生物工程设备 .ppt

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1、生物工程生物工程生物工程设备目目录录第一章第一章绪论绪论3第二章第二章内内压容器设计基础压容器设计基础6第三章第三章物料输送设备物料输送设备77第四章第四章物料处理与培养基制备设备物料处理与培养基制备设备110第五章第五章空气净化除菌设备空气净化除菌设备182第六章第六章生物反应设备生物反应设备 256 第七章第七章过滤、离心与膜分离设备过滤、离心与膜分离设备384第八章第八章萃取分离与离子交换设备萃取分离与离子交换设备418第九章第九章蒸发与结晶设备蒸发与结晶设备441第十章第十章干燥设备干燥设备 1.1 1.1 研究对象研究对象 生物产品生产过程中所用的工艺主体设备和辅生物产品生产过程中所

2、用的工艺主体设备和辅 助设备。助设备。工艺主体设备工艺主体设备静止，如生物反应器、培养基制备静止，如生物反应器、培养基制备设备、空气除菌设备设备、空气除菌设备、分离、分离、提取、提取、过滤过滤等设备。等设备。辅助设备辅助设备运转，如输送设备运转，如输送设备(泵、提升机等泵、提升机等)、粉碎设备、灌装设备等。粉碎设备、灌装设备等。第一章第一章绪绪论论1.2 1.2 课程性质与任务课程性质与任务生物工程设备生物工程设备是生物工程专业的必修专业课。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。理、结构特点、

3、设计方法。辅助设备多为标准设备（定型），要求掌握性能特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。点和选用方法。第一章第一章绪绪论论1.3教材与参考书教材与参考书教材：教材：生物工程设备生物工程设备梁世中主编，中国轻工业出版社梁世中主编，中国轻工业出版社.参考书：参考书：发酵设备发酵设备高孔荣主编，中国轻工业出版社高孔荣主编，中国轻工业出版社.化工轻工设备机械基础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等校主编，成都科技大学出版社成都科技大学出版社.化工容器及设备化工容器及设备化学工业出版社化学工业出版社.发酵工程与设备发酵工程与设备华南工学院等院校主编，华南工学院等

4、院校主编，中国轻工业出版社中国轻工业出版社.相关工艺和设备设计手册、专业期刊。相关工艺和设备设计手册、专业期刊。2.1概述概述 设备都有一个外部壳体，设备都有一个外部壳体，称为容器。由几种不称为容器。由几种不同几何形状的壳体组同几何形状的壳体组成一个密闭体。成一个密闭体。一一.容器组成容器组成(见右图见右图)1.筒体：一般为圆柱形筒体：一般为圆柱形.2.封头：常用的有椭圆封头：常用的有椭圆形、半球形、锥形等，形、半球形、锥形等，密闭作用通常与筒体密闭作用通常与筒体焊接焊接.3.支座：支撑固定作用，支座：支撑固定作用，主要型式：主要型式：、卧卧卧卧 式式式式 容容容容 器器器器支撑式、悬挂式。支

5、撑式、悬挂式。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础4.接口管接口管管道接口：主物料管道、管道接口：主物料管道、辅助物料管道辅助物料管道(空气、空气、水、蒸汽水、蒸汽)。仪表接口：温度计、压仪表接口：温度计、压力表、安全阀、液位力表、安全阀、液位计、溶氧、计、溶氧、pH值等。值等。5.人孔人孔(手孔手孔)：为了：为了便于清洗和维修便于清洗和维修,一般一般安装在容器安装在容器(设备设备)顶顶部。部。竖式安装的大型容器竖式安装的大型容器(设设备备)还应在筒体底部安还应在筒体底部安装人孔装人孔.多为椭圆形多为椭圆形（400-450300）或或圆形。圆形。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计

6、基础6.视镜视镜用于观察容器内的情况。一般是对称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。（两个）安装在容器（设备）顶部或体的中部。二二.容器分类容器分类1.按压力承受方式分：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(主要承受外压主要承受外压)。如具有夹套加热的容器。如具有夹套加热的容器(设备设备)、在真空条件下操作的容器在真空条件下操作的容器(设备设备)。内压容器：容器内部的工作压力大于外界压力内压容器：容器内部的工作压力大于外界压力(主要承受内压主要承受内压)。这类容器。这类容器(设备设备)在工业上较

