过程设备设计第二章(2.1.1-2.2.4)
压力式喷雾干燥装置操作规程(3篇)
压力式喷雾干燥装置操作规程1. 设备准备- 仔细检查喷雾干燥装置的外观和内部部件，确保设备完好无损。
- 检查并确保供电电压和频率与设备要求相匹配。
- 确保气源和水源稳定可靠，并接通相应管路。
2. 操作前准备- 将原料液体装入喷雾干燥装置中，并确保液位在设备规定范围内。
- 开启供电开关，将喷雾干燥装置的加热系统预热至设定温度。
- 打开空气压缩机，并调整气源压力在设备要求范围内。
3. 开始喷雾干燥操作- 打开喷雾干燥装置的进风调节阀，控制进风量在设备要求范围内。
- 打开喷雾系统的泵开关，开始将液体喷雾入干燥室内。
- 根据产品要求，调节进风温度和喷雾干燥室的负压值，并确保其稳定。
- 监测干燥室内的温度和湿度，并进行必要的调整。
- 根据物料的特性和要求，调整喷雾干燥装置的喷雾速度和气流速度。
- 观察喷雾干燥装置的运行状态，确保喷雾和干燥效果良好。
4. 喷雾干燥完成- 当物料喷雾干燥至所需湿度和粒径时，关闭喷雾系统的泵开关。
- 关闭喷雾干燥装置的进风调节阀，停止进风。
- 等待干燥室内温度降至安全范围后，关闭加热系统。
- 关闭空气压缩机，切断气源。
- 根据操作规范，清理和维护喷雾干燥装置。
5. 安全注意事项- 操作人员应穿戴防护设备，注意个人安全。
- 确保喷雾干燥装置处于稳定工作状态，避免出现故障。
- 在操作过程中，注意喷雾干燥装置的运行状态，及时处理异常情况。
- 严禁触摸或接触喷雾干燥装置的热表面，避免烫伤。
- 保持现场整洁，防止杂物堆积或阻碍操作。
6. 故障处理- 在喷雾干燥操作中如果发生故障，应及时停止操作，并通知相关维修人员进行检修和维护。
- 在设备故障修复前，切勿随意进行修理或改动设备。
- 故障修复后，进行试运行，确保设备运行正常，避免再次发生故障。
7. 操作记录- 每次操作喷雾干燥装置，都需要详细记录操作时间、温度、湿度、喷雾速度、气流速度等参数，以便后期分析和改进。
以上是喷雾干燥装置操作规程的基本内容，操作人员在操作过程中应严格按照规程执行，并遵守相关操作安全规定，保证设备正常运行。
《过程设备设计》期末复习题及答案
《过程设备设计》期末复习题及答案第一章规程与标准1-1 压力容器设计必须遵循哪些主要法规和规程？答：1．国发[1982]22号：《锅炉压力容器安全监察暂行条例》（简称《条例》）；2．劳人锅[1982]6号：《锅炉压力容器安全监察暂行条例》实施细则；3．劳部发[1995]264号：关于修改《〈锅炉压力容器安全监察暂行条例〉实施细则》"压力容器部分"有关条款的通知；4．质技监局锅发[1999]154号：《压力容器安全技术监察规程》（简称《容规》）；5．劳部发[1993]370号：《超高压容器安全监察规程》；6．劳部发[1998]51号：《压力容器设计单位资格管理与监督规则》；7．劳部发[1995]145号：关于压力容器设计单位实施《钢制压力容器-分析设计标准》的规定；8．劳部发[1994]262号：《液化气体汽车罐车安全监察规程》；9．化生字[1987]1174号：《液化气体铁路槽车安全管理规定》；10．质技监局锅发[1999]218号：《医用氧舱安全管理规定》。
1-2 压力容器设计单位的职责是什么？答：1．设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责；2．容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样；3．容器设计总图应盖有压力容器设计单位批准书标志。
1-3 GB150-1998《钢制压力容器》的适用与不适用范围是什么？答：适用范围：1．设计压力不大于35MPa的钢制容器；2．设计温度范围按钢材允许的使用温度确定。
不适用范围：1．直接用火焰加热的容器；2．核能装置中的容器；3．旋转或往复运动的机械设备（如泵、压缩机、涡轮机、液压缸等）中自成整体或作为部件的受压器室；4．经常搬运的容器；5．设计压力低于0.1MPa的容器；6．真空度低于0.02MPa的容器；7．内直径（对非圆形截面，指宽度、高度或对角线，如矩形为对角线、椭圆为长轴）小于150mm的容器；8．要求作废劳分析的容器；9．已有其他行业标准的容器，诸如制冷、制糖、造纸、饮料等行业中的某些专用容器和搪玻璃容器。
液化石油气储罐设计
过程设备设计课程设计说明书
油气储运课程设计说明书
1、设计题目：卧式液化石油气储罐设计
2、设计条件： （1）操作温度：15℃ （2）设计温度：20℃ （3）操作压力：0.72MPa （4）设计压力：0.79MPa （5）介质：液化石油气 （6）公称直径：3200mm （7）公称容积：100m3 （8）圆筒长度：11300mm （9）L2=9800mm （10）A=750mm （11）设备及附件材料自选
3、设计任务： 设计参数的确定；结构分析；材料选择；强度计算及校核；焊 接结构设计；标准零部件的选型；制造工艺及制造过程中的检 验；设计体会；参考书目等。 4、设计要求： 由于设计参数是每个人各不相同，所以，基本上能够保证学生 独立完成任务能力的锻炼，并可在碰到确实需要讨论的个别难 题时仍然可以相互讨论，从而培养学生合作解决问题的能力。 课程设计是在课程学习阶段结束后，学生们独立进行的工程设 计工作，是总结性的、重要的教学实践环节，其目的是培养学 生综合运用所学知识，理论联系实践，分析解决工程实践问题 的能力。本设计学生必须完成一张 A1 装配图、一张 A3 鞍式支 座图、一张 A3 零件图和编制技术性设计说明书一份。
绪论
3
过程设备设计课程设计说明书
液化石油气贮罐是盛装液化石油气的常用设备, 由于该气体具有易燃易爆的特点, 因此在设 计这种贮罐时, 要注意与一般气体贮罐的不同点, 尤其是安全与防火, 还要注意在制造、安装等 方面的特点。
