第1章 及压力容器导言

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1、过 程 设 备设 计主讲教师： 方书起、马晓建 郑州大学化工与能源学院（ 2012）9.1012.28绪 论过程设备设计绪 论一、什么是过程设备设计 1、过程（工艺，Process）： 从原料到产品的一系列加工处理步骤。如粉碎、混合、分离、传热、反应等操作。2、过程设备（设备，Equipment）： 用来满足过程工艺要求的装置。如储罐、换热器、反应器、塔器等。3、设计： 构思 施工图4、工艺与设备之间的关系： 设备为工艺服务，工艺需要设备来完成。过程设备设计郑州大学化工与能源学院 过程设备是一个非常广义的概念，可以说覆盖各行各业，有静设备和动设备之分。本课程只介绍静设备： 储存设备（C、球罐

2、为B） 换热设备（E） 分离设备（S） 反应设备（R）过程设备设计是一门涉及多门学科、综合性很强的课程。过程设备设计绪 论郑州大学化工与能源学院二、过程设备的特点 随着科学技术的发展，过程设备向多功能、大型化、成套化和专业化方向发展，呈现出以下特点：1、功能原理多种多样：是典型的非标设备。 2、化机电一体化；3、外壳一般为压力容器；4、工作条件苛刻；5、用材多种多样。过程设备设计绪 论郑州大学化工与能源学院过程设备设计绪 论三、过程设备的基本要求 1、满足过程要求 功能要求、寿命要求。 2、安全可靠 强度、刚度、稳定性 韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力。 密封性：设备防止介质或空气泄漏的能力

3、， 分为内泄漏和外泄漏。 3、经济性好 4、易于操作、维护和控制 郑州大学化工与能源学院四、过程设备设计程序 设计是过程设备诞生的第一道工序；基本设计步骤 （1）需求分析和目标界定（前期准备工作）； （2）总体结构设计； （3）零部件结构设计； （4）参数确定； （5）强度、刚度、稳定性计算等； （6）施工图设计、计算书及说明书编制等。过程设备设计绪 论郑州大学化工与能源学院n课程性质 专业课（416学时，6（4）？学分） 考试n课程学习方式 学生自学为主+教师授课为辅郑州大学化工与能源学院过程设备设计绪 论n要求上课不能迟到、早退作业按时独立完成上课关闭手机、不能吃东西n成绩评定考试成绩为主

4、、参考平时成绩过程设备设计郑州大学化工与能源学院绪 论第第1 1章章 压力容器导言压力容器导言过程设备设计第1.1节压力容器总体结构第1章 压力容器导言 过程设备设计图1-1 压力容器的总体结构第1-1节 压力容器总体结构郑州大学化工与能源学院第1-1节 压力容器总体结构过程设备设计一、压力容器的基本组成 是典型的板、壳组合而成的焊接结构。 板： 圆平板平盖（或平板封头）； 环形板 R0Ri10n ； 环 R0Ri10n (如法兰)； 弹性基础圆平板管板。郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 壳： 圆柱壳 圆柱形筒体（圆筒） 椭球壳+圆柱壳 椭圆形封头 球壳 球罐（球形封头） 球壳+环壳+圆柱

5、壳碟形封头 锥壳 锥形封头、变径段 环形板+环壳 膨胀节 主要结构 壳和板通过不同的组合和焊接（或其它连接）可以组成各种各样的压力容器外壳。第1-1节 压力容器总体结构郑州大学化工与能源学院 过程设备设计压力容器=（设备） 下面结合一台卧式容器来说明压力容器的基本组成：外壳+支座+密封元件+安全附件 +其它零部件第1-1节 压力容器总体结构郑州大学化工与能源学院 过程设备设计图1-1 压力容器的总体结构第1-1节 压力容器总体结构郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 （1）筒体常用的结构 主要压力空间（贮存物料、完成反应） 压力容器主要的受压元件之一。 其内径和容积由工艺计算确定。 筒体直径小

