过程装备与控制工程专业英语阅读材料翻译

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(楠哥)

ReadingMaterial16

PressureVesselCodes

HistoryofPressureVesselCodesintheUnitedStatesThroughthelate1800sandearly1900s,

explosionsinboilersandpressurevesselswerefrequent.Afiretubeboilerexplosiononthe

MississippiRiversteamboatSultanaonApril27,1865,resultedintheboat,ssinkingwithin20

minutesandthedeathof1500soldiersgoinghomeaftertheCivilWar.Thistypeofcatastrophe

continuedunabatedintotheearly1900s.In1905,adestructiveexplosionofafiretubeboilerina

shoefactoryinBrockton,Massachusetts,killed58people,injured117others,anddid$400000in

propertydamage.In1906,anotherexplosioninashoefactoryinLynn,Massachusetts,resultedin

death,injury,andextensivepropertydamage.Afterthisaccident,theMassachusettsgovernor

directedtheformationofaBoardofBoilerRules.Thefirstsetofrulesforthedesignand

constructionofboilerswasapprovedinMassachusettsonAugust30,1907.Thiscodewasthree

pageslong.

In1911,ColonelE.D.Meier,thepresidentoftheAmericanSocietyofMechanicalEngineers,

establishedacommitteetowriteasetofrulesforthedesignandconstructionofboilersand

pressurevessels.OnFebruary13,1915,thefirstASMEBoilerCodewasissued.Itwasentitled

“BoilerConstructionCode,1914Edition.vThiswasthebeginningofthevarioussectionsofthe

ASMEBoilerandPressureVesselCode,whichultimatelybecameSection1,PowerBoiler.

ThefirstASMECodeforpressurevesselswasissuedasuRulesfbrtheConstructionof

UnfiredPressureVessels,“SectionVIII,1925edition.Therulesappliedtovesselsover6in.in

diameter,volumeover1.5ft3,andpressureover30psi.InDecember1931,aJointAPI-ASME

Committeewasformedtodevelopanunfiredpressurevesselcodeforthepetroleumindustry.The

firsteditionwasissuedin1934.Forthenext17years,twoseparatedunfiredpressurevesselcodes

existed.In1951,thelastAPI-ASMECodewasissuedasaseparateddocument.In1952,thetwo

codeswereconsolidatedintoonecode-theASMEUnfiredPressureVesselCode,SectionVUI.This

continueduntilthe1968edition.Atthattime,theoriginalcodebecameSectionVIII,Division1,

PressureVessels,andanothernewpartwasissued,whichwasSectionVIII,Division2,Alternative

RulesforPressureVessels.

TheANSI/ASMEBoilerandPressureVesselCodeisissuedbytheAmericanSocietyof

MechanicalEngineerswithapprovalbytheAmericanNationalStandardsInstitute(ANSI)asan

ANSI/ASMEdocument.OneormoresectionsoftheANSI/ASMEBoilerandPressureVessel

codehavebeenestablishedasthelegalrequirementsin47statesintheUnitedStatesandinall

provincesofCanada.Also,inmanyothercountriesoftheworld,theASMEBoilerandPressure

VesselCodeisusedtoconstructboilersandpressurevessels.

OrganizationoftheASMEBoilerandPressureVesselCodeTheASMEBoilerandPressure

VesselCodeisdividedintomanysections,divisions,parts,andsubparts.Someofthesesections

relatetoaspecifickindofequipmentandapplication;othersrelatetospecificmaterialsand

methodsforapplicationandcontrolofequipment;andothersrelatetocareandinspectionof

installedequipment.ThefollowingSectionsspecificallyrelatetoboilerandpressurevesseldesign

andconstmction.

SectionIPowerBoilers(1volume)

SectionIII

Division1NuclearPowerPlantComponents(7volumes)

Division2ConcreteReactorVesselsandContainment(1volume)

CodeCaseCase1ComponentsinElevatedTemperatureservice(inNuclearCodeN-47

Casebook)

SectionIVHeatingBoilers(1volume)

SectionVDI

Division1PressureVessels(1volume)

Division2AlternativeRulesforPressureVessels(1volume)

SectionXFiberglass-ReinfbrcedPlasticPressureVessels(1volume)

AneweditionoftheASMEBoilerandPressureVesselCodeisissuedonJuly1everythree

yearsandnewaddendaareissuedeverysixmonthsonJanuary1andJuly1.theneweditionofthe

codebecomesmandatorywhenitappears.Theaddendaarepermissiveatthedateofissuanceand

becomemandatorysixmonthsafterthatdate.

