过程装备与控制工程系过程装备教研室.ppt

1,过程装备与控制工程系 过程装备教研室,过程设备设计,太原理工大学 化学化工学院,2007年3月,2,绪论,INTRODUCTION,3,专业课设置,过程装备与控制工程,过程装备,过程控制,过程机械,实践环节,毕业环节,压力容器部分,过程设备部分,4,过程设备设计,第一篇 压力容器部分(第1章第4章),最终目的：防止压力容器失效、确保其安全可靠运行,主要内容：,压力容器总体结构,应力分析模型,环境和时间对材料性能的影响,失效形式,设计方法,达到目标：掌握设计方法；提高设计阶段分析和解决压力容器 在全寿命过程中安全问题的能力,5,过程设备设计,第二篇 过程设备部分（第章第章）,储存设备、换热设备、塔设备和反应设备,主要内容：,典型过程设备设计,重 点：,突出功能要求、结构特点与设计选用的联系。,6,过程设备设计,本课程的性质：,是过程装备与控制工程专业的核心课之一，是一门涉及多门学科，综合性很强的课程。,比如，它涉及到物理、化学、力学、热力学、机械学、化学工程与工艺学、信息技术科学、课程设计、实习经验等许多方面。,本课程的任务：,综合运用基础课、技术基础课中的基本理论，培养学生具有过程设备工程设计的初步能力。,7,过程设备设计,绪论,过 程：,原材料,产品,物理或化学加工,过程设备：,即：完成物料的粉碎、混合、储存、分离、传热、传质、反应等操作的设备。例如，泵、压缩机、管道、储罐、塔、换热器、反应器等。,过程设备设计：,根据设备的工艺、强度、经济性等要求制订出的可用于制造的技术文件。,完成物理或化学加工所用到的设备。,8,过程设备设计,过程设备的应用,过程设备的特点,过程设备的基本要求,过程设备的质量保证,本课程的内容,内 容：,9,过程设备设计,绪论,1.过程设备的应用,过程设备的应用领域：,所有的工业过程。,过程设备的典型例子：,a、加氢反应器:加氢过程的关键设备。,b、用于液氢的深冷（-253）高压（40MPa）储存。,c、超高压食品杀菌釜：超高压食品杀菌所需关键设备。,10,d、核反应堆：核电站的核心设备。,e、超临界流体萃取装置：萃取和分离过程中所需的萃取 釜、换热 器、分离器等设备。,f、潜艇外壳：承受外压作用的壳体。日本于1988年 研制成 功的潜深为6000m的深海潜艇，其耐压舱为一壁厚 70mm的钛合金制球形壳体。,图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、为一些过程设备的照片。,11,随着科学技术的发展，过程设备向多功能、大型化、成套化和专业化方向发展，呈现出以下特点：,a、功能原理多种多样，是典型的非标设备。,b、化机电一体化。,2.过程设备的特点,c、外壳一般为压力容器。,含有压力介质的封闭容器都被称做压力容器,12,过程设备=承受一定压力的外壳+各种各样的内件,压力容器的 载荷,除压力载荷、温度载荷外，还可能受风载荷、地震载荷、冲击载荷的作用。,压力容器的 失效,失去正常的使用功能。图是容器失稳外观，图2和图3是压力容器断裂后的外观。,可能的失效原因,选材不当、材料误用、材料缺陷、材质劣化、介质腐蚀、制造缺陷、设计失误、缺陷漏检、操作不当、意外操作条件、难以控制的环境等原因。,13,过程设备设计,压力容器的规范标准,如我国的GB150钢制压力容器 JB4732钢制压力容器分析设计标准 JB/T4735钢制焊接常压容器 技术法规压力容器安全技术监察规程等,对压力容器的材料、设计、制造、安装、使用、检验和修理、修改提出相应的要求。,14,过程设备设计,绪论,3.过程设备的基本要求,a、安全可靠,b、满足过程要求,c、综合经济性好,d、易于操作、维护和控制,e、优良的环境性能,15,过程设备设计,a、安全可靠,影响设备安全可靠性的因素主要有:,与介质的相容性,设备的刚度,抗失稳能力,和密封性能,材料的强度、韧性,16,（1）材料的强度高、韧性好,韧性是指材料断裂前吸收变形能量的能力。材料韧性越好，临界尺寸越大，过程设备对缺陷就越不敏感。韧性随着强度的提高而降低。在选择材料时，应特别注意材料强度和韧性的合理匹配。,材料强度：,是指载荷作用下材料抵抗永久变形和断裂的能力。屈服点和抗拉强度是钢材常用的强度判据。,影响材料韧性。低温、受中子辐照或在高温高压临氢条件下工作，都会降低材料韧性，使材料脆化。,材料韧性：,环 境：,17,过程设备设计,（2）材料与介质相容,材料被腐蚀后，不仅会导致壁厚减薄，而且有可能改变其组织和性能。