锅炉与压力容器,课程设计正文

1、夹套罐设计摘要压力容器是各种承受气、液介质压力密闭容器的通称。随着社会的进步，压力容器不 仅承受介质压力，还常常承受介质不同温度及腐蚀的作用，在日常生活中压力容器在各方 面中得到了广泛的应用。但是压力容器在使用中易于发生各种事故，其中压力容器的爆炸 事故常造成灾难性的后果。本次课程设计中的压力容器是高效酒精回收装置中的夹套罐。夹套罐由内外两个容器 套在一起构成，内置容器是由竖直圆筒和上下两个椭球封头组成的罐体；在罐体的外面有 一个比罐体稍大的夹套容器，夹套下部是一个椭球封头，上部在适当高度采用圆弧过渡结 构与罐体连接。通过计算确定夹套罐的结构尺寸以及选择，并进行开口补强和水压试验， 校核容器的

2、强度， 检验所选材料是否符合要求， 以达到设计的目的。 最后通过用 CAD制图， 画出压力容器和法兰的总体结构，使设计的图样一目了然。关键词 ：夹套罐；压力容器；椭球封头；强度；结构尺寸第1页夹套罐设计1 设计说明本次课程设计中的压力容器是高效酒精回收装置中的夹套罐。夹套罐就是在普通罐子四周和底部通过焊接包上一层 , 其间必须是空的 , 用以通蒸汽 或冷却水，达到给罐子加温或冷却的目的 .夹套罐工作原理：罐体盛装酒精溶液，罐体上部安装有搅拌装置，使酒精溶液在加热 过程中得到均匀搅拌。在内置容器上设置有进料口、出料口、搅拌器口、压力表口、安全 阀口、观察口等工艺接口。 在夹套上设置两个蒸汽入口，

3、 夹套的下部设有一个冷凝水出口。 蒸汽进入夹套后，对罐体内的酒精溶液进行加热，蒸汽冷凝成水后从冷凝水出口流出。夹套罐开孔状况：压力容器设备上共开有 11个孔，连接有不同的接管。 a 孔位于内置 容器上封头的中心，用于连接搅拌器； b、e 孔为安全阀孔，同样位于内置容器上封头上； c、d同样位于内置容器上封头上， c 孔用于设置温度表， d孔用于设置压力表； f 孔和 g 孔位于夹套筒体上，是水蒸气的入口。 h 孔位于罐体上，用于设置视镜。 i 孔位于罐体筒 体上，是进料口。 J 孔位于夹套封头上，为冷凝水出口。 K 孔位于罐体的下封头上，作为 出料口。表 1.1 主要工艺参数位置项目参数罐内夹

4、套内介质酒精水溶液水蒸汽操作压力 (Mpa)0.40.5操作温度 ( )100饱和蒸汽温度公称直径( mm)9001000容积 (m3)1.1440.151传热面积 (m2 )5.97使用年限15第2页夹套罐设计2 设计参数选取2.1 设计压力设计压力：P K Pw当 中低 压容 器上 装 有安 全阀时 ，设 计压力 不小 于工 作压 力的( 1.05-1.1 ) 倍，求得容器和夹套的设计压力分别为：罐内的设计压力 :P K Pw 1.1 0.4 0.44MPa 夹套内的设计压力：P K Pw 1.1 0.5 0.55MPa2.2 设计温度设计温度是指容器在正常工作中，在相应设计压力下，金属可

5、能达到的最高或最低温 度 。根据设 计条件已知：罐内 的工 作温 度为 100， 夹套内水 蒸气 的温 度等 于 P 10 1 0.55 10 1 6.5 kgf 2 ，查表得 Td 161.1 。圆整后得 Td 170。cm2.3 材料的选择及许用应力确定选 择 Q 235B 号 钢 ， 该 号 钢 材 厚 度 为 4.5 16mm， 钢 材 标 准 为 GB3274 ，b 375MPa , s 235MPa 此号钢板 在 100时 的许用应力 b 113MPa ，在 200 时 许 用 应 力 为 105 MPa2.4 焊缝系数的确定本次课程设计的夹套罐选择 100%全部无损检测 , 双面

