化工设备设计

1、东华理工大学 课程设计 题目：压力容器设计院系：化学生物与材料科学学院专业：化学工程与工艺班级：1121001姓名：朱晓琳学号：201120100116 设计说明书1.设计课题：液氨储罐的机械设计2.已知工艺参数如下： 公称直径：DN=2500；筒体长度（不含封头）：Lo=4600。取最高使用温度：50 查表可知50时液氨的饱和蒸汽压为P=2.033Mpa（绝对压力）此压力即为容器的最大工作压力。容器的设计压力应该高于其最大工作压力，对于装有安全阀的容器，其设计压力不得低于安全阀的开启压力，安全阀的开启压力是根据容器最大工作压力调定，据此，取最大压力的1.10倍作为容器的设计压力，则 设计压力

2、p=1.1×（2.033-0.101）=2.1252Mpa（表压），取p=2.2Mpa（表压）。 3.材料结构的选择与论证3.1 材料的选择钢材根据化学成分，压力容器用钢可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。在设计和制造化工容器时，选择容器用钢必须综合考虑：容器的操作条件，材料的使用性能，材料的加工工艺性能，经济的合理性。并且必须符合GB150-1988钢制压力容器的要求。由于设计要求最高使用温度：T=50，设计压力P=2.2Mpa（表压），液氨低腐蚀，该容器属于中压、低温范畴，同时温度和压力有波动。对材料的要求应是耐压，耐低温，且抗压力波动。根据选材原则优先考虑16MnR、15MnVR

3、、15MnTi等钢材。再考虑到经济性选择16MnR为设计容器筒体和封头所用钢材。在GB 150钢制压力容器中，对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力，16MnR的许用应力见表3-1。表3.1 压力容器用16MnR钢板的许用应力钢号钢板标准使用状态厚度mm常温强度指标在下列温度()下的需用应力/MPabMPasMPa2010015016MnRGB 6654热轧，正火61651034517017017016364903251631631633660470305157157157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

4、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，选择相应的钢材。3.2 结构选择与论证 贮罐结构形式的选择贮罐的结构形式主要有卧式贮罐、立式贮罐和球形贮罐。根据设计要求，作为储存液氨的容器一般选用地面卧式储罐，主要由筒体、封头和支座组成。3.2.2 封头的选择及其材料的选择封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体

5、冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。从受力情况，制造角度以及费用综合考虑后，本设计选用标准椭圆形封头。查椭圆形封头标准（JB/T4737-95）表2.1 椭圆封头标准公称直径DN曲面高度h1直边高度h2内表面积A/m2容积V/m32500665407.08912.2417 封头取与筒体相同材料。 人孔的选择压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸

6、设备的内部构件。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径(人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其简节的公称直径)、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有较大的灵活性，其尺寸大小及位置以设备内件安装和工人进出方便为原则。由于贮罐是在常温及最高压力为2.2MPa下工作，人孔标准按公称压力2.5MPa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。查得该人孔的有关数

7、据如下:表3.2 水平吊盖带颈对焊法兰人孔(突面)标准尺寸 (mm)公称压力MPa公称直径dW×SDD1dbb1b2AH1H2d02.5450480×1267060045046404438032021436该水平吊盖带颈对焊法兰人孔的标记为：HG21524-95 人孔RF （AG）450-2.5 其中RF指突面密封，指接管与法兰的材料为16MnR，AG是指用普通石棉橡胶板垫片，450-2.5是指公称直径为450mm、公称压力为2.5 Mpa。 件号标准号名称数量材料尺寸/mm1筒节116MnRdW×S=480×12，H1=3202HGJ52-91法兰11

8、6Mn(锻件)3HGJ69-91垫片1石棉橡胶板=3(代号A.G)4HGJ63-91法兰盖116MnRb1=39， b2=445HGJ75-91P螺柱2035M33×2×1756螺母4025M337吊环1Q235-A.F8转臂1Q235-A.Fd0=369GB95-85垫圈201100HV10GB41-88螺母M2024级11吊钩1Q235-A.F12环1Q235-A.F13无缝钢管12014支承板116MnR 表3.3 人孔PN2.5 DN450(HG21524-95)明细表 法兰的选择压力容器法兰的标准（JB/T47047072000）压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。

