1、化工设备基础知识第一章 轴轴的主要作用是用来支撑和固定旋转传动零件，常见的轴有直轴和曲轴两种。一、直轴的分类：根据承受荷载的情况不同，直轴可分为心轴、转轴和传动轴三类。1、心轴：心轴工作时主要用来支撑转动零件，承受弯矩而不传递运动，也不传递动力。心轴随零件转动的（如火车轮轴）称为活动心轴，不随零件一起转动的（如自行车轴、滑轮轴）称为固定心轴，它们承载时均产生弯曲变形。2、转轴：转轴既要支承旋转零件还要传递运动和动力，如机床主轴、减速机齿轮轴、搅拌轴等。这类轴在外力作用下将产生弯曲变形和扭转变形。3、传动轴主要用来传递扭矩，它不承受或承受较小的弯矩，如汽车、拖拉机变速箱与后轮轴间的传动轴。轴的材
2、料：选取轴用材料主要取决于轴的工作条件载荷和加工工艺等综合因素，除满足强度、刚度、耐磨性外，还要求对应力集中敏感性小，常用碳素钢、合金钢的锻件和轧制圆钢做为轴的毛坯。碳素钢对应力 集中的敏感性较小，其机械性能可通过热处理进行调整，比合金钢价廉，所以应用最广，常用 30、40、45、50 号钢，其中 45 号钢最常用。对于非重要或受载荷较小的轴可用Q235、Q237 等普通碳素结构钢。合金钢可淬性好，且具有较高的机械性能，常用于传递较大功率并要求减小尺寸和重量以及提高轴颈耐磨性的场合。合金铸铁和球墨铸铁也常用来做轴的原因是铸造成型容易得到较复杂且更合理的形状，铸造材料吸振性高，并可用热处理的方法
3、提高耐磨性，对应力敏感性较低，且价廉。但铸造质量不易控制，可靠性较差，需慎用。二、轴的结构轴的外形通常作成阶梯形的圆柱体。轴上供安装旋转零件的部位叫轴头，轴与轴承配合部分叫轴颈，轴的其他部分叫轴身轴的设计与选择要考虑很多因素的影响，在满足不同截面的强度和刚度要求的同时，还要便于轴上零件的固定、定位、拆装、调整，尽可能减小应力集中以提高轴整体的疲劳强度，以及轴本身的加工工艺性。旋转零件一般要随轴旋转传递运动和动力，零件在圆周方向和轴线方向都需要确定他们之间的相对位置以保证各零件正常的工作关系。1、零件在轴上的周向定位和固定：周向固定的目的是使轴上的零件随轴一起转动传递运动和扭矩，周向定位和固定的
4、方法常采用花键连接、键连接、销钉连接、锥面过盈配合，在传力不大时可用紧定螺钉连接。2、零件在轴上的轴向定位和固定：件在轴上的轴向定位和固定常采用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、过盈配合。当轴向荷载较小时采用销钉、紧定螺钉、挡圈、轴端挡圈。第二章 轴承轴承是支撑轴和轴上零部件并保证轴绕轴线运动的部件。轴承的种类按照承受荷载的方向可分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承；按照轴承工作的摩擦性质又分为滑动摩擦轴承和滚动摩擦轴承。一、滑动轴承滚动轴承工作平稳、可靠、无噪音。若能保证摩擦的润滑，使滑动表面被润滑油膜分开不直接接触，表面间的摩擦实为液体分子间的摩擦。这样就能大大减小摩擦损失和表面磨损，且油膜还具有
5、一定的吸振作用。由于以上特点常用在转速特别高、冲击振动载荷和特殊装配要求的场合。（一）滑动轴承的结构1、向心滑动轴承的类型和结构常用的向心滑动轴承分为整体式和剖分式两类。整体式滑动轴承由轴承座、轴套、油杯和油沟组成。轴承座常用铸铁制成，轴承座用螺栓固定在支架上，顶部装有供润滑的油杯，轴承孔内压入用减摩擦材料制成的轴套，轴套上开有油孔与内表面上的油沟相连。整体式滑动轴承结构简单、制造方便、成本低廉。但装配不太方便，拆装时必须通过轴端。轴磨损后轴颈与轴套间的径向间隙过大时无法在调整，常用于轻载、低速或间歇操作和非重要场合。剖分式滑动轴承由轴承座、轴承盖、剖分轴瓦、轴承盖紧固螺栓等组成。为了节约贵重
6、金属，常在轴瓦表面帖服一层轴承衬，非重要的轴承可不装轴瓦，在轴瓦内壁不负担载荷的部分表面开设供润滑用的油沟。剖分面最好与载荷方向近于垂直，故一般轴承的剖分面是水平的，轴承盖与轴承座常作成阶梯形，装配时便于定位和工作时出现错位。剖面上放有少量薄垫片，可在轴瓦磨损后用减少垫片来调整轴颈与轴瓦间的间隙。轴承盖上端有安装油杯的螺纹孔。2、推力滑动轴承的结构.（二）滑动轴承材料和轴瓦结构轴承材料分为金属和非金属两大类。金属材料包括轴承合金、青铜、铝基合金、锌基合金、见摩擦铸铁和含油轴承等。轴承合金:锡、铅、锑、铜的合金统称为轴承合金。一般是以锡或铅做为基体，悬浮体和铜的硬晶粒。硬晶粒起抗磨作用，软基体则
