本书在编写及历次修订中注意保持及突出以下特色:

1.加强基本知识、基本理论和基本概念,同时注重规范设计与实用方面的要求。

2.体系完整。本书分为三篇:化工设备材料篇,包括化工设备材料及其选择;化工容器设计篇,包括容器设计的基本知识、内压薄壁容器的应力分析、内压壁圆筒与封头的强度设计、外压圆筒与封头的设计、容器零部件;典型化工设备的机械设计篇,包括管壳式换热器的机械设计、塔设备的机械设计、搅拌器的

机械设计。基本概括了进行化工设备设计所必备的基础,为理解化工设备设计及进一步学习及应用提供了条件。

3.本着服务教学、与时俱进的原则,根据国家及行业现行标准的更新进行及时修订。

4.对文字、图表等进行了全面修订,使其更规范、更完善。在参照相关国家标准对文字和图表作修订的同时,也根据教学过程中发现的问题以及读者提出的意见进行了适当更改。

5.考虑到许多高校有学时数减少的趋势,加之本书的适用专业范围已经由传统的化工工艺拓展到环境、制药等相关专业,因此,本书内容叙述较为详尽,教师可根据具体情况进行删减,而且更适于自学。

6.本书各章配有适量的例题和习题,将计算与设计所需的必要数据、标准纳入附录,使学生体验设计计算的全过程,尽快培养起工程观念。

第1篇 化工设备材料

第1章 化工设备材料及其选择/3

1.1 概 述 /3

1.2 材料的性能 /4

1.2.1 力学性能 /4

1.2.2 物理性能 /10

1.2.3 化学性能 /11

1.2.4 加工工艺性能 /12

1.3 金属材料的分类与牌号 /13

1.3.1 分 类 /13

1.3.2 钢铁牌号及表示方法 /16

1.4 碳钢与铸铁 /18

1.4.1 铁碳合金的组织结构 /18

1.4.2 铁碳合金状态图 /21

1.4.3 碳钢中元素对其性能的影响 /23

1.4.4 钢的热处理 /24

1.4.5 铸 铁 /26

1.5 低合金钢 /26

1.5.1 合金元素对钢性能的影响 /27

1.5.2 低合金钢 /28

1.5.3 不锈耐酸钢 /29

1.5.4 耐热钢 /30

1.5.5 低温用钢 /33

1.5.6 锅炉和压力容器用钢 /33

1.6 有色金属材料 /36

1.6.1 铝及其合金 /36

1.6.2 铜及其合金 /37

1.6.3 铅及其合金 /38

1.6.4 钛及其合金 /38

1.7 非金属材料 /38

1.7.1 无机非金属材料 /39

1.7.2 有机非金属材料 /39

1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 /41

1.8.1 金属腐蚀 /41

1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀 /45

1.8.3 金属腐蚀破坏的形式 /47

1.8.4 金属设备的防腐措施 /47

1.9 化工设备材料的选择 /48

1.9.1 选材的一般原则 /48

1.9.2 选材举例 /50

习 题 /51

第2篇 化工容器设计

第2章 容器设计的基本知识/55

2.1 容器的分类 /55

2.1.1 常用的分类方法 /55

2.1.2 依据“固容规”分类 /57

2.2 容器的结构及零部件标准化 /59

2.2.1 容器结构 /59

2.2.2 容器零部件的标准化 /60

2.3 特种设备安全监察及法规标准 /62

2.3.1 特种设备安全监察 /62

2.3.2 《固定式压力容器安全技术

监察规程》简介 /62

2.3.3 特种设备法规、部门规章、安全

技术规范和标准 /63

2.4 压力容器机械设计的基本要求 /64

习 题 /66

第3章 内压薄壁容器的应力分析/67

3.1 回转壳体的应力分析———薄膜

理论 /67

3.1.1 薄壁容器及其应力特点 /67

3.1.2 基本概念与基本假设 /68

3.1.3 经向应力计算公式———区域

平衡方程式 /69

3.1.4 环向应力计算公式———微体

平衡方程式 /71

