化工设备设计基础

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1、化工设备设计课程总结报告化工设备设计基础目录第一章、课程结构要点31.1学习的课程要点31.2重点要求掌握的章节内容概述31.2.1工程力学31.2.2化工设备材料31.2.3容器设计41.2.4塔设备4第二章、各章节的主要内容及重难点42.1 工程力学42.1.1物体的受力分析及平衡条件42.1.2力矩与力偶52.1.4直杆的拉伸与压缩72.1.5直梁的弯曲92.1.6剪切102.1.7圆轴的扭转112.1.8压杆的稳定122.2化工设备材料132.2.1概述132.2.2材料的性能132.2.3钢材142.2.4 化工设备的腐蚀及防腐142.3容器设计152.3.1 概述152.3.2容器

2、机械设计的基本要求152.3.3 内压薄壁容器设计162.3.4 外压圆筒设计132.3.5 封头的设计152.3.6 法兰连接和容器支座152.3.7 容器的开孔与附件162.4 塔设备162.4.1 概述162.4.2 板式塔17第三章、学习收获及感想17第一章、课程结构要点1.1学习的课程要点通过学习，我们本课程所学到的重要知识点包括有：工程力学、化工设备材料、容器设计等机械设计基础知识，并以塔设备为例，阐明基本结构、材料选择及计算方法。工程力学重点学习了力学方面的基础知识，主要学习研究构件在外力作用下的变形和破坏规律，为设计构件适当的材料和尺寸，以达到强度、刚度和稳定性要求，使设备满足

3、适用、安全和经济的原则等。化工设备材料主要学习了常用材料的性能及各类材料的特点，学会一些化工设备材料的选择方法。化工容器（特别是薄壁容器）和设备方面，着重学习了内压薄壁容器常见筒体封头的应力计算和强度设计，还有内、外压容器的设计原则，中、低压设计的一般方法，以及容器选配法兰、支座、人孔等零部件及标准件。除此以外，还知道了容器机械设计的基本要求和方法，了解了外压圆筒及容器零部件的强度设计及标准选用，以及设备结构与分类，附件的结构与作用等。塔设备则主要学习了板式塔的结构设计。1.2重点要求掌握的章节内容概述1.2.1工程力学生产中使用的任何机器或设备的构件都应满足适用、安全和经济3个基本要求。为了

4、使机器或设备能安全正常工作，在设计时必须使构件满足三个要求：要有足够的强度要有足够刚度要有足够稳定性1.2.2化工设备材料化学工业是国民经济的基础产业，各种化学生产工艺的要求不尽相同。由于不同的生产条件对设备材料有不同的要求，因此，合理选用材料是设计化工设备的主要环节。例如：对于高温容器，由于钢材在高温的长期条件下，材料组织的力学性能和金属组织都会发生明显变化，加之承受一定的工作压力，因此选材时必须考虑高温条件下材料组织的稳定性。对于承受一定腐蚀介质的压力容器，除了经常处于有腐蚀介质条件下，还可能受到冲击和疲劳载荷的作用，制造中还需经过冷、热加工，所以不仅要考虑不同介质腐蚀的要求，还需要考虑材

5、料的强度、塑性及加工性能等。而对于低温设备材料，则需要重点考虑材料在低温下的脆性断裂问题。1.2.3容器设计 化工生产容器是化工生产中所用的各种设备外部壳体得总称。容器一般由壳体（又称筒体）、封头（又称封盖）、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本章主要讨论承受中、低压容器的壳体、封头的设计计算，介绍常、低压化工设备通用零部件标准及其选用方法。1.2.4塔设备塔设备是在一定条件下，将能达到气液共存状态的混合物实现分离、纯化的单元操作设备。它与化工工艺密不可分，是工艺过程得以实现的载体，直接影响着生产产品的质量和效益。工业生产对塔设备的性能有着

6、严格的要求，有以下几个方面。（1）具有良好的操做稳定性，这是保证正常生产的先决条件。（2）具有较高的生产效率和良好的产品质量，这是设备设计的核心。（3）结构简单，制造费用低。（4）塔设备的寿命、质量与运行安全，一般要求使用寿命在10年以上。第二章、各章节的主要内容及重难点2.1 工程力学2.1.1物体的受力分析及平衡条件力的概念：力是物体之间的相互机械作用。力的两种效应：使物体的运动状态发生改变（外效应）；使物体产生变内效应。力的三要素：力的大小、方向和作用点（线）。 力的表示：力是一个矢量，矢量用黑体字或在白体字上方加一箭头（）。 单位：按照国际单位制，力的单位用“牛顿 (N) ”或“千牛顿