7、普在工业上较普遍应用。如发酵罐等。遍应用。如发酵罐等。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础2.按承受压力大小分：按承受压力大小分：常压容器常压容器一般指承受介质内压为一般指承受介质内压为0.1MPa(lkgf/cm2)以下的容以下的容器；器；低压容器：容器内压在低压容器：容器内压在0.1-1.6MPa范围内；范围内；中压容器，容器内压在中压容器，容器内压在1.6-10MPa范围内；范围内；高压容器，容器内压在高压容器，容器内压在10-100MPa范围内；范围内；超高压容器：容器内压超高压容器：容器内压100MPa以上。以上。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础3.按设计方法不同

8、（器壁厚度）来分：按设计方法不同（器壁厚度）来分：薄壁容器：容器外径薄壁容器：容器外径Do内径内径Di之比不大于之比不大于1.2，即即K=Do/Di1.2或或S/Di0.1(S为容器壁厚为容器壁厚)。厚壁容器：容器外径厚壁容器：容器外径Do内径内径Di之比大于之比大于1.2，即即K=Do/Di1.2或或S/Di0.1(S为容器壁厚为容器壁厚)。一般中低压容器属于薄壁容器范围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，圆锥形容按容器的形状：分为矩形，圆形，球形，

9、圆锥形容器等。器等。按容器的安装方式：分为立式，卧式容器。按容器的安装方式：分为立式，卧式容器。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础5.压力容器综合分类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、用途等综合分类介质的性质、用途等综合分类(不包括核能容器，船不包括核能容器，船舶上的专用容器和直接受火加热的容器舶上的专用容器和直接受火加热的容器)。综合分类根据综合分类根据压力容器安全监察规程压力容器安全监察规程分为三类。分为三类。一类容器：属下列情况之一者为一类容器一类容器：属下列情况之一者为一类容器1.非易燃或无毒介质

10、的低压容器。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易燃或有毒介质的低压分离器外壳及热交换器的外壳。壳。二类容器：属下列情况之一者为二类容器二类容器：属下列情况之一者为二类容器1.中压容器。中压容器。2.剧毒介质的低压容器。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。易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器。4.内径小于内径小于1米的低压废热锅炉。米的低压废热锅炉。第二章第二章内压容器设计基础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。高压，超高压容器。2.剧毒介质且最高

11、工作压力与容积之乘积剧毒介质且最高工作压力与容积之乘积PV200LMPa(PV2000Lkgf/cm2)的低压容器或剧毒的低压容器或剧毒介质的中压容器。介质的中压容器。3.易燃或有毒介且易燃或有毒介且PV500LMPa(PV5000Lkgf/cm2)的中压贮运容器的中压贮运容器4.中压废热锅炉或内径大于中压废热锅炉或内径大于1米的低压废热锅炉。米的低压废热锅炉。剧毒介质：是指进入人体量剧毒介质：是指进入人体量50克即会引起肌体严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，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。氟化氢，光气等。第二章第二章内压容器设计基础

12、内压容器设计基础有毒介质：是指进入人体量有毒介质：是指进入人体量50克即会引起人体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。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易燃介质：指与空气混合的爆炸下限10或爆或爆炸上限和下限之差值炸上限和下限之差值20的气体。如甲烷，丙的气体。如甲烷，丙烷，丙烯，丁烷，丁二烯，丁烯，氢，氯甲烷，烷，丙烯，丁烷，丁二烯，丁烯，氢，氯甲烷，乙烷，乙烯，环氧乙烷等。乙烷，乙烯，环氧乙烷等。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础2.