WorldwidePressureVesselCodesInadditiontotheASMEBoilerandPressureVessel

Code,whichisusedworldwide,manyotherpressurevesselcodeshavebeenlegallyadoptedin

variouscountries.Difficultyoftenoccurswhenvesselsaredesignedinonecountry,builtin

anothercountry,andinstalledinstilladifferentcountry.Withthisworldwideconstructionthisis

oftenthecase.

Thefollowinglistisapartialsummaryofsomeofthevariouscodesusedindifferent

countries:

AustraliaAustralianCodeforBoilersandPressureVessels,SAABoilerCode(Series

AS1200):AS1210,UnfiredPressureVesselsandClass1H,PressureVesselsofAdvancedDesign

andConstruction,StandardsAssociationofAustralia.

FranceConstructionCodeCalculationRulesforUnfiredPressureVessels,Syndicat

NationaldelaChaudronnerieetdelaTuyauterieIndustrielle(SNCT),Paris,France.

UnitedKingdomBritishCodeBS.5500,BritishStandardsInstitution,London,England.

JapanJapanesePressureVesselCode,MinistryofLABOR,PUBLISHEDBYJ叩anBoiler

Association,Tokyo,Japan;JapaneseStandard,ConstructionofPressureVessels,JISBGas

ControlLaw,MinistryofInternationalTradeandIndustry,publishedbyTheInstitutionforSafety

ofHighPressureGasEngineering,Tokyo,Japan.

ItalyItalianPressureVesselCode,NationalAssociationforcombustionControl(ANCC),

Milan,Italy.

BelgiumCodeforGoodPracticefortheConstructionofPressureVessels,BelgianStandard

Institute(IBN),Brussels,Belgium.

SwedenSwedishPressureVesselCode,TryckkarlsKommissioner,theSwedishPressure

VesselCommission,Stockholm,Sweden.

