武汉工程大学 压力容器及过程设备 过程设备设计 问答题

武汉工程大学压力容器及过程设备过程设备设计问答题一、简述压力容器的定义及其分类方法1.压力容器的定义压力容器是一种能够承受压力的密闭容器。它广泛应用于工业生产的各个领域，如化工、石油、电力、冶金等。压力容器的设计、制造、安装、使用和管理必须严格遵循相关的安全法规和标准，以确保其安全可靠运行。

2.压力容器的分类方法按压力等级分类：可分为低压容器（0.1MPa≤P＜1.6MPa）、中压容器（1.6MPa≤P＜10MPa）、高压容器（10MPa≤P＜100MPa）和超高压容器（P≥100MPa）。按容器在生产中的作用分类：包括反应压力容器（如反应器、反应釜等）、换热压力容器（如换热器、冷却器等）、分离压力容器（如分离器、过滤器等）和储存压力容器（如储罐、气柜等）。按安装方式分类：有固定式压力容器和移动式压力容器。按制造许可分类：分为A、B、C、D四个许可级别，不同级别对应不同类型和规格的压力容器制造。按安全技术管理分类：可分为第一类压力容器、第二类压力容器和第三类压力容器，分类依据主要是容器的压力、容积、介质等因素。

二、简述过程设备设计的基本要求1.满足工艺要求过程设备必须能够满足特定工艺过程的要求，如反应温度、压力、流量、物料组成等。确保设备能够实现预定的化学反应、物理过程或物质分离等功能。例如，在化工生产中，反应器需要精确控制反应温度和压力，以保证产品的质量和收率。

2.安全可靠保障操作人员和周围环境的安全是过程设备设计的首要任务。设备应具备足够的强度、刚度和稳定性，以承受正常操作和可能出现的异常工况下的压力、温度、载荷等。设置可靠的安全装置，如安全阀、爆破片、液位计、温度计等，以便在设备出现异常时能够及时采取措施，防止事故发生。

3.经济合理在满足工艺和安全要求的前提下，力求设备的设计和制造成本最低。选择合适的材料、结构形式和制造工艺，优化设备的尺寸和参数，提高设备的经济性。同时，考虑设备的运行成本，如能耗、维护费用等，确保设备在整个生命周期内具有良好的经济效益。

4.易于操作、维护和检修设备的结构应便于操作人员进行操作和控制，操作界面应清晰、简单。易于维护和检修，能够方便地进行内部检查、清洗、更换零部件等工作。合理设计设备的人孔、手孔、接管等结构，为维护和检修提供便利条件。

5.符合环保要求过程设备应尽量减少对环境的污染。例如，在化工生产中，采用密封良好的设备，减少物料泄漏；对废气、废水、废渣进行合理处理，达标后排放。选择环保型的材料和工艺，降低设备在运行过程中对环境的影响。

三、简述压力容器的应力分析方法1.解析法薄膜应力分析：基于薄壁容器的假设，将容器壁视为承受均匀内压的薄膜，通过力学平衡方程求解薄膜应力。如对于圆筒形容器，周向应力（环向应力）σθ=PD/2t，轴向应力σz=PD/4t，其中P为内压，D为圆筒内径，t为壁厚。弯曲应力分析：考虑容器壁在承受内压时的弯曲变形，通过弹性力学的弯曲理论来计算弯曲应力。当容器的几何形状、载荷分布较为复杂时，弯曲应力的计算较为重要。2.数值分析法有限元法：利用有限元软件对压力容器进行建模，将容器离散为有限个单元，通过求解单元的平衡方程来得到整个容器的应力分布。有限元法可以考虑复杂的几何形状、材料特性和载荷工况，能够准确地分析压力容器的应力状态。例如，对于带有接管、开孔等结构的压力容器，有限元法能够很好地模拟其应力集中情况。边界元法：基于边界积分方程，通过求解边界上的未知量来确定物体内部的应力场。与有限元法相比，边界元法在处理无限域问题和应力集中问题时具有一定的优势。

四、简述压力容器材料选择的原则1.满足强度要求根据压力容器的设计压力、温度等工况条件，选择具有足够强度的材料。材料的许用应力应大于容器实际承受的应力，以确保容器在安全的应力范围内工作。例如，对于高压容器，通常需要选用高强度合金钢。2.适应介质特性考虑介质的腐蚀性、氧化性、毒性等特性，选择能够抵抗介质腐蚀的材料。对于腐蚀性介质，可选用不锈钢、合金钢等耐腐蚀材料；对于强氧化性介质，要选择具有良好抗氧化性能的材料。同时，要注意材料与介质之间的相容性，避免发生化学反应导致材料性能下降或产生安全隐患。3.考虑制造工艺性材料应具有良好的加工性能，便于进行制造过程中的各种加工工艺，如锻造、轧制、焊接、切削加工等。例如，对于需要焊接的压力容器，材料的焊接性能要好，以保证焊接质量，减少焊接缺陷。4.经济性在满足性能要求的前提下，尽量选择价格合理、资源丰富的材料。综合考虑材料的成本、采购难度等因素，在保证安全可靠的基础上降低设备的制造成本。例如，在一些低压、非腐蚀工况的压力容器中，可选用普通碳钢。5.符合标准规范所选材料必须符合国家和行业相关的标准规范，如压力容器用钢的标准等。确保材料的质量和性能有可靠的保证，为压力容器的安全运行提供基础。

