本书在修订过程中仍保留了第4版的编排结构，以及由浅入深、内容丰富、突出基本概念和设计思想的风格，补充和修改了部分内容，更新了相关标准，章前增加了学习意义和学习目标，章中添加了动画、微课等新形态素材。
全书分绪论、压力容器部分和过程设备部分。在绪论中综合介绍过程设备特点、基本要求和设计内涵；压力容器部分包括压力容器结构、应力分析、材料及时间和环境对其性能的影响、设计准则、常规设计、分析设计、疲劳和棘轮分析等；过程设备部分包括储运设备、换热设备、塔设备和反应设备。
本书适合作为“过程装备与控制工程”专业的教材或教学参考资料，也可供其他专业选用和社会读者阅读。

郑津洋，浙江大学，中国石油和化学工业协会第五届科技图书编审委员会委员，教授、博导、所长，提出由钢带错绕筒体、双层等厚半球形封头和加强箍组成的全多层新型高压储氢容器结构，在预应力控制、氢气泄漏在线监测和报警、抗常温高压氢脆等方面有突破，使高压储氢的储存能力和安全性显著提高，研制成功拥有自主知识产权的大容积高压储氢罐（压力77MPa、容积2.5立方米）。发现了聚乙烯管道电熔接头中由微小气泡造成的冷焊特征线，揭示了特征线位置和冷焊程度间的关系，原创性地提出了一种高精度的冷焊缺陷检测新方法，解决了冷焊缺陷检测的国际难题；揭示了钢丝缠绕增强塑料复合管的力学响应特性，建立了基于寿命的设计制作方法；攻克了非线性设计、应变强化工艺、强化参数控制等关键技术，研制成功我国首台应变强化深冷容器，使容器内胆壁厚减薄40%～50%，在推广应用中产生了显著的经济效益。在朱国辉教授研究成果的基础上，创建的缠绕式承压设备优化设计理论，突破了JB1149标准的限制，被国家技术规范标准采纳，广泛应用于产品设计。 主持国家课题10项（包括863目标导向类课题、973课题等）、省部级课题7项、重大横向课题3项。主编的国家规划统编教材《过程设备设计》在全国高校同类专业中被广泛使用，使用率超过90%，获中国石油和化学工业优教材一等奖；发表学术论文200多篇，其中SCI收录30篇、EI收录71篇。

绪 论 001

1 压力容器导言 011
1.1 压力容器总体结构 012
1.1.1 压力容器基本组成 012
1.1.2 压力容器零部件间的焊接 015
1.2 压力容器分类 015
1.2.1 介质危害性 015
1.2.2 压力容器分类 016
1.3 压力容器规范标准 019
1.3.1 国外主要规范标准简介 019
1.3.2 国内主要规范标准介绍 021
思考题 025

2 压力容器应力分析 027
2.1 载荷分析 028
2.1.1 载荷 028
2.1.2 载荷工况 030
2.2 回转薄壳应力分析 030
2.2.1 薄壁圆筒的应力 031
2.2.2 回转薄壳的无力矩理论 032
2.2.3 无力矩理论的基本方程 033
2.2.4 无力矩理论的应用 036
2.2.5 回转薄壳的不连续分析 041
2.3 厚壁圆筒应力分析 047
2.3.1 弹性应力 047
2.3.2 弹塑性应力 054
2.3.3 屈服压力和爆破压力 058
2.3.4 提高屈服承载能力的措施 059
2.4 平板应力分析 060
2.4.1 概述 060
2.4.2 圆平板对称弯曲微分方程 061
2.4.3 圆平板中的应力 064
2.4.4 承受轴对称载荷时环板中的应力 068
2.5 壳体屈曲分析 069
2.5.1 概述 069
2.5.2 均布轴压圆筒的临界应力 071
2.5.3 周向受外压圆筒的临界压力 071
2.5.4 其他回转薄壳的临界压力 073
2.5.5 壳体许用临界载荷 073
2.5.6 壳体屈曲数值模拟方法 074
2.6 典型局部应力 074
2.6.1 概述 074
2.6.2 受内压壳体与接管连接处的局部应力 075
2.6.3 降低局部应力的措施 078
思考题 079
习题 079