压力容器规范

美国压力容器规范的历史从19世纪末到20世纪初，锅炉和压力容器的爆炸是常有

发生。1865年4月27日，在密西西比河轮船Sultana号上，一个火管锅炉爆炸导致船在二

十分钟内沉没，使内战后回家的1500名士兵死亡。这种灾难在二十世纪初仍未减少。1905

年，在马塞诸塞州布鲁克市的一家制鞋厂里，一个火管锅炉的毁灭性爆炸造成58人死亡，

117人受伤和400000美元的财产损失。1906年，马塞诸塞州林恩市的一家制鞋厂里的另一

次爆炸，造成死亡，受伤和大量财产损失。在这次事故之后，马塞诸塞州州长指挥成立了锅

炉规范委员会。1907年8月30日，设计和建造锅炉的第一套规范在马塞诸塞州得到批准。

这个规范总共有三页。

1911年，美国机械工程师学会主席ColonelE.D.Meier成立了一个委员会，专门起草锅

炉和压力容器设计和建造的规范。1915年2月13日，第•部锅炉规范ASME被颁布。它被

提名为《锅炉建造规范：1914版。这是ASME锅炉和压力容器规范各篇的开始，最后变成

了第一篇《动力锅炉》。

第一个压力容器的规范ASME,是以1925版第VIH篇“不用火加热压力容器的建造规

则”的名称颁布的。该规则适用于直径大于6英寸，容积大于1.5f「和压力高于30Pa的容

器。1931年12月，为了发展适合于石油工业不用火加热的容器规范，专门成立了API一

ASME联合委员会。第一版本在1934年颁布。在随后的17年时间里，存在两个独立的不用

火加热容器规范。1951年，最后的API——ASME规范以独立的文件颁布。1952年，两个

规范合并成一个规范——〈ASME不用火加热压力容器规范〉（第VIH篇）。这部规范一直

延续到1968版。那时，原来的规范变为第一分篇《压力容器》（第VHI篇），第二分篇《压

力容器另一•规则》（第VHI篇）作为另外新的部分被颁布。

经美国国家标准局（ANSI）批准，美国机械工程师学会以ASNI/ASME文件的形式，

颁布了ASN1/ASME锅炉和压力容器规范。ASNI/ASME锅炉和压力容器规范的一篇或多篇，

已经在美国的47个州和加拿大的所有省中，以法律的形式确立。同样，在世界的许多其他

国家，ASME锅炉和压力容器规范，也被用来建造锅炉和压力容器。

ASME锅炉和压力容器规范的组成ASME锅炉和压力容器规范分成许多篇,分篇，

部分和辅助部分。在这些篇中，一些涉及到特定类型的设备和应用；另外的涉及特定的材料

和设备应用与控制的方法；其余的涉及安装的设备的维护和检修。下面各篇特别涉及锅炉和

压力容器个设计和建造。

第一部分《动力锅炉》（1卷）

第三部分

第1节《核电厂部件》（7卷）

第2节《混凝土反应容器和控制》（1卷）

标准容器《案例1升温装置中的部件》（在核规范N-47案例书中）

第三部分《加热锅炉》

第八部分

第1节《压力容器》（1卷）

第2节<<力容器另一规则〉〉（1卷）

第X部分〈〈玻璃纤维强化塑料压力容器〉〉（1卷）

新版ASME锅炉和压力容器规范，每3年于7月1日颁布，新附录每6个月于1月1

日和7月1日颁布。新版规范一问世，就成为强制的规范。在颁布日期匕附录是可以选择

的，半颁布日期定了以后，它就是强制性的。

世界压力容器规范除了在全世界使用的ASME锅炉和压力容器规范外，许多不同

的压力容器规范，已经在不同的国家得到法律上的采纳。当容器在一个国家设计，在另一个

国家建造，并且在不同的国家安装时，就会产生困难。由于这种世界范围的建造的存在，这

种案例是经常有的。

下面所列举的是一些在不同国家中使用的各种规范的部分摘要：

澳大利亚澳大利亚锅炉与压力容器标准，SAA锅炉标准（AS1200系ij）：AS1210,

非火加热类压力容器和分类1H,改进后的设计与制造压力容器，澳大利亚协会标准。

法国〈〈不用火加热压力容器建造规范计算规则〉〉，法国巴黎市SNCT结构。

英国〈〈英国规范BS.55OO））,英国伦敦市英国标准协会。

日本〈〈日本压力容器规范〉〉，劳动部，制定），日本东京市日本锅炉协会出版；

JISB8243〈〈日本标准〉〉，〈〈压力容器建造〉〉，日本东京市日本标准协会出版；〈〈日本高压

气体控制法〉〉,国际贸易与产业部（制定），日本东京高压气体工程安全协会出版。

意大利〈〈意大利压力容器规范〉〉，意大利米兰市国家燃烧控制协会（ANCC）。

比利时〈＜压力容器构造可靠实践规范〉〉，比利时布鲁塞尔市比利时标准协会

（IBN）o

瑞典《瑞典压力容器规范》，瑞典斯德哥尔摩市瑞典压力容器委员会。

ReadingMaterial17

StressCategories

Thevariouspossiblemodesoffailurewhichconfrontthepressurevesseldesignerare:

(1)Excessiveelasticdeformationincludingelasticinstability.

(2)Excessiveplasticdeformation.

(3)Brittlefracture.

(4)Stressrupture/creepdeformation(inelastic).

(5)Plasticinstability-incrementalcollapse.

(6)Highstrain-lowcyclefatigue.

(7)Stresscorrosion.

(8)Corrosionfatigue.

Indealingwiththesevariousmodesoffailure,weassumethatthedesignerhasathis

disposalapictureofthestateofstresswithinthepartinquestion.Thiswouldbeobtainedeither

throughcalculationormeasurementsofthebothmechanicalandthermalstresseswhichcould

occurthroughouttheentirevesselduringtransientandsteadystateoperations.Thequestionone

mustaskiswhatdothesenumbersmeaninrelationtotheadequacyofthedesign?Willthey

insuresafeandsatisfactoryperformanceofacomponent?Itisagainstthesevariousfailuremodes

thatthepressurevesseldesignermustcompareandinterpretstressvalues.Forexample,elastic

deformationandelasticinstability(buckling)cannotbecontrolledbyimposingupperlimitstothe

calculatedstressalone.Onemustconsider,inaddition,thegeometryandstiffnessofacomponent

aswellaspropertiesofthematerial.