因此，材料必须与介质相容。,18,过程设备设计,（3）结构有足够的刚度和抗失稳能力,（4）密封性能好 密封性是指过程设备防止介质泄漏的能力。,刚度：是过程设备在载荷作用下保持原有形状的能力。失稳：是过程设备常见的失效形式之一。,内泄漏：内部各腔体间的泄漏；引起污染，爆炸等；外泄漏：通过可拆部件向外或向内泄漏；引起环境污 染、中毒、燃烧和爆炸等。,19,过程设备设计,（1）功能要求,（2）寿命要求,b、满足过程要求,如：储罐的储存量、换热器的传热量和压力降，反应器的反应速率，塔的流量、传热传质效率等。,高压容器：20年 塔设备、反应设备：15年 一般设备：10年,20,过程设备设计,（1）生产效率高、消耗系数低,生产效率：过程设备常用单位时间内单位容积（或面积）处 理物料或所得产品的数量。,消耗系数：是指生产单位重量或体积产品所需的资源（包括 原材料和能量，如原料、燃料、电等）和人力。,工艺流程和结构形式都对过程设备经济性有显著影响。,（2）结构合理、制造简便,（3）易于运输和安装,c、综合经济性好,21,过程设备设计,d、易于操作、维护和控制,22,过程设备设计,绪论,e、优良的环境性能,23,过程设备设计,4.过程设备的质量保证,概念：,质量保证设备在设计、制造、操作和退役漫长过程中,为保证安全所采取的有计划的系统措施。,质量监督达到质量保证的具体手段。,质保体系包括设计、材料、制造与检验、在役设备检验与监控的全部措施和手段。,24,过程设备设计,设计是过程设备研制的第一道工序，设计工作的质量和水平，对产品的质量、性能、研制周期和经济效益往往起着决定性的作用。,A、基本设计步骤,B、影响参数设计的因素,(1)设计：,、设计目标,、过程设备更新换代的途径,25,过程设备设计,需求分析、目标界定、总体结构设计、零部件结构设计、参数设计和设计实施等，是一个不断决策的过程。,在总体结构设计、零部件结构设计和参数设计中都要反复应用图0-1所示的决策过程。,图0-1 设计常用的决策过程,成功的设计综合平衡产品性能、成本和环境这三个要求。,A、基本设计步骤,26,过程设备设计,a.需求分析和目标界定,b.总体结构设计,c.零部件结构设计,d.参数设计:,确定过程设备的工作原理、总体布局和零部件之间的相互关系。它对过程设备的效率、安全性、可靠性、可制造性等有显著的影响，有时甚至起到决定性的作用。总体结构设计时，常常根据设计要求，将过程设备功能逐步分解，直至零部件。,确定参数、设计参数、状态参数和性能参数。,27,过程设备设计,影响设计参数、状态参数和性能参数的因素主要有：,a.设计准则,失效方式,失效判据,设计准则参量许用值，限制条件,设计参数,随着经验的积累、测试手段的改进、计算技术的提高和研究的深入，设计准则不断得到丰富和发展。例如，压力容器常规设计（弹性失效设计准则），压力容器分析设计（弹性失效设计准则、塑性失效设计准则、弹塑性失效设计准则）。,B、影响参数设计的因素,28,过程设备设计,b.材料,c.规范标准,屈服点、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、弹性模量、泊桑 比、应力应变关系、持久强度、夏比V型缺口冲击功、断裂韧性、裂纹扩展速率、热膨胀系数等。,29,过程设备设计,、设计目标,综合平衡产品的性能、成本和环境,、过程设备更新换代的途径,改变工作原理。改进制造工艺、结构和材料。加强辅助功能,30,()材料：,()制造、检验：,过程设备设计,质保重要环节,、焊接,焊接质量,31,过程设备设计,、制造中检验,气密性试验,宏强/致密,水压试验,32,()在役设备检验与监控,过程设备设计,焊缝（大修）,内部缺陷,表面缺陷,射/超,磁/渗,材料,使用过程中退化,金相组织变化晶界孔穴 微裂纹、氢侵袭 辐照脆化,新材料 成熟材料,在新环境下使用,挂片,33,过程设备设计,5.本课程的内容,第一篇：介绍压力容器总体结构、应力分析模型、环境 和时间对材料性能的影响、失效形式及各种设 计方法等，提高学生在设计阶段分析和解决压 力容器全寿命过程中安全问题的能力；,第二篇：介绍储存设备、传热设备、塔设备和反应设备 等典型过程设备，突出功能要求、结构特点 与设计选用的联系。,34,图1 球罐,返回,35,图2 核容器,返回,36,图3 煅烧炉,返回,37,图4,压力容器,返回,38,图5 储罐,返回,39,图6 反应堆,返回,40,图7 核反应设备内部流程,返回,