过程设备设计课程设计说明书

1、过程设备设计课程设计说明书二氧化碳储罐设计学生姓名专业过程装备与控制工程学号指导教师朱振华 李晶学院机电工程学院20目 录第一章 绪论11.1概述11.2 二氧化碳的性质11.3 立式二氧化碳储罐的设计特点11.4设计任务表2第二章 零部件的设计和选型32.1 封头的设计32.2.1 封头的选择32.1.2 封头材料的选择32.1.3 封头的设计计算42.2 人孔的设计42.2.1 人孔的选择42.2.2 人孔的选取52.3 容器支座的设计52.3.1 支座材料的选择52.3.2 支座选取62.3.3 支座的设计62.3.4 支座的安装位置72.4 筒体的材料的选择82.5接管、法兰、垫片和螺

2、栓的形式和选择92.5.1 接管的选取92.5.2 法兰的选取102.5.3 垫片的选取102.5.4螺栓的选取11第三章 强度设计与校核123.1 圆筒强度设计123.2 封头强度设计123.3 筒体长度校核133.4 人孔补强设计133.5水压试验校核15结论16参考文献. 17第一章 绪论1.1概述储存设备又称储罐,主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用,如氢气储罐、液化石油气储罐、石油储罐、液氨储罐等。储罐内的压力直接受到温度的影响，且介质往往易燃、易爆或有毒。储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式储罐和球形储罐

3、。目前我国普遍采用常温压力储罐，常温储罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐。球形储罐和圆筒形储罐相比：前者具有投资少，金属耗量少，占地面积少等优点，但加工制造及安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高。一般储存总量大于或单罐容积大于时选用球形储罐比较经济，而圆筒形储罐具有加工制造安装简单，安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总储量小于或单罐容积小于时选用圆筒形储罐比较经济。圆筒形储罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形储罐， 只有某些特殊情况下（站内地方受限制等) 才选用立式。但本说明书主要讨论立式圆筒形二氧化碳储罐的设计。1.2 二氧

4、化碳的性质二氧化碳是空气中常见的化合物，其分子式为CO，由两个氧原子与一个碳原子通过共价键连接而成，常温下是一种无色无味气体，密度比空气略大，能溶于水，并生成碳酸。固态二氧化碳俗称干冰。二氧化碳认为是造成温室效应的主要来源。二氧化碳不参与燃烧，密度比空气略大，所以也被用作灭火剂。二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料，温室中常用二氧化碳作肥料。二氧化碳在焊接领域应用广泛，如：二氧化碳气体保护焊，是目前生产中应用最多的方法。1.3 立式二氧化碳储罐的设计特点设计储存设备，首先必须满足各种给定的工艺要求，考虑存储介质的性质、容量、钢材的耗费量等等。立式储罐，危险性大，容易发生火灾和爆炸事故，必须

5、按照有关规定，建立防火、防爆制度，经常进行防火巡查，严格进行消防安全管理，确保消防安全。国家劳动部门把这类设备作为受安全监察的一种特殊设备，并在技术上进行了严格、系统和强制性的管理，制定了一系列地强制性或推荐性地规范标准和技术法规，对压力容器的设计、材料、制造、安装、检验、使用和维修提出了相应的要求，同时为确保其安全可靠，实施了持证设计、制造和检验制度。储罐区防火防爆应按GB50183，GB50074规定。低倍数空气泡沫灭火系统应按GB50151规定。此类容器接受劳动部颁发压力容器安全技术监察规程(简称容规) 的监督，因此设计必须严格按照标准进行。 立式二氧化碳储罐，此次设计针对的是第一类压力

6、容器的设计。储罐主要由筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。储罐上设有进料管、出料管、排污管以及安全阀、压力表等。1.4 设计任务表表 1.1 任务表序号名称指标1设计压力 MPa1.592设计温度 0C1503最高工作压力 MPa1.54工作温度 0C1205工作介质二氧化碳气体6主要受压元件材料16MnR7焊接接头系数0.858腐蚀余量 mm1.09全容积 m3210容器内别第一类第二章 零部件的设计和选型2.1 封头的设计2.2.1 封头的选择从受力与制造方面分析来看，半球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，冲压较为困难。椭圆形封头深度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低