Theplasticdeformationmodeoffailurecan,ontheotherhand,becontrolled

byimposinglimitsoncalculatedstresses,butunlikethefatigueandstress

corrosionmodesoffailure,peakstressdoesnottellthewholestory.Careful

considerationmustbegiventotheconsequencesofyielding,andthereforethetype

ofloadingandthedistributionofstressresultingtherefrommustbecarefully

studied.Thedesignermustconsider,inadditiontosettinglimitsforallowable

stress,someadequateandproperfailuretheoryinordertodefinehowthevarious

stressesinacomponentreactandcontributetothestrengthofthatpart.

Asmentionedpreviously,differenttypesofstressrequiredifferent1imits,

andbeforeestablishingtheselimitsitwasnecessarytochoosethestresscategories

towhichlimitsshouldbeapplied.Thecategoriesandsub-categorieschosenwere

asfollows:

A.PrimaryStress.

(a)Generalprimarymembranestress.

(b)Localprimarymembranestress.

(c)Primarybendingstress.

B.SecondaryStress.

C.PeakStress.

Themajorstresscategoriesareprimary,sec9ondary,andpeak.Theirchief

characteristicsmaybedescribedbrieflyasfollows:

(a)Primarystressisastressdevelopedbytheimposedloadingwhichis

necessarytosatisfythelawsofequilibriumbetweenexternalandinternalforces

andmoments.Thebasiccharacteristicofaprimarystressisthatitisnot

self-limiting.Ifaprimarystressexceedstheyieldstrengthofthematerialthrough

theentirethickness,thepreventionoffailureisentirelydependentonthe

strain-hardeningpropertiesofthematerial.

(b)Secondarystressisastressdevelopedbytheself-constraintofastructure.Itmustsatisfy

animposedstrainpatternratherthanbeinginequilibriumwithanexternalload.Thebasic

characteristicofasecondarystressisthatitisself-limiting.Localyieldingandminordistortion

cansatisfythediscontinuityconditionsorthermalexpansionswhichcausethestresstooccur.

(c)Peakstressisthehigheststressintheregionunderconsideration.Thebasic

characteristicofapeakstressisthatitcausesnosignificantdistortionandisobjectionablemostly

asapossiblesourceoffatiguefailure.

Theneedfordividingprimarystressintomembraneandbendingcomponentsisthat,as

willbediscussedlater,limitdesigntheoryshowsthatthecalculatedvalueofaprimarybending

stressmaybeallowedtogohigherthanthecalculatedvalueofaprimarymembranestress.The

placingintheprimarycategoryoflocalmembranestressproducedbymechanicalloads,however,

requiressomeexplanationbecausethistypeofstressreallyhasthebasiccharacteristicsofa

secondarystress.Itisself-limitingandwhenitexceedsyield,theexternalloadwillberesistedby

otherpartsofthestructure,butthisshiftmayinvolveintolerabledistortionanditwasfeltthat

mustbelimitedtoalowervaluethanothersecondarystresses,suchasdiscontinuitybending

stressandthermalstress.

Secondarystresscouldbedividedintomembraneandbendingcomponents,justaswas

doneforprimarystress,butaftertheremovaloflocalmembranestresstotheprimarycategory,kit

appearedthatalltheremainingsecondarystressescouldbecontrolledbythesamelimitandthis

divisionwasunnecessary.

Thermalstressareneverclassedasprimarystresses,buttheyappearinbothoftheother

categories,secondaryandpeak.Thermalstresseswhichcanproducedistortionofthemost

completesuppressionofthedifferentialexpansion,andthuscausenosignificantdistortion,are

classedaspeakstresses.

Oneofthecommonesttypesofpeakstressisthatproducedbyanotch,whichmightbea

smallholeorafillet.Thephenomenonofstressconcentrationiswell-knownandrequiresno

furtherexplanationhere.

