过程设备设计课件

1.3.3
国家标准和工业国家标准的比较
GB150较多地参照了ASME！ 1、与美国标准、欧洲标准的内容基本相同； 2、制定标准的出发点也相差不多； 3、差别主要在： a、标准的适用范围 b、材料的许用应力 c、材料的牌号及其性能、技术指标有所不同。
1.3.4
制定标准的目的
标准化的目的是为了实现产品的系列化、通 用化、降低产品成本、且提供了法律依据。压力 容器是一种潜在危害很大的装备，因此，对设计、 制造、使用、维修等方面的工作和从事这些工作 的资质都必须有章可循。 问题：如何看待压力容器的规范？ “工程设计是一门艺术！”——路甬祥
按安全管理分（按容规分类 最重要的分类！） 分为三类： 具有下列情况之一的，为第三类压力容器： • 高压容器 • 中压容器且介质为极度毒性和高度危害 • 中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性、 pv≥10MPa. m³ • 中压反应容器且介质为易燃或中等毒性、 pv≥0.5MPa. m³
容规：压力容器安全技术监察规程
a.
设计
制造
使用
维护与修理
评估标准： 功能 安全性 经济性 对环境的影响 可制造性 时间等
需求分析和目标界定
提出各种方案
改进
方案评价
方案不可行
方案可行
b. 过程设备设计的主要内容 • • • • • • • • • • 文献检索与分析 确定设计标准 确定材料 确定设计理论和设计方法 工艺设计 总体设计 强度设计 结构设计 确定制造工艺 性能评价
提示：压力容器必须提供一个密闭的空间！理由？ 压力容器通常由以下8个部分组成：
a. 筒身 钢板卷制而成 筒身 制造容易、成本低
整体锻造而成
单层 筒身 多层
制造困难、成本高、性能好
多用于中低压容器 多用于高压容器
问题：压力容器可以用什么材料制作？
b. 封头
按形状可分为：球形封头、椭圆形封头、碟 形封头、锥形封头、平板封头等。 特点：轴对称！
几点说明：
1、本专业最核心的专业课，为本专业的“饭碗”。 2、本专业最独特的专业课——其它专业学生都不学。 3、其核心内容——压力容器 非常广泛地使用于工业和 民用领域。 2、控制方向和装备方向的必修课。 3、本专业的考研课程之一，也是非本专业研究生一 般都需选修的课程。
绪论 10个问题： （1） 产品的分类 • 硬件产品（hardware) • 软件产品(software)
• 过程装备制造技术的创新 ——计算机辅助制造技术（CAM)。 • 过程装备故障诊断技术的创新 ——再线诊断技术的创新。 • 过程控制技术的创新 ——新型传感器技术和控制理论的创新。 • 清洁生产技术的创新 ——环境影响评估技术与清洁生产技术的创新。
（8）过程设备与过程机器示例
过程机器和过程设备的联系与区别： ——都属于过程装备； ——过程机器：主要功能是把能量传递给物料，提高 其压力或速度。一般为选型设计。 ——过程设备：主要功能是为物料的物理过程或化学 过程提供适宜的场所。非标设计。 选型设计：按工艺需求，选择机器的型号。 非标设计：遵守国标前提下，针对具体设备进行设计。
除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。 注意：各国对压力容器的分类方法不尽相同。 问题：容规分类中需考虑哪些因素？
1.3 压力容器规范标准 1.3.1 国外压力容器标准简介 • ASME规范
美国标准（American society of Machinery engineering) 为世界上第一部压力容器设计和制造方面的规 范，历史悠久，更新速度快，涵盖范围宽，同时也 是许多国家制定相关规范的蓝本（如日本、中国等 国家）。 提示：压力容器的设计必须遵守各种各样的标准！
• 低压容器且介质为极度毒性和高度危害、 pv≥0.2MPa. m³ • 高压、中压管壳式余热锅炉 • 中压搪玻璃压力容器 • 使用强度级别较高的材料制造的压力容器(抗拉强 度≥540MPa)
• 移动式压力容器 • 容积大于50m³ 的球形容器 • 容积大于5m³ 的低温贮存容器
具有下列情况之一的，为第二类压力容器： • 中压容器 • 低压容器且介质为极度毒性和高度危害 • 低压反应器和低压贮存容器，介质易燃或毒性中等 • 低压管壳式余热锅炉 • 低压搪玻璃压力容器
c.处理的物料以流体、粉体为主
（4）过程装备 过程装备 ——过程机器 ——过程设备 过程机器——压缩机、泵、分离机、风机等。 完成其功能的主要部件为转动或平动 ！ 过程设备——塔器、传热设备、反应器、储罐等 完成其功能的主要部件不运动！ 几个身边的例子：锅炉、油罐车、压力锅…..