过程设备设计第二章【压力容器应力分析】21【回转薄壳应力分析】解析
A
Байду номын сангаас
母线
回转轴
R2
R1 O
O1
第一曲率半径
第二曲率半径
（1）回转薄壁壳体基本概念 a. 薄壁壳体的特征：平面应力问题 b. 回转壳体的几何特性： 轴对称 回转壳的中面是回转曲面，它是由一根平面曲线绕一根在 曲线平面内的定轴旋转而成，这一根曲线称为母线。 壳体任意一个截面上的载荷相对回转轴对称，沿回转轴方 向的载荷可以按照任意规律变化。
讨论
1、与厚平板连接的圆柱壳，在内压作用下，圆柱壳 中的最大应力是什么应力？其位置在哪儿？
2、不连续应力的大小和哪些因素有关？在压力容器 设计时，是否需要限制不连续应力？为防止因不 连续应力过大引起压力容器破坏，工程中应采取 什么措施？
第二曲率半径与回转轴 位置有关；
母线
问题1. 第一曲率半径与第二曲率半 径哪个大？
问题2. 第一曲率半径与第二曲率半 径有什么关系？
经向 轴向
回转轴
R1 O O1
A R2
第一曲率半径
第二曲率半径
无力矩理论与有力矩理论： 对于部分容器，在某些特定的壳体形
状，载荷和支撑条件下，其弯曲内力 与薄膜内力相比很小可以忽略不计， 此时，壳体的应力状况仅由法向力 Nφ Nθ决定，称为“无力矩理论”。 在壳体理论中，如果考虑横向剪力 Q和弯矩M，M，称为“有力矩理 论”。
《过程设备设计基础》
《过程设备设计基础》习题集樊玉光西安石油大学2007.1前言本习题集为配合过程装备与控制工程专业《过程设备设计基础》课程的教学参考用书。
本书是编者在过去多年教学经验的基础上整理编写而成，旨在帮助加深对课程中一些基本概念的理解，巩固所学的知识，提高分析和解决工程设计问题的能力，因此编写过程中力求选题广泛，突出重点，注重解题方法和工程概念的训练。
本书与《过程设备设计基础》教材中各章教学要求基本对应。
各章中包含思考题和习题。
目录第一章压力容器导言 (2)第一章思考题 (2)第二章压力容器应力分析 (3)第二章思考题 (3)第二章习题 (7)第三章压力容器材料及环境和时间对其性能的影响 (13)第三章思考题 (13)第四章压力容器设计 (14)第四章思考题 (14)第四章习题 (16)第五章储存设备 (19)第五章思考题 (19)第五章习题 (19)第一章压力容器导言1.1压力容器总体结构，1.2压力容器分类，1.3压力容器规范标准。
第一章思考题思考题1.1.压力容器主要有哪几部分组成？分别起什么作用？思考题1.2.介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？思考题1.3.《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？思考题1.4.《压力容器安全技术监察规程》与GB150的适用范围是否相同？为什么？思考题1.5.GB150、JB4732和JB/T4735三个标准有何不同？他们的适用范围是什么？思考题 1.6.化工容器和一般压力容器相比较有哪些异同点？为什么压力容器的安全问题特别重要？思考题1.7.从容器的安全、制造、使用等方面说明对压力容器机械设计有哪些基本要求？思考题 1.8.为什么对压力容器分类时不仅要根据压力高低，还要考虑压力乘容积PV的大小?思考题1.9.毒性为高度或极度危害介质PV＞0.2MP a·m3的低压容器应定为几类容器？思考题1.10.所谓高温容器是指哪一种情况?第二章压力容器应力分析2.1 载荷分析，2.2回转薄壳应力分析，2.3 厚壁圆筒应力分析，2.4 平板应力分析，2.5 壳体的稳定性分析，2.6 典型局部应力。
第二章压力容器应力分析
《过程设备设计基础》教案2—压力容器应力分析课程名称：过程设备设计基础专业：过程装备与控制工程任课教师：第2章 压力容器应力分析§2-1 回转薄壳应力分析一、回转薄壳的概念薄壳：（t/R ）≤0.1 R----中间面曲率半径 薄壁圆筒：（D 0/D i ）max ≤1.1~1.2 二、薄壁圆筒的应力图2-1、图2-2 材料力学的“截面法”三、回转薄壳的无力矩理论1、回转薄壳的几何要素（1）回转曲面、回转壳体、中间面、壳体厚度 * 对于薄壳，可用中间面表示壳体的几何特性。
tpD td pR tpD Dt D p i 22sin 24422====⨯⎰θπθϕϕσσαασπσπ（2）母线、经线、法线、纬线、平行圆（3）第一曲率半径R1、第二曲率半径R2、平行圆半径r（4）周向坐标和经向坐标2、无力矩理论和有力矩理论（1）轴对称问题轴对称几何形状----回转壳体载荷----气压或液压应力和变形----对称于回转轴（2）无力矩理论和有力矩理论a、外力（载荷）----主要指沿壳体表面连续分布的、垂直于壳体表面的压力，如气压、液压等。
P Z= P Z（φ）b、内力薄膜内力----Nφ、Nθ（沿壳体厚度均匀分布）弯曲内力---- Qφ、Mφ、Mθ（沿壳体厚度非均匀分布）c、无力矩理论和有力矩理论有力矩理论（弯曲理论）----考虑上述全部内力无力矩理论（薄膜理论）----略去弯曲内力，只考虑薄膜内力●在壳体很薄，形状和载荷连续的情况下，弯曲应力和薄膜应力相比很小，可以忽略，即可采用无力矩理论。
●无力矩理论是一种近似理论，采用无力矩理论可是壳地应力分析大为简化，薄壁容器的应力分析和计算均以无力矩理论为基础。
在无力矩状态下，应力沿厚度均匀分布，壳体材料强度可以得到合理的利用，是最理想的应力状态。
（3）无力矩理论的基本方程a、无力矩理论的基本假设小位移假设----壳体受载后，壳体中各点的位移远小于壁厚。
考虑变形后的平衡状态时壳用变形前的尺寸代替变形后的尺寸直法线假设----变形前垂直于中面的直线变形后仍为直线，且垂直于变形后的中面。
