |
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教學方法 |
教學媒體—板書一體化教學、分析討論法、講授法、演示法、比較法等 |
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教學回顧 |
通過上一章課的學習學生基本掌握了塔設備及其機械設計基礎相關知識原理，為本章節(jié)的學習奠定了基礎。 |
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教研室主任審簽： 年 月 日
教學環(huán)節(jié) |
教學過程（教學內容和教學方法） |
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教學過程：
一、 回顧--溫故知新
以PPT呈示一些常見的換熱設備，以提高學生對本節(jié)課的學習興趣。
二、觀察--思考討論
引出上一章節(jié)塔設備的基本內容，讓學生結合之前所學知識聯(lián)想到與本節(jié)課的聯(lián)系，提高學生的學習討論積極性。
三、探索--接收新知
第一節(jié) 換熱器概述
一、定義：換熱器是用來完成各種不同傳熱過程的設備。
1、如：開水鍋爐、水杯、冰箱、空調等。
2、是許多工業(yè)部門廣泛應用的通用工藝設備。通常，在化工廠的建設中，換熱器約占總投資的11％～ 40％ 。
二、衡量標準：
1.先進性：傳熱效率高，流體阻力小，材料省
2.合理性：可制造加工，成本可接受
3.可靠性：滿足操作條件 ,強度足夠,保證使用壽命
三、換熱器的基本類型
按傳熱方式或工作原理分類
1、直接接觸式：傳熱效果好，但不能用于發(fā)生反應或有影響的流體之間
2、蓄熱式：溫度較高的場合，但有交叉污染，溫度波動大
3、間壁式——又稱表面式換熱器，利用間壁（固體壁面）進行熱交換。冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量，由熱流體通過間壁傳遞給冷流體。應用最為廣泛，形式多種多樣，如管殼式換熱器、板式換熱器等。
對于間壁式換熱器，按間壁形狀進一步分為 (1)管式(2)緊湊式(3)管殼式
四、管殼式換熱器的分類
基本類型：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、
填料函式換熱器
（一）固定管板式換熱器
優(yōu)點：結構簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換。
缺點：不易清洗殼程，殼體和管束中可能產生較大的熱應力。
適用場合：適用于殼程介質清潔，不易結垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場合。
為減少熱應力，通常在固定管板式換熱器中設置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來吸收熱膨脹差。
（二）浮頭式換熱器
優(yōu)點：管內和管間清洗方便，不會產生熱應力。
缺點：結構復雜，設備笨重，造價高，浮頭端小蓋在操作中無法檢查，影響傳熱。
適用場合：殼體和管束之間壁溫相差較大，或介質易結垢的場合。
（三）填料函式換熱器
特點：
1.一端可自由伸縮— 不產生熱應力；
2.管束可以抽出，管內外均易清洗；
3.填料將殼程介質與外界隔開，易外漏，介質受限制；
優(yōu)點：結構簡單，加工制造方便，造價低，管內和管間清洗方便。
缺點：填料處易泄漏。
適用場合： 4MPa 以下，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質，使用溫度受填料的物性限制。
（四）U形管式換熱器
1.只有一個管板，結構簡單；
2.管子可以抽出，管間易清洗；
3.管子可以自由膨脹；
4.管內不便清洗，不易更換；
5.結構不緊湊。
優(yōu)點：結構簡單，價格便宜，承受能力強，不會產生熱應力。
缺點：布板少，管板利用率低，管子壞時不易更換。
適用場合：特別適用于管內走清潔而不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。