五、简述过程设备密封的主要类型及其特点1.强制密封平垫密封：结构简单，使用方便。通过拧紧螺栓使平垫产生塑性变形，填充密封面间隙实现密封。适用于低压、中温的场合，但密封性能相对较差，且垫片容易损坏。卡扎里密封：由主螺栓、螺母、垫圈、卡箍、筒体法兰、端盖法兰等组成。通过拧紧主螺栓使卡箍变形，从而实现密封。具有较好的密封性能，可用于较高压力的场合，但结构较为复杂，安装和拆卸不太方便。2.自紧密封伍德密封：由金属齿形密封垫和压盖组成。在压力作用下，密封垫产生径向和轴向变形，实现自紧密封。密封性能好，适用于高温、高压的场合，但对密封面的加工精度要求较高。八角垫密封：八角形截面的金属垫片，在压力作用下产生径向和轴向变形，达到自紧密封的目的。常用于高压容器的密封，密封可靠，但安装时需要一定的技巧，以保证密封效果。3.半自紧密封C形环密封：由C形金属环和法兰组成。在压力作用下，C形环产生径向变形，部分依靠自身弹性变形密封，部分依靠螺栓预紧力密封。具有结构简单、密封性能较好等特点，适用于中低压场合。

六、简述过程设备强度计算的基本步骤1.确定设计参数明确过程设备的设计压力P、设计温度T、介质特性、几何尺寸（如内径D、壁厚t、高度H等）以及材料的许用应力[σ]等设计参数。这些参数是强度计算的基础，必须准确获取。2.选择计算方法根据设备的类型和结构特点，选择合适的强度计算方法。如对于圆筒形容器，可采用薄壁容器理论进行初步计算；对于结构复杂的容器，则可能需要采用有限元法等数值分析方法进行精确计算。3.进行强度计算按照选定的计算方法，代入设计参数进行计算。对于薄壁圆筒，计算周向应力σθ和轴向应力σz等；对于其他复杂结构，计算相应部位的应力和变形。核算计算结果是否满足强度要求，即计算应力是否小于材料的许用应力。如果不满足要求，则需要调整设计参数，如增加壁厚、选用更高强度的材料等，重新进行计算。4.考虑附加载荷在强度计算中，还需考虑可能出现的附加载荷，如地震载荷、风载荷、管道推力等。将附加载荷与内压等基本载荷组合，重新进行强度核算，确保设备在各种工况下都具有足够的强度。5.确定安全系数根据设备的重要性、工作条件等因素，确定合适的安全系数。安全系数的大小直接影响设备的设计强度，一般在设计规范中有明确规定。通过安全系数对计算结果进行修正，保证设备具有足够的安全裕度。

七、简述过程设备传热过程的强化途径1.增大传热面积增加传热壁面的面积是强化传热的最基本方法。例如，采用翅片管换热器，在管子外表面增加翅片，可大大增加传热面积，提高传热效率。采用波纹管、螺旋管等特殊形状的传热管，也能在一定程度上增加传热面积，同时增强流体的湍动程度，提高传热系数。2.提高传热系数提高流体流速：增加流体在传热壁面的流速，可减小传热边界层厚度，提高传热系数。例如，在管壳式换热器中，通过增加管程或壳程的流速来强化传热。可以采用增加泵的扬程、改变管道直径等方式来提高流速。改变流体流动状态：使流体由层流转变为湍流，可显著提高传热系数。采用扰流子、螺旋纽带等装置，能促进流体的湍流程度，增强传热效果。改善传热表面状况：对传热壁面进行表面处理，如增加粗糙度、涂覆高效传热涂层等，可提高传热系数。粗糙表面能破坏边界层，使流体更容易冲刷壁面，从而提高传热效率。3.增大平均温差采用逆流操作：在换热器中，逆流操作可使冷热流体的平均温差最大，从而提高传热效率。与并流操作相比，逆流能在相同的传热面积下传递更多的热量。合理组织流程：通过优化换热器的流程布置，使冷热流体在有限的空间内实现较大的温差，强化传热过程。例如，采用多程换热、错流换热等方式。