（5）工艺与装备的关系
GB150-1998《钢制压力容器》 为常规设计标准 JB4732－95《钢制压力容器－分析设计标准》 为 兼有常规设计和分析设计内容。 注意： 由于部门分割、标准修订时间间隔过长和所 采用的强度设计准则不同，造成了我国有国家标 准和行业标准，甚至还有地方标准的状况，但这 些标准的差别并不是很大，今后，行业标准和地 方标准会逐步淡出，压力容器的规范还是以国家 标准为主，国家标准也会因为经济全球化而逐步 向国际标准靠拢。 强者制定标准！
“工艺是先导，装备是保障”。
例：余国琮 院士 启示：只有既懂工艺，又懂装备与控制，才可能成 为合格的过程工业的工程师。 （6） 过程系统 工艺+装备+控制+技术经济学+…
（7） 过程工业的主要发展领域
• 过程原理与技术的创新 ——主要包括三传一反原理与技术的创新。 • 成套装置技术的创新 ——从系统工程的角度研究装备技术的创新。 • 过程装备放大技术的创新 ——规模化是过程工业的发展趋势。
1965年推出ASME规范； 1968年推出ASME规范的两个分册： 第一册为传统的规则设计（Design by Rules) 第二册为分析设计规范（Design by Analysis） 提示1：压力容器设计分为常规设计和分析设计！ 后者更科学、更合理！ 提示2：本课程重点介绍常规设计！
• 欧盟压力容器标准
为适应欧洲一体化而建立的标准，正在逐步 完善。该规范对中国的压力容器标准也有一定的 影响。如英国1976年制定的BS5500标准，为分 析设计标准。 • 日本标准 日本于1993年推出分析设计标准JIS8250。
1.3.2
国内主要压力容器标准
较为成熟的标准是：
提示：标准很多！
1989年制定的GB150-89《钢制压力容器》和 GB151-89《钢制管壳式换热器》等。 1998，1999年又重新修订了这两部标准和相关标准。 这些标准都是以ASME规范为蓝本，同时也吸取了欧 洲标准的一些思想，同时也加入了一些自己的思想和 方法（如管板强度设计方法）。 注：新版标准在征求意见中！
半椭球封头
半椭球封头
半球形封头
特点？
锥形封头 特点？
c. 法兰 容器法兰： 用于容器间或容器与封头的连接；
管道法兰： 用于管道间的连接； 问题：法兰的作用？
d. 密封装置
用于连接件之间的密封，防止物料泄漏。
e. 开孔与接管
在容器上开孔的目的是为了便于检修（人 孔和手孔），或是为了安装各种安全附件、或 是为了满足工艺的要求。 问题：为何在容器上开孔？
注意：工程设计必须遵守相关国家标准！
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
压力容器应力分析 回转薄壳的应力分析 厚壁容器的应力分析 结构与力学性能的关系 壳体的稳定性分析 典型局部应力
本章为常规设计的基础！是期末考和考研的重点！ 问题：应力分析的目的？ 问题：何谓强度？
2 压力容器应力分析
问题：压力容器失效的后果？导致压 力容器失效的最根本原因是什么 呢？
1
压力容器导言
1.1 压力容器总体结构 1.2 压力容器的分类 1.3 压力容器规范标准 提示：过程设备通常也称为压力容器与设备，或简 称为压力容器。
封头
筒身
接管
支座
补强圈 盲板
上封头 筒节
环焊缝 接管 纵焊缝
支座
下封头
图片
法兰 补强圈
图片
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问题： 压力容器主要由哪几部分构成？各有什么作用？
• 按压力大小分
低压容器（L） 0.1MPa≤p<1.6MPa 中压容器（M） 1.6MPa≤p<10MPa 高压容器（H） 10MPa≤p<100MPa 超高压容器（U） p>100MPa 注：记住几个压力界限！ 提示：大部分的压力容器为中低压容器。