13、2内压薄壁容器设计计算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寸主要是满足工艺要求，而作为设备的强度尺寸(壳壳体壁厚体壁厚)，则主要是在工艺给定的压力下，保证其，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。安全生产和可靠运行，而不致于发生破坏。一一.内压圆筒体设计计算内压圆筒体设计计算1.筒体受力筒体受力拉应力拉应力轴向应力、环向应力轴向应力、环向应力弯曲应力数值与轴向应力、环向应力相比很小，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。设计时

14、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。在拉应力，且均匀分布在纵、横截面上。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础2.筒体应力计算筒体应力计算轴向应力轴向应力zz=P*D/4So式中式中P-圆筒内压力，圆筒内压力，kgf/cm2；D-圆筒平均直径，圆筒平均直径，cm；So-壁厚，壁厚，cm。环环(周周)向应力向应力tt=P*D/2So因此，因此，t=2z可以得出结论：可以得出结论：zt第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础a.圆筒形容器危险截面是纵截面，纵向强度较弱，圆筒形容器危险截面是

15、纵截面，纵向强度较弱，要确保纵向焊缝要确保纵向焊缝的质量；的质量；b.在圆筒体上开椭圆形人孔时，应使其在圆筒体上开椭圆形人孔时，应使其短轴与筒体短轴与筒体轴向一致；轴向一致；c.筒体纵向和横向焊缝不交叉筒体纵向和横向焊缝不交叉。3.内压筒体强度设计内压筒体强度设计1).强度设计的基本知识强度设计的基本知识关于弹性失效准则关于弹性失效准则:设计压力容器时，确定器壁内允许应力的限度，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论，容器上某处的最大应力达到材料在该温度下的屈服限

16、的屈服限s，容器即告破坏容器即告破坏(这里所讲的这里所讲的“破坏破坏”并不完全指容器破裂，而是泛指容器失去正常并不完全指容器破裂，而是泛指容器失去正常的工作能力，即工程上所说的的工作能力，即工程上所说的失效失效”)。第二章第二章内压容器设计基础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，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测得的屈服极限s，即，即当当s。为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安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

17、工作应力与材料的许用应全裕度，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，即力间，满足一定的关系。这就是强度安全条件，即当当。2).理论基础：理论基础：第一强度理论从实验的性质来看，适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，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。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和第四强度理论，但由于多年来沿用第

18、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，度理论相同，工程上也常采用第一强度理论，我国我国“钢制石油化工压力容器设计规定钢制石油化工压力容器设计规定”中也采用第一中也采用第一强度理论来建立强度计算公式。强度理论来建立强度计算公式。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础第一强度理论，第一强度理论，最大主应力不超过容器材料的许用应最大主应力不超过容器材料的许用应力，力，即即；=P*D/2So3).理论计算公式理论计算公式So=P*D/2式中式中P-设计压力，设计压力，kgf/cm2；D-平均直径，

19、平均直径，cm；-设计温度下材料许用应力，设计温度下材料许用应力，kgf/cm2；So-壁厚，壁厚，cm。4).理论计算公式校正理论计算公式校正a.DDi为了计算方便把为了计算方便把D用用Di来表示。来表示。则有则有DDi+So第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础b.焊缝的影响焊缝的影响考虑到一般直径较小的容器考虑到一般直径较小的容器(D在在500mm以下以下),可可采用无缝钢管，其余多数情况是由各种不同的钢板采用无缝钢管，其余多数情况是由各种不同的钢板卷焊而成。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

20、，气孔，末焊透和冷影响区。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各种手段进行了不同程度的无损检验(而检验的目的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一定的范围)。这样由于焊接使得金属母体的强度在。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，引入了焊一定程度上有所降低。为了补足这一点，引入了焊缝系数缝系数。一般取一般取1。即即 第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础c.设计温度设

21、计温度化工设备一般都在有一定的温度的场合下使用，而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。故温度的变化而变化。故采用设计温度下的许用采用设计温度下的许用应力应力t来表示。来表示。即即td.壁厚附加量壁厚附加量C在实际工程设计中，按理论计算公式得到的容器壁在实际工程设计中，按理论计算公式得到的容器壁厚厚S。仅能满足强度计算的要求，还没有考虑到：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钢板在轧制

22、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容器在加工制造过程中钢板可能会减薄(C3)等。等。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础 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，我国因此，我国钢制石油化工压钢制石油化工压力容器设计规定力容器设计规定规定了一般压力容器强度计算公规定了一般压力容器强度计算公式。式。4).压力容器强度计算公式压力容器强度计算公式S=PDi/(2tP)+C式中式中S-容器钢板厚度（壁厚），容器钢板厚度（壁厚），cm；t-设计温度下材料的许用应力，设计温度下材料的许用