八、简述过程设备振动的危害及防止措施1.振动的危害影响设备的正常运行：过大的振动会导致设备零部件磨损加剧，如轴承、轴颈等部位，缩短设备的使用寿命。还可能引起设备的连接部件松动，影响设备的密封性能和稳定性。降低产品质量：对于一些需要高精度运行的过程设备，如离心机、压缩机等，振动会影响其工作精度，导致产品质量下降。例如，离心机振动过大可能使分离效果变差，产品纯度降低。产生噪声和环境污染：振动会引发设备产生噪声，对操作人员的身体健康造成危害，同时也会对周围环境产生不良影响。引发安全事故：严重的振动可能导致设备结构损坏，甚至引发设备的倒塌、泄漏等安全事故，危及人员和财产安全。2.防止措施优化设备结构设计：合理设计设备的结构，提高其固有频率，避免设备在运行过程中发生共振。例如，通过改变设备的形状、尺寸、壁厚等，调整其刚度和质量分布，使固有频率远离工作频率。平衡设备转子：对于旋转设备，如离心机、泵、压缩机等，确保转子的平衡精度。通过动平衡和静平衡试验，消除转子的不平衡质量，减少振动。合理布置管道：管道的布置应避免对设备产生过大的附加载荷和振动传递。采用柔性连接、支架合理设置等措施，减少管道振动对设备的影响。控制流体流动状态：在一些流体输送设备中，优化流体的流速、流量等参数，避免流体脉动引发的振动。例如，采用合适的调节阀、缓冲装置等，稳定流体的流动。安装减振装置：在设备基础或管道系统中安装减振器、隔振垫等装置，吸收和隔离振动能量。减振装置可有效降低振动对设备和基础的影响。

九、简述过程设备腐蚀的类型及防护措施1.腐蚀的类型均匀腐蚀：金属表面与腐蚀介质均匀地发生化学反应，使金属厚度逐渐变薄。这种腐蚀较为常见，对设备的整体性能影响较大。局部腐蚀：点蚀：在金属表面形成小孔状的腐蚀，点蚀的发展速度快，容易穿透金属壁，造成设备泄漏。缝隙腐蚀：发生在金属与金属或金属与非金属之间的缝隙处，由于缝隙内介质的流动不畅，容易形成缺氧或富氯等腐蚀环境，引发缝隙腐蚀。应力腐蚀开裂：在拉应力和特定腐蚀介质共同作用下，金属发生的开裂现象。应力腐蚀开裂具有突发性和脆性断裂的特点，危害极大。晶间腐蚀：沿金属晶界发生的腐蚀，会使金属的强度和韧性大幅下降，严重影响设备的使用性能。2.防护措施合理选材：根据腐蚀介质的特性，选择耐腐蚀的材料。如在酸性介质中，可选用不锈钢；在含氯介质中，要考虑材料的耐氯性能。表面处理：涂层防护：在金属表面涂覆耐腐蚀涂层，如油漆、搪瓷、电镀等，可隔离腐蚀介质与金属表面，起到防护作用。钝化处理：通过化学或电化学方法使金属表面形成一层致密的钝化膜，提高金属的耐腐蚀性。添加缓蚀剂：向腐蚀介质中添加少量的缓蚀剂，可抑制金属的腐蚀。缓蚀剂通过吸附在金属表面，改变金属的电极过程，从而减缓腐蚀速度。控制环境因素：降低温度：适当降低介质温度，可减缓腐蚀反应的速率。控制介质浓度：减少腐蚀介质的浓度，也能降低腐蚀程度。去除溶解氧：对于一些容易发生吸氧腐蚀的情况，采用除氧措施，可有效防止腐蚀。设计合理的结构：在设备设计中，避免出现缝隙、死角等易产生腐蚀的部位。采用合理的焊接工艺，减少焊接缺陷，防止缝隙腐蚀的发生。

十、简述过程设备故障诊断的方法及特点1.直观检查法特点：通过直接观察设备的外观、运行状态等进行初步判断。方法简单、直观，不需要复杂的仪器设备。例如，观察设备有无泄漏、变形、磨损等情况，听设备运行时有无异常声音，触摸设备表面温度是否正常等。但这种方法只能发现一些明显的故障迹象，对于内部深层次的故障难以诊断。2.振动检测法特点：利用振动传感器测量设备的振动信号，分析振动的频率、幅值、相位等特征，判断设备是否存在故障。振动检测法能够实时监测设备的运行状态，对旋转设备的故障诊断较为有效。例如，通过监测压缩机、泵等设备的振动情况，可及时发现转子不平衡、轴承故障等问题。但其对振动信号的分析需要一定的专业知识和经验，且受环境因素影响较大。3.温度检测法特点：采用温度传感器测量设备关键部位的温度，根据温度变化判断设备是否正常。温度检测法可以快速发现设备因摩擦、过载等原因引起的温度异常升高，及时预警。例如，监测电机绕组温度、轴承温度等。但温度变化有时具有滞后性，不能及时反映设备故障的早期阶段。4