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性7过程装备的特点

2、 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 密封性能好满足过程要求功能要求、寿命要求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、结构和材料以提高综合技术性能、加强辅助功能使其更适应使用者

3、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和易燃性1 极度危害 级 最高容许浓度 0.1 mg/m3

4、2 高度危害 级 最高容许浓度0.1 1.0 mg/m33 中度危害 级 最高容许浓度1.0 10 mg/m34 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 MPap 1.6 Mpa、中压(M容器 1.6 MPap 10.0 Mpa、高压(H容器10 MPap 100 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、高度危害的化学介质 易爆介质 液化气体 图1-2第

5、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与其中面曲率半径R的比值 t

6、/R max1/10。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 4-封头 5-环焊缝 6-补强圈7-

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 发生压缩屈服失效2、因刚度不足 发生失稳破坏承受外压载

8、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、局部区域补强4、选择合适的开孔方位第三章钢材类型

9、 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。压力容器制造工艺对

10、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

12、力持久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

13、强度、韧性和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

14、因尺寸、形状或者材料性能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

15、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

16、刚度、操作条件法兰 松式法兰、整体法兰、任意式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

17、面储罐、地下储罐、半地下储罐、海上储罐介质的性质是选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

18、筒形储罐 固定顶储罐 锥顶、拱顶、伞形顶、网壳顶 、浮顶储罐 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

19、箱分类常温型-2050 、低温型-70 -2 深冷型低于-15 汽车储罐汽车底盘、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

20、、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、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

21、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 塔设备的作用实现气汽-液相或液