23、应力，kgf/cm2；-焊缝系数；焊缝系数；Di-容器内径，容器内径，cm；C-壁厚附加量，壁厚附加量，cm。强度校核：强度校核：=P(Di+S+C)/2(SC)当容器（设备）使用一段时间后，按规定需对筒体当容器（设备）使用一段时间后，按规定需对筒体壁厚进行校核。壁厚进行校核。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础若若t，则容器则容器(设备设备)可继续使用；可继续使用；若若t，则需对容器最薄处补强后，才能则需对容器最薄处补强后，才能使用。使用。二二.内压球形壳体内压球形壳体(容器容器)强度设计强度设计设计公式设计公式S=PDi/(4tP)+C式中式中S-容器钢板厚度（壁厚），容器钢板厚度

24、（壁厚），cm；t-设计温度下材料许用应力，设计温度下材料许用应力，kgf/cm2；-焊缝系数；焊缝系数；Di-容器内径，容器内径，cm；C-壁厚附加量，壁厚附加量，cm。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础两类容器比较：两类容器比较：a.壁厚球形容器制造材料用量少；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，防表面积球形容器占地少，基础工程费用少，防护护剂用量少，保温层用量少，因此，广泛用作贮剂用量少，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）。罐（如石油液化气、乙烯、氨、氧气等）。直径在直径在3000mm以下的容器多采用圆筒形。若采

25、用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。焊接，制造费用也较高。三三.设计公式中各参数确定设计公式中各参数确定1.设计压力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。容器的最高工作压力。第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础所谓容器的最高工作压力，是指容器顶部所谓容器的最高工作压力，是指容器顶部(安全泄放安全泄放装置一般装于顶部装置

26、一般装于顶部)在操作过程中可能产生的最高表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。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对于一般容器，当液体压力超过工作压力的5时则时则计入液体静压。计入液体静压。设计时，一般设计压力稍高于工作压力设计时，一般设计压力稍高于工作压力(这主要考虑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

27、装置不必要的泄放免造成安全装置不必要的泄放)。具体确定如下：。具体确定如下：a.当容器装有安全阀时，取安全阀起跳压力当容器装有安全阀时，取安全阀起跳压力(一般取一般取工作压力的工作压力的1.05-1.1倍倍)作为设计压力。安全阀结构作为设计压力。安全阀结构见图。见图。内压容器设计基础内压容器设计基础单个容器装有平衡型安单个容器装有平衡型安全阀时取全阀时取1.1倍；单个倍；单个容器装有弹簧型安全阀容器装有弹簧型安全阀时取时取1.05倍。倍。最高工作压力最高工作压力4MPa取取1.1倍，最高工作压倍，最高工作压力力 4MPa取取1.05倍。倍。单个容器不装安全阀时单个容器不装安全阀时(低压低压)，

28、设计压力取稍，设计压力取稍高于最高工作压力。高于最高工作压力。安安全全阀阀内压容器设计基础内压容器设计基础b.当容器内装有爆炸性当容器内装有爆炸性介质，一般都采用防爆介质，一般都采用防爆膜。根据爆炸的瞬时压膜。根据爆炸的瞬时压力、气相容积和防爆膜力、气相容积和防爆膜的防爆面积等因素，一的防爆面积等因素，一般要考虑般要考虑5的误的误差。还要注意到，由于差。还要注意到，由于防爆膜一般工作压力较防爆膜一般工作压力较高，应尽量避免由蠕变高，应尽量避免由蠕变和疲劳而引起过早的破和疲劳而引起过早的破坏和泄放。坏和泄放。根据长期使用经验，一般根据长期使用经验，一般取工作压力的取工作压力的1.15-1.3倍。

29、倍。防防爆爆膜膜第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础c.当操作压力由于化学反应比较强烈等原因而波当操作压力由于化学反应比较强烈等原因而波动较大，动较大，压力有突然上升的可能压力有突然上升的可能，按其压力升高，按其压力升高的速度快慢取最高工作压力的的速度快慢取最高工作压力的1.15-1.4倍，该容倍，该容器必须装上防爆膜。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，可取度调节装置时，在地面仅受地温影响，可取40时介

