过程设备设计填空题

1、1) 过程产品分四类1硬件产品2软件产品3流程性材料产品4服务型产品 2) 先进制造技术主要指 硬件产品、流程性材料产品指流体形态为主材料的先进制造技术 3) 过程装备是过程单元设备塔、换热器、反应器和储罐等和单元过程机器压缩机、泵与分离机等二者的统称 4) 化学工程项目建设过程分四个阶段 可行性研究阶段、工程设计阶段 、项目的施工阶段、 项目的开车考核及验收阶段 5) 化工过程及装置设计是过程的核心环节可分为段:1初步设计阶段2详细设计阶段 6) 单元过程及设备设计的基本原则(1) 技术的先进性和可靠性(2) 过程的经济性(3) 过程的安全性 (4) 清洁生产 (5) 过程的可操作性和可控制

2、性 7) 过程装备的特点1功能原理多种多样2机电一体化3外壳多为压力容器 8) 过程装备的基本要求 1 安全可靠材料强度高、韧性好材料与介质相容具有足够的结构刚度与抗失稳能力密封性能好 2 满足过程要求功能要求、寿命要求 3 综合经济性好生产效率高、消耗低结构合理、制造简单易于运输和安装 4 易操作、维护和控制操作简单、可维护性和可修理性好、便于控制优良的环境性能针对具体情况具体析 5 优良的环境性能 1) 设备基本设计步骤 1需求分析和目标界定2总体结构设计3)零部件结构设4设计实施必须综合平衡产品、成本和环境三方面的设计要求 2) 设备更新换代的三个途径改变工作原理、改进制造工艺、结构和材

3、料以提高综合技术性能、加强辅助功能使其更适应使用者要求 3) 影响参数设计的主要因素设计准则、材料、规范标准 第一章 压力容器往往在高温、高压、低温、高真空、强腐蚀等苛刻条件下工作的是一种具有潜在泄露、爆炸危险的特种设备 压力容器基本组成筒体、封头、密封装置、开孔与接管、支座、安全附件 圆筒按其结构可分为单层式和组合式 封头形式凸形封头球形、椭圆形、蝶形和球冠形封、锥壳、平盖 封头与筒体的连接: 不可拆式焊接可拆式螺栓连接 安全附件主要有 安全阀、爆破片装置、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计 测温仪表等 介质危害性指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等。其中影响压力容器分类的主要是毒性

4、和易燃性 1极度危害级最高容许浓度0.1 mg/m3 2高度危害级最高容许浓度0.11.0 mg/m3 3中度危害级最高容许浓度1.010 mg/m3 4轻度危害级最高容许浓度10 mg/m3。 易燃介质爆炸下限10%或爆炸下限和上限之差20%的介质 低压(L)容器 0.1 MPap1.6 Mpa、中压(M)容器 1.6 MPap10.0 Mpa、 高压(H)容器 10 MPap100 Mpa、超高压(U)容器 p100MPa 反应压力容器 (代号R)、换热压力容器代号E、分离压力容器代号S、储存压力容器代号C其中球罐代号B 安装方式固定式压力容器、移动式压力容器 第一组介质极度、高度危害的化

5、学介质易爆介质液化气体图1-2 第二组介质除第一组介质以外的介质图1-3 压力容器分类第、类压力容器 压力容器分类 根据介质特性选择相应的分类图根据设计压力、容积标出坐标点确定容器类别 第二章 载荷压力、非压力载荷、交变载荷 非压力载荷整体载荷重力、风、地震、运输、波动载荷 局部载荷管系载荷、支座反力、吊装力 载荷是指能够在压力容器上产生应力、应变的因数 载荷工况|正常操作工况、特殊载荷工况压力试验、开停车及检修、意外载荷工况紧急状态下快速启动、紧急状态下突然停车 壳体以两个曲面为界且曲面之间的距离远比其它方向尺寸小得多的构件。 壳体中面与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。 薄壳壳体厚度t与

