化工設(shè)備設(shè)計

1、課程設(shè)計題目：壓力容器設(shè)計院系：化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院專業(yè)：化學(xué)工程與工藝班級:1121001姓名：朱曉琳學(xué)號：0116設(shè)計說明書1 .設(shè)計課題：液氨儲罐的機械設(shè)計2 .已知工藝參數(shù)如下：公稱直徑：DN=2500nm；筒體長度（不含封頭）：Lo=4600mmo取最高使用溫度：50查表可知50c時液氨的飽和蒸汽壓為 P=（絕對壓力）此壓力即為容器的最 大工作壓力。容器的設(shè)計壓力應(yīng)該高于其最大工作壓力，對于裝有安全閥的容器， 其設(shè)計壓力不得低于安全閥的開啟壓力，安全閥的開啟壓力是根據(jù)容器最大工作 壓力調(diào)定，據(jù)此，取最大壓力的倍作為容器的設(shè)計壓力，則設(shè)計壓力p=x （）=（表壓）,取p=（表壓）。3

2、 .材料結(jié)構(gòu)的選擇與論證材料的選擇鋼材根據(jù)化學(xué)成分，壓力容器用鋼可分為碳素鋼、低合金鋼和高合金鋼。在設(shè)計和制造化工容器時，選擇容器用鋼必須綜合考慮：容器的操作條件， 材料的使用性能，材料的加工工藝性能，經(jīng)濟的 合理性。并且必須 符合GB150-1988鋼制壓力容器的要求。由于設(shè)計要求最高使用溫度：T=50C,設(shè)計壓力P二（表壓），液氨低腐蝕， 該容器屬于中壓、低溫范疇，同時溫度和壓力有波動。對材料的要求應(yīng)是耐壓， 耐低溫，且抗壓力波動。根據(jù)選材原則優(yōu)先考慮16MnR 15MnVR 15MnTi等鋼材。 再考慮到經(jīng)濟性選擇16MnM設(shè)計容器筒體和封頭所用鋼材。在 GB 150鋼制 壓力容器中，對

3、鋼板、鍛件、緊固件均規(guī)定了材料的許用應(yīng)力，16MnR勺許用應(yīng)力見表3-1。表壓力容器用16MnR鋼板的許用應(yīng)力井常溫強度指標(biāo)鋼號鋼板標(biāo)準(zhǔn)使用狀態(tài)厚度bbbsmmMPa MPa在卜列溫度（C）卜的需用應(yīng)力/MPa<201001506 1651034516MnR GB 6654 熱軋，正火 >1636490325>36 60470305170170170163163163157157157優(yōu)質(zhì)低碳鋼的強度較低，塑性好，焊接性能好，因此在化工設(shè)備制造中常用作熱交換器列管、設(shè)備接管、法蘭的墊片包皮優(yōu)質(zhì)中碳鋼的強度較高，韌性較好，但焊接性能較差，不宜用作接管用鋼。由于接管要求焊接性能好

4、且塑性好。故選擇 10號優(yōu)質(zhì)低碳鋼的普通無縫鋼管制 作各型號接管。由于法蘭必須具有足夠大的強度和剛度， 以滿足連接的條件，使之能夠密封 良好，選擇相應(yīng)的鋼材。結(jié)構(gòu)選擇與論證貯罐結(jié)構(gòu)形式的選擇貯罐的結(jié)構(gòu)形式主要有臥式貯罐、立式貯罐和球形貯罐。根據(jù)設(shè)計要求，作 為儲存液氨的容器一般選用地面臥式儲罐，主要由筒體、封頭和支座組成。封頭的選擇及其材料的選擇封頭有多種形式，半球形封頭就單位容積的表面積來說為最小， 需要的厚度 是同樣直徑圓筒的二分之一，從受力來看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式，但缺 點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較 大。橢圓形封頭的應(yīng)力情況不如半球形封頭

5、均勻，但對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭與厚度 相等的筒體連接時，可以達(dá)到與筒體等強度。它吸取了蝶形封頭深度淺的優(yōu)點， 用沖壓法易于成形，制造比球形封頭容易，所以選擇橢圓形封頭，結(jié)構(gòu)由半個橢 球面和一圓柱直邊段組成。從受力情況，制造角度以及費用綜合考慮后，本設(shè)計 選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。查橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)(JB/T4737-95)表橢圓封頭標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑DN曲面高度hl直邊高度h2內(nèi)表面積A/m2容積V/m3250066540封頭取與筒體相同材料。人孔的選擇壓力容器人孔是為了檢查設(shè)備的內(nèi)部空間以及安裝和拆卸設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)件。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。一般人孔有兩個手柄。選用時應(yīng)綜合考慮公稱壓力、公稱直徑(