7、（KN）”。力的基本性质：力的成对性：分别作用在两个物体上； 二力平衡条件：刚体只受两个力作用而处于平衡状态，则该二力必大小相等、方向相反，且作用在同一直线上。 力的平行四边形法则和力三角形法则 三力汇交 四边形法则和力三角形法则三力平衡汇交定理：某刚体受三个力作用而处于平衡状态若其中两个力的作用线相交于一点，则第三个力的作用线必交于同一点。2.1.2力矩与力偶（1）力矩的概念 正负表示方向 单位（2）力偶 力偶就是大小相等、方向相反、互相平行的两个力的作用时，他对物体产生的纯转动效应。若用m表示力偶的力偶矩。 （力偶示意图） （力偶示意图）力偶具有3个重要性质: 只要力偶矩的大小及其转向不变

8、，力偶矩的位置可以在其作用平面内任意移动或转动。组成力偶的两个力既不平衡，也不能合成为一个力。组成力偶的两对作用面内任意点的力矩之和等于力偶矩本身。2.1.3约束力和约束反力自由体：在空间能沿任何方向、不受限制的自由运动的物体。非自由体或被约束体：在某些方向上受到限制而不能完全自由运动的物体。约束：限制非自由体运动的物体。约束分类： 柔软体约束： 由绳索、胶带、钢丝绳 等柔性物体产生的约束。（图1） 约束反力的方向：沿着柔软体的中 （图1） 心线且背离被约束的物体。 光滑面约束：一些光滑支承表面(如导轨、托轮等)产生的约束。（图2） （图2）光滑面约束反力的方向：沿着接触点的公法线，并指向被约

9、束的物体。 铰链约束：分为固定铰链支座约束 （图3）（图3a）和活动铰链支座约束。（图3b） （图3） (3) 固定端约束：限制被约束物体既 不能移动，又不能转动。（图4） （图4） 画受力图时注意的问题： 确定研究对象，即首先明确画哪个构件。解除约束，即将研究对象单独画出。先画主动力，再画出约束反力。画约束反力时要充分考虑约束的性质。在画相互制约的各构件的受力图时，要利用相邻构件作用力与反作用力之间的关系。 2.1.4直杆的拉伸与压缩 杆件的五中变形拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转。直杆拉伸或压缩的变形特点：沿着杆件的轴线方向作用一对大小相等、方向相反的外力。当外力背离杆件时称为轴向拉伸，外力指

10、向杆件时称为轴向压缩。(1) 拉伸或压缩时的内力工程力学把构件不受外力作用时的内力看作是零，把外力作用后引起的内力变化量（附加内力）简称内力。（可见：内力与外力相平衡。）内力是一个广义的概念，外力作用形式不同，产生的变形形式也不同。因此，内力可以是一个力，也可以是一个力偶，它们统称为内力。(2) 拉伸或压缩时的应力杆件受拉伸是的内力在横截面上是均匀分布的，它的方向与横截面垂直，这些均匀分布的内力的合力为,如横截面面积为，则作用在单位横截面面积上的内力大小为: 式中称为截面上的正应力，方向垂直横截面。 应力的单位在国际单位制中是，称帕斯卡（简称帕，用表示）。(3)虎克定律直杆受拉伸或压缩时，若应

11、力未超过某一极限值时应力、应变成正比。即 式中为比例常数，称为材料的弹性模量，是材料常数。上式还可写成: , 规律：值大的材料，弹性形变量就小；值小的材料，弹性形变量就大。由此可见，材料值的大小反映的是材料抵抗弹性变形能力的高低。的单位与应力相同。(4) 材料的机械性能材料从开始承受载荷直到破坏全过程中在强度和变形方面表现出来的性能。低碳钢拉伸时的机械性能国家标准金属拉伸试验法（GB22887）规定了标准试件的形状和尺寸。 标距：测量变形的试件工作长度长试件 ，短试件 规定拉伸图： 弹性阶段（ob段）；屈服阶段（cd段）；强化阶段（de段）；颈缩阶段（ef段）。当材料出现屈服现象时，就会有较大