3 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响 083
3.1 压力容器材料 084
3.1.1 压力容器常用钢材 084
3.1.2 有色金属和非金属 086
3.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响 087
3.2.1 塑性变形 087
3.2.2 焊接 089
3.2.3 热处理 092
3.3 环境对压力容器用钢性能的影响 094
3.3.1 温度 094
3.3.2 介质 099
3.3.3 加载速率 103
3.4 压力容器材料选择 103
3.4.1 压力容器用钢的基本要求 103
3.4.2 压力容器钢材的选择 105
思考题 107

4 压力容器设计 109
4.1 概述 110
4.1.1 设计要求 110
4.1.2 设计文件 111
4.1.3 设计条件 111
4.2 设计准则 112
4.2.1 压力容器失效 112
4.2.2 强度失效设计准则 115
4.2.3 刚度失效设计准则 118
4.2.4 屈曲失效设计准则 119
4.2.5 泄漏失效设计准则 119
4.3 常规设计 119
4.3.1 概述 119
4.3.2 圆筒设计 122
4.3.3 封头设计 139
4.3.4 密封装置设计 149
4.3.5 开孔和开孔补强设计 171
4.3.6 支座和检查孔 178
4.3.7 超压泄放装置 180
4.3.8 焊接结构设计 183
4.3.9 耐压试验 188
4.3.10 泄漏试验 190
4.4 分析设计 191
4.4.1 概述 191
4.4.2 公式法 192
4.4.3 应力分类法 194
4.4.4 弹塑性分析法 206
4.5 疲劳和棘轮分析 208
4.5.1 概述 208
4.5.2 压力容器疲劳设计曲线 209
4.5.3 基于线弹性分析的疲劳失效评定 213
4.5.4 基于线弹性分析的热应力棘轮失效评定 216
4.5.5 基于弹塑性分析的疲劳和棘轮失效评定 218
4.5.6 影响疲劳寿命的其他因素 219
4.6 压力容器设计技术进展 220
4.6.1 可靠性设计 220
4.6.2 优化设计 220
4.6.3 基于失效模式设计 221
思考题 221
习题 222

5 储运设备 225
5.1 概述 226
5.1.1 介质特性 226
5.1.2 大充装量 226
5.1.3 环境对设计参数的影响 227
5.2 固定式储罐的结构 227
5.2.1 卧式圆柱形储罐 227
5.2.2 立式平底筒形储罐 229
5.2.3 球形储罐 231
5.2.4 低温储罐 235
5.3 卧式储罐设计 236
5.3.1 支座结构及布置 236
5.3.2 设计计算 238
5.4 移动式压力容器 249
5.4.1 汽车罐车 249
5.4.2 长管拖车 252
思考题 253
习题 253

6 换热设备 255
6.1 概述 256
6.1.1 换热设备的应用 256
6.1.2 换热设备分类及其特点 257
6.1.3 换热器选型 265
6.1.4 换热器相关技术发展动向 266
6.2 管壳式换热器 266
6.2.1 基本类型 267
6.2.2 管壳式换热器结构 269
6.2.3 管板设计 278
6.2.4 膨胀节设计 280
6.2.5 管束振动和防止 281
6.2.6 设计方法 283
6.3 传热强化技术 284
6.3.1 传热强化概述 285
6.3.2 扩展表面及内插件强化传热 287
6.3.3 壳程强化传热 291
思考题 293

7 塔设备 295
7.1 概述 296
7.1.1 塔设备的应用 296
7.1.2 塔设备的选型 297
7.2 填料塔 299
7.2.1 填料 300
7.2.2 填料塔内件的结构设计 304
7.3 板式塔 311
7.3.1 板式塔的分类 311
7.3.2 板式塔的结构 312
7.3.3 板式塔塔盘的结构 317
7.4 塔设备的附件 324
7.4.1 除沫器 324
7.4.2 裙座 326
7.4.3 吊柱 327
7.5 塔的强度设计 327
7.5.1 塔的固有周期 328
7.5.2 塔的载荷分析 331
7.5.3 筒体的强度及稳定性校核 338
7.5.4 裙座的强度及稳定性校核 339
7.6 塔设备的振动 341
7.6.1 风的诱导振动 341
7.6.2 塔设备的防振 344
思考题 345