第二章(序贯模块法1)
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化工系统工程—第二章 化工过程系统稳态模拟与分析
需解决的问题
确定有哪些再循环回路？ 对哪些物流进行设定猜值？ 应如何对断裂物流设定猜值，达到快的收 敛速度？ 如何调整下次的猜值（即收敛算法） ？ 如何判断收敛（即收敛的判据）？ 常见过程模拟三类问题：过程系统模拟分 析、过程系统设计、过程系统参数优化
化工系统工程—第二章 化工过程系统稳态模拟与分析
第二章
化工过程系统稳态模拟与分析
三种稳态模拟方法 序贯模块法 基本思想、优缺点比较、存 面向方程法 在基本问题、基本解法。 联立模块法
2013-7-18
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化工系统工程—第二章 化工过程系统稳态模拟与分析
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
2.2 过程系统模拟的三种基本方法
①序贯模块法(Sequential Modular Method)；
开发最早、应用最广
②面向方程法(Equation Oriented Method)；
所有的方程同时计算和同步收敛
③联立模块法(Simultaneously ModuIar Method)
兼有序贯模块法和面向方程法的优点
从系统入口物流开始，经过接受该物流变量的单 元模块的计算得到输出物流变量，这个输出物流 变量就是下一个相邻单元的输入物流变量。依此 逐个的计算过程系统中的各个单元，最终计算出 系统的输出物流。 计算得出过程系统中所有的物流变量值，即状态 变量值。不能独立变化的变量，服从于描述系统 行为的模型方程。
解算快； 模拟型计算与设计型计算一样； 适合最优化计算，效率高； 便于与动态模拟联合实现；
过程设备设计(第三版 郑津洋)答案
思考题1．压力容器导言1.1??介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？我国《压力容器安全技术监察规程》根据整体危害水平对压力容器进行分类。
压力容器破裂爆炸时产生的危害愈大，对压力容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。
设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，我国将化学介质分为极度危害（Ⅰ级）、高度危害（Ⅱ级）、中度危害（Ⅲ级）、轻度危害（Ⅳ级）等四个级别。
介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重。
压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体或液化气体，盛装易燃介质的压力容器发生泄漏或爆炸时，往往会引起火灾或二次爆炸，造成更为严重的财产损失和人员伤亡。
因此，品种相同、压力与乘积大小相等的压力容器，其盛装介质的易燃特性和毒性程度愈高，则其潜在的危害也愈大，相应地，对其设计、制造、使用和管理也提出了更加严格的要求。
例如，Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器制造时，碳素钢和低合金板应逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100％射线或超声检测，且液压试验合格后还应进行气密性试验。
而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。
又如，易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全熔透结构1.2??压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？筒体：压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主要的受压元件之一；封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量；密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全地运行；开孔与接管：在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和检修的需要。
支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。
安全附件：保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行。
固定管板式换热器设计过程设备设计课程设计
