教案首页
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课程名称 |
化工设备机械基础 |
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项 目 |
第一章 |
课题 |
化工容器 |
课型 |
理论课 |
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授课班级 |
13级应用化工班 |
授课
时间 |
9月11日 |
课
时 |
1课时 |
授课教师 |
乔曼 |
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学习目标 |
专业能力 |
掌握常用化工容器的结构、分类及安全技术监察
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核心能力 |
1、掌握容器设计的基本要求
2、理解公称直径和公称压力的意义 |
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教学对象分 析 |
2013级三年制学生虽然已经学过分析化学、无机化学、有机化学等课程的基本知识，但是部分学生基础较差，学习态度不够端正，自律性差，上课好动，喜欢说话等。针对以上问题学生对于化工设备机械基础这门课学起来一定会有难度，所以在教学过程中，尽量采用模块式教学和导入式教学方法结合，尽量让学生学好这门课程，为后续课程打下基础。 |
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教学方法 |
教学媒体—板书一体化教学、分析讨论法、讲授法、演示法、比较法等 |
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教学回顾 |
化工设备机械基础是一门专业基础课，所以、理论性比较强，有许多概念性东西，所以学生听着就比较枯燥，但是通过给学生放一些动画，学生基本能够区分这些概念。 |
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教研室主任审签： 年 月 日
教学环节 |
教学过程（教学内容和教学方法） |
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教学过程：
一、 课前准备工作
1、自我介绍
2、课程安排
本学期上课周数 12 周，每周 4 学时，共 48 学时
3、课堂要求
1、上课纪律（不玩手机、不交头接耳、不看课外书、不随意走动）
2、作业认真完成
二、导入新课
从一些简单的化工设备入手导入今天的课程——化工容器。
三、探索--接收新知
（一）、容器的结构和分类
1.压力容器的主要作用：储装压缩气体、液体、液化气体或为这些介质的传热、传质、化学反应提供一个密闭的空间。
压力容器的主要结构部件:一个能承受压力的壳体及其他必要的连接件和密封件。
2.容器的分类
表1-1 1-2 1-3 1-4
（二）、容器零部件的标准化
标准化的目的：使容器零部件具有通用性，将容器零部件规定在一定的压力等级（公称压力）和一定的尺寸范围（公称直径）内，制定标准化系列。
压力容器零部件的两个基本参数：公称直径（DN）和公称压力(PN)。
（三）容器机械设计的基本要求
强度、刚度、稳定性、耐久性、密封性、节省材料和便于制造、方便操作和便于运输、技术经济指标合理
四、 总结——课堂小结
通过本节课的学习，让学生对一些常见的化工容器的基础知识有了初步的认识，能够将所学拓展到以后课程的学习中，为之后的学习和应用打下坚实的基础。
五、巩固----作业布置
习题: 一、二、三 |
教案首页
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课程名称 |
化工设备机械基础 |
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项 目 |
第二章 |
课题 |
化工设备常用材料及选择 |
课型 |
理论课 |
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授课班级 |
13级应用化工班 |
授课
时间 |
9月11~25日 |
课
时 |
9 |
授课教师 |
乔曼 |
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学习目标 |
专业能力 |
1、材料的力学性能；
2、化工设备材料的选择 |
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核心能力 |
材料的性能 |
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教学对象分 析 |
2013级三年制学生虽然已经学过第一章节的内容，对本章节的学习起了一定的铺垫左右，但本章新的概念性东西，和需要理解记忆的知识较多，所以学生学起来会有一定的困难。在教学过程中，尽量采用模块式教学和导入式教学方法结合，尽量让学生学好这门课程，为后续课程打下基础。 |
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教学方法 |
教学媒体—板书一体化教学、分析讨论法、讲授法、演示法、比较法等 |
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教学回顾 |
通过上一节课的学习学生对化工容器的一些知识有了一定的了解为本节课的学习起了铺垫的作用。 |
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教研室主任审签： 年 月 日
教学环节 |
教学过程（教学内容和教学方法） |
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教学过程：
一、 课前准备工作
1、自我介绍
2、课程安排
本学期上课周数 12 周，每周 4 学时，共 48 学时
3、课堂要求
1、上课纪律（不玩手机、不交头接耳、不看课外书、不随意走动）
2、作业认真完成
二、导入新课
从回顾上一节课的知识入手导入今天的课程——化工设备常用材料及选择。
三、探索--接收新知
概述
一、化工设备选材的重要性和复杂性
1.操作条件的限制
2.制造条件的限制
3.材料自身性能的限制
二、选材要遵循
适用、安全和经济的原则。
第一节 材料的性能
一、力学性能
材料在外力(或外加能量)作用下抵抗外力所表现的行为，包括变形和抗力，即在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。
1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。
屈服强度σs(σ0.2) ：金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，这种现象就称为屈服。
抗拉强度σb ：金属在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所能承受的最大应力值，叫作抗拉强度。
蠕变强度σn ：材料在高温下，在一定的应力下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力。
“蠕变”现象：高温高压的蒸汽管道下挠变形；
高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；
铅丝在常温下受重力作用而变长变细。
持久强度σD ：材料在高温下，抵抗发生断裂的能力。
疲劳极限σn ：材料在交变载荷作用下，会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了，这种现象就是疲劳。我们把）经过106~108次循环试验而不发生断裂的最大应力，作为疲劳强度。
疲劳强度举例：频繁开、停车——容器内压力或温度波动；
活塞式压缩机压缩气体——容器及管道内压力波动；
离心泵频繁开停机或震动——泵轴受力成交变式。
2、塑性：
金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。
主要有两个塑性指标：
伸长率δ
断面收缩率Ψ
冷弯性能：室温下对试板以一定的内半径（R=0.5～3板厚）进行弯曲，a=1200或1800 ，是否出现裂纹或起层。-----是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。
塑性指标的实际意义：便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；
使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。
——压力容器及其零件都需要具备这个性质。
3、韧性：
表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。
承受静载荷抗裂纹扩展的能力—— 缺口敏感性
承受动载荷时抗裂纹的能力—— 冲击韧性
问题：判断正误并说出理由
韧性高的材料，塑性好；塑性较高的材料，韧性也好。
注意！韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。韧性高的材料，一般都有较高的塑性指标；但塑性较高的材料，却不一定都有高的韧性。其所以如此，就是因为静载菏下能够缓慢塑性变形的材料．在动载荷下不一定能迅速塑性变形。
缺口敏感性：指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件下，抵抗裂纹扩展的能力。
4、硬度：
金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。
表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗
弹性变形、塑性变形或破断的能力。
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) 、 维氏硬度HV ( 比洛氏硬度更适合于测定极薄试样的硬度) ，显微硬度。
小结
材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位，但使用时要考虑温度的变化。
二、化学性能
1、耐腐蚀性
金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。
2、抗氧化性
在现代工业生产中的许多高温化工设备，在高温工作条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气体介质如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐蚀作用，因此锅炉给水中的含氧量和其他介质中的硫及其他杂质的含量对钢的氧化是有一定影响的。
三、物理性能
相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。
1、线膨胀系数α
2、弹性模量E
材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即σ＝Eε，这个比例系数E称为弹性模量，表示金属材料在弹性变形阶段的应力和应变关系。
对不同材料，材料的弹性模量越大．使它产生一定量的弹性变形的应力也越 。对同一种材料，弹性模数E随温度的升高而 。
3、泊桑比
泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比，以μ表示。对于各种钢材它近乎为一个常数，即μ＝0.3。
四、加工工艺性能
金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能等直接影响化工设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料时
必须考虑的因素。
良好的冷热加工性能
良好的焊接性能
第二节 化工设备常用材料特性
分类
1.黑色金属—— 1）生铁
2）钢
按质量分：
按化学成分：
按冶炼方法分：
按用途分：
2.有色金属
钢铁牌号及表示方法
1.牌号的表示原则