7、增加材料的塑性。巴氏合金的机械强度较低，价格贵，通常做轴衬使用。青铜：用的最广的是以铸锌锡铅青铜，它有很好的疲劳强度。铸锡磷青铜的减摩性和耐磨性都很好，机械强度都很高，适用于重载荷。铜铅合金适宜用于高温。铸铁：它的各项性能具均不如轴承合金和青铜，由于价格便宜，常用于低速、轻载和无冲击的场合。含油轴承是一种粉末冶金材料，一般有铁-石墨和铜-石墨两种。它们属于多孔组织，细孔内可充满润滑油起润滑作用，并有很好的耐磨性。非金属轴承材料包括塑料、尼龙、硬木、橡胶和石墨等。常用酚醛塑料和聚四氟乙烯等。二、滚动轴承滚动轴承和滑动轴承相比是以滚动摩擦代替滑动摩擦，摩擦阻力小，启动灵活、效率高、润滑方式简单、使
8、用方便。滚动轴承的种类、尺寸、精度等级已经建立标准和系列并由专门厂家成批生产，成本低廉，便于互换等优点而得到广泛应用。但它抗冲击能力差，高速运转时会出现噪音，工作寿命比较短，也受到一定限制。滚动轴承的结构滚动轴承由外圈、内圈、滚动体、保持架组成。内圈安装在轴的轴颈上，外圈装在轴承座或其他零件上，多数情况是内圈随轴转动，外圈不动，有时也相反或内外圈分别按不同转速转动。内外圈上凹槽称为滚道，允许滚动体在滚道内滚动，滚动体的外形有球形、圆柱形、圆锥体形、鼓形、螺旋体形和滚针形等。第三章 联轴器联轴器是用来连接轴与轴和轴与其糨传动件使之一起旋转,传递运动和扭矩的部件.联轴器的种类很多,结构各异,其中大
9、部分已标准化.选择时可根据不同的载荷和工作场合的要求选择其不同的类型,再按轴的直径计算最大起动扭矩 MC 和转速 n,最后从有关手册中查出适合的型号.若用于重要场合对其个别关键零件还需进行强度校核.最大起动扭矩按下式计算: M C=MO+M1=KMO,式中: M C_最大起动扭矩;MO_克服载荷和摩擦阻力所需工作扭矩;M1_全部质量在起动加速时所需扭矩.由于起动扭矩计算的影响因素很多,计算十分复杂且不精确,工作中常引入载荷系数 K 的方法进行简化计算. 当原动机为电动机时其K 值按表 11-13 选取.联轴器的分类一般按联接两轴的相对位置和位置之间的变化关系,分为固定式联轴器和可移式联轴器.可
10、移式联轴器又按照补偿位移的方法不同分为刚性和弹性联轴器两种.表 11-13 载荷系数 K载荷情况 起动质量轻载 起动质量中,受 起动质量大,受荷较平稳(小型发电机离心泵透平压机等)变载较小冲击载茶(搅拌增压泵冲床压缩机等)冲击大的变载荷(控掘 起重碎石轧机等)K 11.5 1.52 23注:1.固定式和刚性可移式联轴器宜取大值,弹性联轴器宜取小值.2.当原动面为内燃机时,上表的 K 值应增加 20%40%,缸数小的( 单缸)取大值 ,多的( 四缸及以上) 取小值.一、固定式联轴器:主要由两个分别装在两轴上的关联轴器(1,2) 和联接螺栓(3) 组成 .联轴器通常用铸铁铸钢或锻钢制造.这种联轴器
11、的转速和载荷都受到一定的限制.铸铁制成的一般适用于中载和 U35m/s.铸钢锻钢制成的联轴器可适用于重载和转速 U75m/s 的场合.凸缘联轴器按对中方式不同分为 I 型和 II 型.凸缘联轴器按标准选用,在必要时应对螺栓及键进行强度校核.套筒式联轴器:它通过套筒与两轴联接.当 d80mm 的套筒常用 35或 45 号钢制造. d 80mm 时允许用铸铁制造,一般控制在 d100mm范围内.该联轴器结构简单,制造方便,常用于传递扭矩较小的场合.夹壳式联轴器:夹壳式联轴器是由两半筒形夹壳(1,2)和螺栓(3)组成.夹壳联轴器常用铸铁(有时也用钢)制成,这种联轴器是部分式的,装卸特别方便,且价廉.
12、常用于低速(U5m/s)的场合.夹壳式联轴器按标准选用.对于 U5m/s 的场合必要进行平衡检验合格后方能使用.二、可移动性刚性联轴器在传动装置中,由于制造,安装等误差两轴往往难精确对中,即是安装时能保证,但由于旋转零件或载荷不平衡,工作温度变化的影响,补联接两轴可能发生较大的相对位移或偏斜.常出现轴向位移、径向位移、偏角位移或综合位移等情况.这时采用或移性联轴器对这些位移进行补偿.常用的可移性刚联轴器分为以下几种：1、牙嵌联轴器:牙嵌联轴器是由两个端面都有凸牙和凹槽的半联轴器组成, 凸牙和凹槽对应安放,当发生位移时凸牙可在凹槽中滑动以补偿轴向位移.为了便于对中,在左端装有对中环并用螺钉固定.