7、压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来看，球形封头用材最少，比椭圆形封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。2.1.2 封头材料的选择介质具无毒性，压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。一般中低压设备可采用采用屈服极限为245Mpa345Mpa级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或以上；如果容器的操

8、作温度超过4000C，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。16MnR钢是屈服强度350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊条（J507），15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为400、500Mpa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵。因此选用16MnR钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值 ，所以筒体与封头材料均选用低合金钢板（钢板标准为GB 6654，使用状态为热轧、正火）。参照GB 150

9、-1998表4-1，根据设计压力，设计温度，筒体壁厚在范围内，选得材料的许用应力，屈服极限。又由于介质无毒无污染，又考虑到压力容器焊接结构的设计原则，容器的所有焊缝（包括角焊缝）没必要都采用全焊透结构，焊接接头系数为0.85。2.1.3 封头的设计计算由，得封头的其他参数：查标准JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头中表B.1 EHA和B.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见下表2.和下图2-1。图2-1 封头尺寸表2.1公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/容积V/质量/Kg12003251.65520.2545128.32.2 人孔的设计2.2.1 人孔的选择压力容

10、器设置人孔是作为工作人员进出设备以进行检验和维修之用，而且能避免因意外原因造成罐内急剧超压或真空时，损坏储罐而发生事故，还能起到安全阻火作用，是保护储罐的安全装置。因此，人孔的位置应适当，人孔直径必须保证工作人员能携带工具进出设备方便。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。公称直径则指其筒节的公称直径）、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。通常可以根据操作需要选择，在这选用回转盖带颈对焊法兰人孔。2.2.2 人孔的选取由于贮罐是在120度温及

11、最高压力为1.8MPa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，选用回转盖带颈平焊法兰人孔。下表2.2各部件材料表：表2.2人孔各部件的材料标准名称材料GB/T 95垫圈100HV筒节16MnR 吊环Q235-A·F支承板16MnR转臂Q235-A·FHG 20595 法兰16Mn（锻）GB/T 41螺母4级30CrMoHG 20610垫片缠绕式垫吊钩Q235-A·FHG 20601法兰盖16MnR吊耳Q235-A·FHG 20613等长双头螺柱8.8级35CrMoA环Q235-A·FHG 20613螺母

12、8级30CrMo无缝钢管20选用凹凸面的法兰，其尺寸见下表2.3：表2.3人孔尺寸密封面形式凹凸面MFM公称压力PN2.5MPa公称直径DN450mm480×12456mm670mm600mm320mm211mm42mm41mm46mm380mm36mm螺柱数20螺母数40螺柱规格M33×2×165总质量258kg该人孔标记为：HG/T21518-2005 人孔MFM（A.G）450-1.62.3 容器支座的设计2.3.1 支座材料的选择根据JB/T4712.4,支撑式支座选用材料为10号刚管，地板选材为Q235A，垫板选材OCr18Ni19（钢管标准为GB 99

13、48,使用状态为热轧）。在表6-11、12中，选择其许用应力，屈服极限。2.3.2 支座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。立式圆筒形容器的支座分为支承式支座、群座、腿式支座三类。由于立式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故此设计中选用支承式支座。支承式座分为A型（轻型）和B型（重型）两类。由于在此设计中，贮罐体积较小且长径比较小，由于是立式容器，故采用三A型支承式支座。2.3.3 支座的设计首先估算计算支座的负荷。贮罐总质量：式中：m1为筒体质量（kg），m2为封头质量（kg），m3为二氧化碳质量（kg），m4为附件质量（kg）。筒体质量m1，的筒节

14、，每米质量为q1=300kg，故m1= q1L=300*2=600kg 封头质量m2，直边高度h=25mm的标准椭圆形封头，其质量为q2=128.3kg，故m2=2q2=256.6kg二氧化碳质量m3 充气质量：，水压试验充满水，故取介质密度为，则充液质量为式中：为装料系数，取1附件质量人孔约重258kg，其它接口管法兰重约13kg，故m4=271kg。则设备总质量：由于每个支座承受约7.9kN负荷，故选用支承式支座A JB/T 4712.4-2007查JB4724-92容器支座支承式支座中表1，首先优先选择钢板焊制，带垫板A型支座。查JB4724-92容器支座支承式支座中表2得到支撑式支座尺