12、的塑性变形。这对一般零件都是不允许的。由此，一般认为应力到达屈服极限是材料丧失工作能力的标志。一般零件的实际工作应力都必须低于（屈服极限）。材料在压缩时的机械性能:低碳钢压缩时的机械性能； 铸铁压缩时的机械性能；(5) 材料的许用应力如果直杆受到的是简单拉伸作用，其轴力将等于外力,应力计算公式也可以写成外力的表达形式： 随着增大，杆内应力值跟着增加，以保证杆的安全工作出发，杆的工作应力应规定一个最高值。这个允许值是建立在材料力学性能基础之上的，称作材料的许用应力，用表示。为了保证拉（压）杆的正常工作，必须使其最大工作应力不超过材料在拉伸（压缩）时的许用应力，即 或如果杆是塑性材料制作的，那么当

13、杆内的最大工作应力大道材料的屈服极限时，沿整个杆的横截面将同时发生塑性变形，这将影响杆的正常工作，所以通常以材料的作为确定许用应力的基础，并用一下式计算：= 式中：为工作温度（蠕变温度以下）下材料的屈服极限；为以屈服极限为极限应力的安全系数。如果杆件是脆性材料制作的，由于直到拉断也不发生明显的塑性变形，而且只有断裂时才丧失工作能力，所以脆性材料的许用应力改用下式确定：= 式中：为常温时材料的极限；为以强度极限为极限应力的安全系数。2.1.5直梁的弯曲（1）梁的弯曲概念在化工厂中承受弯曲的构件很多，如桥式吊车起吊重物时，吊车梁会发生弯曲变形。受力特点：在构件的纵向对称平面内，受到垂直于梁的轴线的

14、力或力偶作用。梁的支座结构分：简支梁、外伸梁、悬臂梁。（2）梁横截面上的内力剪力与弯矩当直梁弯曲时横截面上将产生两种内力，即剪力和弯矩；剪力：横截面上的剪力使该截面的邻近微段有顺时针转动趋势时取正号；有反时针转动趋势时取负号。 弯矩：横截面上的弯矩M使该截面的邻近微段发生上凹的弯曲变形时取正号；使其发生下凹的弯曲变形使取负号。剪力方程和弯矩方程：若以梁的轴线x为横坐标，表示横截面的位置，则剪力和弯矩均可表示为x的函数，即： ； (3) 剪力图和弯矩图(4) 纯弯曲时梁横截面上的正应力剪切弯曲：横截面上既有剪力又有弯矩。纯弯曲：横截面上只有弯矩而无剪力。梁纯弯曲问题的假设:梁变形前后横截面均为平

15、面，且仍然垂直于变形后的梁轴线，只是绕截面内的某一轴线旋转了一个角度。纵向纤维互不挤压假设：纵向纤维只受轴向拉压，他们之间没有相互挤压。故梁的横截面上只产生拉（压）应力，而无剪应力。由于拉（压）应力都垂直于横截面，故为正应力。纵向纤维的变形（伸长或缩短）与它到中性层的距离有关，在横截面的同一高度处，梁的纵向纤维的变形是相同的，与它在横截面宽度上的位置有关。(5) 梁弯的弯曲强度计算为了保证梁安全可靠的工作，必须使最大工作应力不超过材料的许用应力。即 根据强度条件，可以进行三方面的问题计算：强度校核；截面尺寸的确定；许可载荷的计算。(6) 梁弯曲时的刚度条件梁的弯曲刚度主要用最大挠度和转角来控制

16、。只要最大挠度不超过许用挠度，最大转角不超过许用转角，就认为有足够的刚度；即 或 ； 提高梁弯曲时刚度的主要途径：减小跨度或增加支座；选择合理的截面形状；减小载荷（合理分配载荷）2.1.6剪切（1）剪切的概念剪切也是杆件基本变形中的一种形式。化工机器和设备常采用焊接或螺栓等连接方式将几个构件连成整体。（2）剪力、剪力的特点构件承受剪切作用时，在两个外力作用线之间的各个截面上也将产生内力。由平衡条件： Q称为剪力。（3）剪应力 剪应力在受剪切截面上均匀分布的假设，剪应力的计算公式为 剪应力与剪切面相切，单位：或剪切强度条件 ： 挤压应力： 式中： 为挤压应力，；为挤压力， 为挤压面积，。注：挤压

