化工设备设计笔记.doc

化工设备设计 第一章 绪论1. 概念1. 过程:从原料到产品,要经过一系列物理的化学的或者生物的加工处理步骤,这一系列额加工处理步骤称为过程。2. 过程设备：完成物理化学或者生物加工所用到的设备叫过程设备。3. 过程设备设计：根据设备的工艺强度经济性等要求制定出得可用于制造的技术文件。4. 过程设备的特点：1 功能原理多种多样；2 化机电一体化；3 外壳一般为压力容器。 过程设备的基本要求：1 安全可靠；2 满足过程要求；功能要求和寿命要求；3 综合经济性好；4 易于操作控制和维护。 影响过程设备安全可靠性的主要因素有：1 材料的强度韧性和介质的相容性；2 设备的刚度抗失稳的能力和密封性。 过程设备更换新代有三个途径：1 改变工作原理；2 改进制造工业结构和材料以提高综合技术性能；3 加强辅助功能使其更快适应使用。第一章压力容器导言压力容器基本组成筒体、封头、密封装置、开孔与接管、支座、安全附件安全附件安全阀爆破片装置、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计、测温仪表等不必开设检查孔的条件a.筒体Di300mm 的压力容器b.容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的盖子，其尺寸不小于所规定检查孔的尺寸。c.无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器。d.制冷装置用压力容器。e.换热器容器代号反应压力容器 (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）GB150钢制压力容器 该标准适用于设计压力不大于35MPa的钢制压力容器的设计、制造、检验及验收。适用的设计温度范围根据钢材允许的使用温度确定，从-196到钢材的蠕变限用温度。GB150管辖的范围 容器与外部管道焊接连接的第一道环向接头坡口端面、螺纹连接的第一个螺纹接头端面、法兰连接的第一个法兰密封面，以及专用连接件或管件连接的第一个密封面。 其它如接管、人孔、手孔等承压封头、平盖及其紧固件， 以及非受压元件与受压元件的焊接接头，直接连在容器上的超压泄放装置均应符合GB150的有关规定。第二章压力容器应力分析 载荷：能够在压力容器上产生应力、应变的因素。 压力容器中压力的主要来源有以下三种情况：1 一是流体经过泵或压缩机，通过与容器相连接的管道，输入容器内而产生的压力；如氨合成塔、尿素合成塔、氢气储罐等；2 二是加热盛装液体的密闭容器，液体膨胀或液化后使容器内压力升高，如人造水晶釜；3 三是盛装液化气体的容器，如液氨储罐、液化天然气储罐等，其压力为液体的饱和蒸汽压。 非压力载荷有：1 重力载荷；2 风载荷；3 地震载荷；4 运输载荷；5 波浪载荷；6 管系载荷。 压力容器交变载荷的典型实例有：1 间隙生产的压力容器的重复加压、缷压；2 生产过程中，因温度变化导致管系热膨胀或者收缩，从而引起接管上的载荷变化；3 有往复式压缩机或泵引起的压力波动；4 容器各零部件之间温度差的变化；5 装料、卸料引起容器支座的载荷变化；6 液体波动引起的载荷变化；7 振动引起的载荷变化。 载荷工况：1) 正常操作工况；2) 特殊载荷工况；1 压力试验；2 开停工；3 检修；3) 意外载荷工况； 壳体：是一种以两个曲面为界，且曲面之间的距离远比其他方向的尺寸小得多的构件。 一般把（/R）max1/10的壳体为薄壳,反之为厚壳。外直径与内直径的比值（/Di）max1.1.2，则称为薄壁圆柱或薄壁圆筒。 薄壁圆筒在内压下作用下得应力，如图所示：经向（轴向）应力：环向（周向）应力：有微元平衡方程： 承受气体内压的回转薄壳：1 球形壳体：2 薄壁圆筒：环（周）向经（轴）向3 锥形壳体：环（周）向经（轴）向4 椭球形壳体：环（周）向经（轴）向 储存液体的回转薄壳：1 圆筒形壳体：环（周）向经（轴）向2 球形壳体：环（周）向经（轴）向 无力矩理论应用条件1 壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同；2 壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和转矩作用；3 壳体的边界处的约束沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度；薄壳壳体厚度t与其中面曲率半径R的比值（t/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 。第一主曲率半径R1经线上点的曲率半径(K1B )。第二主曲率半径R2 等于考察点B到该点法线与回转轴交点K2之间长度（K2B）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。 提高屈服承载能力的措施：工程上通常对圆筒施加外压或自增强处理，使内层材料受到压缩预应力作用，而外层材料处于拉伸状态。 弹性薄板的小挠度理论的假设：1 板弯曲时板保持中性，即板中面内各点无伸缩或剪切变形，只有沿中面法线的挠度。2 变形钱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，且法线间的各点距离不变。3 平行与中面的各层材料个不挤压，即板内垂直与板面的正应力较小，可以忽略不计。20. 圆平板中得应力（手写背面）21. 壳体失稳应力分析 失稳：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。22. 临界压力：壳体失稳时所承受的相应压力，以表示。此时壳体中应力称为临界应力，以表示。23. 受均布周向外压的长圆筒的临界压力：1 圆环的临界压力：2 尽受周向均布的外压的长圆筒的临界压力：3 对于钢质圆筒，可以去，得。