6、其中面曲率半径R的比值t/Rmax1/10。 薄壁圆筒外直径与内直径的比值Do/Di1.2 厚壁圆筒外直径与内直径的比值Do /Di1.2 回转薄壳应力分析基本假设 a.壳体材料连续、均匀、各向同性 b.受载后的变形是弹性小变形 c.壳壁各层纤维在变形后互不挤压 轴向平衡 = 无力矩理论: 只考虑薄膜内力, 忽略弯曲内力的壳体理论。 有力矩理论: 同时考虑薄膜内力和弯曲内力的壳体理论。 无力矩理论所讨论的问题都是围绕着中面进行的。因壁很薄沿壁厚方向的应力与其它应力相比很小其它应力不随厚度而变因此中面上的应力和变形可以代表薄壳的应力和变形。 拉普拉斯方程。 1-法兰 2-支座 3-封头拼接焊缝

7、4-封头 5-环焊缝 6-补强圈 7-人孔8-纵焊缝 9-筒体 10-压力表 11-安全阀12-液面计因温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束在弹性体内所引起的应力称为热应力。 热应力的特点 a. 热应力随约束程度的增大而增大 b. 热应力与零外载相平衡是自平衡应力 c. 热应力具有自限性屈服流动或高温蠕变可使热应力降低 弹性薄板的小挠度理论建立基本假设 板弯曲时其中面保持中性 变形前位于中面法线上的各点变形后仍位于弹性曲面的同 一法线上且法线上各点间的距离不变。 平行于中面的各层材料互不挤压即板内垂直于板面的正应力较小可忽略不计。 壳体受外压作用时可能的失效形式 1、 因强度不足发生压缩屈服失

8、效 2、 因刚度不足发生失稳破坏 承受外压载荷的壳体当外压载荷增大到某一值时壳体会突然失去原来的形状被压扁或出现波纹载荷卸去后壳体不能恢复原状的现象叫外压壳体的失稳 压应力低于材料的比例极限弹性失稳 压应力超过屈服强度非弹性失稳或弹塑性失稳 失稳时出现两个波长圆筒失稳时出现两个波以上短圆筒刚性圆筒 圆筒的形状缺陷主要有不圆和局部区域中的折皱、鼓胀或凹陷 局部应力 1通过接管或其他附件传递来的局部载荷 2在压力作用下压力容器材料或结构不连续处 降低局部应力的措施1、合理的结构设计2、减少附件传递的局部载荷2、尽量减少结构中的缺陷 合理结构设计1、减少两连接件的刚度差2、尽量采用圆弧过渡3、局部区

9、域补强4、选择合适的开孔方位 第三章 钢材类型碳素钢含碳量0.02%2.11%、低合金钢、高合金钢 碳素钢指含碳量小于2.06的铁碳合金。 碳素钢特点和应用场合强度低塑性和可焊性较好价格低廉常用于常压或中、低压容器也做垫板、支座等零部件材料。 压力容器主要采用板材、管材和锻件 R压力容器专用钢板、G高压无缝钢管、D低温用钢 低合金钢是一种低碳低合金钢合金元素含量较少总量一般不超过3%具有优良的综合力学性能其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。采用低合金钢不仅可以减薄容器的壁厚减轻重量节约钢材而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。

10、 压力容器制造工艺对钢材性能的影响 1塑性变形1应变强化2热加工和冷加工3各向异性4应变时效 2.焊接 焊接缺陷裂纹、夹渣、未熔透、未熔合、焊瘤、气孔、咬边 3.热处理焊后热处理、消氢处理、固溶处理、稳定化处理、调质、中间处理 应根据待连接件化学成分、力学性能、焊接性能结合压力容器的结构特点和使用条件综合考虑选用焊接材 经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢在室温下停留较长时间或在较高温度下停留一定时间后会出现屈服点和抗拉强度提高塑性和韧性降低的现象称为应变时效 焊接接头检验1、破坏性检验2、非破坏性检验外观检验、密封性检验、无损检测 在高温和恒定载荷的作用下金属材料会产生随时间而发展的塑性变形这