17、面面积的计算方法要根据具体情况而定（对圆柱面受挤压来说，挤压面积应是直径截面）。挤压强度条件：剪切虎克定律： 式中：称为剪切弹性模量，。对于各向同性材料，G、E、的关系：2.1.7圆轴的扭转 （1）圆轴的概念 圆轴扭转变形是常见变形之一。特点：受力、变形。（2）外力矩的计算:在分析轴的受力情况时，齿轮、链条和皮带的圆周力对轮心的力矩就是使轴发生扭转变形的外力偶矩，若已知圆周力和轮子的半径,则外力偶矩为： 由物理学已知，功率等于和速度的乘积，即 设齿轮的转速为，则轮缘的线速度为 代入 ，得 再将 代入得 可得出外力矩的计算公式：式中：的单位为；的单位为；的单位为。由上式可以看出：如轴的功率一定，

18、转速越大，则外力矩越小；反之，转速越低，则外力矩越大。(3) 圆轴扭转时横截面上的内力根据剪切虎克定律，知道剪应力与剪切力成正比，即：。在弹性范围内剪应变越大，则剪应力也越大；横截面上离中心为的点上，其剪应力为；轴表面的剪应力为。因此有 代入 得： 式中说明圆轴扭转时横截面上剪阴历分布规律：横截面上各点的剪应力与它们离中心的距离成正比。圆心处剪应力为零，轴表面的剪应力最大。在横截面上剪应力也与剪应变有相同的分布规律。 即 横截面上任意一点的剪应力力公式为： 极惯性矩的计算公式：抗扭转截面模量的计算公式: =圆轴扭转时的强度条件: 式中：、分别为危险截面上的扭矩与抗扭截面模量。圆轴扭转时的刚度条

19、件: 2.1.8压杆的稳定（1）对短而粗的压杆需满足强度条件，对长而细的压杆需满足强度条件和稳定条件。在实际生产过程中，压杆一般不是绝对笔直的，它的轴线可能有些弯曲；而且作用在杆上的压力也不是正好沿着杆的轴线，压力可能有些偏心。因此，当长细杆所受压力达到某个限度时，即使没有横向力的作用，它也会突然变弯而丧失劳动能力。（2）临界力和欧拉公式 压杆临界力与下列因素有关： 与压杆的材料有关，它与材料的弹性模量成正比，即 ； 与压杆横截面的形状和尺寸有关，它与压杆横截面的惯性矩成正比，即 ； 与压杆的长度有关，它与长度的平方成反比，即 ； 还与压杆两端的支座形式有关，可用以个系数表示，称为支座系数，为

20、计算方便，写成 。欧拉计算的结果，细长压杆的临界力为 此式为欧拉公式。 压杆的临界应力欧拉公式为 ： 可改写成 划分长细杆和短细杆的方法是按照材料在弹性范围内应用虎克定律来推导欧拉公式的，即失稳时的临界应力不超过材料的弹性极限；即 压杆的稳定条件为： 或 所以应合理选用材料大柔度杆：选用高强度钢有助于改善压杆的稳定性中柔度杆：强度越高，其临界应力越高。小柔度杆：选用高强度钢可以提高压杆的承载能力2.2化工设备材料2.2.1概述化工设备选材的重要性和复杂性：操作条件的限制；制造条件的限制；材料自身性能的限制。选材要遵循：适用、安全和经济的原则2.2.2材料的性能材料的性能包括材料的力学性能、物理

21、性能、化学性能和加工性能等。（1） 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。如：强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。（2） 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。（3） 化学性能耐腐蚀性：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。 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

22、是有一定影响的。 （4） 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。2.2.3钢材 普通碳素结构钢（GB700-88）：代表钢材屈服点的字母 屈服点的数值 材料质量等级符号 脱氧方法符号；常用Q235B，Q235C，Q235AF优质碳素结构钢（GB711-88）：较普通碳素结构含S、P量较少，表面质量较好。常用10、15 、20g、20R和20等。合金（高强度）钢在碳素钢的基础上加入少量合金元素。特别：锅炉钢和容器钢。主要用于壳体或锅炉承压元件。如16MnR，15MnVR，18MnM

