过程设备设计
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spContent=80年代初由原化工部组织编写第一轮教材,称为《化工容器及设备》。90年代初,第二轮教材编写,分为《化工容器设计》及《化工设备设计》两本书。90年代末,因专业设置调整,专业更名为《过程装备与控制工程》,为了满足专业发展,组织编写第三轮教材,又将两本教材合并,称为《过程设备设计》。
—— 课程团队
课程概述

 

 本课程是在学习完基础课和专业基础课的基础上的一门专业核心课程。内容包括弹性力学基础、压力容器设计的理论及方法、典型化工设备的基本理论及设计方法等。课程以弹性理论和板壳理论为理论基础,对过程设备涉及的压力容器中的封头、筒体等主要部件作了理论分析和设计计算,介绍过程设备设计规范和常用材料及其选择。在此基础上对典型的过程设备:如储存设备、换热设备、塔设备和反应设备,讲解其典型结构,原理及主要部件的设计计算。

本课程的教材选用郑津洋、董其伍、桑芝富等主编的《过程设备设计》教材,该教材2001年由化学工业出版社出版,2005年第二版,2010年出版第三版,2015年出版第四版,为十五十一五十二五普通高等教育国家级规划教材,中国石油和化学工业优秀出版物(教材类)一等奖。




授课目标
旨在使学生能综合运用专业基础课的基本理论及工程实践知识,通过本课程学习,熟悉并掌握过程设备设计的基本理论及工程实践,能采用正确、合理的方法进行过程设备的设计;从材料、设备结构、制造质量、安装、操作维护等方面对过程设备的工程设计进行综合分析;基本具备从事过程设备设计和研发能力。
课程大纲

《过程设备设计》教学大纲

英文名称:  Process Equipment Design

  分:4.5学分   : 72学时   理论学时:64学时  实验时数:8学时

先修课程:工程热力学,工程力学,工程材料,化工原理

适用专业:过程装备与控制工程专业本科生

 

教学目的

本课程是过程装备与控制工程专业的主干专业课程,其目的旨在使学生能综合运用基础课、技术基础课程中的基本理论及相关的工程实践知识,通过本课程的学习,基本具备从事过程设备设计和研究开发的初步能力。

 

教学要求

熟悉并掌握过程设备设计的基本理论及工程实践,能采用正确、合理的方法进行过程设备的设计。从材料、设备的结构、温度、制造质量、安装、操作维护等方面对过程设备的工程设计进行综合分析和研究。

 

教学内容:

绪论1学时

1.过程设备的功能及应用

2.过程设备的特点和基本要求

3.影响过程设备设计的因素

4.课程的目的及内容

本要求:

了解课程的目的及内容;掌握过程设备的功能及特点。

重点:

    过程设备的功能及特点。

难点:

影响过程设备设计的因素。

 

第一章  压力容器导言1学时

1.压力容器的总体结构:结构组成,零部件之间的连接结构,焊接结构

2.压力容器分类

3.压力容器设计规范介绍

基本要求:

了解压力容器的总体结构及设计规范;掌握压力容器分类。

重点:

    压力容器分类。

难点:

压力容器设计规范。

 

第二章  压力容器的应力分析14学时)

1.回转壳体的应力分析

轴对称回转薄壳的几何要素;无力矩理论的基本假设;无力矩理论基本方程;典型回转壳体的薄膜应力;回转壳体的不连续分析。

2.厚壁圆筒的应力分析

(1) 弹性应力分析

由压力载荷产生的弹性应力;由温差产生的热应力。

(2) -塑性应力分析

-塑性应力;残余应力。

(3) 屈服应力;爆破应力。

(4) 提高屈服承载能力的方法

3.平板的应力分析

(1) 概述:平板的应用,平板的分类,平板的载荷及内力,基本假设

(2) 轴对称圆平板的弯曲方程

(3) 轴对称圆平板中的应力

(4) 轴对称环板中的应力

4.壳体的稳定性分析

(1) 概述:稳定性的概念;壳体失稳的形式;影响稳定性的因素。

(2) 外压薄壁圆柱壳体的弹性失稳分析

临界压力;临界长度;周向外压与轴向载荷共同作用下的失稳。

(3) 其它回转壳体的临界压力:半球,碟形壳体,椭圆壳体,锥形壳体。

5.典型局部应力

(1) 内压壳体接管处的局部应力

应力集中系数法,经验公式,数值模拟,试验法

(2) 降低局部应力的措施

 

基本要求

掌握过程设备中的主要部件,如:薄壁壳体,厚壁壳体,平板等在载荷作用下的应力计算方法,薄壁壳体在外压作用下稳定性的计算方法。

重点:

薄壁壳体,无力矩理论的基本方程及其应用;厚壁壳体,弹性应力,弹-塑性应力及热应力的计算方法。平板的弯曲及平板中应力的计算方法。薄壁外压容器的临界压力的计算。

难点:

无力矩理论与有力矩理论。

 

第三章  压力容器材料及环境和时间对其性能的影响6学时)

