压力容器课程设计说明书

1、沈阳航空航天大学 课程设计用纸 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约50mm左右的间隔。在内置容器上设置有进料口、出料口、搅拌器口、温度表口、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，夹套的下部设有一个冷凝水出口。蒸汽通过入口进入夹套后，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。压力容器设备上共开有11个孔，连接

2、有不同的接管。设备管口情况如表1.1所示：表1.1 设备管口表 1沈阳航空航天大学 课程设计用纸 2.设计参数的选取2.1设计压力设计压力是指设定的容器顶部允许达到的最高表压力，对于装有安全阀的压力容器，设计压力P等于或略高于安全阀的开启压力P0，而P0大于或等于1.051.10Pw，取P=1.1Pw，其中Pw为工作压力。求得容器和夹套的设计压力分别为：罐内的设计压力:P=1.1Pw=1.1´0.5=0.55MPa夹套内的设计压力：P=1.1Pw=1.1´0.6=0.66MPa2.2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，壳壁或元件金属可能达到的最高或最低温

3、度。根据设计条件及上面计算结果可得：罐内的工作温度为100；圆整后得到t=200。2.3材料的选择及许用应力确定此压力容器选择Q235B号钢，该号钢材厚度为4.516mm，钢板标准为GB3274， sb=375MPa,ss=235MPa，此号钢板在100时的许用应力sb=113MPa，在200时许用应力为s=105MPa。 2沈阳航空航天大学 课程设计用纸 2.4焊缝系数确定焊缝系数j表示由于焊接或焊缝中可能存在的缺陷对结构原有强度的削弱的程度。此处针对的压力容器为钢制容器，采用的接头形式为双面焊或相当于双面焊全熔透的对接焊缝，查表可得焊缝系数j=1.0。.2.5厚度附加量确定附加壁厚包括钢板

4、负偏差C1、腐蚀裕度C2、加工减薄量C3，在压力容器设计中仅考虑C1和C2，故厚度附加量C=C1+C2。腐蚀裕度取C2=1mm，C1根据第4、5部分内容具体计算情况选择。 3沈阳航空航天大学 课程设计用纸 3.几何参数的确定3.1设备的总体结构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封头和夹套封头均选标准椭圆形封头，根据罐体的公称直径1

5、400 mm和夹套的公称直径1500mm查化工容器及设备简明设计手册可得封头各参数，详见表3.1。表3.1罐体封头参数3.3罐体的高度及体积罐体的高度包括筒体的高度和两个封头的高度，筒体的高度取筒体公称直径的两倍，即2800 mm，封头的高度是曲面高度和直边高度之和为390 mm，算出罐体的高度为2800+390×2=3580 mm。筒体的体积V2= pr2H=3.14×0.72×2.8=4.308m3；罐体的总体积V=V2+2V1=4.308+2×0.421=5.15m3。3.4夹套的高度计算根据酒精溶液的高度来确定夹套的高度，并按罐体酒精填充系数0.

6、8来计算。实际的夹套位置要比酒精溶液液面略低1020mm，此处取20mm。 4沈阳航空航天大学 课程设计用纸筒体(其中S封头表示罐体封头内表面积) 故S=2.29+3.14´1.4´2.384=12.77m23.5搅拌口法兰尺寸确定根据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。 搅拌器直径DJ=0.25DN=0.25×1400=350mm根据化工容器及设备简明设计手册，取搅拌器直径DJ=360mm。由此确定搅拌口尺寸应大于360mm，根据HG20593-1997板式平焊钢制管法兰取法兰公称通径DN=350mm，由于设计压力为0.55MPa，为

7、了安全起见取法兰压力为0.6MPa，具体参数见下表3.2：表3.2搅拌口法兰尺寸参数(mm)根据化工容器及设备简明设计手册确定接管(无缝钢管)外径为377mm，壁厚9mm，长度设为100mm，理论质量为8.167Kg。 5沈阳航空航天大学 课程设计用纸3.6视镜规格的确定由于罐体接管参数(mm) 6沈阳航空航天大学 课程设计用纸(2).进料口、出料口、冷凝水出口尺寸确定根据罐体公称直径为1400mm，选定进料口、出料口、冷凝水出口接管内径为150mm，根据化工容器及设备简明设计手册确定接管外径为159mm，壁厚为4.5mm；设定接管管长为100mm，则接管质量1.714Kg；根据HG20593