依据国家标准GB221-2000,牌号中化学元素——化学符号或汉字表示；产品用途、冶炼和浇铸方法——汉字或汉语拼音字母表示。
例如：沸腾钢——F或沸
灰口铸铁——HT或灰铁
铸钢——ZG
锅炉钢——g或锅
容器钢——R或容
2.钢号表示法
低合金钢—— 16MnR 16——含碳量0.16%；
Mn——合金元素；
R ——容器钢。
特殊性能钢—— Cr18Ni9 1——含碳量0.1%（千分数）；
Cr,Ni——主要合金元素；
18——含铬量18%；
9 ——含镍量9%。
碳钢与铸铁：钢铁的组成=95%以上铁+（0.05～4%）碳+1%杂质 ——铁碳合金
含碳量0.02~2% 为钢；含碳量＞2% 为铸铁；含碳量＜0.02% 为工业纯铁；含碳量＞ 4.3% 无实用价值。
一、 铁碳合金的组织结构
1.金属的组织与结构
在1500倍显微镜下观察到的显微组织，即金属的金相组织。
金相组织结构直接影响金属材料的性质。
如，铸铁中的石墨形式不同，其性质也不同。
球状石墨：强度最好；细片状石墨：次之；粗片状石墨：差
纯铁在不同温度下的晶体结构：
2. 铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织
铁碳关系：固溶态，化合态，混合态
固溶：元素于固态下相互溶解，保持溶剂晶格原来形式。
（1）铁素体（F）
体心立方晶格（α-Fe ）+C→
塑性好，强度低
韧性好，强度高
渗碳体（C）——铁碳关系之二：化合态
C+Fe→ Fe3C Fe3C 称为渗碳体。
性能特点:.硬，脆；在一定条件下可以分解
渗碳体的作用：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含c量﹤2%）成为碳素钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢材。
铁碳关系之三——游离态
铁碳合金中含碳量﹥2%时，部分碳以石墨形式存在于其中，即所谓铸铁。
组织结构特点——
性能特点：石墨性软、强度极低，相当于铸铁中存在许多孔洞。
二、碳钢
1.碳钢中杂质对其性能的影响
1）.锰(Mn)
来源——在冶炼过程中加入锰铁。
作用——钢材中锰含量高于0.8%时，即为合金元素存在——提高强度。是有益元素。
2）.硫(S)
· 来源——矿石和焦炭。
· 存在形式：FeS。
· 作用——FeS 的熔点低于钢材热加工开始温度， 它过早熔化，导致工件开裂，称为热脆性。
有害元素！
3). 磷(P)
· 来源——矿石。
· 作用——溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑性、韧性下降，即所谓“冷脆性”。
有害元素！
4）.氢(H)
来源——钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并产生高压力，在钢材内产生“白点”。
“白点”——裂纹源
有害元素！
2.碳钢的分类、牌号
（1）普通碳钢
含P、S等有害杂质较多（S≤0.055% P≤0.045%)
· 常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F
#Q235-B, # Q235-C, Q275 (参见表1-6）
式中 Q—普通碳钢，“屈服”的拼音首位字母。
235——材料屈服点（MPa)
A,B,C,D——钢材质量等级，越后越高。
F——沸腾钢
#—GB150-98规定使用材料
（2）.优质碳素钢
特点：含硫、磷等杂质较少，均≤0.04%，杂质少，组织均匀，表面质量好。
常用有：08,10,15,20,20g,20R,30Mn,40Mn等。
式中 数字--含c量的万分数;
g --锅炉钢；
R --容器钢；
Mn ---含锰元素约1%。
（3）.高级优质钢 磷硫杂质极少
P,s含量≤0.03%。
表示法：如20A
三、 铸铁
铁+ (2.5～4.0%)碳+Si、Mn、P、S 等杂质
1）灰铸铁 如 HT150-330, HT200-400
HT---灰铸铁
第一个数字---抗拉强度（MPa)
第二个数字---抗弯强度（MPa)
特点：断口呈灰色，石墨呈片状；
质脆，耐磨，抗压不抗拉，可铸性好，易切削；
吸音减振，某些介质中耐腐蚀性好。
2）.可断铸铁 如 KT300-10
KT---可断铸铁
300---抗拉强度（MPa)
10----延伸率（%）
特点：碳以团絮状存在，强度比灰铸铁高，具有较高的塑性和韧性。
3）球墨铸铁 如 QT400-15
QT---球墨铸铁 400---抗拉强度（MPa)
15----延伸率（%）
特点：碳以球状石墨存在，可铸性好，易切削；强度高，较好的塑性和韧性。
45号钢、球墨铸铁、灰铸铁的机械性能比较
4）高硅铸铁：STSi15R, STSi11Cu2CrR, STSi17R…
式中 ST---高硅耐蚀铸铁，Si15---含硅15%左右，
Cu2---含铜2%左右，R ---混合稀土元素（≤0.1%）。
特点：※耐腐蚀性好；
※质硬、脆，较难机加工，一般采用铸造；
※导热性能差，膨胀系数大，受热易裂。
用途：制造耐腐蚀泵、阀门、旋塞、冷却排管、辅助阳极、管道配件等。
四、镇静钢、半镇静钢和沸腾钢
镇静钢——质量最好；半镇静钢——质量次之；沸腾钢——质量最差
五、钢的热处理
热处理工艺实例：
※缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软；
※建筑用铁线用火烧软；
※泵轴调质—内韧外硬；
※扁铲淬火—提高硬度和韧性 ；
※容器焊后退火—消除内应力；
热处理工艺曲线：
1）常用热处理工艺
缓慢加热，保温一定时间后
※ 随炉冷却（曲线1） -- 退火；
※ 空气中冷却（曲线2）--正火 ；
作用：①降低硬度，增加塑性，改善机械性能；
②使组织均匀化，消除内应力。
【注】加热温度为临界点（钢的内部组织发生转变的温度) 以上30～50℃。
（2）化学热处理--将零件放在化学介质中进行加热-保温-冷却的过程。→使零件表面改性。
方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。
淬火
缓慢加热，保温一定时间 淬火剂中冷却（曲线3）；
淬火剂:水，盐水---用于 碳钢；油---用于合金钢。
作用：提高硬度、强度和耐磨性。
回火
淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。
作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。
回火又分为：低温回火（150～250 ℃ ）；
中温回火（300～450 ℃ ）；
高温回火（500～680℃）。
淬火+高温回火 称为调质处理。
效果：强度、塑性、韧性均提高 。
第三节 低合金钢及化工设备用特种钢
1. 合金元素对钢的影响
——为改善钢材性能特意加入合金元素，以改变钢材性质。例如：
铬：耐腐蚀抗氧化；
提高了强度硬度和耐磨性；
使钢材的韧性和塑性降低。
锰：提高强度和低温冲击韧性。
镍：提高淬透性，保持良好塑性和韧性；
提高耐腐蚀性和低温冲击韧性；
提高热强性能。
硅：提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐H2S腐蚀；
降低了塑性和冲击韧性。
2. 普通低合金钢
1. 成分特点：
※由碳素钢+Si、Mn、Cu、 Ti、V、Nb等元素组成；
※含碳量均较低，≤0.2%；
※合金元素总含量＜5% 。
2. 相对于碳素钢，其性能特点：
※强度提高；
※耐腐蚀性能提高；
※低温性能提高。
碳素钢与低合金钢比较
3.常用材料：板，管，圆钢等型材。
4.用途：
广泛用于造船，压力容器，桥梁，高压锅炉，汽车，矿山机械，农业机械等。
5.常用材料：
16MnR，15MnVR,18MnMoNbR,
16MnDR,15CrMoR,14Cr1MoR….
3. 容器钢和锅炉钢
（1）.工作环境：
锅炉：中温或高温；中压或高压。
容器：压力；温度；介质腐蚀；操作特点。
（2）.对材质要求：
1）较高的强度；
2）良好的塑性、韧性和冷弯性能；
3）较低的缺口敏感性；
4）良好的焊接性能和其他工艺性能；
5）良好的冶金质量。
4.常用的材料：
容器钢——（GB150-1998 《钢制压力容器》推荐）
Q235-B，Q235-C;20R;16MnR，15MnVR，15MnVNbR，18MnMoNbR。
锅炉钢—— 20g；12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg。
（4）.标准：
《压力容器用钢板》GB6654-1996
《压力容器用碳素钢和低合金厚钢板》YB/T40-87
5. 不锈耐酸钢
不锈---耐大气腐蚀；
耐酸---耐酸及强腐蚀性介质的腐蚀。
常用品种：
1）铬不锈钢---如1Cr13, 2Cr13, 0Cr13等。
第一个数字---含碳量的千分数[见表1-5(1-4）]； Cr13---含铬13%。
◎组织成分：铬固溶于铁素体的晶格中形成固溶体。
“不锈”的原因：在氧化性介质中，铬能生成一层稳定而致密的氧化膜，对钢材起保护作用。
性能特点：碳的作用---与铬生成碳化铬(Cr23C6)，消耗大量的铬。为保证耐腐蚀性能，不锈钢中碳含量越低越好。
铬的作用：——能提高耐腐蚀性能。实际铬不锈钢的平均含铬量≥13%。
——能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而塑性、韧性降低。
用作受载荷大的耐蚀零件，如轴类，活塞杆、螺栓、浮阀等
2）铬镍不锈钢
常用铬镍不锈钢型号:0Cr18Ni9 0Cr18Ni10Ti
式中 0---含碳量的千分数； Cr18---含铬量18%左右；Ni9---含镍量9%左右。
通常以铬镍平均含量“18-8”标志这种钢。
组织特征：C、Cr、Ni固溶于奥氏体晶格中，是单一的奥氏体组织。
性能特点:
①耐腐蚀性好 ※Cr含量≥13%，表面形成氧化膜；※组织为单一的奥氏体，在电解液中不能形成微电池，避免了电化学腐蚀。
②力学性能优异。[见P298附录五]
③在400～850℃期间，碳生成碳化铬在晶界析出，使晶界附近贫铬（铬含量低于12%）导致晶间腐蚀。不能反复施焊，否则必须进行热处理。
④不耐氯离子腐蚀。
6. 高温用钢（耐热钢）
高温环境---原油加热、裂解、催化等。如转化炉炉管，工作温度为650～800℃。碳钢使用温度一般在400℃以下。如20钢 500℃时屈服点只有50MPa,变得很软，钢中的Fe3C分解出石墨碳（石墨化过程）；同时钢表面生成氧化皮，层层剥落。——碳钢在高温下强度和抗氧化性均下降。
高温设备对材料的要求：
①化学稳定性。——抵抗高温气体（O2、H2S、SO2 等)腐蚀的能力。钢的表面能生成致密的氧化膜。
抗氧化钢——抗高温氧化，强度不高。 Cr13SiAl, Cr25Ti, Cr25Ni12等。
②热强性。——抗高温蠕变能力。
热强钢——抗蠕变，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，强化并稳定金相组织。
Mo—提高高温强度，强化并稳定金相组织，提高再结晶温度。
Ni—形成奥氏体组织，提高高温强度和耐腐蚀性。
Ti—稳定金相组织，不锈钢中能减少铬与碳的化合。
Al,Si—提高高温抗氧化性，本身生成致密的氧化膜。
7. 低温用钢
低温环境——天然气液化、空气分离、润滑油脱脂、轻烃回收等。普通碳钢在低温下（-20℃以下）变脆，冲击韧性显著下降。 低温用钢的组织 成分特点：※一般低温（-40~-20 ℃)钢——含碳量很低的铁素体组织，再加入适量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。如 16MnDR,09MnNiDR等。
※深冷（-40℃以下)用钢——含碳量低的奥氏体组织。如 15Mn26Al4。
8. 钢材的品种和规格
无缝钢管表示法： 如 f219×10其中 219-钢管的外径,mm；
10-钢管名义壁厚,mm。有缝钢管 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）型钢：圆钢、方钢、扁钢、等边角钢、不等边角钢、工字钢、槽钢
4）铸钢和锻钢：钢水铸造成型---铸钢。
如：ZG200-400式中200-屈服点；400-抗拉强度。
钢坯锻压成型---锻钢
第四节 有色金属材料
一. 铝及其合金
1.特性：1）密度小，体轻；2）导电、导热性好。不产生火花；3）塑性高，强度低；4）易冷加工，可焊，可铸；5）耐低温；6）一定的耐腐蚀性；7）不污染食物。
