精品课程

化 工 设 备

主讲 张剑峰 副教授

高

级工程师

一、课程地位• 化工生产基本组成• 工艺 : 压力 \ 温度 \ 流量 \ 流速• 设备：静设备和动设备• 静设备：塔、釜、罐、槽。

二、课程设计

• 1、课程的性质、任务与基本要求• 本课程是工程性和应用性很强的一门课，它必须反映出最新的工

程应用标准。教学中主要介绍化工容器与设备机械设计基础知识，其中以化工容器的工程设计方法为主线，以此来分析容器的应力（重点放在中低压容器），设备的结构与设计，容器的材料的选择及最新工程应用标准等。

• 通过本课程的学习，使学生掌握化工设备的概念，典型化工设备及主要零部件的结构、原理、功能，应用特点及其基本要求，学习压力容器的分类、组成和常用材料的选用原则，初步认识容器的常用规范；培养学生学会如何全面考虑、分析和解决工程实际问题，初步建立起完整的容器设计思想。

• 使学生掌握典型化工设备，如反应设备、换热设备、塔设备和外压设备等的分类、结构功能；根据有关标准和规范，对基本元件能够进行简单的强度计算。了解与化工设备配套使用的主要零部件，如密封、法兰连接、开孔补强与支座、膨胀节、搅拌装置等结构和使用特点，能借助有关的标准和规范进行选用。

2 、课程教学目标

• 本课程研究化工设备的结构与设计、容器的材料的选择及最新工程应用标准等，培养学生的构形设计能力和运用化工容器与设备机械设计基础知识解决实际问题的能力。

• 3、课程教学内容• 第一章 化工设备概述• 1. 化工设备及其应用• 2. 化工设备的特点• 3. 化工设备的基本要求 • 4. 压力容器及其分类• 5 ．压力容器常用材料• 6. 压力容器常用规范介绍• 7. 本课程的任务及性质• 第二章 化工设备强度基础• 1. 典型回转薄壁壳体的应力分析• 2. 边缘应力• 3. 厚壁圆筒应力分析• 第三章 内压薄壁容器• 1. 内压薄壁壳体的强度计算• 2. 设计参数的确定• 3. 内压封头结构和计算• 4. 压力试验和致密性试验• 第四章 外压容器• 1. 外压容器的稳定性• 2. 外压圆筒与外压球壳的图算法• 3. 外压圆筒的加强圈计算• 4. 外压容器封头设计• 5. 轴向受压圆筒• 第五章 厚壁容器• 1. 厚壁容器的结构和选材• 2. 厚壁容器的筒体结构形式• 3. 厚壁的强度计算• 4. 厚壁圆筒的自增强• 5. 厚壁容器的主要零部件• 第六章 化工设备主要零部件• 1. 法兰连接• 2. 开孔与补强• 3. 支座• 4. 安全附件

• 第七章 换热设备• 1. 换热设备的应用• 2. 换热设备的分类• 3. 管壳式换热器的分类• 4. 管壳式换热器的主要结构• 5. 管壳式换热器的标准及其选用• 第八章 塔设备• 1. 塔设备应用• 2. 板式塔• 3. 填料塔• 第九章 反应设备• 1. 概述• 2. 搅拌反应器的罐体• 3. 搅拌装置• 4. 搅拌反应器的传动装置• 5. 搅拌反应器的轴封

• 第六章 化工设备主要零部件• 1. 法兰连接• 2. 开孔与补强• 3. 支座• 4. 安全附件• 第七章 换热设备• 1. 换热设备的应用• 2. 换热设备的分类• 3. 管壳式换热器的分类• 4. 管壳式换热器的主要结构• 5. 管壳式换热器的标准及其选用• 第八章 塔设备• 1. 塔设备应用• 2. 板式塔• 3. 填料塔• 第九章 反应设备• 1. 概述• 2. 搅拌反应器的罐体• 3. 搅拌装置• 4. 搅拌反应器的传动装置• 5. 搅拌反应器的轴封

4、课程教学要求

• 1 ）．掌握化工设备的概念，应用特点及其基本要求，学习压力容器的分类、组成和常用材料的使用原则。

• 2 ） . 掌握典型薄壁壳体的基本结构和几何特征，通过圆筒形、球形、圆锥形和椭圆形等多种壳体的受力分析，掌握典型薄壁壳体的应力计算方法以及应力分布对其强度的影响。

• 3 ） . 在应力分析的基础上，掌握内压薄壁壳体和内压封头的强度计算公式建立的主要依据，掌握内压薄壁壳体及封头的强度计算的基本方法，理解内压薄壁容器进行压力试验的目的和有关规范要求。