15、寸如下表2.4支承式支座座尺寸表2.4公称直径DN1200垫板240允许载荷Q/KN40筋板18010支座高度h42014050底板17010螺栓间距420120 支座质量kg15.810螺栓直径dM202.3.4 支座的安装位置支座的安装位置图下图2-2：图2-2 支座安装位置根据JB/T 4724-92附录C规定，知A支座安装高度420mm（即封头与筒体连接处到地面的距离）。2.4 筒体的材料的选择介质具无毒性，压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。一

16、般中低压设备可采用采用屈服极限为245Mpa345Mpa级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或以上；如果容器的操作温度超过4000C，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。16MnR钢是屈服强度350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊条（J507），15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为400、500Mpa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵。因此选用16Mn

17、R钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值 ，所以筒体与封头材料均选用低合金钢板（钢板标准为GB 6654，使用状态为热轧、正火）。参照GB 150-1998表4-1，根据设计压力，设计温度，筒体壁厚在范围内，选得材料的许用应力，屈服极限。又由于介质无毒无污染，又考虑到压力容器焊接结构的设计原则，容器的所有焊缝（包括角焊缝）没必要都采用全焊透结构，焊接接头系数为0.85。2.5 接管、法兰、垫片和螺栓的形式和选择2.5.1 接管的选取二氧化碳进气管进料管伸进设备内部并将管的一端切成450，为的是避免物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。采用无缝钢管YB23

18、1-65×4mm ,管的一端伸入罐切成45°,管长305 mm。配用凸面式对焊管法兰HG 20592-97 Pg16Dg25二氧化碳出气管在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。采用可拆的压出管65×4mm,配用凸面板式对焊管法兰（HG 5010-58）排污管 在清洗贮罐式，为了能够将废液完全排除贮罐外，液氨介质会腐蚀罐壁而出现沉淀，故需在筒体底部安设排污管一个。在罐的最底部设个排污管，规格是25×4mm，管端焊有与截止阀相配的管法兰HG 5010-58。压力表接管压力表接口管由最大工作压力决定, ,因此

19、选用采用15×3.5mm无缝钢管,管法兰采用HG 5010-58。各接管外伸高度都是150mm。安全阀接口管安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的安全，因此安设一安全阀。安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。 本贮罐选用57×4mm的无缝钢管, 管法兰HG 5010-58 Pg16Dg70接口管中，其选择的条均在不需要补强的条件之内，因此，以上接口管在筒体上的开孔不需要补强。2.5.2 法兰的选取如图2-3：带劲对焊钢制管法兰：图2-3 带颈对焊钢制管法兰查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表8.2.1-1至8.2.1-5 PN带颈平焊钢制

20、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-5,得各法兰的质量。查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表3.2.2，法兰的密封面均采用RF（突面密封）。得求得法兰尺寸表见附表2.5.3 垫片的选取查HG/T 20607-2009钢制管法兰用聚四氟乙烯覆垫片，垫片尺寸见表2.5：垫片尺寸表2.5（mm）符号管口名称公称直径包覆层内径 D1包覆层内径D3垫片外径D4a人孔450480528528b压力表口15224044c进气口6577110116d安全阀口50619296e出气口6577110116f排污口25346064注：1：

21、聚四氟乙烯包覆层材料应符合QB/T 3625中规定的FSB-2和QB/T 3626的规定2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。3：垫片厚度除人孔垫片厚度为4外，其他均为32.5.4 螺栓的选取地脚螺栓选用Q235-A（钢材标准GB 700），选得材料的许用应力，屈服极限查HG/T 20613-2009钢制管法兰用紧固件中表5.0.7-9和附录中表A.0.1，得螺柱的长度和平垫圈尺寸见下表2.6。表2.6六角头螺栓螺柱及垫片(未注明单位：mm)紧固件用平垫圈 mm公称直径螺纹六角头螺栓螺柱长Hb15M1213242.5c65M1617303d50M1617303e65M1617303f25M121