Manycasesariseinwhichitisnotobviouswhichcategoryastressshouldbeplacedin,

andconsiderablejudgmentisrequired.Inordertostandardizethisprocedureandusethejudgment

ofthewritersoftheCoderatherthanthejudgmentofindividualdesigners,atablewasprepared

coveringmostofthesituationswhichariseinpressurevesseldesignandspecifyingwhich

categoryeachstressmustbeplacedin.

ThepotentialfailuremodesandvariousstresscategoriesarerelatedtotheCodeprovisions

asfollows:

(a)Theprimarystresslimitsareintendedtopreventplasticdeformationandtoprovidea

nominalfactorofsafetyoftheductileburstpressure.

(b)Theprimaryplussecondarystresslimitsareintendedtopreventexcessiveplastic

deformationleadingtoincrementalcollapse,andtovalidatetheapplicationoftheelasticanalysis

whenperformingthefatigueevaluation.

(c)Thepeakstresslimitisintendedtopreventfatiguefailureasaresultofcyclicloading.

(d)Specialstresslimitsareprovidedforelasticandinelasticinstability.

Protectionagainstbrittlefractureareprovidedbymaterialselection,ratherthanby

analysis.Protectionagainstenvironmentalconditionssuchascorrosionandradiationeffectsare

theresponsibilityofthedesigner.Thecreepandstressrupturetemperaturerangewillbe

consideredinlatercondition.

应力类型

压力容器设计者遇到的多种可能的失效形式：

(1)过度弹性变形包括弹性失稳。

(2)过度塑性变性。

(3)脆性断裂。

(4)应力断裂/蠕变变形(非弹性的)。

(5)塑性不稳性增加失稳。

(6)高应变低周期疲劳。

(7)应力腐蚀。

(8)疲劳腐蚀。

在处理这些不同的失效形式上，我们假设设计者在局部问题的处理上，有一副应力状态

图。这需要通过对机械和热应力的计算或测量来得到，它们(应力)在短暂稳定的状态操作

期间，存在于整个容器中。有人会问，这些数据与设计的合理性有什么关系？它们能确保一

个构件的安全和满意的性能吗？它与这些各种各样的失效形式对立，压力容器设计者必须比

较和说明应力值。例如，通过单独计算应力来强加上限，是不能控制弹性变形和弹性失稳。

此外，还必须考虑构件的几何形状和硬度，以及材料的特性。

从另一方面来看，塑性变形失效形式可以通过在计算的应力上强加极限来控制，但不象

疲劳和应力腐蚀失效形式，峰值应力不做整体描述。必须对屈服结果进行仔细考虑。因此，

载荷的类型和由那里引起的应力分布，必须被仔细研究。除了限制许用应力外，设计者还必

须考虑一些适当的失效理论，来解释各种应力怎样在构件内起作用和对那些部分的强度所做

的贡献。

正如前面所涉及的，不同类型的应力需要不同的限制，在确定这些限制之前，选择应用

于什么限制的应力类型是必要的。供选择的应力类型如下：

A、主应力。

(a)普通的薄膜主应力

(b)内部薄膜主应力

(c)主要弯曲应力

B副应力

C最大应力

应力类型是主应力、副应力及最大应力。它们的主要特征简略描述如下：

(a)主应力是由施加载荷产生的应力，载荷在满足外部和内部的作用力和力矩之间

的平衡规律是必要。一次应力的基本特征是自身不受限制。在整个厚度上，如

果一次应力超过了材料的屈服强度，防止失效必须完全依赖材料的变形硬化性

质。

(b)副应力是由结构的自身约束二产生的应力。它必须满足一个强加应变的式样，

而不是与一个外载荷平衡。副应力的基本特征是自身受限制。局部屈服和较小

变形，能够满足引起应力产生的不连续条件或者热膨胀。

(c)最大应力是所考虑范围内的最高应力。峰值应力的基本特征，是不会引起大的

变形和作为疲劳失效一个可能的源头是令人讨厌的。

将主应力分成薄膜和弯曲部分的必要，以后再讨论，极限设计理论表明主弯曲应力的计

算值允许高于主薄膜应力的计算值。然而，我们应该解释一下由机械载荷产生的局部薄膜应

力的主要种类的位置，因为这种应力确实有副应力的基本特征。它是自身受限制的，而且当

它超过屈服极限后，外载荷将受到结构的其他部分抵抗，但这种转变可能会产生严重变形，

因此必须将它限制在比其他副应力更小的值，例如不连续弯曲应力和热应力.