30、质的饱和蒸气压作为设计压力。若埋在地下，时介质的饱和蒸气压作为设计压力。若埋在地下，则取则取30时的饱和蒸汽压。时的饱和蒸汽压。2.设计温度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力下，壳体或元件金属可能达到的最高或最低(指指20以下以下)温度。是选择材料及确定许用应温度。是选择材料及确定许用应力时的一个基本设计参数。力时的一个基本设计参数。内压容器设计基础内压容器设计基础 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

31、。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。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，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。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，且不低于250d.直接用可燃气体或电加热的器壁，壁温取被加热直接用可燃气体

32、或电加热的器壁，壁温取被加热介质的温度加上介质的温度加上50，且不低于，且不低于250；当载热体；当载热体温度等于或高于温度等于或高于600时，器壁温度取被加热介质时，器壁温度取被加热介质温度加上温度加上100且不低于且不低于250。内压容器设计基础内压容器设计基础3.许用应力许用应力t设计温度下所选材料的许用应力，是一个很重要的设计温度下所选材料的许用应力，是一个很重要的参数。参数。确定方法有两种：计算法和查表法。确定方法有两种：计算法和查表法。计算法：计算法：t=/n式中式中-材料的极限应力材料的极限应力n-安全系数安全系数查表法：确定所选材料和设计温度，查阅相应许用查表法：确定所选材料和

33、设计温度，查阅相应许用应力表。应力表。内压容器设计基础内压容器设计基础4.焊缝系数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。选取焊缝系数熔焊金属，焊缝结构和施焊质量。选取焊缝系数的

34、大小主要根据焊接接头的形式和焊缝的检验程的大小主要根据焊接接头的形式和焊缝的检验程度度(保证的焊接质量保证的焊接质量)而定。可按表选取。而定。可按表选取。5.壁厚附加量壁厚附加量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，介质的腐蚀程度介质的腐蚀程度C2和制造过程中的减薄量和制造过程中的减薄量C3，即，即C=C1+C2+C3。内压容器设计基础内压容器设计基础a.钢板和钢管的负偏差钢板和钢管的负偏差C1一般情况下一般情况下C1可按表选取。可按表选取。当实际钢板厚度负偏差小于计算厚度的当实际钢板厚度负偏差小于计算厚度的6且少于且少于0.3毫米时毫米时,可

35、以忽略不计。可以忽略不计。b.腐蚀裕量腐蚀裕量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：计寿命决定：C2KeY式中式中ke为腐蚀速率，毫米年；为腐蚀速率，毫米年；Y为使用寿命，年。为使用寿命，年。一般中低压容器设计的寿命为一般中低压容器设计的寿命为10-15年。年。当材料的腐蚀速率为当材料的腐蚀速率为0.05-0.1毫米毫米/年时，考虑单年时，考虑单面腐蚀面腐蚀C2=1-2毫米，毫米，C2=2-4毫米。毫米。内压容器设计基础内压容器设计基础当材料的腐蚀速率小于或等于当材料的腐蚀速率小于或等于0.05毫米毫米/年时，考年时，考虑单面腐

36、蚀取虑单面腐蚀取C2=1毫米，双面腐蚀取毫米，双面腐蚀取C2=2毫米。毫米。对于不锈钢，当介质的腐蚀极微时可取对于不锈钢，当介质的腐蚀极微时可取C2=0。c.制造减薄量制造减薄量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，对于冲压，由于拉伸减薄或加热产生氧化皮等，C3应按应按钢制焊接压力容器

37、技术条件钢制焊接压力容器技术条件中的规定中的规定选取。选取。内压容器设计基础内压容器设计基础焊焊缝缝系系数数表表钢钢板板负偏差表（负偏差表（mm)第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础2.3内压封头的设计和选择内压封头的设计和选择容器的封头容器的封头(端盖端盖)，按其形状可分为三类，按其形状可分为三类，(凸型凸型封头锥形封头，平板封头封头锥形封头，平板封头)。其中凸型封头包括半。其中凸型封头包括半球形封头，椭圆形封头，碟形封头球形封头，椭圆形封头，碟形封头(或称带折边的球或称带折边的球形封头形封头)和无折边的球形封头。锥形封头包括不带折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