目录令狐采学1.换热器选型和工艺设计31.1设计条件31.2换热器选型41.3工艺设计41.3.1传热管根数的确定41.3.2传热管排列和分程方法41.3.3壳体内径52 换热器结构设计与强度校核52.1 管板设计52.1.1管板材料和选型52.1.2管板结构尺寸62.1.3管板质量计算62.2法兰与垫片62.2.1管箱法兰与管箱垫片72.3 接管72.3.1接管的外伸长度82.3.2 接管位置设计82.3.3 接管法兰102.4管箱设计102.4.1管箱结构形式选择112.4.2管箱最小长度112.5 换热管122.5.1 布管限定圆122.5.2 换热管与管板的连接122.6 拉杆与定距管122.6.1 拉杆的结构形式132.6.2 拉杆的直径、数量及布置132.6.3 定距管142.7防冲板142.7.1防冲板选型142.7.2防冲板尺寸142.8 折流板152.8.1 折流板的型式和尺寸152.8.2 折流板的布置152.8.3 折流板重量计算153.强度计算163.1壳体和管箱厚度计算163.1.1 壳体、管箱和换热管材料的选择163.1.2 圆筒壳体厚度的计算173.1.3 管箱厚度计算183.2 开孔补强计算193.2.1 壳体上开孔补强计算193.3 水压试验193.4支座203.4.1支反力计算如下：203.4.2 鞍座的型号及尺寸214焊接工艺设计224.1.壳体与焊接224.1 .1壳体焊接顺序224.1.2 壳体的纵环焊缝234.2 换热管与管板的焊接234.2.1 焊接工艺234.2.2 法兰与短节的焊接234.2.3管板与壳体、封头的焊接244.2.4接管与壳体焊接24总结24参考文献251.换热器选型和工艺设计1.1设计条件1.2换热器选型 管程定性温度 壳程定性温度管壳程温差故初步选择不带膨胀节的固定管板式换热器（双管程）。
根据介质特性初步选择换热管材料为20号碳钢，壳体材料为Q245R1.3工艺设计1.3.1传热管根数的确定 已知换热管外径，内径，换热面积S=90,管程数为2。
U形管式换热器课程设计
《过程设备课程设计》指导书1．课程设计任务书课程设计题目：U型管式换热器设计课程设计要求及原始数据（资料）：一、课程设计要求：1.使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。
2.广泛查阅和综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。
3.设计计算采用电算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。
4.工程图纸要求手工绘图。
5.毕业设计全部工作由学生本人独立完成。
二、原始数据：1. 卧式换热器设计条件表序号项目壳程管程1 设备名称冷却器2 型式BEM3 工作压力MPa 见设计参数表见设计参数表4 工作温度℃（进/ 出）见设计参数表见设计参数表5 工作介质水、甲醇水6 介质特性易燃易爆、中度危害7 腐蚀裕量mm 2.02.卧式换热器条件图3.卧式U型管式换热器设计参数表三、课程设计主要内容：1.设备的结构设计包括：管箱、管板、折流板、拉杆等结构形式的确定以及标准件（支座、容器法兰、管法兰）的选取等。
2. 设备强度计算（1）管、壳程的筒体及封头壁厚计算以及水压试验应力校核。
（2）管板的厚度计算及应力校核。
3．技术条件编制4．绘制设备总装配图5．编制设计说明书四、学生应交出的设计文件(论文)：1.设计说明书一份2.总装配图一张(折合A1图纸一张)五、主要参考资料：[1] GB150-1998《钢制压力容器》，学苑出版社，1999[2] GB151-1999《管壳式换热器》，中国标准出版社，2000[3] 秦叔经叶文邦等，《化工设备设计全书——换热器》，化学工业出版社，2002.12[4] 中国化工设备设计技术中心站，《化工设备图样技术要求》，2000，11[5] 郑津洋、董其伍、桑芝富，《过程设备设计》，化学工业出版社，2001[6] 国家质量技术监督局，《压力容器安全技术监察规程》，中国劳动社会保障出版社，1999[7] 中国石化集团上海工程有限公司，《化工工艺设计手册》，化学工业出版社，20092．过程设备课程设计、计算2.1结构设计换热器的结构设计包括：管箱、管板、折流板、拉杆等结构形式的确定以及标准件（支座、容器法兰、管法兰）的选取。
第二章 压力容器应力分析2.1-2.2
2.2 回转薄壳应力分析
2.2 回转薄壳应力分析
2.2.1 薄壁圆筒的应力 2.2.2 回转薄壳的无力矩理论 2.2.3 无力矩理论的基本方程 2.2.4 无力矩理论的应用 2.2.5 回转薄壳的不连续分析
过程设备设计
40
2.2 回转薄壳应力分析
2.2.3 无力矩理论的基本方程
过程设备设计
求解思路
制造安装 正常操作
开停工 压力试验
检修 等等
正常操作工况 特殊载荷工况 意外载荷工况
根据不同载荷工况，分别计算载荷
21
2.1 载荷分析
过程设备设计
1、正常操作工况
载荷
设计压力 液体静压力 重力载荷 风载荷 地震载荷 其他载荷
隔热材料、衬里、内件、物 料、平台、梯子、管系、支 承在容器上的其他设备重量 等
绝对压力
以绝对真空为 基准测得的压 力。 通常用于过程 工艺计算。
表压
以大气压为基准 测得的压力。 压力容器机械设 计中，一般采用 表压。
8
2.1 载荷分析
压力容器中的压力来源
过程设备设计
1
流体经泵或压 缩机，通过与 容器相连接的 管道，输入容 器内而产生压 力，如氨合成 塔、尿素储罐 等。
2
3
加热盛装液体 的密闭容器， 液体膨胀或汽 化后使容器内 压力升高，如 人造水晶釜。
30
2.2 回转薄壳应力分析
过程设备设计
B点受力分析
B点
内压P
轴向：经向应力或轴向应力σφ 圆周的切线方向：周向应力或环向应力σθ 壁厚方向：径向应力σr
σθ 、σφ ＞＞σr 三向应力状态
二向应力状态
31
2.2 回转薄壳应力分析
过程设备设计课程设计
前言本次设计主要在于巩固过程设备设计这门课程所学的相关知识，是该课程的一个总结性教学环节。
在整个教学计划中，它培养学生初步掌握化工设备工程设计的过程，熟悉设计之中所设计的标准，规范的内容和使用方法，是毕业设计的一次预演。
过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是化工，炼油，轻工，交通，食品，制药，冶金，纺织，城建，海洋工程等传统部门所必需的关键设备。
一些新技术领域，如航空航天技术，能源技术等，也离不开过程设备。
而压力容器是广泛用于各种行业的特种设备。