9、平焊法兰又分为甲型与乙型两种。甲型平焊法兰有PN0.25 MPa 0.6 MPa 1.0 MPa1.6 MPa，在较小范围内（DN300 mm 2000 mm）适用温度范围为-20300。乙型平焊法兰用于PN0.25 MPa1.6 MPa压力等级中较大的直径范围，适用的全部直径范围为DN300 mm 3000 mm，适用温度范围为-20350。 对焊法兰具有厚度更大的颈，进一步增大了刚性。用于更高压力的范围（PN0.6 MPa6.4MPa）适用温度范围为-2045。法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。管法兰、钢制管法兰、垫

10、片、紧固件设计参照原化学工业部于1997年颁布的钢制管法兰、垫片、紧固件标准（HG20592HG20635-1997）的规定。3.2.5 支座的选择卧式容器的支座应用最普遍，而且有标准可查的是鞍式支座，简称鞍座，鞍座标准是（JB/T4712-92）。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。鞍座的尺寸是由公称直径确定的。本设计公称直径DN=2500mm >1000mm，则选用轻型A双鞍座，焊制、120°包脚、带垫板、一为固定式F型一为滑动式支座S型。 4设计计算 4.1 筒体壁厚计算 有 查 压力容器材料使用手册-碳钢及

11、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/ Mpa2010015020025030016MnR6161701701701701561441636163163131591471343660157157157150138125>60100153153150141128116 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（双面对接焊缝，100%探伤), 取许用应力40时氨的饱和蒸汽压为（绝对压力），贮罐的设计压力由于液氨对金属有一定的腐

12、蚀，故属单面腐蚀取根据公式得 设计厚度 查表10-10取钢板负偏差，则筒体的名义壁厚=，圆整后，圆筒的名义壁厚14mm4.1封头壁厚的计算采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同，其厚度计算式为：查表10-10取钢板负偏差双面腐蚀裕量 所以， 设计厚度为： 名义厚度为： 圆整后取n=20mm。查椭圆形封头标准（JB/T4737-95）表2.1 椭圆封头标准公称直径DN曲面高度h1直边高度h2内表面积A/m2容积V/m32500665407.08912.24174.1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

13、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型双鞍座，一为固定式一为滑动式支座。4.3鞍座结构和材料的选取 卧式容器的支座有三种形式：鞍座、圈座、和支腿，常见的卧式容器和大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座。置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。但对于大型

14、卧式容器而言，当采用多支座时，如果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，是支座反力难以为个支点平均分摊，导致课题应力增大，因而体现不出多制作的优点，故一般情况采用双支座。 采用双支座时选取的原则如下： 双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取,其中L取两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。 当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。为了充分利用这一加强效应，在满足下应尽量使. 此外，卧式容器由

15、于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力。通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。所以本设计就采用这种支座结构。根据设备的公称直径和容器的重量参照鞍座标准JB/T4712-1992选取鞍座结构及尺寸。鞍座的材料（除加强垫板除外）为Q235-A·F，加强垫板的材料应与设备壳体材料相同为16MnR。4.4容器载荷计算筒体的质量：查得圆筒体理论质量为1778/m,筒体长度加上封头的直边长度为6m,则W1=1778×6=10668。

16、封头的质量:根据封头的名义厚度查得2:1标准椭圆形封头理论质量为1901。 水压试验时水的质量：由常用压力容器手册查得公称直径3000mm厚24mm的标准椭圆封头的容积为3.887,则容器容积为： （4.6）水重 =49.4575×1000=49457.5。附件的质量：人孔重256kg,人孔补强重42.3kg,进出料管约100kg,两个液面计共180kg,安全阀80kg,排污阀44.4kg,再加上与阀门相接的接管重量，附件总质量约为750kg.所以设备总质量为62776.5kg.即627.765kN1,3,5.4.5鞍座选取标准查得公称直径为3000mm的容器选择轻型(A),120&

17、#176;包角、焊制、六筋、带垫板，高度为250mm的鞍座，允许载荷Q786kN>627.765kN,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/kg30007862501940405344.6鞍座强度校核鞍座腹板的水平分力：查得鞍座包角120°对应系数 支座反力：鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：计算高

18、度，取鞍座实际高度和两者中的较小值，mm鞍座腹板厚度，mm鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度与圆筒体的有效宽度两者中的较小值，mm鞍座垫板有效厚度，10mm则 应力校核：鞍座材料Q235-A·F的许用应力，则35.1人孔的选取由于贮罐是在常温及最高压力为1.6MPa下工作，人孔标准按公称压力1.6MPa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mm1.6450480 ×1037030024011649036该人孔标记为：HG21523-95 人孔RF（A.G）450-1.65.2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