2.常用铝材：
1）纯铝：高纯铝——L01，L02（浓硝酸设备）；
工业纯铝—L1，L2，L4（换热器，塔，储罐，深冷设备等）。
2）铸造铝——ZL（泵，阀门，离心机等）。
3）防锈铝——LF（深冷设备，分离塔等）。
二. 铜及其合金
1.纯铜（紫铜）
特性：1）塑性好，导电性好，导热好；
2）低温下保持较高塑性和冲击韧性；
3）耐低浓度酸。
用场：深冷装置；密封垫片。常用材料：T2，T3，T4，TUP（用磷脱氧的无氧纯铜）。
2.黄铜——铜与锌的合金。
特性：铸造性能好；较高的力学性能；易切削加工；可焊接；耐蚀性较好；有应力腐蚀开裂倾向。
化工常用材料：H80,H68,H62等。
3.青铜
常用材料：锡青铜（铜锡合金）——铸造青铜用场较多。
特点：良好的耐腐蚀性，耐磨性。
用场：泵壳，轴承，涡轮，阀门等。
三. 铅及其合金
特点：
1）强度低、硬度低、不耐磨、非常软；
2）耐硫酸腐蚀性能强，但不耐甲酸、乙酸、硝酸及碱溶液；
3）耐辐射性强。
用场：加料管、鼓泡器、耐酸泵等，特别是在一些有辐射的场合用来进行屏蔽。
四. 钛及其合金
特点：1）密度不大而强度高； 2）耐腐蚀性能近乎或超过不锈钢； 3）耐热。
用场：航空工业，化学工业。
第五节 非金属材料
1. 无机非金属材料
1）. 化工陶瓷
特点：1）良好的耐腐蚀性能；2）足够的不透性、耐热性；
3）一定的机械强度；4）性脆易裂，导热性差。
用场：化工陶瓷设备及管道，管件等。
2）.化工搪瓷
——含高硅的瓷釉经900℃煅烧，密着在金属胎表面而成。
特点：1）优良的耐腐蚀性能；
2）优良的电绝缘性能；
3）易碎裂。
用场：搪瓷设备，如反应釜、储罐、换热器、塔、阀门等。
3）.玻璃
特点：1）良好的耐腐蚀性能；
2）足够热稳定性；
3）透明、清洁、阻力小；
4）性脆易裂，导热性差。
用场：管道，管件等。
4）.辉绿盐柱石
特点：良好的耐腐蚀性能；用场：用作设备衬里。
2. 有机非金属材料
1）. 工程塑料：高分子合成树脂+
填料——提高力学性能；
增塑剂——降低硬度和脆性；
稳定剂——延缓老化；
固化剂——加快固化速度。
特点：1）良好的耐腐蚀性能；2）一定的机械强度；3）密度不大；4）价格较低。
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——高分子胶体的混合物溶液。用途：设备防腐
常用涂料：防锈漆；底漆；大漆；环氧树脂漆；酚醛树脂漆。等
3). 不透性石墨——各种树脂侵汲石墨，消除孔隙而成。
特点：1）较高的化学稳定性和良好的导热性，热膨胀系数小，耐温度急变性好；2）不污染介质；3）加工性能好，相对密度小；4）力学性能较低，性脆。
用场：腐蚀性强的换热器；泵，管道，机械密封环，爆破片等。
4). 玻璃钢——用合成树脂做黏结剂，玻璃纤维为骨架制成。
特点：1）强度高
2）加工性能好
3）耐腐蚀性好
用场：容器，储槽，塔，鼓风机，搅拌器，泵，管道，阀门等。
第六节 化工设备的腐蚀及防腐措施
一. 金属的腐蚀
1.化学腐蚀——金属遇到干燥气体或非电解质溶液发生的腐蚀。
特点：1）腐蚀产物在金属表面；2）腐蚀过程中无电流产生。
腐蚀产物特性：1）致密而稳定，与金属结合牢固——钝化膜——钝化作用；2）不稳定，与金属结合不牢固——脱落——活化作用。
（1）金属的高温氧化及脱碳——金属在高温下的气体腐蚀。
解决方法：冶炼时加入铬，硅或铝——不起皮钢
温度＞700℃时——脱碳作用。
脱碳反应：Fe3C+O2=3Fe+CO2
Fe3C+CO2=3Fe+CO
Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2
力学性能下降。
（2）氢腐蚀
铁碳合金发生氢腐蚀的开始温度和压力：
第一阶段：氢脆——以原子状态侵入钢材内部，聚集，使钢变脆。与氢在钢中的溶解度成正比。
第二阶段：氢侵蚀——发生化学反应：Fe3C+2H2=3Fe+CH4
危害：1）甲烷在晶界聚集，成为裂纹源；
2）甲烷在钢材表面鼓泡，降低力学性能；
3）渗碳体还原为铁素体，体积减小，产生组织应力，促进裂纹扩展。又提供氢和甲烷聚集条件，加重氢侵蚀——钢材组织成为网格。
2.电化学腐蚀
——金属与电解液接触发生电化学反映。
三个环节：
发生电化学腐蚀必备条件：
1）同一金属中有不同电位的组织成分或存在不同电位的金属；
2）阳极和阴极互相连接；
3）阳极和阴极同处在连通的电解液中。
晶间腐蚀和应力腐蚀——均属于电化学腐蚀。
1.晶间腐蚀
腐蚀性介质沿晶粒间渗入金属深处，腐蚀破坏金属晶粒间的结合力，使之强度和塑性完全丧失。——“内部瓦解”作用。
不锈钢有晶间腐蚀可能：
在450~850 ℃之间，生成(Cr·Fe)23C6，沿晶界析出，晶界成为贫铬带。在电化学行为中，贫铬带成为阳极，晶粒成为阴极，形成微电池。
解决办法：
1）钢中加入Ti和Nb元素；
2）减少不锈钢中的碳含量。
2.应力腐蚀亦称腐蚀开裂——金属在腐蚀性介质和拉应力共同作用下产生的破坏形式。
腐蚀断裂过程分三个阶段：
1）孕育阶段——机械裂纹。
2）裂纹扩展——裂纹尖端为高度应力集中区，出现微电池。
3）破坏阶段。
二.金属腐蚀的评定方法：
1）质（重）量变化评定法——试验测定，单位表面、单位时间腐蚀引起的质（重）量变化量。
2）腐蚀深度评定法——用每年金属厚度的减少量表示腐蚀速度。
三. 金属腐蚀破坏的形
危险性较小，
壁厚有保证即可。
四. 金属设备的防腐措施
1.衬覆保护层
1）金属保护层——电镀，喷镀，衬里等。2）非金属保护层
· 非金属衬里——瓷砖，石墨板，水玻璃胶泥；
· 防腐涂料——防腐漆，环氧树脂等。
2.电化学保护
1）阳极保护——被保护设备接直流电源阳极，生成“钝化膜”。
2）阴极保护
——牺牲阳极保护
3.添加缓蚀剂——腐蚀性介质中加入少量缓蚀剂，降低或停止腐蚀作用。
注意！
1）不影响产品（介质）质量；
2）符合性；
3）种类和用量要经试验确定。
第七节. 化工设备材料的选择
要考虑：
· 设备的操作条件——压力、温度、介质特性、操作特点；
· 材料的使用性能——力学性能、物理性能、化学性能；
· 加工工艺性能——焊接性能、热处理性能、冷弯性能及其他冷热加工性能；
· 经济合理性及设备结构——材料价格、制造费用和使用寿命。
选材一般原则：
1.压力容器用钢材应符合GB150-1998《钢制压力容器》的要求，设计压力不大于35MPa。接受《压力容器安全技术监察规程》的监督。
2.压力容器承压件用普通碳钢钢板的适用范围：
3.设计温度应在允许使用温度范围内。见书p46表1-30。
4.耐腐蚀
!同时考虑正常生产、停车、空料、内填料等的实际情况。
5.经济性好
6.其他
（1）高压设备应优先选用低合金高、中强度钢，从而节省钢材。
（2）承受刚度控制的设备，不宜采用高强度材料。
（3）1Cr18Ni9Ti 钢材使用温度不高于500℃时，许用应力按0Cr18Ni10Ti 选取。
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教案首页
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课程名称 |
化工设备机械基础 |
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项 目 |
第三章 |
课题 |
内压薄壁容器的设计 |
课型 |
理论课 |
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授课班级 |
13级应用化工班 |
授课
时间 |
9月27日~10月11 |
课
时 |
8课时 |
授课教师 |
乔曼 |
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学习目标 |
专业能力 |
薄膜理论及其应用 |
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核心能力 |
对容器的基本感性认识
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教学对象分 析 |
2013级三年制学生虽然已经学过分析化学、无机化学、有机化学等课程的基本知识，但是部分学生基础较差，学习态度不够端正，自律性差，上课好动，喜欢说话等。针对以上问题学生对于化工设备机械基础这门课学起来一定会有难度，所以在教学过程中，尽量采用模块式教学和导入式教学方法结合，尽量让学生学好这门课程，为后续课程打下基础。 |
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教学方法 |
教学媒体—板书一体化教学、分析讨论法、讲授法、演示法、比较法等 |
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教学回顾 |
通过上一章课的学习学生基本掌握了化工设备常用材料及其选择，为本章节的学习做了铺垫。 |
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教研室主任审签： 年 月 日
教学环节 |
教学过程（教学内容和教学方法） |
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教学过程：
一、回顾--温故知新
以PPT呈示一些简单的内压薄壁容器，以提高学生对本节课的学习兴趣。
二、观察--思考讨论
引出上一章节化工设备材料的基本内容，让学生结合之前所学知识联想到与本节课的联系，提高学生的学习讨论积极性。
三、探索--接收新知
第一节 回转壳体的应力分析—薄膜应力理论
薄壁容器：容器的厚度与其最大截面圆的内径之比小于0.1的容器称为薄壁容器。（超出这一范围的称为厚壁容器）
应力分析是强度设计中首先要解决的问题。
计算壳壁应力有如下理论：
（1）无矩理论，即薄膜理论。假定壳壁如同薄膜一样，只承受拉应力和压应力，完全不能承受弯矩和弯曲应力。壳壁内的应力即为薄膜应力。
（2）有矩理论。壳壁内存在除拉应力或压应力外，还存在弯曲应力。
在工程实际中，理想的薄壁壳体是不存在的，因为即使壳壁很薄，壳体中还会或多或少地存在一些弯曲应力，所以无矩理论有其近似性和局限性。由于弯曲应力一般很小，如略去不计，其误差仍在工程计算的允许范围内，而计算方法大大简化，所以工程计算中常采用无矩理论。
一、薄膜容器及其应力特点
1. 内压薄壁容器的结构与受力：
2. 内压薄壁容器的变形：
3. 内压薄壁容器的内力：
结论
在任何一个压力容器中，总存在着两类不同性质的应力
①环向应力或周向应力，单位MPa，方向为垂直于纵向截面；
②轴向应力或经向应力，单位MPa，方向为垂直于横向截面；
③由于厚度δ 很小，认为都是沿壁厚均匀分布的，并把它们称为薄膜应力。
二、基本概念与基本假设
1、回转壳体中的基本的几何概念
中间面：平分壳体厚度的曲面称为壳体的中间
面。中间面与壳体内外表面等距离，它代表了壳体的几何特性。
回转曲面 ：由平面直线或平面曲线绕其同平面内的回转轴回转一周所形成的曲面。
回转壳体：由回转曲面作中间面形成的壳体。
本章研究的是满足轴对称条件的薄壁壳体。
母线：形成回转壳体中间面的那条直线或平面曲线。
经线：通过回转轴的平面与中间面的交线
经线与母线形状完全相同
法线：过中间面上的点M且垂直于中间面的直线n称为中间面在该点的法线。（法线的延长线必与回转轴相交）
纬线：以法线为母线绕回转轴回转一周所形成的园锥法截面与中间面的交线圆
平行圆：垂直于回转轴的平面与中间面的交线称平行圆。显然，平行圆即纬线。
2、无力矩理论基本假设
假定材料具有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的
小位移假设：壳体受力后，壳体中各点的位移远小于壁厚 ，利用变形前尺寸代替变形后尺寸
直法线假设：壳体在变形前垂直于中间面的直线段，在变形后仍保持为直线段，并且垂直于变形后的中间面。
不挤压假设：壳体各层纤维变形前后均互不挤压
三、经向应力计算公式——区域平衡方程式
1、截面法
用假想截面将壳体沿经线的法线方向切开，即平行圆直径D 处有垂直于经线的法向圆锥面截开，取下部作脱离体，建立静力平衡方程式。
2、回转壳体的经向应力分析
⒈Z轴上的合力为Pz
⒉作用在截面上应力的合力在Z轴上的投影为Nz
⒊在Z 方向的平衡方程
四、环向应力计算公式——微体平衡方程式
五、薄膜理论的适用条件
无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用。此时应力状态和承受内压的薄膜相似，又称薄膜理论。
