篇  過程容器

1壓力容器設計概述 002

1.1壓力容器及其分類 002

1.1.1壓力容器及其構成 002

1.1.2壓力容器的分類 002

1.2壓力容器的設計要求 004

1.3壓力容器材料及選擇 005

1.3.1壓力容器用鋼 005

1.3.2對壓力容器用鋼的要求 006

1.3.3壓力容器用鋼的選擇 007

1.4壓力容器規範簡介 007

1.4.1國外壓力容器規範 008

1.4.2我國壓力容器規範 008

思考題 010



2壓力容器應力分析 011

2.1中低壓容器應力分析 011

2.1.1壓力容器的薄膜應力 011

2.1.2壓力容器的邊緣應力 016

2.2圓筒形高壓容器應力分析 018

2.2.1彈性應力分析 018

2.2.2彈塑性應力分析 021

2.2.3溫差應力分析 023

2.2.4機械應力與熱應力的綜合應力 025

2.3圓形平蓋封頭應力分析 026

2.3.1定解方程及求解 026

2.3.2變形及應力分布特點 030

2.4壓力容器局部應力分析 031

2.4.1局部應力及分析方法 031

2.4.2平板開小孔的應力集中 032

2.4.3壓力容器開小孔的應力集中 035

2.4.4壓力容器開孔接管的應力集中 036

思考題 038



3壓力容器常規設計 039

3.1圓筒形容器筒體的強度設計 040

3.2壓力容器封頭的強度設計 041

篇過程容器

3.2.1半球形封頭 041

3.2.2橢圓形封頭 042

3.2.3碟形封頭 043

3.2.4球冠形封頭 044

3.2.5錐形封頭 046

3.2.6平蓋封頭 046

3.3法蘭連接及密封設計 048

3.3.1法蘭密封及失效 048

3.3.2法蘭密封設計 051

3.3.3法蘭強度設計 058

3.4開孔接管及補強設計 060

3.4.1補強結構與設計規則 061

3.4.2等面積補強設計 062

3.5容器支座的結構與選型 064

3.5.1懸掛式支座 065

3.5.2支承式支座 066

3.5.3鞍式支座 067

3.6外壓容器穩定性設計 068

3.6.1圓環的穩定性分析 068

3.6.2圓柱形筒體的穩定性分析 069

3.6.3外壓圓筒的設計計算 071

3.6.4外壓封頭的設計計算 075

3.6.5加強圈設計 076

3.7設計參數及壓力試驗 079

3.7.1設計參數 079

3.7.2壓力試驗 082

思考題 083



4壓力容器分析設計 085

4.1分析設計概述 085

4.1.1常規設計的局限性 085

4.1.2分析設計的基本思想 086

4.1.3分析設計與常規設計的規範比較 087

4.2應力特性 087

4.2.1中低壓容器 088

4.2.2高壓容器 088

4.2.3平蓋封頭 090

4.2.4殼體不連續區 090

4.2.5容器支座區 091

4.2.6容器接管區 092

4.2.7容器熱應力 093

4.3應力分類 094

4.3.1一次應力 095

4.3.2二次應力 095

4.3.3峰值應力 095

4.4應力評定 097

4.4.1應力強度 097

4.4.2應力強度設計限制 099

4.4.3極限載荷設計概念 101

4.4.4結構安定性概念 104

4.4.5疲勞分析設計準則 105

思考題 107



5高壓容器設計 108

5.1高壓容器設計概述 108

5.1.1高壓容器的結構特點 108

5.1.2高壓容器的材料特點 109

5.1.3高壓容器筒體的結構型式 110

5.2高壓圓筒的強度設計 114

5.2.1高壓圓筒強度設計準則 114

5.2.2單層高壓圓筒的強度計算 116

5.2.3多層高壓圓筒的強度計算 117

5.3高壓容器的密封結構 118

5.3.1強制式密封 118

5.3.2自緊式密封 119

5.3.3高壓管道密封 122

5.4高壓容器的自增強技術 123

5.4.1自增強技術原理 123

5.4.2自增強處理壓力 123

5.4.3自增強處理應力 123

5.4.4自增強處理半徑 125

5.4.5自增強處理方法 125

思考題 126



6球形儲罐設計 127

6.1概述 127

6.1.1球罐的特點 127

6.1.2球罐分類 128

6.1.3球罐的設計內容 128

6.2球罐殼體設計 129

6.2.1桔瓣式球殼的設計 129

6.2.2足球瓣式和混合式球殼與強度設計 132

6.3球罐支座設計 133

6.3.1赤道正切柱式支座設計 133

6.3.2其他型式的支座結構 136

6.4人孔、接管及附件設計 139

6.4.1人孔結構 139

6.4.2接管結構 140

