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容器设计必须考虑哪些因素
Date: 2022年3月9日 下午10:48
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单体化工设备设计包括工艺设计和机械设计两部分。
首先应根据任务提供的原始数据和工艺要求,定出设备的主要尺寸,如形状、直径、高度等;然后进行受力分析,结合选择材料,确定结构,经过强度计算决定出结构尺寸;后绘出该设备及各零部件的施工图。这几部分是紧密相关而又各有分工的。目前在我国,工艺设计由化工工艺专业人员完成,由化工机械专业人员完成机械设计。 虽然容器的应用在性质上有所不同,但在设计容器时往往必须考虑不少共同因素。重要的是选择容器的型式,确定它的主要尺寸,合理选择材料,运用准确而可靠的计算方法。
一、容器型式的选择 设计任何容器的第一步是选择容器的型式,使其能完成指定的生产任务,又有好的经济效果。1、容器型式与它的用途有关。对贮存用的容器,其决定性参数是体积,从节约材料的观点来看,好的应是球形,但若贮存量较小时还是圆筒形更有利。对进行化工过程用的设备外壳来说,还应注意到有利于内部过程的进行,更易安装内部构件,有利于物料的排放和清理以及尽量减少流体阻力等因素。
2、容器型式与容器所承受的压力及温度有关。 操作压力愈大,温度愈高,就愈是应该选择受力情况较好的型式。 3、容器型式与容器所使用的结构材料和制造方法有关。加工性能和焊接性能好的材料,容易成型、组焊,可以作成设计所需要的形状。反之则只能做成简单的形状。对称中心轴线的壳体便于成型和机械加工,因而圆筒形、球形和锥形壳体是常用的。
二、经济尺寸的决定 当容器的容积一定时,变换直径和高度可以得到多种方案,但应确定一种经济的尺寸。经济尺寸与金属材料用量和容器制造费用有关。对大型贮罐而言,还应考虑基础的费用和所占有土地的费用。一般来说,以金属用量的多少为主要,因此应以金属用量少为原则,选择圆筒形容器的直径和高度。
三、材料的选择选择容器用钢,必须根据容器的工作条件(如壁稳、压力、介质腐蚀性、介质对材料的脆化作用及其是否易燃、有毒等)选择具有合适力学性能、物理性能和耐腐蚀性能的材料。选择材料力求易于加工制造,并考虑经济合理性和符合我国资源情况。
下面是选择材料时应注意的几个主要因素:
1、力学性能 材料的力学性能由强度、塑性两个指标来完成。
(1)强度指标它是材料抵抗外力作用能力的标志。一般情况下,设计常用的指标有强度极限和屈服极限。在遇有高温情况时,设计还得考虑材料的蠕变极限及持久极限。设计中许用应力都是根据这些数值决定的。另外,材料的屈强比也是反应材料承载能力的一个指标,不同材料具有不同的屈强比,即使是同一种材料,其屈强比也随着材料热处理情况及工作温度的不同而有所变化。
(2)塑性指标 塑性指标主要有延伸率、断面收缩率、冲击韧性等。用塑性好的材料制造容器,可以缓和局部应力和不良影响,有利于压力加工,不易产生脆性断裂,对缺口、伤痕不敏感,并且在发生爆炸时不易产生碎片。作为化工容器用的钢,要求延伸率不低于14%,冲击韧性在使用温度下不低于35J/2;。 材料力学性能的各因素之间是相互联系而又相互制约的。有些材料强度较高,但它的延伸率及冲击韧性却很低。因此选材时,不能只看其单一的性能指标,而应对材料力学性能诸因素作全面分析。
2、物理性能 在容器设计中,应注意到材料的物理性能。例如在计算容器的温差应力时,就要用到材料的线膨胀系数;在设计换热器及计算容器外壳损失时,还要用到材料的热导率等等。因此,材料的使用场合不同,对材料的物理性能亦有不同的要求。主要的物理性能指标有密度、热导率、比热容、熔点、线胀系数、电阻率、弹性模量等。 3、耐腐蚀性能化工厂中经常处理有腐蚀性的介质,故设计化工容器时,在很多场合下,耐蚀性对材料的选择起决定性的作用。材料的耐蚀程度会影响设计使用寿命,产品的质量,有时甚至影响化学反应的进行。因此,考虑材料的耐蚀性的化工容器材料选择中的一个重要问题。 材料的腐蚀速度在工程上常用Ka(mm/a)来表示,材料腐蚀速度在1 mm/a以下的,可认为能用于化工容器。有关材料的耐蚀性可在材料腐蚀和防腐手册中查得。
4、制造工艺性能 材料的制造工艺性能包括可锻性、可焊性、切削加工性及研磨、冲压性能、热处理性能等。对制造化工容器的钢材来说,焊接性能和压力加工性能就显得更为重要。 钢材焊接性能的好坏主要取决于其成份。含碳量是重要的因素,制造一般受压容器所用的钢材的含碳量高不大于0.25%。有些低合金钢可焊性较差,必须采取特殊的焊接工艺。 容器成型的主要方法是滚卷与冲压。材料中的夹渣、气孔等缺陷易在加工过程中形成裂纹或微裂纹。材料的冷作硬化性会降低塑性指标,而且会在受热时出现结晶醋化,降低强度。一般钢材的残余变形超过3%时,需经退火处理。
5、价格与来源设备成本的很大一部分决定于材料的价格。因此在选用材料时,应了解它们的价格。如果将普碳钢板Q235的价格定为1,其余的板材相对价格大致有如下关系:锰钢为1.4;20钢为1.8;铬钢(1Cr13,2 Cr13)为5.1;1Cr18Ni9Ti为4.9。 当然,采用价廉的材料并不一定就是经济上合理的,因为贵的材料可能具有较好的性能,用它可以制成器壁较薄而轻的容器,而且使用年限也比较长,使用效果更好。 分析材料的经济性不能仅看它们的价格,同时要看国家的资源情况,要求我们多用普通易取的材料,少用昂贵稀缺的材料;多用国产材料,少用或不用进口材料。
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