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生物工程 1 生物工程设备 目录第一章绪论 3第二章内压容器设计基础 6第三章物料输送设备 77第四章物料处理与培养基制备设备 110第五章空气净化除菌设备 182第六章生物反应设备 256第七章过滤 离心与膜分离设备 384第八章萃取分离与离子交换设备 418第九章蒸发与结晶设备 441第十章干燥设备 2 第一章绪论 1 1研究对象生物产品生产过程中所用的工艺主体设备和辅助设备 工艺主体设备 静止 如生物反应器 培养基制备设备 空气除菌设备 分离 提取 过滤等设备 辅助设备 运转 如输送设备 泵 提升机等 粉碎设备 灌装设备等 3 第一章绪论 1 2课程性质与任务 生物工程设备 是生物工程专业的必修专业课 工艺主体设备多为非标准设备 要求掌握其作用原理 结构特点 设计方法 辅助设备多为标准设备 定型 要求掌握性能特点和选用方法 4 第一章绪论 1 3教材与参考书教材 生物工程设备 梁世中主编 中国轻工业出版社 参考书 发酵设备 高孔荣主编 中国轻工业出版社 化工轻工设备机械基础 成都科技大学等校主编 成都科技大学出版社 化工容器及设备 化学工业出版社 发酵工程与设备 华南工学院等院校主编 中国轻工业出版社 相关工艺和设备设计手册 专业期刊 5 第二章内压容器设计基础 2 1概述设备都有一个外部壳体 称为容器 由几种不同几何形状的壳体组成一个密闭体 一 容器组成 见右图 1 筒体 一般为圆柱形 2 封头 常用的有椭圆形 半球形 锥形等 密闭作用通常与筒体焊接 3 支座 支撑固定作用 主要型式 卧式容器 支撑式 悬挂式 6 第二章内压容器设计基础 4 接口管管道接口 主物料管道 辅助物料管道 空气 水 蒸汽 仪表接口 温度计 压力表 安全阀 液位计 溶氧 pH值等 5 人孔 手孔 为了便于清洗和维修 一般安装在容器 设备 顶部 竖式安装的大型容器 设备 还应在筒体底部安装人孔 多为椭圆形 400 450 300 或圆形 7 第二章内压容器设计基础 6 视镜用于观察容器内的情况 一般是对称 两个 安装在容器 设备 顶部或体的中部 二 容器分类1 按压力承受方式分 外压容器 容器内部的工作压力小于外界压力 主要承受外压 如具有夹套加热的容器 设备 在真空条件下操作的容器 设备 内压容器 容器内部的工作压力大于外界压力 主要承受内压 这类容器 设备 在工业上较普遍应用 如发酵罐等 8 第二章内压容器设计基础 2 按承受压力大小分 常压容器一般指承受介质内压为0 1MPa lkgf cm2 以下的容器 低压容器 容器内压在0 1 1 6MPa范围内 中压容器 容器内压在1 6 10MPa范围内 高压容器 容器内压在10 100MPa范围内 超高压容器 容器内压100MPa以上 9 第二章内压容器设计基础 3 按设计方法不同 器壁厚度 来分 薄壁容器 容器外径Do内径Di之比不大于1 2 即K Do Di 1 2或S Di 0 1 S为容器壁厚 厚壁容器 容器外径Do内径Di之比大于1 2 即K Do Di 1 2或S Di 0 1 S为容器壁厚 一般中低压容器属于薄壁容器范围 4 容器的其它分类方法按容器的材料 分为金属和非金属容器 按容器的形状 分为矩形 圆形 球形 圆锥形容器等 按容器的安装方式 分为立式 卧式容器 10 第二章内压容器设计基础 5 压力容器综合分类根据容器承受压力的高低 压力与容积的乘积PV 介质的性质 用途等综合分类 不包括核能容器 船舶上的专用容器和直接受火加热的容器 综合分类根据 压力容器安全监察规程 分为三类 一类容器 属下列情况之一者为一类容器1 非易燃或无毒介质的低压容器 2 易燃或有毒介质的低压分离器外壳及热交换器的外壳 二类容器 属下列情况之一者为二类容器1 中压容器 2 剧毒介质的低压容器 3 易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器 4 内径小于1米的低压废热锅炉 11 第二章内压容器设计基础 三类容器 属于下列情况之一者为三类容器1 高压 超高压容器 2 剧毒介质且最高工作压力与容积之乘积PV 200LMPa PV 2000Lkgf cm2 的低压容器或剧毒介质的中压容器 3 易燃或有毒介且PV 500LMPa PV 5000Lkgf cm2 的中压贮运容器4 中压废热锅炉或内径大于1米的低压废热锅炉 剧毒介质 是指进入人体量 50克即会引起肌体严重损伤或致死作用的介质 如氟 氢氟酸 氢氰酸 氟化氢 光气等 12 第二章内压容器设计基础 有毒介质 是指进入人体量 50克即会引起人体正常功能损伤的介质 如二氧化硫 氨 一氧化碳 氯乙烯 甲醇 二氧化碳 乙炔 硫化氢等 易燃介质 指与空气混合的爆炸下限 10 或爆炸上限和下限之差值 20 的气体 如甲烷 丙烷 丙烯 丁烷 丁二烯 丁烯 氢 氯甲烷 乙烷 乙烯 环氧乙烷等 13 第二章内压容器设计基础 2 2内压薄壁容器设计计算在设计受压容器时 其容器的几何形状 结构 尺寸主要是满足工艺要求 而作为设备的强度尺寸 壳体壁厚 则主要是在工艺给定的压力下 保证其安全生产和可靠运行 而不致于发生破坏 一 内压圆筒体设计计算1 筒体受力拉应力 轴向应力 环向应力弯曲应力 数值与轴向应力 环向应力相比很小 设计时可略去不计 因此 设计内压薄壁容器时 