22、3242.5a450注：1.紧固件质量为每1000件的近似质量；2.紧固件长度未计入垫片厚度。第三章 强度设计与校核3.1 圆筒强度设计该容器无需100%探伤，焊缝不用都全焊透结构，所以取其焊接系数为。材料的许用应力，屈服极限。根据GB/T 9019-2001选得容器公称直径为。设计压力，利用中径公式计算筒体壁厚：查标准HG 20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-2知，钢板厚度负偏差为查标准HG 20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-5知，对于有轻微腐蚀的介质，腐蚀裕量。筒体设计厚度：筒体名义厚度：，由于钢板厚度范围为，圆整后保守取。筒体的有效厚度。3.2 封头强度设计

23、查标准JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头中表1，选取公称直径，选用标准椭圆形封头，型号代号为EHA，取 ，查标准JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头中表2，取直边长。该容器取其焊接系数为。材料的许用应力，屈服极限。根据GB 150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算：查标准HG 20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-1知，钢板厚度负偏差为。查标准HG 20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-5知，对于有轻微腐蚀的介质，腐蚀裕量。封头设计厚度：封头名义厚度： ，由于钢板厚度范围为，圆整后取与筒体相同的名义厚度 。筒体的有效厚度。封头记做： 。3.3

24、 筒体长度校核容器总容积： 充装系数为1，则容器总容积为： 则可由求得筒体内长：，圆整后取 筒体长度和直径比,所以设计合理。3.4 人孔补强设计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措施加以补强，以降低峰值应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富。另外,还要考虑人孔补强,确定补强圈尺寸,由于人孔的筒节不是采用无缝钢管,故不能直接选用补强圈标准。本设计所选用的人孔筒节内径为,壁厚=10mm查表得人孔的筒体尺寸为480

25、5;8，由标准查得补强圈尺寸为：内径Di=484外径Do=760开孔补强的有关计算参数如下：筒体的计算壁厚： 计算开孔所需补强的面积A：开孔直径：补强的面积：有效宽度： 取最大值 B=906.4mm有效高度：外侧高度 或 两者取较小值内侧高度 或 两者取较小值0mm筒体多余面积A1： 筒体有效厚度：选择与筒体相同的材料（Q235-A）进行补偿，故=1，所以 接管多余金属的截面积A2： 接管计算厚度 补强区内焊缝截面积A3：有效补强面积Ae： 因为，所以需要补强所需补强截面积A4:补强圈厚度：（补强圈内径，外径） 考虑钢板负偏差并圆整，实取补强厚度6mm，补强材料与壳体材料相同。不需补强的最大开

26、孔直径 由于钢板具有一定的规格，壳体的壁厚往往超过实际强度的需要，厚度增加，使最大应力降低，相当于容器已被整体加强，并且容器的开孔总有接管相连，其接管多于实际需要的壁厚也起补强作用。同时由于容器材料具有一定的塑性储备，允许承受不大的局部应力。故当孔径不超过一定数值时，可不进行补强。不需要补强的条件:设计压力小于或等于 2.5MPa；两相邻开孔中心的间距应不小于两孔径之和的两倍；接管公称外径小于或等于89mm；接管最小壁厚满足下表3.1的要求。表3.1 接管最小壁厚（4-6）接管公称直径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0 注:接管的腐蚀裕量为1mm3.5 水压试

27、验校核根据压力容器水压校核公式，式中:PT=1.25Pc=1.25*1.59=1.988MPa， ， ，则，故符合工艺条件的要求。结论 经过两周的紧张忙碌终于把这次设计做完了。在此次设计过程中，我对封头、人孔、支座和筒体进行了材料的选择，并且对筒体强度和封头强度进行了设计，用水压试验进行校核。设计出了这个二氧化碳。设计成果见表4.1通过这次的课程设计,使我更加系统的复习了以前学过的基础知识,懂得了怎么查找文献，重新熟练了AUTOCAD的用法。这使我以后的学习，应用更加方便。 在这次设计中我要感谢我们的朱振华、李晶老师，他们给我指出了设计中的错误,让我学到了更多。 表4.1设计成果序号名称指标材