浓硫酸储罐课程设计

1、荆楚理工学院课程设计成果 学院:_化工与药学院_ 班 级: 13级过程装备与控制工程2班 学生姓名: 黄超 学 号: 设计地点（单位）_化工实验楼A411 _ _设计题目:_ _ 32t浓硫酸储罐设计_ 完成日期： 年 月 日 指导教师评语: _ _ _ _ 成绩(五级记分制):_ _ _ 教师签名:_ _ 荆楚理工学院课程设计任务书设计题目： 32 t浓硫酸储罐设计学生姓名课程名称专业课程设计专业班级2013级过程装备与控制工程2班地 点化实A411起止时间设计内容及要求一、设计任务1、设备工艺、结构设计；2、设备强度计算与校核；3、技术条件编制；4、绘制设备总装配图A1图纸1张；5、编制设

2、计说明书。二、设计内容1、储罐工艺参数计算，包括设计存储量、设计压力、设计温度等的确定。2、储罐的结构设计。根据储罐的结构特点，确定筒体、封头、接管、开孔、支座及安全装置等材料的选择及结构设计，焊接接头设计。3、储罐的强度计算与校核，包括筒体、封头的厚度计算和开孔补强计算等内容。4、储罐的零部件的选配，包括支座，手、人孔，各种设备接口：接管与管法兰、补强圈、液体进、出料管等。5、根据罐内介质的危险特点，对储罐在使用管理过程中应注意的安全问题提出对策措施。6、编制设计说明书，并绘制装配图A1一张。设计说明书应根据设计指导思想阐明设计特点，列出设计主要技术数据，对有关结构和材料选型作出技术上和经济

3、上的论证和评价。应按设计程序列出计算公式和计算结果；对所选用的公式图表应注明来历。7、图纸要求1) 按机械制图、化工设备图样技术要求标准绘图；2) 要有足够的节点图，节点图要注明比例；要在图面正确的前提下，力求清洁，不要颠倒主次要求；3) 标题栏、明细表、设计数据表、管口表等应正确无遗漏，按照标准填写准确；零件编号要齐全；技术要求撰写符合要求。8、注意事项:1) 写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源;2) 设计说明书要求字数不少于4000字，计算正确，论述清楚，文字精练，插图简明，书写整洁，格式正确。装订成册上交。设计参数1）技术特性指标：序号项 目数 值单 位备 注1名称浓硫酸储罐2用途浓

4、硫酸储存3操作压力见附表MPa4操作温度见附表5公称容积（Vg）见附表m36工作压力波动情况可不考虑7装量系数（）0.98工作介质浓硫酸9使用地点荆门市，室外10安装与地基要求11其他要求2）接管口参数：符号公称尺寸公称压力连接面形式用途或名称A40凸面进料口B20凸面放空口C80凸面出料口D100凸面排污口LG1220凸面液位计口LT1240凸面自动液位计口M450凸面人孔进度要求第一天：根据课程设计任务书查阅相关资料。第二天：根据设计任务和工艺要求，确定总体设计及计算。第三天：进行强度计算。第四天：进行零部件设计和选用。第五天：绘制草图。第六天：绘制绘制底图。第七天：加粗、标注尺寸、编件号

5、、管口号、填技术特性表、标题栏、明细表等。第八、九天：整理计算说明书。第十天：质疑，收说明书，收图。参考资料1郑津洋等. 过程设备设计. 北京.化学工业出版社.20102潘红良. 过程设备机械设计. 上海.华东理工大学出版社.20063贺匡国. 化工容器及设备简明设计手册. 北京：化学工业出版社，20024蔡纪宁. 化工设备机械基础课程设计指导书 北京：化学工业出版社，20005董大勤. 化工设备机械基础. 北京.化学工业出版社，2010其它学号姓 名操作压力MPa操作温度容 积t学号姓 名操作压力MPa操作温度容 积t王晓帆常压45820黄 超常压453218陈 洋常压451621鲁 奇常压

6、454019胡亚辉常压4524说明1、本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份，教研室审批后交学院院备案，一份由负责教师留用。2、若填写内容较多可另纸附后。3、一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。教研室主任： 指导教师：石腊梅2016年 11 月18日 目录第一章介质特性3第二章设计参数的选择32.1 筒体材料的选择32.2公称直径的确定32.3设计压力32.4设计温度42.5焊接接头系数4第三章设备的结构设计53.1圆筒厚度的设计53.2封头的设计5封头厚度的设计5封头的结构尺寸63.3鞍座选型和结构设计6鞍座选型6鞍座位置的确定73.4卧式储罐的附件及其应用8接管和