11、种现象被称为蠕变现象。 因蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐步代替原来的弹性变形从而使零件内的应力逐渐降低这种现象称为应力松驰 稳定化处理目的稳定组织防止构件形状和尺寸发生时效性变化。 固溶处理目的提高合金的韧性和抗腐蚀性。 介绍几种情况的影响 一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响 二、高温、长期静载下钢材力学性能 三、高温下材料性能的劣化蠕变脆化、珠光体球化、石墨化、回火脆化、氢腐蚀和氢脆 蠕变曲线三阶段减速蠕变、恒速蠕变、加速蠕变 当应力较小或温度很低时第二阶段的持续时间长甚至无第三阶段相反当应力较大或温度较高时第二阶段持续时间短甚至完全消失。 蠕变极限高温长期载荷作用下材料对变形的抗力 持久

12、强度在给定的温度下经过一定时间后发生断裂时构件所能承受的最大应力。 高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应又称为氢蚀 氢脆指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。 高温下材料性能的劣化蠕变脆化、珠光体球化、石墨化、回火脆化、氢腐蚀和氢脆 局部腐蚀晶间腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀 应力腐蚀开裂特征拉伸应力、特定合金和介质的组合、一般为延迟脆性断裂 金属腐蚀分类1、按腐蚀的机理来分电化学腐蚀、化学腐蚀、应力腐蚀2、按金属腐蚀的形势来分全面腐蚀、局部腐蚀 压力容器零件材料选择综合考虑压力容器的使用条件、零件的功能和制造工艺、相容性、材料使用经验历史、综合经济性、规范标准 钢材的力学性能主要是表征强度、韧性和

13、塑性变形能力的判据是机械设计时选材和强度计算的主要依据 压力容器用钢的基本要求1化学成分2力学性能3制造工艺性能 改善钢材性能的途径主要有化学成分的设计、组织结构的改变和零件表面改性 第四章 压力容器设计根据给定的工艺设计条件遵循现行的规范标准规定在确保安全的前提下经济、正确地选择材料并进行结构、强刚度 和密封设计。 全性主要是指结构完整性和密封性 经济性包括高的效率、原材料的节省、经济的制造方法、低的操作和维修费用等。 设计要求安全性、经济性 设计文件应力分析报告、设计图样、制造技术条件、设计计算书必要时还应包括设计或安装、使用说明书 压力容器在规定的使用环境和时间内因尺寸、形状或者材料性能

14、变化而危及安全或者丧失正常功能的现象称为压力容器失效 失效表现形式泄漏、过度变形、断裂 失效形式1强度失效2刚度失效3失稳失效4泄漏失效 强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效称为强度失效包括a韧性断裂、b脆性断裂、c疲劳断裂、d蠕变断裂、e腐蚀断裂等。 韧性断裂韧性断裂是压力容器在载荷作用下产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。 突发型失效是指容器在丧失功能之前保持或基本保持所需功能但由于某种原因在某个时刻突然失效 退化型失效是指随着工作时间的延长容器性能参数逐渐下降直到超过某一临界值而导致的失效 设计准则强度失效设计准则、刚度失效设计准则、失稳失效设计准则、泄漏失效设计准

15、则 计算厚度按有关公式采用计算压力得到的厚度 设计厚度计算厚度与腐蚀裕量之和 有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差 碳素钢、低合金钢制造的容器最小厚度不小于3mm,高合金钢最小厚度不小于2mm 椭圆形封头直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现径向曲率半径突变以改善焊缝的受力情况 螺栓法兰连接主要由法兰、螺栓和垫片组成 流体在密封口泄露有两条途径 1、 渗透泄漏通过垫片材料本体毛细管的渗透泄露 2、 界面泄露沿着垫片与压紧面之间的泄露 密封分类强制性密封、自紧式密封、半自紧式密封 密封性能的主要因数螺栓预紧力、垫片性能、压紧面的质量、法兰刚度、操作条件 法兰松式法兰、整体法兰、任意式

16、法兰 开孔补偿结构局部补偿补强圈补强、厚壁接管补强、整锻件补强 支座立式容器支座耳式、支承式、腿式、裙式支座、卧式容器支座 泄露试验的目的是考核的容器密封性能检查的重点是可拆的密封装置和焊接接头等部位 第五章 储运设备主要是指用于储存与运输气体、液体、液化气体等介质的设备。大多数储运设备是压力容器在固定位置使用、以介质储存为目的的容器称为储罐。 按几何形状分卧式圆柱形储罐地下、地面、立式平底圆形储罐、球形储罐、低温储罐 按温度划分低温储罐、高温储罐、常温储罐<90° 按材料分非金属储罐、金属储罐、复合材料储罐 按所处位置分地面储罐、地下储罐、半地下储罐、海上储罐 介质的性质是选

