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1、过程设备设计课程复习概要,2,说明： 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。,3,一、压力容器导言,需要掌握的内容： 1、压力容器的总体结构 了解压力容器的基本组成、各零部件功能及作用。 2、压力容器的分类 （1）按照压力等级分类 （2）按照安全技术管理分类,按照压力等级分类 按照安全技术管理分类,类容器： （1）非易燃或无毒介质的低压容器； （2）易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器。 类容器； （1）高、超高压容器； （2）剧毒介质的低压容器； （3）易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器； （4）内径小于lm的低压废热锅炉。 类容器： （1）高压、
2、超高压容器； （2）剧毒介质且P。V196LMPa(2000Lkgfcm2)的低压容器或剧毒介质的中压容器； （3）易燃或有毒介质且P。V490LMPa的中压反应容器，或P。V4900LMPa的中压贮运容器； （4）中压废热锅炉或内径大于1m的低压废热锅炉。,6,例题,压力容器按照管理等级可以分为三类： 会判断容器类别：（举例如下） 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） 工作压力为23.5Mpa的尿素合成塔,低压容器（第2、3款规定的除外）为第一类压力容器。 下列情况之一为第二类压力容器。 中压容器
3、（除第3款规定的）； 易燃介质或毒性程度为中等危害介质的低压反应容器和储存容器； 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器； 下列情况之一为第三类压力容器。 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器或设计压力与容积的乘积大于等于0.2MPam3的低压容器。 易燃介质或毒性程度为中等危害介质且设计压力与容积的乘积大于等于0.5MPam3的中压反应容器或设计压力与容积的乘积大于等于10MPam3的中压储存容器。 高压、中压管壳式余热锅炉。 高压容器。,归纳：,8,3、固定式压力容器的定义,为了与一般容器(常压容器)相区别，只有同时满足下列三个条件的容器，才称之为压力容器： （1）工作压力大于或者等于0
4、.1Mpa(工作压力是指压力容器在正常工作情况下，其顶部可能达到的最高压力（表压力）); （不含液体静压力） （2）内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m。且容积（V）大于等于0.025立方米，工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa-L(容积，是指压力容器的几何容积）; （3）盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体.,9,二、压力容器应力分析,1、载荷分析载荷： 压力（包括内压、外压和液体静压力）；非压力载荷：a.整体载荷：重力载荷、风载荷、地震载荷、运输载荷、波动载荷 b.局部载荷:管系载荷、支座反力、吊装力上述载荷中，有的是大小和/或方向
5、随时间变化的交变载荷，有的是大小和方向基本上不随时间变化的静载荷。,2、 压力容器交变载荷的典型实例：间歇生产的压力容器的重复加压、减压；由往复式压缩机或泵引起的压力波动；生产过程中，因温度变化导致管系热膨胀或收 缩，从而引起接管上的载荷变化；容器各零部件之间温度差的变化；装料、卸料引起的容器支座上的载荷变化；液体波动引起的载荷变化；振动（例如风诱导振动）引起的载荷变化。,3、载荷工况（1）.正常操作工况：容器正常操作时的载荷包括：设计压力、液体静压力、重力载荷(包括隔热材料、衬里、内件、物料、平台、梯子、管系及支承在容器上的其他设备重量)、风载荷和地震载荷及其他操作时容器所承受的载荷。（2）
6、.特殊载荷工况:制造完工的容器在制造厂进行压力试验时，载荷一般包括试验压力、容器自身的重量。开停工及检修时的载荷主要包括风载荷、地震载荷、容器自身重量，以及内件、平台、梯子、管系及支承在容器上的其他设备重量。 （3）.意外载荷工况:紧急状况下容器的快速启动或突然停车、容器内发生化学爆炸、容器周围的设备发生燃烧或爆炸等意外情况下，容器会受到爆炸载荷、热冲击等意外载荷的作用。,2、无力矩理论 薄膜理论 我们对承受气体内压的回转壳体进行了应力分析，导出了计算回转壳体经向应力和环向应力的一般公式。这些分析和计算，都是应力沿厚度方向均匀分布为前提，这种情况只有当器壁较薄以及离两部分连接区域稍远才是正确的