六、管殼式換熱器設計內容
（一）工藝計算
選型；確定管、殼程；通過化工工藝計算，確定換熱器的傳熱面積，同時選擇管徑、管長，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù) 。
（二）機械設計
1）殼體直徑的決定和殼體厚度的計算；
2）換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇；
3）管板尺寸確定；
4）折流板的選擇與計算；
5）管子拉脫力的計算；
6）溫差應力計算。
第二節(jié) 管板式換熱器換熱管的選用及其與管板的連接
一、換熱管的選用
小管徑：單位體積傳熱面積增大、結構緊湊、
金屬耗量減少、傳熱系數(shù)提高
阻力大，不便清洗，易結垢堵塞
用于較清潔的流體
大管徑：粘性大或污濁的流體
（二）規(guī)格
（外徑×壁厚），長度按規(guī)定決定
換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比，一般在4～25之間，常用的為6～10。立式換熱器，其比值多為4～6。
（三）材料
由壓力、溫度、介質的腐蝕性能決定。常用管子材質有：碳素鋼（10，20）、合金鋼（1Cr18Ni9Ti)、低合金鋼（16Mn,15MnV)、銅、鈦、塑料、石墨等。
（四）結構型式
多用光管，因為結構簡單，制造容易，
為強化傳熱，也采用強化傳熱管。
二、管子與管板的連接
（一）脹接
利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔邊緣同時產生彈性變形，取去脹管器后，管板邊緣彈性恢復與管子產生一定的擠壓力，貼在一起達到密封緊固連接的目的。
保證緊密性的方法：
· 管板孔開槽；
· 脹接周邊保證清潔；
· 管子硬度低于管板孔周邊硬度。
保證管端硬度較低并且低于管板硬度的方法：
· 管端退火處理。
· 選材考慮。
（二）焊接
優(yōu)點：在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密性，管板加工要求可降低，節(jié)省孔的加工工時，工藝較脹接簡單，壓力較低時可使用較薄的管板。
缺點：在焊接接頭處產生的熱應力可能造成應力腐蝕開裂和疲勞破裂，同時管子、管板間存在間隙，易出現(xiàn)間隙腐蝕。
（三）脹焊并用
克服了單純的焊接及脹接的缺點，主要優(yōu)點是：
· 連接緊密，提高抗疲勞能力；
· 消除間隙腐蝕和應力腐蝕；
· 提高使用壽命。
脹焊并用連接主要有：
強度焊＋貼脹………………先焊后脹
強度脹＋密封焊………………先脹后焊
概念解釋：密封焊—不保證強度，只防漏；
強度焊—既防漏，又保證抗拉脫強度；
貼脹—只消除間隙，不承擔拉脫力；
強度脹—既消除間隙，又滿足脹接強度。
目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學說仍處于爭議之中。
第三節(jié) 管板與管板連接結構
一、管板
管板是管殼式換熱器的重要零部件之一。
二、管板材料
管板材料選擇既有力學的上考慮，又有耐介質腐蝕的考慮。
三、管板結構
在滿足強度要求的前提下，應當盡量減少管板厚度。
四、換熱管排列方式
（一）正三角形和轉角正三角形排列
三角形排列緊湊，傳熱效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一體積傳熱面積更大。適用于殼程介質污垢少，且不需要進行機械清洗的場合。
（二）正方形和轉角正方形排列
管間小橋形成一條直線通道，便于機械清洗。要經常清洗管子外表面上的污垢時，多用正方形排列。
（三）組合排列法
在多程換熱器中多采用組合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之間，為了便于安裝隔板，則采用正方形排列法，五、管間距
（一）定義
管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。
（二）要求
管間距≥1.25d0，符合表7-4規(guī)定，便于管子與管板間的連接，因為對于脹接或焊接來講，管子間距離太近，那么都會影響連接質量。最外層管壁與殼壁之間的距離不應小于1/2換熱管外徑加10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。
