化學(xué)過程課件-緒論PPT幻燈片

第1章緒論INTRUDUCTION9/22/20231主要內(nèi)容

過程工業(yè)與工業(yè)化學(xué)過程化學(xué)過程設(shè)備中的化學(xué)過程和物理過程化學(xué)過程設(shè)備設(shè)計的基本要求過程反應(yīng)設(shè)備的分類9/22/202321.1過程工業(yè)與工業(yè)化學(xué)過程

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z物理或化學(xué)加工原材料（流性）產(chǎn)品過程過程設(shè)備完成物理或化學(xué)加工所用到的設(shè)備如：完成物料的粉碎、混合、儲存、分離、傳熱、傳質(zhì)、反應(yīng)等操作的設(shè)備例如：泵、壓縮機、管道、儲罐、塔、換熱器、反應(yīng)器等過程工業(yè)工業(yè)是以流性物料為主要處理對象、完成生產(chǎn)過程中從原材料到產(chǎn)品的一系列化學(xué)過程、以改變物質(zhì)的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的工業(yè)生產(chǎn)的總稱。

過程工業(yè)？9/22/20233核反應(yīng)堆：核電站的核心設(shè)備超臨界流體萃取裝置：萃取和分離過程中所需的萃取釜、換熱器、分離器等設(shè)備潛艇外殼：承受外壓作用的殼體。日本于1988年研制成功的潛深為6000m的深海潛艇，其耐壓艙為一壁厚70mm的鈦合金制球形殼體

緒論過程設(shè)備設(shè)計核能發(fā)電利用原子核裂變反應(yīng)釋放能量----熱量，取出來去加熱水，產(chǎn)生飽和蒸汽帶動汽輪機發(fā)電溫度和壓力高出液、氣態(tài)共存的臨界點（超臨界）時，流體具有特殊的性質(zhì)，利用溶解能力，對物料萃取分離，過程包括萃?。ǔR界流體將所需組分從原料中提取出來）和分離（改變壓力、溫度，使所萃取組分從超臨界流體中分離出去）9/22/20236在過程工業(yè)中進行的各種化學(xué)過程往往在密閉狀態(tài)下連續(xù)進行，都需要使用各種型式的反應(yīng)設(shè)備以完成生產(chǎn)過程中的各種化學(xué)反應(yīng)。其主要特點如下：(l)化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜：一個品種的生產(chǎn)往往要經(jīng)過一連串的化學(xué)反應(yīng)，有些反應(yīng)本身常常是復(fù)雜反應(yīng)。一個反應(yīng)有時生成多種異構(gòu)物，伴隨生成主產(chǎn)物的同時還有副產(chǎn)物生成；(2)反應(yīng)物料相態(tài)多樣化：在過程工業(yè)生產(chǎn)中，較少遇見均相物料體系，經(jīng)常是非均相物料體系；（3）反應(yīng)介質(zhì)腐蝕性強：在各種過程工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常使用強腐蝕性介質(zhì)，如硫酸、硝酸、鹽酸、氯磺酸、有機酸和高溫濃堿、濕氯化氫、二氧化硫、氯氣等腐蝕性氣體；如平行反應(yīng)、串聯(lián)反應(yīng)、可逆反應(yīng)、鏈反應(yīng)等控制物料的流量、溫度、壓力、停留時間等，而且還需檢測設(shè)備的安全性9/22/20237(4)高技術(shù)密集度：首先，在實際應(yīng)用中，過程工業(yè)產(chǎn)品是以商品的綜合功能出現(xiàn)的，這就需要在化學(xué)合成中篩選不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，在劑型生產(chǎn)中充分發(fā)揮其自身功能及與其他配合物質(zhì)的協(xié)同作用，完成從劑型到商品化的復(fù)配過程。其次，技術(shù)開發(fā)成功率低、時間長、費用高。其結(jié)果必然導(dǎo)致技術(shù)壟斷性強，銷售利潤高；(5)多品種:近年來，過程工業(yè)發(fā)展迅猛，一方面代表先進生產(chǎn)技術(shù)的大型企業(yè)不斷發(fā)展，另一方面，中小生產(chǎn)規(guī)模的精細化工行業(yè)迅速出現(xiàn)，并且在過程工業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比重也在逐年上升。整個過程工業(yè)開始了由粗放型生產(chǎn)向集約型生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的新格局。低消耗、低污染、高產(chǎn)出，就是21世紀過程工業(yè)發(fā)展的潮流。

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過程工業(yè)通過對流性物料進行一系列處理，從而得到有用的產(chǎn)品，在處理過程中包含各種物理變化過程和化學(xué)反應(yīng)過程，其中物理過程可以不牽涉到化學(xué)反應(yīng)，但化學(xué)過程卻總是與物理因素如溫度、壓力、濃度等有著緊密的聯(lián)系，所以化學(xué)過程是物理與化學(xué)兩類因素的綜合體，過程工業(yè)中常要進行以化學(xué)反應(yīng)為主的過程。工業(yè)化學(xué)過程的特點是以化學(xué)反應(yīng)為中心，用化學(xué)方法和化學(xué)—物理方法對原料進行加工處理，通過物理變化和化學(xué)反應(yīng)來制得化學(xué)產(chǎn)品、化工原料或其他化學(xué)加工產(chǎn)品。所謂化學(xué)方法，就是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臈l件，使原材料物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變其分子結(jié)構(gòu)，以制得新物質(zhì)的方法。應(yīng)用化學(xué)方法可以使價廉易得的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄌ匦?、價值較高的物質(zhì)，為人類創(chuàng)造更多的財富，這就是化學(xué)方法在許多場合往往優(yōu)越于其他方法的一個重要標(biāo)志。工業(yè)化學(xué)過程9/22/20239z+++