正如主应力那样，副应力被分为薄膜和弯曲部分，但是，在将局部薄膜应力归到主应力

类型后，就会有所有剩余的副应力被相同的限制控制，这种分划是没有必要的。

热应力从来不被归类为主应力，但它却出现在其他两种类型中，副和最大应力中。能够

通过大部分抑制小膨胀而产生变形，以及不会引起严重变形的热应力，被归为最大应力。

最大应力的一个最普通的类型，是由缺口引起的，它可能是一个小洞或条裂痕。我们

都知道应力集中现象，这里不做进一步解释。

许多情况出现在不明显的地方，一种应力该归纳为哪种，需要考虑到判断能力。为了使

这个程序规范化，并且使用规范作者的判断法，而不是个别设计者的判断法，准备一份能够

包括大多数情况的表格，这些情况出现在压力容器设计和详细说明中，每种应力都必须填入

其中。

潜在的失效形式和各种应力类型，与规范条款有如下的联系：

a•主应力的限制，目的是防止塑性变形，并在韧性爆破压力上提供一个名义安全因素。

b.主应力和副应力的限制，目的是防止导致失稳增加的过量塑性变形和做疲劳估算时，

确认弹性分析的应用。

c.最大应力的极限，目的是防止因周期载荷产生的疲劳失效。

d.特殊应力的限制，提供给弹性和非弹性失稳。

应对脆性断裂的保护，是通过材料的选择，而不是分析提供的。对环境条件比如腐蚀和

辐射的保护，是每个设计者的职责。蠕变和应力断裂的温度范围，将在以后的章节中考虑。

ReadingMaterial18

PackedTowers

Incomparisonwithtraytowers,packedtowersaresuitedtosmalldiameters(24in.orless),

wheneverlowpressureisdesirable,wheneverlowholdupisnecessary,andwheneverplasticor

ceramicconstructionisrequired.Applicationsunfavorabletopackingsarelargediametertowers,

especiallythosewithlowliquidandhighvaporrates,becauseofproblemswithliquiddistribution,

andwheneverhighturndownisrequired.Inlargetowers,randompackingmaycostmorethan

twiceasmuchassieveorvalvetrays.

Depthofpackingwithoutintermediatesupportsislimitedbyitsdeformability;metal

constructionislimitedtodepthsof20〜25ft,andplasticto10〜15ft.Intermediatesupportsand

liquidredistributorsaresuppliedfordeeperbedsandatsidestreamwithdrawalorfeedpoints.

Liquidredistributorsusuallyareneededevery2.5〜3towerdiametersfbrRaschigringsandevery

5-10diametersforPallrings.Butatleastevery20ft.

ThevariouskindsofinternalsofpackedtowersarerepresentedinFig.4.2whoseindividual

partsmaybedescribedone-by-one:

(a)isanexamplecolumnshowingtheinletandoutletconnectionsandsomeofthekindsof

internalsinplace.

(b)Isacombinationpackingsupportandredistributorthatcanalsoserveasasumpfor

withdrawaloftheliquidfromthetower.

(c)Isatrough-typedistributorthatissuitableforliquidratesinexcessof2gpm/sqftin

towers2feetandmoreindiameter.Theycanbemadeinceramicsorplastics.

(d)Isanexampleofaperforatedpipedistributorwhichisavailableinavarietyofshapes,

andisthemostefficienttypeoverawiderangeofliquidrates;inlargetowersandwhere

distributionisespeciallycritical,theyarefittedwithnozzlesinsteadofperforations.

(e)Isaredistributiondevice,therosette,thatprovidesadequateredistributioninsmall

diametertowers;itdivertstheliquidawayfromthewalltowardswhichittendstogo.

(f)Isahold-downplatetokeeplowdensitypackingsinplaceandtopreventfragilepackings

suchasthosemadeofcarbon,fbrinstance,fromdisintegratingbecauseofmechanical

disturbancesatthetopofthebed.