由于涉及人的生命和工业生产安全，历来受到国家及有关各级行政部门的高度重视，制订了一系列法规、规定和条例。
而过程设备设计这门课正是压力容器设计的核心课程。
我们这次主要是关于液化石油气储罐的设计。
主要指导思想是：1.选材合理，备料方便；2.结构设计保证工艺过程顺利和进行并使得运输，安装盒维修方便。
3.全部设计工作均符合现行标准和规范。
4.保证设备安全。
第一章 设计参数的选择设计题目：液化石油气储罐设计 已知条件：工作压力为0.79MPa ，在武汉地区储罐的工作温度为-19℃~50℃，容积为853m 。
分析：此设备为低压容器，液化石油气为易燃气体，因此其应为第二类压力容器。
设计压力：取最高工作压力的1.1倍，即 1.10.790.869P MPa =⨯=。
设计温度：最高工作温度为50℃，一般当W T >15℃时，介质设计温度应在工作温度的基础上加15~30℃，故可取设计温度为70℃。
主要受压元件材料的选择：0.869P MPa =，设计温度为70℃，综合考虑安全性和经济性，查询有关资料，选择16MnR （Q345R ），假设壳体厚度在6~16mm 范围内，查表GB150中表4-1可得[]170MPa σ=，[]170tMPa σ=，R 345eL MPa =。
第二章 容器强度的计算及校核2.1 封头与筒体的厚度计算：2.1.1 考虑采用双面对接焊，局部无损擦伤，焊接接头系数取0.85ϕ=。
过程设备机械设计基础1
过程设备机械设计基础引言概述：过程设备机械设计是指为了满足化工、石油、食品等行业中的生产流程需求而设计的机械设备。
过程设备机械设计的基础包括材料力学、气体动力学、流体力学等多个领域的知识。
本文将从材料选择、强度分析、气体动力学和流体力学设计、传动装置设计和设备安装调试等五个大点展开阐述过程设备机械设计的基础知识。
正文内容：1.材料选择1.1材料强度和硬度要求1.1.1根据设备所需承受载荷的大小选择材料的抗拉强度、屈服强度和硬度。
1.1.2考虑材料的疲劳强度和耐蚀性，选择能在设备运行环境中保持长期使用性能的材料。
1.2材料的可塑性与韧性要求1.2.1针对设备所需的成形性能和抗冲击性能，选择具有适当可塑性和韧性的材料。
1.2.2根据设备所需的耐磨性能和耐蚀性能，选择材料的硬度和耐蚀性。
1.3典型应用材料1.3.1不锈钢：具有良好的抗腐蚀性能和耐高温性能，适用于化工行业。
1.3.2碳钢：适用于一般工业设备，具有良好的强度和可加工性。
1.3.3合金钢：具有较高的强度和硬度，适用于高温高压设备。
1.3.4铝合金：具有轻质、强度高、导热性能好的特点，适用于食品行业。
2.强度分析2.1设备结构强度计算2.1.1考虑设备所需承受的静态和动态载荷，进行应力和变形的强度计算。
2.1.2根据材料力学性能和设备结构形式，采用适当的计算方法和公式进行强度分析。
2.2设备连接和固定件设计2.2.1考虑设备连接和固定件所需的抗剪、抗拉、抗扭等强度要求。
2.2.2选择合适的连接和固定方式，如焊接、螺栓连接、键槽连接等。
3.气体动力学和流体力学设计3.1设备内部流场分析3.1.1运用数值模拟方法，分析气体或流体在设备内部的流动特性。
3.1.2通过调整流道形状、增加流动引导装置等措施，提高设备内部流动效果。
3.2设备流量计算和调整3.2.1根据设备所需流量和压力降的要求，计算出合适的流量和压力降。
3.2.2根据实际情况对设备进行流量和压力的调整和控制，以确保流体的正常运行。
第二章-1 回转薄壳应力分析演示幻灯片
2
23
过程设备设计
2.1 回转薄壳应力分析
2.1 回转薄壳应力分析
2.1.4 无力矩理论的应用 承受气体内压的回转薄壳
pR2 t
R2 R1
V
2tR2 sin2
r
V 2 prdr
0
回转薄壳仅受气体内压作用时，各处的压力相等，即压力为常数，压
力产生的轴向力V为：
r
V 2 prdr
0
代入区域平衡方程，得：
2
31
过程设备设计
2.1 回转薄壳应力分析
2.1 回转薄壳应力分析
当m=2时，椭圆封头为工程中常用的标准椭圆形封头，其应 力特性为
在顶点处 赤道处
pa t
pa , 2t
pa t
在顶点处和赤道处大小相等但符号相反 赤道处是顶点处的一半，且恒是拉应力
应力分布
2
32
过程设备设计
2.1 回转薄壳应力分析
R1
[1 ( y)2 ]3/2 y
[a4
x2 (a2 b2 )]3/2 a4b
R2
l 2 x2 [a4 x2 (a2 b2 )]1/ 2
R2 R1
a4
a4 x2(a2
b b2 )
应力特性
PR2 2t
p[a 4
x2(a2 2tb
b2 )]1/ 2
2
2
a4
a4 x2 (a2
pR 2t
( p0
gx)R
t
2
33
过程设备设计
2.1 回转薄壳应力分析
2.1 回转薄壳应力分析
作用在壳体上外载荷的轴向力
V R2 p0
R2 p0 2tR sin2
压力容器应力分析
r——平行圆半径； R1（经线在B点的曲率半径）——第一曲率半径； R2（与经线在B点处的切线相垂直的平面截交回转曲面得一平面曲线，该
平面曲线在B点的曲率半径）——第二曲率半径，R2=r/sinφ 考虑 壁厚，含纬线的正交圆锥面能截出真实壁厚，含 平行圆的横截面不能截出真实壁厚。
t
gx
, 则
(0 gx)R
t
注：容器上方是封闭的
23
p0
t
R
σφ
σφ
径向朝外的p0相互抵消，产生σθ而与σφ无关，朝下的p0由筒底承担， 筒底将力又传给支座和基础，朝上的p0与σφ相平衡：
2πRtσφ=πR2p0
则
p0R 2t
若容器上方是开口的，或无气体压力（p0=0）时，σφ=0
cos
将R1、R2代入混合方程得：σθ=2σφ
代入区域方程得：
pr ， 2t cos
则
pr
t cos
可见：① 平行圆半径 r 越小，应力σφ、σθ也越小，锥顶处应力
