过程设备设计课程复习概要.ppt

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1、过程设备设计课程复习概要,北方民族大学化工学院,2015年6月,说明： 过程设备设计属于专业主干课，通过考试检验同学们的学习效果。 通过期末系统复习把有关内容消化，为今后毕业设计奠定基础。以下只是学完该课程后需要同学们应该掌握的重点部分，如果有精力，尽量系统复习。,第一章 、压力容器导言：,（一）、基本概念 1、过程设备的特点： （1）功能原理多种多样； （2）化机电一体化 （3）外壳一般为压力容器2、过程设备的要求：安全可靠；满足过程要求（主要指功能要求和寿命要求）；综合经济性好；易于操作、维护和控制,3、 过程设备更新换代的途径： （1）改变工作原理； （2）改进制造工艺、结构和材料以提高

2、其综合技术性能； （3）加强辅助功能使其更适应使用者4、过程装备的内涵： 单元过程设备和单元过程机器二者统称为过程装备。 5、压力容器的基本组成： 压力容器通常是由板、壳组成的焊接结构。过程设备=内件+外壳， 外壳一般包括筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座和安全附件，其功能是提供能承受一定温度和压力的密闭空间。,6、压力容器的焊接接头型式有哪些？ 对接、搭接、角接 7、压力容器按照承压高低分为四个等级: 低压(代号L)容器 0.1 MPap1.6 MPa;中压(代号M)容器 1.6 MPap10.0 MPa;高压(代号H)容器 10 MPap100 MPa;超高压(代号U)容器 p100MP

3、a。 8、固定式压力容器应具备的条件： （1）最高工作压力大于或者等于0.1MPa（不含液体静压力）；（2）工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa.L；（3）盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体,（二）判断题 1、判断下列容器属一、二、三类容器的哪一类？1）2000mm长度为6000mm的液氨储罐;2）p为4MPa的剧毒介质容器;3）p为10MPa，V为800L的乙烯储罐。4） 公路上汽油罐车5）设计压力为2.5Mpa的空气储罐。6）设计压力为1.5 Mpa的二氧化硫吸收塔。,第一章 、压力容器导言：,第一章 、压力容器导言：,2、按承载方式分类，压力容器可分为：

4、（）A.内压容器B.外压容器C.反应压力容器D.真空容器,第一章 、压力容器导言：,3、介质危害性有多种，其中影响压力容器分类的是：（）A.毒性B.腐蚀性C.氧化性D.易燃性,第二章 压力容器应力分析,（一）、基本概念 1、薄壁圆柱壳或薄壁圆筒划分： 外直径与内直径的比(Do/Di)max1.11.2；外直径与内直径的比值(Do /Di)max1.11.2 。 2、无力距理论的适用条件假设： 壳体材料连续、均匀、各向同性；受载后的变形是弹性小变形；壳壁各层纤维在变形后互不挤压；,3、内压作用下的薄壁容器其筒体上任一点的应力情况：,第二章 压力容器应力分析,内压p,B点,轴向：经向应力或轴向应力

5、,圆周的切线方向：周向应力或环向应力,壁厚方向：径向应力r,三向应力状态,、,二向应力状态,4、不连续应力（边缘应力）的特点; 局部性、自限性 5、厚壁圆筒热应力的特点：,第二章 压力容器应力分析,a. 热应力随约束程度的增大而增大,b. 热应力与零外载相平衡，是自平衡应力,c. 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变 可使热应力降低,d. 热应力在构件内是变化的,6、,第二章 压力容器应力分析,减小热应力的措施,1、控制设备的加热和冷却速度,2、控制和减小构件的热变形约束(见图）,3、设置膨胀节,4、采用良好的保温层,第二章 压力容器应力分析,7、降低局部应力的措施,（1）减少两连接件的刚度差

6、,（2）尽量采用圆弧过渡,（3）局部区域补强,（4）选择合适的开孔方位,8、外压的短圆筒，失稳时，出现的波形个数为：（ ） A.两个 B.四个 C.大于两个 D.大于四个,第二章 压力容器应力分析,第二章 压力容器应力分析,（二）分析题：,1、分析：,问题：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？,筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。,第二章 压力容器应力分析,（二）分析题：,2、分析：,问题1：锥形封头为什么不适合做压力容器封头？,问题2:椭圆形封头的应力分布有什么特点？,问题3:椭圆形封头为什么要设置直边段？,第二章 压力容器应力分析,（三）计算题：1、用应力