可以认为筒体上只存在拉应力 且均匀分布在纵 横截面上 14 第二章内压容器设计基础 2 筒体应力计算轴向应力 z z P D 4So式中P 圆筒内压力 kgf cm2 D 圆筒平均直径 cm So 壁厚 cm 环 周 向应力 t t P D 2So因此 t 2 z可以得出结论 z t 15 第二章内压容器设计基础 a 圆筒形容器危险截面是纵截面 纵向强度较弱 要确保纵向焊缝的质量 b 在圆筒体上开椭圆形人孔时 应使其短轴与筒体轴向一致 c 筒体纵向和横向焊缝不交叉 3 内压筒体强度设计1 强度设计的基本知识关于弹性失效准则 设计压力容器时 确定器壁内允许应力的限度 即容器判废标准有不同的理论依据 依据这一理论 容器上某处的最大应力达到材料在该温度下的屈服限 s 容器即告破坏 这里所讲的 破坏 并不完全指容器破裂 而是泛指容器失去正常的工作能力 即工程上所说的 失效 16 第二章内压容器设计基础 也就是说 容器的每一部分必须处于弹性变形范围内 保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服极限 s 即 当 s 为了保证结构安全可靠地工作 必须留有一定的安全裕度 使结构中的最大工作应力与材料的许用应力间 满足一定的关系 这就是强度安全条件 即 当 2 理论基础 第一强度理论从实验的性质来看 适合于脆性材料 第三 四强度理论适用于塑性材料 而第二强度理论与实际相差很大 目前已很少采用 压力容器都是采用塑性材料制造的 应该采用第三和第四强度理论 但由于多年来沿用第一强度理论使用经验丰富 业已习惯 且因计算结果与第三强度理论相同 工程上也常采用第一强度理论 我国 钢制石油化工压力容器设计规定 中也采用第一强度理论来建立强度计算公式 17 第二章内压容器设计基础 第一强度理论 最大主应力不超过容器材料的许用应力 即 P D 2So 3 理论计算公式So P D 2 式中P 设计压力 kgf cm2 D 平均直径 cm 设计温度下材料许用应力 kgf cm2 So 壁厚 cm 4 理论计算公式校正a D Di为了计算方便把D用Di来表示 则有D Di So 18 第二章内压容器设计基础 b 焊缝的影响考虑到一般直径较小的容器 D在500mm以下 可采用无缝钢管 其余多数情况是由各种不同的钢板卷焊而成 由于不管采用什么样的焊接形式 都有一个局部热影响区 都有一定程度的夹渣 气孔 末焊透和冷缩后出现一些不同程度的裂纹 虽然焊接后采用了各种手段进行了不同程度的无损检验 而检验的目的是按一定的检验标准把这些削弱强度的因素控制在一定的范围 这样由于焊接使得金属母体的强度在一定程度上有所降低 为了补足这一点 引入了焊缝系数 一般取 1 即 19 第二章内压容器设计基础 c 设计温度化工设备一般都在有一定的温度的场合下使用 而要使公式适用 必须考虑一般材料的许用应力随着温度的变化而变化 故 采用设计温度下的许用应力 t来表示 即 t d 壁厚附加量C在实际工程设计中 按理论计算公式得到的容器壁厚S 仅能满足强度计算的要求 还没有考虑到 1 介质对材料的腐蚀作用 C1 2 钢板在轧制过程中不可避免地出现负偏差 C2 3 容器在加工制造过程中钢板可能会减薄 C3 等 20 第二章内压容器设计基础 为了补足这些金属损耗 又引入壁厚附加量C C C1 C2 C3 因此 我国 钢制石油化工压力容器设计规定 规定了一般压力容器强度计算公式 4 压力容器强度计算公式S P Di 2 t P C式中S 容器钢板厚度 壁厚 cm t 设计温度下材料的许用应力 kgf cm2 焊缝系数 Di 容器内径 cm C 壁厚附加量 cm 强度校核 P Di S C 2 S C 当容器 设备 使用一段时间后 按规定需对筒体壁厚进行校核 21 第二章内压容器设计基础 若 t 则容器 设备 可继续使用 若 t 则需对容器最薄处补强后 才能使用 二 内压球形壳体 容器 强度设计设计公式S P Di 4 t P C式中S 容器钢板厚度 壁厚 cm t 设计温度下材料许用应力 kgf cm2 焊缝系数 Di 容器内径 cm C 壁厚附加量 cm 22 第二章内压容器设计基础 两类容器比较 a 壁厚 球形容器制造材料用量少 b 表面积 球形容器占地少 基础工程费用少 防护剂用量少 保温层用量少 因此 广泛用作贮罐 如石油液化气 乙烯 氨 氧气等 直径在3000mm以下的容器多采用圆筒形 若采用球形容器由于直径小 壁厚很薄 不易壳体成型和焊接 制造费用也较高 三 设计公式中各参数确定1 设计压力设计压力是指在相应设计温度下用以确定容器器壁的厚度及元件尺寸的表压力 一般取略高于或等于容器的最高工作压力 23 第二章内压容器设计基础 所谓容器的最高工作压力 是指容器顶部 安全泄放装置一般装于顶部 在操作过程中可能产生的最高表压力 如果容器内的工作介质是液体 在计算容器各不同截面的壁厚及元件尺寸时 该截面处所受液柱静压力应计入设计压力中 对于一般容器 当液体压力超过工作压力的5 时则计入液体静压 设计时 一般设计压力稍高于工作压力 这主要考虑到设备中的安全装置泄压情况和安全阀的误差 以免造成安全装置不必要的泄放 具体确定如下 a 当容器装有安全阀时 取安全阀起跳压力 一般取工作压力的1 05 1 1倍 作为设计压力 安全阀结构见图 24 内压容器设计基础 单个容器装有平衡型安全阀时取1 1倍 