z在一個現(xiàn)代化的化工企業(yè)中，化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程可以概括為圖1-1所示的典型流程，化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程從原料到產(chǎn)品都可以概括為下列三個組成部分：(1)原料的預(yù)處理，按照化學(xué)反應(yīng)的要求將原料進行處理，例如輸送、粉碎、混合等；提純原料，除去對反應(yīng)有害的雜質(zhì)；加熱原料，使達到反應(yīng)要求溫度；幾種原料的配料混合，以適應(yīng)反應(yīng)濃度要求等。這些預(yù)處理操作一般都屬于物理過程。工業(yè)化學(xué)過程9/22/202310z+++

z（2）化學(xué)反應(yīng)，是整個生產(chǎn)過程的核心和關(guān)鍵所在，主要功能是將一種或幾種物質(zhì)轉(zhuǎn)化為所需的物質(zhì)或從一組混合物中脫除某一組分，如汽車尾氣中脫除烴和氮的氧合物，使氣體凈化達到排放標(biāo)準等，這些屬于化學(xué)過程。（3）產(chǎn)物的分離，由于副反應(yīng)的存在生成不希望的產(chǎn)物，又因反應(yīng)不完全或某些反應(yīng)物過量，致使反應(yīng)產(chǎn)物需要進行分離獲得符合規(guī)格的純凈產(chǎn)物。這一步主要也是物理過程，例如蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、過濾等。其中化學(xué)反應(yīng)過程是化學(xué)工業(yè)過程的核心，原料預(yù)處理和產(chǎn)物分離兩步是化學(xué)反應(yīng)的要求和結(jié)果。顯然在化工生產(chǎn)過程中，除了需要反應(yīng)進行的設(shè)備以外，還需要大量設(shè)備進行流體輸送、熱交換、吸收、精餾、干燥、分離等各種前后處理操作?；どa(chǎn)過程中完成化學(xué)反應(yīng)過程的設(shè)備統(tǒng)稱為反應(yīng)器，是化工過程的核心設(shè)備，往往是在一項成功的化工生產(chǎn)流程中起著重要的甚至是決定性的因素，由此可見，設(shè)計出合理的反應(yīng)設(shè)備，對過程的順利進行具有重要意義。工業(yè)化學(xué)過程9/22/202311z+++

z化學(xué)反應(yīng)器中發(fā)生的過程有化學(xué)反應(yīng)過程(化學(xué)過程)和傳遞過程(物理過程)。反應(yīng)結(jié)果受化學(xué)動力學(xué)因素和傳遞因素的影響。一個工業(yè)反應(yīng)在實際生產(chǎn)中能否成功，主要取決于動力學(xué)因素。為了實現(xiàn)某一個反應(yīng)過程，還要選擇合適的反應(yīng)器類型、結(jié)構(gòu)和操作條件，確定反應(yīng)器的尺寸和生產(chǎn)能力等等。任何化學(xué)反應(yīng)過程的進行和結(jié)果除了由該反應(yīng)的動力學(xué)特征及規(guī)律控制外，還受到物料的混合、傳質(zhì)和傳熱等物理過程的影響。在反應(yīng)器中化學(xué)反應(yīng)過程和物理傳送過程同時進行，并相互影響。反應(yīng)過程和傳遞過程是構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)工程最基本的兩個內(nèi)容，是反應(yīng)工程的基礎(chǔ)。但是反應(yīng)器中的化學(xué)過程和物理過程不是簡單的加和，而是兩者的有機結(jié)合。工業(yè)化學(xué)過程9/22/2023121.2化學(xué)過程設(shè)備中的化學(xué)過程和物理過程

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z化學(xué)過程設(shè)備中進行的過程不僅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過程，同時還伴有許多物理過程。這些物理過程與化學(xué)過程的相互影響、相互滲透，必然影響過程的特性和反應(yīng)的結(jié)果，使工業(yè)反應(yīng)過程復(fù)雜化。對于一個工業(yè)反應(yīng)過程而言，設(shè)計者的任務(wù)是要選擇適宜的反應(yīng)器型式、結(jié)構(gòu)、操作方式和工藝條件。在滿足各項約束條件的前提下確定合理的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇率和相應(yīng)的反應(yīng)器尺寸，使工業(yè)生產(chǎn)過程的生產(chǎn)成本達到最低值。這里簡要說明工業(yè)反應(yīng)器中化學(xué)過程和物理過程的性質(zhì)、特點及相互間的關(guān)系。9/22/202313z+++

z化學(xué)過程設(shè)備中進行的過程不僅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過程，同時還伴有許多物理過程。這些物理過程與化學(xué)過程的相互影響、相互滲透，必然影響過程的特性和反應(yīng)的結(jié)果，使工業(yè)反應(yīng)過程復(fù)雜化。對于一個工業(yè)反應(yīng)過程而言，設(shè)計者的任務(wù)是要選擇適宜的反應(yīng)器型式、結(jié)構(gòu)、操作方式和工藝條件。在滿足各項約束條件的前提下確定合理的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇率和相應(yīng)的反應(yīng)器尺寸，使工業(yè)生產(chǎn)過程的生產(chǎn)成本達到最低值。這里簡要說明工業(yè)反應(yīng)器中化學(xué)過程和物理過程的性質(zhì)、特點及相互間的關(guān)系。1.2.1化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)變化是由分子與分子之間的接觸碰撞而發(fā)生的。因此從微觀角度來考察化學(xué)反應(yīng)過程，它就是一種以分子為單位參與的物質(zhì)變化過程。但是從宏觀角度統(tǒng)計地加以考察，9/22/202314z+++

