《压力容器及过程设备》课程教案.docx
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《压力容器及过程设备》课程教案
《压力容器及过程设备》课程教案
课程名称压力容器及过程设备
学时数72（其中实验4）
授课对象2005过控1-4班
授课学期第七学期
授课教研室过程装备与控制工程
授课教师喻九阳、徐建民
武汉工程大学机电工程学院
《压力容器及过程设备》课程教案
课程名称
压力容器及过程设备
授课对象
05过程装备与控制工程专业1，2，3，4班
授课单位
过程装备与控制工程研究室
授课教师
喻九阳、徐建民
职称
教授、副教授
总学时
72
理论学时
68
实验学时
4学时
授课学期
08-09学年第一学期
教材
郑津洋等.过程设备设计.第2版.北京：
化学工业出版社
主要参考书
王志文.化工容器设计.第2版.北京：
化学工业出版社
聂德清.化工设备设计.第2版.北京：
化学工业出版社
GB150《钢制压力容器》
GB151《钢制管壳式换热器》
JB/T4710《钢制塔式容器》
JB/T4731《钢制卧式容器》
SomChattopadhyay.PressureVessels:
DesignandPractice
CharlesEThomas.ProcessTechnologyEquipmentandSystems
制定时间
2008年9月
0绪论
一、主要内容
1.过程设备的定义、应用、特点、基本要求
2.过程设备设计概述
3.介绍本课程的学习内容
二、教学目的及要求
1.掌握过程设备的定义
2.了解过程设备的特点及基本要求
3.了解过程设备的基本设计步骤和影响参数设计的主要因素。
三、教学重点
1.过程设备的定义；
2.过程的设备特点及基本要求。
四、教学难点
1.过程设备的定义。
五、授课方式与主要教学手段
授课方式为课堂讲授。
应用多媒体手段展示有关图片。
六、授课思路与教学过程
1.过程设备的定义既是本章重点也是难点。
难在学生对过程这个概念的重新理解。
通过“化工工艺”概念导入“过程工艺”概念，再由“化工设备”的概念扩充到“过程设备”。
布置一道思考题让学生进一步加深对过程设备的理解。
2.通过过程设备的典型的失效图片帮助学生理解过程设的备特点及相应要求。
七、教学时间分配
本章共1学时
八、思考题、作业题
1．什么是过程设备，请写出三种化工设备以外的过程设备。
1导言
一、主要内容
1.压力容器的总体结构；
2.压力容器的分类；
3.压力容器标准、规范
二、教学目的及要求
1.了解压力容器总体结构及应用特点；
2.掌握压力容器的分类方法；
3.了解我国和国际上主要的压力容器规范标准，及其适用范围和应用原则。
三、教学重点
1.压力容器的分类方法；
2.GB150《钢制压力容器》与《压力容器安全技术监察规程》的特点及异同。
四、教学难点
无
五、授课方式与主要教学手段
授课方式为课堂讲授。
板书与多媒体手段相结合。
六、授课思路与教学过程
1.将压力容器分为一、二、三类的分类方法本章最重要的内容，是学生今后工作中必须理解和掌握的基本概念。
通过日常生活事例让学生了解这种分类方法的实质是体现了压力容器的重要性，即综合考虑压力容器出现事故的概率和事故后对生命和财产的危害程度。
布置一道关于容器分类的课外作业题。
七、教学时间分配
1.压力容器的总体结构:
20分钟
2.压力容器的分类:
50分钟
3.压力容器标准、规范:
30分钟
八、思考题、作业题
1.压力容器主要由哪几部分组成，各部分的作用是什么？
2.《容规》对压力容器进行分类的原则是什么，哪些中压容器属于三类容器？
2压力容器应力分析
一、主要内容
第一讲：
2.1载荷分析；2.2回转薄壳应力分析
（一）
1.载荷分析
（1）压力载荷
（2）非压力载荷：
整体载荷与局部载荷
2.薄壁圆筒的应力：
轴向应力和环向应力。
第二讲：
2.2回转薄壳应力分析
（二）