单个容器装有弹簧型安全阀时取1 05倍 最高工作压力 4MPa取1 1倍 最高工作压力 4MPa取1 05倍 单个容器不装安全阀时 低压 设计压力取稍高于最高工作压力 安全阀 25 内压容器设计基础 b 当容器内装有爆炸性介质 一般都采用防爆膜 根据爆炸的瞬时压力 气相容积和防爆膜的防爆面积等因素 一般要考虑5 的误差 还要注意到 由于防爆膜一般工作压力较高 应尽量避免由蠕变和疲劳而引起过早的破坏和泄放 根据长期使用经验 一般取工作压力的1 15 1 3倍 防爆膜 26 第二章内压容器设计基础 c 当操作压力由于化学反应比较强烈等原因而波动较大 压力有突然上升的可能 按其压力升高的速度快慢取最高工作压力的1 15 1 4倍 该容器必须装上防爆膜 d 对装有液化气体的容器 选取最高温度下的相应的饱和蒸汽压作为设计压力 此种容器若无温度调节装置时 在地面仅受地温影响 可取40 时介质的饱和蒸气压作为设计压力 若埋在地下 则取30 时的饱和蒸汽压 2 设计温度设计温度是指容器在操作过程中在相应的设计压力下 壳体或元件金属可能达到的最高或最低 指 20 以下 温度 是选择材料及确定许用应力时的一个基本设计参数 27 内压容器设计基础 容器的壁温可由实测或化工操作传热过程计算来确定 当无法预计壁温时 可参照以下情况来确定 a 装有不被加热或冷却的介质的容器 其器壁温度一般取介质本身的温度 b 用水蒸汽 热水或其它液体加热或冷冻的容器 器壁温度取加热介质或冷冻介质的温度 c 用可燃气体或电加热的器壁 有衬砌层或一侧裸露在大气中 其器壁温度为被加热介质温度加上20 且不低于250 d 直接用可燃气体或电加热的器壁 壁温取被加热介质的温度加上50 且不低于250 当载热体温度等于或高于600 时 器壁温度取被加热介质温度加上100 且不低于250 28 内压容器设计基础 3 许用应力 t设计温度下所选材料的许用应力 是一个很重要的参数 确定方法有两种 计算法和查表法 计算法 t n式中 材料的极限应力n 安全系数查表法 确定所选材料和设计温度 查阅相应许用应力表 29 内压容器设计基础 4 焊缝系数 焊接容器的焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方 焊缝区强度降低的原因在于焊接焊缝时可能出现缺陷而末被发现 焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低 由于结构刚性约束造成焊缝内应力过大等 焊缝区的强度主要决定于熔焊金属 焊缝结构和施焊质量 选取焊缝系数的大小主要根据焊接接头的形式和焊缝的检验程度 保证的焊接质量 而定 可按表选取 5 壁厚附加量C容器壁厚附加量主要考虑钢板或钢管的负偏差C1 介质的腐蚀程度C2和制造过程中的减薄量C3 即C C1 C2 C3 30 内压容器设计基础 a 钢板和钢管的负偏差C1一般情况下C1可按表选取 当实际钢板厚度负偏差小于计算厚度的6 且少于0 3毫米时 可以忽略不计 b 腐蚀裕量C2腐蚀裕量由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命决定 C2 Ke Y式中ke为腐蚀速率 毫米 年 Y为使用寿命 年 一般中低压容器设计的寿命为10 15年 当材料的腐蚀速率为0 05 0 1毫米 年时 考虑单面腐蚀C2 1 2毫米 C2 2 4毫米 31 内压容器设计基础 当材料的腐蚀速率小于或等于0 05毫米 年时 考虑单面腐蚀取C2 1毫米 双面腐蚀取C2 2毫米 对于不锈钢 当介质的腐蚀极微时可取C2 0 c 制造减薄量C3制造减薄量 根据我国锅炉及压力容器制造厂的实际情况 对于冷卷和热卷的圆筒一般由制造厂根据加工工艺条件自行确定 一股中低压容器都采用冷卷 故加工减薄量C3 0 对于冲压 由于拉伸减薄或加热产生氧化皮等 C3应按 钢制焊接压力容器技术条件 中的规定选取 32 内压容器设计基础 焊缝系数表 钢板负偏差表 mm 33 第二章内压容器设计基础 2 3内压封头的设计和选择容器的封头 端盖 按其形状可分为三类 凸型封头 锥形封头 平板封头 其中凸型封头包括半球形封头 椭圆形封头 碟形封头 或称带折边的球形封头 和无折边的球形封头 锥形封头包括不带折边的锥形封头和带折边的锥形封头 平板封头是根据封头与简体的连接方式的不同 有多种结构式 一 半球形封头半球形封头 如图所示 是由半球壳构成 它的壁厚计算公式与球形壳体壳相同 即S P Di 4 t P C 34 第二章内压容器设计基础 根据上式可判断 球形封头的壁厚与相同直径的圆柱形壳体相比 在设计压力相同时 其计算壁厚只有圆柱形壳体计算厚度的一半 但在工程实际中 为了便于封头与筒体焊接 采用等厚度焊接可以降低边缘连接处的边缘应力 及考虑到封头上开孔等因素的影响 半球形 半球形封头 封头常和圆柱形壳体取相同的厚度 半球形封头多用于直径较大或压力较高的容器 35 内压容器设计基础 二 椭圆形封头椭圆形封头是由长 短铀分别为a和b的半椭圆球和高度为h的短圆筒 称为直边 两部分组成的一个整体 直边的作用是避免封头与简体连接的环焊缝与椭圆壳和圆柱壳交界处重合 这样可改善交界处的应力状态 如图所示 由椭圆壳的应力分析可知 椭圆封头的应力分布是变化的 其应力分布随 椭圆形封头 h 点的位置不同而不同 其应力值大小还要随a b的比值变化而变化 a