化工设备的计算.docx

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1、 一般化工和设备的 设计及其计算 编辑： 二00四年月八日目 录1、目录-22、筒体和封头设计的参数选择-3 （一）、设计压力 P-3 （二）、设计温度 T-3 （三）、许用应力和安全系数 n-4 （四）、焊接接头系数 -6 （五）、壁厚附加量 C -7 （六）、直径系列与钢板厚度-7 （七）、最小壁厚-83、筒体与封头的设计及计算-9 （一）、受内压薄壁园筒的计算公式-9 （二）、半球形封头的计算公式（凹面受压）-11 （三）、椭圆形封头的壁厚计算-11（四）、锥形封头的壁厚计算-13（五）、平板封头的壁厚计算-134、化工计算公式及举例-16 （一）、热位移和热-16 （二）、热应力产生的

2、轴向推力-16 （三）、流体管径的计算-17 （四）、流体管子壁厚计算-18 （五）、泵的功率和效率计算-195、传热学的有关公式及举例-21 （一）、热量衡算-21 （二）、传热方程式-26 （三）、传热温度差-27 （四）、导热方程式和导热系数-30 （五）、给热方程式和给热系数-34 （六）、传热系数-40 （七）、污垢热阻-48 （八）、管路与设备的热损失和热绝缘-50 （九）、加热、冷却和冷凝-54 （）、蒸发-646、有关参数-75一般化工设备计算公式及举例筒体和封头设计的参数选择 一、 设计压力 P设计压力是容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于正常

3、工作情况下容器顶部可能达到的最高压力。在相应设计温度下，确定容器壳壁计算厚度及其它元件尺寸时，还需要考虑液柱的静压、重量、风载荷、地震、温差及附件重量等等载荷，因此必须结合具体情况进行分析。用于强度计算的压力称计算压力。设计压力的取值如下：P-设计压力 Pw-工作压力1、 装有安全泄放装置：P1.051.10Pw2、 外压容器：P可取略大于可能产生的内外压力差3、 真空容器：P（1）无安全控制装置取0.1MPa （2）装备安全控制装置取1.25倍的最大内外压力差或0.1MPa两者中的较小值4、装有液化气体容器：P根据容器可能达到的最高温度来确定（设置在地面的容器可按不低于40时的气体压力来考虑

4、）4、 装有爆炸性介质并装有爆破片的容器：P =取爆破片计算爆破压力加上爆破片制造范围的上限二、 设计温度 T设计温度系指容器在工作过程中在相应的工作压力下壳壁元件金属可能达到的最高或最低温度。容器的壁温可以由实验或由化工传热过程计算确定，若无法预计壁温，可参照下列设计决定温度：1、 不被加热或冷却的器壁，壁外无保温 ：T取介质的最高或最低温度2、 用蒸汽、热水或其它液体介质加热或冷却的器壁：T取加热介质的最高温度或冷却介质的最低温度。3、 用可燃气体加热或用电加热的器壁：T器壁裸露在大气中取t介20，直接受影响器壁取介质温度t介50，载热体温度超过600取t介100。设计温度不低于250。三

5、、 许用应力 和安全系数 n材料的许用应力是以材料的极限应力为依据，并选择合理的安全系数后而得，即： 极限应力/安全系数对于低碳钢一类的塑性材料制的容器，采用屈服强度s作为计算许用压力的极限应力，但在实际应用中还常常用强度极限 h作为极限应力来计算。当碳素钢或低合金钢的温度超过420，低合金铬钼钢超过450，奥氏体不锈钢超过550的情况下，必须同时考虑蠕变极限来确定许用应力。对于化工容器常以在一定温度下经过10万小时产生1变形时的应力定为材料在该温度下的蠕变极限，nt表示。这时的蠕变速度为1/10510-7mm/（mm.h）。对于同一材料在同一温度下，蠕变速度不同，则蠕变极限也不同。 目前确定