38、带折边的锥形封头。平板封头是根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。据封头与简体的连接方式的不同，有多种结构式。一一.半球形封头半球形封头半球形封头，如图所示，是由半球壳构成，它的壁半球形封头，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，厚计算公式与球形壳体壳相同，即即S=PDi/(4tP)+C 第二章第二章内压容器设计基础内压容器设计基础根据上式可判断，球根据上式可判断，球形封头的壁厚与相同形封头的壁厚与相同直径的圆柱形壳体相直径的圆柱形壳体相比，在设计压力相同比，在设计压力相同时，其计算壁厚只有时，其计算壁厚只有圆柱形壳体计

39、算厚度圆柱形壳体计算厚度的一半。但在工程实的一半。但在工程实际中，为了便于封头际中，为了便于封头与筒体焊接与筒体焊接(采用等厚采用等厚度焊接可以降低边缘度焊接可以降低边缘连接处的边缘应力连接处的边缘应力)及及考虑到封头上开孔等考虑到封头上开孔等因素的影响，半球形因素的影响，半球形半球形封头半球形封头封头常和圆柱形壳体取封头常和圆柱形壳体取相同的厚度。半球形封头多用相同的厚度。半球形封头多用于直径较大或压力较高的容器。于直径较大或压力较高的容器。内压容器设计基础内压容器设计基础二二.椭圆形封头椭圆形封头椭圆形封头是由长、短椭圆形封头是由长、短铀分别为铀分别为a和和b的半椭圆的半椭圆球和高度为球和

40、高度为h的短圆筒的短圆筒(称为直边称为直边)两部分组成两部分组成的一个整体。直边的作的一个整体。直边的作用是避免封头与简体连用是避免封头与简体连接的环焊缝与椭圆壳和接的环焊缝与椭圆壳和圆柱壳交界处重合。这圆柱壳交界处重合。这样可改善交界处的应力样可改善交界处的应力状态。如图所示。由椭状态。如图所示。由椭圆壳的应力分析可知，圆壳的应力分析可知，椭圆封头的应力分布是椭圆封头的应力分布是变化的。其应力分布随变化的。其应力分布随。椭圆形封头椭圆形封头h点的位置不同而不同，其应力点的位置不同而不同，其应力值大小还要随值大小还要随a/b的比值变化而的比值变化而变化。变化。a/b的比值直接反映椭圆的比值直接

41、反映椭圆壳体的几何形状壳体的几何形状(扁平程度扁平程度)。内压容器设计基础内压容器设计基础当当a/b=2时是标准椭圆封头，在工程上除特殊情况时是标准椭圆封头，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。应力相等。其计算公式为其计算公式为S=PDi/(2tP)+C标

42、准椭圆封头的直边高度可按下表确定标准椭圆封头的直边高度可按下表确定 内压容器设计基础内压容器设计基础三三.锥形封头锥形封头锥形封头广泛应用于锥形封头广泛应用于许多设备许多设备(如发酵罐如发酵罐,空气过滤器空气过滤器,蒸发器，蒸发器，喷雾干燥器，结晶器喷雾干燥器，结晶器等等)的底盖。它的优点的底盖。它的优点是便于收集与卸除这是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。些设备中的固体物料。此外，有一些设备上此外，有一些设备上下部分的直径不等，下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直也常用锥形壳体将直径不等的两段连接起径不等的两段连接起来来(称为变径段称为变径段)。无折边锥形封头无折边锥形封头(无加强无加强)

43、内压容器设计基础内压容器设计基础三三.锥形封头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。无折边锥形封头无折边锥形封头(无加强无加强)无折边锥形封头无折边锥形封头(加强加强)内压容器设计基础内压容器设计基础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

44、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。带折边锥形封头带折边锥形封头内压容器设计基础内压容器设计基础2.4压力试验压力试验一一.概述概述 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

45、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，常用的是液压试验液压试验和气压试验气压试验。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。内压容器设计基础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

46、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。二二.液压试验液压试验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。.内压容器设计基础内压容器设计基础b.试验温度应低于试

47、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，

48、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。内压容器设计基础内压容器设计基础三三.试验压力试验压力1.用液体介质试压时，其试验压力Pt为Pt=125P/t，且不小于P0.1MPa/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=1.15 P/t，/t比值最高不超过1.8(1.8)。式中 Pt-试验压力，M

49、Pa；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。内压容器设计基础内压容器设计基础四四.压力试验的强度校核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SC)2(SC)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

50、十SC)2(SC)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。内压容器设计基础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，