8 反应设备 347
8.1 概述 348
8.1.1 反应设备的应用 348
8.1.2 反应设备的分类与特征 348
8.1.3 常见反应设备的特点 349
8.2 机械搅拌反应设备 353
8.2.1 基本结构 353
8.2.2 搅拌容器 354
8.2.3 搅拌器 358
8.2.4 搅拌轴设计 368
8.2.5 密封装置 371
8.2.6 传动装置 377
8.2.7 机械搅拌设备技术进展 378
8.3 微反应器 381
8.3.1 概述 381
8.3.2 微/ 纳反应器 382
8.3.3 微反应器的加工制造 383
8.3.4 微反应器的发展前景 386
思考题 387
习题 387

附录A 压力容器设计常用标准 388

附录B 过程设备设计图样的表达特点和设计实例 392

附录C 中英文术语对照 402

附录D 压力容器材料 406

附录E 过程设备设计常用网站 414

参考文献 415

排名靠前版序
按照国际标准化组织的认定（ISO/DIS 9000：2000），社会经济过程中的全部产 品通常分为四类，即硬件产品（hardware）、软件产品（software）、流程性材料产品（processed material）和服务型产品（service）。在新世纪初，世界上各主要发达国家和我国都已把“先进制造技术”列为优先发展的战略性高技术之一。先进制造技术主要是指硬件产品的先进制造技术和流程性材料产品的先进制造技术。所谓“流程性材料”是指以流体（气、液、粉粒体等）形态为主的材料。
过程工业是加工制造流程性材料产品的现代国民经济的支柱产业之一。成套过程装置则是组成过程工业的工作母机群，它通常是由一系列的过程机器和过程设备，按一定的流程方式，用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统，再配以必要的控制仪表和设备，即能平稳连续地让以流体为主的各种流程性材料在装置内部经历必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性材料产品。单元过程设备（如塔、换热器、反应器与储罐等）与单元过程机器（如压缩机、泵与分离机等）二者统称为过程装备。为此，有关涉及流程性材料产品先进制造技术的主要研究发展领域应该包括以下几个方面：①过程原理与技术的创新；②成套装置流程技术的创新；③过程设备与过程机器——过程装备技术的创新；④过程控制技术的创新。于是把过程工业需要实现的佳技术经济指标：高效、节能、清洁和安全不断推向新的技术水平，确保该产业在国际上的竞争力。
过程装备技术的创新，其关键首先应着重于装备内件技术的创新，而其内件技术的创新又与过程原理和技术的创新以及成套装置工艺流程技术的创新密不可分，它们互为依托，相辅相成。这一切也是流程性产品先进制造技术与一般硬件产品的先进制造技术的重大区别所在。另外，这两类不同的先进制造技术的理论基础也有着重大的区别，前者的理论基础主要是化学、固体力学、流体力学、热力学、机械学、化学工程与工艺学、电工电子学和信息技术科学等，而后者则主要侧重于固体力学、材料与加工学、机械机构学、电工电子学和信息技术科学等。
“过程装备与控制工程”本科专业在新世纪的根本任务是为国民经济培养大批优秀的能够掌握流程性材料产品先进制造技术的高级专业人才。
四年多来，教学指导委员会以邓小平同志提出的“教育要面向现代化，面向世界，面向未来”的思想为指针，在广泛调查研讨的基础上，分析了国内外化工类与机械类高等教育的现状、存在的问题和未来的发展，向教育部提出了把原“化工设备与机械”本科专业改造建设为“过程装备与控制工程”本科专业的总体设想和专业发展规划建议书，于1998年3月获得教育部的正式批准，设立了“过程装备与控制工程”本科专业。以此为契机，教学指导委员会制订了“高等教育面向21世纪‘过程装备与控制工程’本科专业建设与人才培养的总体思路”，要求各院校从转变传统教育思想出发，拓宽专业范围，以培养学生的素质、知识与能力为目标，以发展先进制造技术作为本专业改革发展的出发点，重组课程体系，在加强通用基础理论与实践环节教学的同时，强化专业技术基础理论的教学，削减专业课程的分量，淡化专业技术教学，从而较大幅度地减少总的授课时数，以拓展学生自学、自由探讨和发展的空间，有利于逐步树立本科学生勇于思考与创新的精神。
高质量的教材是培养高素质人才的重要基础，因此组织编写面向21世纪的6种迫切需要的核心课程教材，是专业建设的重要内容。同时，还编写了6种选修课程教材。教学指导委员会明确要求教材作者以“教改”精神为指导，力求新教材从认知规律出发，阐明本课程的基本理论与应用及其现代进展，做到新体系、厚基础、重实践、易自学、引思考。新教材的编写实施主编负责制，主编都经过了投标竞聘，专家择优选定的过程，核心课程教材在完成主审程序后，还增设了审定制度。为确保教材编写质量，在开始编写时，主编、教学指导委员会和化学工业出版社三方面签订了正式出版合同，明确了各自的责、权、利。
“过程装备与控制工程”本科专业的建设将是一项长期的任务，以上所列工作只是一个开端。尽管我们在这套教材中，力求在内容和体系上能够体现创新，注重拓宽基础，强调能力培养，但是由于我们目前对教学改革的研究深度和认识水平所限，必然会有许多不妥之处。为此，恳请广大读者予以批评和指正。