6、许用应力的极限应力值比较多的是采用持久极限来代替蠕变极限。这是因为对于蠕变只规定了蠕变速度，设计的容器在使用过程中会不断伸长，材料在高温下的延伸率较常温时小得多，往往在小变形情况下就发生断裂。所以只有当无持久极限数据时，才按蠕变极限来计算。持久极限是在某一温度条件下，达到额定时间（一般为10万小时）材料产生断裂时的应力，以Dt表示。综上所述，对于钢制压力容器，许用应力取下列中的最小值： b/nbs（0.2）/nsts（t0.2）/nstD/nD或tn/nn式中：nb，ns，nD，nn 为相应的安全系数。目前，GB150对中低压容器所取的安全系数如下：对常温下的最低抗拉强度b取安全系数nb3对常

7、温或设计温度下的最低屈服点 s或ts， （0.2）或ts（t0.2）取安全系数 对碳素钢，低合金钢ns1.6 对高合金钢ns1.5对设计温度下的持久强度（经过10万小时断裂） tD平均值取安全系数nD1.5对设计温度下的蠕变极限tn（在10万小时下蠕变率为1）取安全系数nn1.5以上安全系数对碳素钢，低合金钢，高合金钢均适用。 -许用应力，对于普通钢材以强度极限为计算基础的安全系数nb4，屈强比在70以上的钢材，以屈服极限为计算基础的安全系数ns2.5。目前常用钢材的最低许用应力举例如下：、Q235 = b/ nb375/3125.0 MPa、16Mn = b/ nb510/3170.0 MP

8、a、0Cr19Ni9 （304） = b/ nb520/3173.4 MPa、1Cr18Ni9Ti （321） = b/ nb540/3180.0 MPa、0Cr17Ni12Mo2 （316） = b/ nb520/3173.4 MPa、00Cr17Ni14Mo2 （316L） = b/ nb520/3173.4 MPa -许用应力在工程计算中取安全系数 nb4 上列各式计算如下：、Q235 = b/ nb375/493.75 MPa、16Mn = b/ nb510/4127.5MPa、0Cr19Ni9 （304） = b/ nb520/4130.0 MPa、1Cr18Ni9Ti （321）

9、= b/ nb540/4135.0MPa、0Cr17Ni12Mo2 （316） = b/ nb520/4130.0 MPa、00Cr17Ni14Mo2 （316L） = b/ nb520/4130.0 MPa四、 焊接接头系数 焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构钢性约束造成焊接内应力过大。 焊接区强度主要决定于熔焊金属，焊缝结构和施焊质量。因此在设计时应考虑母材的可焊性与焊接件的结构，选择适当的焊条和焊接工艺，而后按焊接接头型式和焊缝的无损探伤检验要求，选取焊接接头系数。推荐的焊接接头系数如下

10、：、双面焊的对接焊缝： 100无损探伤 1.0 局部无损探伤 0.85 、单面焊的对接焊缝： 100无损探伤 0.9 局部无损探伤 0.8、双面焊的对接焊缝：无无损探伤 0.8、单面焊的对接焊缝：无无损探伤 0.6五、 壁厚附加量 C容器壁厚附加量主要考虑介质的腐蚀裕度 C2 和钢板的负偏差 C1 即： CC1C2、 腐蚀裕度腐蚀裕度由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命决定。 C2KsB Ks为腐蚀速率（mm/a），查材料腐蚀手册或由实验确定。B为容器的设计寿命，通常为 1015年。 当材料的腐蚀速度为 0.050.1mm/a时，考虑单面腐蚀取 C212mm；双面腐蚀取 C224mm。

11、当材料的 Ks0.05mm/a，考虑单面腐蚀取 C21mm；双面腐蚀取 C22mm。 对不锈钢，当介质的腐蚀性极微时取 C20。、 钢板负偏差钢板厚度的负偏差如下：钢板厚度：2.5 2.83 3.23.5 4.55.5 67 825负偏差 ：0.2 0.22 0.25 0.3 0.5 0.6 设计一般可取 C10.51.0mm六、 直径系列与钢板厚度压力容器的直径由生产需要确定，当必须考虑标准化的系列尺寸。常用内径系列如下：300 400 500 600 700 800 900 1000 1200 14001600 1800 2000 2200 2400 2800 3000 32003400

