化工设备机械基础(设备部分)教案.doc

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-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、检修清理方法等各种因素。

2．安全因素——是换热器选型时最主要因素。

包括强度、刚度足够，结构可靠，满足密封要求，材料与介质相容。

（例温差应力的考虑、密封性的考虑等）

3．能完成工艺要求——有足够的传热面积、介质有良好的有利于传热的流动状态，经济上较合理。

（例能否用U形管，管、壳程的清洗，是否分程，介质的黏度对流动的影响，是否须可拆结构等）

4．利于制造、安装和维修——制造较简单、运行性能良好、运行费用低等。

二、选型的一般原则

温差不大、壳程介质结垢不严重、壳程能采用化学清洗时，选用固定管板式换热器。

温差较大时，可选用浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器和滑动管板式换热器。

要对壳程进行机械清洗时，可选用管束可可抽出的结构。

高温高压时，可选用U形管式换热器。

壳程介质为易燃、易爆、有毒或易挥发，以及使用压力、温度较高时，不宜采用填料函式换热器。

管程介质和壳程介质不允许相混时，可采用双管板结构的换热器。

（讲述过程中举例具体说明）

第五节管壳式换热器的设计内容

管壳式换热器的设计包括下面五个方面的内容，这五方面相互交叉，不断调整。

一、结构设计：

根据设计任务选择换热器的形式，初定出结构尺寸。

（如管子外径、长度、筒体外径等）

二、热力计算：

计算所需的传热面积，调整尺寸使结构设计的传热面积大致等于计算的传热面积。

三、流体阻力计算：

计算阻力降，保证阻力降在允许范围内。

（压力将一般根据整个工艺流程确定）

四、强度、刚度和稳定性设计：

壳体直径的确定和壳体壁厚的计算。

换热器封头的选择及厚度计算。

管板强度计算及尺寸的确定。

（含温差应力计算）

管子拉脱力的计算。

支座的计算。

（包括卧式与立式支座计算）

开孔补强计算等。

五、绘图：

根据计算结果具体确定各种零部件的结构及一些标准件的选取，（如容器法兰、折流板与支持板、拉杆与定距管等）然后绘制结构设计图和施工图。

（简单介绍设计图中主要内容：

技术要求、技术特性表、管口表、明细栏、标题栏、结构图、节点图、图纸目录等）

第一章概述练习题

一、选择题

1、中压容器的设计压力范围P为：

（）

（a）P≥10MPa（b）1.6≤P＜10MPa（c）10≤P＜100MPa（d）根据容器的型式而定

2、容器标准化的基本参数有：

（）

（a）公称压力PN（b）公称直径DN（c）内径（d）外径

3、对于用钢板卷制的圆柱形筒体，其公称直径是指：

（）

（a）内径（b）外径（c）中径（d）介于内径和外径中间的某一值

4、下列哪一种换热器在温差较大时可能需要设置温差补偿装置（）

（a）填料函式换热器（b）U形管式换热器（c）浮头式换热器（d）固定管板式换热器

5、管壳式换热器属于下列哪种类型的换热器（）

（a）混合式换热器（b）间壁式换热器（c）蓄热式换热器（d）板面式换热器

6、U形管换热器的公称长度是指：

（）

（a）U形管的抻开长度（b）U形管的直管段长度（c）壳体的长度（d）换热器的总长度

7、请根据给定条件，选择一种形式的换热器。

高温高压介质且温差较大，壳程介质为有毒的易挥发性物质，对壳程需要进行清洗。

（）

（a）固定管板式换热器（b）填料函式换热器（c）U形管式换热器（d）浮头式换热器

8、有某型号为：

的换热器，其中的1000为（）

（a）公称换热面积（b）换热器的公称长度（c）换热器公称直径（d）管程压力为1000Kg/m2