6、焊。焊接接头系数为 1.0。2.5 厚度附加量确定罐的圆筒壳：第3页夹套罐设计P Di2 tP0.44 9002 105 1 0.441.89mm查表得负偏差 C1 0.18mm夹套圆筒壳：P Di2 tP0.55 10002 105 1 0.552.63mm查表得负偏差 C1 0.2mm腐蚀裕度取 C2 1mm在 考虑 材料 机械 强 度的 最小壁 厚 外，考 虑 材料的负 偏差 及介 质的 腐蚀 性， 加工减薄量及使用寿命等因素再增加的壁厚量以确保实际工程中的安全可所以，罐和夹套的厚度附加量均采用 C C1 C2 0.2 1 1.2mm第4页夹套罐设计3 几何参数确定3.1 设备的总体结构

7、该设备 由罐体和夹套两部分组成，底部采用支撑式支 座。 由内外两个容器 套在一起构成，内置容器是由竖直圆筒和上下两个椭球封头组成的罐体；在罐体的外面有 一个比罐体稍大的夹套容器，夹套下部是一个椭球封头，上部在适当高度采用圆弧过渡结 构与罐体连接。在罐体和夹套之间形成一个 50mm左右的间隔。3.2 罐体封头各参数罐体上有一法兰，采用标准椭球封头。已知罐内径 Di 900mm ，经查表得，曲面高度 h1 225mm，直边高度 h2 40mm，内表面积 F1 0.880m2 ，容积 V1 0.121m3 。3.3 罐体的高度及容积根 据 罐 的 内 径 Di 900mm, 取 筒 体 高 度 h

8、1800mm ， 求 得 筒 体 的 体 积 2 2 3V2 r 2h =3.14 0.452 1.8 1.144m 3 。罐体的总体积 V V2 2V1 =1.144+2 0.121 1.386m3 。设计的罐体高度与罐体公称直径的长度之比为 2。罐体的高度等于筒体的高度加上两 个封头的高度，封头的高度等于曲面高度加上直边高度。所以罐体高度的计算公式如下：H 2Dn 2(hi h1)(3.1 )式中： Dn- 罐体的公称直径；hi- 罐体封头的曲面高度；h- 罐体封头的直边高度。H 2 900 2 (225 40) =2330mm第5页夹套罐设计3.4 夹套的高度计算首先确定罐体内成装的酒精

9、溶液的高度，根据酒精溶液的高度来确定夹套的高度。通 常夹套的高度都要比筒体内液体的高度略低( 1020 )，本次课设中取其高度 20 。 罐 的 充 装 系 数 为 0.8 ， 所 以 罐 内 体 积 为 ：V酒 V1 0.8 V1 1.386 0.8 0.121 0.9878m3 筒体内酒精高度：V酒0.9878h酒2 h1 h22 0.265 1.82mr 2 0.45 2所以夹套筒体高度：h h酒 20 1820 20 1800mm夹 套 封 头 选 择 标 准 椭 球 封 头 ，封 头 具 体 尺 寸 为 ：曲 面 高 度 h1 250mm ，直 23边 高度 h2 25mm,内 表面

10、 积 F1 1.16m2，容 积 V 0.151m3由 于 间 隙 50mm， 所 以 夹 套 整 体 高 度 为 1800 50 1850mm 传热面积计算：2SH F1 2 rh 0.88 2 0.45 1.8 5.97m23.5 搅拌口法兰尺寸确定根据夹套罐罐体公称直径选择相应的搅拌器及相关数据，搅拌器的型式选桨式直叶。D j (0.25 0.75) D N 0.4 900 360mmD (0.1 0.25)D j 0.2 360 72mmhj (0.2 1)D j 0.5 360 180mmZ2因为搅拌口开口要比结构参数大 10 ，所以搅拌口开口为 370 。因为 P 0.44MPa