• 4 ） . 掌握外压容器的失效形式，临界压力的概念，掌握承受外压典型壳体与封头的基本计算方法，理解加强圈设置的作用和掌握加强圈的图算方法。

• 5 ） . 了解厚壁容器的结构、厚壁筒体的自增强，能够对常用平盖、封头进行设计计算。

• 6 ） . 掌握法兰的分类、密封、标准及应用；掌握容器上开孔的目的，开孔处的应力，尺寸的限制，开孔补强设计的准则；了解化工设备中支座和安全附件的类型及应用场合。

• 7 ） . 掌握换热设备的分类及应用场合；熟悉管壳式换热器的结构特点、分类和应用场合，掌握选择原则，了解使用过程中的常见问题。

• 8. 掌握塔设备的作用和基本要求，熟悉不同类型塔设备的基本结构，主要特性和运用场合，了解塔设备及主要零部件选用的基本思路。 9. 掌握反应设备的分类、特点和应用的场合；熟悉搅拌式反应器的基本结构，掌握主要零部件的选用原则和基本方法。

5、课程学时分配

• 《化工设备》以《机械制图》、《机械设计基础》、《工程力学》、《机械工程材料》等课程为基础，通过本课程的学习，培养学生具有初步解决工程问题的能力，具有一定的分析与计算能力，是学习有关后继课程和从事专业技术工作的基础。

课程内容 理论讲授 实验课 习题课 小计

第一章 化工设备概述 4 4

第二章 化工设备强度计算基础 10 2 12

第三章  内压薄壁容器 12 2 14

第四章  外压容器 8 8

第五章  厚壁容器 8 2 10

第六章 化工设备的主要零部件 6 6

第七章  换热设备 6 6

第八章  塔设备 6 6

第九章  反应设备 6 6

期末复习 2 2

合计 62 10 72

• 6 、教学方法与手段① 讲授法② 启发引导法③ 讨论法④ 指导自学法⑤ 演示法⑥ 练习法⑦ 实验法

• 三 . 实训设备与实训环境• 1 、校内现设有专门的金工实习厂、机械制图与 CAD 机房、电工电子实训基地、设备拆装实训室、管路拆装实训室、化工仿真实训室、化工实训基地，可根据需要开设以下实训：

• （ 1 ）钳工实训• （ 2 ）车工实训（分为普通车工和数控车工实训）• （ 3 ）制图测绘与 CAD 实训• （ 4 ）离心泵拆装实训• （ 5 ）减速器拆装实训• （ 6 ）管路拆装实训• （ 7 ）电工电子实训 (440万 )• （ 8 ）精馏塔仿真实训• （ 9 ）离心泵性能测试仿真实训• （ 10 ）化工设备拆装实训 (800万 )

反应压力容器

图 1-2 高压反应器

图 1-3 合成塔

图 1-4 吸收塔

换热压力容器

图 1-5 列管式换热器

图 1-6 大型集成换热器

图 1-7 蒸发器图 1-8 废（余）热锅炉

分离压力容器

图 1-9 双介质过滤器

图 1-10 旋膜式除氧器

储存压力容器

图 1-11 液氨储罐

图 1-12 高位储罐

图 1-13 球形储罐

• 2.校外实习基地的建设与利用• 化工设备有着长期的校企合作经历，有固定

的校外实习基地，基本满足学生实习需要。在实习的同时，既锻炼学生又丰富教师的实践教学经验。

• 现有实习基地如下：• （ 1 ）呼和浩特市纳顺设备制造厂• （ 2 ）呼和浩特市飞鹰齿轮厂• （ 3 ）内蒙古天野化工集团• （ 4 ）呼和浩特市金山水泥厂• (5)乌兰水泥厂

• 3 、培养青年教师工作 1 ）青年教师、新教师的培养。 2 ）骨干教师的培养 。 3 ）专业带头人的培养 4 ）鼓励青年教师在职攻读硕士学位 5 ）支持青年教师到国内外进修学习 6 ）支持青年教师参与社会实践 7 ）强化青年教师职业技能培训 8 ）注重校内外青年教师学术交流 9 ） .职业生涯规划 10 ） .政策和经济保障

• 4、建设计划• 1） .专业建设计划• 2） .教材建设计划• 3） .师资队伍建设计划• 4).课程建设计划

四、课程简介1 化工容器的基本结构 (生产过程 :工艺和设备 )