6、人、手孔的公稱壓力與法蘭的公稱壓力概念類似。公稱直徑則指其簡節(jié)的公稱直徑)、工作溫度以及人、手孔的結(jié)構(gòu)和材料等諸方面的因素。人孔的類型很多，選擇使用上有較大的靈活性，其尺寸大小及位置以設(shè) 備內(nèi)件安裝和工人進出方便為原則。由于貯罐是在常溫及最高壓力為下工作，人孔標(biāo)準(zhǔn)按公稱壓力的壓力等級選 取。又人孔蓋直徑較大且質(zhì)量較重，選用水平吊蓋法蘭人孔，因為人孔結(jié)構(gòu)中有 吊鉤和銷軸，在檢修時只需松開螺栓將蓋板繞銷軸旋轉(zhuǎn)， 即可輕松進入，而不必 將其取下以節(jié)約維修時間。查得該人孔的有關(guān)數(shù)據(jù)如下 ：表 水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔(突面)標(biāo)準(zhǔn)尺寸(mm)公稱壓力MPa公稱直徑dW* sDDidbbib2AHH2d0

7、450480X1267060045046404438032021436該水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔的標(biāo)記為：HG21524-95人孔RF V ( A?G)其中RF指突面密封，V指接管與法蘭的材料為 16MnR A?G是指用普通石棉橡 膠板墊片，是指公稱直徑為450mm公稱壓力為Mpa。表人孑L DN450（HG21524-95）明細(xì)表尺寸/mm1筒節(jié)116MnRdwX S=480X 12, H=3202HGJ52-91法蘭116Mn（鍛彳）3HGJ69-91墊片1石棉橡膠板8 =3（代號4HGJ63-91法蘭蓋116MnRb1=39, b 2=445HGJ75-91P螺柱2035M33X 2X

8、1756螺母4025M337吊環(huán)18轉(zhuǎn)臂1d0=369GB95-85墊圈201100HV10GB41-88螺母M2024級11吊鉤112環(huán)113無縫鋼管12014支承板116MnR法蘭的選擇壓力容器法蘭的標(biāo)準(zhǔn)(JB/T47047072000)壓力容器法蘭分平焊法蘭與對焊法蘭。 平焊法蘭又分為甲型與乙型兩種。甲 型平焊法蘭有 MPa MPa MPa,在較小范圍內(nèi)（DN300 mm2000 mn）適用溫 度范圍為-20 C300c。乙型平焊法蘭用于 MPaMPa壓力等級中較大的直徑 范圍，適用的全部直徑范圍為 DN300 mm-3000 mm適用溫度范圍為-20 C 350 Co對焊法蘭具有厚度更

9、大的頸，進一步增大了剛性。用于更高壓力的范圍 （MPa）適用溫度范圍為-20C45C。法蘭設(shè)計優(yōu)化原則：法蘭設(shè)計應(yīng)使各項應(yīng)力分別接近材料許用應(yīng)力值，即結(jié) 構(gòu)材料在各個方向的強度都得到較充分的發(fā)揮。管法蘭、鋼制管法蘭、墊片、緊固件設(shè)計參照原化學(xué)工業(yè)部于1997年頒布的鋼制管法蘭、墊片、緊固件標(biāo)準(zhǔn)（HG20592-HG20635-1997的規(guī)定。支座的選擇臥式容器的支座應(yīng)用最普遍，而且有標(biāo)準(zhǔn)可查的是鞍式支座，簡稱鞍座，鞍 座標(biāo)準(zhǔn)是（JB/T4712-92）。鞍座分為A型（輕型）和B型（重型）兩類，每種形 式的鞍座又分為固定式支座（F）和滑動式支座（S）兩種。鞍座的尺寸是由公稱直徑確定的。本設(shè)計公稱