回转壳体曲面在几何上是轴对称,壳体厚度无突变；曲率半径是连续变化的，材料是各向同性的，且物理性能（主要是E和μ）应当是相同的
载荷在壳体曲面上的分布是轴对称和连续的
壳体边界的固定形式应该是自由支承的
壳体的边界力应当在壳体曲面的切平面内，要求在边界上无横剪力和弯矩
· δ/Di≤0.1
薄膜理论的应用
区域平衡方程式
微体平衡方程式
讨论1：薄壁圆筒上开孔的有利形状
① 环向应力是经向应力的2倍，所以环向承受应力更大，环向上就要少削弱面积，故开设椭圆孔时，椭圆孔之短轴平行于筒体轴线
讨论2：介质与压力一定，壁厚越大，是否应力就越小
二、受气体内压的球形壳体
对相同的内压，球壳的环向应力要比同直径、 同厚度的圆筒壳的环向应力小一半，这是球壳显著的优点。
三、受气体内压的锥形壳体
锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增大。
α角要选择合适，不宜太大
在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。
第二节 内压圆筒边缘应力及其处理
一、边缘应力概念
压力容器边缘——指“不连续处”，主要是几何不连续及载荷（支撑）不连续处，以及温度不连续，材料不连续等处。
在不连续点处，由于介质压力及温度作用，除了产生薄膜应力外，还发生变形协调，导致了附加内力的产生。
二、边缘应力特点
（1）.局部性
只产生在一局部区域内，边缘应力衰减很快。
（2）.自限性
边缘应力是由于不连续点的两侧产生相互约束而出现的附加应力。
当边缘处的附加应力达到材料屈服极限时，相互约束便缓解了，不会无限制地增大。
三、对边缘应力的处理
1.利用局部性特点——局部处理。如：改变边缘结构，边缘局部加强，筒体纵向焊缝错开焊接，焊缝与边缘离开，焊后热处理等。
2.利用自限性——保证材料塑性
——可以使边缘应力不会过大，避免产生裂纹。
——尤其对低温容器，以及承受疲劳载荷的压力容器，更要注意边缘的处理。
对大多数塑性较好的材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、铜、铝等制作的压力容器，一般不对边缘作特殊考虑。
3.边缘应力的危害性。边缘应力的危害性低于薄膜应力。
1）薄膜应力无自限性，正比于介质压力。属于一次应力。
2）边缘应力具有局部性和自限性，属于二次应力。
第三节 内压薄壁圆筒的强度设计
内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程
1. 根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力
2. 根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据
3. 对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数
4. 根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。
一、强度设计的基本知识
（一）、关于弹性失效的设计准则
1、弹性失效理论
容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。
保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点。
2、强度安全条件
为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系，即
（二）、强度理论及其相应的强度条件
1、薄壁压力容器的应力状态
2、常用强度理论
第一强度理论
（最大主应力理论）
强度条件适用于脆性材料
第三强度理论
（最大剪应力理论）
强度条件适用于塑性材料
第四强度理论
（能量理论） 强度条件适用于塑性材料
第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。
压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论
二、内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计
（一）、内压圆筒强度计算公式：
计算壁厚公式：
再考虑腐蚀裕量C2 ,于是得到圆筒的设计壁厚为：
在公式（3-6a）基础上，考虑到钢板的负偏差C1（钢板在轧制时产生了偏差）
——名义壁厚公式：
再根据钢板标准规格向上圆整。
Sn——最终名义厚度。
这是写在图纸上的钢板厚度！
强度校核公式
最大允许工作压力计算公式
1、当筒体采用无缝钢管时，应将式中的Di换为D0
2、以上公式的适用范围为
3、用第四强度理论计算结果相差不大
（二）、设计参数的确定
1、压力
工作压力：指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。
设计压力： 指设定的容器顶部的最高压力，它与相应设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。
计算压力：指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力，其中包括液柱静压力。
计算压力pc=设计压力p+液柱静压力
工作压力pw---正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。
· 由工艺计算确定：
· 化学反应所要求的；
· 传递过程所必需的；
· 由液化气体的饱和蒸汽压所决定的。
设计压力p：设定的容器顶部的最高压力---设计载荷。
取值方法：
（1）容器上装有安全阀取不低于安全阀开启压力 ： p ≤（1.05～1.1）pw系数取决于弹簧起跳压力 。
（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：
取 设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。
（3）无安全泄放装置——取 p=（1.0~1.1）pw 。
（4）盛装液化气容器—— 设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按不低于最高饱和蒸汽压考虑，如40℃，50℃，60℃时的气体压力）。
注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保温，遮阳，喷水等。
（5）外压容器——取 p≥正常操作下可能产生的最大压差。注意：“正常操作”——含空料，真空检漏，稳定生产，中间停车等情况。
（6）真空容器—不设安全阀时，取0.1MPa ；设有安全阀时 取Min（1.25×△p ,0.1MPa) 。
（7）带夹套容器——取正常操作时可能出现的最大内外压差。例如 带夹套的反应釜：夹套内蒸汽压力为0.2MPa,釜内开始抽真空，然后釜内升压至0.3MPa。该釜壁承受压力如何？
釜壁可能承受压力情况：
※釜内空料，夹套内充蒸汽-----外压0.2MPa;
※釜内真空，夹套内充蒸汽-----外压0.3MPa;
※釜内0.3MPa，夹套内0.2MPa----内压0.1MPa;
※釜内0.3MPa，夹套内空料—--内压0.3MPa;
釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa.
计算压力pc---在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。
即计算压力=设计压力+液柱静压力(≥5%P时计入)，可见，计算压力≥设计压力≥工作压力=容器顶部表压
2、设计温度
指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面厚度的温度平均值）。
设计温度是选择材料和确定许用应力时不可少的参数。
确定设计温度的方法：（1）对类似设备实测；（2）传热计算；（3）参照书P45表3-2。
3、许用应力和安全系数
许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的。
4.焊接接头系数（f）
容器上存在有：
纵焊缝----A类焊缝
环焊缝----B类焊缝
需要进行无损检验。
检验方法主要是：X射线检查和超声波检查。焊接后常出现 ①缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出来；②熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。
焊缝区强度比较薄弱
焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。
焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率。
焊接接头系数φ是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。
5.壁厚附加量
满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，包括钢板负偏差(或钢管负偏差) C1、腐蚀裕量 C2
即 C＝ C1十 C2
容器壁厚附加量——
（1）钢板或钢管厚度负偏差 C1:
在设计容器壁厚时要预先考虑负偏差。
1、钢板负偏差参见P49表3-7选取；钢管厚度负偏差参见相关文件。
2、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计。
2）腐蚀裕量C2
容器元件由于腐蚀或机械磨损——厚度减薄。在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！
具体规定如下：
对有腐蚀或磨损的元件: C2=KaB
Ka---腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。
B----容器的设计寿命，通常为10～15年。
一般情况, Ka=0.05～0.13mm/a的轻微腐蚀时， 对单面腐蚀取C2=1～2mm; 对双面腐蚀取C2=2～4mm。对于不锈钢，一般取0。容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设计中可采用不同的腐蚀裕量。
介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢或低合金钢容器，单面腐蚀裕量不小于1mm；
对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取C2=0
6.直径系列与钢板厚度
压力容器的直径系列已经施行标准化（GB9019-88)，筒体与封头的公称直径配套
（三）、容器的壁厚和最小壁厚
1.容器壁厚的定义
※实际壁厚不得小于名义壁厚减去钢板负偏差，可保证强度要求！
※热加工封头时，加工单位应预先考虑加工减薄量！
2、最小厚度
设计压力较低的容器计算厚度很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度：
a.碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm
b.对高合金钢制容器，不小于2mm
（四）、容器耐压试验及其强度校核
目的 在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考察容器的密封性，以确保设备的安全运行。
1）检验容器宏观强度—是否出现裂纹,是否变形过大；
2）密封点及焊缝的密封情况。
需要注意的问题：
（1）需要焊后热处理的容器，须热处理后进行 压力试验和气密试验；
（2）须分段交货的容器，在工地组装并对环焊 缝进行热处理后，进行压力试验；
（3）塔器须安装后进行水压试验；
1、试验压力
内压容器试验压力
液压试验
气压试验
p——设计压力 MPa ;
[s]---元件材料在实验温度下的许用应力，MPa;
[s]t——元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。
[s]/[s]t大于1.8时，按1.8计算；如果容器各元件(圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料的比值中最小者.