8、-1997板式平焊钢制管法兰取法兰公称通径DN=150mm，压力选0.6MPa，具体参数见表3.6：表3.6进料口、出料口、冷凝水出口法兰尺寸 (3).蒸汽入口尺寸确定根据上面选定的冷凝水出水口接管内径为150mm，蒸汽入口接管内径取前者的1，2并将值向上圆整得到。根据化工容器及设备简明设计手册确定接管外径为89mm，壁厚为7mm；设定接管管长为100mm，则接管质量1.415Kg；根据HG20593-1997板式平焊钢制管法兰取法兰公称通径DN=80mm，压力选0.6MPa，具体参数见表3.7：表3.7 蒸汽入口法兰尺寸 (4).安全阀口尺寸确定选择安全阀时考虑当罐体失效时夹套罐中的饱和蒸汽

9、泄漏到罐体中这种情况，以此来计算安全阀的排放量G(Kg/h)。其中G=2L´r，L表示夹套罐蒸汽入口流量(m3/s)，r表示的是饱和蒸汽的密度(Kg/m3)，查得r=7.864 Kg/m3 7沈阳航空航天大学 课程设计用纸D20.0752L=v´p=20´3.14´=0.0883125 m3/s44故G=2´0.0883125´7.864´3600=5000 Kg/h 根据公式G=0.235A(10.2P+1)K，其中K=1A=G5000=2752mm20.235(10.2P+1)K0.235´(10.2´

10、;0.66+1)´1pd24=A,d=4Ap=4´2752p=59mm根据以上数据选择A27H-16微启式安全阀，数据参数见表3.8：表3.8 安全阀参数据此再根据HG20593-1997板式平焊钢制管法兰取法兰公称通径DN=80mm，压力选1MPa选择法兰，法兰参数见表3.9：表3.9安全阀法兰尺寸根据化工容器及设备简明设计手册确定接管(无缝钢管)外径为89mm，壁厚9mm，长度设为100mm，理论质量为1.776Kg。 8沈阳航空航天大学 课程设计用纸 4.罐体强度设计4.1罐体筒体内压强度设计罐体筒体壁厚计算如下： 计算壁厚：d=P×Di0.55´

11、1400=3.42mm 2stj-P2´113´1-0.55设计厚度：dd=d+C2=3.42+1=4.42mm 名义厚度：dn=dd+C1+圆整值=4.42+0.5+圆整值=5mm 有效厚度：de=dn-(C1+C2)=5-(0.5+1)=3.5mm 应力校核：st=pc(Di+de)0.55´(1400+3.5)=110.3MPa113MPa 2dej2´3.5´1故dn=5mm符合要求。4.2罐体封头内压强度设计罐体封头(标准椭球形封头)壁厚计算如下： 计算壁厚：d=KP×Di1´0.55´1400=3.41

12、mm 2stj-0.5P2´113´1-0.5´0.55设计厚度：dd=d+C2=3.41+1=4.41mm 名义厚度：dn=dd+C1+圆整值=4.41+0.5+圆整值=5mm 有效厚度：de=dn-(C1+C2)=5-(0.5+1)=3.5mm 应力校核：st=pc(KDi+0.5de)0.55´(1´1400+0.5´3.5)=110.1MPa113MPa 2dej2´3.5´1故dn=5mm符合要求 9沈阳航空航天大学 课程设计用纸 4.3罐体筒体外压稳定性设计假设筒体的名义厚度为dn=5mm，查表得钢板的

13、负偏差C1为0.5mm，腐蚀裕度C2为1mm，则筒体外径D0=Di+2dn=1400+2´5=1410mm。有效壁厚de=dn-(C1+C2)=5-(0.5+1)=3.5mm 圆筒的计算长度L=2800+2´350=3033mm 330331410D=2.15，0=40320 01410e3.5根据这两个值查化工容器及设备简明设计手册中的图14-2可得系数A为0.000079；再根据图14-4的下方找到A=0.000079的点，此点落在设计温度下材料线的左方，故要选择公式p=2AE来计算。 D03de由150和260下的E值分别为2.00×105MPa和1.86&