7、计算说明在同样内压力的作用下球形容器比圆筒型容器壁厚薄的理由。,2、不同安装方式下，充装液体的内压容器应力计算：,p0,第二章 压力容器应力分析,p0,第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响,1、化工设备选材的重要性和复杂性.操作条件的限制.制造条件的限制.材料自身性能的限制2、选材要遵循 适用、安全和经济的原则。,3、怎样区分冷热加工？从金属学的观点来区分，冷、热加工的分界线是金属的再结晶温度。,第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响,4、焊接接头组成？,焊接接头组成,5、减少焊接应力和变形的措施,如：尽量减少焊接接头数量相邻焊缝间应保持足够的间距尽可能避免交叉，避免出现十字

8、焊缝焊缝不要布置在高应力区焊前预热等等当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除焊接残余应力。,设计,焊接工艺,第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响,6、材料的力学性能指标：衡量材料力学性能的指标有强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。 7、材料的加工工艺性能： 加工工艺性能包括铸造性、锻造性、焊接性和切削加工性等。这些性能直接影响化工设备和零部件的制造工艺方法和质量，因此加工工艺性能是化工设备选材时必须考虑的因素。,第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响,5、铁碳合金应如何划分归类？含碳量在0.022的称为钢；大于2的称为为铸铁，小于0.02时，称为工业纯铁。纯铁和含

9、碳量大于4.3的铸铁在工程上很少应用。 6、金属材料的热处理的方法：,第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响,7、正火与退火的主要区别：正火与退火的主要区别在于冷却速度不同。正火的冷却速度比退火快，奥氏体转变温度较低，组织中珠光体量增多，且珠光体比较细，因此，强度和硬度提高。铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。,第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响,8、普通碳素钢中含有的杂质元素： 除含碳以外，碳钢中的杂质元素有Mn、Si、S、P、O、N、H等。这些杂质是由矿石及冶炼过程中带入的，对钢材性能有一定影响： S引起“热脆”、 P引起“冷脆”、 O降低钢的强度、塑性。有害元素。

10、Mn使钢的强度提高、Si有助于脱氧，有益元素。,第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响,9、新国标对常见钢的牌号表示方法及符号的规定： Q235-AF中各字母、数字的意义：Q：钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；235：此钢的屈服极限为235MPa；A：质量等级。共有A、B、C、D四个等级；其中Q195和Q275不分等级，Q215和Q255分A、B两个等级，Q235分四个等级,第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响,0Cr13 含碳量小于0.08%，含鉻13% 0Cr18Ni9：含碳量小于0.08%，含鉻18%，含镍9% 15CrMoR00Cr19Ni1009MnNiD20Mn

11、Mo 10、金属材料在焊接厚板时必须在焊接接头处开适当的坡口，坡口的主要作用是什么？,第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响,11、 对焊接接头进行必要的检验是保证焊接质量的重要措施，常用的焊接的检验方法有哪些？ 外观检查、无损探伤、水压试验和气压试验、焊接接头的力学性能试验 12、焊缝的内部缺陷：未焊透、夹渣、气孔、裂纹、,第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响,13、在钢材焊缝边缘开坡口的目的。 14、压力容器焊缝的接头型式有哪些,第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响,1、压力容器按照设计压力划分等级,第四章 压力容器设计,一、概念部分,2、压力容器按照管理等级可

12、以分为三类： 会判断容器类别： 1）压力为0.8MPa的低温液氨储罐; 2）p为4MPa的氰化钠介质储存容器; 3）p为1.65MPa的管壳式余热锅炉。 4） 工作压力为23.5Mpa的尿素合成塔,第四章 压力容器设计,3、压力容器失效形式： 按照失效原因，压力容器失效形式可以分为强度失效、刚度失效、失稳失效、泄露失效。 4、薄壁圆筒受内压环向应力与轴向应力的大小比较：筒体上开椭圆孔，如何开孔？ 5、什么是压力容器常规设计？ 常规设计称为“按规则设计”，只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静力载荷处理，不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永久载荷，因而不涉及容器的疲劳寿命问题。,第四章 压力容

13、器设计,6、对于薄壁压力容器，会用应力公式（中经公式推导壁厚计算公式。 7、厚壁压力容器圆筒组合形式有那些 ？ 多层包扎式、热套式、绕板式、整体多层包扎式、绕带式 8、压力容器设计技术主要参数有哪些？ 设计压力、设计温度、厚度及其附加量、焊接接头系数、许用应力等,第四章 压力容器设计,9、压力容器立式容器和卧式容器支座型式： 卧式：鞍座、圈座、支腿 立式：耳式支座、支承式支座、裙式支座 10、各支座在校核载荷时如何确定数量？ 夹套反应器四个耳座、卧式换热器两个鞍座 11、分清楚容器设计的几种厚度，并搞清楚它们之间的关系： 计算厚度、设计厚度、名义厚度、有效厚度，,第四章 压力容器设计,12、压