容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力p
2、压力试验的应力校核
圆筒壁在试验压力下的计算应力
液压试验
气压试验
3.压力试验的要求与试验方法
压力试验的种类：液压试验 气压试验 气密性试验
①液压试验介质：一般为水；
过程： 开始→充水排气→设计压力无泄漏→试验压力下保压30分钟→试验压力的80%保压检查→卸压→吹净→结束
试压合格的条件：
1）无渗漏；
2）无可见变形；
3）试验过程中无异常响声；
4）σb ≥540MPa的材料，表面经无损检验
无裂纹。
②气压试验
——不适合液压试验的，如因结构缘故排液或充液困难，或容器内不允许残留微量液体时采用。
③气密试验
—针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危害的容器；
——在液压试验后进行；
——气密试验压力取设计压力。
第四节 内压圆筒封头的强度设计
一、半球形封头
结构：（1）整体半球壳体；
（2）焊接半球壳体--瓜瓣组焊。
半球形封头是由半个球壳构成的，它的计算壁厚公式与球壳相同
二、椭圆形封头
——椭圆壳应力分布
1.椭圆封头的结构 ：为什麽要有直边？（1）保证封头的制造质量；
（2）不连续点与环焊缝分开，从而避免边缘应力与焊接应力、膜应力集聚，降低合应力。
2. 壁厚的计算公式
椭球壳壁内应力的大小及变化受a/b值的影响，——形状系数K。
厚度计算公式为：
三、碟形封头
计算厚度公式
标准碟形封头计算厚度公式
四、球冠形封头（无折边球形封头）
壁厚计算公式：
五、锥形封头
广泛应用于许多化工设备的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直径不等的两段塔体连接起来，这时的锥形壳体称为变径段。
锥形封头厚度计算公式
五、平板封头
是常用的一种封头。其几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。
在各种封头中，平板结构最简单，制造就方便，但在同样直径、压力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直径和压力低的容器。
但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖，这是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度大的凸形封头很困难。
平板封头厚度设计公式
六、封头的选择
封头的选择主要根据设计对象的要求，并考虑经济技术指标。
1、几何方面
单位容积的表面积，半球形封头为最小。椭圆形和碟形封头的容积和表面积基本相同，可以认为近似相等。
2、力学方面
半球形封头的应力分布最好，椭圆形封头应力情况第二，碟形封头在力学上的最大缺点在于其具有较小的折边半径r，平板受力情况最差。
3、制造及材料消耗方面
封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难
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教案首页
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课程名称 |
化工设备机械基础 |
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项 目 |
第五章 |
课题 |
搅拌式反应器及其机械设计基础 |
课型 |
理论课 |
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授课班级 |
13级应用化工班 |
授课
时间 |
10月25日~10月30 |
课
时 |
4课时 |
授课教师 |
乔曼 |
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学习目标 |
专业能力 |
搅拌器各部分结构及其特点 |
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核心能力 |
搅拌器的各部分性能参数 |
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教学对象分 析 |
2013级三年制学生虽然已经学过分析化学、无机化学、有机化学等课程的基本知识，但是部分学生基础较差，学习态度不够端正，自律性差，上课好动，喜欢说话等。针对以上问题学生对于化工设备机械基础这门课学起来一定会有难度，所以在教学过程中，尽量采用模块式教学和导入式教学方法结合，尽量让学生学好这门课程，为后续课程打下基础。 |
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教学方法 |
教学媒体—板书一体化教学、分析讨论法、讲授法、演示法、比较法等 |
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教学回顾 |
通过上一章课的学习学生基本掌握了压力容器零部件的相关知识，为本章节的学习做了铺垫。 |
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教研室主任审签： 年 月 日
教学环节 |
教学过程（教学内容和教学方法） |
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教学过程：
一、回顾--温故知新
以PPT呈示一些常见的搅拌器视图，以提高学生对本节课的学习兴趣。
二、观察--思考讨论
引出上一章节压力容器零部件的基本内容，让学生结合之前所学知识联想到与本节课的联系，提高学生的学习讨论积极性。
三、探索--接收新知
1 概述
结构：
2 搅拌器的型式及选型
3 搅拌器的功率
3.1 搅拌器功率和搅拌器作业功率
搅拌器功率：对液体作功使之流动，并连续运转所需功率。
搅拌器作业功率：使搅拌槽中的液体以最佳方式完成搅拌过程所需要的功率。
3.2 影响搅拌器功率的因素
· 搅拌器的几何参数和运转参数；
· 搅拌槽的几何参数；
· 介质的物性参数。
4 搅拌罐结构设计
1）.罐体的长径比
主要因素：搅拌功率；传热；物料搅拌反应特性。
（1）长径比对搅拌功率的影响
在固定转速下，搅拌功率∝浆叶直径的5次方。
——长径比应选得大一些。
（2）长径比对传热的影响
要考虑：传热面积；物料的温度梯度。
2）.搅拌罐装料量
(1)装料系数η
盛装物料的容积=η*罐体全容积
Η取值：一般取0.6~0.85
· 物料反应时有泡沫——0.6~0.7；
· 物料黏度较大或运作平稳——0.8~0.85。
（2）确定筒体直径和高度
5 传动装置及搅拌轴
5.1 传动装置
· 包括：电动机，减速装置，联轴节，搅拌轴。
· 轴承的布置：
（1）设在支架内；
（2）设在设备底部，承受径向载荷，轴向载荷由减速机或电机承受；
（3）设在密封函处，主要控制摆动量，保证密封运转正常。
5.2 轴的计算
1.轴的强度计算
——轴承受扭转+弯曲的联合作用。
载荷：扭矩+弯矩，以扭矩为主。
扭转强度条件：
许用剪应力[τ]=（0.5~0.6）[σ]
考虑到弯曲作用和动载荷性质， [τ]k 常规定的较低。Q235-A轴，取12~20MPa。
抗扭截面模数为：
便可计算轴径。
2.轴的刚度计算
目的：避免过大扭转变形，保护轴封。
刚度条件：
1）精密稳定传动，取0.25~0.5°/m ;
2) 一般传动，取0.5~1 °/m ；
3) 精度要求低的传动，取＞1 °/m 。
6 轴封
常用形式：填料密封，机械密封，迷宫密封，浮动环密封等。
连接，法兰对管壁产生的附加应力较小。常用于高压管道。
3、按法兰形状分圆形、方形和椭圆形
三、影响法兰密封的因素
1、螺栓预紧力
预紧力使垫片压紧实现初始密封。适当提高预紧力可增加垫片的密封能力，即在正常工况下保留较大的接触面比压力。
预紧力不宜太大，否则使垫片整体屈服丧失回弹能力，甚至将垫片挤出或压坏。
预紧力应均匀地作用到垫片上，可采取减小螺栓直径、增加螺栓个数等措施来提高密封性能。
2、压紧面（密封面）
压紧面的质量要求：形状和粗糙度应与垫片相匹配;使用金属垫片时其压紧面的质量要求比使用非金属垫片时高；压紧面表面不允许有刀痕和划痕；应能均匀地压紧垫片，保证平面度和垂直度。
压紧面的型式: 主要根据工艺条件、密封口径以及准备采用的垫片等进行（常用5种）选择
平面型压紧面: 优点：结构简单，加工方便。
缺点：是接触面积大，需要的预紧比压大，螺栓承载大，故法兰等零件要求高、笨重，垫片易挤出，密封性能较差。使用压力P≤2.5MPa，有毒、易燃、易爆介质中不能使用。
凹凸型压紧面:由一个凹面和一个凸面配合组成。垫片放凹面中。
优点：便于对中，能防垫片挤出。
可用在P≤6.4MPa，DN≤800mm
榫槽型压紧面: 一榫一槽密封面组成，优点是对中性好，密封预紧压力小，垫片不易挤出，不受介质冲刷，用于易燃易爆密封要求高处。缺点是更换较困难，榫易损坏。注意：应使固定在设备上的法兰为槽面,可拆下部分的法兰为榫面。
锥形压紧面: 通常用于高压密封，其缺点是需要的尺寸精度和表面粗糙度要求高。须与透镜垫片配合,常用于高压管道。
梯形槽压紧面: 槽底不起密封作用，是槽的内外锥面与垫片接触成梯形,形成密封的，与椭圆或八角形截面的金属垫圈配合。
3、垫片性能
· 垫片密封面的塑性变形能力——实现初始密封；
· 垫片材料及结构的回弹能力——提高工作状态下的残余密封比压。
· 耐腐蚀能力。
· 力学性能，尤其抗高温蠕变能力。
· 工作温度下的变质硬化或软化性。
4、法兰刚度——法兰在外力作用下抵抗变形的能力。
刚度小——受力後变形大，垫片受力不均，易泄漏。刚度不足：过大的翘曲变形,这也是密封失效的主要原因之一。
提高法兰刚度的措施：增加法兰厚度；减小螺栓力作用的力臂(即缩小中心圆直径)；增大法兰盘外径；螺栓数量要足够。
5、操作条件：指压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能的影响。
特点：在压力、介质和温度的联合作用下，尤其是波动的高温下，会严重影响密封性能，甚至使密封因疲劳而完全失效。
原因：高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏；介质对垫片和法兰的腐蚀作用加剧，增加了泄漏的可能性；法兰、螺栓和垫片均会产生较大的高温蠕变与应力松弛，使密封失效；某些非金属垫片还会加速老化、变质，甚至烧毁。
四、法兰标准及选用
1、压力容器法兰标准
压力容器法兰：平焊法兰和对焊法兰
平焊法兰比较：乙型法兰带有一个短筒体，因此刚性较甲型法兰好，可用于压力较高，直径较大的场合；
焊缝形式：甲型为V型坡口，乙型为U型坡口，因此乙型更易焊透，故其强度和刚度更高。
对焊法兰特点：由于有长颈，并采用对焊，故刚性更好，用于压力更高处.