14、#215;105MPa，可用直线内插法求得200下的E值为1.94×105MPa。2´0.000079´1.94´105=0.025MPap=0.66MPa，故须重新假设壁厚dn。所以 p= 3´403重新假设dn=12mm，重复上述计算步骤，得:C1=0.8mm, de=10.2mm, D0=1400+24=1424mmD0=30331424D=2.13，0=e10.2=14020 1424查表并用直线内插法计算得到A=0.0003794，B=48.2MPa 故有p=BD0=e48.2=0.344MPa0.66MPa，还是不符合要求，考虑到经

15、济成本条140件，现在此基础上设置加强圈。加强圈设置如图4-1所示，仍按名义厚度dn=12mm设计，其中L=1009mm，0=10091424D=0.71，0=14020 e142410.2查表并用直线内插法计算得到A=0.00122，B=112MPa 10沈阳航空航天大学 课程设计用纸 故许用外压力p=BD0=e112=0.8MPap=0.66MPa，符合要求，两者较接近，故140该外压筒体名义厚度按dn=12mm，并设置加强圈。 图4.1加强圈设置示意图4.4罐体封头外压稳定性设计假设名义厚度dn=12mm，则de=dn-(C1+C2)=12-(0.8+1)=10.2mm，D0=1424m

16、m，h0=350+12=362mm，R0=K1D0=0.9×1424=1282mmR0D0h0=1424»2，查表得系数K1=0.9 2´362e=12820.1250.125=126，计算系数A= =0.000995R010.2126e再查化工容器及设备简明设计手册图14-4，并用直线内插法求得200下B=106MPa，故p=BR0=e106=0.84MPap=0.66MPa，两者较接近，故该外压椭圆形封头名义厚度126dn=12mm符合要求。综上可得：罐体筒体名义厚度为dn=12mm，并设置加强圈；罐体封头名义厚度dn=12mm。 11沈阳航空航天大学 课程设

17、计用纸 5.夹套强度设计5.1夹套筒体内压强度设计夹套筒体壁厚计算如下： 计算壁厚：d=P×Di0.66´1500=4.73mm 2stj-P2´105´1-0.66设计厚度：dd=d+C2=4.73+1=5.73mm 名义厚度：dn=dd+C1+圆整值=5.73+0.6+圆整值=7mm 有效厚度：de=dn-(C1+C2)=7-(0.6+1)=5.4mm 应力校核：st=pc(Di+de)0.66´(1500+5.4)=92MPa105MPa 2dej2´5.4´1故dn=7mm符合要求。5.2夹套封头内压强度设计夹套封头

18、(标准椭球形封头)壁厚计算如下： 计算壁厚：d=KP×Di1´0.66´1500=4.72mm 2stj-0.5P2´105´1-0.5´0.66设计厚度：dd=d+C2=4.72+1=5.72mm 名义厚度：dn=dd+C1+圆整值=5.72+0.6+圆整值=7mm 有效厚度：de=dn-(C1+C2)=7-(0.6+1)=5.4mm 应力校核：st=pc(KDi+0.5de)0.66´(1´1500+0.5´5.4)=92MPa105MPa 2dej2´5.4´1故dn=7mm符合

19、要求。又de=5.40.15Di=2.25mm，故封头厚度合理。 综上可得：夹套筒体和夹套封头名义厚度都设置为dn=7mm，符合要求。12沈阳航空航天大学 课程设计用纸 6.罐体与夹套连接处的剪切强度设计6.1罐体质量计算罐体质量包括筒体和上下两封头的质量。根据化工容器及设备简明设计手册可查得公称直径为1400mm，壁厚为12mm的圆筒体一米高筒节钢板质量为418Kg，故可得筒体质量M1=2.8×418=1170.4Kg；由上面罐体封头罐体上接管及法兰质量 13沈阳航空航天大学 课程设计用纸表6.1 罐体上附属件质量综上可得出总质量M4=104Kg6.4总负荷计算根据上面算出的质量得