• 按用途分 反应器——如合成塔、反应釜… 换热器——如废热锅炉、汽车发动机水冷却器… 分离器——如精馏塔、干燥塔… 储 罐——如油罐、家用液化气罐… • 按安装方式分 固定式——绝大部分压力容器 移动式——如火车物料罐、汽车油罐…
过程设备设计
过程装备与控制工程专业核心课程
茂名石化
过程设备？ 专业：过程装备与控制 装备： 过程机器——能量转换装置：如泵、压缩机、风机… 过程设备——各种化学反应、单元操作所需设备， 如：精馏塔、干燥塔、反应塔、换热器… 设计？ 有目的、有约束的工程设计！
目 录
1 2 3 4 5 6 7
绪论 压力容器导言 压力容器应力分析 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响 压力容器设计 储存设备 换热设备 塔设备
• 过程装备结构技术的创新 ——具有优良性能的新结构技术。 • 过程装备设计理论和手段的创新
——如热经济Leabharlann Baidu优化设计理论、强度理论、失效判断 理论等；计算机辅助设计(CAE)软件包（i-deas、proe、UG、ANSYS等）。
• 过程装备材料技术的创新
——陶瓷材料、纳米材料、复合材料等的技术创新。
• 流程性产品(processed material)
（2）过程工业的概念 过程工业是指包括: • 化工
•
•
轻工
炼油
•
• • •
食品
制药 冶金 能源 等行业在内的工业。
炼油厂设备
（3）过程工业的特点 a. 属于生产流程性材料产品的制造业
b. 生产过程为流程性的
例：合成氨工业 造气、净化、合成三大部分组成。
f.
支座
把压力容器支承并固定在基础上。
问题：不要支座行吗？ g. 补强圈 开孔会引发开孔区域产生过大的应力，为 安全计，需要补强圈补强。 提示：局部增强！
h. 安全附件
安装各种安全泄放装置和各种压力表、测温 仪表、液位计等。 问题：高压锅的安全泄放装置？ 问题：任何保证压力容器的安全？
1.2
压力容器的分类
（9）过程设备的基本要求
a. 安全可靠 过程设备往往都是“炸弹”，即使是常压设备， 由于过程工业所处理的物料往往具有较强的腐蚀性、 毒性、发射性，一旦物料泄漏，将对环境和各种生 物带来毁灭性的伤害，所以，过程设备必须安全可 靠。
b.
满足过程的要求 过程设备的主要功能是为物料的物理过程或化 学过程提供适宜的场所，因此它必须要满足过程的 要求。如合成塔、吸收塔、换热器都必须满足相应 过程的要求。
2.1 回转薄壳的应力分析 2.1.1 回转薄壳的概念 回转壳的特点：
母线以回转轴为中心旋转而 得，故为对称壳体。
若：壁厚/中面曲率半径≤0.1，称该壳体为薄壳，反之为 厚壳。 为什么要区分厚、薄壳？ 薄壳——常规设计，依据无力矩理论！简单，误差大！
a. 压力容器分类的理由 压力容器潜在的危害程度不同！
压力容器发生事故所造成的危害程度差别很大， 而决定危害程度的因素又很多，有压力、温度、 物料的相态、物料的毒性、易燃易爆性、规模、 使用场所等。
提示：联系后续内容中的焊缝分类、应力分类！
b. 压力容器分类的依据
主要根据压力、温度、物料的相态、物料的 毒性、易燃易爆性、规模、使用场所等——都 与压力容器的潜在危害程度相关！ c. 压力容器的分类 提示：经常考的内容！
c.
有好的经济技术指标 单位产品成本低、热力学完善度高。 易于操作、维护和控制 操作简单、可维护性和可修理性好，有优 良的控制水平。如换热器的清污性能好、管束 替换方便、操作弹性好。 优良的环境性能 对环境的影响尽可能地小（包括：物料污染、 声污染、光污染、热污染、放射性污染等）。
d.
e.
（10）过程设备的设计
总结： 过程设备是化工、轻工、炼油、食品、制药、 冶金、能源等行业广泛使用的一种装备，有别于 一般的装备。过程设备的设计涉及到过程原理、 固体力学、流体力学、热力学、机械学、自动控 制原理与仪器仪表等学科。其涉及学科的范围和 问题的复杂程度都是工程问题中极为少见的。 先进的过程设备设计方法是以计算机辅助设 计（CAE)为标志的以寻求最优化结果为目标的设 计。