23、oNb等。特殊性能钢：主要指不锈耐酸钢，铬不锈钢（如1Cr13），铬镍不锈钢（如0Cr18Ni9），节镍不锈钢。2.2.4 化工设备的腐蚀及防腐 （1）金属的腐蚀 金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏现象。腐蚀类型：化学腐蚀（如氢腐蚀）；电化学腐蚀（如晶间腐蚀，应力腐蚀）。 （2）防腐措施衬覆保护（金属覆盖层、非金属覆盖层）； 电化学保护（阴极保护、阳极保护） （3）腐蚀介质的处理2.3容器设计 2.3.1 概述容器是化工生产中各种设备的外部壳体的总称。容器一般由几种壳体（如圆柱壳、圆锥壳、椭球壳）组合而成。再加上连接法兰、支座、接口管、人孔、手孔、视镜等零部件。容器分类：按形状分类

24、方形和矩形容器、球形容器、圆通形容器；按承压性质分类内压容器、外压容器；按容器的壁温分类可分为常温容器、中温容器、高温容器、和低温容器；按制造材料分类金属制和非金属制两类；按应用情况分类反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器；安全技术管理分类第三类压力容器、第二压力容器、第一压力容器2.3.2容器机械设计的基本要求 （1）容器机械设计条件工艺结构要求及基本工艺尺寸；工作压力、工作温度及工作介质；容器的工作环境、重要程度 基本要求：强度不发生破坏（如焊缝开裂，筒体爆破，螺栓拉断等）；刚度不发生过大变形（如塔体倾斜，塔盘下凹等）；稳定性不发生瘪塌或褶皱；耐久性保证使用寿命（一般化工

25、设备设计使用寿命为1015年。大多取决于腐蚀情况，有些取决于疲劳、蠕变或振动）；密封性包括内漏和外漏标准化设计法兰、螺栓、封头、筒体、支座、接管、人孔 （2）容器标准化设计 标准化的意义：设计、制造、维修、通商贸易。容器零部件标准化的基本参数：（公称直径，单位；公称压力，单位）公称直径：将容器及管子直径加以标准化以后的标准直径同一公称直径的管子与管路附件均能相互连接，具有互换性.它不是实际意义上的管道外径或内径，虽然其数值跟管道内径较为接近或相等； 压力容器(筒体、封头)的公称直径：由钢板卷制的筒体，公称直径是指它的内径；当筒体的直径较小，直接采用无缝钢管制作时，容器的公称直径应是指无缝钢管的

26、外径；封头的公称直径与筒体一致。管子：公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管于外径的一个数值。只要管子的公称直径一定，它的外径也就确定了，而管子的内径则根据壁厚的不同有多种尺寸，它们大都接近于管子的公称直径。 其它零部件的公称直径：有些零部件的公称直径，如压力容器法兰，鞍式支座等就是指与它相配的筒体与封头的公称直径。而管法兰、手孔等则是指与它相配的管子的公称直径。 2.3.3 内压薄壁容器设计（1）薄壁容器：圆筒体的外径与内径的比值,（为厚壁容器，为薄壁容器）圆筒的应力计算：轴向应力 式中 为轴向应力，；为内压，；为筒体平均直径，亦称中径，；为壁厚， 环向应力 式中 为环向应力，（2）

27、回转壳体：有一条平面曲线（母线）围绕同一平面内的轴线旋转一周形成的壳。如形成的壳体壁薄为回转薄壳。经线、纬线、中面（与内、外壁等距离的面）；第一曲率半径：中面上经线（母线）上任一点的曲率即为经线上该点的第一曲率半径。（也就是经线上一点与另一点到各自切线的法线相交的点的距离）第二曲率半径：中面上经线上任意一点切线的垂线与回转壳体旋转轴线的交点之间的距离为该点的第二曲率半径。平行圆半径：横截面与旋转壳体的交线为平行圆，此平行圆的半径为平行圆的半径。第二曲率半径与旋转轴之间的夹角为角。回转壳体的薄膜理论：基本假设直法线假设：变形前垂直于中面的直线段，变形后仍保持直线并垂直于变形后的中面。（即忽略剪应

