化工设备机械基础课程设计指导书.doc

目 录第一章 液化石油气贮罐的设计背景2第二章 液化石油气贮罐的分类及选型22.1 贮罐的分类22.2贮罐的选型2第三章 材料用钢的选取33.1容器用钢33.2附件用钢3第四章 工艺尺寸的确定44.1方案一44.2方案二4第五章 工艺计算55.1筒体壁厚的计算55.2封头壁厚的计算55.3水压试验65.4支座65.4.1支座的选取65.4.2鞍座的计算65.4.3安装位置75.5人孔的选取85.6人孔补强的确定85.6.1人孔补强85.6.2不需补强的最大开孔直径85.7接口管95.7.1液化石油气进料管95.7.2液化石油气出料管95.7.3排污管95.7.4液面计接管105.7.5放空接口管105.7.6安全阀接口管10第六章 液化石油气贮罐化工设备图11第七章 设计结果一览表12第八章 总结11参考文献11附表12第一章 液化石油气（LPG）贮罐的设计背景化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。然而化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。因此在容器的设计中应综合考虑个方面的因素，使之达到最优。LPG是指经高压或低温液化的石油气，简称“液化石油气”或“液化气”。其组成是丙烷、正丁烷、异丁烷及少量的乙烷、大于碳5的有机化合物、不饱和烃等。随着石油化学工业的发展，液化石油气作为一种化工基本原料和新型燃料，已愈来愈受到人们的重视。在化工生产方面，液化石油气经过分离得到乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等，用来生产合塑料、合成橡胶、合成纤维及生产医药、炸药、染料等产品。用液化石油气作燃料，由于其热值高、无烟尘、无炭渣，操作使用方便，已广泛地进入人们的生活领域。此外，液化石油气还用于切割金属，用于农产品的烘烤和工业窑炉的焙烧等。因此为能够进行连续生产液化石油气，需要有储存液化石油气的容器，而设计贮罐是制造液化石油气的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。第二章 液化石油气(LPG)贮罐的分类及选型2.1 贮罐的分类贮罐按其形状可分为方形和矩形容器、球形容器、圆筒形容器（立式、卧式）。按其承压性质可分为内压和外压，内压容器又可分为低压、中压、高压、超高压4个压力等级。按其工作的温度环境可分为低温、常温、中温、高温容器。按制造器的材料可分为金属制和非金属制两类。按其应用情况可分为反应压力容器（R）、换热压力容器（E）、分离压力容器（S）、储存压力容器（C）等。2.2贮罐的选型在本设计中由于设计体积较小（约为20m3）且工作压力较小（p0=1.6MPa）可采用卧式圆筒形容器，方形和矩形容器大多在很小设计体积时采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力强且节省材料，但制造较难且安装内件不方便；立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱，故选用圆筒形卧式容器。第三章 材料用钢的选取3.1容器用钢压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。一般中低压设备可采用采用屈服极限为245Mpa345Mpa级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或以上；如果容器的操作温度超过4000C，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。16MnR钢是屈服强度350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊条（J507），15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为400、500Mpa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵。因此选用16MnR钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值 。3.2附件用钢优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，不宜用作接管用钢。由于接管要求焊接性能好且塑性好。故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管。 由于法兰必须具有足够大的强度和刚度，以满足连接的条件，使之能够密封良好，故选用Q235-A的普通碳素钢。