(完整word版)化工機械基礎課程設計

1、內蒙科技大學化工設備機械基礎課程設計說明書題 目：帶液氨儲罐學生姓名：張輝專 業(yè)：化學工程與工藝班 級：化工 -2 班指導教師：蘭大為設計任務書、課題：液氨貯罐的機械設計設計內容：根據(jù)給定工藝參數(shù)設計一臺液氨儲罐、已知工藝參數(shù)：最高使用溫度： T=50公稱直徑： DN=2600mm筒體長度（不含封頭） ：L0=3900mm 、具體內容包括：1. 筒體材料的選擇2. 罐的結構尺寸3. 罐的制造施工4. 零部件型號及位置、接口5. 相關校核計算6. 繪制裝備圖（ A2圖紙）設 計 人：張輝 學號：化工專業(yè)課程設計室掌握化工原理和化工設備機械基礎相關內容后進行的一門課程 設計，也是培養(yǎng)學生具備基本化

2、工設計技能的實踐性教學環(huán)節(jié)。 此課程設計所進行的是化 工單元設備或主要輔助設備的工藝設計及選型，其性質屬于技術設計范疇。 ? 課程設計是對課程內容的應用性訓練環(huán)節(jié)， 是學生應用所學知識進行階段性的單體設備或 單元設計方面的專業(yè)訓練過程， 也是對理論教學效果的檢驗。 通過這一環(huán)節(jié)使學生在查閱 資料、理論計算、工程制圖、調查研究、數(shù)據(jù)處理等方面得到基本訓練，培養(yǎng)學生綜合運 用理論知識分析、解決實際問題的能力。本設計是設計 - 臥式液氨儲罐。液氨儲罐是合成氨工業(yè)中必不可少的儲存容器。為了 解決容器設計中的各類問題，本設計針對這方面相關問題做了闡述。綜合考慮環(huán)境條件， 液體性質等因素并參考相關標準，按

3、工藝設計，設備結構設計，設備強度計算，分別對儲 罐的筒體，封頭，鞍座，人孔，接管進行設計，然后用強度校核標準，最終形成合理的設通過本次課程設計得到了化工設計基本技能的訓練， 為畢業(yè)設計及今后從事化工技術 工作奠定了基礎。 此次設計主要原理來自 <<化工過程設備機械基礎 >>一書及其他參考資料目錄第一章 液氨儲罐設計參數(shù)的確定 . 1.1 罐體和封頭的材料的選擇 1.2 設計溫度與設計壓力的確定 1.3 其他設計參數(shù) 第二章 工藝計算 . 2.1 壁厚的設計 2.1.1 筒體壁厚的計算 2.1.2 封頭壁厚的計算 2.1.3 筒體與封頭水壓強度的校核 2.2 鞍座的設計

4、2.2.1 罐體質量 W1 2.2.2 液氨質量 W2 2.2.3 其他附件質量 W3 2.2.4 設備總質量 W. 2.2.5 鞍座的選擇 2.3 選擇人孔并核算開孔補強 2.3.1 人孔選擇 2.3.2 開孔補強的計算 . 2.4 選配工藝接管 2.4.1 液氨進料管 2.4.2 液氨出料管 2.4.3 排污管 2.4.4 安全閥接口 2.4.5 液面計接口管 2.4.6 放空管接管口 第三章 參數(shù)校核 . 3.1 筒體軸向應力校核 3.1.1 筒體軸向彎矩計算 3.3.2 筒體軸向應力計算 3.2 筒體和封頭切向應力校核 3.2.1 筒體切向應力計算 3.3.2 封頭切向應力計算 3.3

5、 筒體環(huán)向應力的計算和校核 3.3.1 環(huán)向應力的計算 3.3.2 環(huán)向應力的校核 3.4 鞍座有效斷面平均壓力 第四章 設計匯總 . 4.1 符號匯總 4.2 公式匯總 第五章 小結. 第六章 參考文獻 . 第七章 附錄 . 第一章 液氨儲罐設計參數(shù)的確定1.1 罐體和封頭的材料的選擇 純液氨腐蝕性小 ,貯罐可選用一般鋼材 , 但由于壓力較大 , 可以考慮 20R、16MnR這. 兩種鋼 種。如果純粹從技術角度看，建議選用 20R 類的低碳鋼板， 16MnR 鋼板的價格雖比 20R 貴，但在制造費用方面，同等重量設備的計價， 16MnR 鋼板為比較經(jīng)濟。所以在此選擇 16MnR鋼 板作為制造

