化工设备的计算分解.docx

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化工设备的计算分解

一般化工和设备的

设计及其计算

编辑：

二00四年＋月＋八日

目录

1、目录-----------------------------------------------2

2、筒体和封头设计的参数选择---------------------------3

（一）、设计压力P---------------------------------3

（二）、设计温度T---------------------------------3

（三）、许用应力[σ]和安全系数n-------------------4

（四）、焊接接头系数----------------------------6

（五）、壁厚附加量C------------------------------7

（六）、直径系列与钢板厚度-------------------------7

（七）、最小壁厚-----------------------------------8

3、筒体与封头的设计及计算-----------------------------9

（一）、受内压薄壁园筒的计算公式-------------------9

（二）、半球形封头的计算公式（凹面受压）----------11

（三）、椭圆形封头的壁厚计算----------------------11

（四）、锥形封头的壁厚计算------------------------13

（五）、平板封头的壁厚计算------------------------13

4、化工计算公式及举例--------------------------------16

（一）、热位移和热--------------------------------16

（二）、热应力产生的轴向推力----------------------16

（三）、流体管径的计算----------------------------17

（四）、流体管子壁厚计算--------------------------18

（五）、泵的功率和效率计算------------------------19

5、传热学的有关公式及举例----------------------------21

（一）、热量衡算----------------------------------21

（二）、传热方程式--------------------------------26

（三）、传热温度差--------------------------------27

（四）、导热方程式和导热系数----------------------30

（五）、给热方程式和给热系数----------------------34

（六）、传热系数----------------------------------40

（七）、污垢热阻----------------------------------48

（八）、管路与设备的热损失和热绝缘----------------50

（九）、加热、冷却和冷凝--------------------------54

（＋）、蒸发--------------------------------------64

6、有关参数------------------------------------------75

一般化工设备计算公式及举例

筒体和封头设计的参数选择

一、设计压力P

设计压力是容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于正常工作情况下容器顶部可能达到的最高压力。

在相应设计温度下，确定容器壳壁计算厚度及其它元件尺寸时，还需要考虑液柱的静压、重量、风载荷、地震、温差及附件重量等等载荷，因此必须结合具体情况进行分析。

用于强度计算的压力称计算压力。

设计压力的取值如下：

P-----设计压力Pw-----工作压力

1、装有安全泄放装置：

P＝1.05～1.10Pw

2、外压容器：

P＝可取略大于可能产生的内外压力差

3、真空容器：

P＝

（1）无安全控制装置取0.1MPa

（2）装备安全控制装置取1.25倍的最大内外压力差或0.1MPa两者中的较小值

4、装有液化气体容器：

P＝根据容器可能达到的最高温度来确定（设置在地面的容器可按不低于40℃时的气体压力来考虑）

4、装有爆炸性介质并装有爆破片的容器：

P=取爆破片计算爆破压力加上爆破片制造范围的上限

二、设计温度T

设计温度系指容器在工作过程中在相应的工作压力下壳壁元件

金属可能达到的最高或最低温度。

容器的壁温可以由实验或由化工传热过程计算确定，若无法预计壁温，可参照下列设计决定温度：

1、不被加热或冷却的器壁，壁外无保温：

T＝取介质的最高或最低温度

2、用蒸汽、热水或其它液体介质加热或冷却的器壁：

T＝取加热介质的最高温度或冷却介质的最低温度。

3、用可燃气体加热或用电加热的器壁：

T＝器壁裸露在大气中取t介＋20℃，直接受影响器壁取介质温度t介＋50℃，载热体温度超过600℃取≥t介＋100℃。

设计温度不低于250℃。

三、许用应力[σ]和安全系数n

材料的许用应力是以材料的极限应力为依据，并选择合理的安全系数后而得，即：

[σ]＝极限应力/安全系数

对于低碳钢一类的塑性材料制的容器，采用屈服强度σs作为计算许用压力的极限应力，但在实际应用中还常常用强度极限σh作为极限应力来计算。

当碳素钢或低合金钢的温度超过420℃，低合金铬钼钢超过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃的情况下，必须同时考虑蠕变极限来确定许用应力。

