氧气缓冲罐设计.doc

合肥学院化学与材料工程系目 录1 概述12 工艺说明22.1 工艺简介22.2 工作温度22.3 物料特性22.4 工作压力32.5 尺寸参数32.6 其它说明33 机械设计33.1 材料选择33.2 结构设计33.3 设计计算43.3.1 设计参数43.3.2 筒体壁厚的计算43.3.3 封头厚度的计算43.3.4 水压试验54 主要零部件选型64.1 法兰的选型64.2 人孔的选型64.3 容器支座的选型74.4 其他零部件的选型84.4.1 进出面口接管的选择84.4.2 液计的选型85 氧气缓冲罐设计图96 总结101 概述化工设备机械基础是化工工艺类专业一门综合性的机械类技术基础课，本课程是以掌握中、低压压力容器的设计为目的，以一系列技术法规、设计规定、材料和零部件标准为依托，讲解材料、机械、结构方面的基础知识。其任务是使学生掌握相关的基本理论、基本知识以及设计的基本方法，为从事化工设备机械的设计、使用、管理和维护打下基础。完成一项相关设计是课程学习的主要目的，也是化工工艺类学生十分重要的教学环节之一。目的是为了使学生进一步加深并综合运用课本基本理论，训练和掌握典型化工设备机械设计的基本技能。“化工设备机械基础课程设计”包括设计计算和机械制图。通过将“化工设备机械基础”与“化工原理课程设计”有机地结合起来，形成了“化工单元过程及设备设计”综合实践教学体系，提高学生查阅资料、理论计算、工程制图、数据处理、化工设备设计说明书写作等方面的能力。学生在完成化工工艺设计的基础上，进行典型设备的机械设计，牢固掌握理论知识，参考各类标准，根据老师的指导意见规范完成作品。本设计的主要内容：参照化工设备机械基础的化工容器设计，本设备按GB150-1998钢制压力容器，TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程等标准法规进行设计、计算、校核。设计参数、接管方位和几何尺寸按工艺条件确定。焊接按JB/T4709-2009压力容器焊接规程。综合考虑各种因素，变压吸附氧气罐的结构设计选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、等要求；而强度计算的内容包括氧气缓冲罐的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使氧气缓冲罐有足够的腐蚀裕度，该设计分析包括内压薄壁圆筒与封头的强度设计、容器零部件的设计，包括法兰连接、容器支座、人孔的设计。最终确定缓冲罐的标准。从而使设计结果达到最优化组合。2 工艺说明2.1 工艺简介变压吸附是利用气体在不同的压力下在吸附剂上的吸附能力不同，对空气中各种气体进行分离的一种非低温空气分离技术。空气中的主要组份是氮和氧，因此可选择对氮和氧具有不同吸附选择性的吸附剂，设计适当的工艺过程，使氮和氧分离制得氧气。当缓冲罐用于系统中时，由于系统压力比预充气体的压力，所以会有一部分工作介质进入罐体内，直到达到新的平衡，当系统压力再度升高，系统压力再次大于预充气体的压力，又会有一部分介质进入罐体内，气体被压缩压力升高，当升高到跟系统压力一致时，介质停止进入，反之，当系统压力下降，系统内介质压力低于罐体间的气体压力，管内的水会被气体挤出补充到系统内，使系统压力升高，直到系统工作介质跟罐体间的气体压力相等，维持动态的平衡。压缩机吸附塔O2缓冲罐过滤器2.2 工作温度给定温度50。2.3 物料特性介质为氧气, 无色无味,无毒无爆炸危害气体，在标准状况下，氧气的密度是1.429g/L，比空气略大（空气的密度是1.293g/L）。它不易溶于水，1L升水中只能溶解约30mL氧气。2.4 工作压力正常情况为1.2Mpa。2.5 尺寸参数最高使用温度：T=50公称直径：DN=3000mm筒体长度：L=4500mm2.6 其它说明缓冲罐主要用于各种系统中缓冲系统的压力波动，使系统工作更平稳，其原理是通过压缩罐内压缩空气来实现，被广泛应用于供水设备和中央空调系统等，结构有隔膜式缓冲罐和气囊式两种，缓冲罐被广泛应用于中央空调、锅炉、热水器、变频、恒压供水设备中，其缓冲系统压力波动，消除水锤起到稳压卸荷的作用，在系统内水压轻微变化时，缓冲罐气囊的自动膨胀收缩会对水压的变化有一定缓冲作用，能保证系统的水压稳定，水泵不会因压力的改变而频繁的开启。（这段我真不知道怎么表达。望你作出满意的修改）3 机械设计3.1 材料选择本设计采用16MnR钢板制作罐体、封头，选用带加强板的角钢作支腿。3.2 结构设计筒体结构设计为圆筒形。因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。封头的结构设计为椭圆形封头。3.3 设计计算3.3.1 设计参数表3.3.1 设计参数设计要求参数设计压力1.2Mpa设计温度50 储存物料氧气3.3.2 筒体壁厚的计算查压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢得16MnR的密度为7.85t/m3，熔点为1430，许用应力列于下表：表3.1 16MnR许用应力钢号板厚/在下列温度（）下的许用应力/ Mpa2010015020025030016MnR6161701701701701561441636163163163159147134366015715715715013812560100153153150141128116圆筒的计算压力为1.2 Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为1.00,全部无损探伤。取许用应力为163 Mpa。