1.回转薄壳的无力矩理论
（1）回转薄壳的几何要素
（2）无力矩理论与有力矩理论
2.无力矩理论的基本方程
（1）壳体微元体及其内力分量
（2）微元平衡方程
（3）区域平衡方程
（4）课堂讨论：
●材料种类种对回转薄壳无力矩理论有没有影响？
●在微元截取时，能否用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中与经线垂直、同壳体正交的圆锥面？
●薄壁回转壳体在均匀内压作用下，中面上任意点的变形有什么特征？
●为什么圆柱和球可以采用材料力学中的截面法求应力，而一般壳体却不能？
第三讲：
2.2回转薄壳应力分析（三）
1.无力矩理论的应用
（1）承受气体压力的回转薄壳:
球形薄壳、薄壁圆筒、锥形壳体、椭球形壳体。
（2）储存液体压力的回转薄壳:
圆筒形壳体、球形壳体。
2.无力矩理论应用条件。
第四讲：
2.2回转薄壳应力分析（四）
1.回转薄壳的不连续分析
（1）不连续效应与不连续分析的基本方法；
（2）圆柱壳受边缘力和边缘力矩作用的弯曲解；
（3）一般回转壳受边缘力和边缘力矩的弯曲解；
（4）组合壳不连续应力的计算举例；
（5）不连续应力的特性。
第五讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（一）
1.弹性应力
（1）压力载荷引起的弹性应力;
（2）温度变化引起的弹性热应力；
第六讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（二）
1.弹塑性应力及其残余应力。
2.屈服压力和爆破压力;
3.提高屈服承载能力的措施
第七讲：
2.4平板应力分析
（一）
1.平板的几何特征、分类及平板应用；
2.圆平板对称弯曲微分方程
（1）分析模型；
（2）挠度微分方程：
平衡方程，几何协调方程，物理方程，小挠度微分方程
第八讲：
2.4平板应力分析
（二）
1.圆平板中的应力
（1）周边简支圆平板；
（2）周边固支圆平板;
（3）支承对刚度和强度的影响;
（4）薄圆平板的应力特点力；
2.承受轴对称载荷的环板应力
第九讲：
2.5壳体的稳定性分析
（一）
1.稳定性与临界压力;
2.外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析
（1）受均布周向外压的长圆筒的临界压力;
（2）受均布周向外压的短圆筒的临界压力;
（3）外压薄壁圆柱壳的临界长度;
（4）周向外压及轴向载荷联合作用下的失稳;
（5）形状缺陷对圆筒稳定性的影响
第十讲：
2.5壳体的稳定性分析
（二）；2.6典型局部应力
1.其它回转薄壳的临界压力:
半球壳,碟形壳,椭球壳,锥壳,其它失稳实例:
2.典型局部应力
（1）局部应力的产生及其危害性；
（2）受内压壳体与接管连接处的局部应力;
（3）降低局部应力的措施。
二、教学目的及要求
第一讲：
2.1载荷分析；2.2回转薄壳应力分析
（一）
1.了解压力容器可能承受的载荷类型与特点；
2．掌握薄壁圆筒的应力分析方法及计算公式。
第二讲：
2.2回转薄壳应力分析
（二）
1.理解回转薄壳的各种概念；
2．掌握无力矩理论的基本假设，分析方法；
3.掌握无力矩理论的基本方程；
4．理解无力矩理论与有力矩理论的区别。
第三讲：
2.2回转薄壳应力分析（三）
1．掌握应用无力矩理论分析典型回转薄壳应力的方法；
2．理解无力矩理论的应用条件。
第四讲：
2.2回转薄壳应力分析（四）
1.了解不连续效应与不连续分析的基本方法；
2.理解圆柱壳受边缘力和边缘力矩作用的弯曲解；
3.了解一般回转壳受边缘力和边缘力矩的弯曲解；
4.理解不连续应力的特性。
第五讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（一）
1.理解厚壁圆筒的弹性应力分析方法和计算公式;