z化學(xué)過程設(shè)備中進行的過程不僅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過程，同時還伴有許多物理過程。這些物理過程與化學(xué)過程的相互影響、相互滲透，必然影響過程的特性和反應(yīng)的結(jié)果，使工業(yè)反應(yīng)過程復(fù)雜化。對于一個工業(yè)反應(yīng)過程而言，設(shè)計者的任務(wù)是要選擇適宜的反應(yīng)器型式、結(jié)構(gòu)、操作方式和工藝條件。在滿足各項約束條件的前提下確定合理的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇率和相應(yīng)的反應(yīng)器尺寸，使工業(yè)生產(chǎn)過程的生產(chǎn)成本達到最低值。這里簡要說明工業(yè)反應(yīng)器中化學(xué)過程和物理過程的性質(zhì)、特點及相互間的關(guān)系。1.2.1化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)變化是由分子與分子之間的接觸碰撞而發(fā)生的。因此從微觀角度來考察化學(xué)反應(yīng)過程，它就是一種以分子為單位參與的物質(zhì)變化過程。但是從宏觀角度統(tǒng)計地加以考察，9/22/202315z+++

z則化學(xué)反應(yīng)過程可以分為容積反應(yīng)過程和表面反應(yīng)過程兩類不同的情況。

1、容積反應(yīng)過程此時反應(yīng)過程是在一定的容積中發(fā)生的。在氣相或液相中進行的均相反應(yīng)過程就是兩種典型的容積反應(yīng)過程。對于某些非均相反應(yīng)過程，盡管整個反應(yīng)系統(tǒng)可能包括幾個相態(tài)，但是只要實際化學(xué)反應(yīng)僅在某一相內(nèi)發(fā)生的話，則就化學(xué)反應(yīng)過程而言仍然是發(fā)生在反應(yīng)相中的容積反應(yīng)過程。此時，它的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律與均相容積反應(yīng)過程并無二致。對于大多數(shù)氣-液非均相反應(yīng)過程和部分液-液非均相反應(yīng)過程都屬此例。9/22/202316z+++

z則化學(xué)反應(yīng)過程可以分為容積反應(yīng)過程和表面反應(yīng)過程兩類不同的情況。

1、容積反應(yīng)過程此時反應(yīng)過程是在一定的容積中發(fā)生的。在氣相或液相中進行的均相反應(yīng)過程就是兩種典型的容積反應(yīng)過程。對于某些非均相反應(yīng)過程，盡管整個反應(yīng)系統(tǒng)可能包括幾個相態(tài)，但是只要實際化學(xué)反應(yīng)僅在某一相內(nèi)發(fā)生的話，則就化學(xué)反應(yīng)過程而言仍然是發(fā)生在反應(yīng)相中的容積反應(yīng)過程。此時，它的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律與均相容積反應(yīng)過程并無二致。對于大多數(shù)氣-液非均相反應(yīng)過程和部分液-液非均相反應(yīng)過程都屬此例。9/22/202317z+++

z2、表面反應(yīng)過程表面反應(yīng)過程是在某一表面上發(fā)生的。在固體催化劑表面上進行的催化反應(yīng)就是一例。容積反應(yīng)過程和表面反應(yīng)過程具有不同的特征。就單位時間內(nèi)的反應(yīng)轉(zhuǎn)化量來說，前者正比于反應(yīng)容積，后者則正比于反應(yīng)表面積的大小。因而定義這兩類反應(yīng)過程時，它們的反應(yīng)速率定義也就有所不同，即應(yīng)當(dāng)分別以反應(yīng)容積或反應(yīng)表面積為基準。9/22/202318z+++

z1.2.2物理過程工業(yè)反應(yīng)器中的物理過程包括流體流動的均勻性和混合過程、傳質(zhì)過程和傳熱過程等，這些過程的存在將改變反應(yīng)器中的濃度和溫度分布，最終影響反應(yīng)結(jié)果。1、混合過程返混和不均勻流動是連續(xù)流動反應(yīng)器中發(fā)生的兩種流動現(xiàn)象。例如在連續(xù)攪拌反應(yīng)器中，由于攪拌器的攪拌作用，使進入反應(yīng)器的物料被均勻地分散到反應(yīng)器內(nèi)的各個部位。使早先進入的存在于反應(yīng)器內(nèi)的物料有機會與剛進入的反應(yīng)物料相混合，這種混合現(xiàn)象稱為返混現(xiàn)象。流體在管內(nèi)流動時呈現(xiàn)的不均勻速度分布則是一種典型的不均勻流動。9/22/202319z+++

z以上兩類流動現(xiàn)象將改變反應(yīng)器內(nèi)物料濃度在空間上的自然分布，從而影響反應(yīng)結(jié)果。2、傳質(zhì)過程對非均相反應(yīng)，大多數(shù)情況下反應(yīng)僅在其中某一相中發(fā)生，非均相反應(yīng)過程中的反應(yīng)物經(jīng)常是部分或全部由反應(yīng)相外部提供。例如在氣-固催化反應(yīng)中，反應(yīng)物必然由氣相主體擴散到催化劑顆粒的外表面，繼而通過顆粒內(nèi)的細孔向催化劑內(nèi)表面擴散，最后在顆粒內(nèi)表面上發(fā)生反應(yīng)。對于氣相主體而言，僅是反應(yīng)物料的供應(yīng)相，在氣相主體中不發(fā)生反應(yīng)。又如在氣-液反應(yīng)過程中，反應(yīng)通常在液相中進行，此時氣體反應(yīng)物必須由氣相主體擴散到氣液界面，然后溶解進入液相，最后再由液相表面向液相主體擴散，與液相反應(yīng)物完成反應(yīng)過程。