六、管箱與管束的分程
（一）分程原因
當換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長時，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時，為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管子。
管箱
固定管板式換熱器利用管箱來實現(xiàn)管束分程。管箱位于換熱器兩端，便于拆裝。隔板安裝在管箱內。
（二）分程原則
①各程換熱管數(shù)應大致相等；
②相鄰程間平均壁溫差一般不應超過28℃；
③各程間的密封長度應最短；
④分程隔板的形狀應簡單。
（三）分程隔板
（四）分程方式
七、管程接管與擋板和導流筒
（一）管程接管
為減緩殼程入口高速流體對管子的沖刷，將接管做成喇叭形，結構為圓形時常稱為導流筒。
（二）擋板
為減緩殼程入口高速流體對管子的沖刷，在入口處安裝擋板。擋板常采用圓形和方形。
八、折流板、支承板、旁路擋板及攔液板的作用與結構
1 折流板及支撐板
作用：a.提高殼程流體流速，改變流動方向—提高傳熱效率。
b.支撐換熱管。
結構形式：a.弓形；b.圓盤-圓環(huán)形；c.扇形。
2 旁路擋板
殼體與管束之間存在有較大間隙時，為避免流體走短路，沿縱向設置板條，迫使流體穿過管束。
3 攔液板
作用：在立式冷凝器中，用來減薄管壁上的液膜以提高傳熱膜系數(shù)。
九、管板與殼體的連接結構
（一）不可拆的焊接式
（二）可拆式
浮頭式、U型管式及填料函式換熱器固定端管板與殼體的連接
第四節(jié) 溫差應力
一.管壁與殼壁溫度差引起的溫差應力
二. 管子拉脫力的計算
——限于管子與管板脹接情況。
1.介質壓力和溫差力對管板的作用：
假設 管壁溫度＞殼壁溫度
2.拉脫力的計算
計算的目的：保證脹接接頭的牢固連接和良好的密封性。
拉脫力定義：管子每平方米脹接周邊上所受的力，單位為帕。
引起拉脫力的因素為：操作壓力和溫差力。
（1）操作壓力引起的拉脫力qp:
介質壓力作用的面積 f 如圖示
介質壓力p，取管程壓力和殼程壓力兩者中的較大者。
管子外徑為d0 ；管子脹接長度為l。
則拉脫力為：
（2）溫差力引起的拉脫力 qt ：
每根管承受溫差力為 σt×at 。
則拉脫力為：
（3）合拉脫力：兩者使管子受力方向相同—取之和；
兩者使管子受力方向相反—取之差。
（4）拉脫力判據：
計算合拉脫力必須小于許用拉脫力： q＜[q]
三. 溫差應力的補償
目的：解決殼體與管束軸向變形的不一致性?；蛘哒f，消除殼體與管子間的剛性約束，實現(xiàn)殼體和管子自由伸縮。
補償方法：
1.減小殼體與管束間的溫度差
· 使傳熱膜系數(shù)大的流體走殼程；
· 殼壁溫度低于管壁溫度時，對殼體進行保溫。
2.裝設撓性構件
· 殼體上安裝膨脹節(jié)；（見書P170 圖7-39）
· 將直管制成帶S形彎的管。如氨合成塔內的冷管：
膨脹節(jié)結構及設置
——裝在固定管板式換熱器上的撓性元件。
1.膨脹節(jié)的作用：
作用：對管子與殼體的膨脹變形差進行補償，以消除或減小溫差應力；
2.結構形式：
1）平板焊接膨脹節(jié)；
2）波形膨脹節(jié)；
3）夾殼式膨脹節(jié)
4）波紋管
3.必須設置膨脹節(jié)的條件：
滿足下述條件之一者：
4.膨脹節(jié)的選用及安裝
依據標準：GB16749-1997《壓力容器波形膨脹節(jié)》
安裝注意：1）與殼體對接焊，保證焊透；
2）要進行無損探傷；
3）最低點設置排液孔。
3.采用殼體與管束自由伸縮的結構
4.套管式結構
如三十萬噸合成氨裝置中的廢熱鍋爐；
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· 填料大致可分為實體填料和網體填料兩種。
· 拉西環(huán):（瓷環(huán)）填充方式有亂堆和整砌兩種。
· 鮑爾環(huán)：在金屬拉西環(huán)的壁上開了一排或兩排長方形的小窗，小窗葉片向環(huán)中心彎入，在中心處相搭，上下兩排小窗的位置相錯，增加了接觸面積，效率得到了提高。
