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1、1,化工与材料学院 唐小勇 2009年2月23日,化工设备机械基础,2,在我们的化工生产过程中 会用到哪些设备呢？,让我们先看看再说,3,化工设备,(1)反应设备：反应器、发生器、聚合釜、分解塔、合成塔等(2)换热设备：热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、余热锅炉等(3)分离设备：分离器、过滤器、洗涤器、吸收塔、干燥塔、精馏塔等(4)贮运设备：贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等,4,蒸压釜,5,不锈钢反应釜,6,不锈钢反应釜,7,8,精馏塔,9,热交换器,10,冷却器,11,蒸发器,12,13,铸钢闸阀,14,Z41苏式闸阀,铸钢闸阀,铸钢阀门,国标阀门,ZA40新型短系列法兰闸阀，短系列闸阀，
2、美式闸阀,Z40H美标楔式闸阀,美标闸阀,铸钢阀门,15,1.这些设备要满足什麽生产工艺要求？结构如何才可以？ 2.用什麽材料，如何制作出来的？ 3.抵抗压力，温度的能力如何？安全性如何？ 4.经济性如何？,这些就是本课程要解决的一些问题， 下面我们来看看这门课的学习内容与要求。,16,一.主要内容：,1.化工设备常用材料简介化工设备常用材料性能、分类、热处理方法； 2. 中、低压化工容器设计薄膜理论；内、外压容器设计方法、容器零部件设计； 3.典型化工设备机械设计列管式换热器、塔设备以及反应釜的结构及机械设计方法。,17,二.学习本课程的目的与要求：,目的：基本掌握化工设备常用材料的主要性能
3、及选用方法；基本掌握中低压、外压容器及典型化工设备的设计方法。 要求：1. 重点掌握设计概念及方法；2.掌握化工设备的结构特点；3.领会贯通课堂上讲授的内容。,18,1.确定设计原则 经济指标，生产可靠度，能力，材质，自动化程度，设备备用，进一步的发展等。 2.确定设计基础 年操作时间，原材料，产品，消耗与回收，界区交接条件，公用工程规格等。 3.工艺流程图设计(PFD) 过程确定，系统合成，工艺计算，设备特性要求，控制要求等。 4.带控制点的管道流程图（PID) 5.工艺设备设计设计温度，设计压力，结构设计，材质选择，壁厚确定等。,设计内容！,三、设计,19,6.定型设备选型。 7.设备布置
4、设计。 8.管道工程设计。 9.保温工程设计。 10.公用工程设计。,自己具备了哪些 基础知识和技能？,20,四.主要参考书及参考资料：,1.化工设备机械基础(第五版）刁玉玮 王立业编著； 2. 压力容器安全技术监察规程1999； 3. 钢制压力容器 GB150-1998； 4. 管壳式换热器 GB151-1999 ； 5. 钢制塔式容器 JB4710-2002 ；,21,潘永亮主编，化工设备机械基础，科学出版社，2006.12 赵军，张有忱等化工设备机械基础北京：化学工业出版社， 20002 董大勤.化工设备机械基础北京：化学工业出版社， 20031 朱有庭，曲文海等化工设备设计手册北京：化
5、学工业出版社， 2005.6 汤善甫、朱思明主编，化工设备机械基础，华东化工学院出版社，2004 朱有庭，曲文海等化工设备设计手册北京：化学工业出版社， 2005.6,22,绪论,一、问题的提出,二、课程内容,（一）设备是工艺的基础,（二）材料是设备的基础,（一）基础篇材料,材料的性能,23,内压容器,外压容器的失稳,（二）理论篇中低压容器设计（内压和外压）,24,（三）实践篇典型设备（换热器、塔设备、搅拌器）,25,第一章 化工设备材料及其选择,教学重点：（1）材料的力学性能；（2）化工设备材料的选择。 教学难点：材料的性能。,26,第一节 概述,一、化工设备选材的重要性和复杂性 1.操作条
6、件的限制 2.制造条件的限制 3.材料自身性能的限制 二、选材要遵循适用、安全和经济的原则。,压力：从高真空到几千大气压,故有强度要求温度：-2502000，材料受冷、热 介质：酸碱（腐蚀）、易燃、易爆、毒性以及核反应堆中子照射（变脆),设备在制造过程中，要经过各种冷、热加工使它成型，例如下料、卷板、焊接、热处理等，要求材料的加工性能要好。,选用材料的一般要求（1）材料品种应符合我国资源和供应情况；（2）材质可靠，能保证使用寿命；（3）足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐蚀性介质能耐腐蚀；（4）便于制造加工，焊接性能良好；（5）成本低，经济上合算。,27,第二节 材料的性能,一、力学性能材料在外
7、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。,28,金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，这种现象就称为屈服。,1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度等。,29,常温拉应力下20号钢的拉抻试验,l0=10d0,l0= 5d0,或,30,从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫做抗拉强度。,开始出现塑性变形时的应力，称为“屈服点”,ss,sb,31,（1）屈服点（s）金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑
8、性变形，这种现象，习惯上称为“屈服”。发生屈服现象时的应力即开始出现塑性变形时的应力，称为“屈服点”，用s (MPa)表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。,载荷不再增加，甚至有所降低时，试件还在继续伸长的最小载荷，N,试件的原始横截面积，m2,无明显屈服点的材料，工程中规定发生0.2残余伸长时的应力，作为“条件屈服点” 。,32,1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。,金属在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所能承受的最大应力值，叫作抗拉强度。,33,抗拉强度（ b ）,屈强比（ s / b ）：屈强比越小，材料的塑性储备越大，越不容易发生危险的脆性破坏；屈强比越大，
