化工设备机械基础(设备部分)教案.doc

化工设备机械基础(设备部分)教案.doc

《化工设备机械基础(设备部分)教案.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工设备机械基础(设备部分)教案.doc（49页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

-CAL-FENGHAI-（2020YEAR-YICAI）_JINGBIAN

化工设备机械基础（设备部分）教案

第一章概述

第一节绪言

一、本课程的任务

了解压力容器的基础知识；掌握压力容器的一般设计方法，重点掌握设计的基本原理与思路。

（说明：

由于工业生产中约10%~40%的设备为换热设备，而换热设备中最为常见、普遍的是管壳式换热器，故在本课程中我们将以管壳式换热器为例，学习压力容器的具体设计方法，包括选择材料、结构设计，受压元件的强度计算，以及设计、制造、检验中的相关要求等。

）

二、本课程的要求

通过这门课程的学习，要求同学们掌握如下的内容：

1、掌握压力容器的类型与总体结构；

2、了解管壳式换热器的形式与总体结构；

3、掌握管壳式换热器的结构设计的相关知识；

4、了解管壳式换热器各元件的强度设计（掌握筒体及封头的设计）；

5、了解管壳式换热器中的振动与防振；

6、了解管壳式换热器的设计以、制造、检验中的相关要求。

第二节化工容器概述

一、压力容器的概念

1．化工设备——工艺过程中静止设备的总称。

2．容器——化工设备外壳的总称。

3．压力容器——承受压力载荷作用的容器。

（由于化工容器几乎都承受压力载荷，通常直接称其为压力容器。

化工容器的特点：

为高温、高压，介质易燃易爆、有毒。

）

二、化工容器的结构组成

化工容器一般由筒体、封头、支座（基本件）、接管、法兰（对外连接件）、人孔、手孔、液面计（附件）以及一些内构件等零部件组成。

1．筒体、封头：

就如同房子四周的墙，它是构成容器空间的主要部件（属主要受压元件）。

壳体按形状的不同，可以分为圆筒壳体、圆锥壳体、球壳体、椭圆壳体、矩形壳体等等。

而封头有椭圆形封头、半球形封头、碟形封头、锥形封头及平板封头等。

2．接管：

是介质进出容器的通道。

3．法兰：

是容器及接管的可拆连接装置，分为设备法兰和管法兰（属主要受压元件）。

4．支座：

是用于支承容器的部件。

5．人孔、手孔：

是为便于制造、检验和维护管理而设置的部件（属主要受压元件）。

6．液面计：

用于观察或监控液位的部件（属安全附件，此外还有安全阀、压力表等）。

三、化工容器的分类

容器的分类方法很多，可以按生产过程中的作用原理分，也可以按容器形状、承压性质、结构材料、设计压力高低及安全监察要求分。

按材料分类：

金属容器、非金属容器、复合材料容器等.