2.理解温度变化引起厚壁圆筒的弹性热应力的原因及分析方法；
第六讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（二）
1.掌握厚壁圆筒的屈服压力和爆破压力的计算公式;
2.了解残余应力的概念及厚壁圆筒残余应力产生的原因；
3.了解提高厚壁圆筒屈服承载能力的措施。
第七讲：
2.4平板应力分析
（一）
1.了解平板的几何特征及分类平；
2.理解圆平板对称弯曲小挠度微分方程。
第八讲：
2.4平板应力分析
（二）
1.掌握周边简支和周边固支圆平板中的应力计算方法及应力分布特点；
2.理解支承对平板刚度和强度的影响;
3.了解承受轴对称载荷的环板应力。
第九讲：
2.5壳体的稳定性分析
（一）
1.理解外压薄壁圆柱壳的稳定性、临界压力、长圆筒、短圆筒、临界长度等有关概念;
2.掌握外压长圆筒临界压力的计算公式;
3.了解外压短圆筒临界压力的计算公式;
4.了解形状缺陷对圆筒稳定性的影响。
第十讲：
2.5壳体的稳定性分析
（二）；2.6典型局部应力
1.了解外压半球壳、碟形壳、椭球壳、锥壳的临界压力的计算方法；
2.了解局部应力产生的原因、危害性、以及局部应力的各种计算手段；
3.理解内压壳体与接管连接处的局部应力的计算方法;
4.了解降低局部应力的主要措施。
三、教学重点
第一讲：
2.1载荷分析；2.2回转薄壳应力分析
（一）
1.薄壁圆筒的应力计算。
第二讲：
2.2回转薄壳应力分析
（二）
1.回转薄壳的几何概念；
2．无力矩理论的基本假设；
3．无力矩理论的基本方程；
第三讲：
2.2回转薄壳应力分析（三）
1.承受气体压力的椭球形壳体的应力计算及其分布特点。
第四讲：
2.2回转薄壳应力分析（四）
1.不连续效应的概念及其产生的原因；
2.不连续分析的基本方法；
3.不连续应力的特性。
第五讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（一）
1.内压厚壁圆筒中三向应力的计算及应力分布图。
第六讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（二）
1.厚壁圆筒中的弹塑性区的应力分布；
2.提高屈服承载能力的措施；
3．概念“自增强”。
第七讲：
2.4平板应力分析
（一）
1.圆平板对称弯曲微分方程。
第八讲：
2.4平板应力分析
（二）
1.圆平板应力计算方法及应力分布特点。
第九讲：
2.5壳体的稳定性分析
（一）
1.稳定性、临界压力、长圆筒、短圆筒、临界长度等有关概念;
2.外压长圆筒临界压力的计算公式。
第十讲：
2.5壳体的稳定性分析
（二）；2.6典型局部应力
1.内压壳体与接管连接处的局部应力的计算方法。
四、教学难点
第一讲：
2.1载荷分析；2.2回转薄壳应力分析
（一）
无
第二讲：
2.2回转薄壳应力分析
（二）
1.对回转薄壳各种概念的理解；
2．微元体的截取方法及其形状；
3．微体平衡方程的推导。
第三讲：
2.2回转薄壳应力分析（三）
1．承受液体压力的圆筒形壳体和球形壳体的应力分析；
2．承受气体压力的椭球壳的应力分析。
第四讲：
2.2回转薄壳应力分析（四）
1.不连续效应的概念；
2．圆柱壳受边缘力和边缘力矩作用的弯曲解。
第五讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（一）
1.内压厚壁圆筒中三向应力的计算公式推导。
第六讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（二）
1.厚壁圆筒的屈服压力和爆破压力的计算公式推导;
第七讲：
2.4平板应力分析
（一）
1.圆平板对称弯曲小挠度微分方程的推导。
第八讲：
2.4平板应力分析
（二）
1.周边简支和周边固支圆平板中的应力计算。
第九讲：
2.5壳体的稳定性分析
（一）
1.对稳定性概念的理解;