13、牙嵌联轴器一般采用中强度铸铁(也可用铸钢)制成.该联轴器结构简单,尺寸较小时能承担较大的载荷.2、十字滑块联轴器：这种联轴器是由两个端面都开有凹槽的两个半联轴器和一个两面都设有榫的圆盘组成.凹槽的中心线分别通过两轴的中心,两榫中心线相互垂直并通过圆盘中心.关联轴器分别因固装在两轴上,由圆盘两面的榫分别嵌在两半联轴器的凹槽中而构成.转动时圆盘的榫在凹槽中滑动,从而补偿其径向位移的同时保持联动.为了减少滑动的摩擦磨损,一般在滑动面加润滑剂.这类联轴器结构简单,径向尺寸小,可承受较大的载荷.但由于圆盘在作偏心转动,产生的离心力随圆盘质量和速度的增加而增加,故转速受到一定的限制.这种联轴器常用于径向位
14、移小于转轴直径的0.04 倍,小于 30角位移和冲击载荷小的场合.3、齿轮联轴器：所示齿轮联轴器是由两个具有外齿环的半联轴器和两个具有内齿环的外壳所组成,两外壳用螺栓联接起来.当转轴转动时通过齿轮互相啮合带动一个半联轴器转动.再通过另一半联轴器的内外齿相互啮合,带动另一半联轴器转动,从而带动另一轴的旋转.齿轮联轴器是靠内外齿相互啮合进行传递运动和动力.为了减少啮合轮齿间的摩擦磨损和相对移动的阻力,在外壳内贮存有润滑油,当联轴器旋转时将甩开以润滑互相啮合的齿轮.齿轮联轴器允许两轴作综合位移.由于啮合齿间留有较大的齿侧间隙,故可补偿两轴运转过程中出现的偏斜.若齿顶作成球面形(球面中心应在轴线上)或
15、将轮齿作成鼓形,均能允许两轴作较大的综合位移和增大允许的位移量.齿轮联轴器传动时一般是几个齿同时啮合,故传递扭矩的能力比相同尺寸的其它联轴器要大得多,当轴直径为 14250mm 时许用扭矩为 3551.010 5Nm,许用转速为 9504000r/min,允许轴向位移为 6.3mm 以下.若采用鼓形轮齿时,允许角位移可高达 3。该联轴器一般用铸钢或锻钢制成,适用于高速和重载,该联轴器按标准选用.4、万向联轴器(十字铰链联轴或简称万向联轴节)主要用于两轴有较大的偏转(偏斜角最大可达 45)或较大的角位移的场合.万向联轴节结构比较复杂,一般由两个叉形零件一个十字形零件和轴销等组成,两个叉形零件的叉
16、端则与十字型零件铰链联接,这种联轴器通常用 40Cr 或 40CrNi 钢制造,常成对使用于汽车、拖拉机、机床和轧钢机等传动装置中.上述联轴器都是采用刚性零件组装而成,没有吸振和缓冲功能,在运转中若有滑动件与滑动件互相摩擦磨损后间隙就会逐渐增大.当速度和载荷发生变化时会产生冲击振动,故刚性联轴器适用于载荷稳定和速度变化不大的场合.三、可移性弹性联轴器弹性联轴器是在联轴器中装有金属或非金属的弹性元件,利用这些弹性元件受载后产生的弹性变形来补偿轴与轴间的相对位移.弹性元件还具有缓冲和吸振的能力.常用于频繁起、载荷、转速变化大及两轴难以对中的场合.弹性联轴器的使用还可以大大降低联轴器的加工要求,有利
17、于降低成本和提高经济性.弹性元件可分别由金属和非金属材料做成,用金属材料做成的常用杆弹簧式、蛇形弹簧式、扭转弹簧式、旋转弹簧式、径向层板弹簧式、轴向层板弹簧式和卷板弹簧式等.金属弹性元件具有体积小,强度高,使用寿命长等特点.非金属弹性元件具有良好的弹性滞后性,消振能力强,单位重量的非金属材料所能储存的能量比金属大得多(橡胶比钢大 10 倍左右)缓冲能力好.采用非金属元件的联轴器结构简单,价格低廉,互换性好而补广泛采用.非金属弹性元件有:弹性圈柱销式、盘式、弹性爪式、橡胶板式联轴器等,常用的是弹性圈柱销式和尼龙柱销式联轴器两种.弹性圈柱销联轴器,其结构与凸缘联轴器相似,只是用套有非金属弹性圈的柱
18、销代替凸缘联轴器的螺栓,并取消了凸肩和凹槽的结构.在两半联轴器之间留有一定的轴向间隙,这可补偿工作时出现的少量综合位移,弹性圈要求弹性较好,以适应于轴的正反转变化多,启动频繁和载荷变化大的场合.一般工作温度范围在橡胶适应的范围(-2050内),并不容许与有害于橡胶的介质接触.该联轴器有标准型和轻型两种,选择时按标准选用.当选定后须对作用在弹性圈单位面积上的压力 P 和柱销的弯曲强度 0b 进行校核.第四章 减速机减速器是由封闭在刚性壳体内的齿轮或蜗杆传动所组成的独立部件,它具有固定传动比,常用在原动机和工作机之间作为减速的传动装置.由于减速器具有结构紧凑、效率较高、维护方便等优点,因此在现代机