全国高等学校化工类及相关专业教学指导委员会
副主任委员兼化工装备教学指导组组长
大连理工大学 博士生导师
丁信伟 教授
2001年3月于大连


代序
过程装备与控制工程学科的研究方向、趋势和前沿
人类的主要特点是能制造工具，富兰克林曾把人定义为制造工具的动物。通过制造和使用工具，人把自然物变成他的活动器官，从而延伸了他的肢体和感官。人们制造和使用工具，有目的、有计划地改造自然、变革自然，才有了名副其实的生产劳动。
现代人越来越依赖高度机械化、自动化和智能化的产业来创造财富，因此必然要创造出现代化的工业装备和控制系统来满足生产的需要。流程工业是加工制造流程性材料产品的现代国民经济支柱产业之一，必然要求越来越高度机械化、自动化和智能化的过程装备与控制工程。如果说制造工具是原始人与动物区别的zui主要标志，那么就可以说，现代过程装备与控制系统是现代人类文明的zui主要标志。
工程是人类将现有状态改造成所需状态的实践活动，而工程科学是关于工程实践的科学基础。现代工程科学是自然科学和工程技术的桥梁。工程科学具有宽广的研究领域和学科分支，如机械工程科学、化学工程科学、材料工程科学、信息工程科学、控制工程科学、能源工程科学、冶金工程科学、建筑与土木工程科学、水利工程科学、采矿工程科学和电子/ 电气工程科学等。
现代过程装备与控制工程是工程科学的一个分支，严格地讲它并不能完全归属于上述任何一个研究领域或学科。它是机械、化学、电、能源、信息、材料工程乃至医学、系统学等学科的交叉学科，是在多个大学科发展的基础上交叉、融合而出现的新兴学科分支，也是生产需求牵引、工程科技发展的必然产物。显而易见，过程装备与控制工程学科具有强大的生命力和广阔的发展前景。
学科交叉、融合和用信息化改造传统的“化工设备与机械”学科产生了过程装备与控制工程学科。化工设备与机械专业是在新中国成立初期向苏联学习，在我国几所高校首先设立后发展起来的，半个世纪以来，毕业生几乎一直供不应求，为我国社会主义建设输送了大批优秀工程科技人才。1998年3月教育部应上届教学指导委员会建议正式批准建立了“过程装备与控制工程”学科。这一学科在美欧等国家本科和研究生专业目录上是没有的，在我国已有60多所高校开设这一专业，是适合我国国情，具有中国特色的一门新兴交叉学科。其主要特点如下。
（1）过程装备 与生产工艺即加工流程性材料紧密结合，有其独特的过程单元设备和工程技术，如混合工程、反应工程、分离工程及其设备等，与一般机械设备完全不同，有其独特之处。
（2）控制工程 对过程装备及其系统的状态和工况进行监测、控制，以确保生产工艺有序稳定运行，提高过程装备的可靠度和功能可利用度。
（3）过程装备与控制工程 是指机、电、仪一体化连续的复杂系统，它需要长周期稳定运行；并且系统中的各组成部分（机泵、过程单元设备、管道、阀、监测仪表、计算机系统等）均互相关联、互相作用和互相制约，任何一点发生故障都会影响整个系统；又由于加工的过程材料有些易燃易爆、有毒或是加工要在高温、高压下进行，系统的安全可靠性十分重要。