12、3600 3800 4000括号内的尺寸一般不考虑：（350 450 550 650 11001500 1700 1900 2100 2300）1501钢板厚度应符合冶金产品的标准。热轧钢板的厚度尺寸：46mm，每档间隔0.5mm；630mm，每档间隔1.0mm；3060mm，每档间隔2.0mm。七、 最小壁厚容器壁厚除了满足强度条件外，还必须满足容器的钢性要求，容器不包括腐蚀裕量的最小壁厚规定如下：、 对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于 3mm。、 对于不锈钢容器，最小厚度不小于 2mm。在实际设计中，直径1000mm时，根据经验取：、 对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于 4mm

13、。、 对于不锈钢容器，最小厚度不小于 3mm。真空容器在实际设计中，直径1000mm时，根据经验取：、 对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于 6mm。、 对于不锈钢容器，最小厚度不小于 4mm。八、味精厂设备容器及管道焊接材料（用于电弧焊） （1）、碳钢之间，J422（J结）； （2）、不锈钢之间，A132（A奥），（用于304、321、316等）（3）、碳钢与不锈钢之间，A302。九、设备按压力高低，划分为四个压力等级： （1）、低压-0.1MPaP1.6 MPa；（味精厂一般为低压容器） （2）、中压-1.610.0 MPa； （液氨储槽，高中压锅炉） （3）、高压-10.0100.0

14、 MPa；（化肥厂，化工厂，等） （4）、超高压-100.0 MPa。、容器分为、类，味精厂一般为、类容器。有关标准为： JB/T4735-1997钢制焊接常压容器；JB4731-98钢制卧式容器；GB150-89，GB150-1998钢制压力容器等标准。筒体与封头的设计及计算一、受内压薄壁园筒的壁厚计算公式一般由化工工艺条件确定的园筒设备设计壁厚公式如下：SPD/(2t-P)C2式中：S计算壁厚，P设计压力，MPD园筒的内径，t设计温度下园筒材料的许用应力，MP焊接接头系数或许用应力折减系数，1C2腐蚀裕量，为使上式严格用于薄壁园筒，GB150将它限于P0.4 t，即相当于将园筒径比K值限在

15、一定范围内，以符合薄壁的假设前提。例1：某化工塔4000、H10000、P=0.6MP、材料Q235B、 腐蚀速率0.050.1、双面腐蚀、双面焊接的局部无损探伤、操作温度160。求该设备的壁厚？解：已知P=0.6MP，D4000，t94MP，0.85C24SPD/(2t-P)C2 0.64000/（2940.85-0.6）4 15.08419.0820例2：某化工塔4000、H10000、P=0.6MP、材料1Cr18Ni9Ti、 腐蚀速率0.05、双面腐蚀、双面焊接的局部无损探伤、操作温度160。求该设备的壁厚？解：已知P=0.6MP，D4000，t135MP，0.85C22SPD/(2t

16、-P)C2 0.64000/（21350.85-0.6）2 10.5212.513 例3：硫酸储槽60007200，浓度98，比重1.3，碳素钢Q235B，双面腐蚀，双面焊接的局部无损探伤，腐蚀速率0.050.1。求该设备壁厚？解：已知P=0.1MP（静压7.21.39.36M10M水柱)，D6000，t94MP，0.85C11，C24SPD/(2t-P)C1C2 0.16000/（2940.85-0.1）14 3.75144149注：根据经验确定，对碳素钢和低合金钢的钢性要求，在1000mm取最小壁厚4，故计算壁厚3.75取4。例4：热水储槽60007200，不锈钢304，双面腐蚀，双面焊接

17、的局部无损探伤，腐蚀速率0.05。求该设备的壁厚？解：已知P=0.1MP（静压7.21.07.2M10M水柱)，D6000，t130MP，0.85C11，C22SPD/(2t-P)C1C2 0.16000/（21300.85-0.1）12 2.72123126mm注：根据经验确定，对不锈钢（304）的钢性要求，在1000mm取最小壁厚3，故计算壁厚2.75取3。二、半球形封头的壁厚计算（凹面受压）PDiSc=C24t-P 为使式严格用于薄壁球壳，GB150将它限于P0.6t,即相当于将球壳径比K值限在一定范围内，以符合薄壁的假设前提。例1：半球形封头2000，材料Q235B，双面焊接的局部无损