10、直徑 DN=2500mm >1000mm>J選用輕型 A雙鞍座，焊制、120° 包腳、帶墊板、一為固定式F型一為滑動式支座S型。4設(shè)計計算pDi-f筒體壁厚計算C2有查 壓力容器材料使用手冊-碳鋼及合金鋼得16MnR勺密度為m3,熔點為 1430 C,許用應(yīng)力列于卜表：表 16MnR許用應(yīng)力鋼號板厚/ mm<20在卜列溫度（C）下的許用應(yīng)力 / Mpa10015020025030061617017017017015614416 361631631315914713416MnR36 60157157157150138125>6010015315315014112

11、8116容器筒體的縱向焊接接頭和封頭的拼接接頭都采用雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數(shù)為1.0 （雙面對接焊縫，100獻彳%）,取許用應(yīng)400C上170MPa40 0c時氨的飽和蒸汽壓為p01.555MPa （絕對壓力），貯罐的設(shè)計壓力p 1.1p0 1.6MPa由于液氨對金屬有一定的腐蝕，故屬單面腐蝕取C2 1mm根據(jù)公式得pDit2pC2設(shè)計厚度1.6 25002 170 1 1.612.82mm查表10-10取鋼板負(fù)偏差C10.8mm,則筒體的名義壁厚產(chǎn)d C1 12.82 0.8 13.62mm,圓整后，圓筒的名義壁厚 14mm封頭壁厚的計算采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭， 各

12、參數(shù)與筒體相同，其厚度計算式為:PcDi2""t05p2.2 25002 163 1.0 0.5 2.216.93mm查表10-10取鋼板負(fù)偏差C10.8mm雙面腐t裕量C2 2mm所以，設(shè)計厚度為：.S C2 16.93 2 18.93mm名義厚度為：” 3 g 18.93 0.8 19.73mm圓整后取6 n=20mm查橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)（JB/T4737-95）表 橢圓封頭標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑DN曲面圖度h1直邊高度h2內(nèi)表面積A/m2容積V/m3250066540支座的選取支座用來支撐容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持穩(wěn)定。臥式圓筒形容器的支座分為鞍式支座、圈座、腿

13、式支座三類。由于鞍式支座承壓能力較好且對筒體產(chǎn)生的 局部應(yīng)力較小，故此設(shè)計中選用鞍式支座。鞍座分為A型（輕型）和 B型（重型）兩類，每種形式的鞍座又分為固定式支座（F）和滑動式支座（S）兩種。由于在此設(shè)計中，貯罐體積較小且長徑比較小，故采用 A型雙鞍 座，一為固定式一為滑動式支座。鞍座結(jié)構(gòu)和材料的選取臥式容器的支座有三種形式：鞍座、圈座、和支腿，常見的臥式容器和大型 臥式儲罐、換熱器等多采用鞍座，它是應(yīng)用得最為廣泛的一種臥式容器支座。置 于支座上的臥式容器，其情況和梁相似，有材料力學(xué)分析可知，梁彎曲產(chǎn)生的應(yīng) 力與支點的數(shù)目和位置有關(guān)。當(dāng)尺寸和載荷一定時多支點在梁內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力較 小，因此支座數(shù)目

14、似乎應(yīng)該多些好。但對于大型臥式容器而言，當(dāng)采用多支座時， 如果各支座的水平高度有差異或地基沉陷不均勻，或殼體不直不圓等微小差異以 及容器不同部位受力撓曲的相對變形不同，是支座反力難以為個支點平均分?jǐn)偅?導(dǎo)致課題應(yīng)力增大，因而體現(xiàn)不出多制作的優(yōu)點，故一般情況采用雙支座。采用雙支座時選取的原則如下：雙鞍座臥式容器的受力狀態(tài)可簡化為受均布載荷的外伸梁，由材料力學(xué) 知，當(dāng)外伸長度A=寸，跨度中央的彎矩與支座截面處的彎矩絕對值相等， 所以一般近似取A 0.2L,其中L取兩封頭切線間距離，A為鞍座中心線 至封頭切線間距離。 當(dāng)鞍座鄰近封頭時，則封頭對支座處筒體有加強剛性的作用。為了充分 利用這一加強效應(yīng)，