b的比值直接反映椭圆壳体的几何形状 扁平程度 36 内压容器设计基础 当a b 2时是标准椭圆封头 在工程上除特殊情况外 一般采用标准椭圆形封头 这样既提高设备部件的互换性 也可提高设备制造的质量和降低设备的成本 与筒体壁厚相同的标准椭圆形封头在与圆筒体对焊接后由内压生成的最大应力与圆简体最大应力相等 其计算公式为S PDi 2 t P C标准椭圆封头的直边高度可按下表确定 37 内压容器设计基础 三 锥形封头锥形封头广泛应用于许多设备 如发酵罐 空气过滤器 蒸发器 喷雾干燥器 结晶器等 的底盖 它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料 此外 有一些设备上下部分的直径不等 也常用锥形壳体将直径不等的两段连接起来 称为变径段 无折边锥形封头 无加强 38 内压容器设计基础 三 锥形封头锥形封头广泛应用于许多化工设备 如蒸发器 喷雾干燥器 结晶器等 的底盖 它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料 此外 有一些设备上下部分的直径不等 也常用锥形壳体将直径不等的两段连接起来 称为变径段 1 无折边锥形封头直接与简体联接 中间没有过渡圆弧因而称为无折边锥形封头 为了降低边缘连接处出现的较高应力 一般采用以下两种方法 无折边锥形封头 无加强 无折边锥形封头 加强 39 内压容器设计基础 a 局部加强 将联接处附近的封头和筒体的壁厚增大 b 加过渡区2 带折边锥形封头与简体连接处有过渡圆弧和高度为h的直边 可以降低连接处的局部应力 用于半锥顶角 30度的场合 折边锥形封头如右图所示 锥体大端过渡区的计算分两部分 一部分是过渡区壁厚计算 另一部分是过渡区连接处的锥体壁厚计算 带折边锥形封头 40 内压容器设计基础 2 4压力试验一 概述容器和设备制成或检修 修补后 在投入生产之前都要进行设备的整体检验 1 试验目的a 检查容器和设备的宏观强度 看其能否满足操作条件下及工作压力条件下的强度要求 b 检验容器和设备有无渗漏现象 密封性能是否可靠 c 在试验过程中观测受压元件的变形量和发现设备结构 材料和制造过程中的缺陷 如出现以上问题 应及时采取措施加以解决 以确保设备在现场运行过程中的安全性和可靠性 2 试验方法一般用压力试验的方法 常用的是液压试验和气压试验 一般都采用液压试验验 只有不宜作液压试验的某些特殊要求的容器和设备 才用气压试验来代替液压试验 41 内压容器设计基础 液压试验通常采用水为介质 但是水的渗透性不如气体 对于细小的渗漏 短时间不易被发现 故对装易燃 易爆 有毒 有害或强挥发性物料的受压容器和设备 由于其密封性要求高 因此 还要在水压试验的基础上加作气密性实验 对于不允许气压试验的设备而又要求密封性较高时 则可做煤油试验 容器或设备在进行压力试验之前 也就是在强度设计计算时 就要考虑容器和设备是否能满足压力试验所需的强度要求 因此 在进行压力试验之前必须进行压力试验时的容器强度校核 应力校核 对于需要进行焊后热处理的容器 应在全部焊接工作完成并经热处理之后 才能进行压力试验 对于大型的容器和设备 往往是分段制造 现场组装 对于这种容器 可分段进行热处理 在现场焊接后 对焊缝区进行局部热处理后 再进行压力试验 二 液压试验1 试验介质试验时对液体介质有如下要求 a 容器试压常用洁净的水作为试验介质 故称为水压试验 对于不锈钢制的容器和设备用水进行试验时 应限制水中的氯离子含量不超过25ppm 以防止氯离子腐蚀 42 内压容器设计基础 b 试验温度应低于试验介质的沸点温度 对于新材料 新钢种的试验温度应高于材料的脆性转变温度 c 对于碳素钢 16MR等钢制成的容器和设备在试压时 其液体温度不得低于5 其它低合金钢制容器 不包括低温容器 液压试险时 液体温度不低干15 如果是由于板厚等原因造成材料脆性温度升高 这时还要相应地提高试验液体介质的温度 一般都是在常温下进行 2 试验过程与要求a 液压试验时 容器顶部应设排气孔 事前充液时应将容器中的空气排尽 整个试验过程中要保持容器 特别是焊缝周围和密封区域的干燥和清洁 b 试验之前 根据试验压力制订试验方案和升压等级 压力应缓慢上升 达到试验压力后 一般保压30分钟 然后将压力降至规定压力的80 并在保持这一压力的条件下对所有的焊缝和连接部位进行检查 如有渗漏 或发现其它缺陷 卸压修补后再重新试压 c 对于夹套容器先进行内筒试压 试压合格后再焊夹套 d液压试验完毕 应将液体排尽 并用压缩空气或其它办法使容器保持干燥 43 内压容器设计基础 三 试验压力1 用液体介质试压时 其试验压力Pt为Pt 1 25P t 且不小于P 0 1MPa t比值最高不超过1 8 1 8 2 对于立式容器 如卧置进行液压试验 其试验压力应为立置时的试验压力加上液柱静压力 3 用气体介质试压时其试验压力Pt为Pt 1 15P t t比值最高不超过1 8 1 8 式中Pt 试验压力 MPa P 设计压力 MPa 常温下材料的许用应力 MPa t 设计温度下材料的许用应力 MPa 44 内压容器设计基础 四 压力试验的强度校核 应力校核 1 水压试验时的强度校核水压试验时 容器产生的一次总体薄膜应力值按下式计算 Pt Di十S C 2 S C 式中 试验压力下的应力 MPa Pt 水压试验压力 MPa Di 筒体直径 mm S 