19、器中的应用极为广泛.常用减速器已标准化.一、减速器的类型减速器的类型很多,一般分为圆柱齿轮减速器圆锥齿轮减速器蜗杆减速器和行星齿轮减速器等.按减速器的级数又可分为单级两级和三级等减速器.1. 圆柱齿轮减速器圆柱齿轮减速器是应用最广泛的一种减速器.当传动比 i 7.1时,可采用单级圆柱齿轮减速器,当 i=7.150 时,或采用单级圆柱齿轮减速器,其外廓尺寸将很大.这时宜采用两级圆柱齿轮减速器.两级圆柱齿轮减速器按其齿轮布置形式可分为展开式分流式和同轴式.展开式结构简单,但齿轮相对于轴承为不对称布置,受载时轴的变形导致载荷沿齿宽分布不均,因此要求轴承有较大的刚度.这种减速器适用于载荷比较平稳的场合
20、.分流式的齿轮相对于两侧的轴承对称布置,载荷沿齿宽分布均匀,轴承受载也较均匀,但结构比展开式复杂.同轴式的输入轴与输出轴位于同一轴线上,故箱体长度尺寸较短,轴向尺寸和重量较大,且中间轴较长,刚性差,容易使载荷沿齿宽分布不均.当减速器传动比 i=50315 时,宜采用三级圆柱齿轮减速器.2. 圆锥齿轮减速器圆锥齿轮减速器用于输入轴和输出轴相交的场合.当传动比 i8时,采用单级圆锥齿轮减速器,当传动比 i=840 时,采用两级圆锥齿轮减速器,当传动比 i=40160 时,宜采用三级圆锥齿轮减速器,由于圆锥小齿轮是悬臂支承,其受载较差,为了使其受力减小,常将圆锥齿轮作为高速级.3. 蜗杆减速器这种减
21、速器主要用于传动比较大的场合,当 i=1080 时,可采用单级蜗杆减速器,两级蜗杆减速器适用于传动比 i=433600 的传动,其特别是结构简单,但转动效率不高.4. 行星齿轮减速器行星齿轮减速器具有传动比大效率高结构紧凑和体积小等优点,但结构复杂,制造精度要求高.这种减速器类型很多,按其传动级数也可分为单级两级和多级.第五章 化工设备常用材料化工设备常用材料种类很多,主要有金属材料非金属材料和复合材料.化工生产条件十分复杂,温度从低温到高温,压力从真空到超高压,介质具有易燃易爆有毒及强腐蚀性等,不同的生产条件对材料有不同的要求.因此,为了保证化工设备的安全运行及经济性要求,必须根据设备的具体
22、操作条件及制造等方面的要求,合理的选择材料.化工设备常用金属材料的基本性能金属材料是化工设备最常用的一种材料.金属材料的基本性能主要有机械性能化学性能物理性能和制造工艺性能等.一、机械性能机械性能是指金属材料在外力作用下表现出来的特性,它主要包括材料强度塑性及韧性等.1. 强度强度是指材料抵抗外载荷能力大小的指标,常用的强度指标有屈服极限 0S和强度极限 0b.这两个指标是确定材料许用应力的主要依据.设计时,选用强度较高的材料,可减少构件的尺寸及重量.另外,屈服极限 0S和强度极限 0b的比值称为屈服比,它反映材料屈服后强化能力的高低,低强钢的屈服比数值较小,屈服后的强度裕量较大,高强钢的屈强
23、比数量较大,屈服后的强度裕量较小.2. 塑性材料的塑性是指材料在破坏前变形能力的大小.塑性指标有延伸率和断面收缩率.凡是采用冷作加工成型工艺制造的化工设备,必须要求材料具有良好的塑性.用塑性好的材料制造的设备,在破坏前会发生明显的塑性变形,而塑性差的材料制造的设备,往往没有产生明显的变形而突然遭到破坏.因此,从设备的加工制造和安全运行角度考虑,要求材料的塑性要好.化工设备中的主要用材,一般要求 5=15%20%以上.另外,对冷弯成型的化工设备的用材,还需对材料作冷弯性能试验,冷弯 180后不开裂方可作为设备的用材.3. 韧性韧性是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映.材料韧性好坏用冲击韧性 ak(J