18、探伤，双面腐蚀，求半球形封头的壁厚？解：Sc0.62000/（41250.85-0.6）46.837三、椭圆形封头的壁厚计算（一）、凹面受压的计算公式KPDiSc=C22t-0.5P 其中：K=1/62（Di/2hi)2, hi为封头不包括直边段在内的曲面深度。显然，对于a/b=Di/2hi=2的标准椭圆形封头，K1.0。随着a/b值的增大，系数K值相应增大。从而使封头上的应力分布极不合理，故包括我国容器标准在内的有关规范都限定用于a/b=Di/2hi2.6。例1：标准封头2000，材料Q235B，双面焊接的局部无损探伤，双面腐蚀，P0.6MPa。求椭圆形封头的壁厚？解：Sc0.62000/（

19、2940.85-0.50.6）47.53411.5312例2：某台真空设备1400，材料316，双面焊接的局部无损探伤，双面腐蚀，P0.1MPa。求椭圆形封头的壁厚？解：Sc0.11400/（21300.85-0.50.1）20.632426注：真空容器在实际设计中，直径1000mm时，根据经验取： 对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于 6mm。 对于不锈钢容器，最小厚度不小于 4mm。（二）、凸面受压的计算公式 K 1.4P Di Sc C2 2t-0.51.4P例1、 某夹套蒸汽换热器 内1600mm/外1800mm，蒸汽压力P0.6MPa，设备内操作压力0.2MPa，材料Q235B,

20、双面腐蚀，标准封头。求内外封头壁厚？解：（1）夹套蒸汽压力P0.6MPa，在工艺原始开车中内封头实际受外压力等于夹套蒸汽压力0.6MPa，不取内外压力差值P来计算。 本设备夹套内封头壁厚按凸面受压的计算公式为： K 1.4P Di 11.40.61600 Sc C2 4 2t-0.51.4P 2940.51.40.6 7.16411.1612mm （2）本设备夹套外封头壁厚按凹面受压的计算公式为： 10.61800 Sc 45.7649.7610mm 2940.50.6四、锥形封头的壁厚计算PDi1Sc=C22t-Pcos式中：为半锥顶角，以度为单位。Di为锥壳大端内直径。无折边锥形封头适用于

21、30。例1：已知：Di2000mm，30，材料Q235B,P=0.6MPa，C24解：Sc0.62000/（2940.85-0.6）1/cos304 1200/159.21/0.8664 6.151.164 7.1344 11.13412mm五、平板封头的厚度计算 t=DcKP/t?1/2C2式中：D封头的计算直径，K结构特性系数，t计算厚度。园形平盖取K0.44（与园筒角焊或其它焊接）。例1：已知3258即Dc309，K0.44，C22，双面焊接的局部无损探伤，单面腐蚀，P0.6MPa，材料Q235B。求平板封头的壁厚？ 解：t=3090.440.6/940.851/2215.4217.76

22、18例2：已知一台真空设备Dc=1400若采用平板盖，其它条件同上。计算厚度为：t=14000.440.1/940.851/2232.8234.535。根据以上计算此设备不能采用平板封头，可采用标准椭圆形封头。C11，C22，K1。Sc10.11400/（294-0.50.6）210.88214217注：根据GB150规定，对碳素钢和低合金钢的钢性要求取最小壁厚3，故计算壁厚0.88取4。化工计算公式及举例一、 热位移和热补偿直管段热伸长计算公式：L1Lt式中：L-直管段热伸长M1-管材在工作温度下时的线膨胀系数，碳钢一般取12.510-6 ML-直管段长度 Mt-供热介质温度t1与管道安装温

23、度t2之差，管道 安装温度t2一般取20例1：某一蒸汽管长60M,过热蒸汽温度260。求该管伸长多小？解：L12.510-660（260-20）0.18M=180 在工程计算中，为了选择补偿器，我们可以用简易的方法计算伸长量。如上例计算为：L0.012560260195选用轴向补偿量210240均可。二、 热应力产生的轴向推力PFEtF其中：PPa E材料的弹性模数，钢为2.11011Pa管材在工作温度下时的线膨胀系数，碳钢一般取12.510-6 Mt-供热介质温度t1与管道安装温度t2之差，管道安装温度t2一般取20F管子的截面积M2例1：某一过热蒸汽管53010，温度260。求轴向推力？解