筒体壁厚 mm C 壁厚附加量 mm 焊缝系数 对于液压试验产生的应力不得超过材料在该试验温度下材料屈服极限的90 即 0 9 s 2 气压试验时的强度校核气压试验时 容器产生的一次总体薄膜应力值按下式计算 Pt Di十S C 2 S C 式中 试验压力下的应力 MPa Pt 气压试验压力 MPa Di 筒体直径 mm S 筒体壁厚 mm C 壁厚附加量 mm 焊缝系数 45 内压容器设计基础 对于气压试验产生的应力不得超过材料在该试验温度下材料屈服极限的80 即 0 8 s 2 5容器最小壁厚1 容器最小壁厚的引入容器要满足强度条件和刚度条件 强度设计 通过计算可得S值 强度是指构件 容器 抵抗载荷而不损坏的能力 满足强度条件是说明该容器能够承受设计载荷而不致被破坏 刚度是指构件 容器 抵抗变形的能力 如果刚度不够 容器会产生变形 时间长 变形加大 同样会损坏容器 对于常压或低压容器 当容器直径较小时 由壁厚公式计算所得的S值很小 如 Di 500mm P 0 07MPa 127MPa C 1 2mm 0 7计算得S 1 4mm 刚度不够 且壁厚太薄不易焊接 需确定最小壁厚以满足刚度条件 2 确定方法 46 内压容器设计基础 a 对于碳素钢和低合金钢制容器当内径Di 3800mm时 Smin 2Di 1000 mm 且不小于3mm 腐蚀裕度另加 当内径Di 3800mm时 Smin按现场运输制造和安装条件而定 腐蚀裕度另加 b 对于不锈钢制容器 Smin 2mm 2 6公称直径与公称压力是容器标准化的两个基本参数 1 公称直径 Dg 标准化的直径 如1 5 2 0 3 0 m a 对筒体和封头 Dg Dib 无缝钢管 Dg 外径2 公称压力 Pg 将设备所承受的压力范围分为若干个标准等级 如 Pg0 250 6 MPa 允许工作压力0 22 0 320 42 0 65 MPa 允许工作压力 设计压力 47 内压容器设计基础 思考题与习题1 为什么薄壁容器上只考虑两向应力 2 圆筒形受压容器上开椭圆孔有什么好处 椭圆孔的长轴和短轴各应在什么方向上 3 试设计一台内径为l000毫米 操作温度为155 工作压力为2 2MPa的容器 器身为圆筒形 采用双面对接焊 局部探伤 配有标准椭圆形封头 容器上装有安全阀 选用lCrl8Ni9Ti介质无腐蚀 试确定简体 封头的壁厚 4 今欲利用库存的一台受压容器 实测圆简形内径Di l000毫米 壁厚为12毫米 采用双面对接焊 材料为不锈钢 今欲利用该容器承受1MPa内压 在330 下工作 介质无腐蚀 容器顶端装有安全阀 试判断该容器是否能用 5 试述压力容器的分类方法 6 试述内压圆筒壁厚计算公式及公式中各参数的确定方法 48 内压容器设计基础 2 7容器和设备零部件设计概述轻化工容器及设备 除主体设计 筒体和封头 以外 还需选择适当的零部件 法兰 支座 人孔 手孔 开孔补强 视镜和各种用途的接管等 组成完整的设备 由于零部件的数量 几何尺寸 几何形状和结构形式的变化都很大 受力状态 应力分布和强度 刚度的设计计算都十分复杂 为了简化设计 简化生产程序和提高零部件的互换性 便于组织成批生产 提高产品质量从而降低成本 在工程实际中对一定设计压力和一定几何尺寸范围的零部件制定了统一的标准 制成标准件可以直接选用 只有对于少数特殊情况下超出以上标准范围的零部件才需进行复杂的设计 非标准件 标准件经常选用 主要以公称压力和公称直径为基本参数选取 而非标准件很少选用 49 内压容器设计基础 本节主要讨论标准件零部件 法兰 支座 人孔 手孔 开孔补强 视镜等 的选用 其他零部件 加热冷却装置 搅拌器 轴封等 将结合具体设备讲解 一 法兰设备与设备之间 管道与管道之间 管道与设备之间的连接方式主要有两种 不可拆连接 焊接 整体 可拆连接 有些设备由于加工工艺的限制和工艺的要求 如考虑到制造 安装 运输 维修 清洗等方便 常常采用可拆性连接 例如多数的换热设备 反应设备 塔设备等都采用可拆性连接 容器和设备采用可拆性连接时 为保证设备使用时的可靠性 可拆性连接的型式和结构必须满足以下最基本要求 a 在操作温度和压力条件下 要有足够的强度 也就是采用可拆性连接形式时 除结构形式本身强度足够外 还必须考虑到不要因为采用这种连接形式而削弱设备的强度和刚度 50 内压容器设计基础 b 密封形式必须可靠 在设计压力和设计温度下紧密不漏 c 连接迅速 并多次反复拆装 即具有一定的使用寿命 d 便于互换 结构简单 易于制造 成本低 适于大批量和标准化生产 为了满足工程需要 针对以上条件 出现了很多种型式的可拆性连接 在工程上常使用的是法兰连接 螺纹连接和插套连接等多种型式 相比之下 法兰连接具有较高的强度和较好的密封性能 其几何尺寸适应范围广 在容器 设备管道上用得最为广泛 1 法兰的结构法兰联接结构是一个组合件 它由联接件 被联接件 密封元件组成 其中上下法兰盘为被联接件 螺栓螺母为联接件 垫片为密封元件 上下法兰盘靠螺栓紧固力压紧垫片 使连接处达到密封 并将两部分设备或管道连在一起 对于法兰连接 在设计和形式的选择中 密封的可靠性是非常重要的 法兰连接中其介质泄漏一般有两条途径 一是垫片本身渗漏 二是通过法兰的压紧面进行渗漏 51 内压容器设计基础 2 法兰结构与种类法兰的种类很多 按其连接对象来分 分为管道法兰和设备法兰两大类 按法兰间的接触面的宽窄来分 可分为宽面法兰和窄面法兰 