过程设备设计

过程设备设计是根据产品在全寿命周期内的功能和市场竞争（性能质量成本等）要求，综合考虑坏境要求和资源利用率，运用工艺机械控制力学以及美学经济学等知识，经过设计师的创造性劳动制定可用于制造的技术文件特点：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基本要求：1安全可靠（1材料的强度高韧性好2材料与介质相容3结构有足够的刚度和抗失稳能力4密封性能好）2满足过程要求（1功能要求2寿命要求）3综合经济性好（1生产效率高2结构合理3易于安装和运输）4易于操作维护和控制（1操作简单2可维护性3便于控制）5优良的坏境性能压力容器分类1按压力等级（低压0.1-1.6 中压1.6-10.0 高压10-100 超高压）2按容器在生产中的作用（反应换热分离储存）3按安装方式（固定式移动式）4按安全技术管理（第三类第二类第一类）规范标准：ASME规范第VIII篇《压力容器》（1-压力容器2压力容器另一规则3高压容器另一规则）第X 篇《玻璃纤维增强塑料压力容器》第VII 篇《移动式容器建造和连续使用规则》国内法规（锅炉压力容器安全监察暂行条例、特种设备安全检查条例）-行政规章（锅炉压力容器管道特种设备事故处理规定）-安全技术规范（压力容器安全技术检查规程、超高压压力容器安全技术检查规程）-标准（GB150钢制压力容器、JB4732钢制压力容器-分析设计标准）无力矩理论应用条件1壳体的厚度中面曲率和载荷连续，没有突变且构成壳体的材料的物理性能相同2壳体材料的相邻处应保持相同或相近的物理性能3壳体上外载均布连续无集中载荷或突变4壳体光滑曲面无突变壳体厚度无变化5边界上的经线转动及经线位移不被限制（2壳体的边界处不受横向剪力弯矩和转矩作用3壳体的边界出的约束沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角和挠度）材料基本要求：有较高的强度，良好的塑性韧性制造性能和与介质相容性。改善钢性能的途径主要有化学成分的设计、组织结构的改变和零件表面改性1化学成分（钢含碳量小于等于0.25%加入钒钛铌可提高强度和韧性）2力学性能（表征强度韧性和塑性变形能力的判据，是机械设计时选材和强度计算的主要依据）3制造工艺性能（。。。的要求和容器的结构形式和使用条件紧密相关）钢材的选择1压力容器的使用条件（设计温度设计压力介质特性操作特点）2相容性3零件的功能和制造工艺4材料的使用经验5综合经济性6规范标准设计项目a结构设计：1工艺要求2类型-具体的构造（塔填料板式法兰）b强度设计1满足力学要求的设备的抗截能力的确定2刚度设计确定设备外形维持原状况的厚度尺寸（结构尺寸、工艺条件-应力分析、材料的选用和容器的厚度）c密封设计基于强度刚度足够大设计设计要求（安全前提、经济目标）设计文件（设计图样-总图、零部件图技术条件设计计算书必要时设计安装使用说明书）设计条件（设计条件图-简图、用户要求-1工作介质2压力和温度3操作方式和要求4其他、接管表）失效形式1强度（韧性断裂脆性疲劳蠕变腐蚀）2刚度3失稳4泄漏设计技术参数：设计压力（不得低于最高工作压力）、设计温度（GB150<-20低温容器）、厚度及其附加量、焊接接头系数、许用应力计算厚度=腐蚀裕量C2 +设计厚度名义厚度=设计厚度+厚度负偏差C1 +第一次厚度圆整值=有效厚度+C1+C2 螺栓法兰连接组成法兰、螺栓、垫片密封机理：泄漏形式-渗透泄漏、界面泄漏（主）分类：强制密封、自紧式密封影响密封性能因素1螺栓预紧力2垫片性能3压紧面质量4法兰刚度5操作条件法兰结构：圆筒、法兰环、锥颈分类：松式、整体、任意式标准：根据用途管法兰容器法兰选择参数：公称压力PN和公称直径DN 补强结构1补强圈补强2厚壁接管补强3整锻件补强准则：1极限分析补强2等面积补强-认为壳体因开孔被削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定的距离内予以等面积补强优点：有长期的实践经验，简单易行储存设备1地面卧式储罐（圆筒封头支座）2 地下卧式储罐鞍式支座：双鞍式梁全长L外伸端A=0.207L JB4731《钢式卧式容器》规定A《0.2L，最大不超过0.25L