7、。这种应力与承受内压的薄膜非常相似，因此又称为“薄膜理论”。薄壁无力矩应力状态的存在，必须满足壳体是对称轴的，即几何形状、材料、载荷的对称性和连续性，同时需保证壳体应具有自由边缘。当这些条件不能全部满足时，就不能应用无力矩理论去分析发生弯曲时的应力状态。但远离局部区域的情况，如远离壳体的连接边缘、载荷变化的分界面、容器的支座以及开孔接管等处，无力矩理论仍然有效。,3、局部应力 局部应力，指结构部件承受压力和受载后在局部应力增高区域内考察点的总压力。局部应力会影响结构部件的强度和安全，但其影响程度还与其它因素有关。 对低碳钢等塑性较好的材料，当承受稳定压力或重复次数很少的载荷时，锅炉、压力容器结
8、构部件的局部应力对安全影响甚小。因为高应力部位材料发生屈服时，应力向附近的材料纤维中转移，局部的变形不协调及高应力得以缓解，只要结构大面积上的应力仍处于弹性状态，局部应力过高就不会直接导致结构破坏。 对脆性材料或因温度过低、结构尺寸过大等因素处于脆性状态的材料，局部应力是影响结构强度与安全的基本因素。过高的局部应力常导致结构上的裂纹等缺陷，而结构破坏常常是过高的局部应力与缺陷共同存在的结果。,4、 外压容器 工作时内压小于外压的压力容器。真空容器和海洋开发用的潜水器外壳等都属于这类容器。外压容器的失效机制与内压容器不同。当外内压差达到一定值时容器就会因丧失稳定性而出现皱曲这一压差值称为失稳临界
9、压力。圆筒形容器失稳后出现不同的波形长圆筒呈现两个波短圆筒则会出现两个以上的波形(见图 容器失稳后的波形 )。失稳的临界压力取决于材料的弹性模数泊松比和圆筒的直径长度和壁厚。在其它参数相同的情况下圆筒越短则临界压力越高。因此工程上常常在壳体上设置刚性圈减少每段筒节的长度以提高临界压力。由于稳定性计算比较烦琐工程设计时大多用图算法来确定许用压差。,15,这种方法还能用于计算应力超过材料弹性极限的非线性问题。圆筒的圆度误差会降低临界压力所以制造外压容器时一般将圆度误差控制在直径的 0.5以内。若容器承受附加的轴向压力或弯曲等外载荷作用在稳定性计算中应考虑这些影响。,4、 外压容器,16,为使圆平板
10、在承载后有较小的最大挠度和最大应力值，应尽量使圆平板在什么条件下受载。,5、平板封头的受力分析,（1）固支 （2）简支 （3）拉伸 （4）弯曲,17,三 压力容器材料与焊接,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。,18,3、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。 4、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。,三 压力容器材料与焊接,19
11、,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：,三 压力容器材料与焊接,20,7、为减少焊接应力和变形，可采取的措施有： 抑制法、定位焊、预变形法、预热法、逆向分段法、对称焊法、焊后热处理下面哪一个措施合适？ （1）优化下料排板方案，增加焊接接头数量；（2）合理布局焊缝，使焊缝不要布置在高应力区；（3）为节省材料尽力使焊缝交叉；（4）可以考虑使用十字焊,三 压力容器材料与焊接,21,8、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、
12、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。 Mn使钢的强度提高、Si有助于脱氧，有益元素。,三 压力容器材料与焊接,22,9、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,三 压力容器材料与焊接,23,0Cr13 含碳量小于0.08%，含鉻13% 0
13、Cr18Ni9：含碳量小于0.08%，含鉻18%，含镍9% 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？,三 压力容器材料与焊接,24,11、 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、焊缝的缺陷可分为内部缺陷和外部缺陷：内部缺陷：未焊透、夹渣、气孔、裂纹等外部缺陷：焊缝过高、焊缝过凹、焊缝咬边、焊瘤、烧穿,三 压力容器材料与焊接,25,13、在钢材焊缝边缘开坡口的目的是什么？ 14、压力容器焊缝的接头型式有哪些 15、压力容器筒体上纵焊缝与环焊缝那个更
14、危险（更容易开裂）？为什么。 16、在和焊接工件时，如果两块对接焊接时厚度不相等，在接口处应如何处理？并手绘接口图表示。,三 压力容器材料与焊接,26,17、按照化学成分来分，压力容器用钢可以分为三类：（碳素钢、低合金钢、高合金钢三种，其中Q345R是我国压力容器用钢板中使用量最大的钢种。,三 压力容器材料与焊接,27,边缘应力有两个特性： 自限性 局部性 虽然某些压力容器在承受静载荷情况下，除结构上作某些局部处理外，对边缘应力一般不作特殊考虑，但在下列情况下则必须考虑边缘应力问题：）塑性较差的高强度钢制的重要压力容器；）低温下铁素体钢制的重要压力容器；）受疲劳载荷作用下的压力容器；）受核辐射