过程装备与控制工程的上述特点就决定了其学科研究的领域十分宽广，一是要以机电工程为主干与工艺过程密切结合，创新单元工艺装备；二是与信息技术和知识工程密切结合，实现智能监控和机电一体化；三是不仅研究单一的设备和机器，而且更主要的是要研究与过程生产融为一体的机、电、仪连续复杂系统，在工程上就是要设计建造过程工业大型成套装备。因此，要密切关注其他学科的新的发展动向，博采众长、集成创新，把诸多学科新研究成果之他山之石为我所用；同时要以现代系统论（Systemics）和耗散结构理论为指导，研究本学科过程装备与控制工程复杂系统独特的工程理论，不断创新和发展过程装备与控制工程学科是我们的重要研究方向。
我国科技部和国家自然科学基金委员会在21 世纪初发表了《中国基础学科发展报告》，其中分析了世界工程科学研究的发展趋势和前沿，这也为过程装备与控制工程学科的发展指明了方向，值得借鉴和参考。
（1）全生命周期的设计/ 制造正成为研究的重要发展趋势。由过去单纯考虑正常使用的设计，前后延伸到考虑建造、生产、使用、维修、废弃、回收和再利用在内的全生命周期的综合决策。
过程装备的监测与诊断工程、绿色再制造工程和装备的全寿命周期费用分析、安全和风险评估等正在流程工业开始得到应用。工程科技界已开始移植和借鉴现代医学与疾病作斗争的理论和方法，去研究过程装备故障自愈调控（Fault Self-recovering Regulation），探讨装备医工程（Plant Medical Engineering）理论。
（2）工程科学的研究尺度向两极延伸。过程装备的大型化是多年发展方向，近年来又有向小型化集成化发展的趋势。
（3）广泛的学科交叉、融合，推动了工程科学不断深入、不断精细化，同时也提出了更高的前沿科学问题，尤其是计算机科学和信息技术的发展冲击着每个工程科学领域，影响着学科的基础格局。过程装备与控制工程学科的发展也必须依靠学科交叉和信息化，改变传统的生产观念和生产模式，过程装备复杂系统的监控一体化和数字化是发展的必然趋势。
（4）产品的个性化、多样化和标准化已经成为工程领域竞争力的标志，要求产品更精细、灵巧并满足特殊的功能要求。产品创新和功能扩展/ 强化是工程科学研究的首要目标，柔性制造和快速重组技术在大流程工业中也得到了重视。
（5）先进工艺技术得到前所未有的广泛重视，如精密、高效、短流程、敏捷制造、虚拟制造等先进制造技术对机械、冶金、化工、石油等制造工业产生了重要影响。
（6）可持续发展的战略思想渗透到工程科学的多个方面，表现了人类社会与自然相协调的发展趋势。制造工业和大型工程建设都面临着资源有限和环境破坏等迫切需要解决的难题，从源头控制污染的绿色设计和制造系统为今后发展的主要趋势之一。
众所周知，过程工业是国民经济的支柱产业；是发展经济提高我国国际竞争力的不可缺少的基础；过程工业是提高人民生活水平的基础；过程工业是保障国家安全、打赢现代战争的重要支撑，没有过程工业就没有强大的国防；过程工业是实现经济、社会发展与自然相协调从而实现可持续发展的重要基础和手段。因而，过程装备与控制工程在发展国民经济中的重要地位是显而易见的。
新中国成立以来，特别是改革开放以来，中国的制造业得到蓬勃发展。中国的制造业和装备制造业的工业增加值已居世界第四位，仅次于美国、日本和德国。但中国制造业的劳动生产率远低于发达国家，约为美国的5.76%、日本的5.35%、德国的7.32%。其中zui主要原因是技术创新能力十分薄弱，基本上停留在仿制，实现国产化的低层次阶段。从20世纪70年代末，中国大规模、全方位地引进国外技术和进口国外设备，但没做好引进技术装备的消化、吸收和创新，没有同时加快装备制造业的发展，因此，步入引进—落后—再引进的怪圈。