24、：P2.1101112.510-6（260-20）3.14（0.532）226.251052580.221490.1105Pa1490.1Kg注：管道两端固定，管道受到的拉伸或压缩时，由温度变化而引起的轴向热应力。由以上公式可知，热应力与管道长度无关。特别注意此点。三、 流体管径计算 Dn18.8（Q/W）1/2 Dn594.5（Gu/W）1/2 其中：Dn管道内径Q-介质容积流量3/hW-介质流速/G-介质重量流量t/hu-介质比容3/g（与温度有关，在管段中应取平均值）例1：某厂一眼深井出水量803/h，问出水管径是多少？解：Dn18.8（Q/W）1/218.8（80/1.5）1/218.

25、87.3137.31596例2：菱花集团热电厂向菱花集团西分厂送蒸汽80t/h,压力0.5Mpa,流速W=40/s。问需要多大的蒸汽管？解Dn594.5（Gu/W）1/2594.5（800.3816/40）1/2519.45308注：过热蒸汽 W4060 m/s，一般取 40 m/s。例3、某厂二次循环水1000M3,问总管直径是多小？解：Dn18.810001.5 18.825.82485.55308mm注：水或与水相似的流体 W1.52.5 m/s，一般取1.5 m/s。例4、某厂空压机吸入压力P10.1MPa（绝对压力，后同），排出压力P20.3MPa；吸入温度T130273303，排出

26、温度T2160273433；吸入体积V1100000M3/h。求空压机排出总管为多小？ 解：P1V1/T1=P2V2/T2 V2P1V1T2/P2T10.1100000433/0.3303 47634.8M3Dn18.847634.8/15 18.856.351059.51100mm注：压缩空气 W=1020 m/s，一般取15 m/s。例5、某厂自然外排污水 1000M3/h，W0.5m/s。求下水管道直径？Dn18.81000/0.5 18.844.72840.761000mm注：水或与水相似的流体，自然流速 W0.51.0 m/s，一般取0.5 m/s。四、 流体管子壁厚计算计算公式：

27、PD/（2tP）C式中：管壁厚 mmP工作压力 MPa，若压力较低时，取分母P0，以便简化计算。D管子外径 mm焊缝系数，无缝钢管 1，直缝钢管 0.8，螺旋钢管 0.6。t管材在各种温度下的许用应力 MPaC壁厚附加量 mm CC1+C2+C3 ，一般取 24 mm C1C15 （12.5） C2腐蚀裕度，一般取 2mm C3管螺纹深度量 例1：某蒸汽管530mm，P0.6MPa，螺旋钢管，工作温度250，C4mm 求钢管壁厚？解：0.6530/（2940.60.6）4 318/113.44 2.84448 mm注：蒸汽管一般取最小壁厚为4mm，故计算壁厚2.8mm取4mm。例2：某压缩空气

28、管820mm，P0.8MPa，螺旋钢管，工作温度140， C4mm。求钢管壁厚？解：0.8820/（2940.60.8）4 656/113.64 5.7849.7810mm例3：某自来水管426mm，P0.4MPa，螺旋钢管，常温，C3。 求钢管壁厚？解：0.4426/（2940.60.4）3 170.4/113.23 1.53336 mm注：自来水管一般取最小壁厚为3mm，故计算壁厚1.5mm取3mm。五、 泵的功率和效率泵的理论功率：NGsHQrH .M/s泵的轴功率： N轴N/QrH/.M/s式中：N-理论功率 公斤.米/秒 、千瓦或马力等 G-体积流量 米3/秒、 r-液体重度 公斤/

29、米3 H-压头 米液柱 -泵的总效率，等于理论功率与轴功率之比，N/N轴 如果把功率的单位换算成千瓦或马力，则因为： 1千瓦102公斤.米/秒 1马力75公斤.米/秒所以：N轴N/QrH/102 千瓦 N轴N/QrH/75 马力如果输液能力采用 米3/小时、米3/分或升/分等单位，则必须换成米3/秒后，才可以代入上述各式中。 如泵与电机直接联接，则电动机的功率等于轴功率。如泵与电动机之间有传动装置，则需另除以传动效率传。如考虑电动机有超出负荷的可能，应将上述功率乘以一安全系数。对于功率为25马力的电动机，安全系数为1.2；对于功率为550马力的安全系数为1.15；对于功率为50马力以上的电动机