注意问题 ：平焊与对焊法兰都有带衬环与不带衬环两种。
密封面都有平面型、凹凸型、榫槽型三种。
2、如何选用压力容器法兰
选择法兰的主要参数：公称压力（PN）和公称直径（DN）
公称直径的确定：
◎管法兰—与相联接管子的公称直径相同；
◎压力容器法兰— ·板卷筒体，与相联接筒体的公称直径相同；
·无缝钢管作筒体，与相联接无缝管的公称直径相同。
公称压力 ：公称压力——是以16Mn在200℃时的最高工作压力为依据制定的，因此当法兰材料和工作温度不同时，最大工作压力将降低或升高。
法兰公称压力与法兰的最大操作压力和操作温度以及法兰材料三个因素有关。
压力容器法兰设计步骤：
（1）确定DN;
（2）根据法兰材质、工作温度和最高工作压力，确定PN；
（3）由PN,DN确定法兰形式及连接尺寸、螺栓尺寸及数量。
（4）根据介质工作温度、工作压力确定密封面及垫 片类型；
（5）确定螺栓、螺帽材质；
（6）绘制草图。
2.管法兰
管法兰标准：
1）HG20592~20635——97 «钢制管法兰、垫片、紧固件»
2）GB9112~9123 «钢制管法兰»
注：«压力容器安全技术监察规程»推荐1）。
第二节 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稳定。
结构型式由容器自身的型式决定，分卧式容器支座、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种，高大的塔设备则广泛采用裙式支座。
㈠ 耳式支座：
简称耳座，筋板和支脚板。广泛用在反应釜及立式换热器等直立设备上。简单、轻便，但局部应力较大。当设备较大或器壁较薄应加垫板。不锈钢制设备，用碳钢作支座，防止合金元素流失，也需加一个不锈钢垫板。
已标准化JB/T 4725-92 《耳式支座》。
该标准分A型（短臂）和B型（长臂）（有保温层或直接放在楼板上）
每类又分带垫板与不带垫板两种结构
耳式支座选用的方法：
（1）估算设备总重，算每个支座（按2个计算）的负荷Q值；
（2）确定支座型式，从表4-13或表4-15按允许负荷Q允大于实际负荷Q，选支座。
小型设备耳式支座，可支承在管子或型钢制的立柱上。大型设备的支座往往搁在钢梁或混凝土制的基础上。
㈡ 支承式支座
用钢管、角钢、槽钢制作，或用数块钢板焊成，型式、结构、尺寸及材料JB/T 4724-92 《支承式支座》。
㈢ 裙式支座
塔设备最常用裙式支座。目前还没有标准。各部分尺寸均需通过计算或实践经验确定。有关裙式支座的结构及其设计方法详见第十七章。
二、卧式容器支座
鞍式支座：应用最广泛的卧式容器支座。已有标准JB/T4712-92 《鞍式支座》，根据容器公称直径和重量选用。
由横向筋板、若干轴向筋板和底板焊接而成。在与设备连接处，有带加强垫板和不带加强垫板两种结构。
㈡ 圈座
采用圈座的情况：对于大直径薄壁容器和真空容器，因其自身重量可能造成严重挠曲；多于两个支承的长容器。
除常温常压下操作的容器外，至少应有一个圈座是滑动支承的。
㈢ 腿式支座:简称支腿
连接处造成严重的局部应力，只适用于小型设备（DN≤1600、L≤5m）。
腿式支座的结构型式、系列参数等参见标准JB/T 4714-92 《腿式支座》。
第三节 容器的开孔补强
一. 容器开孔应力集中现象及其原因
容器为什么要开孔？工艺、安装、检修的要求。
开孔后，为什么要补强？削弱器壁的强度，出现不连续，形成高应力集中区。
峰值应力通常较高，达到甚至超过材料屈服极限。局部应力较大，加之材质和制造缺陷等,为降低峰值应力，需要对结构开孔部位进行补强，以保证容器安全运行。
开孔处出现应力集中，应力集中系数为：K=σ实际/σ膜
开孔的形状：应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度最低。
二.开孔补强原则与补强结构
(一)开孔补强的设计原则
1.等面积补强原则：该方法认为在有效的补强范围内，壳体处本身承受内压所需截面积外的多余截面积A不应少于开孔所减少的有效截面积。即这种以通过开孔中心的纵截面上的投影面积来衡量的补强设计方法，具有使开孔后截面的平均应力不致升高的含义。在一般情况下可以满足开孔补强的需要，方法简便，我国的容器标准采用的主要是这种方法。
2.极限分析补强设计准则：由于开孔只造成壳体的局部强度削弱，如果在某一压力载荷下容器开孔处的某一区域其整个截面进入塑性状态，以至发生塑性流动，此时的载荷便为极限载荷。利用塑性力学方法对带有整体补强的开孔补强结构求解出塑性失效的极限载荷。以极限载荷为依据来进行补强结构设计，即以大量的计算可以定出补强结构的尺寸要求，使其具有相同的应力集中系数。。
（二）.补强形式：
1.内加强齐平接管
2.外加强齐平接管
3.对称加强凸出接管
4.密集补强
(三). 补强结构：
（1）补强圈结构
材质厚度一般与壳体相同；补强圈要与壳体、接管很好地焊接，以同时受力。补强板上有一个M10小孔，用以检查焊缝缺陷；名曰泄漏信号孔。
（2）整体补强结构
若须补强的接管较多，可采取增加壳体壁厚的办法，也称为整体补强。
(四).等面积补强的设计方法
1. 开孔有效补强范围及补强面积的计算
等面积补强——补强的金属量等于或大于开孔所削弱的金属量。
2. 容器上开孔及补强的有关规定
筒体及封头开孔最大直径不允许超过：
（1） 圆筒Di≤1500mm，开孔最大直径d≤1/2Di，且d≤520mm；圆筒Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤1/3Di，且d≤1000mm；
（2） 凸形封头或球壳的开孔最大直径d＜1/2Di。
（3） 锥壳开孔最大直径d≤1/3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径。
3. 不需补强的最大开孔直径
计算壁厚考虑了焊缝系数，钢板规格，壳体壁厚超过实际强度，最大应力值降低，相当于容器已被整体加强。
且容器开孔总有接管相连，其接管多于实际需要的壁厚也起补强作用。
容器材料有一定塑性储备，允许承受不是十分过大的局部应力，所以当孔径不超过一定数值时，可不进行补强。
壳体开孔满足全部条件，可不另行补强：
(1) 设计压力小于或等于2.5MPa；
(2) 两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的两倍；
(3) 壳体名义壁厚大于12mm，接管公称外径小于或等于80mm；壳体名义壁厚小于或等于12mm ，接管公称外径小于或等于50mm
(4) 接管最小壁厚满足表4-19的要求。
第四节 容器附件
一、接口管：用于装置测量、控制仪表，或连接其他设备和介质的输送管道。
铸造接管：铸造设备接管可与筒体一并铸出。
螺纹管主要用来接温度计、压力表或液面计等，阴螺纹或阳螺纹
二、凸缘：接管长度必须很短时可用凸缘代替(又叫突出接口)，凸缘本身有加强作用，不需另外补强。当螺柱折断在螺栓孔中，取出较困难。凸缘与管道法兰配用，联接尺寸应根据所选用的管法兰来确定。
三、手孔与人孔：检查设备内部空间以及安装和拆卸内部构件。手孔直径150mm～250mm，标准手孔公称直径有DN150和DN250两种。
手孔结构：容器上接一短管，其上盖一盲板。
人孔：设备直径超过900mm，有手孔也设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形。椭圆形人孔短轴与筒身轴线平行。圆形人孔直径400mm～600mm，容器压力不高或有特殊需要时，直径可以大一些。椭圆形人孔(或称长圆形人孔)的最小尺寸为400mm×300mm。
使用中常打开，可用快开式结构人孔。
手孔（HG21515～21527-95）和人孔（HG21528～21535-95）已有标准，
设计时根据设备的公称压力，工作温度以及所用材料等按标准直接选用。
四、视镜与液面计
㈠ 视镜：观察内部，也可用作物料液面指示镜。分为不带颈视镜和带颈视镜。
不带颈视镜——凸缘构成，结构简单，不易结料，有比较宽阔的视察范围。
当视镜需要斜装或设备直径较小时，则需采用带颈视镜。
视镜已经标准化，化工生产中常用的还有压力容器视镜、带灯视镜、带灯有冲洗孔的视镜、组合视镜等。
㈡ 液面计
公称压力不超过0.7MPa，开长条孔，矩形凸缘或法兰把玻璃固定在设备上。
承压容器，一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与设备联接在一起设备直径大，可同时用几组液面计接管。
现有标准中有反射式玻璃板液面计、反射式防霜液面计、透光式板式液面计和磁性液面计。
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教案首页
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课程名称 |
化工设备机械基础 |
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项 目 |
第七章 |
课题 |
换热设备 |
课型 |
理论课 |
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授课班级 |
13级应用化工班 |
授课
时间 |
11月13~11月27日 |
课
时 |
10课时 |
授课教师 |
乔曼 |
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学习目标 |
专业能力 |
（1）典型管壳式换热器的选型
（2）固定管板式换热器的基本结构
（3）管子的选用及管板的连接
（4）温差应力产生的原因及补偿措施
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核心能力 |
管、壳程的分程及隔板 |
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教学方法 |
教学媒体—板书一体化教学、分析讨论法、讲授法、演示法、比较法等 |
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教学回顾 |
通过上一章课的学习学生基本掌握了塔设备及其机械设计基础相关知识原理，为本章节的学习奠定了基础。 |
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教研室主任审签： 年 月 日
教学环节 |
教学过程（教学内容和教学方法） |
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教学过程：
一、 回顾--温故知新
以PPT呈示一些常见的换热设备，以提高学生对本节课的学习兴趣。
二、观察--思考讨论
引出上一章节塔设备的基本内容，让学生结合之前所学知识联想到与本节课的联系，提高学生的学习讨论积极性。
三、探索--接收新知
第一节 换热器概述
一、定义：换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。
1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。
2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11％～ 40％ 。
二、衡量标准：
1.先进性：传热效率高，流体阻力小，材料省
2.合理性：可制造加工，成本可接受
3.可靠性：满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命
三、换热器的基本类型
按传热方式或工作原理分类