6、筒體和封頭材料。1.2 設計溫度與設計壓力的確定通過查表可知，在 50 時液氨的飽和蒸汽壓 2.0325MPa，壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程規(guī) 定液化氣體儲罐必須安裝安全閥，設計壓力可取最大操作壓力的 1.05-1.10 倍。所以設 計壓力 p = 1.10 ×(2.0325 ? 0.1) = 2.1263MPa 故取設計壓力 p=2.13MPa。1.3 其他設計參數(shù)容器公稱直徑見技術特性表即公稱直徑 Di=2600mm；罐體和封頭的材料為 16MnR，查教材 可知其設計溫度下的許用應力 t = 163MPa 。液氨儲罐封頭從受力方面分析來看，球 形封頭是最理想的結構形式。但缺點是深度大，沖

7、壓較為困難；橢圓封頭濃度比半球形封 頭小得多，易于沖壓成型，是目前中低壓容器中應用較多的封頭之一。平板封頭因直徑各 厚度都較大，加工與焊接方面都要遇到不少困難。 從鋼材耗用量來年： 球形封頭用材最少， 比橢圓開封頭節(jié)約，平板封頭用材最多。因此，從強度、結構和制造方面綜合考慮，采用 橢圓形封頭最為合理。液氨儲罐筒體為板卷焊，焊接接頭采用雙面對接焊100%探傷, 因此確定焊接接頭系數(shù) ? = 1 。第二章 工藝計算2.1 壁厚的設計2.1.1 筒體壁厚的計算取計算壓力 pc=p=2.13MPa，筒體內徑 Di =DN=2600m，m查表知 16MnR在設計溫度為 50 時的許用應力為 t =163

8、MP，a 筒體的理論計算壁厚公式為：pcDi2.1)2t p式中：筒體的理論計算壁厚， mm；p c筒體計算壓力， MPa；D i 筒體內徑， mm； t 鋼板在設計溫度下的許用應力， MPa;焊接接頭系數(shù)，其值為 1將數(shù)值代入公式 (2.1) 計算出筒體的計算厚度為： 由于液氨對金屬有一定的腐蝕，取腐蝕裕量 C2=2mm，故筒體的設計厚度為： 由鋼板厚度負偏差表查得 C1=0.8mm，故名義壁厚為：圓整后取 n=20mm。2.1.2 封頭壁厚的計算 采用的是標準橢圓形封頭，各參數(shù)與筒體相同，其厚度計算式為：設計厚度為：名義厚度為： 圓整后取 n=20mm。查表(132 頁)標準橢圓形封頭的直

9、邊高度 (JB/T4737-95) 為 h0=50mm。 水壓強度的校核 確定水壓試驗的試驗壓力值已知 p=2.13MPa， = t=163MPaPT試驗壓力：1.25t p式中： PT試驗壓力， MPa; p設計壓力， MPa; 、 t 分別為液壓試驗溫度和設計溫度下殼壁材料的許用應力，MPa。帶入數(shù)據(jù)得：計算水壓試驗時的器壁應力值實驗時器壁的應力：查表( 125頁)可知 20mm的 16MnR鋼板的常溫強度指標 s=325MPa。所以0.90.9 325 1 292.5MPa0.9，故所設計的器壁厚度滿足設計要求2.2 鞍座的設計2.2.1 罐體質量 W1罐體質量 m1：公稱直徑 DN=2

10、600m，m壁厚 =20mm的筒體，查表（陳國恩主編 312 頁）， 得每米質量是 q1=1290kg/m，所以 m1 q1L0 1290 3. 9 5031kg封頭質量 m2：公稱直徑 DN=2600m，m壁厚 =20mm，直邊高度 h0=50mm的標準橢圓形封 頭，查表（ 313 頁）得其質量 m2' 1230kg ，所以W1=m1+m2=5031+2460=7491kg2.2.2 液氨質量 W2 式中 :V貯罐容積， m3；液氨的密度，在 0時液氨的密度為 640kg/m3。小于水的密度，故充液氮質 量按水考慮筒體公稱直徑 DN=2600m，m筒體長度 L0=4.0m，查（312