9、材料的强度水平发挥好，但塑性储备越小。,由于外力形式的不同，有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标。,34,1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。,材料在高温下，在一定的应力下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力。,35,材料在高温下，抵抗发生断裂的能力。,1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。,36,材料在交变载荷作用下，会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了，这种现象就是疲劳。我们把经过106108次循环试验而不发生断裂的最大应力，作为疲劳强度。,1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。,3
10、7,2、塑性： 金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。 主要有两个塑性指标： 延伸率断面收缩率,38,主要指标：,(1) 延伸率（）,39,（2）断面收缩率（y）,如：纯铁的延伸率为50%，20R的d5不小于25% ；16MnR的d5不小于21%；1Cr18Ni9Ti的d5不小于40%。,40,（3）冷弯性能,室温下对试板以一定的内半径（R=0.53板厚）进行弯曲，a=1200或1800 ，是否出现裂纹或起层。 -是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。,41,塑性指标的实际意义：,便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等； 使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。 压力容器及其零件都需要
11、具备这个性质。,42,3、韧性： 表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。,承受静载荷抗裂纹扩展的能力缺口敏感性 承受动载荷时抗裂纹的能力冲击韧性,43,摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功（试件所吸收的功）：Ak =G(H1-H2) 焦耳 吸收功的高低取决于材料能否迅速塑性变形的能力。,(1) 冲击韧性: 值的试验确定,44,冲击功AK=GH1-GH2，而冲击韧度K= AK/F（F为面积）,图1-1冲击试样的安放 1-摆锤 2-试样 3-机座,图1-2 冲击试验原理 1-摆锤 2-试样,45,断裂机理：冲击试样在受到摆锤突然打击发生断裂时，它的断裂过程是一个裂
12、纹发生和扩展的过程。在裂纹向前发展的道路中，如果塑性变形能发生在它的前面，就可以制止裂纹的长驱直入。它要继续发展，就需另找途径，这样就能消耗更多的能量。因此，冲击吸收功的高低，决定于材料有无迅速塑性变形的能力。,46,韧性高的材料，塑性好；塑性较高的材料，韧性也好。,问题,判断正误并说出理由,47,注意！韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。韧性高的材料，一般都有较高的塑性指标；但塑性较高的材料，却不一定都有高的韧性。其所以如此，就是因为静载荷下能够缓慢塑性变形的材料在动载荷下不一定能迅速塑性变形。,48,本质区别在于材料在动载荷作用下是否能够迅速发生塑性变形，吸收冲
13、击能量。,韧性与塑性区别何在？,49,缺口敏感性,指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件下，抵抗裂纹扩展的能力。,图1-3 冲击试验的标准试样,50,缺口敏感性属于材料的韧性范畴静载荷下抵抗裂纹扩展的性能。冲击韧性？是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。,51,4、硬度： 金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗 弹性变形、塑性变形或破断的能力。,布氏硬度( 布氏硬度450用HBS表示、450布氏硬度650时用HBW表示) 、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC） (可以用于硬度很高的材料) 、 维氏硬度HV ( 比洛氏硬度更适合于测定极薄试样的
14、硬度) ，显微硬度;肖氏硬度（HS）。,52,硬度高材料强度也高，耐磨性较好；硬度是材料的重要性能指标。硬度和强度间有一定关系： 如：低碳钢b36HBS;,布氏硬度试验示意图,53,材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位，但使用时要考虑温度的变化。,T,T,小结,54,二、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。,2、弹性模量E 材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即E，这个比例系数E称为弹性模量，表示金属材料在弹性变形阶段的应力和应变关系。 对不同材料，材料的弹性模量越大使它产生一定量的弹性变形的应力也越( )。对同
15、一种材料，弹性模数E随温度的升高而（ ）。,1、线膨胀系数,大,降低,55,2.泊桑比,泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比，以表示。对于各种钢材它近乎为一个常数，即0.3。,56,三、化学性能,1、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。 2、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是有一定影响的。,57,表1-1 几种材料在不同温度和浓度的酸、碱和盐类介质中的
16、耐腐蚀性,58,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。 良好的冷热加工性能 良好的焊接性能,四、加工工艺性能,59,第三节 金属材料的分类及牌号,一、分类,1、金属的分类,铸造生铁,金属,黑色金属,有色金属,生铁,钢,炼钢生铁,合金生铁,铜及其合金,轻金属及其合金,其它有色及其合金,纯铜（紫铜）,铜锌合金（黄铜）,铜锡合金（锡青铜）,无锡合金（铝青铜等）,铝及铝合金,钛及钛合金,镁及镁合金,铅、锡及其合金,锌及其合金,镍、钴及其合金,60,2、钢的分类,61,按脱氧情况和锭模型式的不同，钢可分为：沸腾钢，半镇静钢和镇静钢； 镇静钢：用Si，Al完全脱氧，钢锭模型上大下小，上部形成集中缩孔，用时把上部截去。有优质碳钢和合金钢，用于压力容器。 沸腾钢：用弱脱氧剂Mn，不完全脱氧（含O量0.03%-0.07%），钢锭模型上小下大，浇注后发生：FeO+C=CO+Fe的自脱氧反应，放出CO，出现沸腾。没有缩孔，气泡布满全锭。内不结构较疏松。含碳量常有偏析。 半镇静则介于钢镇静钢沸腾钢之间，钢锭模型上小下大。,