按容器形状分类：

矩形容器、球形容器、圆筒形容器等。

按承压性质分类：

内压容器和外压容器两种。

（1）外压容器是指容器外部压力大于内部压力的情况，特别地，当外压为常压时的外压容器，又称为真空容器。

（2）内压容器是指容器内部的压力大于外部压力的容器。

按设计压力高低分类：

内压容器按其设计压力高低，可分为：

低压容器、中压容器、高压容器、超高压容器

容器分类

设计压力（Mpa）

低压容器

中压容器

高压容器

超高压容器

0.1≤P＜1.6

1.6≤P＜10

10≤P＜100

P≥100

按照在生产过程中的作用原理分类：

反应容器、换热容器、分离容器和储存容器四种

（1）反应容器：

完成介质的物理、化学反应。

如：

合成塔、反应釜、聚合釜、反应器、发生器等。

（2）换热容器：

完成介质的热量交换。

如：

热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、废热锅炉等。

（3）分离容器：

完成介质的压力平衡和气体净化等。

如：

分离器、过滤器、缓冲器、洗涤器、吸收塔等。

（4）储存容器：

盛装生产生活用的原料气体、液体、液化气体等。

如：

各种贮槽、贮罐、高位槽、槽车等。

按安全监察要求分类：

根据容器承受的压力、介质危害程度、P*V乘积及生产过程中的重要性，可以分为：

一、二、三类容器。

（展开讲述）

四、化工容器机械设计的基本要求

容器的设计，包括零部件的机械设计，应该满足下面八个方面的基本要求：

1、强度——元件能抵抗外力破坏的能力；

2、刚度——构件抵抗外力使其不发生变形的能力；

3、稳定性——容器在外力作用下维持其原有形状的能力；

4、耐久性——满足容器的使用年限的要求；

5、密封性——保证安全和维持正常的操作条件；

6、节省材料和便于加工制造；

7、方便操作和便于运输；

8、技术经济指标合理。

五、容器零部件的标准化

所谓标准化，就是为了提高产品的设计制造质量及效率、增加互换性、便于维修、降低成本而人为规定将零部件按参数等级而系列化的行为。

容器标准化的基本参数是：

公称压力PN、公称直径DN。

1、容器的公称直径

对于钢板卷制的筒体和及其封头——内径

对于无缝钢管制作的筒体及其封头——外径

2、法兰的公称直径——是指与它相配的筒体或管子的公称直径。

法兰的公称压力——为法兰的标准化而人为等级化了的压力系列。

（简述标准法兰选取:

类型、密封面、PN与DN、允许最高无冲击工作压力。

）

3、管子的公称直径——是指与管子外径相对应的值.