7、法兰9垫片的选用10螺栓（螺柱）的选择103.5人孔的选择113.6液位计的选择11第四章容器强度的校核114.1水压试验应力校核114.2.筒体轴向弯矩计算11圆筒中间截面上的轴向弯矩12鞍座平面上的轴向弯矩124.3筒体轴向应力计算及校核134.4.筒体和封头中的切向剪应力计算与校核144.5.封头切向剪应力计算144.6.筒体的周向应力计算与校核144.7.鞍座应力计算与校核16腹板水平分力及强度校核164.8地震引起的地脚螺栓应力18倾覆力矩计算18由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力18由地震引起的地脚螺栓剪应力19第五章开孔补强设计195.1人孔补强19补强设计方法判别19有效补强范围2

8、05.13有效补强面积20补强面积21第六章卧式储罐的焊接216.1焊缝布置21接头的分类及其选择216.1.2 焊缝的布置226.2焊接方法226.3焊接顺序23焊前清理23焊接过程和顺序23焊后处理24第七章设计心得体会25第八章参考文献26第一章 介质特性浓硫酸，俗称坏水，化学分子式为HSO，是一种具有高腐蚀性的强矿物酸。坏水指质量分数大于或等于70%的硫酸溶液。浓硫酸在浓度高时具有强氧化性，这是它与普通硫酸或普通浓硫酸最大的区别之一。同时它还具有脱水性，强氧化性，强腐蚀性，难挥发性，酸性，吸水性等。常用的浓硫酸中H2SO4的质量分数为98.3%，其密度为1.83g·cm-3，

9、其物质的量浓度为18.3mol·L-1。98.3%时，熔点:10;沸点:338。硫酸是一种高沸点难挥发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。浓硫酸溶解时放出大量的热，因此浓硫酸稀释时应该"酸入水，沿器壁，慢慢倒，不断搅"。第二章 设计参数的选择2.1 筒体材料的选择根据GB150-2011表D.1并结合实际情况，选用筒体材料为碳素钢Q-235C（钢材标准为GB/T3274-2007）。Q-235C适用范围规定如下：(1) 容器设计压力p1.6MPa；(2) 钢板使用温度为0-300;(3) 用于壳体时，钢板厚度不大于40mm。2.2公称直径的确定设筒体直径为D，筒

10、体长度为L=2D，选用标准椭圆封头，则其体积可表示为:由此可求得D=2197mm 所以粗定D=2200mm。2.3设计压力设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷，其值不得低于工作压力。液柱静压力：根据化学化工物性分析手册表查饱和蒸汽压：Pc=0.0118Mpa工作压力：设计压力：计算压力：p=0.1241+0.0395=0.1636Mpa2.4设计温度设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。设计温度取50。2.5焊接接头系数焊接接头系数是以焊接强度与母材强度之比值表示的。它与焊缝

11、位置焊接方法以及检验等因素有关。JB4732标准中要求受压元件焊缝必须100%无损检测，取焊缝系数1.00。设计参数总结如下表2.1：表2.1 设计数据序号项目数值单位备注1名称32t浓硫酸储罐2用途浓硫酸储存3筒体材料Q-235C4设计压力0.1241MPa5设计温度506公称直径2200mm6公称容积17.57装量系数0.98工作介质浓硫酸9使用地点荆门市，室外10其他要求100%无损检测第三章 设备的结构设计3.1圆筒厚度的设计查GB150-2011中表D.1，可得：在设计温度50下，屈服极限强度，许用应力利用中径公式计算厚度： 查标准HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7

12、-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm，而过程设备设计（郑津洋）知，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取。查HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-5知,在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量不小于1mm,本例取=2mm则筒体的设计厚度圆整后，取名义厚度筒体的有效厚度3.2封头的设计3.2.1封头厚度的设计查JB/T 4746-2002 钢制压力容器用封头中表1，得公称直径选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA，则 ，根据过程设备设计（郑津洋）中椭圆形封头计算中式4-46计算： 同上，取=2mm，。封头的设计厚度圆整后，取封头的名义厚度 ，有

