过程设备设计要点.docx

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1—压力容器导言
过程设备设计
二、课程的目的和任务
本课程是一门综合性的技术学科，是过程装备与控制工程专业的核心课程之一。其任务是综合运用力学、材料学、制造工艺学等许多方面的基本理论，使学生能以安全为前提，综合考虑质量保证的各个方面，进行压力容器和过程设备结构分析和工程设计，并尽可能在安全的前提下做到经济合理，培养学生全面分析和解决工程实际问题的能力，使学生在学完本课程以后能初步建立起完整的过程设备设计思想。
三、课程基本要求
通过本课程的学习，学生应学会过程设备零部件的强度计算及校核、结构分析和设计，绘制容器施工图样并能提出技术要求。本课程的教学重点为压力容器零部件的强度计算及校核、材料选择、典型过程设备的结构分析、有关设计规范和标准的使用、标准零部件的选用和设计等。
要求：1、采用合理的方法进行压力容器的强度设计和稳定性设计。
2、能从材料行为、强度、结构、制造、质量保证等方面对压力容器的工程设计进行综合分析。
3、具备对过程设备零部件及整体进行结构分析和设计的能力。
五、有关说明
本课程的先修课程：机械制图；理论力学；材料力学；机械设计基础；工程材料及热处理；机械制造基础等
导言
1、过程装备与控制工程的概念
从原材料到产品要经历一系列物理的或化学的加工处理步骤，这些加工处理步骤称为过程。如化工、轻工、炼油、制药、橡胶、食品等。过程工业是加工制造流程性材料产品的现代国民经济的支柱产业之一。
成套过程装置通常是由一系列的过程机器和过程设备，按一定的流程方式用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统，再配以必要的控制仪表和设备，即能平稳连续地把以流体为主的各种流程性材料，让其在装置内部经历必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性材料产品
单元过程设备（如塔、换热器、反应器、储罐等）与单元过程机器（如压缩机、泵、分离机等）二者的统称为过程装备。
2、过程装备技术的创新
关键在于装备内件技术的创新。
3、流程性产品先进制造技术与一般硬件产品先进制造技术的区别
（1）理论基础不同
一般硬件产品先进制造技术的理论基础侧重于固体力学、材料与加工学、机械结构学、电工和信息技术科学等，而流程性产品先进制造技术则侧重于化学、固体力学、流体力学、热力学、机械结构学、化学工程和工艺、电工和信息技术科学等。
（2）过程装备技术的创新与过程原理和技术的创新及工艺流程技术的创新紧密相关。
4、专业及专业课程介绍
5、教材更新内容、编排结构、习题、学习方法
6、学习基本要求及考核方式
（1）教与学有机结合，多想多问。
（2）课后及时复习，答疑。
（3）学习过程中的问题及时和教师沟通、反馈，提出好的建议。
4）按时交作业，及时纠正错误。
（5）成绩评定：平时成绩10% 课堂提问5% 期末考试85%