由于仅受中周向均布外压作用，壳体处于单向应力状态，临界应力为：4 受均布周向外压的短圆筒的临界压力：临界长度：5 半球壳体的临界压力：，对于钢材，代入上式有：6 锥壳的临界压力：式中：锥壳的当量长度； ：锥壳的大端外直径； ：锥壳的小端外直径； ：锥壳的当量厚度，24. 开孔系数和接管厚度t与壳体厚度T之比。开孔系数与壳体平均半径R厚度及接管平均半径r有关，表达式： 式中;r:接管半径 t：接管厚度 T：壳体厚度 R：壳体平均半径25. 开孔大小和壳体厚度的限制范围为：26. 降低局部应力的措施：1 合理的结构设计； 减少两连接件的刚度差； 尽量采用圆弧过渡；2 减少附件传递的局部载荷；3 尽量减少结构中的缺陷。第3章 ：压力容器材料及环境和时间对其性能的影响1. 压力容器专用钢板：Q245R Q345R 2. 压力容器常用低合金钢：15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、 09MnNiDR;3. 低温压力容器用钢：16MnDR、15MnNiDR、 09MnNiDR4. 热强钢、中温抗氢钢板：15CrMoR5. 高合金钢：铬钢0Cr13 铬镍钢 0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni106. 焊接技术：各种焊接方法、焊接工艺、焊接材料、焊接设备及其基础理论的总称。7. 熔焊机理：焊接接头加热至熔化使融化的母材和填充金属填满熔池经冷却结晶后形成牢固的原子间结合，使待连接件成为一体。8. 各向异性：焊接接头组成：焊缝、熔合区、热影响区。9. 焊接应力和变形：分别是指焊接过程中焊件内产生的应力和变形。10. 焊接接头常见缺陷 ：裂纹、夹渣、未焊透、未熔合、焊瘤、气孔、咬边。11. 压力容器制造中的热处理目的：焊后消除应力热处理、改善综合性能热处理。12. 氢腐蚀：是指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。13. 应力腐蚀：金属材料在拉应力和特定介质的共同作用下引起的断裂。14. 常见的应力腐蚀：a. 碱溶液、b.湿硫化氢、c.液氨、d. 氯化物溶液。15. 弹性变形：在载荷作用下，材料将发生变形，当载荷卸除后能够恢复的变形；塑性变形：载荷卸除后不能够恢复的变形。16. 应变强化：金属在常温或者低温下发生塑性变形后随塑性变形量增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。17. 冷、热加工的分界限是金属的再结晶温度。高于再结晶温度的加工为热加工或热变形。低于再结晶温度的为冷加工或冷变形。热加工没有加工硬化。18. 应变时效：这些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，会出现强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象。19. 一般认为，合金元素中，碳、氮会增加钢的应变时效敏感性。减少碳、氮含量，加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。20. 焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区。21. 减少焊接应力和变形的措施：1 尽量减少焊接接头的数量，相邻焊缝间应保持足够的间距；2 尽可能避免交叉，焊缝不要布置在高应力区，避免出现十字焊缝；3 焊前预热，22. 焊接接头较为常见的缺陷有：裂纹、夹渣、未焊透、为溶合、焊瘤、气孔和咬边。23. 焊接裂纹一般分为：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂。24. 焊接接头检验：1 破坏性检验；2 非破坏性检验 外观检查 密封性检验 无损检测25. 正火与退火的最大区别在于正火的冷却速度快。固溶处理可提高金属的韧性、抗腐蚀能力。26. 影响氢腐蚀的因素主要有：温度、氢分压、时间、合金成分、应力等。27. 电化学腐蚀是指金属与电解质溶液发生电化学作用而引起的破坏现象；化学腐蚀是指金属与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏现象。局部腐蚀包括晶间腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀等。28. 耐点蚀当量数：。耐点蚀当量数达到40的不锈钢称为超级不锈钢。29. 应力腐蚀的预防措施：1 合理选择材料；2 减少或消除残余拉应力；3 改善介质条件；4 涂层保护；5 合理设计。30. 流动腐蚀的类型：冲蚀、磨蚀、汽蚀、垢下腐蚀、露点腐蚀。31. 流动腐蚀的预防措施：1 材料的优化选择；2 结构的优化设计；3 操作的优化运行。第4章 ：压力容器设计1什么是压力容器设计？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。2应综合考虑哪些因素？结构设计、强（刚）度设计、密封设计3设计要求安全性与经济性的统一4设计文件设计图样、技术条件、强度计算书，必要时还应包括设计或安装、使用说明书。若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。5、失效压力容器在规定的 使用环境和时间内，因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到原设计要求（包括功能和寿命等）的现象。6压力容器基本失效形式强度失效、刚度失效、失稳失效、泄漏失效7、失效判据将力学分析结果与简单实验测量结果相比较，判别压力容器是否会失效。这种判据，称为失效判据。8设计准则根据失效判据，再考虑各种不确定因素，引入安全系数，得到与失效判据相对应的设计准则。包括：强度失效设计准则、刚度失效设计准则、稳定失效设计准则、泄漏失效设计准则。9强度失效的两种主要形式屈服、断裂10安定性准则弹塑