14、力容器设计过程中，各种参数的选取：焊缝系数、壁厚负偏差、腐蚀裕度、设计压力、设计温度、许用应力 13、外压容器设计两种基本方法： 公式法、图算法 需要设定壁厚，反复试算，直到合适为止。 外压容器为什么要设置加强圈？,第四章 压力容器设计,14、压力容器封头类型： 球形封头与椭圆形封头的内应力分布特点对比,第四章 压力容器设计,15、受内压的锥形封头与球形封头 其内应力分布特点？ 16、为什么压力容器很少采用平板封头？ 17、压力容器局部开孔补强结构形式有哪些？ 补强圈补强、厚壁接管补强、整锻件补强 18、开孔补强设计准则： 等面积补强法、压力面积补强法、极限载荷补强法,第四章 压力容器设计,1

15、9、 影响法兰密封的因素主要有哪些: 螺栓预紧力； 压紧面质量（密封面特征）； 垫片性能；法兰刚度和螺栓刚度； 操作条件的影响。,第四章 压力容器设计,20、压力容器和管道中常用的法兰密封面型式：突面、凹凸面、榫槽面（各适用场合） 21、根据工作条件选取标准法兰：法兰公称压力：与最大操作压力、操作温度以及材料有关。见下面法兰标准局部：,第四章 压力容器设计,给定法兰的工作温度、工作压力根据下表会选用法兰。如工作温度280，工作压力为0.9MPa,应选用那种法兰？,第四章 压力容器设计,22、压力容器耐压试验:23、压力容器泄漏试验：24、压力容器安全泄放装置有哪些？25、压力容器焊接结构设计：

16、,第四章 压力容器设计,二、计算题 1、内压容器计算：例题1-1：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p2.2MPa；工作温度t-3-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20以上，承受一定的压力，故选用16MnR。 根据式(10-12),第四章 压力容器设计,d为设计厚度,式中p2.2MPa；Di=600mm；s170MPa j=0.8(已知)； C2=1.0 mm 得：,第四章 压力容器设计,考虑钢板厚度负偏差C10.6mm圆正取dn=7mm,水压试验时的应力校核：,第四章 压力容器设计,16Mn

17、R的屈服限s=345MPa（附录表6）,2、外压容器计算： 例题：有一台聚乙烯聚合釜，外径1580mm，高7060mm，壁厚llmm，材质为0Crl8Ni9，试确定釜体的最大允许外压力。(设计温度为200。) 解：首先判断外压圆筒的临界长度Lcr, Lcr=1.17DoDo/e/Do=1580mm, e=11-0.8=10.2(mm).Lcr=1.17*15801580/10.2=23007.6mm,Lcr大于筒体高度，所以属于短圆筒。,第四章 压力容器设计,根据短圆筒临界压力计算公式得：Pcr=2.59Et(e/ Do)2.5 /（L/Do） Et=1.84*105Mpa,带入上式得：Pcr

18、=2.59*1.84*105（10.2/15802.5/(7060/1580) Pcr =0.36Mpa。取安全系数为m=3,则【P】=Pcr/m=0.119 Mpa. 聚合釜的最大允许外压力为0.119MPa,第四章 压力容器设计,第五章 储运设备,基本概念： 1、设计双鞍座卧式容器时，支座位置应按照那些原则确定？试说明理由根据均布载荷的外伸梁的力学分析可知，当外伸梁的长度A为梁的全长L的0.207倍时，跨间的最大弯矩与支座截面处的弯矩(绝对值)相等，若外伸加长，支座截面处的应力加大。因而，卧式容器通常要求A0.2L。此外，由于封头的刚性大于圆筒体的刚性，封头对于圆筒体有加强作用，若支座邻近

19、封头，即A0.5D0（D0为圆筒平均外径），则可充分利用封头的加强效应。因此在满足A0.2L时，尚应尽量满足A0.5D0。,第五章 储运设备,和立式容器一样，卧式容器的支座也应固定在基础上。但是，环境和物料温度的变化会使卧式容器的圆筒体产生伸缩，若因支座固定而不允许圆筒体伸缩，圆筒体内部将增加附加应力。因此卧式容器只允许一个支座固定，另一支座的地脚螺栓孔开成长圆孔，允许滑动。 2、双鞍座卧式容器设计中应计算那些应力？试分析这些应力是如何产生的？ 圆筒轴向应力计算及校核：主要包括两支座跨中截面处筒体的轴向应力和支座截面处圆筒的轴向应力。这些轴向应力是由于内压与筒体的重力载荷引起的。 圆筒和封头切