11、，为了保证安全，故 PN 1.0MPa ，根据法兰标准 JBT81-1994 ，搅拌口法 兰尺寸确定为：法兰的管子外径 A 为 89 ，法兰厚度 20mm, 法兰内径 B 为 91 ，公称直径为 80 mm, 法兰理论质量为 3.24 。第6页夹套罐设计3.6 窥镜规格的确定选取公称直径 DN 100mm，公称压力 PN 1.0MPa 的视镜。根 据标 准 HGJ502 86， 可列出 表 3.1表 3.1 窥镜规格螺栓质量(kg)标 准 号DD1b1b2dHShH1数量直径碳素钢不锈钢2001652626108 4801428M1610.9HGJ502 86 7HGJ502 86 173.7

12、 其他法兰接口尺寸的确定1 温度表尺寸确定根 据 法 兰 标 准 JB T81-1994 ，温度表口法兰的公称直径是 10 ，法兰理论重量 是 0.55 。接管的管子外径是 14 ，接管壁厚 3 ，接管理论质量为 0.814 /m, 接管 长度为 100 ，所以接管质量为 0.0814 。2 压力表尺寸确定根 据 法 兰标 准 JB T81-1994 ， 压力表口螺母规格 M141.5 ，管子外径为 25mm， 管长为 100 ，接管壁厚 4 ，接管理论质量为 2.07 /m. 法兰的外径为 90mm，厚度为 16mm，理论质量为 0.87kg/m 。安全阀尺寸确定3 进、出料口尺寸确定根 据

13、法 兰标 准 JB T81-1994 ， 进料口和出料口的开孔直径大概为罐内公称直径 的 1/10 左右，所以取进、出料口的开孔直径为 100 ，选管子的外径为 108 ，接管壁 厚 4 ，接管理论质量为 10.26 /m，接管长度为 100 ，所以接管的总质量为 1.026 。 进料口法兰外径 A为220 ，法兰内径 B为110 ，螺栓孔中心圆直径 K为 180 ，螺栓 孔直径 L 为 18 ，螺栓数量 n 为 8，螺栓为 M16，密封面尺寸 d 为 155 ，密封面尺寸 f 为 3 ，法兰厚度 C为 22 ，法兰理论重量 4.01 。型号： DN 100mm,PN 1.0MPa 。第7页夹

14、套罐设计4 蒸汽入口尺寸确定根 据 法 兰 标 准 JB T81-1994 ，蒸汽入口公称通径是 150mm，选接管的外径是 159， 厚度是 6 mm，法兰内径 B为161mm, 法兰外径 D为 285mm, 螺栓孔中心圆直径 K为240 ， 螺栓孔直径 L 为 23 ，螺栓数量 n 为 8，螺栓为 M20，密封面尺寸 d 为 210 ，密封面尺 寸f 为3 ，法兰厚度 C为24 ，法兰理论重量 6.67 。型号：DN 150mm, PN 1.0MP a。5 冷凝水出口尺寸确定根 据法 兰标 准 JB T81-1994 ，冷凝 水出口的 公称通径 为 80mm,可以确定冷 凝水出口开孔直径是

15、 100mm，选接管的外径是 89mm，厚度是 4mm，接管理论质量为 8.38 /m，长度 L=100mm所, 以接管总质量为 0.838kg 。法兰内径 B为91 mm, 法兰外径 D为 200mm, 螺栓孔中心圆直径 K为 160 ，螺栓孔直径 L为 18 ，螺栓数量 n为4，螺栓为 M16，密 封面尺寸 d 为 135 ，密封面尺寸 f 为 3 ，法兰厚度 C为 20 ，法兰理论重量 3.24 。型号：DN 80mm, PN 1.0MPa 。6 安全阀口尺寸确定本容器采用 A28H-16 型微启式安全阀，根据罐体设计压强和传热面积可查出该容器的 蒸汽耗量是 2.98 t/ h 。根据公

