一、过程设备和容器的概念 1、过程设备-----用于传质、传热和化学反应等过程的装置 容器-----设备外部壳体的总称 * 过程设备为过程的实现服务，因此过程设备的设计必须满足过程的要求，没有相应的设备，过程也无法实现。 举例：合成氨工艺过程及相应设备 * 设备是静止的，没有相对运动的机构（有些静止设备上带有运动的传动装置，如夹套反应釜），如储存设备、换热设备、塔设备、反应设备等。 机器有相对运动的机构，如泵、压缩机、离心机等。 2、过程设备设计的主要内容 本课程主要介绍储存设备、换热设备、塔设备、反应设备的一般设计方法，从设备工作时的受载情况出发，通过应力分析和强度计算，结合结构分析，并按相应设计标準和规范进行设备的零部件及整体的设计工作。 受载情况→应力分析、强度计算→结构分析→零部件及整体设计 ·设计参数的选取 ·设计方法的确定 ·设计标準和规范的选用 ·教学中的实践环节及实践经验的积累 ·课程设计和毕业设计的作用 二、过程设备的应用 a、加氢反应器（反应设备） b、液态氢储存容器（储存设备） c、超高压食品杀菌釜（高压设备） d、核反应堆（反应设备） e、超临界流体萃取装置（传质、传热、反应） 三、过程设备的特点 1、非标设备，功能原理多样化 2、机电一体化-----过程工艺、设备、控制紧密结合 3、外壳一般为压力容器 4、过程设备设计的规范性和能动性 四、过程设备的基本要求 为防止容器在使用过程中发生破坏或失效，在设计时应根据外载荷进行容器的应力计算及校核，并综合考虑材料、制造方法、检验方法等因素，进行容器的合理设计，保证容器在运行中的安全。 ·合理设计----安全 经济 ·容器设计的基本原则：在保证安全的前提下，尽可能做到经济。 设备的基本要求： a、安全可靠 ①强度、韧性 ②耐腐蚀性（材料与介质相容） ③刚度和抗失稳能力 ④密封性能 b、满足过程要求 ①功能要求 ②寿命要求 c、综合经济性好 ① 生产效率高（单位生产能力高）、消耗系数低 单位生产能力----单位时间、单位设备容积（面积）处理的物料量或所得产品的数量。 消耗系数----生产单位重量或体积产品所消耗的资源（原材料、能量、燃料、水、电、蒸汽等。 ② 结构合理、制造方便 ③ 便于安装和运输 d、易于操作、维护和控制 ① 操作简单 ② 易于维护、修理----安全、正常地运转，维修周期长 ③ 便于控制 e、优良的环境性能 泄漏、环境污染、环境失效 以上各方面要求在设备设计时应综合考虑、具体分析，采用工程观点来解决主要矛盾。 五、过程设备设计的基本内容和步骤 需求分析和目标界定 ↓ 总体结构分析 ↓ 零部件结构设计 ↓ ↓ 设计实施 设计步骤： 工艺条件 ↓ 结构分析 ↓ 设计标準和规范 ↓ 应力分析及强度计算 ↓ 绘图、提出技术要求 一、压力容器总体结构 图1-1 压力容器由许多基本部件组成，如筒体、封头、接管、法兰、支座等，在外载荷作用下，各部件中会产生相应的应力，容器设计时应考虑各零部件的结构、材料及应力分布状况，进行应力分析和计算，并进行合理的结构设计。 （1） 筒体 （2） 封头 （3） 密封装置 （4） 开孔与接管 （5） 支座 （6） 安全附件 二、压力容器零部件之间的焊接 1、焊接结构 2、焊接结构设计的内容 一、介质危害性 1、毒性：极度危害（Ⅰ级）最高容许质量浓度＜0.1mg/m3 高度危害（Ⅱ级）最高容许质量浓度0.1~＜1.0mg/m3 中度危害（Ⅲ级）最高容许质量浓度1.0~＜10mg/m3 轻度危害（Ⅳ级）最高容许质量浓度≥10mg/m3 * Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害的压力容器 2、易燃性 爆炸浓度极限----可燃气体或蒸汽与空气混合物遇到明火能够发生爆炸的浓度范围。 易燃介质----爆炸上限和下限的差值大于等于20%的介质。 * Q235-AF不得用于制造易燃介质容器 Q235-A不得用于制造液化石油气容器 二、压力容器分类 《压力容器安全技术监察规程》 a、按压力等级分类 低压(代号L)容器 0.1MPa≤p<1.6MPa； 中压(代号M)容器 1.6MPa≤p<l0.0MPa； 高压(代号H)容器 10MPa≤p<100MPa； 超高压(代号U)容器 p≥100MPa。 