20、：M总=M+M3+M4=1602+5150+104=6856Kg 6.5焊缝连接处环形面积计算焊缝高度取夹套壁厚的2倍为14mm。环形面积S=p(Dn+2dn)´14=p(1400+2´12)´14=62599mm2。6.6焊缝连接处剪切应力校核焊缝连接处剪切应力t=Mg6856´10=1.1MPa -6S62599´10最大许用应力t=0.8s=0.8´105=84MPa 显然tát故校核通过 14沈阳航空航天大学 课程设计用纸 7.开孔补强计算容器在满足如下要求时可以不另行补强：设计压力2.5MPa。两相邻开孔中心的间距

21、(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的两倍。 接管公称外径89mm。接管最小壁厚满足表7.1的要求。表7.1接管最小壁厚条件(mm)综合上面给出条件并结合实际设计，搅拌器连接口、进料口、出料口、冷凝水出口须进行补强计算。7.1搅拌器连接口补强面积计算筒体名义厚度dn=12mm，Q-235B钢板在100时许用应力为st=113MPa。 因开孔而削弱的金属截面积(A)筒体计算壁厚d=pDi0.55´1400=3.42mm t2sj-p2´113´1-0.55接管直径d=di+2C2=360+2´1=362mm罐体内径Di=1400mm，设计压力为0.

22、55MPa,工作温度为100，因壳体与接管采用相同的材料故fr=1，其中接管壁厚dnt=9mm。需要补强面积：A=dd+2d(dnt-C)(1-fr)=362´3.42+2´3.42(9-1.5)´(1-1)=1238mm2补强面积：筒体的富裕金属截面积A1A1=(B-d)(dn-C)-d=(2´362-362)(12-1.8-3.42)=2454.3mm2 15沈阳航空航天大学 课程设计用纸 接管的富裕金属截面积A2 接管计算壁厚dt=pd0.55´362=0.9mm 2stjt-p2´113´1-0.55外侧有效高度：h

23、1=dnt=´9=57mm 内侧有效高度：h2=0A2=2h1(det-dt)fr+2h2(det-Ct2)fr=2h1det-dtfr=2´57´9-1.5-0.9´1=752.4mm2 焊缝金属截面积A3=e2=92=81mm2 补强面积Ae=A1+A2+A3=2454.3+752.4+81=3287.7mm2 因为AeñA，所以该孔可以不进行补强。7.2进料口、出料口补强面积计算筒体名义厚度dn=12mm，Q-235B钢板在100时许用应力为st=113MPa。 因开孔而削弱的金属截面积(A) 筒体计算壁厚d=pDi0.55´1

24、400=3.42mm t2sj-p2´113´1-0.55接管直径d=di+2C2=150+2´1=152mm 罐体内径Di=1400mm，设计压力为0.55MPa,工作温度为100，因壳体与接管采用相同的材料故fr=1，其中接管壁厚dnt=4.5mm。需要补强面积：A=dd+2d(dnt-C)(1-fr)=152´3.42+2´3.42(4.5-1.5)´(1-1)=519.8mm2 补强面积：筒体的富裕金属截面积A1A1=(B-d)(dn-C)-d=(2´152-152)(12-1.8-3.42)=1030.6mm2 接

25、管的富裕金属截面积A2 16沈阳航空航天大学 课程设计用纸 接管计算壁厚dt=pd0.55´152=0.37mm 2stjt-p2´113´1-0.55外侧有效高度：h1=dnt=´4.5=26.2mm 内侧有效高度：h2=0A2=2h1(det-dt)fr+2h2(det-Ct2)fr=2h1det-dtfr=2´26.2´4.5-1.5-0.37´1=137.8mm2焊缝金属截面积A3=e2=4.52=20.3mm2 补强面积Ae=A1+A2+A3=1030.6+137.8+20.3=1188.7mm2 因为Ae