第四章 工艺尺寸的确定4.1方案一 设计体积，公称直径，采用标准椭圆形封头，查附录5：取直边高度，则单个封头容积，封头总容积，单个封头内表面积，封头总内表面积故筒体容积，则筒体长度，取整后筒体长度取为，则实际体积筒体内表面积,则总内表面积长径比2.904.2方案二设计体积，公称直径，采用标准椭圆形封头，查附录5：取直边高度，同理可计算出筒体长度取为，实际体积，总内表面积长径比2.04 经比较可得，取公称直径时所用的钢材较少，且承受各种力和载荷的能力较优。第五章 工艺计算5.1筒体壁厚的计算根据公式有：贮罐的设计压力16MnR在50钢的许用应力（附表1），公称直径，（双面对接焊缝，100%探伤，表3-12），由于液化石油气对金属有一定的腐蚀，故属单面腐蚀取，故，查表3-13取钢板负偏差，则筒体的计算壁厚，圆整后，圆筒的名义壁厚。5.2封头壁厚的计算采用标准椭圆形封头。根据公式，封头设计壁厚，查表3-13取钢板负偏差，则筒体的计算壁厚，式中，（因钢板最大宽度为3m，此贮罐直径为2200mm故封头需将钢板并焊后冲压），其它符号同前。考虑冲压减薄量，圆整后取名义壁厚的16MnR钢制作封头。5.3水压试验根据公式，式中:PT=1.25P=2.19MPa， ， ，则，故符合工艺条件的要求。5.4支座5.4.1支座的选取支座用来支撑容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。卧式圆筒形容器的支座分为鞍式支座、圈座、腿式支座三类。由于鞍式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故此设计中选用鞍式支座。鞍座分为A型（轻型）和B型（重型）两类，每种形式的鞍座又分为固定式支座（F）和滑动式支座（S）两种。由于在此设计中，贮罐体积较小且长径比较小，故采用A型三鞍座，两为固定式一为滑动式支座。5.4.2鞍座的计算首先估算计算鞍座的负荷。 贮罐总质量：式中：m1为筒体质量（kg），m2为封头质量（kg），m3为液化石油气质量（kg），m4为附件质量（kg）。5.4.2.1筒体质量m1，的筒节，每米质量为q1=714kg（附表4），故m1= q1L=714*4.6=3284.4kg3285kg5.4.2.2封头质量m2，直边高度h=40mm的标准椭圆形封头，其质量为q2=596.50kg（附表6），故m2=2q2=1193kg5.4.2.3液氨质量m3式中：为装料系数，取0.7; 为贮罐容积，；为液化石油气的密度为588kg/m3。所以，5.4.2.4附件质量人孔约重200kg，其它接口管的总重约350kg计，故m4=550kg则设备总质量：由于每个鞍座承受约45kN负荷，故选用轻型带垫板包角为1200的鞍座，即JB/T4712-1992鞍座A2200-F, JB/4712-1992鞍座A2200-S。DN2200mm轻型带垫板包角120的鞍座尺寸公称直径DN鞍座高度h允许载荷kN底板腹板筋板垫板螺栓间距L2鞍座质量kg增加100mm高度增加的质量kgl1b212L3b2b33弧长b44e2200250405150240128243208288825704008501380182195.4.3安装位置贮罐总长L46005504025780mm5.78ma为鞍座离罐体一端的距离，l为两鞍座之间的距离。 查标准，有a=1090mm， l=1800mm。 5.5人孔的选取由于贮罐是在常温及最高压力为1.75MPa下工作，人孔标准按公称压力1.75MPa的压力等级选取。又人孔盖直径较大且质量较重，选用水平吊盖法兰人孔，因为人孔结构中有吊钩和销轴，在检修时只需松开螺栓将盖板绕销轴旋转，即可轻松进入，而不必将其取下以节约维修时间。带颈平焊法兰人孔标准尺寸（表15-55）公称压力MPa 直径mm1.75500480 1037030024011649036该人孔标记为：HG21523-95 人孔MFM（F.MFM-st）A500-2.55.6人孔补强的确定 为了满足各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔并安装接管。开孔后，壳壁因除去了一部分承载的金属材料而被削弱，而出现应力集中现象。为保证容器安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强，以降低峰值应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富。5.6.1人孔补强由于人孔的筒节不是采用无缝钢管制造，故不能直接选用补强圈标准。因人孔内径d=500mm，壁厚，故补强圈内径D1=500+210+14=534mm，外径D2=760mm。补强圈的厚度计算： 考虑到筒体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈的壁厚取26mm。 