壁厚：钢板厚度负偏差,查材料腐蚀手册得50下氧气对钢板的腐蚀速率小于0.05/年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量。所以设计厚度为：圆整后取名义厚度15。3.3.3 封头厚度的计算标准椭圆形封头a:b=2:1 封头计算公式 ： （3.2）则mm 故圆整后取 确定选用厚的16MnR钢板制作封头。3.3.4 水压试验水压试验，液体的温度不得低于5；试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。水压试验时的压力水压试验的应力校核：水压试验时的应力水压试验时的许用应力为 故筒体满足水压试验时的强度要求。4 主要零部件选型4.1 法兰的选型根据本设计使用的介质，设计压力，设计温度，公称直径确定，法兰的结构形式为衬环榫密封面乙型平焊法兰中的榫面法兰法兰CT 30001.6 JB/T 47022000采用Q345R板材应按公称压力为1.6MPa来查取它的尺寸，由于操作压力不高，由表141，采用榫面密封面，垫片材料选用石棉橡胶板，从表143查得垫片宽度为14mm。榫面法兰的各部件尺寸可查表得 连接螺栓为M24共24个，材料由表146查得为螺柱材料为40MB，螺母材料为40Mn。4.2 人孔的选型人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。人孔类型：从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。人孔标准HG21524-95规定PN1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。容器上开设人孔规定当Di1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为400。综合考虑选择水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG21524-95）,公称压力PN2.5、公称直径DN450、H1=320、RF型密封面、采用类20R材料、垫片采用外环材料为低碳钢、金属带为0Cr19Ni9、非金属带为柔性石墨、C型缠绕垫。尺寸表如下表4.2 人孔标准尺寸表密封面型式PN/MpaDNdwsdDD1H1H2总质量kg突面2.5450480124506706003202142564.3 容器支座的选型查得公称直径为3000mm的容器选择轻型(A),120包角、焊制、六筋、带垫板，高度为250mm的鞍座，允许载荷Q786kN627.765kN,为使封头对鞍座处的圆筒起加强作用，可取，则选A=700mm。左鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A3000-F.右鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A3000-S.具体尺寸如下表：表4.3 鞍座标准尺寸表公称直径DN允许载荷Q/kN鞍座高度h螺栓间距l2鞍座质量/kg增加100mm高度增加的质量/kg30007862501940405344.4 其他零部件的选型4.4.1 进出口接管的选择材料：容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB8163-87。材料为16MnR。结构：接管伸进设备内切成45，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考上虑述要求外，还需考虑焊接方法、焊接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。一般情况下，管壁厚不宜小于壳厚的一半体壁，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。表4.4.1 接管最小壁厚要求接管公称直径/mm57766589最小壁厚/mm5.06.0因此热轧无缝钢管的尺寸为8912mm。 钢管理论重量为22.79/m。取接管伸出长度为150mm。管法兰的选择：根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN4.0Mpa）,选择突面板式平焊管法兰，标记为：HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5,其中D=190,管法兰材料钢号（标准号）:20（GB711）。根据（欧洲体系）钢制管法兰、垫片、垫片、紧固件选配表（HG20614-1997）选择：垫片型式为石棉橡胶板垫片(尚无标准号)，密封面型式为突面，密封面表面为密纹水线，紧固件型式为六角螺栓双头螺柱全螺纹螺柱。4.4.2 液面计的选型氧气为较干净的物料,易透光,不会出现严重的堵塞现象所以选用反射式玻璃板液面计，标准号HG21590-95，法兰形式及其代号C型（长颈对焊突面管法兰HG20617-97）,液面计型号R型公称压力PN4.0,使用温度0250。5 氧气缓冲罐设计图6 总结 通过这次参赛设计，让我们对化工设备机械基础这门课有了进一步的认识。这次设计也是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择合适的设计参数，对罐体的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括筒体、封头的应力校核。校核合格之后才能确定所选设备型符合要求。通过这次设计对我们独自解决问题的能力