为零
② 倾角α越小，应力σφ、σθ也越小，α=0时，与圆筒应
力相同，α=90°时，与平板应力相同
18
压力容器应力分析
14
图2-6中：mom′——由纬经锥面mdm′截取的部分壳体，称 为区域壳体。
rm——纬线mm′的平行圆半径 σφ——意义同前 α——σφ方向线与回转轴oo′的夹角，α=90°－φ，
sinφ=r/R2 nn——由两个正交锥面切割得到的、经向宽度为
dl的环带
r 、dr ——nn 环带的平行圆半径及其增量
11
在图b中：因壳体沿经线的曲率常有变化，故Nφ随φ变化，因 abcd是微元体，故Nφ随φ的变化量很小，可忽略， 则σφ+dσφ≈σφ；Nφ+dNφ≈Nφ
过程设备设计课程设计说明书
过程设备设计课程设计说明书二氧化碳储罐设计学生姓名专业过程装备与控制工程学号指导教师朱振华李晶学院机电工程学院目录第一章绪论 (1)1.1概述 (1)1.2二氧化碳的性质 (1)1.3立式二氧化碳储罐的设计特点 (1)1.4 设计任务表 (2)第二章零部件的设计和选型 (3)2.1封头的设计 (3)2.2.1封头的选择 (3)2.1.2封头材料的选择 (3)2.1.3封头的设计计算 (4)2.2人孔的设计 (4)2.2.1人孔的选择 (4)2.2.2人孔的选取 (5)2.3容器支座的设计 (5)2.3.1支座材料的选择 (5)2.3.2支座选取 (6)2.3.3支座的设计 (6)2.3.4支座的安装位置 (7)2.4筒体的材料的选择 (8)2.5 接管、法兰、垫片和螺栓的形式和选择 (9)2.5.1接管的选取 (9)2.5.2法兰的选取 (10)2.5.3垫片的选取 (10)2.5.4螺栓的选取 (11)第三章强度设计与校核 (12)3.1圆筒强度设计 (12)3.2封头强度设计 (12)3.3筒体长度校核 (13)3.4人孔补强设计 (13)3.5水压试验校核 (15)结论 (16)参考文献 (17)第一章绪论1.1概述储存设备又称储罐,主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用,如氢气储罐、液化石油气储罐、石油储罐、液氨储罐等。
储罐内的压力直接受到温度的影响，且介质往往易燃、易爆或有毒。
储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式储罐和球形储罐。
目前我国普遍采用常温压力储罐，常温储罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐。
球形储罐和圆筒形储罐相比：前者具有投资少，金属耗量少，占地面积少等优点，但加工制造及安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高。
一般储存总量大于3m200时选用球形储罐比较经济，而圆筒形储m500或单罐容积大于3罐具有加工制造安装简单，安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总储量小于3m100时选用圆筒形储罐比较经济。
过程设备设计总结
2.2.3 无力矩理论的基本方程 求解思路：
1.取微元 →力分析 → 法线方向：内力=外力 衡方程 2.取区域 → 力分析 → 轴线方向：内力=外力 区域平衡方程 → → 微元平
求得：
σφ σθ
一、微元平衡方程
p R1 R2 t
（2-3）
■微元平衡方程。又称
拉普拉斯方程。
三、区域平衡方程（图2-6） 区域平衡方程式：
见课本P34-35
与壳体受内压不同，壳壁上液柱静压力随液层深度变化。 圆筒形壳体 (气+液)联合作用
P0
χ
A
H
t
R
图2-10 储存液体的圆筒形壳
筒壁上任一点A承受的压力:
由式（2-8）得
p p 0 g x
( p 0 g x) R t
(2-11a)
作垂直于回转轴的任一横截面，由上部壳体轴向力平衡得：
形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不
连续应力也自动限制，这种性质称不连续应力的自限性。
不连续应力的危害性：
脆性材料制造的壳体、经受疲劳载荷或低温的壳体等 因对过高的不连续应力十分敏感，可能导致壳体的疲劳失 效或脆性破坏，因而在设计中应安有关规定计算并限制不 连续应力。
●2.3 厚壁圆筒应力分析
k值可表示厚壁圆i0rrk一压力载荷引起的弹性应力一压力载荷引起的弹性应力rror?????22o21rpiip?0??????????22i21rrkpo0op??????????22o211rrkpi?????????1122kkpi???????122kpi??????????22i2211rrkkpo??????????1222kkpo??????????1122kkpoz???????112kpi??????????122kkpo析rzrr0z12?kipz0minr121max2?kkpi122min?kpi0minr22ipr?max0maxpr?12??kkpz121min20?kkp122max20??kkp图217厚壁圆筒中各应力分量分布a仅受内压b仅受外压二温度变化引起的弹性热应力二温度变化引起的弹性热应力二温度变化引起的弹性热应力二温度变化引起的弹性热应力热应力任意半径r处圆筒内壁kkr处圆筒外壁1rk处表22厚壁圆筒中的热应力tr11lnln22r???kkkktrp00t11lnln122r???kkkk
无力矩理论基本方程及应用 压力容器
解: (1)取如图所示部分列区域平衡方程 坐标为y处的液体静压力
py ρg H y
2
σ φ 2πy sin α gt cos α ρg H y gπ ytgα
1 2 πρgy ytgα 0 3
σφ ?