13、效厚度 3.2.2封头的结构尺寸由，得根据标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头 中表B.1 EHA椭圆形封头内表面积、容积，如下表3.1表3.1 EHA椭圆形封头内表面积、容积公称直径DN /mm曲面高度hi/mm直边高度h/mm总深度H /mm内表面积A/容积/2200550405905.51.55图3.1 封头的示意图3.3鞍座选型和结构设计3.3.1鞍座选型该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用Q235-B。L=4.2997m储罐总质量筒体质量：单个封头的质量：查标准JB/T25198-2010压力容器封头中表C.2 EHA椭圆形封头质量，可知，充液质量：附件质量：人孔质量为17

14、5kg，其他接管质量总和估为486.3kg，即=661.3kg综上所述， 则每个鞍座承受的重量为173460N 由此查JB/T4712.14712.4-2007容器支座，选取重型，焊制为B,包角为120°，有垫板的鞍座。查JB/T4712.14712.4-2007表3设计鞍座结构尺寸如下表3.2：表3.2 鞍式支座结构尺寸 单mm公称直径DN2200腹板10垫板500允许载荷Q/kN405筋板24510鞍座高度h250208e100底板1580290螺栓间距13802408螺孔/孔长/螺纹D/l24/40/M2014垫板弧长2570鞍座质量Kg2053.3.2鞍座位置的确定因为当外伸

15、长度A=0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，而且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸A不超过0.2L值，为此中国现行标准JB/T4731钢制卧式容器规定A0.2L=0.2（L+2h），A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。 由标准椭圆封头，有故鞍座的安装位置如图3.2所示：图3.2 鞍座的安装示意图此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分

16、利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，JB/T 4731还规定当满足A0.2L时，最好使A0.5R a，即 ，取A=500mm综上有：A=500mm(A为封头切线至封头焊缝间距离，L为筒体和两封头的总长)3.4卧式储罐的附件及其应用浓硫酸储罐应设置进料口、放空口、出料口、排污口、液位计口、自动液位计口、人孔。图3.3 储罐接管设置示意图表3.3 接管口参数符号公称尺寸连接面形式用途或名称A40凸面进料口B20凸面放空口C80凸面出料口D100凸面排污口LG1220凸面液位计口LT1240凸面自动液位计口M450凸面人孔3.4.1接管和法兰查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表8

17、.2.8-2 PN10平焊环松套钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。查HG/T 20592-2009钢制管法兰中附录D中表D-3,得各法兰的质量。查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表，法兰的密封面均采用M（凸面密封）。各管口法兰尺寸数据见下表3.3：图3.4 平焊环松套钢制管法兰示意图管口名称公称直径DN钢管外径（对焊环颈部外径）A1连接尺寸法兰厚度C法兰内径焊环法兰质量kg法兰外径D螺栓孔中心园直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓ThB1G外径d内径 B2厚度F松套PJ平焊环RJ进料口4045B150110184M16185058846142.00.46放空口20

18、25B10575144M12162945826141.00.23出料口8089B200160188M162094613891163.51.07排污口100108B220180188M16221146158110184.51.28液位计口2025B10575144M12162945826141.00.23自动液位计口4045B150110184M16185058846142.00.46表3.3 接管和法兰尺寸 单位mm3.4.1.1选配工艺接管(1) 进料管采用热轧无缝钢管ø45x4mm。(2) 放空管采用无缝钢管ø25x4mm。(3) 出料管采用热轧无缝钢管ø89

19、x4mm。(4) 排污管采用热轧无缝钢管ø108x4mm。3.4.2垫片的选用查HG/T 20609-2009钢制管法兰用非金属平垫片（PN系列），垫片尺寸如表3.4所示。 表3.4 垫片尺寸表 单mm管口名称公称直径内径D1外径D2厚度T进料口4049751.5放空口2027501.5出料口80891201.5排污口1001151491.5液位计口2027501.5自动液位计口4049751.5人孔4504805233注：选耐酸石棉橡胶板3.4.3螺栓（螺柱）的选择查HG/T 20613-2009 钢制管法兰用紧固件（PN系列）中表-9和附录中表得螺柱的长度和平垫圈尺寸： 表3.5