Thebroadclassesofpackingsforvapor-liquidcontactingareeitherrandomorstructured.

Theformeraresmall,hollowstructureswithlargesurfaceperunitvolumethatareloadedat

randomintothevessel.Structuredpakingsmaybelayersoflargeringsorgrids,brtaremost

commonlymadeofexpandedmetalorwovenwirescreenthatarestackedinlayersorasspiral

windings.

Thereareseveralkindsofpackings.Thefirstofthewidelyusedrandompackingswere

Raschigringswhicharehollowcylindersofceramics,plastics,ormetal.Theywereaneconomical

replacementforthecrushedrockoftenusedthen.Becauseoftheirsimplicityandtheirearly

introduction,Raschigringshavebeeninvestigatedthoroughlyandmanydataoftheirperformance

havebeenobtainedwhicharestilluseful,forexample,indefiningthelowerlimitsofmass

transferefficiencythatcanberealizedwithimprovedpackings.

Structuredpackingsareemployedparticularlyinvacuumservicewherepressuredropsmust

bekeptlow.Becauseoftheiropenstructureandlargespecificsurface,theirmasstransfer

efficiencyishighwhenproperdistributionofliquidoverthecrosssectioncanbemaintained.

填料塔

与板式塔相比，填料塔适用于直径较小的物质(不大于24英寸)，并且要是低压、低粘

度、塑料或陶瓷结构。大直径塔特别是其内流动低速液体与高速气体的塔不适用于填料，因

为液体分布难以控制及不能随时调节在大的塔设备中，用散装填料的消耗可能是筛板或真

空板式填料的2倍多。

无中间支撑物的填料塔深度会受其可变形能力的限制。金属结构尺寸被限制在20--25

英尺，而塑性是10—15英尺。中间支撑物和液体重新分配器应用在深床、液体回收或进料

装置点。对拉西环，2.5~~3米塔径需要液体重新分配器。而鲍尔环是每5~~10米塔径，最

少要20英尺。

填料塔内部结构如图4.2所示，下面一一介绍：

(a)是一个柱形填料塔显示入水口与出水口连接部分的实例图及其内部的一些结

构

(b)是一个组合填充支撑物与液体重新分配器，其功能是像一个水箱一样将塔中液

体回收。

(c)是一个槽式分配装置，它适用于塔径超过2英尺、液体流速超过2m/s的情况

(d)是一个针孔管式分配装置实例，有许多不同的形状，它对很大范围内的液体流

速都很有效，在大直径塔中分配装置十分危险，它们适合用喷嘴来代替打孔。

(e)是一个玫瑰形的重新分配装置，在小直径塔中它能提供合理的液体重新分配，

它可将塔内的液体转移。

⑴是一个压制向下的板，它用来保持各处的底密度填充物，并阻止像碳制的脆性

材料，例如：由塔床顶部的机械干扰造成的分裂。

用于气液接触的大面积填充物一般分为散装的，或者有规则的，前者很小，每单位体积

的大表面积空心结构被装配到容器中。组合填充物可能是大形环状物层或栅格，但很多都是

由金属或金属丝织成的屏状制成的，它们被堆成层状或弯曲的螺丝。

有几种不同的填料，使用得最广泛的填充物是拉西环。它是陶瓷制成的、带塑料的、金

属的圆筒。它们能很经济地替换过去使用的粉状岩石，由于它们品种单一和早就使用了，拉

西环已经被彻底地研究，并且获得了各种有用的、性能不同的材料，例如：在定义较低传质

效率上，可以用改善的填料。

规则的填料是由于其在真空下的独特性能而被使用，在真空下压降必须保持很小的数

值。由于它打开的结构及特殊的大表面，在横截面的液体合适分布，可保持较高的传质效率。

ReadingMaterial19

Shell-and-TubeHeatExchangers

Shell-and-tubeexchangersaremadeupofanumberoftubesinparallelandseriesthroughwhich

onefluidtravelsandenclosedinashellthroughwhichtheotherfluidisconducted.Theshellside

isprovidedwithanumberofbafflestopromotehighvelocitiesandlargelymoreefficientcross

flowontheoutsidesofthetubes.Theversatilityandwidespreaduseofthisequipmenthasgiven

risetothedevelopmentofindustrywidestandardsofshichthemostwidelyobservedarethe

TEMAstandards.Atypicalshell-and-tubeexchangerispresentedonFig.4.3.