24、)表示.韧性好的材料,即使存在缺口或裂纹而引起应力集中,也有较好的防止发生脆断和裂纹快速扩展的能力.某些材料在低温下,韧性明显下降,材料由塑性转变为脆性,这种现象称为材料的冷脆性.材料韧性值发生突然明显降低的温度,称为材料的无塑性转变温度(NDT).由于材料的冷脆性,设备在低温下容易发生脆性断裂,破坏时应力较低,又无可见的变形现象发生,危险性较大.4. 硬度硬度是指材料对局部塑料变形的抵抗能力.常用硬度指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)等,硬度大小反映材料的耐磨性能和切削加工的可能性.一般来说,硬度越高,耐磨性能好,但切削加工性能较差.化工设备中的某些相互连接的配合结构,其零部件的硬度有
25、不同的要求,例如,列管式换热器中的管子与管板的连接,当采用胀接时,要求管板的硬度比管子的硬度高,这是由于管子通过胀接固定在管板上时,要求硬度小的管子发生扩张变形实现管子与管板的连接,当管子损坏需要更换时,不至影响管板孔的尺寸和粗造度.又如在螺栓连接法兰密封结构中,要求螺栓的硬度大于螺母的硬度,在装拆时螺母易损而便于更换,同时也可以避免螺栓和螺母咬死.5. 高温下材料的机械性能金属材料机械性能随温度升高而发生变化,铜铝等材料,温度升高,其强度降低,塑性得高.但对于低碳钢,温度升高时,材料的强度也升高,当温度超过 350以后,强度下降,塑性提高.金属材料在高温和应力共同作用下会产生不可回复的变形,
26、其应变量随时间的延长而增加,这种现象称为材料的蠕变.材料在高温条件下抵抗发生蠕变的能力,用材料的蠕变极限 0tn或持久极限 0tD表示. 0tn是材料在恒定高温下,经历 10 万小时发生蠕变断裂时的应力.高温时, 0 tn或 0tD是确定材料许用应力的依据之一.二、耐蚀性能化工生产中所处理的物料,大多是有腐蚀性的.介质的腐蚀性能通常是选材的主要依据.根据介质的腐蚀特点,合理选择材料,关系到设备是否能安全运行使用寿命产品质量及环境污染等问题.三、物理性能金属材料的物理性能指导热系数线膨胀系数密度熔点及导电性等.材料在不同的使用场合,对其物理性能要求不同.例如,用作传热表面的材料,必须考虑材料的导
27、热性能,对衬里或复合钢板所制设备,应尽量使不同材料的线膨胀系数相等或接近.四、加工工艺性材料的加工工艺性有可焊性、可锻性、可铸性、切削加工和热处理性能等.对化工设备用材的加工工艺性要求,取决于设备的结构和加工方式.例如,用板材制造设备的壳体时,要求材料具有良好的塑性、良好的切削加工性能和焊接性能等.化工设备常用材料一、碳素钢碳素钢由铁和碳两种基本元素组成,是工程上广泛使用的一种金属材料.根据钢材的质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢.1. 普通碳素结构钢这类钢含硫、磷等杂质较多,是质量不太高的钢种.钢的强度不高,但成本较低.这类钢材按不同的质量保证条件分为 A、B、C、D 四个等级.钢的牌号
28、由代表钢材屈服极限的字母、屈服极限值、质量等极和脱氧方法符号四部分组成.如 Q235-AF,表示该钢种屈服极限值为 235MPa,质量等级为 A 级,“F”表示治炼过程中脱氧不完全(沸腾钢).如果脱氧完全的为值静钢,牌号组成表示中可以不表示,如 Q235-A.普通碳素结构钢可用来制造常压低压及外压设备的壳体,也可制作设备的零部件如支座、法兰、螺栓和螺母等.例如Q235-AF:适用设计压力 p0.6MPa,使用温度 0250,壁厚不超过12mm 的容器用材;Q235-A:适用设计压力 p1.0MPa,使用温度 0350,壁厚不超过16mm 容器用材.2. 优质碳素结构钢这类钢所含硫、磷杂质较少(
29、S0.04%,P0.4%),治炼工艺较严格,质量好,强度较高,成本比普通碳素结构钢高.钢的牌号用钢中平均含碳量的万分之几表示,如 20,表示平均含碳量为 0.20%的优质碳素结构钢.对于某些行业用钢,则在数字后加上相应代号,如 R 表示容器用钢,G 表示锅炉用钢等.根据钢含碳量的不同分为低碳钢、中碳钢和高碳钢.(1) 低碳钢含碳量0.25%,钢号有 08、10、15、20、25.钢的强度较低,塑性好,焊接性能好,这类钢在化工设备中广泛应用.20R 是压力容器专用钢种,其质量控制比 20 更严,性能优于 20 钢.(2) 中碳钢含碳量在 0.3%0.6%之间,钢号有 30、35、40、45 等.