5.6.2不需补强的最大开孔直径 由于钢板具有一定的规格，壳体的壁厚往往超过实际强度的需要，厚度增加，使最大应力降低，相当于容器已被整体加强，并且容器的开孔总有接管相连，其接管多于实际需要的壁厚也起补强作用。同时由于容器材料具有一定的塑性储备，允许承受不大的局部应力。故当孔径不超过一定数值时，可不进行补强。不需要补强的条件:设计压力小于或等于 2.5MPa；两相邻开孔中心的间距应不小于两孔径之和的两倍；接管公称外径小于或等于89mm；接管最小壁厚满足下表的要求。接管最小壁厚接管公称直径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0 注:接管的腐蚀裕量为1mm5.7接口管5.7.1液化石油气(LPG)进料管进料管伸进设备内部并将管的一端切成450，为的是避免物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。取的低合金无缝钢管。配用具有凸面密封的平焊管法兰，法兰标记：HG20592 法兰PL80-1.0 RF Q235A5.7.2液化石油气(LPG)出料管在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。故采用可拆的压料管排料方式。取压出管，将它用法兰固定接口管内。筒体的接口管法兰采用HG20592 法兰PL32-1.6 FF Q235A。与该法兰相配并焊接在压出管的法兰上，其连接尺寸和厚度与HG20592 法兰PL32-1.6 FF Q235A相同，但其内径为25mm。液化石油气压出管的端部法兰采用HG20592 法兰PL20-1.6 FF Q235A。压出管伸入贮罐2.75m，为了能更大限度的吸走介质，因此在压出管出口安装一软接管。5.7.3排污管在清洗贮罐式，为了能够将废液完全排除贮罐外，液化石油气介质会腐蚀罐壁而出现沉淀，故需在筒体底部安设排污管一个。因此管子规格取为：，管端焊有一与截止阀J41W-16相配管法兰HG20592 法兰WN80-4.0FM 16Mn5.7.4液面计接管液面计是用来观察设备内部液位变化的一种装置，通过测量液位来确定容器中物料的数量。由于设备不大且压力较小，物料洁净。故采用玻璃管液面计BIW PN1.6，L=1200mm，HG5-227-80两支。与液面计相配的接口管尺寸为：， 法兰HG20592 法兰WN20-4.0FM 16Mn5.7.5放空接口管为了在注入液体时，将容器内的空气排到罐体外以便能顺利快速地注入，需安设一放空管。故采用的无缝钢管，管法兰HG20592 法兰PL22-1.6 FF Q235A。5.7.6安全阀接口管安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的安全，因此安设一安全阀。安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。因此选用的无缝钢管，管法兰HG20592 法兰WN80-4.0FM 16Mn接口管中，其选择的条均在不需要补强的条件之内，因此，以上接口管在筒体上的开孔不需要补强。第六章 液化石油气（LPG）贮罐化工设备图 贮罐的总装配图见附页，各零部件的名称，规格、尺寸、材料等见明细表。贮罐技术要求：本设计按GB 150-1998钢制压力容器进行制造，试验和验收；焊接材料、对接焊接接头形式及尺寸可按GB 985-80中规定（设计焊接接头系数取1.0）;焊接采用电弧焊，焊条牌号E4303；壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为100%；设备制造完毕后，以2.19a表压进行水压试验；管口安装位置见图。第七章 设计结果一览表见附表。第八章 总结在设计中，由于贮罐容积较小，故采用卧式圆筒形容器，因此其长径比较小。在选材时综合考虑材料的物理、力学性能，耐腐蚀性，经济性。在进行工艺计算后再进行了强度校核。在结构设计时，查阅资料参照相关标准选择附件。设计完毕后，参照设计结果绘制了贮罐设备图。由于知识有限，在设计中还有诸多不明之处，需要继续学习，以补充知识的缺陷。通过设计，从中学到了综合分析问题的能力，增加了设计经验，更进一步提高了手工绘图的技能。参考文献1 谭蔚. 化工设备设计基础M.天津：天津大学出版社，20072 王菲 林英. 化工设备用钢M .北京：化学工业出版社，20043 赵军 张有忱 段成红. 化工设计机械基础M. 北京：化学工业出版社，20074 陈志平 曹志锡. 过程设备设计与选型基础M.浙江：浙江大学出版社，20055 丁伯明 黄正林. 化工容器M.北京：化学工业出版社，20036 王志文 蔡仁良. 化工容器设计M. 北京：化学工业出版社，20057 钱自强. 大学工程制图M.上