【生物课件】第十四章 生物工程压力容器

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1、578第十四章第十四章 生物工程压力容器生物工程压力容器一般生物工业过程需要在一定的温度、压力和 pH 值等环境条件下才能进行，所以生 物工程中使用的许多设备均属于压力容器。特别是在生物工程的传热、传质、生化反应、 生物反应物料处理和分离纯化等方面，压力容器使用更为广泛。常见的容器形式有生物反 应器、换热器、塔器和储罐等，这些设备虽然服务对象不同、操作条件各异、结构形式不 一，但就其外壳而言，均属于压力容器范畴。 本章主要针对生物加工过程的特点，介绍生物工业过程中应用的有关压力容器设计的 基本知识，内容包括压力容结构、压力容器的材料、内压薄壁容器的设计、压力容器的零 部件及其标准化等。第一节第

2、一节 概述概述（一）压力容器的基本要求 压力容器的基本要求是安全性与经济性的统一。安全是前提，经济是目标，要在充分 保证安全的前提下尽可能做到经济。 压力容器虽然不象一般机械设备那样容易产生磨损，但如果设计或使用不当，将会产 生爆炸等灾难性事故，造成严重的人员伤亡和财产损失。因此保证安全运行，是压力容器 的核心问题。经济性包括材料的节约，经济的制造过程，经济的安装维修。对生产企业来 说，停工一天所造成的经济损失就可能大大超过单台设备的成本，因而容器的长期安全运 行本身也是良好经济性的体现。应当指出，充分保证安全并不等于保守。例如，不必要地 采用过厚的壳体壁厚，不仅浪费材料，而且原材料和焊接质量

3、难以保证，反而会影响容器 的安全性。另外，对一些大型的、重要的压力容器，采用分析设计方法进行设计，既可以 减薄厚度，降低容器的成本，又可以提高容器的安全可靠性。 压力容器除了应满足上述基本要求外，还应满足强度、刚度、耐久性、密封性及操作 和维修方便的要求。 （二）压力容器的结构与分类 压力容器一般是由壳、板组合而成的焊接结构。作为压力容器筒体和封头的壳体包括 圆柱壳、球壳、椭球壳、球冠、锥形壳等；板主要包括圆平板和环形板等。由上述几种基 本的壳和板可以组合成各种压力容器的结构形式，再加上法兰、接管、支座和安全附件等 就构成了一台完整的压力容器。图 14-1 为一台卧式容器的结构简图。图 14-

4、1 压力容器的结构简图压力容器的分类方法较多，常见的有下列几种：5791按容器在生产中的作用分类 按容器在生产过程中的作用原理不同，可以分为反应压力容器、换热压力容器、分离 压力容器和储存压力容器四种。 （1）反应压力容器（代号 R） 主要是用于完成介质的物理、化学反应的设备，如生 物反应器、反应釜、聚合釜、合成塔、蒸压釜等。 （2）换热压力容器（代号 E） 主要是用于完成介质热量交换的设备，如热交换器、 冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器等。 （3）分离压力容器（代号 S） 主要用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离的 设备，如分离器、过滤器、吸收塔、干燥塔等。 （4）储存压力容器（代号 C）

5、 主要是用于盛装生产和生活用的原料气体、液体等， 如各种储罐、储槽、计量槽等。 2按承压性质和压力等级分类 按承受压力方式可将容器分为内压容器与外压容器。当容器内部介质压力大于外部介 质时，称为内压容器；反之，容器内部压力小于外部压力时，称为外压容器。其中，内部 压力小于一个绝对大气压（0.1MPa）的外压容器又叫真空容器。内压容器按其所承受的工 作压力分为五个压力等级，具体划分如表 14-1。表 14-1 内压容器按压力等级的分类方法容器分类设计压力，MPa常压容器p0.1低压容器（代号 L）0.1p1.6中压容器（代号 M）1.6p10.0高压容器（代号 H）10.0p100超高压容器（代

6、号 U）p1003按安全技术管理要求分类 上述几种分类方法仅仅考虑了压力容器的某个设计参数或使用状况，不能反映压力容 器的整体的危害程度。例如储存易燃或毒性程度中度及以上危害介质的压力容器，其危害 性要比相同几何尺寸、储存毒性程度轻度或非易燃介质的压力容器大得多。为此我国压 力容器安全技术监察规程采用既考虑容器的压力与容积大小，又考虑介质危害程度的综 合分类方法，以便于容器的安全技术监督与管理。该方法将压力容器分为三类： （1）第三类压力容器 属于下列情况之一的，为第三类压力容器： 高压容器； 中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质） ； 中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且

7、 pV 乘积大于等于10MPam3） ； 中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且 pV 乘积大于等于0.5MPam3） ； 低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且 pV 乘积大于等于0.2MPam3） ； 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（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于 540MPa）的材料 制造的压力容器； 移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体） 、罐式汽车（液化580气体运输车、低温液体运输车、永久气体运输车）和罐式集装箱（介质为液化气 体、低温液体）等； 球形储罐（容积大于等于 50m3） ； 低温液体储存容

8、器（容积大于 5m3） 。 （2）第二类压力容器 属于下列情况之一的，为第二类压力容器： 中压容器； 低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质） ； 低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质） ； 低压管壳式余热锅炉； 低压搪玻璃压力容器。 （3）第一类压力容器 除上述规定以外的低压容器，为第一类压力容器。 显而易见，其中第三类压力容器要求最高。按国家监察部门规定，无论是设计单位或 是制造单位，必须经过申请与批准，方可取得第一、二、三类压力容器的设计许可证，或 制造许可证。 （三）压力容器零部件的标准化 压力容器零部件包括封头、法兰、人孔、接管、支座和视镜等，为了便于成批