· 階梯環(huán)：一頭為鮑爾環(huán)，一頭翻卷，由于不對稱，裝入塔內可減少填料環(huán)相互重疊，使填料表面得以充分利用，同時增大了空隙，使壓降降低，傳質效率提高。
· 鞍形填料：這種填料重迭部分少，空隙率大，利用率高。它有兩種形式，一種是矩鞍環(huán)，一種是弧鞍環(huán)，都是敞開式填料，這種填料比拉西環(huán)傳質效率高，壓力降低，且強度高。
· 波紋填料：由許多波紋形薄板垂直疊在一起，各層的波紋成４５°，盤與盤之間成９０°排列，結構緊湊，比表面積大。傳質好，且可根據物料溫度及腐蝕情況采用不同的材料。
二、填料支承結構
1、作用：支承填料
2、設計要求：足夠的強度、剛度以及足夠的自由截面
3、柵板設計注意問題：
1）柵板必須有足夠的強度和耐腐蝕性；
2）柵板必須有足夠的自由截面，一般應各填料的自由截面大致相等；
3）槽板扁鋼條之間的距離約為填料外徑的60%~80%；
4）柵板可以制成整塊的或分塊的。
三、噴淋裝置
要求：使整個塔截面的填料表面很好潤濕，結構簡單，制造維修方便。
作用：噴出液體，使整個塔截面的填料很好潤濕，直接影響塔的處理能力和分離效率。
1、噴灑型分為管式噴灑器、環(huán)管多孔噴灑器、蓮蓬頭噴灑器
管式噴灑器： DN≤300mm，可選用管式噴灑器，通過填料上的進液管（直、彎或缺口）進行噴灑，結構簡單，但噴淋面積較小且不均勻。
環(huán)管多孔噴灑器：DN≤1200mm，可選用單環(huán)管多孔噴灑器，結構簡單，制造和安裝方便，缺點是噴灑面積小，不夠均勻，而且液體要求清潔，否則小孔易堵塞。（環(huán)管下面開小孔，一般為3~5排）。
蓮蓬頭噴灑器： 主要有半球形、碟形、杯形，優(yōu)點是結構簡單，制造安裝方便，缺點是小孔易堵塞，不適于處理污濁液體，一般可用于塔徑小于600mm的塔中。
2、溢流型
盤式分布器：液體從中央進料管加到噴淋盤內，然后從噴淋盤上的降液管溢流。
槽式分布器：主要用于DN＞1000mm的塔，其優(yōu)點是自由截面大，適應性好，處理量大，操作彈性大，其結構見（圖8－52），液體先加入分配槽，然后再由分配槽的開口處到噴淋槽，噴淋槽上有堰口，兩側有三角形或矩形的開口，各開口的下緣應位于同一水平面上，再由此溢流到填料上。
3、沖擊型：應用較少
五、液體再分布器
1、設置原因
當液體流過填料層時，流體慢慢地會從器壁流走（壁流）現(xiàn)象產生，使液體分布不均勻，塔中央部分填料可能沒有潤濕，起不到作用，降低了整個塔的效率。
2、主要作用
將上層填料流下的液體收集，再分布，避免塔中心的填料不能被液體濕潤而形成“干錐 ”。
第四節(jié) 塔體與裙座的強度設計
一.塔體載荷分析：
1.自重載荷：
m01—塔設備的殼體與裙座質量；
m02—塔設備內件質量（塔板或填料及其支撐裝置）；
m03—保溫材料質量；
m04—平臺扶梯質量；
m05—操作時塔內物料質量；
ma—人孔法蘭接管等附件質量；
mw—液壓試驗時塔內充液質量；
me—偏心質量。
操作質量：m0= m01+ m02 +m03 +m04 +m05 +ma +me
水壓試驗質量：mmax= m01+ m02 +m03 +m04 +mw +ma +me
吊裝質量：mmin= m01+ 0.2m02 +m03 +m04 +ma +me
2.地震載荷
（1）.水平地震力
任一段集中質量mk所引起的基本振型水平地震力為：
Fk=CZα1ηk mkg N
式中CZ——結構綜合影響系數(shù)，圓筒形直立設備取0.5；
α1 ——對應于設備基本自振周期T1的地震影響系數(shù)；
ηk——基本振型參與系數(shù)
mk——任一段（第k段）塔體的操作質量。
（2）.垂直地震力
地震烈度為8度或9度地區(qū)的塔設備考慮垂直地震力。
垂直地震力的作用點：塔器底截面。
計算式：Fv=αvmax·meq．g
式中αvmax——垂直地震影響系數(shù)最大值，取0.6 αmax 。
meq——塔器的當量質量，取0.75m0 。
（3）.地震彎距
懸臂梁的彎矩：
任一質點mk對塔底(0-0截面）的彎矩為：
所有質點（k=1,2,……n)對塔底截面的彎矩和為：
對于等直徑、等壁厚塔器的底截面地震彎矩為：
3.風載荷
（1）.力學模型的簡化：
塔的迎風面受到風壓載荷，并隨高度而增加。