6、时（ 300400mm），常用无缝钢管制作，筒体上无纵焊缝。 筒体直径大时，筒体一般要卷焊而成。有纵焊缝（一条或若干条）和环焊缝，一个或若干个筒节组焊成所需长度的筒体。 第1-1节 压力容器总体结构郑州大学化工与能源学院过程设备设计筒体的两种结构形式： 单层式筒体： 筒体的壁面在厚度方向上是由一整体材料构成，也就是壁面只有一层（衬里不算）。 按制造方式分：单层卷焊式、整体锻造式、锻焊式等几种。 组合式（非单层式）筒体： 壁面在厚度方向上是由两层或两层以上互不连续的材料构成的。 按制造方式分：多层式、缠绕式（绕板、绕带、绕丝等）两大类。第1-1节 压力容器总体结构郑州大学化工与能源学院过程设备设

7、计 （2）封头：即容器的端盖。 结构形式（按几何形状分）： 凸形封头：球形、椭圆形、碟形、 球冠形封头； 锥形封头： 平盖封头： 封头与筒体的连接方式： 焊接（不可拆连接）： 大型容器或内部不需检修的容器； 法兰连接（可拆连接）： 内部需要检修，有密封结构。第1-1节 压力容器总体结构郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 （3）密封装置： 用于压力容器的可拆结构上。如封头与筒体、人孔、手孔、接管与外部管道的连接密封结构。 密封装置组成： 一对法兰、若干对螺栓（柱）螺母、一个垫片 螺栓法兰连接，简称法兰连接。 法兰分为：容器法兰和管道法兰。 第1-1节 压力容器总体结构郑州大学化工与能源学院 过

8、程设备设计 （4）开孔与接管： 由于工艺要求和检修需要，需设置各种各样的开孔和接管，如:检查孔、物料进出口接管、视镜孔、压力表、液位计、安全阀等。 检查孔： 手孔： 常 用 于 DN1000mm的 容 器 ， 手 孔 直 径150mm。 人孔： 用于大容器的内部检查，孔径400mm（圆形）或350400mm（椭圆形）。第1-1节 压力容器总体结构郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 手孔 人孔第1-1节 压力容器总体结构郑州大学化工与能源学院 过程设备设计（5）支座：压力容器的支承。 圆柱形容器： 立式容器： 腿式、支承式、耳式、裙式； 卧式容器： 鞍座、圈座、支腿； 球形容器： 柱式、裙式支

9、座。第1-1节 压力容器总体结构郑州大学化工与能源学院 过程设备设计（6）安全附件： 用来监测压力容器安全性的零部件。如：安全阀、爆破片、紧急切断阀、安全连锁装置、压力表、液面计、测温仪表等。 根据压力容器的使用特点和内部介质的化学工艺特性，来适当设置。第1-1节 压力容器总体结构二、 压力容器零部件间的焊接 祥见第四章。郑州大学化工与能源学院第1.2节压力容器分类第1章 压力容器导言 过程设备设计由于压力容器： 使用范围广、数量多 工作条件复杂 发生事故所造成的危害程度各不相同 所以为了便于进行管理，要对压力容器进行合理的分类。第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 1

10、、介质的危害性： 指介质的毒性、易爆（燃）性、腐蚀性、氧化性等，其中影响压力容器分类的主要是毒性和易爆（燃）性。 （1）毒性：它是指某种化学毒物引起机体损伤的能力，用来表示毒物剂量与毒物反应之间的关系。 毒性大小表示：一般以化学物质引起实验动物某种毒性反应所需要的剂量来表示。 第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 气态毒物，以空气中该物质的浓度表示其毒性大小，所需剂量的浓度愈低，表示毒性愈大。 设计压力容器时，我国将化学物质分为四个危害级别（、级）。 划分依据：化学介质的最高容许浓度。第1-2节 压力容器分类 注：最高容许介质浓度是指从医学水平上，认为对人体不会发生危害

11、作用的最高浓度，以每“m3”的空气中含毒物的“mg”数来表示即“mg/m3”。 郑州大学化工与能源学院过程设备设计级极度危害：最高容许介质浓度 0.1mg/m3；级高度危害：最高容许介质浓度 0.11.0mg/m3；级中度危害：最高容许介质浓度 1.010mg/m3；级轻度危害：最高容许介质浓度 10mg/m3；第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院过程设备设计 毒性越高，对容器材料选用、制造、检验和管理的要求越高。 如：Q235B钢板不得用于制造毒性程度为极度、高度危害介质的压力容器； 对盛装极度、高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应逐张进行超检，整体必须焊后热处理，A、B