9、生产， 增加互换性，提高劳动生产率，这些零部件都已实现了标准化。我国有关部门已制定了一 系列容器零部件的标准。进行压力容器设计时，除了特殊的工作参数和结构形式需自行设 计外，应尽可能选用标准化的零部件。 压力容器零部件标准化的基本参数是公称直径 DN 和公称压力 PN。 公称直径是容器和管道标准化后的尺寸系列。对容器而言是指容器的内径 （用管子作筒体的容器除外） ；对于管子或管件，公称直径是指名义直径，是介于管子内外 径之间的某个数值。只要管子的公称直径一定，它的外径也就确定了，而管子的内径随着 壁厚的变化而变化，如公称直径 DN100 的无缝钢管有 1084、1084.5、1085 等规格。

10、 压力容器与无缝钢管的公称直径分别列于表 14-2 和表 14-3。表 14-2 压力容器的公称直径 DN，mm300（350）400（450）500（550）600（650）7008009001000（1100）1200（1300）1400（1500）1600（1700）1800（1900）2000（2100）2200（2300）24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000注：表中带括号的公称直径应尽量不采用。表 14-3 无缝钢管的公称直径 DN 与外

11、径 Do，mmDN101520253240506580100125Do141825323845577689108133DN150175200225250300350400450500Do159194219245273325377426480530设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径调整到符合表 14-2 所规定的公称直径系列。 当筒体直径较小，可直接采用无缝钢管制作。此时，容器的公称直径是指无缝钢管的外径，581其数值应按表 14-4 选取。表 14-4 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径 DN，mm159219273325377426对于法兰来说，公称直径是指与其相配的筒体或管子的公称直径。

12、国际上管法兰标准 主要有两大体系，一个是以德国 DIN 标准为代表的欧洲体系，另一个是以美国 ANSI 标准 为代表的美洲体系。同一体系内，世界各国的管法兰标准基本上可以互相配用，但两个体 系之间则无法相互配用。目前，我国的管法兰标准较多，主要有国家标准 GB91129125，机械行业标准 JB/T7490，以及化工行业标准 HG2059220635。其中 HG2059220635 同时包含了欧洲体系和美洲体系，适用范围较广，在选用管法兰时建议 优先采用。 在制定零部件标准时，仅有公称直径这一个参数是不够的。因为，即使公称直径相同 的筒体、封头或法兰，如果它们的工作压力不相同，那么它们的其他尺

13、寸也就不会一样。 所以，还需要将压力容器和管子等零部件所承受的压力，也分成若干规定的压力等级。这 种规定的标准压力等级就是公称压力。表 14-5 给出了压力容器法兰与管法兰的公称压力。表 14-5 压力容器法兰与管法兰的公称压力，MPa压力容器法兰0.250.601.01.62.54.06.4管法兰0.10.250.400.601.01.62.54.06.4容器法兰的公称压力是以 16Mn 在 200时的最高工作压力为依据制定的，因此当法 兰材料和工作温度不同时，最高允许工作压力将降低或升高。例如，PN2.5 的长颈对焊法 兰（JB4703） ，在 200时的允许工作压力为 2.5 MPa，但

14、若将它用于 400时，它的最高 允许工作压力为 1.93 MPa；若改用 20 号钢制造，则 200时的允许工作压力降低为 1.26 MPa。因此，选用法兰材料在工作温度下的允许工作压力应不低于法兰最高工作压力。管 法兰也有类似的规定，具体可参阅有关标准。第二节第二节 压力容器的材料压力容器的材料材料是压力容器质量保证体系中的一个重要环节，材料性能对压力容器运行的安全性 有显著的影响。同时，材料的费用占压力容器总成本的比例较大，一般超过 30。如果选 材不当，不仅会增加成本，而且可能导致压力容器的破坏事故。因此，合理选材是压力容 器设计的关键之一。 制造压力容器的材料多种多样，有黑色金属、有色

15、金属、非金属材料以及复合材料等， 但使用最多的是钢材。本小节重点讨论压力容器用钢材的基本要求、分类、腐蚀和选用方 法。 （一）压力容器用钢的基本要求 压力容器用钢的基本要求是具有较高的强度，良好的塑性、韧性、可焊性和与介质的 相容性。下面对压力容器用钢的基本要求作进一步分析。 1化学成分 钢材的化学成分对其力学性能和热处理的效果均有较大的影响。提高碳含量可能使强 度增加，但可焊性变差，焊接时易在热影响区出现裂纹。因此，压力容器用钢碳含量不宜 过高，一般不大于 0.25。另外，为了提高钢材的强度和韧性，往往在刚材中加入适量的 钒、钛、铌等元素。 硫和磷是钢材中主要的有害杂质元素，必须严加控制。硫

16、元素能促进低熔点化合物的 形成，它在低于钢材热加工温度下将过早熔化，从而导致材料开裂，这种现象称为“热脆 性” 。磷在钢中能溶于铁素体内，使铁素体在室温下的强度提高，而塑性、韧性下降，即产582生所谓“冷脆性” 。因此，与普通结构钢相比，压力容器用钢对硫、磷、氢等有害杂质元素 的含量控制更严。我国对压力容器用钢规定硫和磷含量分别应低于 0.020和 0.030。随 着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在 0.0020以下。 另外，从总体上看，化学成分对热处理有决定性的影响，如果对成分控制不严，就达 不到预期的热处理效果。 2力学性能 材料的力学性能主要是指强度、塑性与韧性。这些性能不仅与钢材的化学成分、组织 结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系。下面将对压力容器用钢的常 用力学性能指标进行分析。 （1）强度 强度是衡量钢材在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的特性。通常采用抗 拉强度 b和屈服点 s来表