法兰的接触面 处在螺栓孔以外全部接触的叫宽面法兰 按法兰本身的结构来分 分为整体法兰 活套法兰和其它结构形式的法兰 整体法兰法兰与设备或管道不可拆卸地固定在一起 构成一个整体 这种型式的法兰叫整体法兰 常见的整体法兰有平焊法兰和对焊法兰两种 法兰密封连接 1 法兰2 垫片3 螺栓螺母 52 内压容器设计基础 a 平焊法兰如图所示 这种法兰结构简单 制造容易 成本低 适应性强 应用最广泛 但这种法兰与设备或管道相连 其刚性较差 当法兰受力后法兰盘容易产生变形 因而容易引起与法兰相连的筒壁也随着发生弯曲变形而产生附加弯曲应力 平焊法兰适应的压力较低 一般低于4MPa 平焊法兰 53 内压容器设计基础 b 对焊法兰 又称高颈法兰或长颈法兰 如图所示 法兰结构上由于有颈的存在 大大地提高了法兰本身的刚度 同时由于颈的根部厚度比容器和设备的壳体厚 所以不容易产生弯曲变形 这一点与平焊法兰相比降低了对设备由于法兰连接而产生的附加弯曲应力 另外 法兰与设备或管道的连接采用对接焊接型式 这也比平焊法兰与设备连接时采用角焊的焊接型式强度要高 由于有这些持点 所以对焊法兰可适用于压力 温度较高的场合 54 内压容器设计基础 法兰还以它的几何形状不同分为圆形 方形 长圆形和某些特殊形状 如图所示 圆形法兰制造方便 多用于筒体和管道的连接 方形法兰可用于管道安装 长圆形法兰常用于高压管道和阀门 3 法兰密封面的选择法兰密封压紧面的选择主要根据工艺条件 介质 压力 温度 和法兰尺寸以及选用垫片等因素来决定 压力容器法兰和管道法兰的密封压紧面有如下几种形式 方形法兰 长圆形法兰 55 内压容器设计基础 a 平面型密封面 法兰表面是一个平面或在平面上车有几条同心的圆环形沟槽 设计简单 制造方便 大多和平垫片配合使用 对处理腐蚀性介质采用防腐衬里比较方便 但密封性能差 主要用于压力较低 介质无毒等场合 b 凸型密封面 由一个凹面和一个凸面组成的一对法兰盘 在凹面处放入垫片 密封面在压紧垫片时能防止垫片被挤出 采用这种结构可得到较好的密封效果 一般可用于Dg 800 Pg 6 4MPa的场合 平面型密封面 凸型密封面 56 内压容器设计基础 此外 还有锥形 梯形 榫性密封面等 密封可靠 密封性能好 常用于高压容器设备和高压管道上 4 法兰标准分为两个不同的标准 压力容器法兰标准 JBll57 1164 82 和管法兰标准 HG500l 5027 58 两种标准使用场合不同 注意使用时不要混淆 a压力容器法兰标准 分为甲型平焊法兰 乙型平焊法兰和长颈对焊法兰三种类型 甲型平焊法兰 有Pg0 245 0 588 0 98 1 57MPa 2 5 6 10 16kgf cm2 四个公称压力等级 其最大直径可为2000mm 最高使用温度为300 甲型平焊法兰只限于使用非金属软垫片 并配有光滑密封面和凹凸密封面 乙型平焊法兰 与甲型平焊法兰相比 乙型平焊法兰本身带有一个圆筒形的短节 短节的壁厚一般不小于16mm 大于简体的壁厚 因而增加了法兰的刚度 故可用于较大的 57 内压容器设计基础 公称直径和公称压力的范围 短筒与法兰盘的焊缝开V型坡口 设备与短简采用对接焊 从这点看 乙型平焊法兰较甲型的强度好 使用的公称压力范围比起甲型平焊法兰可增加到Pg2 45 Pg3 92 其最高使用温度可增加到350 长颈对焊法兰 长颈对焊法兰是具有较大厚度的锥颈与法兰盘构成一整体 法兰与设备采用对接焊连接 长颈对焊法兰具有较高的强度和刚度 它有6个公称压力等级 最大公称直径为2000mm 最高工作温度为450 5 法兰标记a 压力容器法兰标记由以下几部分代号组成1 法兰 2 密封面形式 3 公称压力 4 公称直径 5 标准号 例如 公称压力16kgf cm2 1 57MPa 公称直径1000mm的衬环凹凸密封面 乙型平焊法兰的标记为 法兰CYl6 1000JBll59 82 58 内压容器设计基础 b 管道法兰标记由以下几部分组成 1 法兰 2 公称压力 3 公称直径 4 标准号 例如 公称压力16kgf cm2 1 57MPa 公称直径100mm的平焊管法兰其标记为 法兰Pg16Dgl00HG5010一58 对于管法兰的密封面必须注明 例如 凹面法兰Pg16Dgl00HG5010一58 二 容器支座容器和设备的支座是用来支撑设备自身和介质重量 井使其固定在一定的位置上 支座有时还要承受操作时的振动载荷 在设计和选择时有时还要考虑地震裁荷 对于设置在室外的高塔设备还要考虑风载荷的影响等 支座结构和型式很多 基本上分为卧式客器支座和立式容器支座两大类 59 内压容器设计基础 1 卧式客器支座卧式容器及设备的支座有鞍座 圈座和支腿三种结构型式 其中鞍座是用得最广泛的一种 a 鞍式支座一般是由直立筋板和底板焊接而成 在与简体连接处设置有一块腹板 该板分为带加强板和不带加强板两种结构型式 一般满足下列条件之一 就要考虑设置加强板 a 设备壳体计算壁厚 3mm 鞍座 圈座 支腿 60 内压容器设计基础 b 设备壁厚虽 3mm 但 Di 500 c 设备用高合金钢制造 配以普通碳钢支座时 d 设备壳壁与支座之间温差大于200 时 e 设备壳体要求焊后热处理时需设加强板 且加强板需在热处理前焊上 f 壳体鞍座处的最大周向应力大于1 25 时 需采用加强板的设备 加强板选材最好与壳体材料相同 Dg1300 2000A型鞍座 61 内压容器设计基础 b 