Bafflepitch,ordistancebetweenbaffles,normallyis0.2~1.0timestheinsidediameterof

theshell.Boththeheattransfercoefficientandthepressuredropdependonthebafflepitch,so

thatisselectionispartoftheoptimizationoftheheatexchanger.Thewindowofsegmentalbaffles

commonlyisabort25%,butitalsoisaparameterinthethermal-hydraulicdesignofthe

equipment.

Inordertosimplifyexternalpiping,exchangersmostlyarebuiltwithevennumberoftube

passes.Partitioningreducesthenumberofthetubesthatcanbeaccommodatedinashellofa

givensize.Squaretubepitchincomparisonwithtriangularpitchaccommodatesfewertubesbutis

preferablewhentheshellsidemustbecleanedbybrushing.

Twoshellpassesareobtainedwithalongitudinalbaffle.Morethantwoshellpassesnormally

arenotprovidedinasingleshell,brta4〜8arrangementisthermallyequivalenttotwo2〜4shells

inseries,andhighercombinationsisobtainablewithshell-and-tubeexchangers,inparticular:

•Singlephase,condensationorboilingcanbeaccommodatedineitherthetubesortheshell,

inverticalorhorizontalpositions.

•Pressurerangeandpressuredroparevirtuallyunlimited,andcanbeadjusted

independentlyforthetwofluids.

•Thermalstressescanbeaccommodatedinexpensively.

•Agreatvarietyofmaterialsofconstructioncanbeusedandmaybedifferentfortheshell

andtubes.

•Extendedsurfacesforimprovedheattransfercanbeusedoneitherside.

•Agreatrangeofthermalcapacitiesisobtainable.

•Theequipmentisreadilydismantledforcleaningorrepair.

Severalconsiderationsmayinfluencewhichfluidgoesonthetubesideortheshellside.

Thetubesideispreferableforthefluidthathasthehigherpressure,orthehighertemperature

orismorecorrosive.Thetubesideislesslikelytoleakexpensiveorhazardousfluidsandis

moreeasilycleaned.Bothpressuredropandlaminarheattransfercanbepredictedmore

accuratelyforthetubeside.Accordingly,whenthesefactorsarecritical,thetubesideshould

beselectedforthatfluid.

TurbulentflowisobtainedatlowerReynoldsnumbersontheshellside,sothatthefluidwith

thelowermassflowpreferablygoesonthatside.HighReynoldsnumbersareobtainedby

multipassingthetubeside,butataprice.

Asubstantialnumberofparametersisinvolvedinthedesignofashell-and-tubeheat

exchangerforspecifiedthermalandhydraulicconditionsanddesiredeconomics,including:

tubediameter,thickness,length,numberofpasses,pitch,squareortriangular;sizeofshell,

numberofshellbaffles,baffletype,bafflewindows,bafflespacing,andsoon.Forevena

modestsizeddesignprogram,itisestimatedthat40separatelogicaldesignsmayneedtobe

madewhichleadto?????????differentpathsthroughthelogic.Sincesuchanumberis

entirelytoolargefornormalcomputerprocess,theproblemmustbesimplifiedwithsome

arbitrarydecisionsbasedonasmuchcurrentpracticeaspossible.

(Selectedfrom:StanleyM.Walas,ChemicalProcessEquipment,ButterworthPublishers,

1988.)

管壳式换热器

管壳式换热器是有许多平行管，和一个封闭的壳体组成，•种液体走管道，另一种液体

走壳道。壳程安装了许多折流挡板以提高液体流速，使液体在管外更有效地流动。由于换热

器的广泛使用及其功能的多样性，使它成为最受TEMA标准关注的工业标准的设备，如图

4.3所示：典型的管壳式换热器。

折流板的间距通常是壳体内径的0.2~~1倍，挡板间距决定了传热系数和压降，因

此，决定其数值的大小是优化热交换器的一部分。弓形挡板的横截面积通常是壳体截面的

25%,这是设备