16、式G 0.235A(10.2P 1)K其中 K 1,P 0.44MPa A- 接管口横截面积；22310 mm22.98 1030.235 (10.2 0.44 1) 1d244AA,d4 231054mm选接管的外径是 38mm，厚度是 6mm，接管理论质量为 4.74 /m，L=100mm法. 兰内径 B 为39 mm, 法兰外径 D为 140mm, 螺栓孔中心圆直径 K为100 ，螺栓孔直径 L为 18， 螺栓数量 n 为 4，螺栓为 M16，密封面尺寸 d 为 78 ，密封面尺寸 f 为2 ，法兰厚度 C 为 1 6 ，法兰理论重量 1. 4。型 号： DN 32mm, PN 1.0M

17、 P a。可以查到安全阀Dn =40mm,L =60mm,H =230mmM, =5.0Kg。4 罐体强度设计第8页夹套罐设计4.1 罐体筒体内压强度设计4.1.1 按内压罐体封头壁厚设计封头壁厚：KP Di2 t 0.5P1.88mm1 0.44 9002 105 1 0.5 0.44设计壁厚：dC2 1.88 1 2.88mmC2 -腐蚀裕度（ C2=1 ） 查表得负偏差 C1 0.2mm 名义壁厚：n d C1 2.88 0.2 3.08mm 圆 整 后 ， 名 义 壁 厚 为 n 4mm 有 效 壁 厚 e 4 1.2 2.8mmP(Die)2e0.44 (900 2.8)2 2.8

18、170.93mm t故 n 4mm 合 适4.1.2 按外压罐体封头壁厚设计假 设 n 4mm， 则 e 4 1.2 2.8mmD0 900 4 2 9089082 (225 4)查 得 ： K=0.9R0 KD0 0.9 908 817.2817.22.8291.86第9页夹套罐设计0.125A 0.000428291.86内插法查得： B 165.00B 165P 0.56MPaR0291.860eP P 0.44MPa 故罐体封头壁厚为 4mm合适4.2 罐体筒体壁厚设计4.2.1 按内压罐体筒体壁厚设计筒体壁厚：P Di2 tP0.44 9002 105 1 0.441.89mm设计壁

19、厚：dC2 1.89 1 2.89mm查表得负偏差 C1 0.2mm名义壁厚：n d C1 2.89 0.2 3.09mm圆 整 后 ， 名 义 壁 厚 为 n 4mm有 效 壁 厚 e 4 1.2 2.8mmP(Di e)2e0.44 (900 2.8)2 2.8 170.93mm 故 n 4mm 合 适4.2.2 按外压罐体筒体壁厚设计第 10 页夹套罐设计筒体计算长度：L h 2(h1 h2) 1800 2(225 40) 1976.67mm3 1 2 3D0 900 4 2 9081976.679082.18L D0查表得：A 0.123, B 962.8908 324.29PB960

20、.61 P 0.44MPa 324.292符合要求，故筒体壁厚 取 n 10mm5 夹套强度设计第 11 页夹套罐设计5.1 夹套封头壁厚设计夹套的设计压力为0.55MPa，内径为 1000mm，许用应力为 105MPa，焊缝系 数 为 1， 形 状 系 数 Di1000 2,查表得： K 1.02hi 2 250夹套封头壁厚为：KP Di2 t 0.5P1 0.55 10002 105 1 0.5 0.552.62mm设计壁厚：dC 2 2.62 1 3.62mm查表得负偏差 C1 0.8mm 名义壁厚：n d C1 3.62 0.8 4.42 mm 圆 整 后 ， 名 义 壁 厚 为 n