对于化工容器常以在一定温度下经过10万小时产生1％变形时的应力定为材料在该温度下的蠕变极限，σnt表示。

这时的蠕变速度为1％/105＝10-7mm/（mm.h）。

对于同一材料在同一温度下，蠕变速度不同，则蠕变极限也不同。

目前确定许用应力的极限应力值比较多的是采用持久极限来代替蠕变极限。

这是因为对于蠕变只规定了蠕变速度，设计的容器在使用过程中会不断伸长，材料在高温下的延伸率较常温时小得多，往往在小变形情况下就发生断裂。

所以只有当无持久极限数据时，才按蠕变极限来计算。

持久极限是在某一温度条件下，达到额定时间（一般为10万小时）材料产生断裂时的应力，以σDt

表示。

综上所述，对于钢制压力容器，许用应力取下列中的最小值：

[σ]＝σb/nb

[σ]＝σs（σ0.2）/ns

[σ]＝σts（σt0.2）/ns

[σ]＝σtD/nD或[σ]＝σtn/nn

式中：

nb，ns，nD，nn为相应的安全系数。

目前，GB150对中低压容器所取的安全系数如下：

⑴对常温下的最低抗拉强度σb取安全系数nb≥3

⑵对常温或设计温度下的最低屈服点σs或σts，

（σ0.2）或σts（σt0.2）取安全系数

①对碳素钢，低合金钢ns≥1.6

②对高合金钢ns≥1.5

⑶对设计温度下的持久强度（经过10万小时断裂）

σtD平均值取安全系数nD≥1.5

⑷对设计温度下的蠕变极限σtn（在10万小时下蠕变率为1％）取安全系数nn≥1.5

以上安全系数对碳素钢，低合金钢，高合金钢均适用。

[σ]-----许用应力，对于普通钢材以强度极限为计算基础的安全系数nb＝4，屈强比在70％以上的钢材，以屈服极限为计算基础的安全系数ns＝2.5。

目前常用钢材的最低许用应力举例如下：

⑴、Q235

[σ]=σb/nb＝375/3＝125.0MPa

⑵、16Mn

[σ]=σb/nb＝510/3＝170.0MPa

⑶、0Cr19Ni9（304）

[σ]=σb/nb＝520/3＝173.4MPa

⑷、1Cr18Ni9Ti（321）

[σ]=σb/nb＝540/3＝180.0MPa

⑸、0Cr17Ni12Mo2（316）

[σ]=σb/nb＝520/3＝173.4MPa

⑹、00Cr17Ni14Mo2（316L）

[σ]=σb/nb＝520/3＝173.4MPa

[σ]-----许用应力在工程计算中取安全系数nb＝4上列各式计算如下：

⑴、Q235

[σ]=σb/nb＝375/4＝93.75MPa

⑵、16Mn

[σ]=σb/nb＝510/4＝127.5MPa

⑶、0Cr19Ni9（304）

[σ]=σb/nb＝520/4＝130.0MPa

⑷、1Cr18Ni9Ti（321）

[σ]=σb/nb＝540/4＝135.0MPa

⑸、0Cr17Ni12Mo2（316）

[σ]=σb/nb＝520/4＝130.0MPa

⑹、00Cr17Ni14Mo2（316L）

[σ]=σb/nb＝520/4＝130.0MPa

四、焊接接头系数

焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。

焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构钢性约束造成焊接内应力过大。

焊接区强度主要决定于熔焊金属，焊缝结构和施焊质量。

因此在设计时应考虑母材的可焊性与焊接件的结构，选择适当的焊条和焊接工艺，而后按焊接接头型式和焊缝的无损探伤检验要求，选取焊接接头系数。

推荐的焊接接头系数如下：

⑴、双面焊的对接焊缝：

①100％无损探伤＝1.0

②局部无损探伤＝0.85

⑵、单面焊的对接焊缝：

①100％无损探伤＝0.9

②局部无损探伤＝0.8

⑶、双面焊的对接焊缝：

无无损探伤＝0.8

⑷、单面焊的对接焊缝：

无无损探伤＝0.6

五、壁厚附加量C

容器壁厚附加量主要考虑介质的腐蚀裕度C2和钢板的负偏

差C1即：

C＝C1＋C2

1、腐蚀裕度

腐蚀裕度由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命决定。

C2＝KsB

Ks为腐蚀速率（mm/a），查材料腐蚀手册或由实验确定。

B为容器的设计寿命，通常为10～15年。