鞍式支座标准鞍式支座标准系列按JB1167 81选取 它有4个尺寸规格 分别适用于Dg159 550 Dg600 1200 Dg130 2000和Dg2100 4000的范围 同一直径的鞍座又分为A型 轻型 和B型 重型 两种 如果设备与介质之和的重量大 选用B型支座 B型支座的纵向筋板为6块 比A型支座多两块 而且其厚度由A型的12毫米增至14毫米 对于A B型鞍座的材料一般均用A3F钢 台卧式容器或设备一般都是安装两个卧式支座 若多于两个则会由于鞍座水平高度间的微小差异 会造成各支座受力不均 对筒壁产生不利的附加应力 鞍座的位置对设备受力有很大的影响 两鞍座 62 内压容器设计基础 太靠中或靠边 设备都将产生较大的弯曲应力 鞍座安装的位置 当采用双鞍座时 位置由圆柱形壳体端部与鞍座之间的距离A来确定 A按下述原则确定 当设备简体的L D较小 S D较大或在鞍座所在平面内有加强圈时取A 0 2L 当筒体L D较大 且鞍座所在平面内又无加强圈时取A 0 5R c 鞍式支座标准的选用鞍式支座的选用 根据设备的公称直径 从标准的支座结构尺寸表中查出所需的鞍座尺寸及其允 63 内压容器设计基础 许的负荷Qa 再校核该鞍座的Qa是否大于每个鞍座的实际负荷量Q 每个鞍座的实际负荷量Q根据设备总重量和鞍座个数进行计算 若Q Qa 可以选用标准 按标准上的尺寸制造 若Q Qa则需加大筋板的厚度进行计算 直至满足Q Qa为止 2 立式支座立式支座常用于立式设备的支撑 立式支座的结构型式分为耳座 耳式支座 悬挂式支座 裙式支座和支承式支座等 a 耳式支座 耳座 悬挂式支座 广泛用于中小型设备 是将设备支承在框架上或附属在另外的设备上或悬挂在大型设备上 64 内压容器设计基础 结构简单 一般由数块钢板焊接而成 如下图所示 或者用钢板直接弯曲而成 一般设备的悬挂式支座有两块筋板 小型设备只用一块或不用筋板直接用型钢制成 重型设备的耳座可以多至三块筋板 这样可增加耳座的承载能力 A型 B型 65 内压容器设计基础 每个设备根据尺寸的大小和轻重可用2 4个耳座 一般不要用得太多 太多就不能保证全部耳座都装在一个水平面上 不能保证每个耳座受力均匀 优点是结构单 制造方便 但必须注意的是支座与设备连接处会产生较大的负荷 故对大型设备和壳体较薄的设备 一般应在壳壁与支座之间加一垫板 悬挂式支座 66 内压容器设计基础 耳座巳标淮化 在一般情况下按标准选用 b 支承式支座又称立式支脚 常用于中小设备 支撑式支座结构简单 一般用钢管 角钢 槽钢来制造 支承式支座也可以用数块钢板拼焊而成 前者常称为主承式支脚 后者为支承式支座 支承式支座巳标准化 其尺寸和结构如右图所示 主承式支脚 67 内压容器设计基础 c 裙式支座 裙式支座用于高大的塔设备的支撑 它的结构形式分圆筒形裙座和圆锥形裙座 常用圆筒形 因圆筒形结构简单 制造方便 由以下几部分构成 a 座体为圆筒形 一般用钢板卷焊而成 上端与塔设备的底封头焊接在一起 68 内压容器设计基础 b 基础环是一块环形的垫板 它的作用是把整个塔体的重量均匀地传到基础上去 故需一定厚度 c 螺栓座由座板和筋板组成 与裙座都是采用焊接连接 主要是用来安装地脚螺栓 把塔设备固定在基础上 d 裙座上开孔开设供检修 安装用的人孔 工艺接管引出孔 裙座顶端开设排气孔 裙式支座 69 内压容器设计基础 三 容器的开孔补强由于生产工艺和结构上的要求 需在容器和设备的壳体或封头上开孔 接管 例如开设物料的进 出口 测量和控制点 视镜 液面计孔 人孔 手孔等 壳体或封头开孔后 不但会削弱容器的强度 而且在开孔附近还会形成应力集中 由于开孔处局部应力高 开孔附近就往往成为容器和设备的破坏源 因此 应重视开孔和接管附近的应力 并采取适当的补救措施 1 接管 视镜 手孔和人孔a 接管为了控制和监测操作过程 需开设温度 压力和仪表等接口 这类接口采用的接管直径都较小 可直接利用一内螺纹管或外螺纹短管焊在设备壳壁上 如下图所示 70 内压容器设计基础 输送物料的工艺管一般直径较大 常采用短管与法兰连接 其管的长度根据设备是否需设保温层和便于接管法兰的螺栓装拆等因素来确定 一般这个长度不少于80毫米 对于铸造设备其接管最好与设备本身一起铸造 b 视镜视镜的作用是观察设备内反应过程进行的情况 为了有比较大的观察范围 视镜接口的长度尽量短 些 一般采用突出接口型式 如下图所示 主要有不带颈视镜和带颈视镜 71 内压容器设计基础 视镜的玻璃一般用硼硅玻璃 视镜的玻璃在操作条件比较差的情况下 可能因振动 冲击 温度剧变等因素使视镜发生破裂 这样最好采用双层玻璃安全视镜或采用带罩视镜 为了便于清楚地观察设备内物料的反应情况 需用一个或两个视镜作照明用 另取一个作观察用 对称安装 视镜若因介质结晶 水汽冷凝等原因影响观察时需装设冲洗装置 不带颈视镜孔的公称直径有50 150毫米五种 公称压力最大为2 5MPa 25kgf cm2 当视镜需要斜装或设备本身的直径较小时 常采用带颈视镜 72 内压容器设计基础 不带颈视镜 带颈视镜 椭圆形人孔 快开人孔 73 内压容器设计基础 c 人孔和手孔为了便于设备的维护 检修 拆装和清洗内件 设备根据不同的需要一般开设人孔或手孔 人孔开设成圆形或椭圆形 圆形人孔直径为400 500毫米 椭圆形人孔最小尺寸为400 x300毫米 手孔直径为l50 250毫米 手孔已标准化 可根据设备的公称压力和手孔的公称直径按标准选取 