21、6mm 有 效 壁 厚 e 6 1.8 4.2mmP(KD i 0.5 e ) 0.55 (1 1000 0.5 4.2)2 e 2 4.2 165.61mm t故 该 标 准 椭 圆 形 封 头 的 名 义 壁 厚 n 6mm 合 适5.2 夹套筒体壁厚设计夹 套的 设计 压力 为 1.32MPa ， 内径 为 1000mm， 许 用应 力为 105MPa，焊 缝 系数为 1。筒体壁厚：P D i 0.55 10002 tP 2 105 1 0.552.63mm设计壁厚：d C 2 2.63 1 3.63mm查表得负偏差 C1 0.8mm第 12 页夹套罐设计名义壁厚：n d C1 3.63

22、 0.8 4.43mm 圆 整 后 ， 名 义 壁 厚 为 n 6mm 有 效 壁 厚 e 6 1.8 4.2mmP(Die)2e0.55 (1000 4.2) 65.75mm t2 4.2 1故 n 6mm 合 适6 罐体与夹套连接处的剪切应力校核6.1 罐体质量计算第 13 页夹套罐设计罐体质量是筒体的质量和 2 个封头的质量的和3M1 M筒 2M 封 7.85 10 2 rhs 2 80 37.85 103 2 3.14 0.45 1.8 0.004 2 80319.73kg6.2 罐体内介质质量计算设计的 容器 内实际 是酒精溶 液， 但在校 核时假设 在其 中都装 满水，其 密度是

23、1000 kg/ m . 在 上 面 的 计 算 可 知 罐 体 体 积 是 1.386m ， 故 罐 体 内 介 质 质 量 是 1000 1.3 8 6=1386 kg。6.3 罐体上法兰及其它附属件质量计算由以上数据可得：表 6.1 罐体上法兰及其它附属件质量名称接管外 径/mm壁 厚 /mm理论质量( /m)法兰质 量/kg搅拌器连接口8948.383.24安全阀3864.741.4温度表1430.8140.55压力表2542.070.87蒸汽入口159617.146.67窥镜口165410.910.9进料口108410.264.01出料口108410.264.01冷凝水出口8946.

24、383.24罐体上的法兰质量：3.24+1.402+0.55 0.87 6.67 10.9 4.01 4.01 3.24 = 36.29 kg接 管 的 长 度 均 取 为 100mm第 14 页夹套罐设计接管的质量为：( 8.38 4.74 4.74 0.814 2.07 17.14 10.26 10.26 8.38) 0.1=6.71kg M 3 36.29 6.71 43kg6.4 总负荷计算GMg其中， G表示总负荷M 表示总的质量g=9.8N/kg.G (M1 M2 M3 ) 9.8 (319.73 1386 43) 9.8 17137.55N6.5 焊缝连接处环形面积计算焊缝的高度

25、 h 的计算如下：h 1.5Sn1其中， Sn1 表示夹套筒体厚度，所以， h=1.5 6=9mm 焊缝的长度的计算如下：d (Dn 2 Sn2 )其中， Sn2 表示罐体筒体厚度Dn 表示罐体的公称直径所以， d=3.14 ( 900 +12 )= 2863.68 mm焊缝面积 S=h d=9 2863.68=25773.12 mm2第 15 页夹套罐设计6.6 焊缝连接处剪切应力强度校核G17137.559.8 9.8 6.52MpaS25773.120.8 200 0.8 105 84Mpa所以焊接处的应力校核满足要求7 开孔补强设计第 16 页夹套罐设计7.1 搅拌器连接口补强面积计算

26、因开孔而削弱的金属面积的计算：KP Di2 t 0.5P1.89mm1 0.44 9002 105 1 0.5 0.44接 管 直 径 ： d di 2C2 89 2 1 91mm削 弱 的 金 属 面 积 A： 强 度 削 弱 系 数 fr 1罐体内径 Di 900mm ，设计压力为 1.1MPa ,操作温度为 100 ，因开孔而削弱的金属面积f r 1, 1.89mm, nt 10mm(1) 接管计算壁厚：A d 2 ( nt C)(1 fr) 1.89 91 2 1.89 (10 1.2)(1 1) 171.99mm2tPt d2 t P 外侧有效高度：0.44 912 105 1 0.