30、这类钢的强度较高,塑性、韧性较好,焊接性能较差.不适于容器用钢,可作为轴、齿轮、螺栓等用钢.(3) 高碳钢含碳量0.6%,由于钢中含碳量高,所以它的强度硬度高,但塑性及焊接性能差.这类钢常用来制造工具.二、普通低合金钢普通低合金钢是在碳素钢的基础上添加少量合金元素(总量不超过 5%)冶炼成的.钢的强度高,焊接性能好,并有较好的耐蚀和耐高温低温的性能.钢的牌号是以平均含碳量的万分之几加上合金元素符号及合金元素平均含量的百分之几表示,合金元素含量小于 1.5%的不标出.例如16Mn,“16“表示平均含碳量为 0.16%(0.12%0.2%),“Mn”表示 Mn元素,由于 Mn 含量小于 1.5%,
31、故在 Mn 后不加注数字.由于普通低合金钢的综合性能优于碳素钢,故广泛用于制造压力容器用钢,如 16 MnR、15MnVR、18MnMoNbR 等.低温容器用 16MnDR、09Mn2VDR 等.温度较高(400600)时,可用 15CrMoR、12Cr2Mo1R 等.三、不锈钢在大气、水及弱腐蚀性介质中耐蚀的高合金钢称为不锈钢,在各种化学试剂和强腐蚀性介质中耐蚀的高合金钢称为不锈耐酸钢,习惯上将二者通称为不锈钢.根据钢的化学成分不同,不锈钢可分为铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢等.不锈钢牌号表示为：“含碳量的千分之几、合金元素、合金元素百分之几”.含碳量大于 0.08%的为高碳级不锈钢,钢号前为“1”
32、,如1Cr18Ni9Ti;含碳量0.08%,钢号前为“0”,如 0Cr18Ni9;含碳量为0.03%,钢号前为“00”,如 00Cr18Ni11;含碳量0.01%,钢号前为“000”,如 000Cr18Ni9.由于不锈钢对许多介质都具有良好的耐蚀性能耐热性及低温性能好,广泛用于食品、化工、原子能等工业部门.四、铸铁铸铁是含碳量约为 2%4.5%的铁碳合金,其中 S、P、Si、Mn 等杂质的含量较高.常用的铸铁有以下几种.1. 灰铸铁碳元素以自由状况的片状石墨形式存在于合金中,断口呈灰色.它的抗拉强度低,承压能力强,常用来制造机座、泵体、常压容器等.牌号举例:HT100,HT 表示灰铸铁,100
33、 指材料的抗拉强度 0b=100MPa.常用的牌号有 HT100、HT200、HT350 等.2. 球墨铸铁合金中加入少量球化剂和石墨化剂,使碳元素呈球状,它的机械性能接近于钢,但价格低于一般钢,常用来制造曲轴、连杆等.牌号举例:QT400-18,QT 表示球墨铸铁,400 指 0b=400MPa,18 指伸长率为 18%.常用牌号 QT450-10、QT500-7、QT600-3、QT700-2 等.3. 可锻铸铁合金中的碳元素呈团絮状石墨形式,与灰铸铁相比有较好的塑性和韧性,又比钢具有更好的铸造性能,常用于截面较薄而形状复杂的轮壳、管接头等.根据组织成分和性能分为:具有一定韧性和较高强度的
34、黑心可锻铸铁KTH,强度较高、耐磨性好的珠光体可锻铸铁 KTZ 及韧性和加工性能均较好的白心可锻铸铁 KTB.牌号举例:KTH300-06,KTH 表示黑心铸铁,300 指 0b=300MPa,06 表示伸长率为 6%.常用牌号有 KTH330-08、KTH370-12;KTZ450-06KTZ650-02;KTB350-04KTB450-07.4. 耐蚀、耐热、耐磨铸铁在铸铁中加入硅等原素可大幅度地提高铸铁的耐蚀性,它对硫酸、室温下的盐酸、浓硝酸和有机酸等有良好的耐蚀性,将这种铸铁称为耐蚀铸铁或高硅铸铁 STSi15R;在铸铁中加入 Cr 等原素形成耐热铸铁 RTCr;在铸铁中加入 Mn 等
35、原素形成耐磨铸铁 MQTMn6 或抗冲击又耐磨的抗磨铸铁 KMTBMn5W3 等.五、有色金属及其合金化工设备常用有色金属有铝、铜、铅、钛及其合金等.1. 铝及铝合金铝具有高的导电、导热性,且塑性好.铝在中性及近中性的水及大气中有很高的稳定性,在氧化性酸或盐溶液中也十分稳定.例如铝在浓硝酸中的耐蚀性比不锈钢还高,所以常用于浓硝酸的生产中.铝在太多数有机介质中有良好的耐蚀性.在有机的食物酸中不沾污,无毒害,也不会改变保藏物品的颜色,所以常用于食品工业.由于铝的导热系数高,在低温下仍能保持较好的塑性,常用于制作深冷设备.纯铝强度低,使用受到一定限制,加入某些合金元素如Cu、Mg、Mn、Si 等可以
36、使强化.A1-Cu 合金(硬铝)耐蚀性较差,A1- Mn,A1- Mg, A1- Mg-Si 等合金耐蚀性好.2. 铜和铜合金铜具有良好的导电、导热性和塑性.铜在大气、水、海水和中性盐溶液中耐蚀,在稀 H2SO4、HC1 等非氧化性介质中也很稳定.但在氧化性介质及有氧的碱中不耐蚀.铜和锌和合金称为黄铜,其耐蚀性一般与纯铜差不多,常用来作海水的热交换器等.铜和锡、铝、铅、锑等组成的合金称为青铜,它具有较高的耐蚀性和耐磨性,常用来制作轴瓦等耐磨零件.3. 铅和铅合金铅对稀 H2SO4特别耐蚀,在浓度低于 80%的热硫酸(85以上)和96%以下的冷硫酸以及硫酸盐溶液中具有好的耐蚀能力,这是因为腐蚀产