b、按承压方式分类 内压容器----容器内部压力大于外部压力，主要进行强度计算。 外压容器----容器外部压力大于内部压力，主要进行稳定性计算，如减压塔和真空容器，对于带有夹套的容器，当夹套内介质压力大于容器内压时，容器也是外压容器。 c、按作用原理 换热容器（E）----主要用于实现介质的热量交换，如热交换器、冷却器、废热锅炉等。 反应容器（R）----主要用于完成介质的化学反应，如各种反应釜。 分离容器（S）----主要用于对混合物料进行分离，如分馏塔、吸收塔等。 贮运容器（C）----主要用于盛装物料，如贮罐、槽车等。其中球罐（B） * 在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应按工艺 过程中的主要作用来划分品种。 d、按安装方式分类 固定式容器----由相对固定的安装、工作地点，工艺条件和操作人员也较为固定，如塔、反应器、储罐等。 移动式容器----需经常搬运的容器，承受介质压力外还要承受介质沖击力、外部撞击及振动载荷，在结构、使用、安全上有特殊要求。 e、按容器形状分类 方形或矩形容器----由平板焊制而成，制造简单，承压能力差，用于小型常压贮罐。 球形容器----由数块球瓣拼焊而成，承压能力好，内件安装不便，制造困难，常用作大型贮罐。 圆筒形容器----由圆柱形筒体和各种形状的成型封头组成，筒体制造简单，内件安装方便，承压能力较好，应用最普遍。 f、按安全技术管理分类（按综合因素，即压力高低、生产过程重要性、介质危险程度等） 一类容器 二类容器 三类容器 一、压力容器的质量保证（介绍） （1）定义 压力容器的质量保证可以理解为广义的、更严格的安全性，是为使容器在整个使用过程中能够安全运行，不发生事故，而采取的有计划的、系统的措施，是一种系统工程。 （2）质量保证≠安全性 （3）容器设计标準和规范必须依据质量保证系统的要求来制定 （4）质量监督是达到质量保证的手段 《压力容器安全技术检查规程》 （5）质量保证的内容 ①设计 工艺条件→设计标準和规范→应力分析及强度计算→绘图、提出技术要求 设计环节的步骤： 外载荷→应力分析→强度计算→零部件结构设计→总体结构设计→绘图 ②材料 ·压力容器广泛使用金属材料，如碳钢、合金钢、有色金属等。 ·《金属材料工艺学》 ·由于压力容器在加工、使用过程中都有严格要求，所以选用的材料原则上应符合压力容器用钢的标準。 常用标準：GB6654-86《压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板》 R ---容器用钢，如16MnR、15 MnVR、20R等 ·压力容器用钢的基本要求 a、化学成分-----C、S、P、Mn、Si等 b、力学性能 强度（拉伸强度极限、屈服极限） 塑性（延伸率、断面收缩率） 韧性（沖击韧性：夏比V形缺口沖击试验、沖击功AKV；断裂韧性：极限应力强度因子、裂纹尖端张开位移） 硬度（HB、HRC） 疲劳特性（疲劳寿命） c、加工工艺性----可焊性、可锻性、铸造性、切削加工性能等。 d、热处理性能----正火、回火、退火、淬火等，调质处理; ·压力容器用钢的基本类型 我国压力容器用钢三大基本类型： 低合金钢----是压力容器的主要结构材料 σS350MPa级的16MnR σS400MPa级的15MnVR σS450MPa级的15MnVNR σS500MPa级的18MnMonbR ·压力容器材料的选用 ③制造和制造过程中的检验 ④使用过程中的定期检验和监控 《压力容器安全技术检查规程》 二、压力容器标準和规范 ·满足标準和规范的基本要求 ·创造性;地使用标準和规范 ·了解标準和规范的变动情况，采用最新版本的标準和规范 2、压力容器规范简介 ASME《锅炉与压力容器规范》 GB150—1998《钢制压力容器》 GB151—1999《管壳式换热器》 GB12337—1998《钢制球形储罐》 JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标準》 JB4710—2000《钢制塔式容器》
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