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z在非均相反應(yīng)過程中，雖然反應(yīng)相中的反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律與均相反應(yīng)完全相同，但是反應(yīng)相中物料的濃度卻受到擴散傳質(zhì)過程的影響。擴散傳質(zhì)過程也是一個速率過程，化學(xué)反應(yīng)要以一定的速率進行就要求反應(yīng)物能以一定的速率傳遞進入反應(yīng)相。反應(yīng)物要以一定速率擴散傳遞就要有一定的濃度推動力。因此，非均相反應(yīng)過程中由于傳質(zhì)過程的存在，必然伴有濃度差異，從而造成反應(yīng)場所各部位的新的濃度差異，使反應(yīng)結(jié)果發(fā)生變化，影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇率。9/22/202321z+++

z3、傳熱過程化學(xué)反應(yīng)過程總是伴有熱效應(yīng)，因此化學(xué)反應(yīng)過程將伴有熱量傳遞過程，即需要向反應(yīng)相提供熱量或是由反應(yīng)相導(dǎo)出熱量。傳熱過程同樣需要傳熱推動力并由此而引起反應(yīng)場所各部位的溫度差異。顯然，上述的流體混合、傳質(zhì)和傳熱等是工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)難以避免的過程，它們將伴隨著化學(xué)反應(yīng)過程同時發(fā)生，并將影響化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。上述這些物理過程，從本質(zhì)上說它們并沒有改變反應(yīng)過程的動力學(xué)規(guī)律。就是說，反應(yīng)的真正動力學(xué)規(guī)律并不因為這些物理過程的存在而發(fā)生變化，但是這些物理過程將會影響反應(yīng)場所的濃度和溫度在時間、空間上的分布，從而影響化學(xué)反應(yīng)的最終結(jié)果。更明確的講，這些物理過程的存在不影響化學(xué)反應(yīng)速率的微分表達式，但卻改變了反應(yīng)器中的溫度和濃度分布，進而影響反應(yīng)的積分結(jié)果?；瘜W(xué)反應(yīng)是化學(xué)過程，其實質(zhì)是微觀的。傳遞過程是物理過程，是宏觀的。所以相對化學(xué)反應(yīng)而言，傳遞過程往往被稱為宏觀動力學(xué)因素。9/22/202322z+++

z從科學(xué)角度來看，傳遞過程的規(guī)律在傳統(tǒng)上是化學(xué)工程的領(lǐng)域。例如對于氣-液鼓泡床而言，應(yīng)該選擇怎樣的鼓泡狀態(tài)；在鼓泡狀態(tài)下可獲得多大的相際接觸面積；相際傳遞速率有多大等；這些問題都是典型的化學(xué)工程單元操作問題。但是鼓泡床作為氣-液反應(yīng)器，畢竟是單元設(shè)備的一種變型，它還具有作為反應(yīng)器的特殊性。一個新的反應(yīng)過程的開發(fā)，在最初階段是化學(xué)過程的研究，即發(fā)現(xiàn)和認識新的化學(xué)反應(yīng)，研究其反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律，然后才進入工程階段。在工程階段，首先遇到的問題是反應(yīng)器的選型，這就需要開發(fā)研究工作者熟悉各類反應(yīng)設(shè)備的傳遞特性。為了做出抉擇，當(dāng)然需要掌握對這個特定反應(yīng)的傳遞因素影響特征，弄清哪些傳遞因素是有利的，哪些傳遞因素是不利的。確定反應(yīng)器選型后，接著是操作條件的選擇和反應(yīng)器的工程設(shè)計，同樣需要化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和傳遞過程規(guī)律相結(jié)合的化學(xué)反應(yīng)工程知識。9/22/202323緒論如我國：GB150《鋼制壓力容器》 JB4732《鋼制壓力容器―分析設(shè)計標(biāo)準》 JB/T4735《鋼制焊接常壓容器》 技術(shù)法規(guī)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等為了保證壓力容器的安全，制訂標(biāo)準，對壓力容器的材料、設(shè)計、制造、安裝、使用、檢驗和修理、修改提出相應(yīng)的要求緒論過程設(shè)備設(shè)計壓力容器的規(guī)范標(biāo)準——9/22/202324

材料的強度高、韌性好環(huán)境影響材料韌性，低溫、受中子輻照或在高溫 高壓臨氫條件下工作都會降低材料韌性，使材料脆化。要掌握環(huán)境對材料性能的影響規(guī)律緒論過程設(shè)備設(shè)計緒論材料強度是指載荷作用下材料抵抗永久變形和斷裂的能力，屈服極限和強度極限是鋼材常用的強度指標(biāo)材料韌性韌性是指材料斷裂前吸收變形能量的能力。材料韌性越好，允許缺陷臨界尺寸越大，過程設(shè)備對缺陷就越不敏感。韌性隨著強度的提高而降低。在選擇材料時，應(yīng)特別注意材料強度和韌性的合理匹配環(huán)境9/22/202325緒論材料與介質(zhì)相容材料被腐蝕后，不僅會導(dǎo)致壁厚減薄，而且有可能改變其組織和性能。因此，材料必須與介質(zhì)相容。緒論過程設(shè)備設(shè)計結(jié)構(gòu)有足夠的剛度和抗失穩(wěn)能力剛度是過程設(shè)備在載荷作用下保持原有形狀的能力，剛度不足將導(dǎo)致過程設(shè)備過度變形—失穩(wěn)。失穩(wěn)是過程設(shè)備常見的失效形式之一，過程設(shè)備應(yīng)具有足夠的抗失穩(wěn)能力——足夠的剛度密封性能好―密封性是指過程設(shè)備防止介質(zhì)泄漏的能力內(nèi)泄漏：內(nèi)部各腔體間的泄漏，引起污染、爆炸等外泄漏：通過可拆部件向外或向內(nèi)泄漏；引起環(huán)境污染、中毒、燃燒和爆炸等——密封是過程設(shè)備安全操作的必要條件9/22/202326緒論