15、在滿足 A 0.2L下應(yīng)盡量使A 0.5R0.此外，臥式容器由于溫度或載荷變化時都會產(chǎn)生軸向的伸縮，因此容器兩端的支座不能都固定在基礎(chǔ)上，必須有一端能在基礎(chǔ)上滑動，以避免產(chǎn)生過大的附 加應(yīng)力。通常的做法是將一個支座上的地腳螺栓孔做成長圓形，并且螺母不上緊，使其成為活動支座，而另一支座仍為固定支座。所以本設(shè)計就采用這種支座結(jié)構(gòu)。 根據(jù)設(shè)備的公稱直徑和容器的重量參照鞍座標(biāo)準(zhǔn)JB/T4712-1992選取鞍座結(jié)構(gòu)及尺寸。鞍座的材料(除加強墊板除外)為 Q235-A- F,加強墊板的材料應(yīng)與設(shè) 備殼體材料相同為16MnR容器載荷計算筒體的質(zhì)量mi：查得圓筒體理論質(zhì)量為1778 kg/m,筒體長度加上封

16、頭的直 邊長度為 6m,則 W1=1778 6=10668 kg。封頭的質(zhì)量m2:根據(jù)封頭的名義厚度查得 2:1標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭理論質(zhì)量為 1901 kg。水壓試驗時水的質(zhì)量m3:由常用壓力容器手冊查得公稱直徑 3000mnff 24mm 的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的容積為m3,則容器容積為：23V V封頭 V筒體 2 3.887 35.9 49.4575 m4()水重 m3=X 1000=kg o附件的質(zhì)量m4：人孔重256kg，人孔補強重，進出料管約100kg，兩個液面計 共180kg,安全閥80kg,排污閥，再加上與閥門相接的接管重量，附件總質(zhì)量約為750kg.所以設(shè)備總質(zhì)量為.即1,3,5.鞍座選取

17、標(biāo)準(zhǔn)查得公稱直徑為3000mm勺容器選擇輕型（A）,120 °色角、焊制、六筋、帶墊 板，高度為250mm勺鞍座，允許載荷 Q786kN>,£封頭對鞍座處的圓筒起加強 作用，可取 A 0.5Rm ,則選 A=700mm左鞍座標(biāo)記為JB/T4712-1992鞍座A3000-F.右鞍座標(biāo)記為 JB/T4712-1992 鞍座 A3000-S.具體尺寸如下表：表鞍座標(biāo)準(zhǔn)尺寸表公稱直徑DN允許載荷Q/kN鞍座局度h螺栓間距l(xiāng)2鞍座質(zhì)里/kg增加100mmW度增加的質(zhì)量/kg3000786250194040534鞍座強度校核鞍座腹板的水平分力：Fs K9F 查得鞍座包角120&

18、#176;對應(yīng)系數(shù)K 9 0.204 支座反力：F mg 313.8825kN 2鞍座腹板有效界面內(nèi)的水平方向平拉應(yīng)力：Fs9Hsb0br reHs計算高度，取鞍座實際高度和 Rm3兩者中的較小值，mmb0鞍座腹板厚度，mmbr 鞍座腹板有效寬度，取墊板寬度b4與圓筒體的有效寬度b2 b 1.56Rm e兩者中的較小值,mmre鞍座墊板有效厚度，10mmFs0.204 313882.5貝 19 8.538MpaHSb0 br re 250 10 500 10應(yīng)力校核：鞍座材料Q235-A F的許用應(yīng)力 sa 125Mpa ,則2 sa 83.333Mpa3239 sa3人孔的選取由于貯罐是在常

19、溫及最高壓力為下工作，人孔標(biāo)準(zhǔn)按公稱壓力的壓力等級選取。又人孔蓋直徑較大且質(zhì)量較重，選用水平吊蓋法蘭人孔，因為人孔結(jié)構(gòu)中有吊鉤和銷軸，在檢修時只需松開螺栓將蓋板繞銷軸旋轉(zhuǎn)，即可輕松進入，而不必將其取下以節(jié)約維修時間。帶頸平焊法蘭人孔標(biāo)準(zhǔn)尺寸（表15-55 3 ）公稱壓力MPa直徑mmdwABHiH2H3d450480 X1037030024011649036該人孔標(biāo)記為：HG21523-95 人孔RFH出（）人孔補強的確定為了滿足各種工藝和結(jié)構(gòu)上的要求，不可避免的要在容器的筒體或封頭上開孔并 安裝接管。開孔后，殼壁因除去了一部分承載的金屬材料而被削弱，而出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。 為保證容器安全運行， 對開孔必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右匝a強，以降低峰值應(yīng)力。 這里采用補強圈補強，因其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、使用經(jīng)驗豐富。人孔補強由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管制造，故不能直接選用補強