將風壓按塔的高度離散，任一計算段的風載荷，就假定是集中作用在該段中點的風壓合力：
（2）.風載荷的計算
影響風載荷的因素：
· 所在地區(qū)的基本風壓值q0(距地面10米高處的風壓）；
· 塔器高度、直徑、截面形狀以及自振周期。
任一計算段的水平風力為：
式中K1——塔體形狀系數(shù)；
K2——風振系數(shù)（與塔自振周期有關）；
qo——10米塔高處的基本風壓值；
fi——風壓高度變化系數(shù)；
li——計算段的高度；
Dei——該計算段的 有效直徑。
（3）.風彎矩計算
風載荷對基底截面的彎矩：
4.偏心載荷
塔設備頂部懸掛有分離器、冷凝器等附屬設備，其重力對塔體產生偏心載荷。
偏心載荷引起的彎矩：Me=meg·e
5.介質壓力載荷——設計壓力p；水壓試驗時的液柱壓力。
二.自支撐式塔設備塔體壁厚的確定方法
1.塔設備的危險截面：
0-0截面——基底；
1-1截面——人孔截面；
2-2截面——塔體與裙座連接焊縫截面。
位于塔體上的危險截面—— 2-2截面。
2. 塔體應力組合（2-2截面）
組合軸向應力的構成：
· σ1——介質壓力引起的軸向應力；
· σ2——塔體自重引起的軸向應力；
· σ3——塔體所受彎矩引起的軸向應力。
3.塔體壁厚的確定方法
（1）依據內壓容器或外壓容器壁厚設計方法確定塔體有效壁厚Se1。
（2）塔體穩(wěn)定驗算。根據（1）假定一有效壁厚Se2。
● 計算壓力引起的軸向應力：
自重載荷及垂直地震力引起的軸向應力：
彎矩在塔體中引起的軸向應力
穩(wěn)定條件：
組合軸向壓應力要滿足：
（3）塔體拉應力驗算
依前述，假設一有效壁厚Se3。
計算σ1,σ2,σ3，并進行組合，滿足如下強度條件：
（4）水壓試驗應力驗算
確定塔殼體試驗壓力引起的環(huán)向應力和軸向應力，驗算是否滿足強度條件和穩(wěn)定條件。
由試驗壓力引起的環(huán)向應力：
水壓試驗組合軸向應力的確定：
由試驗壓力引起的軸向應力：
由液壓試驗時重力引起的軸向應力：
由彎矩引起的軸向應力：
液壓試驗時的強度和穩(wěn)定性判據：
式中K——載荷組合系數(shù)，取K=1.2;
[σ]cr——許用軸向壓應力，
塔體壁厚確定方法：
(1)根據內(外)計算壓力,確定容器設計計算壁厚，確定一有效壁厚Se1;
(2)參照Se1，進行穩(wěn)定性驗算，確定一有效壁厚Se2;
(3)參照Se2，進行塔體拉應力驗算，確定一有效壁厚Se3;
(4)取Se1、 Se2 、Se3中較大者，加上壁厚附加量，并考慮安裝運輸?shù)葘偠鹊囊螅罱K確定塔體壁厚；
(5)水壓試驗驗算。
三 裙座設計
（一） 裙座結構
四個部分：
1.座體---承受并傳遞塔體載荷。
2.基礎環(huán)---將載荷傳遞到基礎上。
3.螺栓座---固定塔于基礎上。
4.管孔---人孔、排氣孔、引出管孔。
二）.裙座的設計方法
1.座體設計：
（1）按塔體壁厚設定一有效壁厚Ses。
（2）驗算裙座危險截面的強度和穩(wěn)定性。
危險截面為基底截面（0-0）和人孔截面（1-1）。
2.基礎環(huán)設計
基礎環(huán)結構：
基礎環(huán)厚度的確定方法：
將座體載荷轉化為基礎對基礎環(huán)的均布載荷，計算彎矩載荷，再確定板厚。 |
教案首頁
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課程名稱 |
化工設備機械基礎 |
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項 目 |
第八章 |
課題 |
攪拌設備 |
課型 |
理論課 |
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授課班級 |
13級應用化工班 |
授課
時間 |
11月13~11月27日 |
課
時 |
10課時 |
授課教師 |
喬曼 |
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學習目標 |
專業(yè)能力 |
（1）典型攪拌式設備的選型
（2）攪拌式反應釜的基本結構
（3）攪拌器的使用條件
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核心能力 |