为了防止卧式储罐因操作与安装温度不同而引起的热膨胀，以及圆筒及物料重量使圆筒弯曲等原因对卧式储罐引起附加应力固定支座通常在卧式储罐配管较多的一侧，活动支座则设置在没有配管或配管较少的另一端鞍座包角（一般120 135 150）圈座1因自身重量可能减少造成严重挠曲的薄壁容器2多余两个支承的长容器主要应力1圆筒上的轴向应力2支座截面处圆筒和封头的切向应力和封头的附加拉伸应力3支座截面处圆筒的周向弯曲应力4支座截面处圆筒的周向压缩应力5周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核传热强化1增加平均传热温差2扩大换热面积3提高传热系数塔设备基本要求：1气液两相充分接触2生产能力大（气液处理量大）3操作稳定操作弹行大4阻力小5结构简单制造安装维修方便，设备投资及操作费用低6耐腐蚀，不易堵塞填料塔：微分接触型气液传质设备，以填料为基本构件，液体在填料表面呈膜状自上而下流动，气体呈连续自下而上与液体作逆流流动，并进行气液传质和传热1分离程度要求较高2热敏性物料的蒸馏分离3具有腐蚀性的物料4容易发泡的物料板式塔：逐级接触的气液传质设备，塔板为基本构件，气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层使气体进行传质传热1塔内液体滞液量较大2液相符负荷较小3含固体颗粒容易结垢4操作过程中伴随有效热或需加热的物料内件：1填料塔-填料、液体分布器、液体收集再分布器、填料压紧器、限位器2板式塔-塔盘、降位器、受液盘、溢流堰裙座：结构裙座筒体、基础环、地脚螺栓座、人孔、排气孔、引出管通道、保温支承圈载荷：1质量载荷2偏心Me=mege3风4地震塔设备设计步骤1工艺设计根据背景：工作压力、温度、工作介质和流速等工艺参数1确定塔形（填料、板式）2确定塔内的总体尺寸、结构、接管等2机械设计：1结构设计（塔体、内件、附件、支承形式）2强度设计（确定塔的厚度a选择标准校核应力b非标准设计）3焊接结构设计危险截面：最大旁矩产生的地方a裙座筒体b裙座基础环c地脚螺栓d裙座与塔体连接焊接校核步骤1按设计条件初步确定塔的厚度和其他尺寸2计算塔设备危险截面的载荷3危险截面的轴向强度和稳定性校核4设计计算裙座基础环板地脚螺栓等防震措施1增大塔的固有频率2采用扰流装置3增大塔的阻尼1正常情况下载荷塔体、裙座质量m01+塔内件如塔盘或填料的质量m02+保温材料的质量m03+操作平台及扶梯的质量m4+操作时物料的质量m05+塔附件如人孔接管法兰等质量ma+偏心载荷me2水压试验时mmax=m01+m02+m03+m04+水压实验时充水质量mw+ma+me3停工检修时mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me

搅拌反应器：搅拌容器（筒体、换热元件、内构件）搅拌机（搅拌器、搅拌轴、密封装置、传动装置）搅拌机流型a径向流b轴向流c切向流搅拌轴设计步骤考虑因素1扭转变形2临界转速3转矩和弯矩联合作用下的强度4轴封处允许径向位移1搅拌轴的力学模型2按钮转变形计算搅拌轴的轴径3按临界转速校核搅拌轴的直径4按强度计算搅拌轴的直径5按轴封处允许径向位移验算轴径6减小轴端挠度、提高搅拌轴临界转速的措施换热设备按热传递原理或传热方式分类1直接接触式换热器2蓄热式3间壁式4中间载热体式管壳换热器形式：按结构1固定管板式换热器2浮头式3U形管式换热器4填料函式5釜式重沸器换热管与管板连接方法1强度胀接2强度焊3胀焊并用1保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉强度的胀接。主要适用于设计压力小于等于4.0MPa设计温度小于等于300，操作中无剧烈振动、无过大温度波动及无明显应力腐蚀等场合2。除有较大振动及有间隙腐蚀的场合，只要材料可焊性好，强度焊可用于其他任何场合3不仅能改善连接处的抗疲劳性能而且还可消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。主要用于密封性能要求高，承受振动或疲劳载荷，有间隙腐蚀需采用复合管板等场合诱导振动原因1旋涡脱落2流体弹性扰动3湍流颤振4声振动5射流转换防震措施1改变流速2改变管子固有频率3增设消声板4一直周期性旋涡