20、 螺栓及垫片 单位mm管口名称公称直径螺柱紧固件用平垫圈螺纹螺柱长h进料口40M168517303放空口20M127513242.5出料口80M169017303排污口100M169017303液位计口20M127513242.5自动液位计口40M1685173033.5人孔的选择根据HG/T21517-2005回转盖带颈平焊法兰人孔，查表3-3，选用凹凸面型，其明细尺寸见表3.6。 表3.6 人孔尺寸表 单位：mm密封面型式公称压力PN/MPa公称直径DN总质量kg螺栓尺寸螺母数量螺栓数量凹凸面1.6450175M27x1102020BdD313617524585640480x10AbL24

21、0111350342503.6液位计的选择根据HG/T 21584-95选磁性液面计，与液位计相配的接管规格为ø25x4mm，与自动液位计相配的接管规格为ø45x4mm。第四章 容器强度的校核4.1水压试验应力校核试验压力： 圆筒的薄膜应力 故合格4.2.筒体轴向弯矩计算圆筒轴向最大弯矩位于圆筒中间截面或鞍座平面上。（见图4.1）图4.1 容器载荷、支座反力、剪力及弯矩图圆筒的平均半径为： Ra=Di2+n2=22002+102=1105mm鞍座反力为：F=mg2=3469202=173460N4.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩根据JB/T4731-2005中式7-2得：4

22、.2.2鞍座平面上的轴向弯矩根据JB/T4731-2005中式7-3得：4.3筒体轴向应力计算及校核（1）圆筒中间横截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力最高点处： 根据JB/T4731-2005中式7-4 最低点处：根据JB/T4731-2005中式7-5（2）支座处圆筒截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 因鞍座平面上筒体被封头加强，取鞍座包角，查JB/T 4731-2005表7-1可得 K1=1.0，K2=1.0 最高点处：根据JB/T4731-2005中式7-6 最低点处：根据JB/T4731-2005中式7-7（3）筒体轴向应力校核因轴向许用临界应力由根据圆筒材料查过程设备设计中图

23、4-8可得，合格，合格4.4.筒体和封头中的切向剪应力计算与校核因为A的取值带来的加强作用，查JB/T4731-2005表7-2得K3=0.880，K4=0.401，其最大剪应力位于靠近鞍座边角处，根据JB/T4731-2005中式7-9得因圆筒 故有 ， 故切向剪应力校核合格。4.5.封头切向剪应力计算根据JB/T4731-2005中式7-10和7-12得： 合格4.6.筒体的周向应力计算与校核 根据鞍座尺寸表知：即，所以此鞍座垫板作为加强用的鞍座。圆筒的有效宽度 ，当容器焊在支座上时，取，查JB/4731-2005表7-3可得。(1)鞍座在横截面最低点处周向应力(2)鞍座边角处的周向应力因

24、为即当时：根据JB/T4731-2005中式7-20有(3)鞍座垫板边缘处的周向应力由于，根据JB/T4731-2005中式7-22有(4)应力校核 圆筒的周向应力满足要求，合格4.7.鞍座应力计算与校核4.7.1腹板水平分力及强度校核由可得，查JB/T4731-2005中表7-5水平分力计算高度鞍座有效断面平均应力：鞍座材料Q235-B的许用应力=147MPa符合要求，合格4.7.2鞍座压缩应力及强度校核圆筒中心线至基础表面距离：根据JB/T 4731-2005中表76，地震强度为7度（0.1g）时，水平地震影响系数则轴向力则 钢底板对水泥基础的静摩擦系数则筋板面积：腹板面积：则形心：腹板与

25、筋板组合截面断面系数：代入公式得取 则根据JB/T4731-2005中式732进行校核即满足强度要求。4.8地震引起的地脚螺栓应力4.8.1倾覆力矩计算4.8.2由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力根据JB/T4731-2005中式7-34计算其中n为承受倾覆力矩的地脚螺栓个数，；为筒体轴线两侧的螺栓间距；为每个地脚螺栓的横截面面积，；则取载荷系数，则由于，所以强度符合要求。4.8.3由地震引起的地脚螺栓剪应力根据JB/T4731-2005中式7-35计算其中为承受剪应力的地脚螺栓个数，；则 由于 故符合强度要求。第五章 开孔补强设计根据GB150规定，当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强

26、。(1)设计压力小于或等于2.5MPa。(2)两相邻开孔中心的距离（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的2倍。(3)接管公称外径小于或等于89mm。故该储罐中有DN=100mm排污口和DN=450mm的人孔需要补强。5.1人孔补强5.1.1补强设计方法判别按HG/T 21518-2005,选用回转盖带颈平焊法兰人孔。人孔开孔直径故可以采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用10(GB8163)，其许用应力根据GB150.3-2011中式6-1，其中：壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数所以5.1.2有效补强范围（1）有效宽度B的确定按GB150。3-2011中式6-6，得：