27、440.19mmh1d nt 91 10 30.17m m2）筒体多余截面积A1 (B d ) n C(182 91)10 1.2 1.89 628.81mm23）接管多余截面积A2 2h1 nt C t .f r 2 30.17 10 1.2 0.19 1 519.53mm2 (4)焊缝金属截面积：12A 3 4 4 2 16m m232A1 A 2 A 3 628.81 519.53 16 1164.34mm2 A 171.99m m2 故该孔不用补强7.2 蒸汽入口补强计算因开孔而削弱的金属截面积：P D i2 tP0.44 9002 105 1 0.441.89mm接 管 直 径 ：

28、d di 2C2 108 2 1 110mm第 17 页夹套罐设计削 弱 的 金 属 面 积 A： 强 度 削 弱 系 数 fr 12A d 2 ( nt C)(1 fr) 1.89 110 2 1.89 (10 1.2)(1 1) 207.9mm2接管计算壁厚：0.23mmP d 0.44 1102 tP 2 105 1 0.44外侧有效高度： h1d nt 110 10 33.17mm则筒体多余截面积A1 (B d) n C(220 110)10 1.2 1.89 760.1mm2接管多余截面积A2 2h1 nt C t .fr 2 33.17 10 1.2 0.23 1 568.53mm

29、2 1焊缝金属截面积 A 3 4 4 2 16mm232 22A1 A 2 A 3 760.1 568.53 16 1344.63mm2 A 207.9mm2 故该孔不用补强7.3 其他接口补强计算圆筒体上为加强单孔的最大允许直径 d 可按下面的经验公式计算：8.13 Di e 1 K8.13 Di e 1 0e8.13 900 2.8 1 1.89 75.78mm2.88 水压试验压力确定第 18 页夹套罐设计8.1 罐体水压实验校核8.1.1 罐体筒体水压实验压力确定压力试验的试验压力公式为：PT18.1)pT 容器的试验压力， MPa ；p 容器的设计压力， MPa ；试验温度下材料的许

30、用应力， MPa ； t 设计温度下材料的许用应力， MPa ； 试验压力系数。113PT 1.25P t 1.25 0.44 0.59Mpa T t 105应力校核公式(8.2)PT1(Di e)tt2SepT1容器的试验压力， MPa ；Di 内径， mm ；t 设计温度下材料的许用应力， MPa ；焊接接头系数；e 名义壁厚， mmPT1(Die)2e罐体筒体在水压试验压力下应力校核：0.59 (900 10) 25.48MPa 105MPa2 10 1即 tt ，所以罐体筒体在水压试验压力下强度校核合格8.1.2 罐体封头在水压试验压力下强度校核第 19 页夹套罐设计PT (kDi 0

31、.5 e ) 0.59 (1 900 0.5 4.8)2e2 4.8 155.46Mpat 105Mpa所以罐体封头在水压试验压力下强度校核合格。8.1.3 罐体筒体在水压试验外压力下稳定性校核PT 1.25P 1.25 0.44 0.55MpaP B 0.61MpaR0ee在 做筒 体外 压水 压 实验 时，筒 内 存在不小 于 P PT 0.06Mpa的 压力8.1.4 罐体封头在水压试验外压力下稳定性校核PT 1.25P 1.25 0.55 0.69MpaP 0.61MpaPT2 P 0.69 0.61 0.08MPa ,所以在进行夹套封头水压试验时，应在罐体内加0.08Mpa 的压力，以防罐体在进行试验时，发生形变。8.2 夹套水压实验校核8.2.1 夹套水压试验压力计算PT 1.25P1.25 0.55 113 0.74Mpa1058.2.2 夹套筒体在水压试验压力下强度校核夹套筒体在水压实验下的应力校核公式为：pT2 (Di e) t t2SepT2 容器的试验压力， MPa ；(8.3)Di 内径， mm ；第 20 页夹套罐设计t 设计温度下材料的许用应力