17、择储罐结构形式与储存系统的一个重要因数,介质的性质包括闪点、沸点、饱和蒸汽压、密度、腐蚀性、毒性程度、化学反应活性等 饱和蒸汽压是指在一定温度下储存在密闭容器中的液化气体达到气液两相平衡时气液分界面上蒸汽压力 闪点、沸点、饱和蒸汽压与介质的可燃性密切相关 储存介质的密度影响罐体载荷分布及应力大小腐蚀性选择罐体材料的首要依据直接影响制造工艺和设备造价毒性程度影响储罐制造与管理等级和安全附件的配置 设计储存设备考虑的条件工艺要求、介质性质、容量大小、设备位置、钢材耗量、施工条件、场地条件、环境温度、风载荷、地震载荷、雪载荷、地基条件等 立式平底筒形储罐固定顶储罐锥顶、拱顶、伞形顶、网壳顶、浮顶储罐

18、外浮、内浮顶储罐 外浮顶储罐原油、汽油、溶剂油 内浮顶储罐高级汽油、喷气燃料、有毒易污染的液体化学品 球形储罐 按形状分圆球型、椭球型按层数分单层球壳、双层球壳按球壳的组合方案分桔瓣式、足球瓣式、混合式 球形储罐结构罐体、支柱、支座、拉杆、操作平台、盘梯、人孔和接管以及附件 低温储罐一般是指具有双层金属壳体的低温绝热储罐容器 常用支座形式鞍式支座、圈座 双鞍座储罐一个支座固定另一个可沿轴向移动或滑动固定支座设置在卧式储罐 较多的一端 设计载荷长期载荷、短期载荷、附加载荷 移动式压力容器经常搬运的容器如汽车储罐、铁路罐车、罐式集装箱 分类常温型-2050、低温型-70 -2深冷型低于-15 汽车

19、储罐汽车底盘、罐体、安全附件固定式、半挂式汽车储罐 储罐设计包括1、设计载荷压力、重量、装卸、冲击、振动、外压水压试验压力载荷2、强度设计3、防介质晃动结构设计4、行车稳定性计算 第六章 换热设备用于两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间的热量或焓传递的装置 换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体使流体温度达到工艺过程规定的指标以满足工艺过程上的需求 按作用原理或传热方式分1、直接接触式换热器2、蓄热式换热器3、间壁式换热器、中间载体式换热器 间壁式换热器管式换热器、板面式换热器、其他式换热器 管式换热器蛇管式换热器、

20、套管式换热器、管壳式换热器、缠绕管式换热器 板面式换热器螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换换热器热器、板壳式换热器、伞板式换热器 其他形式换热器石墨换热器、聚四氟乙烯换热器、热管、流化床换热器 换热器选型的基本标准 1、 必须满足工艺过程要求2、必须能够在所要求的工程实际环境下正常工作3、应容易维护4、应尽可能地经济5、要根据场地的限制考虑换热器的直径、长度、重量和换热管结构 换热器技术发展主要表现在以下几个方面 1、防腐技术的应用2、大型化与微小型化并重3、强化技术4、抗振技术5、防结垢技术6、先进制造技术7、研究手段 管壳式换热器固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器 管程结构换热管、管板、管箱、管束分布、换热管与管板连接强度胀接、强度焊、胀焊并用 壳程结垢壳体、折流板、折流杆、防短路结构、壳程分程 换热器流体诱导振动是指管热器管束受壳程流体流动的激发而产生的振动它可分为1、纵向流诱振由平行于管子轴线流动的流体诱导振动2、横向流诱振由垂直与管子轴线流动的流体诱导振动 横向流诱导振动的主要原因漩涡脱落、流体弹性扰动、湍流颤振、声振动、射流转换 防振措施改变流速、改变管子固有频率、增设消声板、抑制周期性漩涡、设置防冲板或导流筒 强化传热指提高流体和传热面之间的传热系数 途径增加平均传热温差、扩大传热面积、提高传热系数、 第七章