6.4.3球罐附件 141

6.5球罐的抗震結構設計 142

6.5.1球罐抗震結構設計的一般要求 142

6.5.2球罐抗震設計的方法與措施 143

思考題 145



第二篇過程機器

7壓縮機 148

7.1壓縮機的類型及應用 148

7.1.1壓縮機的分類及比較 148

7.1.2壓縮機的應用 151

7.2往復活塞式壓縮機 151

7.2.1往復活塞式壓縮機基本原理 151

7.2.2往復活塞式壓縮機的調節與控制 163

7.2.3往復活塞式壓縮機的典型結構及零部件 166

7.2.4往復活塞式壓縮機的選型 172

7.3離心式壓縮機 175

7.3.1離心式壓縮機基本原理 175

7.3.2離心式壓縮機的工作特性及調節 183

7.3.3相似理論在離心式壓縮機中的應用 185

7.3.4離心式壓縮機主要零部件 187

7.3.5離心式壓縮機的選型 189

7.4其他壓縮機 191

7.4.1螺杆式壓縮機 192

7.4.2單螺杆式壓縮機 193

7.4.3滾動活塞式壓縮機 193

7.4.4滑片式壓縮機 194

7.4.5液環式壓縮機 194

7.4.6渦旋式壓縮機 194

7.4.7軸流式壓縮機 195

7.4.8軸流離心混合式壓縮機 195

思考題 195

討論題 197



8風機 199

8.1風機的類型及性能參數 199

8.1.1風機的類型 199

8.1.2風機的性能參數 200

8.2離心式風機 203

8.2.1離心式風機的工作原理 203

8.2.2離心式風機的工作特性及調節 204

8.2.3相似理論在離心式風機中的應用 209

8.2.4離心式風機的主要零部件 209

8.2.5離心式風機的選型 210

8.3軸流式風機 213

8.3.1軸流式風機的結構及工作原理 213

8.3.2軸流式風機的特點及性能曲線 214

8.3.3軸流式風機的調節 215

8.3.4軸流式風機的選型 215

8.4其他風機 216

8.4.1羅茨鼓風機與葉氏鼓風機 216

8.4.2橫流式通風機 218

8.4.3筒形離心式風機 218

思考題 219



9制冷機 220

9.1概述 220

9.1.1制冷機的基本原理及分類 220

9.1.2制冷劑和載冷劑 221

9.1.3潤滑油 222

9.2活塞式制冷機 222

9.2.1活塞式制冷機的壓縮循環 223

9.2.2活塞式制冷機制冷循環的工作參數 224

9.2.3活塞式制冷壓縮機的選型指南 226

9.2.4活塞式制冷機的制冷熱交換設備 229

9.2.5活塞式制冷機的輔機繫統 230

9.2.6活塞式制冷機組 235

9.3螺杆式制冷機 236

9.3.1螺杆式制冷壓縮機的性能參數及調節 236

9.3.2螺杆式制冷機的形式及參數 238

9.3.3螺杆式制冷機的選型指南 239

9.4離心式制冷機 242

9.4.1離心式制冷機的特點及應用 242

9.4.2離心式制冷機的基本組成和制冷循環 243

9.4.3離心式制冷機的選型指南 243

9.5吸收式制冷機 246

9.5.1溴化鋰吸收式制冷機 246

9.5.2氨- 水吸收式制冷機 250

9.6其他低溫制冷機 250

9.6.1斯特林制冷機 250

9.6.2維勒米爾制冷機 251

9.6.3磁性制冷機 251

9.6.4吸附制冷機 251

9.6.5氣波制冷機 252

思考題 252



10泵 253

10.1泵的類型及應用 253

10.1.1泵的類型 253

10.1.2泵的應用 254

10.2離心泵 255

10.2.1離心泵的基本結構與工作原理 255

10.2.2離心泵的操作與調節 258

10.2.3相似理論在離心泵中的應用 262

10.2.4離心泵的主要零部件 266

10.2.5離心泵的選型 268

10.3其他葉片式泵 274

10.3.1軸流泵和混流泵 274

10.3.2旋渦泵 275

10.4容積式泵 276

10.4.1概述 276

10.4.2往復泵 277

10.4.3轉子泵 279

10.5計量泵 281

10.6真空泵 282

10.6.1真空泵的性能指標 282

10.6.2各類真空泵的工作範圍及特征 283

10.6.3真空泵的選型 284

思考題 284



11離心機 285

11.1離心分離的基本知識 285

11.1.1離心力場的基本特性 285

11.1.2離心機的分類 288

11.1.3原料液的特性 290

11.1.4原料液的預處理 290

11.2過濾式離心機 291

11.2.1各種過濾式離心機的特點及應用 291

11.2.2過濾式離心機的生產能力 294

11.3沉降式離心機 295