27、 （2）外侧有效高度根据GB150.3-2011中式6-7得：（3）内侧有效高度根据GB150.3-2011中式6-8得：5.13有效补强面积根据GB150.3-2011中式6-9 式6-11，分别计算如下：筒体多余面积接管的计算厚度 ： 接管的多余面积 焊角去6 ，则焊缝金属截面积5.1.4补强面积有效补偿面积为：因为，所以开孔不需要另加补强。第六章 卧式储罐的焊接6.1焊缝布置6.1.1接头的分类及其选择压力容器受部分的焊接接头分为A，B，C，D四类：A 类焊缝：受压部分的纵向接头（多层包扎压力容器层板层纵向接头除外）球形封头与圆筒联接的环向接头，各类凸形封头中所有拼焊接头以及嵌入式接管与

28、圆筒，封头联接的对接接头等。B 类焊缝：受压部分的环向接头，椭圆形封头小端与接管连接的接头。长颈法兰与接管连接的接头。但已规定的A，C，D类焊缝除外。C类焊缝：平盖，管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体接管的接头，内封头与圆筒的搭接填角接头以及多层包扎压力容器层板层纵向接头。D类焊缝：接管孔与壳体非对接连接的接头凸缘，补强圈与壳体连接的接头。但已规定的A，B类的焊接接头除外。由上述四类接头的说明设计如下：椭圆形封头与圆筒连接的环向接头A类受压部分的环向接头（筒节与筒节的对接）B类接管与人孔等与壳体非对接的接头D类6.1.2 焊缝的布置焊接是压力容器设计、制造过程中不可避免的连接方式。压力容器

29、筒体的周向应力是轴向应力的2倍,因此,在制造过程中,对纵向焊缝的质量要求要比环向焊缝要高。对于容器,焊缝是一个薄弱区域。因此,对焊缝的布置从设计上有一定的要求。焊缝的交叉、重叠或距离太近都将增加焊接应力,恶化焊缝区域的组织和性能,从而容易形成裂纹等缺陷。所以,在容器组焊时,应尽量避免十字焊缝;相邻两筒节纵缝、封头拼缝与相邻筒节的纵缝应错开,其焊缝中心间距应大于筒壁厚度的3倍,且不小于100mm;封头各种不相交的拼接焊缝中心线间距至少应为钢板厚度的3倍,且不小于100mm;封头由成形瓣片和顶圆板拼成时,焊缝方向只允许是径向和环向的。受压元件主要焊缝及其邻近区域，应避免焊接零件。如不能避免时，焊接

30、零件的焊缝可穿过主要焊缝，而不要在焊缝及其邻近区域中止。开孔、焊缝和转角要错开。开孔边缘与焊缝的距离应不小于开孔处实际壁厚的3倍，且不小于100mm。在凸形封头上开孔时，孔的边缘与封头周边间的投影距离应不小于封头外径的10。开孔及焊缝不允许布置在部件转角处或扳边圆弧上，并应离开一定距离。6.2焊接方法A，B类焊缝，查GB/T985.1-2008壁厚10，选择双V形坡口（带钝边）如图： 图6.1 A,B类焊缝的坡口形式,及焊后效果坡口尺寸：=60（°）b=14（mm）c=2-6（mm）t=10（mm）C类焊缝，查GB/T985.1-2008,由于壁厚t>2,选择T形接头如图：尺寸

31、/mm：=90（°）b=0-2（mm）t1>2（mm） t2>2（mm）图6.2 C类焊缝的坡口形式,及焊后效果对焊环松套法兰与钢管连接的焊接接头盒坡口尺寸要求如下图6.3对焊环与钢管连接的焊接接头注：当对焊环与公称壁厚小于或等于3.2mm的奥氏体钢管连接时，钝边可取消6.3焊接顺序焊前清理工件焊接前必须进行清理，除去工件表面的锈渍，油污和工件表面的毛刺。焊前处理能够有效防止焊接过程中产生气孔、夹杂等焊接缺陷的形成。焊接过程和顺序焊接过程至关重要，施工人员必须严格按照合理的结构顺序，选择合理的焊接工艺参数，严格施工。首先将两侧的半圆点焊在一起，然后将点固好的两侧拼接在一起。焊接