当材料的腐蚀速度为0.05～0.1mm/a时，考虑单面腐蚀取

C2＝1～2mm；双面腐蚀取C2＝2～4mm。

当材料的Ks＜0.05mm/a，考虑单面腐蚀取C2＝1mm；双面腐蚀取C2＝2mm。

对不锈钢，当介质的腐蚀性极微时取C2＝0。

2、钢板负偏差

钢板厚度的负偏差如下：

钢板厚度：

2.52.8～33.2～3.54.5～5.56～78～25

负偏差：

0.20.220.250.30.50.6

设计一般可取C1＝0.5～1.0mm

六、直径系列与钢板厚度

压力容器的直径由生产需要确定，当必须考虑标准化的系列

尺寸。

常用内径系列如下：

300400500600700800900100012001400

16001800200022002400280030003200

3400360038004000

括号内的尺寸一般不考虑：

（3504505506501100

15001700190021002300）

1501

钢板厚度应符合冶金产品的标准。

热轧钢板的厚度尺寸：

4～6mm，每档间隔0.5mm；6～30mm，每档间隔1.0mm；

30～60mm，每档间隔2.0mm。

七、最小壁厚

容器壁厚除了满足强度条件外，还必须满足容器的钢性要求，

容器不包括腐蚀裕量的最小壁厚规定如下：

1、对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于3mm。

2、对于不锈钢容器，最小厚度不小于2mm。

在实际设计中，直径≥1000mm时，根据经验取：

1、对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于4mm。

2、对于不锈钢容器，最小厚度不小于3mm。

真空容器在实际设计中，直径≥1000mm时，根据经验取：

3、对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于6mm。

4、对于不锈钢容器，最小厚度不小于4mm。

八、味精厂设备容器及管道焊接材料（用于电弧焊）

（1）、碳钢之间，J422（J－结）；

（2）、不锈钢之间，A132（A－奥），（用于304、321、316等）

（3）、碳钢与不锈钢之间，A302。

九、设备按压力高低，划分为四个压力等级：

（1）、低压------0.1MPa≤P≤1.6MPa；（味精厂一般为低压容器）

（2）、中压------1.6～10.0MPa；（液氨储槽，高中压锅炉）

（3）、高压------10.0～100.0MPa；（化肥厂，化工厂，等）

（4）、超高压----≥100.0MPa。

＋、容器分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，味精厂一般为Ⅰ、Ⅱ类容器。

有关标准为：

JB/T4735-1997《钢制焊接常压容器》；JB4731-98《钢制卧式容器》；GB150-89，GB150-1998《钢制压力容器》等标准。

筒体与封头的设计及计算

一、受内压薄壁园筒的壁厚计算公式

一般由化工工艺条件确定的园筒设备设计壁厚公式如下：

　　　　　　Sｃ＝PDｉ/（2[σ]t-P）＋C2

　　式中：

Sｃ——计算壁厚，ｍｍ

P——设计压力，MPａ

Dｉ——园筒的内径，ｍｍ

[σ]t——设计温度下园筒材料的许用应力，MPａ

——焊接接头系数或许用应力折减系数，＜1

C2——腐蚀裕量，ｍｍ

为使上式严格用于薄壁园筒，GB150将它限于P≤0.4[σ]t，

即相当于将园筒径比K值限在一定范围内，以符合薄壁的假设前提。

例1：

某化工塔φ4000ｍｍ、　H＝10000、　P=0.6MPａ、　材料Q235B、腐蚀速率0.05～0.1ｍｍ、　双面腐蚀、　双面焊接的局部无损探伤、操作温度160℃。

　求该设备的壁厚？

解：

已知P=0.6MPａ，Dｉ＝4000ｍｍ，[σ]t＝94MPａ，＝0.85

　　C2＝4ｍｍ

　　　　　　　　Sｃ＝PDｉ/（2[σ]t-P）＋C2

　＝0.6×4000/（2×94×0.85-0.6）＋4

＝15.08＋4＝19.08≈20ｍｍ

例2：

某化工塔φ4000ｍｍ、　H＝10000、　P=0.6MPａ、　材料1Cr18Ni9Ti、腐蚀速率0.05ｍｍ、　双面腐蚀、　双面焊接的局部无损探伤、操作温度160℃。