15、作用的压力容器。,28,1、内压薄壁容器的划分依据：根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，当K1.2为薄壁容器 K1.2则为厚壁容器 2、薄壁圆筒受内压环向应力与轴向应力的大小比较：3筒体上开椭圆孔，如何开孔？ 4、压力容器筒体上，纵焊缝与环焊缝那个易开裂？为什么？,四、 压力容器设计,29,6、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 各支座在校核载荷时如何确定数量？,四、 压力容器设计,30,7、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,四、 压力容器设计,31,7.1、受内压的椭圆形封头、锥形封头与球形封头
16、 其内应力分布特点？ 7.2、为什么压力容器很少采用平板封头？ 7.3 压力容器在设计时有时会考虑边缘应力，边缘应力的特点有哪些？ 7.4 压力容器开孔补强，为什么接管直径较小时可以不用补强？ 7.5 压力容器补强形式有哪些类型？,四、 压力容器设计,32,8、 影响法兰密封的因素主要有哪些: 、螺栓预紧力； 、密封面型式（特征）； 、垫片密封性能；、法兰刚度和螺栓刚度； 、操作条件的影响。,四、 压力容器设计,33,9、 法兰的泄露形式有？ 10、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） 11、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
17、及材料有关。见下面法兰标准局部：,四、 容器设计,34,四、 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？,35,二、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),四、 压力容器设计,36,四、 压力容器设计,d为设计厚度,式中p2.2MPa；Di=600mm；s
18、170MPa j=0.8(已知)； C2=1.0 mm 得：,37,四、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：,38,16MnR的屈服限s=345MPa（附录表6）,2、如图所示中间支承的圆筒形贮液筒，筒内液体密度为，试确定A、B、C三处的薄膜应力。,40,四、压力容器设计,3、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 e=11-0.8=10.2(
19、mm).Lcr=1.17 15801580/10.2=23007.6mm,Lcr大于筒体高度，所以属于短圆筒。,41,四、 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=2.591.84105（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,五、换热器部分,1、 换热器的分类2、 与固定管板换热器相比，浮头式换热器的特点及适用场合？ 与固定管板换热器相比，浮
20、头换热器有以下特点：优点（1）管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；（2）介质间温差不受限制；（3）可在高温、高压下工作，一般温度小于等于450，压力小于等于6.4MPa；（4）可用于结垢比较严重的场合；（5）可用于管程易腐蚀场合。缺点（1）小浮头易发生内漏；（2）金属材料耗量大，成本高20%；（3）结构复杂适用场合：浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。,3、换热器管壳程介质路径选择原则： 优选走管程的流体：（1）.不清洁或易结垢的流体,宜走容易清洗的管程.（2）.腐蚀性流体宜走管程.（3）.压力高的流体宜走管程.（4）.对流传热系数明显小的流体宜走管程.（5）.有毒流体宜
21、走管程.宜走壳程的流体：（1）.饱和蒸汽宜走壳程.（2）.被冷却的流体宜走壳程.（3）.粘度大流体或流量小的流体宜走壳程.,4、 了解U型管换热器的特点 5、换热器管板与换热管的连接方式？如何选用？ 6、固定管板换热器什么情况下考虑设置膨胀节？ 六、搅拌反应器部分： 1、搅拌器的功能： 提供过程所需要的能量和最适宜的流动状态 。2、搅拌器的主要类型： 旋桨式搅拌器、涡轮式搅拌器、桨式搅拌器、锚式搅拌器、螺带式搅拌器、框式搅拌器等六直叶开启涡轮式搅拌器主要流型为径向流，锚式搅拌器主要流型为轴向流。3、一带夹套的搅拌反应釜，釜内压力PN=4MPa，夹套内压力PY=3MPa，则釜体应进行怎样的计算？,4、对带夹套的外压容器进行夹套液压试验时，应进行内筒稳定性校核，若内筒不满足稳定条件，应采取什么措施？ 5、搅拌轴与釜体的密封有哪些类型？七、塔设备部分：1、塔设备支座类型？如何选用？2、裙座各部件的名称及作用？3、塔设备 校核那些截面（危险截面）？,