滿足過程工藝要求功能要求功能要滿足生產(chǎn)的需要：如儲罐的儲存量、換熱器的傳熱量和壓力降，反應(yīng)器的反應(yīng)速率，塔的流量、傳熱傳質(zhì)效率等壽命要求一般而言，過程設(shè)備的壽命：高壓容器：>20年塔設(shè)備、反應(yīng)設(shè)備：>15年一般設(shè)備：>10年緒論過程設(shè)備設(shè)計影響設(shè)備壽命的主要因素：腐蝕、疲勞、蠕變，設(shè)計時要綜合考慮溫度、壓力、介質(zhì)、環(huán)境對材料性能的影響，保證在設(shè)計壽命內(nèi)安全可靠9/22/202327緒論

綜合經(jīng)濟性好生產(chǎn)效率高、消耗系數(shù)低工藝流程和結(jié)構(gòu)形式都對過程設(shè)備經(jīng)濟型有顯著影響

結(jié)構(gòu)合理、制造簡便緒論過程設(shè)備設(shè)計生產(chǎn)效率：常用單位時間內(nèi)單位容積（或面積）處理物料或所得產(chǎn)品的數(shù)量來衡量生產(chǎn)效率消耗系數(shù):是指生產(chǎn)單位重量或體積產(chǎn)品所需的資源（包括原材料和能量，如原料、燃料、電等）和人力內(nèi)件形式與結(jié)構(gòu)

易于運輸和安裝9/22/202328緒論

易于操作、維護和控制

操作簡單可維護性（

maintainability）和修理性（reparability）好便于控制緒論過程設(shè)備設(shè)計

優(yōu)良的環(huán)境性能服役過程的影響

泄漏服役期滿后的影響

循環(huán)利用9/22/202329緒論安全，工藝，經(jīng)濟，環(huán)境

上述要求很難全部滿足，設(shè)計問題時應(yīng)具體問題具體分析，滿足主要要求，兼顧次要要求緒論過程設(shè)備設(shè)計9/22/202330緒論設(shè)計工作的質(zhì)量和水平，對產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、研制周期和經(jīng)濟效益往往起著決定性的作用緒論過程設(shè)備設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計概述基本設(shè)計步驟影響設(shè)計參數(shù)的因素9/22/202331緒論基本設(shè)計步驟需求分析、目標(biāo)界定、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)設(shè)計和設(shè)計實施等，是一個系統(tǒng)的決策過程總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)設(shè)計中都要反復(fù)應(yīng)用這一決策過程成功的設(shè)計綜合平衡產(chǎn)品性能、成本和環(huán)境這三個要求緒論過程設(shè)備設(shè)計9/22/202332緒論需求分析和目標(biāo)界定：用途；用戶--性能、價格

確定過程設(shè)備的工作原理、總體布局和零部件之間的相互關(guān)系。決定著過程設(shè)備的效率、安全性、可靠性、可制造性總體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，常常根據(jù)設(shè)計要求，將過程設(shè)備功能逐步分解，直至零部件

零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計四類：確定參數(shù)、設(shè)計參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和性能參數(shù)緒論過程設(shè)備設(shè)計基本設(shè)計步驟總體結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)設(shè)計工藝確定的不允許改變的參數(shù)：壓力、溫度、容積等設(shè)計計算確定：容器壁厚、攪拌軸直徑等按強度、剛度、穩(wěn)定性要求控制的參量：應(yīng)力、變形、固有頻率等描述設(shè)備性能：重量、效率、處理能力、壽命等9/22/202333緒論+影響設(shè)計參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和性能參數(shù)的因素主要有：設(shè)計準則失效方式限制條件：參量≤許用值設(shè)計準則：控制失效的原則設(shè)計參數(shù)

隨著經(jīng)驗的積累、測試手段的改進、計算技術(shù)的提高和研究的深入，設(shè)計準則不斷得到豐富和發(fā)展。例如，壓力容器常規(guī)設(shè)計（彈性失效設(shè)計準則）,壓力容器分析設(shè)計（彈性失效設(shè)計準則、塑性失效設(shè)計準則、彈塑性失效設(shè)計準則）。緒論過程設(shè)備設(shè)計影響設(shè)計參數(shù)的因素9/22/202334緒論材料材料的屈服極限、強度極限、斷后伸長率、斷面收縮率、彈性模量、泊松比、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、持久強度、夏比V型缺口沖擊功、斷裂韌性、裂紋擴展速率、熱膨脹系數(shù)等

規(guī)范標(biāo)準緒論過程設(shè)備設(shè)計影響設(shè)計參數(shù)的因素合理選用規(guī)范標(biāo)準，正確使用規(guī)范標(biāo)準9/22/202335

本課程的內(nèi)容

壓力容器總體結(jié)構(gòu)壓力容器應(yīng)力分析環(huán)境和時間對材料性能的影響壓力容器設(shè)計方法緒論過程設(shè)備設(shè)計具有進行設(shè)計和在設(shè)計階段分析和解決壓力容器全壽命周期內(nèi)的安全問題的初步能力9/22/202336第一章壓力容器基本知識CHAPTERⅠINTRODUCTIONOFPRESSUREVESSELS9/22/202337本章主要內(nèi)容1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)

1.1.1壓力容器基本組成

1.2壓力容器分類1.2.1介質(zhì)危害性1.2.2壓力容器分類1.3壓力容器質(zhì)量保證體系

1.3.1壓力容器的安全性

1.3.2壓力容器的質(zhì)量保證

1.3.3設(shè)計質(zhì)量保證1.4壓力容器規(guī)范標(biāo)準1.4.1國外主要規(guī)范標(biāo)準簡介1.4.2國內(nèi)主要規(guī)范標(biāo)準簡介9/22/2023381.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)過程設(shè)備設(shè)計教學(xué)重點：