11、 頁），得封頭容積為 Vh=2.56m3， 則貯罐總容積為 于是2.2.3 其他附件質量 W3人孔約重 200kg，其它接口管的總重約 300kg。于是 W3=500kg2.2.4 設備總質量 WW=W1+W2+W3=7491+28525+550=33316kg2.2.5 鞍座的選擇每個鞍座承受的負荷為根據(jù)鞍座承受的負荷，查表 （ 化工設備機械基礎 ，大連理工大學出版社，附錄 16 可知，選擇輕型 （A） 帶墊板，包角為 120°的鞍座。即 JB/T4712-1992 鞍座 A2600-F， JB/T4712-1992 鞍座 A2600-S。其標準尺寸如下： 安放位置：筒體長度式中

12、A鞍座與封頭切線之間的距離， mm；L1兩鞍座間距， mm。由于筒體 L/D 較大，且鞍座所在平面又無加強圈，取2.3 選擇人孔并核算開孔補強2.3.1 人孔選擇 壓力容器人孔是為了檢查設備的內部空間以及安裝和拆卸設備的內部構件。人孔主 要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。一般人孔有兩個手柄。根據(jù)儲罐是在常溫下及設計壓 力為 2.13MPa 的條件下工作 , 人孔的標準按公稱壓力為 2.5 MPa 等級選取?？紤]到人孔蓋直徑較大較重 , 故選用水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔 (HG 21524-95) ，公稱直徑為 450mm，突 面法蘭密封面 (RF 型) 。該人孔結構中有吊鉤和銷軸，在檢修時只需松開

13、螺栓將蓋板繞銷 軸旋轉，即可輕松進入，而不必將其取下以節(jié)約維修時間。 查得該人孔的有關數(shù)據(jù)如下 : 該 水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔的標記為： HG21523-95 人孔 RF (A?G)450-2.5 其中 RF 指突面密封，指接管與法蘭的材料為 16MnR，A?G是指用普通石棉橡膠板墊片， 450-2.5 是指公稱直徑為 450mm、公稱壓力為 2.5 Mpa 。2.3.2 開孔補強的計算 . 由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管，故不能直接選用補強圈標準。由表 4.1 知本設 計所選用的人孔筒節(jié)內徑 di450mm，壁厚 nt 12mm。據(jù)此差得補強圈尺寸 (JB/T 4736-2002) 為：外

14、徑 D2=760mm，內徑 D1=450+2×12+14=488mm。開孔補強的有關計算參數(shù)如下：(1) 開孔所需補強面積 A對于圓筒，殼體開口出的計算厚度為：pDit2 t p2. 13 26002 163 1 2. 1317. 02mm。開孔直徑 d di 2C 450 2 (0.8 2) 455.6mm 。由于接管材料與殼體材料都為 16MnR，故 f r =1，內壓容器的圓筒開孔強面積為： 2A d 2 et(1 fr ) mm2(4.1)式中 d 開孔直徑，圓形孔取接管內直徑加兩倍壁厚附加量， mm； 殼體開孔處的計算厚度， mm； et 接管有效厚度， mm；f r 強度

15、削弱系數(shù)，等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比值。 代入數(shù)據(jù)得：開孔所需補強面積(2) 有效寬度 B 二者中取較大值 B=911.2mm。(3) 有效高度 外側高度 h1 二者中取較小值 h1=73.94mm內側高度 h2 二者中取較小值 h2=0mm。(4) 補強面積 Ae 在有效補強范圍內，可作為補強的截面積按下式計算式中 Ae補強面積， mm2； A1殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積， mm2; A2接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積， mm2； A3焊縫金屬截面積， mm2。計算如下：其中接管有效厚度為故A2 2h1( et t) 2h2( et C2) fr(4.4

16、)其中接管計算厚度為故 A2 2 73. 94 (9.2 2. 996) 1 0 917. 44752mm2 焊縫金屬截面積 故補強面積 Ae 為由于 Ae A ，故開孔需另加補強，其另加補強面積為(5) 補強圈厚度圓整后取 ' 26mm，補強材料與殼體材料相同為 16MnR。2.4 選配工藝接管2.4.1 液氨進料管采用 57×3.5 mm無縫鋼管。管的一端切成 45°，伸入儲罐內少許。配用突面板式平 焊管法蘭： HG20592-97 法蘭 PL50-2.5 RF-16MnR2.4.2 液氨出料管在化工生產(chǎn)中， 需要將液體介質運送到與容器平行的或較高的設備中去，