2.外压长圆筒临界压力计算公式的推导;
3.外压短圆筒临界压力计算公式的推导。
第十讲：
2.5壳体的稳定性分析
（二）；2.6典型局部应力
1.应力集中系数法。
五、授课方式与主要教学手段
授课方式以课堂讲授为主，辅助校内结构实习基地现场了解设备的特殊结构。
教学手段电子教案为主，配合动画、录象介绍失稳、密封泄露等现象。
公式推导以板书为主。
六、授课思路与教学过程
本门课程是过程装备与控制工程专业独有的，而本章是这门课程的核心和理论基础，是最重要的一章。
本章的特点是：
概念多，公式推导多。
有些内容要反复强调。
概念要讲清楚，重要公式的推导、各项的物理意义以及应用条件需要讲明白。
本章安排的学时多，作业多，考试试卷中所占的分量也最多。
第一讲：
2.1载荷分析；2.2回转薄壳应力分析
（一）
强调回转薄壳的本质特点在于厚度和其它几何尺寸的关系。
通过回忆材料力学所经常采用的截面法引导学生分析圆筒的应力。
第二讲：
2.2回转薄壳应力分析
（二）
回转薄壳的几何概念通过模型和动画加以解释。
强调力、力矩都是内力分量；无力矩的本质是内力距小，而可以忽略，不是真正的无力矩。
无力矩理论的基本方程通过板书推导，以帮助学生理解。
第三讲：
2.2回转薄壳应力分析（三）
通过讲授承受气体压力的椭球形壳体的应力分布特点，引入标准椭球形封头的概念和优点。
受内压的容器也可能出现压应力是容易被忽视的问题。
这种情况讲授椭球形壳体的应力时要予以强调。
第四讲：
2.2回转薄壳应力分析（四）
几何不连续对学生是一个新的概念，通过不连续的容器结构，帮助学生理解各种不连续的概念。
有力矩理论公式推导比较复杂，烦琐。
先讲清楚推导思路，再板书推导。
不连续所产生的边缘应力的“局限性”和“自限性”的理论根据、现象、以及再工程上的应对方法，结合公式和工程结构讲授。
第五讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（一）
内压厚壁圆筒中三向应力的计算先讲清楚推导思路，再板书推导。
三向应力应力分布情况通过电子图片展示并讲解。
第六讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（二）
弹塑性区的应力分布通过电子图片展示并讲解。
介绍工程上常用的提高屈服承载能力的方法。
“自增强”的理论依据结合应力公式讲授。
第七讲：
2.4平板应力分析
（一）
圆平板对称弯曲微分方程先讲清楚推导思路，再板书推导。
分析模型通过多媒体动画介绍其结构和受力。
第八讲：
2.4平板应力分析
（二）
由圆平板对称弯曲微分方程，在给定载荷分布和边界条件的情况下，推出周边固支和简支两种情况下的平板应力特点。
结合工程实际，介绍什么样的连接可以简化为固支或简直。
对固支和简支两种情况的应力分布特点进行比较讲授，以便学生理解和记忆。
第九讲：
2.5壳体的稳定性分析
（一）
由压杆的失稳导入到外压壳体的失稳，对于稳定性的概念，几乎所有的参考书表述不正确或不准确，要特别强调。
通过外压圆环临界压力的计算公式推导出长圆筒的临界压力的计算公式。
动画显示外压圆筒失稳的过程。
第十讲：
2.5壳体的稳定性分析
（二）；2.6典型局部应力
由外压圆筒的临界压力的计算公式导入外压半球壳、碟形壳、椭球壳、锥壳的临界压力的计算公式。
这些公式不推导。
介绍外压半球壳临界压力理论值和实验值的差别，讲明原因。
进而导出缺陷对外压壳体稳定性的影响。
由边缘应力的概念导入局部应力。
介绍局部应力的求解思路和各种方案。
七、教学时间分配
第一讲：
2.1载荷分析；2.2回转薄壳应力分析
（一）
11.压力载荷：
5分钟
12.非压力载荷：
5分钟
13.载荷工况：
5分钟
14.轴向应力：
15分钟
15.环向应力：
20分钟
第二讲：
2.2回转薄壳应力分析
（二）
11.回转薄壳的几何概念：
10分钟
12.内力矩及无力矩理论的概念：
10分钟