壓力容器基本組成9/22/2023391.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)1.1.1壓力容器基本組成1-法蘭；2-支座；3-封頭拼接焊縫；4-封頭；5-環(huán)焊縫；6-補強圈；7-人孔；8-縱焊縫；9-筒體；10-壓力表；11-安全閥；12-液面計1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)過程設(shè)備設(shè)計9/22/2023401.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)1.1.1壓力容器基本組成(續(xù))基本組成筒體封頭密封裝置開孔與接管支座安全附件1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)過程設(shè)備設(shè)計9/22/2023411.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)1.1.1壓力容器基本組成（續(xù)）儲存物料或完成化學(xué)反應(yīng)所需要的主要壓力空間形式：圓柱筒體、球形筒體圓筒體制造方法無縫鋼管（無縱焊縫）直徑較小（ф〈500）卷焊（有縱環(huán)焊縫）直徑較大整體鍛造（可能有環(huán)焊縫）高壓容器整體鑄造（無縱環(huán)焊縫)高壓容器圓筒體結(jié)構(gòu)單層式：沿壁厚連續(xù)組合式：沿厚度方向不連續(xù)多層式纏繞式1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)過程設(shè)備設(shè)計9/22/2023421.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)1.1.1壓力容器基本組成（續(xù))凸形封頭：球形、橢圓形、蝶形和球冠形封錐形封頭平形封頭封頭與筒體的連接不可拆式（焊接）可拆式（螺栓連接）1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)過程設(shè)備設(shè)計封頭與筒體等部件形成容器的封閉空間封頭形式9/22/2023431.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)1.1.1壓力容器基本組成（續(xù))壓力容器上的可拆結(jié)構(gòu)都需要密封裝置，最常見的密封裝置：螺栓法蘭連接（簡稱法蘭連接），其可靠性關(guān)系到壓力容器能否正常、安全地運行。容器法蘭：用于封頭與筒體、筒節(jié)與筒節(jié)間的連接管道法蘭：用于管道連接筒體端部：厚壁筒體中，法蘭與筒體為一體1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)過程設(shè)備設(shè)計密封裝置法蘭連接9/22/2023441.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)人孔、手孔、視鏡孔、物料進出口接管，以及安裝壓力表、液面計、安全閥、測溫儀表等接管。開孔與接管1.1.1壓力容器基本組成（續(xù))1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)過程設(shè)備設(shè)計工藝、檢修、安全要求開孔和安裝接管開孔類型：開孔大小：手孔≥150mm(Dg>1000mm手孔失去意義）人孔≥400mm(橢圓人孔一般350x450）物料進出口(根據(jù)工藝計算確定）儀表接口(根據(jù)儀表確定）

開孔對容器強度有削弱作用，應(yīng)進行補強9/22/2023451.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)支座1.1.1壓力容器基本組成1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)過程設(shè)備設(shè)計用來支持和固定容器的結(jié)構(gòu)支座型式：臥式容器支座（鞍座，圈座，支腿）立式容器支座（腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座）9/22/2023461.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)1.1.1壓力容器基本組成（續(xù))安全附件1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)過程設(shè)備設(shè)計用來監(jiān)測和控制容器介質(zhì)的參量主要有：安全閥爆破片裝置緊急切斷閥安全連鎖裝置壓力表液位計溫度計9/22/2023471.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)1.1.1壓力容器基本組成（續(xù))筒體┿封頭┿密封裝置┿

開孔接管┿

支座┿

安全附件1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)過程設(shè)備設(shè)計壓力容器外殼儲運容器┿內(nèi)件反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、分離等設(shè)備9/22/2023481.2壓力容器分類教學(xué)重點：壓力容器分類1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計本章重點9/22/2023491.2壓力容器分類1.2.1介質(zhì)危害性介質(zhì)危害性：指介質(zhì)的毒性、易燃性、腐蝕、氧化性等

其中影響壓力容器分類的主要是毒性和易燃性。1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計9/22/2023501.2壓力容器分類毒性

(1)極度危害（I級）：最高容許濃度＜0.1mg/m3

(2)高度危害（II級）：最高容許濃度0.1~＜1.0mg/m3(3)中度危害（Ⅲ級）：最高容許濃度1.0~＜10mg/m3(4)輕度危害（Ⅳ級）：最高容許濃度≥10mg/m3毒性：是指某種化學(xué)毒物引起機體損傷的能力※介質(zhì)毒性程度愈高，壓力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴重，對材料選用、制造、檢驗和管理的要求愈高1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計氣態(tài)毒物毒性以空氣中允許該物質(zhì)的濃度（允許濃度：對人體不會發(fā)生危害作用的最高濃度）分為9/22/2023511.2壓力容器分類毒性Q235-A或Q235-B

不能使用鋼板應(yīng)逐張超聲檢測100%射線或超聲檢測焊后熱處理氣密性試驗法蘭帶頸且PN≥1.6MPa1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計極度或高度毒性介質(zhì)9/22/2023521.2壓力容器分類易燃性爆炸下限＜10%或爆炸下限和上限之差≥20％的介質(zhì)如甲烷、乙烷、乙烯、氫氣、丙烷、丁烷等1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計