20、应力的计算及校核： 分三种情况，支座截面处有加强圈、无加强圈等。 支座截面处的环向应力计算： 由支座反力产生的切应力会对圆筒径向产生环向弯矩,（1）轴向弯矩（M1-M2 ）的计算,（2）轴向应力（1-4 ）的校核,1：跨中截面最低点（压应力）， 2：跨中截面最高点（拉应力），,3：支座截面最低点（压应力）， 4：支座截面最高点（拉应力），K1、K2为系数,第五章 储运设备,3、储罐设计装填系数的确定： 一般对液化气体有充装系数的说法，确定充装系数是为了确保液化气体在升温时，储罐内能保留一定的气相安全空间，不至于液化气体体积膨胀，引起储罐的压力剧增。因此首先确定储罐的安全系数。再用液化气体的饱和

21、密度乘以有效容积系数。 一般设计容积大于装填容积，装填容积大于实际容积。例如液化储罐设计容积就是储罐的具体容积，装填容积就是因为按照盛装介质的理化性质，需要在里面安装温度、压力等容器，所以需要富裕一定的空间。液化石油气在一定条件下易气化，所以实际重装的液化气不易装满，一般充装系数为0.85. 根据GB18442低温绝热压力容器6.3.2.1的规定“有效容积不得超过几何容积的95%”，所以充装系数都在0.95以下，现在大部分低温压力容器生产厂家取的都在0.9到0.95之间，充装系数越低，气相空间越大，相对而言稍微安全点，但要达到固定的有效容积，几何容积就会做的越大，材料消耗稍微多一点点。,第五章

22、 储运设备,第五章 储运设备,4、球罐一般开设几个人孔？怎样布局？ 人孔是球罐便于检修人员进入其内部进行检验和检修的通道。球罐在施工过程中，罐内的通风、烟尘的排除以及脚手架、工器具至内件的组装也是需要通过人孔来完成。 根据工作需要，球罐一般需要开设两个人孔，分别设置在上下极板上，球罐必须进行焊后整体热处理，则人孔应设置在上下极板的中心。球罐人孔直径以DN500为主。 5、设计球形储罐应考虑那些载荷？各种罐体形式有何特点？,第六章 换热设备,按作用原理或传热方式,直接接触换热器,蓄热式换热器,间壁式换热器,中间载热体式换热器,一、基本概念：1、换热器按照传热方式如何划分？,第六章 换热设备,一、

23、基本概念：2、换热器设计包括那些内容？,第六章 换热设备,3、换热设备应满足的基本要求：,（1）满足工艺要求（工艺过程所要求的温度、压力、流量、传热量等）。（2） 流体流动阻力小，压力降小，传热效率高。（3）便于安装、操作和维修。（4）安全可靠，经济合理。,第六章 换热设备,一、基本概念：4、管壳式换热器的特点？,第六章 换热设备,一、基本概念：5、换热器选型的基本原则？,考虑因素,压力,热导率,腐蚀性,温度,允许压降范围,清洗维修要求,材料价格,使用寿命,流体的性质,粘度,热敏性,第六章 换热设备,一、基本概念：6、固定管板换热器的型式？,固定管板式换热器结构如上图所示，换热器的两端管板采用

24、焊接方法与壳体连接固定。换热管可为光管或低翅管。 壳体与换热管温差应力较大，当温差应力很大时，可以设置单波或多波膨胀节减小温差应力。,一、基本概念：7、固定管板换热器特点,固定管板式换热器,第六章 换热设备,第六章 换热设备,一、基本概念：8、浮头式换热器特点,优点：（1）壳体和管束热变形自由，不产生热应力。（2）管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗。缺点：（1）结构复杂，造价高。（2）为使一端管板浮动，需增加一个内浮头盖及相关连接件以保证密封，操作时，如果内浮头盖连接处泄漏将无法发现，所以应严格保证其密封性能。（3）为使浮头管板和管束检修时能够一起抽出，在管束外缘与壳壁之间形成宽度为1622mm的环隙，这样不仅减少了排管数目，而且增加了旁路流路，降低了换热器的热效率。,