绪 论
一、过程设备和容器的概念
1、过程设备-----用于传质、传热和化学反应等过程的装置
容器-----设备外部壳体的总称
* 过程设备为过程的实现服务，因此过程设备的设计必须满足过程的要求，没有相应的设备，过程也无法实现。
举例：合成氨工艺过程及相应设备
* 设备是静止的，没有相对运动的机构（有些静止设备上带有运动的传动装置，如夹套反应釜），如储存设备、换热设备、塔设备、反应设备等。
机器有相对运动的机构，如泵、压缩机、离心机等。
2、过程设备设计的主要内容
本课程主要介绍储存设备、换热设备、塔设备、反应设备的一般设计方法，从设备工作时的受载情况出发，通过应力分析和强度计算，结合结构分析，并按相应设计标准和规范进行设备的零部件及整体的设计工作。
受载情况→应力分析、强度计算→结构分析→零部件及整体设计
·设计参数的选取
·设计方法的确定
·设计标准和规范的选用
·教学中的实践环节及实践经验的积累
·课程设计和毕业设计的作用
二、过程设备的应用
a、加氢反应器（反应设备）
b、液态氢储存容器（储存设备）
c、超高压食品杀菌釜（高压设备）
d、核反应堆（反应设备）
e、超临界流体萃取装置（传质、传热、反应）
三、过程设备的特点
1、非标设备，功能原理多样化
2、机电一体化-----过程工艺、设备、控制紧密结合
3、外壳一般为压力容器
4、过程设备设计的规范性和能动性
四、过程设备的基本要求
为防止容器在使用过程中发生破坏或失效，在设计时应根据外载荷进行容器的应力计算及校核，并综合考虑材料、制造方法、检验方法等因素，进行容器的合理设计，保证容器在运行中的安全。
·合理设计----安全 经济
·容器设计的基本原则：在保证安全的前提下，尽可能做到经济。
设备的基本要求：
a、安全可靠
①强度、韧性
②耐腐蚀性（材料与介质相容）
③刚度和抗失稳能力
④密封性能
b、满足过程要求
①功能要求
②寿命要求
c、综合经济性好
① 生产效率高（单位生产能力高）、消耗系数低
单位生产能力----单位时间、单位设备容积（面积）处理的物料量或所得产品的数量。
消耗系数----生产单位重量或体积产品所消耗的资源（原材料、能量、燃料、水、电、蒸汽等。
② 结构合理、制造方便
③ 便于安装和运输
d、易于操作、维护和控制
① 操作简单
② 易于维护、修理----安全、正常地运转，维修周期长
③ 便于控制
e、优良的环境性能
泄漏、环境污染、环境失效
以上各方面要求在设备设计时应综合考虑、具体分析，采用工程观点来解决主要矛盾。
五、过程设备设计的基本内容和步骤

需求分析和目标界定
↓
总体结构分析
↓
零部件结构设计
↓

↓
设计实施

设计步骤：
工艺条件
↓
结构分析
↓
设计标准和规范
↓
应力分析及强度计算
↓
绘图、提出技术要求
第1章 压力容器导言
§1-1 压力容器总体结构
主　要　教　学　内　容
1、压力容器基本组成
2、压力容器零部件的焊接
教学目的和要求
了解压力容器基本组成和主要零部件
教学重点和难点
压力容器基本组成

一、压力容器总体结构
图1-1
压力容器由许多基本部件组成，如筒体、封头、接管、法兰、支座等在外载荷作用下，各部件中会产生相应的应力，容器设计时应考虑各零部件的结构、材料及应力分布状况，进行应力分析和计算，并进行合理的结构设计。
（1） 筒体
（2） 封头
（3） 密封装置
（4） 开孔与接管
（5） 支座
（6） 安全附件
二、压力容器零部件之间的焊接
1、焊接结构
2、焊接结构设计的内容
§1-2 压力容器分类
主　要　教　学　内　容
1、介质的危害性
2、压力容器分类
教学目的和要求
1、了解介质的毒性和易燃性
2、掌握压力容器的分类方法
教学重点和难点
压力容器的分类方法

一、介质危害性
1、毒性：极度危害（Ⅰ级）最高容许质量浓度＜0.1mg/m3
高度危害（Ⅱ级）最高容许质量浓度0.1~＜1.0mg/m3
中度危害（Ⅲ级）最高容许质量浓度1.0~＜10mg/m3
轻度危害（Ⅳ级）最高容许质量浓度≥10mg/m3
* Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害的压力容器
2、易燃性
爆炸浓度极限----可燃气体或蒸汽与空气混合物遇到明火能够发生爆炸的浓度范围。
易燃介质----爆炸上限和下限的差值大于等于20%的介质。
* Q235-AF不得用于制造易燃介质容器
Q235-A不得用于制造液化石油气容器
二、压力容器分类
《压力容器安全技术监察规程》
a、按压力等级分类

