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•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。(a)带搅拌的反应器(b)列管式换热器（c）填料塔（d）贮罐•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•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)、•、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。•(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卷制的圆筒公称直径DN系列•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•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，=1.63mMPa/3.2iLDDNPN、DN/3.2iLD343.2iVD24iVDL34203.2iDiD2000iDmm2000DNmmPNWpMPaPNMPaLDi•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）(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rrhFF碳钢在高温下的机械性能5101520252001004005003000.10.20.30.40.520040060080020406080100200300400800bSET(Cº)•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.•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。•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•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%C0.6%)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。•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•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•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）•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/Di1.2)•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）•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•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•(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•(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322132121(1),(1)yyyy()yfxKABK1KnABK2•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）mmp•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。22mpS12mpSmmpmm•(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：•12/2D、4mpDS2pDSmmADp•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。max22mpDS12/2D4mpDSmax4mpDSAp•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