1.压力容器常用材料

钢材的类型;有色金属; 非金属;复合材料。

2.制造工艺对钢材性能的影响

塑性变形,应变硬化,冷、热加工,应变时效;焊接。

3.环境对压力容器用钢性能的影响

短期载荷下温度的影响与长期载荷下温度的影响;高温下材料性能的劣化;介质腐蚀的影响(应力腐蚀)。

4.压力容器材料选择

压力容器用钢的基本要求与压力容器用钢的选择。

基本要求

熟悉压力容器用钢材;了解有色金属、非金属等材料及其基本性能;了解制造工艺和环境对材料性能的影响;掌握压力容器用钢的基本要求,正确选择压力容器用钢。

重点

压力容器常用钢材的种类及性能;压力容器用钢的基本要求与正确选择。

难点

压力容器用钢的正确选择。

 

第四章  压力容器设计14学时)

1.概述

设计要求,设计条件,设计文件

2.设计准则

弹性失效准则,塑性失效准则,爆破失效准则

3.常规设计

(1) 圆筒设计

筒体的结构;内压圆筒的强度设计;设计技术参数的确定;外压筒体的图算法;外压筒体的加强圈设计计算。

(2) 封头设计

内压封头计算:凸形封头(半球形椭圆形碟形球冠形);锥形封头。

外压封头计算:凸形封头(半球形椭圆形碟形球冠形);锥形封头。

平盖计算

(3) 密封设计

密封原理及分类;影响密封性能的主要因素;螺栓法兰连接的密封设计;法兰标准及结构形式;法兰设计概述;高压密封的特点及结构形式;高压密封螺栓载荷的计算。

(4) 开孔及开孔补强设计

补强结构;开孔补强设计准则;等面积补强计算。

(5) 支座及检查孔

支座;检查孔。

(6) 安全泄放装置

安全泄放原理;安全阀;爆破片。

(7) 焊接结构设计

焊接接头形式;坡口形式;压力容器焊接接头分类;常用的焊接结构。

(8) 压力试验

压力试验的目的;压力试验的方法;试验压力及应力校核。

4.分析设计

1)压力容器的应力分类

一次应力P;二次应力Q;峰值应力F

2)应力强度计算

3 应力强度的限制:设计应力强度;极限分析;安全性分析;应力强度的限制。

5.疲劳分析

(1)        概述

(2)        疲劳曲线:试验曲线,计算曲线,设计曲线

(3)        平均应力对疲劳寿命的影响

(4)        压力容器的疲劳设计

6.压力容器设计的技术进展

 

基本要求

了解压力容器及各部件设计计算的基本方法及压力容器设计技术的进展;掌握压力容器的常规设计方法;熟悉压力容器分析设计与疲劳设计的基本概念。

重点:

掌握压力容器的常规设计方法;熟悉压力容器分析设计与疲劳设计的基本概念。

难点:

    压力容器应力的正确分类与疲劳分析。

 

第五章 储存容器5学时)

1.卧式储罐

(1) 结构形式

(2) 设计计算:载荷分析;内力分析;筒体应力计算及强度校核;鞍座的强度校核。

2.球形储罐

(1) 罐体结构

(2) 支座:支柱;支柱与球壳的连接;拉杆。

(3) 人孔和接管

基本要求

本章介绍储存设备,包括卧式储罐及球形储罐,其主要掌握卧式储罐的设计计算方法。包括卧式储罐的载荷分析,内力分析,筒体的应力计算及强度校核等。

重点:

卧式储罐的设计计算方法。

难点:

卧式储罐的载荷分析,内力分析,筒体的应力计算。

 

第六章 换热设备8学时)

1.概述

(1) 换热设备的分类及特点

(2) 间壁式换热器的结构形式

管式换热器;板面式换热器

2.管壳式换热器

(1)        管壳式换热器的类型

(2)        管壳式换热器的结构

(3)        管板设计

(4)        膨胀节设计

(5)        管束振动及防振

3.余热锅炉

(1)        余热锅炉的作用及基本特点

(2)        余热锅炉的基本结构

4.传热强化技术

(1)        扩展表面强化传热

(2)        壳程强化传热

基本要求:本章介绍一种典型过程设备——传热设备的结构及主要零部件的计算方法,掌握各种管壳式换热器及其零部件的基本结构及设计方法。

重点:

掌握各种管壳式换热器及其零部件的基本结构及设计方法。

难点:

各种管壳式换热器及其零部件的设计方法。

第七章 塔设备18学时)

1.概述

塔设备的应用;塔设备的结构型式。

2.填料塔

(1)        填料:乱堆填料,规整填料

(2)        填料塔内件的结构设计

填料支承装置,液体分布装置,液体收集再分布装置,填料的压紧和限位装置。

3.板式塔

(1)        板式塔的分类

(2)        板式塔的结构

泡罩塔,浮阀塔,筛板塔,无降液管塔,导向筛板塔,斜喷型塔。

(3) 塔盘的结构

塔盘,降液管,受液盘,溢流堰。

4.塔的附件

除沫器,裙座,吊柱

5.塔的强度计算

(1)        塔的固有周期

(2)        塔的载荷分析

重量,偏心载荷,风载荷,地震载荷。

(3)        塔体的强度及稳定性校核

(4)        裙座的强度及稳定性校核

6.塔设备的振动

(1) 风的诱导振动

(3)        塔设备的防振

基本要求:本章介绍另一种典型设备——塔设备及其零部件、附件的基本结构及塔设备的强度计算方法,掌握板式塔,填料塔及其零部件,塔附件的基本结构,塔体的强度及稳定性计算的方法,塔体的振动及防振。