二、填空题

1、管壳式换热器的主要元件有：

、、、、等。

2、按压力容器在生产工艺过程中的作用原理,可以将压力容器分为：

、、、。

3、压力容器按监察要求可分为：

、和。

三、是非题

1、管程数是指换热管的根数，一般为奇数。

（）

2、法兰的公称直径是指法兰的外径。

（）

3、换热器选型时首先要考虑的因素是安全性。

（）

四、问答题

1．管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为哪几类换热器？

2、换热器的强度、刚度和稳定性计算包括哪些内容？

答案：

一、选择题：

1B；2A、B；3A；4D；5B；6B；7D；8C。

二、填空题：

1、壳体、管箱、管板、管束、折流板与支持板、接口管、支座等

2、反应压力容器、换热压力容、分离压力容、储存压力容器

3、I、II、III类压力容器

三、是非题：

1错；2错；3对。

四、问答题：

1、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。

2、

（1）壳体直径的确定和壳体壁厚的计算

（2）换热器封头、容器法兰的选择

（3）管板尺寸的确定

（4）管子拉脱力的计算

（5）折流板的选择与计算

（5）温差应力的计算

（7）接管、接管法兰及开孔补强的计算等。

第四章管壳式换热器结构设计

第一节管板

一、管板的作用及重要性

作用：

1．排布换热管　

2.与管箱隔板配合分隔管程空间

3.与壳程隔板配合分隔壳程空间

4.避免冷热流体混合

重要性：

其重量在整台换热器重量中占有较大比例，也是换热器最重要的部件之一。

因此，管板的强度计算及结构设计相当重要，其准确性与否及是否合理直接

影响整台换热器的安全、成本及产品质量。

二、管板的形式

管板有四种常见的结构形式，即平管板、薄管板、椭圆形管板及双管板。

1、平管板

平管板是最常见的一种管板形式，有兼作法兰和不兼作法兰两种。

一般由普通碳钢板、不锈钢板制造，当介质具有腐蚀性时可用复合钢板制造。

（以较薄的复合层抵抗腐蚀，一般为不锈钢、Ni、Ti等；以较厚的普通钢板承受介质压力）

复合钢板制造方法：

轧制复合钢板法、堆焊法、塞焊法、焊管复合法等。

（均简要讲解）

2、薄管板

由于机械应力与温差应力相互矛盾，因此希望在满足强度条件下管板越薄越好（温差应力小）。

德国AD规范按固定支撑假设认为换热管为纲性支撑，计算得到的板厚较薄，一般小于15mm.其主要载荷由管壁和壳壁温差决定。

3、椭圆形管板

结构：

类似于椭圆形封头，即半个椭球壳，而不是椭圆形平板。

是在薄管板基础上研发

的新型管板。

单各换热管长短不一，设计、制造上要复杂于平管板。

一般用于高

温差情况。

优点：

受力比平板好许多，因此可做得很薄，利于降低温差应力。

4、双管板

应用于工艺条件要求绝对不允许冷热流体互相接触，普通管板难以满足这一条件的场合。

（即便管子与壳程连接处泄漏，壳程介质不会污染管程介质）

双管板保持合适间距的原因：

双管板孔错位及双管板温差均会在管束上引起弯曲应力和剪切应力，通过设置一定的间距，可使弯曲应力和剪切应力限定在许可范围之内。

（要求理解间距公式各符号含义）

总结：

现设计中一般采用平管板，椭圆形管板（包括蝶形管板）双管板应用于有特殊要

求的场合，而薄管板我国一般不采用。

（按GB151-98设计）

三、管板的结构

管板的结构包括：

管板上开孔的位置、分程隔板槽的位置、密封面的设计等。

1、开孔位置

开孔种类：

换热管孔、拉杆孔、螺栓孔（兼作法兰）

Ⅰ换热管孔布置：

常见的四种排列方式：

三角形排列、转角三角形排列、正方形排列、转角正方形排列。

中心距要求：