　求该设备的壁厚？

解：

已知P=0.6MPａ，Dｉ＝4000ｍｍ，[σ]t＝135MPａ，＝0.85

　　C2＝2ｍｍ

　　　　　　　　Sｃ＝PDｉ/（2[σ]t-P）＋C2

　＝0.6×4000/（2×135×0.85-0.6）＋2

＝10.5＋2＝12.5≈13ｍｍ

例3：

硫酸储槽φ6000×7200，浓度98％，比重1.3，碳素钢　　　　　Q235B，双面腐蚀，双面焊接的局部无损探伤，腐蚀速率0.05　　～0.1ｍｍ。

求该设备壁厚？

解：

已知P=0.1MPａ（静压7.2×1.3＝9.36M≈10M水柱），Dｉ＝6000ｍｍ，[σ]t＝94MPａ，＝0.85

　　C1＝1，C2＝4ｍｍ

　　　　　　　　Sｃ＝PDｉ/（2[σ]t-P）＋C1＋C2

　　＝0.1×6000/（2×94×0.85-0.1）＋1＋4

＝3.75＋1＋4＝4＋1＋4＝9ｍｍ

注：

根据经验确定，对碳素钢和低合金钢的钢性要求，在φ≥1000mm取最小壁厚≥4ｍｍ，故计算壁厚3.75ｍｍ取4ｍｍ。

例4：

热水储槽φ6000×7200，不锈钢304，双面腐蚀，双面焊接的局部无损探伤，腐蚀速率0.05ｍｍ。

求该设备的壁厚？

解：

已知P=0.1MPａ（静压7.2×1.0＝7.2M≈10M水柱），Dｉ＝6000ｍｍ，[σ]t＝130MPａ，＝0.85

　　C1＝1，C2＝2ｍｍ

　　　　　　　　Sｃ＝PDｉ/（2[σ]t-P）＋C1＋C2

＝0.1×6000/（2×130×0.85-0.1）＋1＋2

＝2.72＋1＋2＝3＋1＋2＝6mm

注：

根据经验确定，对不锈钢（304）的钢性要求，在φ≥1000mm取最小壁厚≥3ｍｍ，故计算壁厚2.75ｍｍ取3ｍｍ。

二、半球形封头的壁厚计算（凹面受压）

　　　　　　　　　PDi

　　　　　Sc=——————＋C2

　　　　　　　4[σ]t-P

为使式严格用于薄壁球壳，GB150将它限于P≤0.6[σ]t,即相当于将球壳径比K值限在一定范围内，以符合薄壁的假设前提。

例1：

半球形封头φ2000，材料Q235B，双面焊接的局部无损探伤，双面腐蚀，求半球形封头的壁厚？

解：

Sc＝0.6×2000/（4×125×0.85-0.6）＋4＝6.83≈7ｍｍ

三、椭圆形封头的壁厚计算

（一）、凹面受压的计算公式

　　　　　　　　　　　KPDi

　　　　　　Sc=————————＋C2

　　　　　　　　　2[σ]t-0.5P

其中：

K=1/6[2＋（Di/2hi）2],hi为封头不包括直边段在内的曲面深度。

　　显然，对于a/b=Di/2hi=2的标准椭圆形封头，K＝1.0。

随着a/b值的增大，系数K值相应增大。

　从而使封头上的应力分布极不合理，故包括我国容器标准在内的有关规范都限定用于a/b=Di/2hi≤2.6。

例1：

标准封头φ2000，材料Q235B，双面焊接的局部无损探伤，双面腐蚀，P＝0.6MPa。

求椭圆形封头的壁厚？

解：

Sc＝0.6×2000/（2×94×0.85-0.5×0.6）＋4＝7.53＋4

　　　＝11.53≈12ｍｍ

例2：

某台真空设备φ1400，材料316，双面焊接的局部无损探伤，双面腐蚀，P＝0.1MPa。

求椭圆形封头的壁厚？

解：

Sc＝0.1×1400/（2×130×0.85-0.5×0.1）＋2＝0.63＋2

　　　＝4＋2＝6ｍｍ

注：

真空容器在实际设计中，直径≥1000mm时，根据经验取：

1对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于6mm。

2对于不锈钢容器，最小厚度不小于4mm。

（二）、凸面受压的计算公式

K1.4PDi

Sc＝＋C2

2[σ]t-0.5×1.4P

例1、某夹套蒸汽换热器φ内1600mm/φ外1800mm，蒸汽压力P＝0.6MPa，设备内操作压力0.2MPa，材料Q235B,双面腐蚀，标准封头。

求内外封头壁厚？

解：

（1）∴夹套蒸汽压力P＝0.6MPa，在工艺原始开车中内封头实际受外压力等于夹套蒸汽压力0.6MPa，不取内外压力差值P来计算。

∵本设备夹套内封头壁厚按凸面受压的计算公式为：

K1.4PDi1×1.4×0.6×1600

Sc＝＋C2＝＋4

2[σ]t-0.5×1.4P2×94－0.5×1.4×0.6

＝7.16＋4＝11.16≈12mm

（2）本设备夹套外封头壁厚按凹面受压的计算公式为：

1×0.6×1800

Sc＝＋4＝5.76＋4＝9.76≈10mm

2×94－0.5×0.6

四、锥形封头的壁厚计算

　　　　　　　　　　PDi　　　　1

　　　　　　Sc=——————×——＋C2

　　　　　　　　2[σ]t-P　　cosα

式中：

α为半锥顶角，以度为单位。

Di为锥壳大端内直径。

无折边锥形封头适用于α≤30°。

例1：

已知：

Di＝2000mm，α≤30°，材料Q235B,P=0.6MPa，C2＝4

解：

Sc＝0.6×2000/（2×94×0.85-0.6）×1/cos30＋4

＝1200/159.2×1/0.866＋4

＝6.15×1.16＋4

＝7.134＋4

＝11.134≈12mm

五、平板封头的厚度计算

t=Dc×{KP/[σ]t?