第三节管壳式换热器的形式和总体结构

一、换热器的分类

换热器是用于将高温流体的热量向低温流体传输的传热设备的总称，它广泛用于石油、化工、电力、食品等工业部门，并且占有相当重要的地位。

换热器的种类划分方法很多，方法也各不相同。

（1）按其用途：

可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器等；

（2）按其传热方式和作用原理：

可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。

其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。

它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表面换热器等。

这其中又以管壳式换热器应用最为广泛，它通过换热管的管壁进行传热。

具有结构简单牢固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点，是目前应用最为广泛的一种换热器。

（在着重介绍管壳式换热器后，简要介绍其他类型换热器：

混合式；蓄热式；板式；管翅式；套管式；螺旋管式等）

二、管壳式换热器的总体结构

1、管壳式换热器的主要元件：

壳体、前后管箱、管板、管束、折流板或支持板、接管、法兰、（包括管法兰与容器法兰）支座及附件等组成。

2、管壳式换热器的总体结构一般由前端管箱、壳体和后端结构三部分组成。

（1）前端管箱——是指有管程入口的那一则的管箱。

（2）后端结构——是指与前端管箱相应的另一则的管箱结构。

（3）壳体——是指处于前端管箱和后端结构之间、由钢管或金属板焊接而构成的筒体。

换热管置于由壳体围成的空间中，两端与管板相连，管板与壳体及管箱相连，把换热器分为两大部分空间，即壳程和管程。

3、管程与壳程

分程的目的：

提高流速以提高传热系数，但程数不宜太多。

管程——换热器中的换热管内及与换热管相通的空间，称为管程。

壳程——换热器中的换热管外及与其相通的空间，称为壳程。

4、管程数与壳程数

管程数——指介质在换热管内沿换热管长度方向往返的次数。

一般为偶数，主要有1、2、4、6、8、10、12等。

壳程数——指介质在壳程内沿壳体轴向往返的次数。

一般为单壳程，最多双壳程。

（说明多折流板不表示多壳程，强调轴向往返次数）

几点说明：

1、不是所有管壳式换热器都有后端管箱，如U形管式换热器则没有后端管箱。

2、多管程换热器在后管箱上无物料进出口。

3、管壳式换热器支座——卧式时为鞍式支座，而立式时为耳座（也可为其他类型，但一般不用）。

4、管箱详细结构第四章介绍。

三、管壳式换热器的形式

（讲述时针对教材中例图重点讲明各种换热器的特点及其原因）

管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等。

1、固定管板式换热器

组成：

管箱、管板、换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管等。

结构特点：

管板与壳体之间采用焊接连接。

两端管板均固定，可以是单管程或多管箱，

管束不可拆，管板可延长兼作法兰。

优点：

结构简单，制造方便，在相同管束情况下其壳体内径最小，管程分程较方便。

缺点：

壳程无法进行机械清洗，壳程检查困难，壳体与管子之间无温差补偿元件时会产生较大的温差应力，即温差较大时需采用膨胀节或波纹管等补偿元件以减小温差应力。

2、浮头式换热器

组成：

管箱、管板、换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管、钩圈、浮头盖等。

结构特点：

一端管板与壳体固定，另一端管板（浮动管板）与壳体之间没有约束，可在壳体内自由浮动。

只能为多管程，布管区域小于固定管板式换热器，管板不能兼作法兰，一般有管束滑道。

优点：

不会产生温差应力，浮头可拆分，管束易于抽出或插入，便于检修和清洗。

缺点：

结构较复杂，操作时浮头盖的密封情况检查困难。

3、U形管式换热器

组成：

管箱、管板、U形换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管等。

结构特点：

只有一个管板和一个管箱，壳体与换热管之间不相连，管束能从壳体中抽出或插入。

只能为多管程，管板不能兼作法兰，一般有管束滑道。

总重轻于固定管板式换热器。

优点：

结构简单，造价较低，不会产生温差应力，外层管清洗方便。

缺点：

管内清洗因管子成U形而较困难，管束内围换热管的更换较困难，管束的固有频率较低易激起振动。

4、填料函式换热器

组成：

管箱、管板、管束、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管、填料函等。

结构特点：

一侧管箱可以滑动，壳体与滑动管箱之间采用填料密封。

管束可抽出，管板不兼作法兰。

优点：

填料函结构较浮头简单，检修清洗方便；无温差应力，（具备浮头式换热器的优点，消除了固定管板式换热器的缺点）。

缺点：

密封性能较差，不适用于易挥发、易燃、易爆和有毒介质。

（简单介绍滑动管板式换热器，它是填料函式换热器的变形。

它把填料函式换热器中的滑动管箱改进为滑动管板，而管箱部分固定。

另外简单介绍双管板结构。

）

5、釜式重沸器

它是固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器壳体的变形，主要是将壳程空间加倍增大，结构上留有一定的蒸发空间。

类似于现在的容积式换热器。

（容积式换热器壳程介质一般为水，用于供暖。

）

四、管壳式换热器的型号表示方法

1、管壳式换热器型号的组成：

X——前端管箱形式代号（如表1-1所示）

Y——壳体形式代号（如表1-1所示）

Z——后端结构形式代号（如表1-1所示）

DN——换热器的公称直径（mm），对卷制圆筒为其内直径，对钢制圆筒为钢管的外径，对釜式重沸器，用分数表示，分子为管箱内径、分母为壳体内径。

Ps、Pt——分别表示管程、壳程设计压力（MPa），当管程壳程压力相等时只写Pt。

A——公称换热面积（m2），是经圆整后的计算换热面积，即以换热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算得到的管束外表面积。

对于U形管，一般不包括弯管段的面积。

LN——换热器的公称长度（m），当换热管为直管时，取直管长度为其公称长度；为U形管时，取U形管直管段长度为换热器的公称长度。

d——换热管的外直径（mm）。

（强调d不是换热管公称直径）

B——当换热管为Al、Cu、Ti管时分别记为Al、Cu、Ti；当换热管为钢制管时，不标记。

NT、NS——分别为管程数和壳程数，单壳程时公标记NT即可。

C——对于钢制换热管，I级管束时为I，II级管束时为II。

I级管束是指采用较高级的高级冷拨管的管束；II级管束是指采用普通冷拨管的管束。

2、管壳式换热器标记示例：

按教材P8简介。

（重点介绍DN、A、LN、C的意义）

第四节管壳式换热器的选型

一、选型时要考虑的因素

换热器的选型，就是根据换热器的结构特点、使用条件、投资与运行费用等综合因素来选择一种相对合理的换热器形式。

在选型前，必须熟悉各种换热器的结构特点、工作特性，根据具体条件做出方案，比较各方案做出最优的选择。

1．选型时要考虑的因素有：

材料、介质、压力、温度、温差、压降、结垢情况、检