为保证胀管时管板的刚度且便于管子与管板的焊接，同时便于清洁管程空间，要求两管中心距应大于等于1.25倍的换热管外径。

（说明：

表4-1为推荐中心距，实际设计可取S大于表中推荐值。

而管孔直径按表4-4～4-9查取。

其偏差级别不允许超过表中规定）

布管范围：

应排布在布管限定园内，即最外层换热管表面至管板中心距不得超过布管限定园半径。

（按图4-10介绍式4-3、4-4的意义，强调换热管外表面在Di范围内）

Ⅱ拉杆孔的布置：

拉杆孔位置根据拉杆位置确定，一般应均匀布置于管束的外边缘。

拉杆与管板焊接时，拉杆孔深等于孔直径；螺纹连接时，螺纹深度为螺纹孔直径的1.5倍。

Ⅲ螺栓孔的布置：

管板上开螺栓孔的位置、数量、直径应与相连接的法兰上开的螺栓孔一致。

2、分程隔板槽的布置

管程：

分程数量为偶数，分程时应注意使各管程的换热管数大致相等，隔板槽形状简单、密封面长度较短，程数不宜过多。

分程隔板槽根据分程布置图设置，隔板槽密封面应与管板外边缘密封面处在同一水平高度上，槽宽一般比与其相联接的隔板厚度大2mm。

（按图4-13简单介绍4-6管程流体走向）

壳程：

壳程分程不常见，多用折流板起分程隔板作用。

3．密封面的设计：

管板密封面的形式应与之相配合的法兰密封面相配，其常设计为带有凸肩的结构，以减少密封面的加工面积，节省工时。

四、管板与壳体、管箱的连接（按图4-16、4-17介绍各种结构）

1．焊接结构：

兼作法兰和不兼作法兰两种

2．不兼作法兰：

安图4-16介绍各种连接结构，注意焊接开坡口。

3．兼作法兰：

筒体与管板的端面（凹槽或凸台）进行焊接。

如图4-17所示。

注意焊接开坡口和边缘应力）

4．法兰连接结构：

固定管板式换热器中，兼作法兰的管板与管箱的连接基本采用法兰连接。

如图4-18所示。

而U形管式、浮头式、填料函式换热器的管束通常为可拆结构，故管板与壳体、管箱一般采用法兰连接。

如图4-19所示。

第二节管束

一、管子的排列

换热管常用的四种排列方式前面已提到。

对于U形管存在最小弯曲半径问题，一般Rmin不小于2d0，一般采用对称于分程隔板布置，但有时为了增加布管数U形管与分程隔板成一定的倾斜角度，如图4-20所示布置。

换热管层数过多会影响直管段的长度。

（根据图4-20具体讲述）

管子的长度

长度越长，单位传热面积材料消耗量越低，制造成本也就越低，同时因流通截面减少而提高流速，K值增大。

但其长度受到管程清洗、运输、拆装、管程压降及支座等因素的影响。

一般长度限制在6m一下，以2.5m~4m最为常见。

（针对各条讲述管长过大的弊端，尤其是对可拆结构需有足够大的空间）

二、管束安装转角

当壳程为气体冷凝时，为减少液膜在列管上的包角及液膜厚度，管束装配时应偏转一定角度，因液膜包盖换热管，降低传热效果。

注意管板上排液、排气孔的位置。

三、管子与管板的连接（重点）

换热管与管板的连接必须考虑强度和密封性两方面的要求。

常用的连接方法有三种：

胀接、焊接、胀焊并用。

1．胀接

ⅰ适用范围（各国要求不同，我国以GB151为准）

GB151-1999中规定强度胀接的应用范围为：

设计压力小于等于4MPa；设计温度小于等于300℃；操作中无剧烈振动，无过大温度变化及明显的应力腐蚀。

ⅱ胀接方法

常用方法为机械滚胀法，此外还有爆破胀接发、液压胀管法、液袋胀管法等。

（讲解机械滚胀法。

强调管子发生塑性变形而管板发生弹性变形，故不能用于高温，其他方法一带而过，用制造方法回应适用范围）

机械滚胀法优点：

耐反复热循环、抗热冲击及轴向力、更换修补容易、无缝有缝均适用、操作简单成本低。

机械滚胀法缺点：

不易控制胀度；各管胀度不均匀；管板易变形；可胀性差的管子易产生胀接裂纹；内壁面产生加工硬化。