13.壳体微元体及其内力分量：
10分钟
14.微元平衡方程：
30分钟
15.区域平衡方程：
30分钟
16.课堂讨论及小结：
10分钟。
第三讲：
2.2回转薄壳应力分析（三）
1.承受气体压力的回转薄壳:
50分钟;
2.储存液体压力的回转薄壳:
40分钟;
3.无力矩理论应用条件:
5分钟;
4.小结：
5分钟。
第四讲：
2.2回转薄壳应力分析（四）
1.不连续效应与不连续分析的基本方法：
40分钟；
2.圆柱壳受边缘力和边缘力矩作用的弯曲解：
30分钟；
3.一般回转壳受边缘力和边缘力矩的求解思路介绍：
5分钟；
4.组合壳不连续应力的计算举例：
10分钟；
5.不连续应力的特性10分钟；
6.小结：
5分钟。
第五讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（一）
1.压力载荷引起的弹性应力：
50分钟;
2.温度变化引起的弹性热应力：
40分钟；
3.小结：
5分钟。
第六讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（二）
1.弹塑性应力及其残余应力：
40分钟；
2.屈服压力和爆破压力：
40分钟；
3.提高屈服承载能力的措施：
10分钟；
4．小结：
10分钟。
第七讲：
2.4平板应力分析
（一）
1.平板的几何特征、分类及平板应用：
10分钟；
2.圆平板对称弯曲分析模型：
10分钟；
3.挠度微分方程：
80分钟。
第八讲：
2.4平板应力分析
（二）
1.周边简支圆平板：
50分钟；
2.周边固支圆平板：
15分钟;
3.支承对刚度和强度的影响：
10分钟;
4.薄圆平板的应力特点力：
10分钟；
5.承受轴对称载荷的环板应力：
10分钟；
6.小结：
5分钟。
第九讲：
2.5壳体的稳定性分析
（一）
1.稳定性与临界压力：
10分钟;
2.受均布周向外压的长圆筒的临界压力：
50分钟;
3.受均布周向外压的短圆筒的临界压力：
10分钟;
4.外压薄壁圆柱壳的临界长度：
10分钟;
5.周向外压及轴向载荷联合作用下的失稳：
10分钟;
6.形状缺陷对圆筒稳定性的影响：
5分钟；
7.小结：
5分钟。
第十讲：
2.5壳体的稳定性分析
（二）；2.6典型局部应力
1.半球壳、碟形壳、椭球壳、锥壳的的临界压力：
15分钟;
2.局部应力的产生及其危害性：
5分钟；
3.受内压壳体与接管连接处的局部应力：
50分钟;
4.降低局部应力的措施：
25分钟；
5.小结：
5分钟。
八、思考题、作业题
第一讲：
2.1载荷分析；2.2回转薄壳应力分析
（一）
1．什么是回转薄壳？
第二讲：
2.2回转薄壳应力分析
（二）
P84:
1;P84:
3
第三讲：
2.2回转薄壳应力分析（三）
P85:
3;P85:
4
第四讲：
2.2回转薄壳应力分析（四）
P84:
4
第五讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（一）
P84:
6;P84:
7
第六讲：
2.3厚壁圆筒的应力分析
（二）
P84:
10;P84:
11
第七讲：
2.4平板应力分析
（一）
P84:
13
第八讲：
2.4平板应力分析
（二）
P86:
10
第九讲：
2.5壳体的稳定性分析
（一）
P84:
15；P86:
13;P86:
16
第十讲：
2.5壳体的稳定性分析
（二）；2.6典型局部应力
P84:
16
3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响
一、主要内容
4.压力容器材料
5.制造工艺对钢材性能的影响
6.环境对钢材的影响
7.压力容器材料选择
二、教学目的及要求
1.了解压力容器常用材料；
2.了解制造工艺和时间环境对钢材性能的影响及选材原则。
三、教学重点
3.压力容器常用钢材；
4.制造工艺及环境对钢材性能的影响；