12、类焊缝应进行100%无损探伤检验等。第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 （2）易爆性（易燃性）： 可燃气体或蒸气与空气组成的混合物，并不是在任何比例下都可以燃烧或爆炸的，而是有严格的数量比例，且因条件的变化而改变。 第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院过程设备设计 爆炸浓度极限：可燃气体或蒸气与空气的混合物遇到明火能够发生爆炸的浓度范围。 爆炸极限的表示：一般用可燃气体或蒸气在混合物中的体积分数来表示。 爆炸上限爆炸时的最高浓度； 爆炸下限爆炸时的最低浓度。第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院过程设备设计 易爆（燃）介质：爆炸下限10%，或爆炸上限

13、与下限之差值20%的介质。如：甲烷、乙烷、乙烯等属于易燃（爆）介质。 易燃（爆）介质包括：易燃气体、液体和固体。压力容器盛装的易燃介质主要是指易燃气体和液化气体。 第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 易爆介质对压力容器的选材、设计、制造、检验和管理等提出了较高的要求。 如Q235A（ Q235A,F）不能用于制造液化石油气容器；制造方面，易爆介质压力容器的所有焊缝均应采用全焊透结构等。第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院 过程设备设计2、压力容器分类（1）容器按承压方式分类： 内压容器：内部压力大于外部压力，且设计压力p0.1MPa； 外压容器：外部压力大于

14、内部压力，且压差0.02 MPa。当容器的内部压力1个绝对大气压时，又称为真空容器。 注：常压容器：真空度0.02 MPa或p0.1MPa第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院 过程设备设计（2）按压力等级，内压容器分为： 低压容器（L）： 0.1p1.6MPa; 中压容器（M）： 1.6p10MPa; 高压容器（H）： 10p100MPa; 超高压容器（U）： p100MPa;第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院 过程设备设计（3）按容器在生产中的作用分类： 反应容器（R）：主要完成介质的物理、化学反应； 换热容器（E）： 分离容器（S）：完成介质流体压力平衡缓和及气体净化

15、； 储存容器（C、球罐为B）：注：两种以上作用的容器，按主要作用来划分。 第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院 过程设备设计（4）按安装固定方式分类： 固定式压力容器： 移动式压力容器：（5）按安全技术管理分类： 特种设备安全技术规范（TSG）将压力容器的安全管理分为： 固定式压力容器安全技术监察规程（TSG R0004-2009）; 移动式压力容器安全技术监察规程（TSG RXXXX-XXXX）。 第1-2节 压力容器分类郑州大学化工与能源学院 过程设备设计第1-2节 压力容器分类 固定式压力容器安全技术监察规程（简称为：固容规）根据介质危害性、pV值大小不同，将压力容器分为三类（

16、代号：、）。 介质组别的划分：介质包括气体、液化气体以及最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体。介质分为两组： 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：除第一组以外的介质。郑州大学化工与能源学院 过程设备设计第1-2节 压力容器分类图1：第一组介质的压力容器类别划分图郑州大学化工与能源学院 过程设备设计第1-2节 压力容器分类图2：第二组介质的压力容器类别划分图郑州大学化工与能源学院 过程设备设计第1-2节 压力容器分类查图说明： （1）根据介质组别，确定压力容器类别划分用图； （2）根据设计压力p（MPa）和容积V（L），在相应图上标出坐标点，确

17、定压力容器类别。当坐标点位于图的分类线上时，按照较高的划分其类别； （3）多腔压力容器的类别划分： 按照类别高的压力腔作为该容器的类别并且按照该类别进行使用管理，但是应当按照每个压力腔各自的类别分别提出设计、制造技术要求；郑州大学化工与能源学院 过程设备设计第1-2节 压力容器分类 （4）同腔多种介质压力容器的类别划分： 一个压力腔有多种介质时，按照组别高的介质划分类别； （5）介质含量极小的压力容器的类别划分： 当某一危害介质在介质中含量极小时，应当根据其危害程度及其含量综合考虑，按照压力容器设计单位决定的介质组别划分类别。郑州大学化工与能源学院第1.3节压力容器规范标准第1章 压力容器导言