手孔 手孔 74 内压容器设计基础 对于工艺和维修需要 在设备直径大于900毫米时可开设人孔 人孔的尺寸及位置应该以设备内件安装和工人进出方便为原则 为了减少对设备的开孔削弱 人孔的尺寸在满足以上原则的前提下 尽量小或采用椭圆形人孔 圆形人孔制造简单方便 成本低 因而应用广泛 椭圆形人孔制造加工较困难 但它对设备的削弱较小 特别是在圆筒形壳休上开椭圆孔更显示出它的优越 故常用于压力较高的设备 2 开孔补强补强的目的 是使孔边应力集中系数 应力集中系数是指容器开孔局部区域中的最大应力与该容器中的薄膜应力的比值 降低到某一允许的范围 即能满足工程上的要求 方法 采用孔边局部补强 增加壁厚 75 内压容器设计基础 a 允许不另行补强的开孔直径在容器上开小孔 允许不另行补强的开孔直径 在圆筒体 球体 锥体及凸型封头 以封头中心为基准的80 的封头内径的范围内 开单个小孔按下式计算 d 0 14 DS式中 d 开孔直径 D 壳体内径 S 壳体计算厚壁 b 补强圈 贴板 补强 结构简单 一般是在壳体开孔的周围贴焊一块厚度 材质与壳体相同的圆环形钢板 要求补强圈要紧贴在壳体上 在补强圈上开有一个M10的螺孔 以便通入压缩空气检查加强圈与壳体焊接贴合的紧密性 采用补强圈补强 若焊缝质量得到保证 就具有一定的补强作用和效果 补强圈补强由于抗疲劳性能差 所以补强圈通常用于受静载的中低压容器 此外 还有接管补强法和整锻件补强法等 76 第三章物料输送设备 概述a 液体输送设备离心泵 往复泵 泥浆泵 等 1 输送机械b 气体输送设备鼓风机 真空泵 空气压缩机等 c 固体输送设备带式输送机 斗式提升机 螺旋输送机等 2 输送方式 气流输送系统 利用空气的动能在管道内输送固体物料 77 物料输送设备 3 1输送机械一 带式输送机带式输送机是一种广泛应用的连续输送机械 可用于输送块状和粒状物料 如谷物 地瓜干 煤块等 也可用于整件物料的输送 如麻袋包 瓶箱等 可进行水平方向和倾斜方向输送 1 结构带式运输机的主要部件为带 托辊 鼓轮 传动装置 张紧装置 加料装置和卸料装置 带 输送带有橡胶带 钢带 网状钢丝带以及塑料带等多种 以适应不同使用场合 其中用得最广泛的是橡胶带 橡胶带由苦干层帆布组成 各层帆布之间用橡胶胶合 带的上下及两侧复有橡胶保护层 78 物料输送设备 帆布层是承受拉力的主要部分 带愈宽 帆布层数愈多 承受拉力也愈大 国产橡胶带一般2 12层 宽300 1600mm 托辊 由于带式运输机很长 所以必须在胶带下面安装托辊以限制胶带下垂 托辊分上托辊和下托辊 上托辊有直形和槽形两种 下托辊多为直形 托辊的间距与带宽和所运送的物料有关 当物品为大于20kg的成件物品时 间距应不大于物品在运输方向的长度的1 2 以保证物品至少支持在两个托辊上 对于松散物料 间距可取1 1 5m 空载托辊的间距可取2 3m 鼓轮 带式输送机两端的轮称为鼓轮 卸料端的鼓轮通常为主动轮 该轮旋转时 借摩擦力作用 带动胶带运动 另一端的鼓轮为从动轮 其作用是拉紧胶带和转向胶带 79 物料输送设备 鼓轮常为生铁铸造或用钢板焊接成的空心轮 为增加鼓轮和带之间的摩擦力 可在轮表面包上橡胶 皮革或木条 鼓轮的宽度应较胶带的宽度大100 120mm 传动装置 主要包括电动机和减速器 有两种结构形式 一种是闭式 电机和减速器都装在主动轮内 另一种是开式 电机经敞开的齿轮或链轮减速后传动主动轮 闭式结构紧凑 易于安装布置 所以多用 80 物料输送设备 张紧装置 作用是给胶带一定张力 防止胶带在鼓轮上打滑 常用的张紧装置有重锤式和螺旋式两种 加料装置 为确保物料均匀地落到输送带上 常用漏斗式加料器和螺旋式加料器 漏斗式加料器结构简单 漏斗后壁为一倾斜面 以方便物料落至带上 漏斗出口应不超过带宽的0 7倍 螺旋加料器加料准确均匀 但结构较复杂 螺旋式 大型机 重锤式 小型机 81 物料输送设备 卸料装置 物料通常从输送带的末端卸出 此时不需要卸料装置 中途卸料可用挡板 挡板与输送带纵向中心线的倾斜角通常取30 50度 角度太大 侧向推移力小 物料不易卸出 角度太小 会增加挡板所占位置 2 工作原理带式输送机的工作原理是利用一根封闭的环形带 由鼓轮带动运行 物料放在带上 靠摩擦力随带前进 到带的另一端 或规定位置 靠自重 或卸料器 卸下 带的运行速度对输送量有很大影响 对不同物料应选用不同的带速 当输送成件物品时 为装卸方便 往往用较低的带速 约为0 5 1 5m s 甚至更小一些 当连续输送散料时 速度过小 输送能力很小 速度太快 输送带会产生振动 物料容易从带上掉下 具体设计时 可查阅相关设计手册 82 物料输送设备 带式输送机在倾斜情况下工作时 各种物料的许用倾角可查阅相关设计手册 优点 结构比较简单 工作可靠 输送能力大 动力消耗低 适应性广 缺点 造价较高 若改向输送需多台机联合使用 二 斗式提升机斗式提升机是一种垂直升送 也可倾斜升送 散状物料的连续输送机械 机械的远行部件均装在机壳内 防止灰尘飞出 在适当的位置 装有观察口 1 结构料斗 料斗一般由薄钢板 不锈钢板或铝板冲压 焊接或铆接而成 分为深斗 浅斗和尖角形斗三种类型 如图所示 83 物料输送设备 料斗带 常用的料斗带有胶带和链条两种 胶带和带式运输机的相同 料斗用特种螺钉和弹性垫片固定于带子上 钉头应埋于胶带内 以免与转鼓碰击 带宽比料斗的宽度大35 40mm 链条