化工设备设计全部教案

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。