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化工设备机械基础（设备部分）教案 第一章 概述
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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 压力容器的概念 化工设备——工艺过程中静止设备的总称。 1．化工设备 容器——化工设备外壳的总称。 2．容器 3．压力容器 ．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。 ） 化工容器的结构组成 二、化工容器的结构组成 、接管、法兰（对外连接件） 、人孔、手孔、液面计（附 化工容器一般由筒体、封头、支座（基本件） 件）以及一些内构件等零部件组成。 筒体、封头： 。壳体按形状 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） 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。 接管： 2．接管：是介质进出容器的通道。 法兰： 。 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） 支座： 4．支座：是用于支承容器的部件。 手孔： 。 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） 液面计： 。 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
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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 低压容器 中压容器 高压容器 超高压容器 设计压力(Mpa) 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） 化工容器机械设计的基本 基本要求 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： 强度——元件能抵抗外力破坏的能力； 1、强度 刚度——构件抵抗外力使其不发生变形的能力； 2、刚度 稳定性——容器在外力作用下维持其原有形状的能力； 3、稳定性 耐久性——满足容器的使用年限的要求； 4、耐久性 密封性——保证安全和维持正常的操作条件； 5、密封性 节省材料和便于加工制造； 6、节省材料和便于加工制造； 方便操作和便于运输； 7、方便操作和便于运输； 技术经济指标合理。 8、技术经济指标合理。 容器零部件的标准化 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 所谓标准化 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 法兰的公称直径——是指与它相配的筒体或管子的公称直径。 2、法兰的公称直径 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。 ） 管子的公称直径——是指与管子外径相对应的值. 3、管子的公称直径 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、
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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。 按其用途： （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； 按其传热方式和作用原理： （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 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 1、管壳式换热器的主要元件 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。
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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
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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： XYZ DN ? 管壳式换热器型号的组成：
Pt LN Nt ? A? B? C Ps d Ns
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。 2 A——公称换热面积（m ） ，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。 管壳式换热器标记示例： 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
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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。 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 1．选型时要考虑的因素有 因素。 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 2．安全因素 与介质相容。 （例温差应力的考虑、密
防潮纸封性的考虑等） 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 3．能完成工艺要求 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） 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。 4．利于制造、安装和维修 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。 结构设计： （如管子外径、长度、筒体外径等） 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。 热力计算： 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。 流体阻力计算： （压力将一般根据整个工艺流程确定） 三、流体阻力计算：计算阻力降，保证阻力降在允许范围内。 强度、刚度和稳定性设计： 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。 绘图： （如容器法兰、折流板与支 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， 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≥10 MPa (b) 1.6≤P＜10 MPa (c) 10≤P＜100 MPa (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： （ ）
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化工设备机械基础（设备部分）教案
（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
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