28、力的影响）互不挤压假设：各平行中面的纤维之间互不挤压。（沿壁厚方向的正应力忽略）设变形前后壁厚不变。无力矩理论：因为旋转壳体的壁薄，所以可以不考虑弯矩的影响，这种求应力的理论为无力矩理论。 平衡方程 ：薄膜应力：用无力矩理论求得的应力为薄膜应力。任何回转壳体承受内压时的经向薄膜应力计算式：（3）筒体强度计算： 为了保证筒体强度，筒体内较大的环向应力不应高于材料的许用应力即 或 ；容器内径：；内压圆筒壁厚的计算公式：；对于已有的圆筒，测量壁厚为，则其最大许可承压的计算公式为： 设计参数 设计压力：设计压力是在相应的设计温度下用以确定壳壁厚度的压力； 设计温度：是指容器在正常工作中，在相应设计条件

29、下金属器壁可能达到的最高或最低温度；许用应力：是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数得出的，即 焊接系数：焊接头系数应根据受压元件的焊接有形式及无损检测的长度比例确定。 壁厚附加量：是指在满足强度要求而计算出的壁厚之外，考虑其他因素而额外增加的壁厚量，包括钢板负偏差、腐蚀裕量,即 (6) 最小壁厚：壳体加工成形后的最小壁厚按下列条件确定：碳素钢和低合金钢制容器不小于3；高合金钢制容器不小于2。 2.3.4 外压圆筒设计（1）外压容器的失稳外压容器:是指容器的外部的压力大于内部压力的容器。受力特征：与受内压作用的圆筒的薄膜应力相同，其环向应力值仍为但为压应力。破坏形式：当受到外压时，在未

30、发生强度破坏之前，就已经发生周向压瘪或纵向弯曲了，这种现象称为失稳。失稳：在容器所受的压力（外压）达到某一临界值（）后，开始出现弯曲等形状的变化就叫失稳。这个临界值就称为临界应力外压容器失稳后的形状：外压容器因为周向压应力大，所以，容器发生失稳首先在圆周方向上发生失稳，即圆筒体压瘪。（2）临界压力的计算临界压力：反映外压容器抗失稳的能力。影响因素：几何尺寸：、，长度越大，越容易失稳，板材的有效厚度越小，越容易失稳。物理参数圆筒体的椭圆度和材料的不均匀性的影响。与材料的强度无关。长、短圆筒和刚性圆筒的划分：长圆筒：当值较大时，与L无关，容器失稳后的波数。短圆筒：当值较小时，与，有关，容器失稳后的

31、波数为的正整数。刚性圆筒：当L很小时，容器受到外压作用，先发生的是强度破坏，这样的短圆筒为刚性圆筒。（3）外压圆筒的设计稳定性破坏条件要使外压力薄壁容器不发生失稳的条件是： 或 ；式中：容器承受的外压；临界压力稳定系数，对于钢制圆筒 许用外压力，=(4)临界压力的数学表达式长圆筒的临界压力：= 式中： 有效厚度； 圆筒中径，材料设计温度下的弹性模量，；泊松比，对于钢制圆筒所以：=2.2短圆筒的临界压力：=2.95式中：计算长度，；两端封头的深度 ； 刚性圆筒：若同体较短，即较小，较大，容器的刚性好，不会因失稳而破坏。刚性圆筒的问题是强度破坏，只需进行强度计算。（5）临界长度公式 2.22.2=

32、2.95； （6）外压圆筒设计的计算法步骤：由工艺计算确定、，查，假设计算临界长度，并判断属长短圆筒；代入相应的长圆筒或短圆筒的公式中，得计算压力；判断：（对于钢制圆筒 m=3.0）若满足，合适；若不满足，重复以上步骤，直至满足为止。 2.3.5 封头的设计封头又称封盖，按其形状分为凸形封（头半球形封头、椭圆形封头、碟形封头球冠形封头封头）；锥形封头（折边锥形封头、无折边锥形封头）；平板封头。受内压的球形封头：壁厚计算与球壳相同，即 受内压的椭圆形封头：厚度计算公式为 ；式中：为椭圆形封头形状系数，其中，长短轴之比为2 的椭圆形封头为标准椭圆形封头，此时；它的壁厚计算公式为 椭圆形封头的最大允