18、 过程设备设计1、国外主要规范标准： （1）ASME标准美国机械工程师学会的标准。美国是世界上最早制定压力容器规范的国家，1915年出现了世界上第一部压力容器规范。 目前，ASME规范共有十二卷，包括锅炉、压力容器、核动力装置、焊接、材料、无损检测等内容。ASME规范每三年出版一个新的版本，每年有两次增补。 第1-3节 压力容器规范标准郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 ASME规范中与压力容器设计有关的主要是： 第篇材料 第篇核电厂部件建造规则 第篇无损检测 第篇压力容器； 第篇玻璃纤维增强塑料压力容器； 第篇移动式容器建造和连续使用规则。 第1-3节 压力容器规范标准郑州大学化工与能源学

19、院 过程设备设计第篇又分3个分篇：第1分篇（ASME -1）压力容器： 常规设计标准， 适用压力20MPa；第2分篇（ASME -2）压力容器另一规则： 分析设计标准，适用压力70MPa；第3分篇（ASME -3）高压容器另一规则： 适用于高压容器，适用压力70MPa。（2）JIS B规范日本压力容器标准：（3）欧盟压力容器标准：第1-3节 压力容器规范标准郑州大学化工与能源学院过程设备设计2、国内主要规范标准介绍： 中国将涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施等统称为特种设备。 中国将特种设备实施全过程安全监察，形成了“行政法规部门规章安全

20、技术规范引用标准”四个层次的法规体系结构。 “全过程”是指包括特种设备的设计、制造、安装、使用、检验、修理、改造等涉及安全的各个环节。第1-3节 压力容器规范标准郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 实施全过程安全监察是保证设备安全的行之有效的手段。 （1）行政法规： 1982.2：国务院颁发锅炉压力容器安全监察暂行条例； 2003.3：国务院颁发特种设备安全监察条例,适用于: 最高工作压力0.1MPa； PV 2.5MPaL； 盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度标准沸点的液体。第1-3节 压力容器规范标准郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 （2）部门规章： 特种设备部门规章是将特种设备

21、安全监察条例的各项规定、要求，从行政管理的操作层面具体化，如各种规定、管理办法等。 （3）安全技术规范： 安全技术规范是政府对特种设备安全性能和相应的设计、制造、安装、修理、改造、使用和检验检测等环节所提出的一系列安全基本要求，许可、考核条件、程序的一系列具有行政强制力的规范性文件，如各种规程。第1-3节 压力容器规范标准郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 与压力容器设计有关的基本安全技术规范为固定式压力容器安全技术监察规程（简称“固容规”）等。 容规对压力容器的材料、设计、制造、使用、检验、维修、改造等七个环节的主要问题提出了基本规定。由国家质量监督检验检疫总局于2009年8月颁发，于20

22、09年12月1日执行（至2010年11月30日为新老容规混用交叉时间）。第1-3节 压力容器规范标准郑州大学化工与能源学院过程设备设计固容规适用于同时具备下列条件的压力容器： 工作压力（pw）0.1MPa （不含液体静压力）； 工作压力与容积的乘积 2.5MPaL； 盛装介质为气体、液化气体以及最高工作温度标准沸点的液体。 第1-3节 压力容器规范标准郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 （4）标准： 1960年：石油化工设备零部件标准。 1967年：钢制石油化工压力容器设计规定（草案），1977年开始修订，有82、85版。 1989年：GB150-89钢制压力容器。 1998年：GB150-1998钢制压力容器。 2002年：中国国家标准化管理委员会决定成立“全国锅炉压力容器标准化委员会”，负责全国锅炉压力容器国家标准的修订制订工作。 2011年：GB150.14-2001压力容器。第1-3节 压力容器规范标准郑州大学化工与能源学院 过程设备设计 注：压力容器标准是设计、制造压力容器产品的依据，容规是政府对压力容器实施安全技术监督和管理的依据，属技术法规范畴，二者的适用范围并不相同。 第1-3节 压力容器规范标准郑州大学化工与能源学院