3.1.5 轴对称回转壳体薄膜理论的

适用范围 /73

3.2 薄膜理论的应用 /73

3.2.1 受气体内压的圆筒壳 /73

3.2.2 受气体内压的球壳 /74

3.2.3 受气体内压的椭球壳(椭圆形

封头) /75

3.2.4 受气体内压的锥壳 /78

3.2.5 受气体内压的碟形壳(碟形

封头) /78

3.2.6 例 题 /81

3.3 内压圆筒的边缘应力 /83

3.3.1 边缘应力的概念 /83

3.3.2 边缘应力的特点 /84

3.3.3 对边缘应力的处理 /85

习 题 /86

第4章内压薄壁圆筒与封头的

强度设计/89

4.1 强度设计的基本知识 /89

4.1.1 关于弹性失效的设计准则 /89

4.1.2 强度理论及其相应的

强度条件 /90

4.2 内压薄壁圆筒壳与球壳的

强度设计 /91

4.2.1 强度计算公式 /91

4.2.2 设计参数的确定 /93

4.2.3 容器的厚度和最小厚度 /99

4.2.4 耐压试验 /100

4.2.5 泄漏试验 /102

4.2.6 例 题 /102

4.3 封头的设计 /105

4.3.1 半球形封头 /105

4.3.2 椭圆形封头 /105

4.3.3 碟形封头 /106

4.3.4 球冠形封头 /108

4.3.5 锥形封头 /109

4.3.6 平板封头 /116

4.3.7 例 题 /121

4.3.8 封头的选择 /123

习 题 /127

第5章 外压圆筒与封头的设计/130

5.1 概 述 /130

5.1.1 外压容器的失稳 /130

5.1.2 容器失稳形式的分类 /130

5.2 临界压力 /131

5.2.1 概 念 /131

5.2.2 影响临界压力的因素 /131

5.2.3 长圆筒、短圆筒

和刚性圆筒 /133

5.2.4 临界压力的理论计算

公式 /134

5.2.5 临界长度 /135

5.3 外压圆筒的工程设计 /135

5.3.1 设计准则 /135

5.3.2 外压圆筒壁厚设计的

图算法 /136

5.3.3 例 题 /144

5.4 外压球壳与凸形封头的设计 /145

5.4.1 外压球壳和球形封头的

设计 /145

5.4.2 凸面受压封头的设计 /146

5.4.3 例 题 /147

5.5 外压圆筒加强圈的设计 /147

5.5.1 加强圈的作用与结构 /147

5.5.2 加强圈的间距 /148

5.5.3 加强圈的尺寸设计 /148

5.5.4 加强圈与圆筒间的连接 /149

5.5.5 例 题 /150

习 题 /151

第6章 容器零部件/154

6.1 法兰连接 /154

6.1.1 法兰连接结构与密封

原理 /154

6.1.2 法兰的结构与分类 /155

6.1.3 影响法兰密封的因素 /157

6.1.4 法兰标准及选用 /161

6.2 容器支座 /174

6.2.1 卧式容器支座 /174

6.2.2 立式容器支座 /181

6.3 容器的开孔补强 /183

6.3.1 开孔应力集中现象

及其原因 /183

6.3.2 开孔补强设计原则、形式

与结构 /185

6.3.3 等面积补强设计方法 /189

6.3.4 例 题 /192

6.4 容器附件 /193

6.4.1 接 管 /193

6.4.2 凸 缘 /194

6.4.3 手孔与人孔 /194

6.4.4 视 镜 /195

6.5 容器设计举例 /195

6.5.1 罐体壁厚设计 /195

6.5.2 封头厚度设计 /196

6.5.3 鞍 座 /197

6.5.4 人 孔 /198

6.5.5 人孔补强 /199

6.5.6 接 管 /199

6.5.7 设备总装配图 /200

习 题 /202

第3篇 典型化工设备的机械设计

第7章 热交换器的机械设计/209

7.1 概 述 /209

7.1.1 管壳式热交换器的结构及主要

零部件 /209

7.1.2 管壳式热交换器的分类 /210