可燃氣體與空氣的混合物當(dāng)滿足一定條件（濃度、溫度）可發(fā)生燃燒反應(yīng)，遇到明火可發(fā)生爆炸發(fā)生爆炸時的最低濃度——爆炸下限發(fā)生爆炸時的最高濃度——爆炸上限易燃介質(zhì)：壓力容器盛裝的易燃介質(zhì)主要指易燃氣體和液化氣體※易燃介質(zhì)對壓力容器的選材、設(shè)計、制造和管理等提出了較高的要求9/22/2023531.2壓力容器分類1.2.1介質(zhì)危害性（易燃性）易燃介質(zhì)容器不能使用Q235-A.F采用全焊透焊接結(jié)構(gòu)Q235-A不能用于液化石油氣容器1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計9/22/2023541.2.2壓力容器分類

世界各國規(guī)范對壓力容器分類的方法各不相同，這里著重介紹我國《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的分類方法。壓力容器分類方式按承壓方式按壓力等級按安裝方式按容器在生產(chǎn)中的作用按安全技術(shù)管理1.2壓力容器分類1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計容器常壓容器：按剛度和制造要求確定壁厚壓力容器：一般是按強度要求確定壁厚設(shè)計壓力低于0.1MPa，真空度低于0.02MPa，設(shè)計溫度低于350度設(shè)計壓力大于等于0.1MPa；直徑大于150mm，容積0.025m3；盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高丁作溫度高于等于標(biāo)準沸點的液體9/22/2023551.2壓力容器分類1.2.2壓力容器分類（續(xù)）承壓方式外壓容器：(po-pi<0)主要是穩(wěn)定問題（當(dāng)內(nèi)壓力小于一個絕對大氣壓（約0.1MPa）時又稱真空容器）內(nèi)壓容器：(po-pi>0)主要是強度問題承壓大小1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計低壓容器(Llow):0.1≤p<1.6MPa中壓容器(Mmiddle):1.6≤p<10MPa高壓容器(Hhigh):

10≤p<100MPa超高壓容器(Uultra):p≥100MPa9/22/2023561.2壓力容器分類1.2.2壓力容器分類（續(xù)）1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計按壁厚安裝方式薄壁容器：一般為中低壓容器厚壁容器：K>1.2一般為高壓容器固定式壓力容器：有固定安裝和使用地點，工藝條件和操作人員相對固定，如：生產(chǎn)車間使用的儲罐、換熱器、反應(yīng)釜等移動式壓力容器：經(jīng)常搬運的壓力容器，受沖擊力，該安裝方式的壓力容器在結(jié)構(gòu)、使用和安全方面均有其特殊的要求9/22/202357按生產(chǎn)過程中的作用反應(yīng)壓力容器（代號R

，Reation)：完成介質(zhì)的物理、化學(xué)反應(yīng)，如反應(yīng)釜、聚合釜、合成塔、煤氣發(fā)生爐等換熱壓力容器（代號E，Exchange)：完成介質(zhì)的熱交換，如余熱鍋爐、換熱器、冷卻器、冷凝器等分離壓力容器（代號S，Separate)：主要完成介質(zhì)壓力平衡緩沖和凈化分離，如分餾塔、吸收塔、分離器、過濾器、緩沖器等儲存壓力容器（代號C，其中球罐代號B)：主要用于儲存、盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)，如液氨儲罐、液化石油氣儲罐等1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計1.2壓力容器分類1.2.2壓力容器分類（續(xù)）9/22/202358按安全技術(shù)管理分類1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計1.2壓力容器分類1.2.2壓力容器分類（續(xù)）《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》根據(jù)容器壓力與容積乘積大小、介質(zhì)危害程度以及容器的作用將壓力容器分為三類第一類壓力容器第二類壓力容器第三類壓力容器9/22/202359第三類壓力容器1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計1.2壓力容器分類1.2.2壓力容器分類（續(xù)）a.高壓容器b.中壓容器:僅限毒性為極度和高度危害介質(zhì)c.中壓儲存容器：僅限易燃或毒性為中度危害介質(zhì)，且pV≥10MPa.m3d.中壓反應(yīng)容器：僅限易燃或毒性為中度危害介質(zhì)，且pV≥0.5MPa.m3

e.低壓容器：僅限毒性為極度和高度危害介質(zhì)，且pV≥0.2MPa.m3f.中壓管殼式余熱鍋爐g.中壓搪瓷玻璃壓力容器h.使用強度級別較高（σb≥540MPa）的材料制造的壓力容器i.移動式壓力容器：鐵路罐車、罐式汽車和罐式集裝箱j.球形儲罐：容積≥50m3k.低溫液體儲存容器：容積≥5m39/22/202360第二類壓力容器a.中壓容器b.低壓容器:僅限毒性為極度和高度危害介質(zhì)c.低壓反應(yīng)容器和低壓儲存容器：僅限易燃或毒性為中度危害介質(zhì)d.低壓管殼式余熱鍋爐g.低壓搪瓷玻璃壓力容器1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計1.2壓力容器分類1.2.2壓力容器分類（續(xù)）9/22/202361第一類壓力容器：除上面規(guī)定以外的低壓容器1.2壓力容器分類過程設(shè)備設(shè)計1.2壓力容器分類1.2.2壓力容器分類（續(xù)）