37、物 PbSO4溶解度小,有很好的保护性.线铅的强度低,硬度小,一般作设备衬里,如果用来制造贮槽管道等则需采取加强措施.铅锑合金称为硬铅,它的强度硬度较纯铅高,耐蚀性与纯铅类似,常用来制造输送硫酸的泵管道和阀门等.铅属于有毒金属,铅及其合金不允许用于食品和医药工业.六、非金属材料非金属材料种类很多,根据材料性质,可分为无机材料和有机材料两类.按使用方法则可分为结构材料、衬里材料、镀层材料、涂料及浸渍材料等.1. 无机材料常用无机材料有化工陶瓷、化工搪瓷、玻璃及石墨等.化工陶瓷材料具有优良的耐蚀性能,除了氢氟酸、硅氟酸及热或浓碱液外,几乎能耐一切介质腐蚀.但它的强度低、性脆,并且导热系数小,热膨胀
38、系数较大.因此不耐冲击,局部过热或骤冷、骤热易损坏.化工陶瓷常用来制造接触强腐蚀介质的塔器、泵、管道、瓷砖等.化工搪瓷除氢氟酸、含氟化物溶液、浓热磷酸及强碱外,对各种浓度的无机酸、有机溶剂和弱碱等均耐蚀.化工搪瓷适应温度剧变的性能不太高.因搪瓷层与钢铁热膨胀系数相差大,急冷、急热易引起瓷釉层破裂,故实际使用温度最高不超过300,温度急变的温差不超过 120.化工搪瓷制品有反应釜、贮槽、塔器、热交换器、管子等.玻璃具有良好的耐蚀性和热稳定性,但不耐冲击,耐温度剧变性能差.常用玻璃制作反应器热交换器泵及管道等.2. 有机材料化工上常用的有机材料有塑料橡胶等.塑料是作为化工设备结构材料的一种主要的有
39、机高分子材料,塑料种类很多,常用的有硬聚氯乙烯酚醛塑料玻璃钢等.硬聚氯乙烯具有良好的耐腐蚀性,且具有一定的机械强度,成型加工和焊接比较方便,所以在硝酸盐酸硫酸和氯碱等生产系统中,广泛用来制作贮槽塔器泵及管道等,一般使用温度为-1050,作为非受力构件时,温度可达 80.第六章 容器一、容器的分类1、按容器的作用原理分：换热容器、反应容器、分离容器、贮运容器2、按容器承受的介质压力来分：（1）常压容器：对于圆筒形容器，-0.02MPaP0.1 MPa（2）受压容器：A、外压容器：容器外部压力大于内部压力B、内压容器：低压容器：0.1MPaP1.6 MPa中压容器：1.6 MPaP10.0MPa高
40、压容器：10MPaP100 MPa超高压容器：P100 MPa3、按容器壁厚分：根据容器外径 D0和内径 Di的比值（K= D0/Di）将容器分为薄壁容器（K1.2）和厚壁容器（K1.2） 。4、压力容器综合分类国家劳动部门为了便于安全技术管理和监督检查，根据容器承受压力的高低，压力与容积的乘积大小、介质的危害程度，及容器在生产过程中的作用的综合分类方法。 压力容器安全技术监察规程将容器分为三类：一类容器：低压容器（二、三类容器中的低压容器除外）二类容器：属下列情况之一者为二类容器。（1）中压容器（三类容器中的中压容器除外） ；（2）毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；（3）易燃或毒性程度
41、为中度危害介质的低压容器和贮存容器；（4）搪玻璃压力容器；（5）低压管壳式余热锅炉；三类容器：属下列情况之一者为三类容器。（1）高压容器；（2）毒性程度极度和高度危害介质的中压容器和 PV0.2MPa*m 3的低压容器；（3）易燃或毒性程度为中度危害介质且 PV0.5MPa*m 3的中压反应容器和 PV10MPa*m 3的中压贮存容器；（4）高压、中压管壳式余热锅炉。第七章 容器零部件一、法兰1、法兰连接密封的结构及工作原理法兰连接由一对法兰、垫片和螺栓组成。垫片装在两个法兰之间，法兰通过连接螺栓压紧垫片来实现密封。2、法兰类型根据法兰与设备或管道连接的整体程度可分为：（1）整体法兰A、对焊法
42、兰：法兰带有锥颈，又称为带颈对焊法兰。这种法兰的法兰环、锥颈和壳体有效的连成一整体，壳体与法兰能同时受力，法兰的强度和刚度较高。但法兰受力会在壳体上产生较大的附加应力，造价较高。适用于压力、温度较高及有毒、易燃、易爆的重要场合。B、平焊法兰：又称为任意式法兰。从结构上看，法兰与壳体连成一体，但两者间的整体程度比较差。但由于法兰结构比较简单，广泛用于温度、压力不太高的场合。（2）松式法兰A、活套法兰：由于法兰未能与壳体有效地连成一体，它对设备或管道不产生附加应力，法兰刚度小，法兰厚度较整体法兰厚。这种法兰适用于有色金属（如铜和铝）和非金属设备及管道的连接，因法兰不与介质接触，对不锈钢制设备采用碳