因为 R 1 式(2-3)
T
G
-0
A A F
0
B
A
σ
σ
θ
C
图2-11 储存液体的圆球壳
16
过程设备设计
任点 B 处的液体静压力为:
p gR(1 cos )
当 0 ： (支座A-A以上)
V 2
式(2-4)
rm 0
prdr
V ' 2πrmσφt cos α
φ
φ
rm R sin φ
2πRtσφ πR2 ρgx πR2 ( p0 ρgx) p0 R 2 2Rt R p 0 2t
11
化简得
(2-11b)
思考：若支座位置不在底部，应分别计算支座上下的轴向
应力，如何求？
筒壁上任一点A承受的压力:
p p0 g x
由式（2-3）得
( p 0 g x) R t
压力容器应力分析压力容器应力分析1basictheoryofelasticmechanicsbasictheoryofelasticmechanicstprr??21????拉普拉斯方程无力矩理论的两个基本方程无力矩理论的两个基本方程微元平衡方程区域平衡方程区域平衡方程微元平衡方程23??rm?mrprdrv02???2?costv?区域平衡方程式区域平衡方程式??m?2?costrvv??24过程设备设计过程设备设计224224无力矩理论的应用无力矩理论的应用224224无力矩理论的应用无力矩理论的应用一承受气体内压的回转薄壳一承受气体内压的回转薄壳回转薄壳仅受气体内压作用时各处的压力相等压力产生的轴向力v为
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（2-13b）
42
过程设备设计
比较式（2-12）和式（2-13），
支座处(=0)： 和 不连续，
突变量为： 2gR2 3t sin 2 0
这个突变量，是由支座反力G引起的。
支座附近的球壳发生局部弯曲，以保持球壳应力与位移的 连续性。因此，支座处应力的计算，必须用有力矩理论进行分 析，而上述用无力矩理论计算得到的壳体薄膜应力，只有远离 支座处才与实际相符。
(仅受液压作用)
rm
M
T
G
-0
0
A
A
F
t R
A
过程设备设计
σ
σ
θ
图2-11 储存液体的圆球壳
任点 M 处的液体静压力为: p gR(1 cos)
40
过程设备设计
当 0 ： (支座A-A以上)
V 2 rm prdr 0
式(2-4)
gR 2
6t
(1 2 cos2 ) 1 cos
式(2-3)
2.1.1 载荷 载荷
压力
内压 外压
非压力载荷
整体载荷 局部载荷
重力载荷 风载荷 地震载荷 运输载荷 波动载荷
管系载荷
支座反力 吊装力
交变载荷
6
过程设备设计
2.1.2 载荷工况
正常操作工况
载荷工况
压力试验 特殊载荷工况
开停车及检修
紧急状态下快速启动 意外载荷工况
紧急状态下突然停车
7
过程设备设计
2.2 回转薄壳应力分析
过程设备设计
●无力矩理论的两个基本方程
微元平衡方程 区域平衡方程
24
2.2 回转薄壳应力分析 2.2.4 无力矩理论的应用
◇分析几种工程中典型回转薄壳的薄膜应力：
承受气体内压的回转薄壳 储存液体的回转薄壳
球形薄壳 薄壁圆筒 锥形壳体 椭球形壳体 圆筒形壳体
球形壳体
过程设备设计 25
过程设备设计
2.2.4 无力矩理论的应用
第二章 压力容器应力分析
CHAPTER 2 STRESS ANALYSIS OF PRESSURE VESSELS
1
载荷 压力容器
过程设备设计
应力、应变的变化
2
本章主要内容
●2.1 载荷分析 2.1.1 载荷 2.1.2 载荷工况
●2.2 回转薄壳应力分析
2.2.1 薄壳圆筒的应力 2.2.2 回转薄壳的无力矩理论 2.2.3 无力矩理论的基本方程 2.2.4 无力矩理论的应用 2.2.5 回转薄壳的不连续分析
过程设备设计
球形壳体上各点的第一曲率半径与第二曲率半径相等， 即R1=R2=R
将曲率半径代入式（2-5）和式（2-6）得：
pR 2t
结论:
a. pR 2t 受力均匀且小。 所以大型储罐制成球形较经济。
b.变形后仍为球形。
（2-7）
27
过程设备设计
B、薄壁圆筒
薄壁圆筒中各点的第一曲率半径和第二曲率半径分别为
即顶点处为 pa ，赤道上为 - pa ，
t
t
恒是拉应力，在顶点处达最大值为
pa t
。
变形后为一般椭圆形封头
37
过程设备设计
2.2.4 无力矩理论的应用 二、储存液体的回转薄壳 与壳体受内压不同，壳壁上液柱静压力随液层深度变化。 a. 圆筒形壳体 (气+液)联合作用 P0
H
χ
A
t
R
图2-10 储存液体的圆筒形壳 38
③变形后为准锥形。
31
D、椭球形壳体
过程设备设计
图2-8 椭球壳体的应力
32
过程设备设计
推导思路： 椭圆曲线方程
式（2-5）（2-6）
R1和R2
,
pR2 2t
p 2t
a4
x2 (a2
b2 )
1 2
b
（2-10）
p 2t
a4
x2 (a2
b2 )
1 2
b
a4
2
a4
x2
(a 2
b2
)
过程设备设计
筒壁上任一点A承受的压力:
p p0 g x
由式（2-3）得
( p g x)R
0
t
(2-11a)
作垂直于回转轴的任一横截面，由上部壳体轴向力平衡得：
2Rt
R2 p 0
pR
0
2t
(2-11b)
思考：若支座位置不在底部，应分别计算支座上下的轴向 应力，如何求？
39
b. 球形壳体
微元体： a b c d
经线ab弧长： dl1 R1d
截线bd长： dl2 rd
微元体abdc的面积： dA R1rdd
压力载荷： p p()
微元截面上内力： N （= t ） 、 N （= t ）
过程设备设计 19
过程设备设计
o'
p
m
m'
K1 d
R2 R1 K2 a
c
b d
o a.