由于化工设备的适用场合不同，设备内部的结构也不

同，但它们都有一外壳，这一外壳称为容器，故化工设备

又称为化工容器。

化工容器的特点：经常在高温、高压场合下工作，内部

的介质通常易燃、易爆、有毒、有害且具有腐蚀性。

化工容器的结构组成

化工容器常见的结构由：筒体、封头、支座、密封装置、开

孔以及各种工艺接管和附件等。

图 1-1 　 卧式容器的结构简图

不同类型的化工容器虽然服务对象不同、操作条件各异、结构形式多样，但大多是能承受一定压力且容积达到一定数值的密闭容器，化工容器又称压力容器。

为了了解各种压力容器的结构特点、适用场合以及设计、制造、管理等方面的要求，需对压力容器进行分类，本课程着重

介绍中国《压力容器安全技术监察规程》中的分类方法。

2 、化工容器的分类

(1) 、内压容器：容器器壁内部的压力高于容器外表面所承受的压力。低压容器（ L） 0.1MPa ≤ P<1.6MPa中压容器（ M） 1.6MPa ≤ P<10.0MPa高压容器（ H） 10.0MPa ≤ P<100MPa超高压容器（ U） P≥100MPa

(2) 、外压容器：容器器壁外部的压力大于内部所承受压力。

容器的内压力小于一个大气压 (0.1MPa) 时称为真空容器

1 ） .按压力容器承压等级分类

2 ） .按压力容器的工艺用途分类

（ 1）反应压力容器（ R）：主要用于完成介质的物理、化学反应的压力容器。代表设备：反应器、分解塔、合成塔

（ 2）换热压力容器（ E）：主要用于介质热量交换的压力容器。

代表设备：换热器、余热或废热锅炉、冷凝器、蒸发器等。

（ 3）分离压力容器（ S）：主要用于介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器。

代表设备：分离器、过滤器、缓冲器、干燥器等。

（ 4）储存压力容器（ C，球罐 B）：主要用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器。

代表设备：液化石油气储罐、液氨储罐、球罐、槽车等

3 ）、按容器壁温分类

（ 1）、常温容器 壁温 -20℃～ 200℃ 　　

（ 2）、高温容器 指壁温达到材料蠕变温度下工作的容器。

碳钢 >420℃;合金钢 >450℃; 奥氏体不锈钢　 >550℃

（ 3）、中温容器 指壁温在常温和高温之间的容器；

（ 4）、低温容器 指壁温低于 -20℃条件下工作的容器。

其中壁温在 -20 ℃ ～ -40 ℃称为浅冷容器。

壁温低于 -40℃者为深冷容器。

4 ）、按容器壁厚分类

根据容器器壁的厚度不同，将压力容器又可分为：薄壁容器和厚壁容器。判别条件如下：（ 1）、 径比 K= D0/Di ≤ 1.2 为薄壁容器

（ 2）、 径比 K= D0/Di ＞ 1.2 为厚壁容器

D0 ——容器外径 Di ——容器内径

3. 化工生产对化工设备的基本要求

许多化工生产过程在高温、高压下进行，处理的物料也多为有毒、有害、易燃、易爆的，故为了保证化工生产能安全正常的进行，必须要求化工设备具有足够的安全可靠性。1）、安全方面的要求 :Example:(CNGV)（ 1）、强度：指设备及其零部件抵抗外力破坏的能力。（ 2）、刚度：指设备及其零部件抵抗外力作用变形的能力。（ 3）、稳定性：指设备及其零部件在外力作用下维持原有的能力。（ 4）、耐蚀性：指设备抗腐蚀的能力。（ 5）、密封性：指设备阻止介质泄漏的能力。

2 ）、 经济方面要求

化工设备除了要满足安全可靠性之外，还需满足经济方面

要求。

（ 1）、尽量降低设备成本：通过节约材料、优化加工制造

工艺等。

（ 2）、操作维修方便：考虑设备在使用过程中便于拆装、

检修、清洗等操作。

42

pD

21

pD

03

属二向应力状态

４、 内压薄壁壳体的强度计算

1 ）、内压薄壁压力容器的应力状态

图 4-1 应力状态

][2max

pD

iDD

ct

ic

p

Dp

2 22

Cp

Dp

ct

icd

考虑介质腐蚀性，引入

考虑钢板厚度负偏差，引入

２）、内压薄壁圆筒强度计算公式考虑焊缝对材料强度的削弱，引入

考虑温度对材料的影响引入 t

2C

1C

12

2CC

p

Dp

ct

icn

t

pD

2

因圆筒内径由工艺计算决定，故

用计算压力代设计压力 ppc

并圆整

(1)(1) 、厚度的定义、厚度的定义

计算厚度 d

n

2C

设计厚度

1C

圆整值

名义厚度

有效厚度e

21 CCC

毛坯厚度

加工减薄量

3 ）、容器的厚度和最小厚度

图 3-2 壁厚的概念

谢  谢 ！谢  谢 ！

2009.4.2

内蒙古化工职业学院测控与机电工程系欢迎您指导