1、直接接触式：传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间
2、蓄热式：温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大
3、间壁式——又称表面式换热器，利用间壁（固体壁面）进行热交换。冷热两种流体隔开，互不接触，热量，由热流体通过间壁传递给冷流体。应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等。
对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为 (1)管式(2)紧凑式(3)管壳式
四、管壳式换热器的分类
基本类型：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、
填料函式换热器
（一）固定管板式换热器
优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。
缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。
适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。
为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。
（二）浮头式换热器
优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。
缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查，影响传热。
适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。
（三）填料函式换热器
特点：
1.一端可自由伸缩— 不产生热应力；
2.管束可以抽出，管内外均易清洗；
3.填料将壳程介质与外界隔开，易外漏，介质受限制；
优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。
缺点：填料处易泄漏。
适用场合： 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。
（四）U形管式换热器
1.只有一个管板，结构简单；
2.管子可以抽出，管间易清洗；
3.管子可以自由膨胀；
4.管内不便清洗，不易更换；
5.结构不紧凑。
优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。
缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。
适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。
六、管壳式换热器设计内容
（一）工艺计算
选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数 。
（二）机械设计
1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；
2）换热器封头选择，压力容器法兰选择；
3）管板尺寸确定；
4）折流板的选择与计算；
5）管子拉脱力的计算；
6）温差应力计算。
第二节 管板式换热器换热管的选用及其与管板的连接
一、换热管的选用
小管径：单位体积传热面积增大、结构紧凑、
金属耗量减少、传热系数提高
阻力大，不便清洗，易结垢堵塞
用于较清洁的流体
大管径：粘性大或污浊的流体
（二）规格
（外径×壁厚），长度按规定决定
换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在4～25之间，常用的为6～10。立式换热器，其比值多为4～6。
（三）材料
由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。常用管子材质有：碳素钢（10，20）、合金钢（1Cr18Ni9Ti)、低合金钢（16Mn,15MnV)、铜、钛、塑料、石墨等。
（四）结构型式
多用光管，因为结构简单，制造容易，
为强化传热，也采用强化传热管。
二、管子与管板的连接
（一）胀接
利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔边缘同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板边缘弹性恢复与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。
保证紧密性的方法：
· 管板孔开槽；
· 胀接周边保证清洁；
· 管子硬度低于管板孔周边硬度。
保证管端硬度较低并且低于管板硬度的方法：
· 管端退火处理。
· 选材考虑。
（二）焊接
优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。
缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。
（三）胀焊并用
克服了单纯的焊接及胀接的缺点，主要优点是：
· 连接紧密，提高抗疲劳能力；
· 消除间隙腐蚀和应力腐蚀；
· 提高使用寿命。
胀焊并用连接主要有：
强度焊＋贴胀………………先焊后胀
强度胀＋密封焊………………先胀后焊
概念解释：密封焊—不保证强度，只防漏；
强度焊—既防漏，又保证抗拉脱强度；
贴胀—只消除间隙，不承担拉脱力；
强度胀—既消除间隙，又满足胀接强度。
目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。
第三节 管板与管板连接结构
一、管板
管板是管壳式换热器的重要零部件之一。
二、管板材料
管板材料选择既有力学的上考虑，又有耐介质腐蚀的考虑。
三、管板结构
在满足强度要求的前提下，应当尽量减少管板厚度。
四、换热管排列方式
（一）正三角形和转角正三角形排列
三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。
（二）正方形和转角正方形排列
管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列。
（三）组合排列法
在多程换热器中多采用组合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之间，为了便于安装隔板，则采用正方形排列法，五、管间距
（一）定义
管间距指两相邻换热管中心的距离。
（二）要求
管间距≥1.25d0，符合表7-4规定，便于管子与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来讲，管子间距离太近，那么都会影响连接质量。最外层管壁与壳壁之间的距离不应小于1/2换热管外径加10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。
六、管箱与管束的分程
（一）分程原因
当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。
管箱
固定管板式换热器利用管箱来实现管束分程。管箱位于换热器两端，便于拆装。隔板安装在管箱内。
（二）分程原则
①各程换热管数应大致相等；
②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；
③各程间的密封长度应最短；
④分程隔板的形状应简单。
（三）分程隔板
（四）分程方式
七、管程接管与挡板和导流筒
（一）管程接管
为减缓壳程入口高速流体对管子的冲刷，将接管做成喇叭形，结构为圆形时常称为导流筒。
（二）挡板
为减缓壳程入口高速流体对管子的冲刷，在入口处安装挡板。挡板常采用圆形和方形。
八、折流板、支承板、旁路挡板及拦液板的作用与结构
1 折流板及支撑板
作用：a.提高壳程流体流速，改变流动方向—提高传热效率。
b.支撑换热管。
结构形式：a.弓形；b.圆盘-圆环形；c.扇形。
2 旁路挡板
壳体与管束之间存在有较大间隙时，为避免流体走短路，沿纵向设置板条，迫使流体穿过管束。
3 拦液板
作用：在立式冷凝器中，用来减薄管壁上的液膜以提高传热膜系数。
九、管板与壳体的连接结构
（一）不可拆的焊接式
（二）可拆式
浮头式、U型管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接
第四节 温差应力
一.管壁与壳壁温度差引起的温差应力
二. 管子拉脱力的计算
——限于管子与管板胀接情况。
1.介质压力和温差力对管板的作用：
假设 管壁温度＞壳壁温度
2.拉脱力的计算
计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。
拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受的力，单位为帕。
引起拉脱力的因素为：操作压力和温差力。
（1）操作压力引起的拉脱力qp:
介质压力作用的面积 f 如图示
介质压力p，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。
管子外径为d0 ；管子胀接长度为l。
则拉脱力为：
（2）温差力引起的拉脱力 qt ：
每根管承受温差力为 σt×at 。
则拉脱力为：
（3）合拉脱力：两者使管子受力方向相同—取之和；
两者使管子受力方向相反—取之差。
（4）拉脱力判据：
计算合拉脱力必须小于许用拉脱力： q＜[q]
三. 温差应力的补偿
目的：解决壳体与管束轴向变形的不一致性。或者说，消除壳体与管子间的刚性约束，实现壳体和管子自由伸缩。
补偿方法：
1.减小壳体与管束间的温度差
· 使传热膜系数大的流体走壳程；
· 壳壁温度低于管壁温度时，对壳体进行保温。
2.装设挠性构件
· 壳体上安装膨胀节；（见书P170 图7-39）
· 将直管制成带S形弯的管。如氨合成塔内的冷管：
膨胀节结构及设置
——装在固定管板式换热器上的挠性元件。
1.膨胀节的作用：
作用：对管子与壳体的膨胀变形差进行补偿，以消除或减小温差应力；
2.结构形式：
1）平板焊接膨胀节；
2）波形膨胀节；
3）夹壳式膨胀节
4）波纹管
3.必须设置膨胀节的条件：
满足下述条件之一者：
4.膨胀节的选用及安装
依据标准：GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》
安装注意：1）与壳体对接焊，保证焊透；
2）要进行无损探伤；
3）最低点设置排液孔。
3.采用壳体与管束自由伸缩的结构
4.套管式结构
如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉；
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· 填料大致可分为实体填料和网体填料两种。
· 拉西环:（瓷环）填充方式有乱堆和整砌两种。
· 鲍尔环：在金属拉西环的壁上开了一排或两排长方形的小窗，小窗叶片向环中心弯入，在中心处相搭，上下两排小窗的位置相错，增加了接触面积，效率得到了提高。
· 阶梯环：一头为鲍尔环，一头翻卷，由于不对称，装入塔内可减少填料环相互重叠，使填料表面得以充分利用，同时增大了空隙，使压降降低，传质效率提高。
· 鞍形填料：这种填料重迭部分少，空隙率大，利用率高。它有两种形式，一种是矩鞍环，一种是弧鞍环，都是敞开式填料，这种填料比拉西环传质效率高，压力降低，且强度高。