低压(代号L)容器 0.1MPa≤p<1.6MPa；
中压(代号M)容器 1.6MPa≤p主要用于完成介质的化学反应，如各种反应釜。
分离容器（S）----主要用于对混合物料进行分离，如分馏塔、吸收塔等。
贮运容器（C）----主要用于盛装物料，如贮罐、槽车等。其中球罐（B）
* 在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应按工艺
过程中的主要作用来划分品种。
d、按安装方式分类
固定式容器----由相对固定的安装、工作地点，工艺条件和操作人员也较为固定，如塔、反应器、储罐等。
移动式容器----需经常搬运的容器，承受介质压力外还要承受介质冲击力、外部撞击及振动载荷，在结构、使用、安全上有特殊要求。
e、按容器形状分类
方形或矩形容器-由平板焊制而成，制造简单，承压能力差，用于小型常压贮罐。
球形容器----由数块球瓣拼焊而成，承压能力好，内件安装不便，制造困难，常用作大型贮罐。
圆筒形容器----由圆柱形筒体和各种形状的成型封头组成，筒体制造简单，内件安装方便，承压能力较好，应用最普遍。
f、按安全技术管理分类（按综合因素，即压力高低、生产过程重要性、介质危险程度等）
一类容器
二类容器
三类容器

§1-3 压力容器标准和规范
主　要　教　学　内　容
1、压力容器的质量保证
2、压力容器标准和规范
教学目的和要求
1、了解压力容器的质量保证体系的内容
2、了解常用压力容器标准和规范
教学重点和难点
常用压力容器标准和规范

一、压力容器的质量保证（介绍）
（1）定义
压力容器的质量保证可以理解为广义的、更严格的安全性，是为使容器在整个使用过程中能够安全运行，不发生事故，而采取的有计划的、系统的措施，是一种系统工程。
（2）质量保证≠安全性
（3）容器设计标准和规范必须依据质量保证系统的要求来制定
（4）质量监督是达到质量保证的手段
《压力容器安全技术检查规程》
（5）质量保证的内容
①设计
工艺条件→设计标准和规范→应力分析及强度计算→绘图、提出技术要求
设计环节的步骤：
外载荷→应力分析→强度计算→零部件结构设计→总体结构设计→绘图
②材料
·压力容器广泛使用金属材料，如碳钢、合金钢、有色金属等。
·《金属材料工艺学》
·由于压力容器在加工、使用过程中都有严格要求，所以选用的材料原则上应符合压力容器用钢的标准。
常用标准：GB6654-86《压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板》
R ---容器用钢，如16MnR、15 MnVR、20R等
·压力容器用钢的基本要求
a、化学成分-----C、S、P、Mn、Si等
b、力学性能
强度（拉伸强度极限、屈服极限）
塑性（延伸率、断面收缩率）
韧性（冲击韧性：夏比V形缺口冲击试验、冲击功AKV；断裂韧性：极限应力强度因子、裂纹尖端张开位移）
硬度（HB、HRC）
疲劳特性（疲劳寿命）
c、加工工艺性----可焊性、可锻性、铸造性、切削加工性能等。
d、热处理性能----正火、回火、退火、淬火等，“调质处理”
·压力容器用钢的基本类型
我国压力容器用钢三大基本类型：

低合金钢----是压力容器的主要结构材料
σS350MPa级的16MnR
σS400MPa级的15MnVR
σS450MPa级的15MnVNR
σS500MPa级的18MnMoNbR

·压力容器材料的选用
③制造和制造过程中的检验
④使用过程中的定期检验和监控
《压力容器安全技术检查规程》

二、压力容器标准和规范
·满足标准和规范的基本要求
·“创造性”地使用标准和规范
·了解标准和规范的变动情况，采用最新版本的标准和规范
2、压力容器规范简介
ASME《锅炉与压力容器规范》
GB150—1998《钢制压力容器》
GB151—1999《管壳式换热器》
GB12337—1998《钢制球形储罐》
JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》
JB4710—2000《钢制塔式容器》