30、为1.1。例1、 某往复泵的输液能力为20升/秒。被输送液体的重度为850公斤/M3。 压出管路中压强计的读数5公斤/厘米2，吸入管路中真空计的读数为 200毫米汞柱。压强计与真空计之间的垂直距离为1米。设吸入管路与压出管路的直径相等，泵的总效率为0.7，传动效率0.95。试求轴功率和电动机的功率为若干千瓦？解：（1）根据从柏努利方程式求压头的公式 Hh0（P出-P进）/（22-12）/2g 米液柱式中：h0-装有真空计和压强计的两点之间的垂直距离，M； P进、P出液体在装有真空和压力计处的绝对压，公斤/M2； 1、2-液体在装有真空和压力计处的流速，M/秒。Hh0（P出-P进）/ （因12）

31、 15104-0.213600/85063 米液柱（2）N轴N/QrH/ .M/s 0.0285063/1020.7 15 Kw （千瓦）（3）电动机的功率 N电N轴/传15/0.9515.8 Kw （千瓦）例2、 某离心泵的输液能力4M3/分时的压头为 31米水柱。在此情况下，轴功率40.5马力。问此时泵的总效率如何？解：泵的理论功率 NGsHQrH .M/s 4100031/6075 27.5马力泵的总效率 N/N轴27.5/40.50.6868例3、 某水泵的输液能力12米3/分。接在该泵的压出管道上的压强计的读数为3.8公斤/厘米2，接在吸入管道上的真空计上的读数为210毫米汞柱。压强

32、计与真空计联接处的垂直距离为410毫米。吸入管路与压出管路内径分别为350与300毫米。试求该泵的压头是多小？解：已知 ，h00.41米，水的重度 r1000公斤/M3。（1） 吸入管路中的流速： 121 2.08 米/秒 60/4（0.35）2 压出管路中的流速：22.08（0.350.3）22.83 米/秒（2） 吸入管路中接真空计处的压强：P进100000.211360007150 公斤/米2 绝对压； 压出管路中接压强计处的压强：P出（3.81）1000048000 公斤/米2 绝对压；（3） 泵的压头： 480007150 （2.23）2-（2.08）2H0.41 1000 29.8

33、141.5 米水注由于P出BP表，P进BP真，可用（P表P真）代替（P出-P进）。传热学的有关公式及举例一、 热量衡算 通常遇到的计算问题有两种：一种是根据生产任务和操作条件，确定换热器的尺寸；一种是根据已有的换热器，选择操作条件，核算换热器的生产能力。无论那种计算，都需要进行热量衡算。 根据热量衡算式，在两种流体间进行稳定传热时，单位时间内，热流体所放出的热量q热千卡/小时，必定等于冷流体所得到的热量q冷千卡/小时与损失于周围介质的热量q损千卡/小时之和，即 q热q冷q损千卡/小时通常在保温良好的热交换器中，热损失约为q热的25。如果不考虑热损失，上式可改写为： q热q冷千卡/小时q热和q冷

34、可根据载热体的流量和热含量来计算。设： G 、g-热流体与冷流体的重量流量 公斤/小时； I1、I2-热流体最初与最终的热含量千卡/公斤； i1、i2-冷流体最初与最终的热含量千卡/公斤；注：热含I与热焓h是一样的。 则 q热G(I1- I2) 千卡/小时 q冷g（i2i1）千卡/小时热含量的数值决定于载热体的物态和温度。通常气体和液体的热含量是取0为计算基准，即规定0液体（或气体）的热含量为0千卡/公斤。蒸汽的热含量则取0的液体的热含量为0千卡/公斤作计算基准。物质的热含量可查有关手册得到。当缺乏数据时，可按下述方法计算。当热流体为饱和蒸汽，放出热量后冷凝为同温度下的液体时： q热GR千卡/小时式中 R-热流体的汽化热千卡/公斤，可查资料而得。当载热体没有物态变化时，例如气体或液体被加热或冷却时，则