· 波纹填料：由许多波纹形薄板垂直叠在一起，各层的波纹成４５°，盘与盘之间成９０°排列，结构紧凑，比表面积大。传质好，且可根据物料温度及腐蚀情况采用不同的材料。
二、填料支承结构
1、作用：支承填料
2、设计要求：足够的强度、刚度以及足够的自由截面
3、栅板设计注意问题：
1）栅板必须有足够的强度和耐腐蚀性；
2）栅板必须有足够的自由截面，一般应各填料的自由截面大致相等；
3）槽板扁钢条之间的距离约为填料外径的60%~80%；
4）栅板可以制成整块的或分块的。
三、喷淋装置
要求：使整个塔截面的填料表面很好润湿，结构简单，制造维修方便。
作用：喷出液体，使整个塔截面的填料很好润湿，直接影响塔的处理能力和分离效率。
1、喷洒型分为管式喷洒器、环管多孔喷洒器、莲蓬头喷洒器
管式喷洒器： DN≤300mm，可选用管式喷洒器，通过填料上的进液管（直、弯或缺口）进行喷洒，结构简单，但喷淋面积较小且不均匀。
环管多孔喷洒器：DN≤1200mm，可选用单环管多孔喷洒器，结构简单，制造和安装方便，缺点是喷洒面积小，不够均匀，而且液体要求清洁，否则小孔易堵塞。（环管下面开小孔，一般为3~5排）。
莲蓬头喷洒器： 主要有半球形、碟形、杯形，优点是结构简单，制造安装方便，缺点是小孔易堵塞，不适于处理污浊液体，一般可用于塔径小于600mm的塔中。
2、溢流型
盘式分布器：液体从中央进料管加到喷淋盘内，然后从喷淋盘上的降液管溢流。
槽式分布器：主要用于DN＞1000mm的塔，其优点是自由截面大，适应性好，处理量大，操作弹性大，其结构见（图8－52），液体先加入分配槽，然后再由分配槽的开口处到喷淋槽，喷淋槽上有堰口，两侧有三角形或矩形的开口，各开口的下缘应位于同一水平面上，再由此溢流到填料上。
3、冲击型：应用较少
五、液体再分布器
1、设置原因
当液体流过填料层时，流体慢慢地会从器壁流走（壁流）现象产生，使液体分布不均匀，塔中央部分填料可能没有润湿，起不到作用，降低了整个塔的效率。
2、主要作用
将上层填料流下的液体收集，再分布，避免塔中心的填料不能被液体湿润而形成“干锥 ”。
第四节 塔体与裙座的强度设计
一.塔体载荷分析：
1.自重载荷：
m01—塔设备的壳体与裙座质量；
m02—塔设备内件质量（塔板或填料及其支撑装置）；
m03—保温材料质量；
m04—平台扶梯质量；
m05—操作时塔内物料质量；
ma—人孔法兰接管等附件质量；
mw—液压试验时塔内充液质量；
me—偏心质量。
操作质量：m0= m01+ m02 +m03 +m04 +m05 +ma +me
水压试验质量：mmax= m01+ m02 +m03 +m04 +mw +ma +me
吊装质量：mmin= m01+ 0.2m02 +m03 +m04 +ma +me
2.地震载荷
（1）.水平地震力
任一段集中质量mk所引起的基本振型水平地震力为：
Fk=CZα1ηk mkg N
式中CZ——结构综合影响系数，圆筒形直立设备取0.5；
α1 ——对应于设备基本自振周期T1的地震影响系数；
ηk——基本振型参与系数
mk——任一段（第k段）塔体的操作质量。
（2）.垂直地震力
地震烈度为8度或9度地区的塔设备考虑垂直地震力。
垂直地震力的作用点：塔器底截面。
计算式：Fv=αvmax·meq．g
式中αvmax——垂直地震影响系数最大值，取0.6 αmax 。
meq——塔器的当量质量，取0.75m0 。
（3）.地震弯距
悬臂梁的弯矩：
任一质点mk对塔底(0-0截面）的弯矩为：
所有质点（k=1,2,……n)对塔底截面的弯矩和为：
对于等直径、等壁厚塔器的底截面地震弯矩为：
3.风载荷
（1）.力学模型的简化：
塔的迎风面受到风压载荷，并随高度而增加。
将风压按塔的高度离散，任一计算段的风载荷，就假定是集中作用在该段中点的风压合力：
（2）.风载荷的计算
影响风载荷的因素：
· 所在地区的基本风压值q0(距地面10米高处的风压）；
· 塔器高度、直径、截面形状以及自振周期。
任一计算段的水平风力为：
式中K1——塔体形状系数；
K2——风振系数（与塔自振周期有关）；
qo——10米塔高处的基本风压值；
fi——风压高度变化系数；
li——计算段的高度；
Dei——该计算段的 有效直径。
（3）.风弯矩计算
风载荷对基底截面的弯矩：
4.偏心载荷
塔设备顶部悬挂有分离器、冷凝器等附属设备，其重力对塔体产生偏心载荷。
偏心载荷引起的弯矩：Me=meg·e
5.介质压力载荷——设计压力p；水压试验时的液柱压力。
二.自支撑式塔设备塔体壁厚的确定方法
1.塔设备的危险截面：
0-0截面——基底；
1-1截面——人孔截面；
2-2截面——塔体与裙座连接焊缝截面。
位于塔体上的危险截面—— 2-2截面。
2. 塔体应力组合（2-2截面）
组合轴向应力的构成：
· σ1——介质压力引起的轴向应力；
· σ2——塔体自重引起的轴向应力；
· σ3——塔体所受弯矩引起的轴向应力。
3.塔体壁厚的确定方法
（1）依据内压容器或外压容器壁厚设计方法确定塔体有效壁厚Se1。
（2）塔体稳定验算。根据（1）假定一有效壁厚Se2。
● 计算压力引起的轴向应力：
自重载荷及垂直地震力引起的轴向应力：
弯矩在塔体中引起的轴向应力
稳定条件：
组合轴向压应力要满足：
（3）塔体拉应力验算
依前述，假设一有效壁厚Se3。
计算σ1,σ2,σ3，并进行组合，满足如下强度条件：
（4）水压试验应力验算
确定塔壳体试验压力引起的环向应力和轴向应力，验算是否满足强度条件和稳定条件。
由试验压力引起的环向应力：
水压试验组合轴向应力的确定：
由试验压力引起的轴向应力：
由液压试验时重力引起的轴向应力：
由弯矩引起的轴向应力：
液压试验时的强度和稳定性判据：
式中K——载荷组合系数，取K=1.2;
[σ]cr——许用轴向压应力，
塔体壁厚确定方法：
(1)根据内(外)计算压力,确定容器设计计算壁厚，确定一有效壁厚Se1;
(2)参照Se1，进行稳定性验算，确定一有效壁厚Se2;
(3)参照Se2，进行塔体拉应力验算，确定一有效壁厚Se3;
(4)取Se1、 Se2 、Se3中较大者，加上壁厚附加量，并考虑安装运输等对刚度的要求，最终确定塔体壁厚；
(5)水压试验验算。
三 裙座设计
（一） 裙座结构
四个部分：
1.座体---承受并传递塔体载荷。
2.基础环---将载荷传递到基础上。
3.螺栓座---固定塔于基础上。
4.管孔---人孔、排气孔、引出管孔。
二）.裙座的设计方法
1.座体设计：
（1）按塔体壁厚设定一有效壁厚Ses。
（2）验算裙座危险截面的强度和稳定性。
危险截面为基底截面（0-0）和人孔截面（1-1）。
2.基础环设计
基础环结构：
基础环厚度的确定方法：
将座体载荷转化为基础对基础环的均布载荷，计算弯矩载荷，再确定板厚。 |
教案首页
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课程名称 |
化工设备机械基础 |
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项 目 |
第八章 |
课题 |
搅拌设备 |
课型 |
理论课 |
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授课班级 |
13级应用化工班 |
授课
时间 |
11月13~11月27日 |
课
时 |
10课时 |
授课教师 |
乔曼 |
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学习目标 |
专业能力 |
（1）典型搅拌式设备的选型
（2）搅拌式反应釜的基本结构
（3）搅拌器的使用条件
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核心能力 |
搅拌器的机械设计 |
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教学方法 |
教学媒体—板书一体化教学、分析讨论法、讲授法、演示法、比较法等 |
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教学回顾 |
通过上一章课的学习学生基本掌握了换热设备及其机械设计基础相关知识原理，为本章节的学习奠定了基础。 |
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教研室主任审签： 年 月 日
教学环节 |
教学过程（教学内容和教学方法） |
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教学过程：
一、 回顾--温故知新
以PPT呈示一些常见的搅拌设备，以提高学生对本节课的学习兴趣。
二、观察--思考讨论
引出上一章节塔设备的基本内容，让学生结合之前所学知识联想到与本节课的联系，提高学生的学习讨论积极性。
三、探索--接收新知
搅拌器的机械设计
1 概述
结构：
2 搅拌器的型式及选型
搅拌器适用条件
3 搅拌器的功率
3.1 搅拌器功率和搅拌器作业功率
搅拌器功率：对液体作功使之流动，并连续运转所需功率。
搅拌器作业功率：使搅拌槽中的液体以最佳方式完成搅拌过程所需要的功率。
3.2 影响搅拌器功率的因素
· 搅拌器的几何参数和运转参数；
· 搅拌槽的几何参数；
· 介质的物性参数。
4 搅拌罐结构设计
1.罐体的长径比
主要因素：搅拌功率；传热；物料搅拌反应特性。
（1）长径比对搅拌功率的影响
在固定转速下，搅拌功率∝浆叶直径的5次方。
——长径比应选得大一些。
（2）长径比对传热的影响
要考虑：传热面积；物料的温度梯度。
（3）物料特性对长径比的要求
几种搅拌罐的H/D值：
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种类 |
设备内物料类型 |
H/Di |
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一般搅拌罐 |
液-固相或液-液相物料 |
1~1.3 |
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气-液相物料 |
1~2 |
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发酵罐类 |
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1.7~2.5 |
2.搅拌罐装料量
(1)装料系数η
盛装物料的容积=η*罐体全容积
Η取值：一般取0.6~0.85
· 物料反应时有泡沫——0.6~0.7；
· 物料黏度较大或运作平稳——0.8~0.85。
（2）确定筒体直径和高度
V0 ——封头容积
5 传动装置及搅拌轴
5.1 传动装置
· 包括：电动机，减速装置，联轴节，搅拌轴。
· 轴承的布置：
（1）设在支架内；
（2）设在设备底部，承受径向载荷，轴向载荷由减速机或电机承受；
（3）设在密封函处，主要控制摆动量，保证密封运转正常。
5.2 轴的计算
1.轴的强度计算
——轴承受扭转+弯曲的联合作用。
载荷：扭矩+弯矩，以扭矩为主。
扭转强度条件：
许用剪应力[τ]=（0.5~0.6）[σ]
考虑到弯曲作用和动载荷性质， [τ]k 常规定的较低。Q235-A轴，取12~20MPa。
2.轴的刚度计算
目的：避免过大扭转变形，保护轴封。
刚度条件：
1）精密稳定传动，取0.25~0.5°/m ;
2) 一般传动，取0.5~1 °/m ；
3) 精度要求低的传动，取＞1 °/m 。
6 轴封
常用形式：填料密封，机械密封，迷宫密封，浮动环密封等。
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