33、许工作压力按下式计算： 2.3.6 法兰连接和容器支座（1）法兰连接结构与密封原理法兰连接结构：法兰、垫片和螺栓螺母组成；对法兰连接的要求：密封可靠，保证生产能长周期运转。（2）密封原理：法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于压紧面之间的垫片压紧。影响法兰密封的主要因素：螺栓预紧力、温度影响、垫圈性能、法兰刚度、密封面型式和表面性能、操作条件等。（3）法兰类型及密封面型式法兰类型：整体法兰(平焊法兰、对焊法兰)、松式法兰、任意法兰；密封面型式：平面、凹凸面（最常用）、榫槽面、梯形面四种。（4）垫片性能：垫片是法兰密封的必要元件。使其能承受压力设计压力，能承受的温度设计温度并考虑介质的腐蚀性。（5）法

34、兰的标准及选取选两个参数：公称直径、公称压力选取步骤：（先分清楚是压力容器法兰还是管法兰，再查参数）由设计压力、设计温度、介质特性选取法兰类型及法兰材料。保证管子或设备公称直径与法兰的公称直径相等。使所选法兰的公称压力在设计温度下所能承受的最高工作压力设计压力。（6）容器支座支座的分类：卧式容器支座、立式容器支座卧式容器支座分为：鞍座、圈座圈座：在容器的外周焊一圈型钢。有加强作用，但不能适应温度变化所引起的热变性的影响。鞍座的结构：分为轻型、重型两种。轻型（型）适用于重量较轻的设备的支撑。重型（型）适用于重量较重的设备的支撑。同一型号的鞍座又分：固定鞍座（型）和滑动鞍座（型）。对同一台设备或容

35、器，一般选用两个鞍座，即固定、滑动鞍座各一个。 2.3.7 容器的开孔与附件（1）容器壳体开孔时的应力集中应力集中现象：由于开孔接管后，壳体的结构连续性破坏，此处在操作压力作用下，会产生比不开孔接管时基本应力大数倍的应力，这种现象叫应力集中现象。应力集中系数（）：指开孔边缘的最大应力值与壳体上不开孔时的最大应力之比。 式中：基本应力；对球壳：；对筒体：开孔或接管处的实际最大应力。（2）开孔补强设计目的：使孔边的应力峰值降低到某一允许值，并提高器壁的强度。内容：选用合适的补强结构型式选用合适的补强原则（方法）确定有效的补强范围及面积。补强设计原则：等面积补强法：极限补强法补强结构：贴板补强（最常

36、见）贴板上有一M10的透气孔，用以检查贴板与壳体焊缝的紧密性。（应用于低压容器的开孔补强）应用条件：a、钢板的标准抗拉强度下限值 b、补强圈 c、壳体 接管补强整体补强（效果最好）：应用于高压和超高压容器。（3）手孔与人孔压力容器开设手孔和人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。手孔直径一般为150，标准手孔公称直径有和两种。人孔主要有筒节、法兰、盖板和手柄组成。2.4 塔设备2.4.1 概述塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹

37、带。因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。2.4.2 板式塔在整个国民经济生产中，板式塔占有相当大的比重，工业上应用最多、使用经验较为丰富的有筛板塔、浮阀塔、泡罩塔和舌形塔。板式塔为逐级接触式气液传质设备。在一个圆筒形的壳体内装有若干层按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，每层塔板靠塔壁处设有降液管。气液两相在塔板内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。板式塔的空塔气速很高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，造价低，检修、清理方便。第三章、学习收获及感想 通过这一学期的学习化工设备设计基础课程，我有了很大的收获，从中了解到了很多的设备设计的基础知识。其实这门课程的理论很丰富，但是更需要与实际相结合。在后期学习过程中，老师提供了我们很多机会，让我们在实践中学习，使理论与实践完美结合。在理论学习过程中，刚开始感觉很空洞，但经过老师的不断讲解，慢慢的我能够融入课程之中。对力学、容器设计、塔设备这些都有了基础的了解。我希望在以后的实践过程中，能够把所学的知识淋漓尽致的展现出来。更感谢授予知识的老师。22