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1、1,精品课程建设,过程设备设计,陆怡常州大学机械工程学院,2,绪论,3,过程-从原材料到产品要经历一系列物理的或化学的加工处理步骤，这些加工处理步骤称为过程。如粉碎、混合、储存、分离、传热、反应等。过程工业是加工制造流程性材料产品的现代国民经济的支柱产业之一。,成套过程装置-是由一系列的过程机器和过程设备，按一定的流程方式用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统，再配以必要的控制仪表和设备，即能平稳连续地把以流体为主的各种流程性材料，让其在装置内部经历必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性材料产品。,过程装备-单元过程设备（如塔、换热器、反应器、储罐等）与单元过程机器（如压缩机、
2、泵、分离机等）二者的统称为过程装备。,4,过程设备和容器的概念,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。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,5,过程设备的应用,过程设备不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶 金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油化学工业应用最为普遍，石油化工
3、企业中的塔、釜、槽、罐无一不是容器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在压力温度下运行，如一个年产30万吨的乙烯装置，约有793台设备，其中压力容器281台，占了35.4%。蒸汽锅炉也属于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。,6,加氢反应器储氢容器 深冷，高压超高压食品杀菌釜 超高压核反应堆 超临界流体萃取装置深海潜艇,过程设备在高新技术领域的应用：,7,过程设备的特点a、功能原理多种多样-非标设备;b、机电一体化-过程工艺、设备、控制紧密结合;c、外壳一般为压力容器; 决定了过程设备设计的规范性;,8,过程设备的基本要求a 、安全可靠材料的
4、强度高、韧性好;材料与介质相容;(耐腐蚀性)结构有足够的刚度和抗失稳能力;密封性能好。,9,b 、满足过程要求功能要求;实现设备的预定功能（储存量、换热量、反应速率等），满足生产要求，提高生产效率和经济效益。 寿命要求c 、综合经济性好 生产效率高;结构合理;易于运输、安装d 、操作简单、易于维护和控制简单操作; 可维护性; 便于控制e 、优良的环境性能,10,过程设备设计的基本过程,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,参数设计,11,过程设备设计的主要内容,本课程主要介绍流体储存设备、传热设备、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
5、度计算，结合结构分析，并按相应设计标准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,12,13,1.压力容器导言,1.1压力容器总体结构,14,15,锅炉、换热器、加热炉 = 圆筒外壳 + 传热管束 核反应堆 = 圆筒安全壳 + 核反应零部件 塔器 = 圆筒外壳 + 传质元件（浮阀、填料等） 反应釜 = 圆筒夹套 + 搅拌器 压缩机、真空泵 = 圆筒气缸 + 活塞 透平机、泵 = 蜗壳 + 叶轮 ,过 程 装 备 = 受 压外 壳 + 功 能 内 件,16,1.1.1压力容器的组成,六大部件筒体（Cylinder）;封头(Formed head)
6、;密封装置(Seal Units);开孔与接管（Nozzle）;支座(support);安全附件(Safe attachment)压力容器零部件的连接焊接、法兰连接和螺纹连接,17,18,19,20,1.2 压力容器的分类,1.2.1介质危害性 毒性 介质分为极度危害(L级)、高度危害(级)、中度危害(级)、轻 度危害(iv级)等四个级别。以每立方米的空气中含毒物的毫克数 来表示,单位是mgm3。一般划分标准为： 极度危害(I级) 最高容许质量浓度 0.1 mgm3； 高度危害(级) 最高容许质量浓度 0.11.mgm3； 中度危害(级) 最高容许质量浓度 1.010mgm3； 轻度危害(1V
7、级) 最高容许质量浓度 10mgm3。,21,1.2.1介质危害性易燃性 可燃气体或蒸气与空气的混合物遇着明火能够发生爆炸的浓度范围称爆炸浓度极限，爆炸时的最低浓度称为爆炸下限，最高浓度称为爆炸上限。爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合物中的体积分数来表示.爆炸下限小于10，或爆炸上限和下限之差值大于等于20的介质，一般称为易燃介质。,22,1.2.2 压力容器分类,(1)按压力等级分类 按承压方式分类，压力容器可分为内压容器与外压容器。具体划分如下： 低压(代号L)容器 0.1MPap1.6MPa； 中压(代号M)容器 1.6MPap10.0MPa； 高压(代号H)容器 10MPap100MP
8、a； 超高压(代号U)容器 p100MPa 外压容器中，当容器的内压力小于一个绝对大气压(约0.1MPa)时又称 为真空容器。,23,1.2.2 压力容器分类,(2)按容器在生产中的作用分类a反应压力容器(代号Reactor) b换热压力容器(代号Exchanger) c分离压力容器(代号Separator) d储存压力容器(代号Collector，其中球罐 代号Ball),24,1.2.2 压力容器分类,(3)按安装方式分类 a固定式压力容器 b移动式压力容器,25,(4)按安全技术管理分类,压力容器安全技术监察规程采用综合考虑容器设计压力、容积、介质危害程度、容器在生产中的作用、材料强度、
9、容器结构等因素，将压力容器分为三类。 缺点：对于多功能压力容器，难于界定哪个功能在生产中起主要作用。固定式压力容器安全监察规程根据介质、设计压力和容积等三个因素进行压力容器分类。分为第类、第类和第类压力容器。,26,介质分组：按照其毒性危害程度和爆炸危害程度分为两组。,第一组介质：毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。第二组介质：除第一组介质以外介质。介质毒性危害程度和爆炸危害程度按HG20660和GB5044两个标准确定。以危险程度高的为准。,27,压力容器分类 先根据介质特性，选择类别划分图，再根据设计压力和容积，标出坐标点，确定容器类别。（1）第一组介质，压力容器类
10、别的划分见下图,28,（2）第二组介质，压力容器类别的划分见下图,29,（3）多腔压力容器,按照类别高的压力腔类别，作为该容器类别。按该类别进行使用管理。但应当按照每个压力腔各自的类别提出设计、制造技术要求。对各压力腔进行类别划分时，设计压力和容积均为本腔的设计压力和容积。（4）同腔多种介质压力容器类别划分 一个压力腔有多种介质，按照组别高的介质分类。（5）特殊情况分类 a坐标点位分类线上时按照高的类别划分. b容积小于25l,内直径小于150mm的压力容器,划为第一类.,30,1.3 压力容器规范标准,1.3.1国外标准 美国ASME规范:世界上第一部压力容器规范,第篇压力容器，分为三册：A
11、SME -1， ASME -2， ASME -3日本 JIS规范:欧盟压力容器规范:97/23/EC(简称)PED承压设备指令， EN13445非火焰接触压力容器与PED相对应。,31,1.3.2国内标准,中国对压力容器实施全过程安全监察四层次法规体系结构：行政法规（特种设备安全监察条例）部门规章（特种设备事故报告与调查处理规定）安全技术规范（固定容规）引用标准（GB150，JB4732）,32,GB1501998钢制压力容器;中国第一部压力容器国家标准，属于常规设计标准，是设计、制造压力容器的依据，是强制性压力容器标准。适用范围：设计压力不大于35MPa，设计温度-196到钢材蠕变限用温度。不适用于直接火焰加热容器，核能装置中的容器，经常搬运的容器，设计压力低于0.1MPa的容器,内直径小于150mm容器,真空度低于0.02MPa的容器,要求做疲劳分析的容器，旋转或往复运动机械设备中自成整体或作为部件的受压器室。,33,新GB150-2010固定式压力容器分通用要求、材料、设计、制造四部分。JB4732 钢制压力容器分析设计标准;中国第一部压力容器分析设计行业标准。,