5.材料选择原则。
四、教学难点
无
五、授课方式与主要教学手段
授课方式为课堂讲授。
教学手段采用多媒体课件。
六、授课思路与教学过程
首先回忆“金属材料及热处理”所学的相关知识，结合压力容器的特点讲授对材料的特殊要求。
本章许多知识与“金属材料及热处理”和“压力容器制造工艺”课程重复，因而讲授重点放在环境对钢材性能的影响上，其它内容引导性讲授，介绍学生参考相关课程的相关章节。
七、教学时间分配
4.压力容器材料:
20分钟
5.制造工艺对钢材性能的影响:
10分钟
6.环境对钢材的影响:
50分钟
7.压力容器材料选择:
15分钟
8.小结：
5分钟
八、思考题、作业题
P106:
1;P106:
3
4压力容器设计
一、主要内容
第一讲：
4.1概述；4.2设计准则
1.概述
（3）设计要求
（4）设计文件
（5）设计条件
2.设计准则
（5）压力容器失效
（6）强度失效设计准则
（7）刚度失效设计准则
（8）稳定失效设计准则
（9）泄漏失效设计准则。
第二讲：
4.3.1概述；4.3.2圆筒设计
（一）
1.压力容器设计思想
2.圆筒容器的筒体结构
3.内压圆筒的强度设计
4.设计技术参数的确定
第三讲：
4.3.2圆筒设计
（二）
1.解析法求取外压圆筒的许用压力
2.圆筒许用压力图算法原理
3.圆筒许用压力工程设计方法
4.圆筒体轴向许用压应力
第四讲：
4.3.2圆筒设计（三）
1.外压圆筒的设计压力
2.稳定性系数
3.外压圆筒的计算长度
4.加强圈的间距
5.加强圈截面尺寸的确定
6.加强圈的结构设计
第五讲：
4.3.3封头设计
1.半球形封头设计；
2.椭圆形封头设计；
3.碟形封头设计；
4.锥壳、变径段、平盖及紧缩口设计。
第六讲：
4.3.4密封装置设计
（一）
1.密封机理及分类
2.影响密封性能的主要因素
3.螺栓法兰连接设计
第七讲：
4.3.4密封装置设计
（二）
1.高压密封的基本特点
2.高压密封的结构形式
3.提高高压密封性能的措施
4.螺栓载荷计算
第八讲：
4.3.5开孔和开孔补强设计
1.补强结构
2.开孔补强设计原则
3.允许不另行补强的最大开孔直径
4.等面积补强计算
5.接管方位
第九讲：
4.3.6支座和检查孔；4.3.7安全泄放设计；4.3.8焊接结构设计；4.3.9压力实验
1.支座
2.检查孔
3.安全泄放原理
4.安全阀
5.爆破片
6.焊接接头形式
7.坡口形式
8.压力容器焊接接头分类
9.压力容器焊接结构设计的基本原则
10.压力容器常用焊接结构设计
11.耐压试验与气密性试验
12.试验压力及应力校核
第十讲：
4.4分析设计（DesignbyAnalysis）
1.常规设计的局限性
2.压力容器的应力分类
3.应力强度计算
4.应力强度限制
5.分析设计的应用
第十一讲：
4.5疲劳分析；4.6压力容器设计技术进展
1.低循环疲劳曲线
2.压力容器的疲劳设计
3.影响疲劳寿命的其它因素
4.压力容器的可靠性设计
5.压力容器的优化设计
6.压力容器的计算机辅助设计
二、教学目的及要求
第一讲：
4.1概述；4.2设计准则
1.了解压力容器设计的基本知识；
2.掌握压力容器设计文件应包含的基本内容；
3.了解压力容器设计的各种失效准则，重点掌握强度和稳定性失效设计准则
第二讲：
4.3.1概述；4.3.2圆筒设计
（一）
1.了解压力容器设计思想
2.了解厚壁圆筒的各种结构型式及特点
3.掌握内压圆筒的强度设计方法及设计技术参数的确定
第三讲：
4.3.2圆筒设计
（二）
1.理解求取外压圆筒的许用压力的解析法
2.掌握外压圆筒许用压力图算法原理
3.掌握外压圆筒许用压力工程设计方法
4.掌握圆筒体轴向许用压应力
第四讲：
4.3.2圆筒设计（三）
1.掌握外压圆筒设计参数的确定方法
2.理
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