7.1.3 管壳式热交换器总体

设计内容 /212

7.2 换热管的选用及其与管板的

连接 /213

7.2.1 换热管的选用 /213

7.2.2 换热管的材料标准 /214

7.2.3 换热管与管板的连接 /215

7.3 管板结构 /217

7.3.1 换热管的排列形式 /217

7.3.2 管间距 /219

7.3.3 管板受力及其设计方法

简介 /219

7.3.4 管程的分程及管板与隔板的

连接 /220

7.3.5 管板与壳体的连接结构 /221

7.4 折流板、支承板、旁路挡板及拦液板的

作用与结构 /223

7.4.1 折流板与支承板 /223

7.4.2 旁路挡板 /225

7.4.3 拦液板 /226

7.5 温差应力 /226

7.5.1 管壁与壳壁温差引起的

温差应力 /226

7.5.2 管子拉脱力的计算 /228

7.5.3 温差应力的补偿 /230

7.5.4 膨胀节的结构及设置 /232

7.6 管箱与壳程接管 /234

7.6.1 管 箱 /234

7.6.2 壳程接管 /234

7.7 管壳式热交换器的机械设计

举例 /235

习 题 /243

第8章 塔设备的机械设计/245

8.1 塔体与裙座的机械设计 /246

8.1.1 塔体厚度的计算 /246

8.1.2 裙座设计 /256

8.2 塔体与裙座的机械设计举例 /263

8.2.1 设计条件 /263

8.2.2 按计算压力计算塔体和封头

厚度 /264

8.2.3 塔设备质量载荷计算 /265

8.2.4 风载荷与风弯矩计算 /267

8.2.5 地震弯矩计算 /269

8.2.6 偏心弯矩计算 /270

8.2.7 各种载荷引起的轴向

应力 /270

8.2.8 塔体和裙座危险截面的强度

与稳定校核 /271

8.2.9 塔体水压试验和吊装时的应力

校核 /273

8.2.10 基础环设计 /274

8.2.11 地脚螺栓计算 /275

8.3 板式塔结构 /275

8.3.1 总体结构 /275

8.3.2 塔盘结构 /277

8.3.3 塔盘的支承 /281

8.4 填料塔结构 /282

8.4.1 喷淋装置 /283

8.4.2 液体再分布器 /285

8.4.3 支承结构 /286

习 题 /287

第9章 搅拌器的机械设计/291

9.1 概 述 /291

9.2 搅拌器的型式及选型 /292

9.3 搅拌器的功率 /294

9.3.1 搅拌器功率和搅拌作业

功率 /294

9.3.2 影响搅拌器功率的因素 /294

9.3.3 从搅拌作业功率的观点确定

搅拌过程的功率 /295

9.4 搅拌容器结构设计 /296

9.4.1 罐体的尺寸确定 /296

9.4.2 顶盖的结构 /298

9.5 传动装置及搅拌轴 /300

9.5.1 传动装置 /300

9.5.2 搅拌轴的设计 /302

9.6 轴 封 /303

9.6.1 填料密封 /303

9.6.2 机械密封 /304

附 录/305

附录1 常用金属材料的物理性能 /305

附录2 锅炉和压力容器用钢板的

化学成分和力学性能 /306

附录3 钢板、钢管、锻件和螺柱的

高温力学性能 /308

附录4 无缝钢管的尺寸范围

及常用系列 /313

附录5 螺栓、螺母材料组合

及适用温度范围 /314

附录6 钢板、钢管、锻件和螺栓的

许用应力 /315

附录7 图5-5、图5-7~图5-15的曲线数据

表(GB 150.3—2011) /326

附录8 压力容器用钢制法兰 /333

附录9 钢制管法兰标准(HG/T

20592—2009)摘要 /340

附录10 容器支座 第1部分:鞍式支座

标准(JB/T 4712.1—

2007) /352

附录11 容器支座 第3部分:耳式支座

标准(JB/T 4712.3—

2007)摘要 /363

附录12 裙座参数 /366

参考文献 /370