二、无力矩理论与有力矩理论
平行圆
N
过程设备设计
经线
a.
b.
c.
图2-4 壳中的内力分量
17
过程设备设计
二、无力矩理论与有力矩理论
内力
薄膜内力 Nφ、Nθ、Nφθ、Nθφ
横向剪力 Qφ、Qθ
弯曲内力
弯矩转矩 Mφ、Mθ、 Mφθ、Mθφ、
无力矩理论或 薄膜理论（静定）
有力矩理论或 弯曲理论 （静不定）
微体法线方向的力平衡
过程设备设计
tR2 sin dd tR1dd sin pR1R2 sin dd
p
R1 R2 t
（2-3）
■微元平衡方程。又称 拉普拉斯方程。
21
2.2.3 无力矩理论的基本方程
过程设备设计
三、区域平衡方程（图2-6）
o
D
m
o
m
dr p
dl
n
n
o
o
图2-6 部分容器静力平衡
gR 2
6t
(5 6 cos 2 cos2 ) 1 cos
（2-12a） （2-12b）
41
过程设备设计
当 0 ： (支座A-A以下)
V 2 rm prdr 4 R3 g
0
3
式(2-4) 式(2-3)
gR2
6t
2 cos2
(5
)
1 cos
（2-13a）
gR2
6t
(1 6cos 2cos2 ) 1 cos
一、承受气体内压的回转薄壳 回转薄壳仅受气体内压作用时，各处的压力相等，压力产生
的轴向力V为： V 2 rm prdr 0 rm2 p
由式（2-4）得：
V
2rmt cos
prm
2t cos
pR2 2t
（2-5）
将式（2-5）代入 式（2-3）得：
(2
R2 ) R1
（2-6）
26
A、球形壳体
过程设备设计
B点
内压P
轴向：经向应力或轴向应力σφ 圆周的切线方向：周向应力或环向应力σθ 壁厚方向：径向应力σr
σθ 、σφ >>σr
三向应力状态
二向应力状态
因而薄壳圆筒B点受力简化成二向应力σφ和σθ(见图2-1)
10
3. 应力求解 截面法
t
过程设备设计
y
Di
p
p
x
(a)
(b)
图2-2 薄壁圆筒在压力作用下的力平衡
过程设备设计 3
本章主要内容
●2.3 厚壁圆筒应力分析 2.3.1 弹性应力 2.3.2 弹塑性应力 2.3.3 屈服压力和爆破压力 2.3.4 提高屈服承载能力的措施
●2.4 平板应力分析 2.4.1 概述
2.4.2 圆平板对称弯曲微分方程 2.4.3 圆平板中的应力 2.4.4 承受轴对称载荷时环板中的应力
o'
K1
R1
d K2 R2
a
c
O1 r d b d
o
b.
o'
F1
d
o'
a.c
F2
d c.d
K1
d d
t
d
O1
d d
d
o
R1
b.d
F1 d
c.
o
a.b
F2
d
d.
o'
K1
d
2N在法线
上的分量
a(c)
2F2
O1
r b(d)
图2-5微元体的力平衡
o
e.
20
2.2.3 无力矩理论的基本方程 二、微元平衡方程（图2-5）
8
过程设备设计
2.2 回转薄壳应力分析
3.2.1 薄壳圆筒的应力
1. 基本假设：
a.壳体材料连续、均匀、各向同性； b.受载后的变形是弹性小变形； c.壳壁各层纤维在变形后互不挤压。
典型的薄壁圆筒如图2-1所示。
t A
B
Di
p
p
A
BDi D Do
图2-1 薄壁圆筒在内压作用下的应力
9
2. B点受力分析
又称胡金伯格方程 33
过程设备设计
pa/t
图2-9 椭球壳中的应力随长轴与短轴之比的变化规律
34
过程设备设计
结论:
①椭球壳上各点的应力是不等的，它与各点的坐标有关。
在壳体顶R1点＝R处2＝（ax2＝0，y＝b）
b
pa2 2bt
在壳体赤R1＝道b处2/a（, xR＝2=aa，y＝ 0）p2at