攪拌器的機械設計 |
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教學方法 |
教學媒體—板書一體化教學、分析討論法、講授法、演示法、比較法等 |
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教學回顧 |
通過上一章課的學習學生基本掌握了換熱設備及其機械設計基礎相關知識原理，為本章節(jié)的學習奠定了基礎。 |
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教研室主任審簽： 年 月 日
教學環(huán)節(jié) |
教學過程（教學內容和教學方法） |
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教學過程：
一、 回顧--溫故知新
以PPT呈示一些常見的攪拌設備，以提高學生對本節(jié)課的學習興趣。
二、觀察--思考討論
引出上一章節(jié)塔設備的基本內容，讓學生結合之前所學知識聯(lián)想到與本節(jié)課的聯(lián)系，提高學生的學習討論積極性。
三、探索--接收新知
攪拌器的機械設計
1 概述
結構：
2 攪拌器的型式及選型
攪拌器適用條件
3 攪拌器的功率
3.1 攪拌器功率和攪拌器作業(yè)功率
攪拌器功率：對液體作功使之流動，并連續(xù)運轉所需功率。
攪拌器作業(yè)功率：使攪拌槽中的液體以最佳方式完成攪拌過程所需要的功率。
3.2 影響攪拌器功率的因素
· 攪拌器的幾何參數(shù)和運轉參數(shù)；
· 攪拌槽的幾何參數(shù)；
· 介質的物性參數(shù)。
4 攪拌罐結構設計
1.罐體的長徑比
主要因素：攪拌功率；傳熱；物料攪拌反應特性。
（1）長徑比對攪拌功率的影響
在固定轉速下，攪拌功率∝漿葉直徑的5次方。
——長徑比應選得大一些。
（2）長徑比對傳熱的影響
要考慮：傳熱面積；物料的溫度梯度。
（3）物料特性對長徑比的要求
幾種攪拌罐的H/D值：
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種類 |
設備內物料類型 |
H/Di |
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一般攪拌罐 |
液-固相或液-液相物料 |
1~1.3 |
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氣-液相物料 |
1~2 |
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發(fā)酵罐類 |
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1.7~2.5 |
2.攪拌罐裝料量
(1)裝料系數(shù)η
盛裝物料的容積=η*罐體全容積
Η取值：一般取0.6~0.85
· 物料反應時有泡沫——0.6~0.7；
· 物料黏度較大或運作平穩(wěn)——0.8~0.85。
（2）確定筒體直徑和高度
V0 ——封頭容積
5 傳動裝置及攪拌軸
5.1 傳動裝置
· 包括：電動機，減速裝置，聯(lián)軸節(jié)，攪拌軸。
· 軸承的布置：
（1）設在支架內；
（2）設在設備底部，承受徑向載荷，軸向載荷由減速機或電機承受；
（3）設在密封函處，主要控制擺動量，保證密封運轉正常。
5.2 軸的計算
1.軸的強度計算
——軸承受扭轉+彎曲的聯(lián)合作用。
載荷：扭矩+彎矩，以扭矩為主。
扭轉強度條件：
許用剪應力[τ]=（0.5~0.6）[σ]
考慮到彎曲作用和動載荷性質， [τ]k 常規(guī)定的較低。Q235-A軸，取12~20MPa。
2.軸的剛度計算
目的：避免過大扭轉變形，保護軸封。
剛度條件：
1）精密穩(wěn)定傳動，取0.25~0.5°/m ;
2) 一般傳動，取0.5~1 °/m ；
3) 精度要求低的傳動，取＞1 °/m 。
6 軸封
常用形式：填料密封，機械密封，迷宮密封，浮動環(huán)密封等。
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