43、钢制法兰，可节约贵重材料。B、螺纹法兰：这种法兰受力后的附加应力小，可用于小口径高压管道的连接。第八章 管壳式换热器管壳式换热器又称为列管式换热器.这种换热器具有处理能力大,适应性强,可靠性高,设计和制造工艺成熟,生产成本低,清洗较为方便等优点.是目前生产中广泛使用的一种换热设备.管壳式换热器的设计或选用,除应满足规定的化工工艺条件外,还需满足下述各项基本要求:(1) 换热效率高;(2) 液体流动阻力小,即压力降小;(3) 结构可靠,制造成本低;(4) 便于安装、检修.一、 管壳式换热器的型式管壳式换热器种类很多,根据换热器所受温差应力以及是否采用温差补偿装置,分为刚性结构和具有温差补偿的两类
44、.常用的管壳式换热器有固定管板式、浮头式、填函式和 U 型管式等.1. 固定管板式换热器固定管板式换热器,分为刚性结构的固定管板式和带膨胀节的固定管板式两种.刚性结构的固定管板式换热器由管板(可兼作法兰)管束管箱折流板接管壳体封头等部分组成.换热器壳体和管束通过两端的管板刚性地连在一起.这种换热器具有结构简单,造价较低,每根管子都能单独更换,管内便于清洗等优点.常用于管束和壳体温差较小,壳程介质清洁,不易结垢的场合.当管束与壳体温差较大时,可在壳体上设置膨胀节进行温度补偿.由于设备的强度受到波形膨胀节的限制,故设置膨胀节的换热器在壳程不能承受太高的压力.2. 浮头式换热器浮头式换热器中只有一块
45、管板与壳体刚性固定在一起,另一端的管板可在壳体内自由移动.管束和壳体在不同温度下膨胀自由,互不牵制.这种换热器消除了温差应力的影响,可用于温差较大的两种介质的换热.管程和壳程,均能承受较高的介质压力.管束可从壳程一端抽出,壳程与管程的清洗均很方便.但由于该换热器管束与壳程之间存在着较大的环隙,其设备的紧凑性差,传热效率较低.浮头部分由活动管板浮头盖和钩圈组成.这种换热器结构较复杂,浮头处发生内漏不便检查,金属消耗量较大,造价也较高.3. 埴函式换热器埴函式换热器,换热器的浮头与壳体间,采用填料函进行密封和热补偿.这种换热器结构简单,造价较浮头式低.但壳程受到填料密封的限制,不能承受过高的压力和
46、温度.为了减少管束与壳体之间的环隙,可用采用所示的滑动管板结构.由于将填料安装在管板处,使结构更紧凑,密封性能也更为可靠.4. U 型管式换热器这种换热器的管束弯成 U 型,U 型管两端固定在同一块管板上,在管箱中加有一块隔板.U 型管式换热器只有一块管板,结构简单,造价便宜.但由于管子呈 U型,管内清洗困难,管板上排的管子数比起直管在管板上的排列数要少.管束的中心还存在着空隙,壳程流体在流动过程中容易短路而降低传热效率,为此,常在壳程加一纵向挡板,迫使两种液体呈全逆流.各排 U 型管由于弯曲半径不同,管子的长度也不同,所以管程流体分布不太均匀,管束中的 U 型管出现泄漏只得将漏管端头堵上,不
47、能更换管子.U 型管式换热器主要用于管内清洁而不结垢的高温、高价介质.壳程介质适应性强,常用于高压、高温、粘度较大的场合.二、管壳式换热器的结构1. 管子直径的选择换热管直径的确定要考虑管内介质的物性和管内流速、流量,为了提高传热效率,通常要求管内流体呈湍流流动(液体流速为0.32m/s,气体流速 825m/s),故一般要求管径要小.若管内介质粘度较大,为了便于清洗,减少流动阻力及降低输送介质的动力消耗,可适当增大管径.常用的碳钢和普低钢无缝管的规格有192、252.5、382.5、572.5、573.5 等,对于不锈钢常采用252 或382.5。铸铁和高硅铁管从制造角度考虑直径以 50100
48、mm 为宜.2. 管子材料的选择管子材料应根据设计压力、温度、介质和腐蚀等条件来选择,在满足以上条件的前提下,尽量选择导热性好的材料,对一般介质,普通碳钢用得最广泛,特别是 1020 号无缝钢管.3. 管子长度的选择管子长度主要根据工艺计算和整个换热器的几何尺寸的布局来确定,管子越长,换热器单位材料消耗越低.但管子不能太长,太长对流体产生较大阻力,维修清洗运输安装都不方便,管子本身受力也不好.常用管长规格 11.522.53456m 等.一般卧式换热器长径比为 610,立式 46 为宜.三、管子在管板上的排列管壳式换热器的管子在管板上的布置不单只考虑设备的紧凑性,还要考虑流体的性质,结构设计以
49、及加工制造方面的情况.常用正三角形排列转角三角形排列正方形排列和转角正方形排列.当壳程为清洁、不结垢的液体时,宜选用正三角形排列,因为同样的管板面积上,正三角形排管最多.壳程流体粘度较大或易结垢需定期清洁壳程时,一般采用正方形排列.正方形排列在相同管板面积上排列的管子数量少,比正三角形排列少 10%14%.多程换热器,常采用正三角形和正方形组合排列方法,以便安排隔板位置.对于直径较大,管子较多,按正三角形排列管子总数超过 127 根时必须在管束周围的弓形空间尽量再配置附加换热管.这不但增大换热面积,还可防止流体在弓形区域内形成短路.管板上两根管子中心间的距离,称为管间距.确定管间距既要考虑结构紧凑性,传热效率,又要考虑管板强度和清洗空间及管子在管板上固定的影响,对于正三角形排列,管间距应大于或等于管子直径的 1.25 倍,且不少于 d0+6mm.对于多程换热器,隔板两侧第一排间距可大一些,以满足隔板的