重点

掌握板式塔填料塔及其零部件塔附件的基本结构;塔体的强度及稳定性计算的方法,塔体的振动及防振。

难点:塔体的强度及稳定性计算。

 

第八章 反应设备5学时)

1.概述

(1)        反应器的分类

(2)        常用反应器的结构及特点

2.机械搅拌反应器

(1)        基本结构

(2)        搅拌容器

(3)        搅拌器

(4)        搅拌轴设计

(5)        密封装置

(6)        传动装置

3.机械搅拌设备技术进展

基本要求:本章叙述典型过程设备——反应设备的分类、结构及特点;掌握搅拌反应器包括反应容器、搅拌器、密封装置等的结构;各种零部件的类型、结构特点。

重点:

掌握搅拌反应器包括反应容器、搅拌器、密封装置等的结构;各种零部件的类型、结构特点。

难点:

搅拌反应器包括反应容器、搅拌器、密封装置等的结构设计。

 

实验教学

1.内压薄壁容器应力测定(3学时)                                     验证性实验

基本要求:

了解内压薄壁容器在内压作用下薄膜应力的分布规律;验证薄壁容器筒体应力计算的理论公式;掌握用电阻应变仪测定应力的基本原理及具体操作的过程和方法。

  点:

     掌握用电阻应变仪测定应力的基本原理及具体操作的过程和方法。

  点:

     电阻应变片的正确粘贴。

 

2.高压容器液下应力测定(2学时)                                    验证性实验

基本要求:

    测定高压容器筒体在内压作用下,内、外壁面的应力,并与理论公式比较;了解高

压液下电阻应变测量的基本方法,如电阻片的保护,内壁的引线及压力效应的校正等

  点:

     高压液下电阻应变测量的基本方法。

  点:

     电阻片的保护,内壁的引线及压力效应的校正。

 

3.厚壁筒体的爆破试验(2学时)                                      验证性实验

基本要求:

了解厚壁容器加载,塑性变形,应变硬化,最后大变形破坏的全过程;测量厚壁圆筒的爆破压力,并与各种失效理论的结果进行比较;了解大应变及数据采集的技术。

  点:

     厚壁容器加载,塑性变形,应变硬化,最后大变形破坏的实验过程。

  点:

     厚壁筒体的爆破压力的正确测量。

 

4.外压容器的稳定性试验(1学时)                                        验证性实验

基本要求:

观察薄壁圆筒形容器在外压作用下失稳的形态;测定圆筒形容器的临界压力并与理论值进行比较。

  点:

     圆筒形容器的临界压力测量的基本方法。

  点:

      圆筒形容器临界压力的正确测量。

                                                   

5.换热器综合性能试验(2学时)                                        验证性实验

基本要求:

比较三种换热器的不同性能和结构,对三种换热器进行传热性能进行测量和比较。

  点:

     几种换热器结构比较。

  点:

      换热器传热系数测量的基本方法。

 

 

 

 


预备知识

机械制图、高等数学、工程力学、工程材料、弹性力学、化工原理、机械设计、机械制造、专业英语等课程为本课程的先修课程

证书要求

   合格:总成绩60分至85分(不含85分)。

    优秀:总成绩85分至100分。

   


参考资料

1)国家质量技术监督局发布,《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG 21-2016

2)国家质量技术监督局发布,《压力容器》GB150-2011

3) 国家质量技术监督局发布,《热交换器》GB151-2014

4)国家质量技术监督局发布,《卧式容器》NB/T47042-2014

5)国家质量技术监督局发布,《塔式容器》NB/T47041-2014

6)约翰.F.哈维[美].压力容器部件结构-设计与材料.化学工业出版社,北京:1985

7)范钦珊.压力容器的应力分析与强度设计,原子能出版社,北京,1979

8)华东理工大学王志文教授主编《化工容器设计》,化学工业出版社出版社,北京:2006

9)M. H. Jawad, J. R. Farr. Structure Analysis and Design of Process Equipment. New York: John Wiley & Sons,Inc,1984

10)S. S. Gill. The stress analysis of pressure vessels &pressure vessel components. Pergamon Press:1970

11)H. H. Bednar. Pressure vessel design handbook. New   York: Van Nostrand Reinhold,1986

12)J. F. Harvey. Theory and design of pressure vessels. Second Edition. New York: Van Nostrand Reinhold,1986

常见问题


1.http://www.forengineers.org/ (美国Pressure Vessel Research Council) 2.http://www.eperc.bam.de/ European Pressure Equipment Research Council 3.http://www.cnscpv.org.cn/ 全国锅炉压力容器标准化技术委员会