以石油化工设备为例，20年来，化肥生产企业先后共引进31套合成氨装置、26套尿素装置、47套磷复肥装置，总计耗资48亿美元；乙烯生产企业先后引进18套乙烯装置，总计耗资200亿美元。因此，要振兴我国的装备制造业，必须变“国际引进型”为“自主集成创新型”，这是历史赋予我们过程装备与控制工程教育和科技工作者的历史重任。过程装备与控制工程学科的发展不仅仅要发表EI、SCI文章，而且要十分重视发明专利和标准，也要重视工程实践，实现产、学、研相结合。这样才能为结束我国过程装备“出不去，挡不住”的局面做出应有的贡献。
过程装备与控制工程是应用科学和工程技术，这一学科的发展会立竿见影，直接促进国民经济的发展。过程装备的现代化也会促进机械工程、材料工程、热能动力工程、化学工程、电子/ 电气工程、信息工程等工程技术的发展。我们不能只看到过程装备与控制工程是一个新兴的学科，是博采诸多自然科学学科的成果而综合集成的一项工程科学技术，而忽略了反过来的一面，一个反馈作用，也就是过程装备与控制工程学科也应对自然科学的发展做出应有的贡献。
实际上，早在18世纪末期，自然科学的研究就超出了自然界，从而包括了整个世界，即自然界和人工自然物。过程装备与控制工程属人工自然物，它也理所当然是自然科学研究的对象之一。工程科学能把过程装备与控制工程在工程实践中的宝贵经验和初步理论精练成具有普遍意义的规律，这些工程科学的规律就可能含有自然科学里现在没有的东西。所以对工程科学研究的成果即工程理论加以分析，再加以提高就可能成为自然科学的一部分。钱学森先生曾提出：“工程控制论的内容就是完全从实际自动控制技术总结出来的，没有设计和运用控制系统的经验，绝不会有工程控制论。也可以说工程控制论在自然科学中是没有它的祖先的。”因此，对现代过程装备与工程的研究也有可能创造出新的工程理论，为自然科学的发展做出贡献。
过程装备与控制工程学科的发展历史性地落在我们这一代人的肩上，任重道远。我们深信，经过一代又一代人的努力奋斗，过程装备与控制工程这一新兴学科一定会兴旺发达，不但会为国民经济的发展建功立业，而且会为自然科学的发展做出应有的贡献。
高质量的精品教材是培养高素质人才的重要基础，因此编写面向21世纪的迫切需要的过程装备与控制工程“十五”规划教材，是学科建设的重要内容。遵照教育部《关于“十五”期间普通高等教育教材建设与改革的意见》，以邓小平理论为指导，全面贯彻国家的教育方针和科教兴国战略，面向现代化、面向世界、面向未来，充分发挥高等学校在教材建设中的主体作用，在有关教师和教学指导委员会委员的共同努力下，过程装备与控制工程的“十五”规划教材陆续与广大师生和工程科技界读者见面了。这套教材力求反映近年来教学改革成果，适应多样化的教学需要；在选择教材内容和编写体系时注意体现素质教育和创新能力和实践能力的培养，为学生知识、能力、素质协调发展创造条件。在此向所有为这些教材问世付出辛勤劳动的人们表示诚挚的敬意。
教材的建设往往滞后于教学改革的实践，教材的内容很难包含新的科研成果，这套教材还要在教学和教改实践中不断丰富和完善；由于对教学改革研究深度和认识水平都有限，在这套书中不妥之处在所难免。为此，恳请广大读者予以批评指正。

教育部高等学校机械学科教学指导委员会副主任委员
过程装备与控制工程专业教学指导分委员会主任委员
北京化工大学教授
中国工程院院士
2003年5月于北京