26、1;A，所以该孔可以不进行补强。7.3冷凝水出口补强面积计算夹套名义厚度dn=7mm，Q-235B钢板在200时许用应力为st=105MPa。 因开孔而削弱的金属截面积(A) 夹套计算壁厚d=pDi0.66´1500=4.73mm 2stj-p2´105´1-0.66接管直径d=di+2C2=150+2´1=152mm 夹套内径Di=1500mm，设计压力为0.66MPa,工作温度为200，因壳体与接管采用相同的材料故fr=1，其中接管壁厚dnt=4.5mm。需要补强面积：A=dd+2d(dnt-C)(1-fr)=152´4.73+2´

27、;4.73(4.5-1.6)´(1-1)=719mm2 补强面积(Ae)夹套的富裕金属截面积A1A1=(B-d)(dn-C)-d=(2´152-152)(7-1.6-4.73)=101.8mm2 接管的富裕金属截面积A2 接管计算壁厚dt= 17 pd0.66´152=0.48mm 2stjt-p2´105´1-0.66沈阳航空航天大学 课程设计用纸 外侧有效高度：h1=ddnt=´4.5=26.2mm内侧有效高度：h2=0A2=2h1(det-dt)fr+2h2(det-Ct2)fr=2h1det-dtfr=2´26.2&

28、#180;4.5-1.6-0.48´1=126.8mm2焊缝金属截面积A3=e2=4.52=20.3mm2补强面积Ae=A1+A2+A3=101.8+126.8+20.3=248.9mm2因为AeáA，所以该孔要进行补强。A4=A-Ae=719-248.9=470.1 mm2确定补强圈的结构尺寸取补强圈厚度d1与夹套筒体厚度相同，因为A4=d1D-(150+2´4.5)则补强圈外径为：D=226mm综上计算可得搅拌器连接口、进料口、出料口都不需补强，只有冷凝水出口需要补强；同理还可计算出视镜口也不需补强。 18沈阳航空航天大学 课程设计用纸 8.水压试验压力确定8

29、.1罐体水压试验校核8.1.1罐体筒体水压试验压力确定 罐体筒体水压试验压力计算公式：PT=hps ，其中s试验温度下材料的许用压力ts(室温下为113MPa)；st为设计温度下材料的许用压力(100时为113MPa)；h为试验压力系数(根据化工容器及设备简明设计手册取值为1.25)。 故PT=1.25´0.55´113=0.6875MPa 1138.1.2罐体封头在水压试验压力下的强度校核 根据椭圆形封头应力校核公式st=PT(KDi+0.5de)得： 2dejst=0.6875´(1´1400+0.5´10.2)=47.4MPas=113M

30、Pa 2´10.2´1故罐体封头在水压试验压力下强度符合要求。8.1.3罐体筒体在水压试验压力下的稳定性校核根据4.3节内容筒体在外压作用下许用外压力p=113=0.6875MPa。 113BD0=e112=0.8MPa；而筒体水140压试验压力PT=1.25´0.55´由上得出pñPT故罐体筒体在水压试验压力下稳定性校核通过。 19沈阳航空航天大学 课程设计用纸 8.1.4罐体封头在水压试验压力下的稳定性校核根据4.4节内容罐体封头在外压作用下许用外压力p=113=0.6875MPa。 113BR0=e106而罐=0.84MPa；126体封头

31、水压试验压力PT=1.25´0.55´由上得出pñPT故罐体封头在水压试验压力下稳定性校核通过。8.2夹套水压试验校核8.2.1夹套水压试验压力确定 夹套水压试验压力计算公式：PT=hps ，其中s试验温度下材料的许用压力(室ts温下为113MPa)；st为设计温度下材料的许用压力(200时为105MPa)；h为试验压力系数(根据化工容器及设备简明设计手册取值为1.25)。 故PT=1.25´0.66´113=0.8879MPa 1058.2.2夹套筒体在水压试验压力下的强度校核 根据圆筒体应力校核公式st=PT(Di+de)得： 2dejst=0.8879´(1500+5.4)=123.8MPas=113MPa 2´5.4´1故夹套筒体在水压试验压力下强度不符合要求，现重新设定夹套筒体名义厚度以达到强度要求。设夹套筒体名义厚度为10mm，则：st=0.8879´(1500+8.2)=81.7MPas=113MPa 2´8.2