｝1/2＋C2

　　式中：

Dｃ封头的计算直径ｍｍ，K结构特性系数，t计算厚度。

园形平盖取　K＝0.44（与园筒角焊或其它焊接）。

例1：

已知φ＝325×8　即Dc＝309ｍｍ，K＝0.44，C2＝2，双面焊接的局部无损探伤，单面腐蚀，P＝0.6MPa，材料Q235B。

求平板封头的壁厚？

解：

　　t=309×｛0.44×0.6/94×0.85｝1/2＋2＝15.4＋2＝17.76

≈18ｍｍ　

例2：

已知一台真空设备Dc=1400ｍｍ若采用平板盖，其它条件同上。

计算厚度为：

t=1400×｛0.44×0.1/94×0.85｝1/2＋2＝32.8＋2＝34.5≈35ｍｍ。

　　根据以上计算此设备不能采用平板封头，可采用标准椭圆形封头。

C1＝1，C2＝2，K＝1。

　　Sc＝1×0.1×1400/（2×94-0.5×0.6）＋2＋1＝0.88＋2＋1　　　＝4＋2＋1＝7ｍｍ　

注：

根据GB150规定，对碳素钢和低合金钢的钢性要求取最小壁厚≥3ｍｍ，故计算壁厚0.88ｍｍ取4ｍｍ。

化工计算公式及举例

一、热位移和热补偿

　　直管段热伸长计算公式：

　　　　　　ΔL＝α1×L×Δt

　　式中：

ΔL-----直管段热伸长　M

α1-----管材在工作温度下ｔ时的线膨胀系数，碳钢一

　　　　般取12.5×10-6M

L------直管段长度M

Δt----供热介质温度t1与管道安装温度t2之差℃，管道

　　　安装温度t2一般取20℃

例1：

某一蒸汽管长60M,过热蒸汽温度260℃。

求该管伸长多小？

解：

ΔL＝12.5×10-6×60×（260-20）＝0.18M=180ｍｍ

在工程计算中，为了选择补偿器，我们可以用简易的方法计算伸长

量。

如上例计算为：

ΔL＝0.0125×60×260＝195ｍｍ

选用轴向补偿量210ｍｍ～240ｍｍ均可。

二、热应力产生的轴向推力

P＝σF＝EΔtF

其中：

P——Pa

E——材料的弹性模数，钢为2.1×1011Pa

　——管材在工作温度下ｔ时的线膨胀系数，碳钢一

　　　般取12.5×10-6M

Δt----供热介质温度t1与管道安装温度t2之差℃，管道

安装温度t2一般取20℃

F——管子的截面积　M2

例1：

某一过热蒸汽管∅530×10，温度260℃。

求轴向推力？

解：

P＝2.1×1011×12.5×10-6×（260-20）×3.14×（0.53÷2）2

　　＝26.25×105×258×0.22＝1490.1×105Pa＝1490.1Kg

注：

管道两端固定，管道受到的拉伸或压缩时，由温度变化而引起的

轴向热应力。

由以上公式可知，热应力与管道长度无关。

特别注意

此点。

三、流体管径计算

Dn＝18.8×（Q/W）1/2

Dn＝594.5×（Gu/W）1/2

其中：

Dn——管道内径　ｍｍ

Q——-介质容积流量　ｍ3/h

W——-介质流速　ｍ/ｓ

G——-介质重量流量　t/h

u——-介质比容　ｍ3/ｋg（与温度有关，在管段中应取平

均值）

例1：

某厂一眼深井出水量80ｍ3/h，问出水管径是多少？

解：

Dn＝18.8×（Q/W）1/2＝18.8×（80/1.5）1/2＝18.8×7.3

　　　＝137.3ｍｍ≈φ159×6ｍｍ

例2：

菱花集团热电厂向菱花集团西分厂送蒸汽80t/h,压力0.5Mpa,

流速W=40ｍ/s。

问