※

由于各國的經(jīng)濟政策、技術(shù)政策、工業(yè)基礎(chǔ)和管理體系的差異，壓力容器的分類方法也互不相同。采用國際標(biāo)準或國外先進標(biāo)準設(shè)計壓力容器時，應(yīng)采用相應(yīng)的分類方法9/22/2023621.3壓力容器質(zhì)量保證過程設(shè)備設(shè)計1.3壓力容器質(zhì)量保證1.3.1壓力容器的安全性影響安全性的因素設(shè)計質(zhì)量制造質(zhì)量使用合理性9/22/2023631.3壓力容器質(zhì)量保證過程設(shè)備設(shè)計1.3壓力容器質(zhì)量保證1.3.1壓力容器的安全性設(shè)計質(zhì)量設(shè)計條件確定合理性容器結(jié)構(gòu)合理性選材合理性強度設(shè)計正確性技術(shù)要求合理性焊接方法焊接材料質(zhì)量檢驗方法等9/22/2023641.3壓力容器質(zhì)量保證過程設(shè)備設(shè)計1.3壓力容器質(zhì)量保證1.3.1壓力容器的安全性制造質(zhì)量制造所用材料制造工藝制造質(zhì)量檢驗焊接工藝成型工藝熱處理工藝9/22/2023651.3壓力容器質(zhì)量保證過程設(shè)備設(shè)計1.3壓力容器質(zhì)量保證1.3.1壓力容器的安全性使用合理性操作使用方法定期檢驗控制檢修質(zhì)量9/22/2023661.3壓力容器質(zhì)量保證過程設(shè)備設(shè)計1.3壓力容器質(zhì)量保證1.3.2壓力容器質(zhì)量保證建立完善的質(zhì)量保證體系：多標(biāo)準組合從設(shè)計、制造、使用管理等方面保證質(zhì)量多標(biāo)準組合設(shè)計標(biāo)準材料標(biāo)準焊接質(zhì)量標(biāo)準檢驗標(biāo)準監(jiān)督、監(jiān)察規(guī)程9/22/2023671.3壓力容器質(zhì)量保證過程設(shè)備設(shè)計1.3壓力容器質(zhì)量保證1.3.2壓力容器質(zhì)量保證建立嚴格的取證制度設(shè)計單位資格證制造單位資格證使用操作證設(shè)計人員資格證審核人員資格證焊接操作證探傷檢驗證質(zhì)保師證等專門的監(jiān)督、監(jiān)察機構(gòu)持證上崗9/22/2023681.3壓力容器質(zhì)量保證過程設(shè)備設(shè)計1.3壓力容器質(zhì)量保證1.3.3設(shè)計質(zhì)量的保證合理地確定設(shè)計條件載荷條件：壓力、重量、地震及風(fēng)載荷等溫度：設(shè)計溫度介質(zhì)條件：腐蝕性、毒性、易燃性、易爆性等結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理可焊性：易保證焊接質(zhì)量，減少焊接應(yīng)力——接頭型式受力性：應(yīng)力集中的處理，減少用材9/22/2023691.3壓力容器質(zhì)量保證過程設(shè)備設(shè)計1.3壓力容器質(zhì)量保證1.3.3設(shè)計質(zhì)量的保證合理選用材料采用壓力容器用鋼：對材料成分和機械性能有嚴格的控制和檢驗綜合考慮使用條件：參考成熟的經(jīng)驗正確應(yīng)用標(biāo)準進行設(shè)計9/22/2023701.3壓力容器質(zhì)量保證過程設(shè)備設(shè)計1.3壓力容器質(zhì)量保證1.3.3設(shè)計質(zhì)量的保證合理地確定技術(shù)要求設(shè)計、制造等遵循的標(biāo)準焊接方法及材料探傷要求試驗方法及要求管口方位其它：防腐，運輸?shù)韧晟频脑O(shè)計資料設(shè)計計算書、施工圖、技術(shù)要求等9/22/2023711.4壓力容器規(guī)范標(biāo)準教學(xué)重點：

美國ASME規(guī)范 GB150《鋼制壓力容器》1.4壓力容器標(biāo)準規(guī)范過程設(shè)備設(shè)計9/22/2023721.4壓力容器規(guī)范標(biāo)準1.4.1國外主要規(guī)范標(biāo)準簡介1.4壓力容器標(biāo)準規(guī)范過程設(shè)備設(shè)計美國ASME規(guī)范日本壓力容器標(biāo)準歐盟壓力容器標(biāo)準9/22/2023731.4壓力容器規(guī)范標(biāo)準1.4.1國外主要規(guī)范標(biāo)準簡介美國ASME規(guī)范包括鍋爐、壓力容器、核動力裝置、焊接、材料、無損檢測等內(nèi)容在形式上，ASME規(guī)范分為4個層次規(guī)范（Code）規(guī)范案例（CodeCase)條款解釋(Interpretation)規(guī)范增補（Addenda)1.4壓力容器標(biāo)準規(guī)范過程設(shè)備設(shè)計AmericanSocietyofMechanicalEngineers目前ASME規(guī)范共有十一卷9/22/2023741.4壓力容器規(guī)范標(biāo)準ASME規(guī)范中與壓力容器設(shè)計有關(guān)的主要是第Ⅷ篇《壓力容器》和第Ⅹ篇《玻璃纖維增強塑料壓力容器》第1分篇《壓力容器》第2分篇《壓力容器》第3分篇《高壓容器另一規(guī)則》1.4壓力容器標(biāo)準規(guī)范過程設(shè)備設(shè)計1.4.1國外主要規(guī)范標(biāo)準簡介第Ⅷ篇分為3個分篇簡稱ASMEⅧ-1、ASMEⅧ-2和ASMEⅧ-39/22/2023751.4壓力容器規(guī)范標(biāo)準ASMEⅧ-11.4壓力容器標(biāo)準規(guī)范過程設(shè)備設(shè)計1.4.1國外主要規(guī)范標(biāo)準簡介

ASMEⅧ-1為常規(guī)設(shè)計標(biāo)準，適用壓力≤

20MPa

它以彈性失效設(shè)計準則為依據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗確定材料的許用應(yīng)力，并對零部件尺寸作出一些具體規(guī)定。由于它具有較強的經(jīng)驗性，故許用應(yīng)力較低

ASMEⅧ-1不包括疲勞設(shè)計，但包括靜載下進入高溫蠕變范圍的容器設(shè)計9/22/2023761.4壓力容器規(guī)范標(biāo)準ASMEⅧ-21.4壓力容器標(biāo)準規(guī)范