11.3.1各種沉降式離心機的特點及應用 295

11.3.2沉降式離心機的生產能力 296

11.4分離機 297

11.4.1各種分離機的特點及應用 297

11.4.2分離機的生產能力 301

11.5離心機功率的確定 301

11.6離心機的主要零部件 301

11.6.1轉鼓 301

11.6.2過濾式離心機濾網 302

11.6.3主軸及支承 302

11.7離心機的選型 302

11.7.1離心機型號的編制 302

11.7.2選型原則 304

11.7.3選型指南 305

11.8其他分離機械 308

11.8.1旋液分離器 308

11.8.2重力過濾機 308

11.8.3加壓過濾機 309

11.8.4真空過濾機 309

思考題 309



12過程機器的安全可靠性 310

12.1高速轉子軸的臨界轉速 310

12.1.1轉軸的臨界轉速 310

12.1.2臨界轉速的計算 311

12.2機器的振動及隔振 311

12.2.1隔振的基本原理 311

12.2.2隔振器及其布置 313

12.3高速轉盤和轉鼓的強度 314

12.3.1高速轉盤的強度 314

12.3.2高速轉鼓的強度 315

12.4機器的故障診斷 316

12.5流體密封技術 318

12.5.1往復運動式軸密封 318

12.5.2旋轉式軸密封 319

12.5.3干氣密封 322

12.5.4浮環密封裝置 323

思考題 323



參考文獻 324

《過程機械》教材自 2002 年首次出版以來，已經二十年了，先後被評為普通高等 教育“十一五”和“十二五”規劃教材。本書為流程型工業制造生產裝備的設計、制造、選用、運維等提供了專業基礎知識和基本設計準則，也為過程裝備與控制、化學工程與工藝、安全工程、環境工程、生物工程、制藥工程等專業本科人纔培養教學體繫和教材體繫的建設起到了很大作用。同時為大連理工大學過程裝備與控制工程一流專業建設提供支撐。

本教材的內容力圖避免“窄”“專”“深”“偏”，強化了專業知識繫統化、全面化、實用化的特點，注重專業能力、綜合能力、創新能力和繫統地解決復雜工程問題能力的培養。對過程機械中涉及的標準化通用機械、非標準化定型裝備、非標準化非定型裝備的內容各有側重，分別介紹過程機械的理論分析與應用、結構設計與方法、工作原理與選型、裝備創新與研發等內容，重點突出本課程在專業教學體繫中的課程定位、教學內容和目標要求。本教材中不再重復介紹有關數學和自然科學以及專業基礎課程中所涉及的知識內容，而是將重點放在基礎知識的應用及其求解結果的討論上，同時給出相應的參考文獻，供教材使用者進一步擴充知識、深化研究、拓展能力。

近年來，隨著新工科的發展，過程機械在新能源、新材料、新工藝、新裝備、維納過程、綠色生產、互聯網 、智能制造、流程控制、變革性技術、工況、安全環保等領域實現了學科知識體繫的再交叉、再融合、再創新、再創造，過程機械的創

新設計和實踐應用等都發生了較大變化，其教材內容也需要做出相應調整，以適應現代過程機械的設計、制造和運維水平，適當反映學科體繫的創新發展和知識體繫的更新迭代。

基於以上過程機械的發展態勢，在第二版編寫過程中，對本教材版上、下冊的內容進行了重新整合，把版上冊中相關的傳熱和傳質過程設備等進行刪減，保留了以過程容器為代表的“靜設備”和以過程機器為代表的“動設備”兩部分內容，分別設為上、下兩篇，上篇為過程容器，下篇為過程機器。至於以傳熱、傳質、流動和反應過程設備為代表的“三傳一反”過程設備，因其種類繁多，類型各異，工程上更主要從工藝、效率和結構的角度強調優化設計和創新設計，更適合與工藝過程相結合進行教學體繫和教材體繫配套建設，而過程設備的力學分析和機械設計基本理論和設計方法，大都在過程容器和過程機器中得以體現。因此，過程設備的內容未再納入本教材中。

本教材第二版的編寫力求內容精煉實用，重點考慮了不同類型人纔培養對專業課程教材內容適配性、開放性、靈活性和挑戰性的不同要求。本教材的選用者可根據各自培養類型的差異，對教材內容進行取舍，並可按相關聯的教學內容進行深化。同時，本教材還增加了一些過程機械相關的微課、課件、三維動畫等數字化內容和素材（獲得方式見封底），使學生能夠直觀了解過程機械的類型結構、制造過程和運行狀態等，進一步增加學生的學習興趣。

本教材第二版由劉志軍和李志義編著並統稿，劉鳳霞和王澤武分別參與了過程機器和過程容器的編寫和修訂工作。本教材每章均附有教學目標，後附有思考題，其中一些思考題保留了原來的開放性和探索性，可引導學生在掌握本教材基本內容的同時，進行更深入、更廣泛的探討。機械類專業過程裝備與控制工程專業教學指導分委員會、大連理工大學教務處和大連理工大學化工學院化工機械與安全繫對本教材的再版給予了大力支持，在此表示感謝。

由於編著者水平有限，本教材內容不當之處敬請各位專家和學者批評指正。



編著者

2022 年4 月

於大連理工大學