17、并且獲得純 凈無雜質的物料。 故采用可拆的壓出管 25 3mm，將它用法蘭固定在接口管 57 3. 5mm 內。罐體的接口管法蘭采用 HG20592-97法蘭 WN50-2.5 RF-16MnR。與該法蘭相配并焊接 在壓出管的法蘭上，其連接尺寸和厚度與 HG20592-97 法蘭 SO32-2.5 RF-16-MnR 相同， 但其內徑為 25mm。液氨壓出管的端部法蘭采用 HG20592-97 法蘭 SO32-2.5 RF-16-MnR 。這些小管都不 必補強。壓出管伸入貯罐 2.5m2.4.3 排污管貯罐右端最底部安設一個排污管，管子規(guī)格： 57 3.5mm ，管端焊有一與截止閥 J41W-

18、16相配的管法蘭 HG20592-97 法蘭 SO20-1.6RF-16-MnR。排污管一罐題連接處焊有 一厚度為 10mm的補強圈2.4.4 安全閥接口安全閥接管尺寸由安全閥泄放量決定。本貯罐選用 32 3. 5mm的無縫鋼管，法蘭為 HG20592-97 法蘭 SO25-1.6 RF-16MnR（尺寸由安全閥泄露放量決定）2.4.5 液面計接口管本貯罐采用透光式玻璃板液面計 AT 2.5-W-1450V 兩支。與液面計相配的接 管尺寸為 18 3mm，管法蘭為 HG20592-97 法蘭 SO15-1.6RF-16MnR2.4.6 放空管接管口 為了在注入液體時， 將容器內的空氣排到罐體外

19、以便能順利快速地注入， 需安設一放空管 采用 32 3.5mm無縫鋼管，法蘭為 HG20592-97 法蘭 SO25-1.6 RF-16MnR。第三章 參數(shù)校核3.1 筒體軸向應力校核3.1.1 筒體軸向彎矩計算筒體中間處截面的彎矩用下式計算M1FL4222 RmhiL21 4hi3L4AL(8-1)2式中 F 鞍座反力， N；R m筒體的平均直徑， mm；L 筒體長度， mm；A 支座中心線至封頭的距離， mm；i 封頭內壁的曲面高度，mm。其中，Rm DN2n2600 2022 1320mm所以支座處截面上的彎矩FA 122A Rm2 hi 2L2 AL1 4hi3L所以3.3.2 筒體軸

20、向應力計算由化工機械工程手冊 （上卷， P1199）得K1=K2=1.0 。因為 M1>> M2，且 A <Rm/2=660mm，故最大軸向應力出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面應力。（1）由彎矩引起的軸向應力筒體中間截面上最高點處最低點處：2 '1' 1. 054Pa 。鞍座截面處最高處：最低點處：2）由設計壓力引起的軸向應力由所以3）軸向應力組合與校核最大軸向拉應力出現(xiàn)在筒體中間截面最低處，所以2' 81. 73 1.05482. 784MPa許用軸向拉壓應力 t =163MP，a 而2<t 合格最大軸向壓應力出現(xiàn)在充滿水時，在筒體中間截面最高處，1.

21、 054MPa軸向許用應力 ac=130MP，a根據(jù) A 值查外壓容器設計的材料溫度線圖得 B=130MP，a取許用壓縮應力 1< ac，合格。3.2 筒體和封頭切向應力校核因筒體被封頭加強，筒體和封頭中的切向剪應力分別按下列計算。3.2.1 筒體切向應力計算3.3.21. 25由化工機械工程手冊 （上卷， P11-100）查得 K3=0.880 ，K4=0.401 K3 FRm e查得所以封頭切向應力計算tt h 1. 25KP20. 880 1633401320 17. 2DN 1. 25 1636. 33MPa1 2. 13 26002 17.242. 76MPa因 h<1.

22、25 t - h, 所以合格3.3 筒體環(huán)向應力的計算和校核3.3.1 環(huán)向應力的計算設墊片不起作用1）在鞍座處橫截面最低點k K5 Fe b2(8-5)式中 b 2筒體的有效寬度， mm。由化工機械工程手冊上卷，P11-101)查得，K5=0.7603，K6=0.0132式中 k=0.1 ，考慮容器焊在鞍座上b2 b 1.56 Rm(8-6)式中 b 鞍座軸向寬度， mm。所以所以2）鞍座邊角處軸向應力因為 L/Rm=3900/1320=2.95<8, 且3K6F所以3.3.2 環(huán)向應力的校核< t =163MP，a 合格。4b2 e2 e2(8-7)< 1.25 t=1.

23、25 ×163=203.75MPa，合格。3.4 鞍座有效斷面平均壓力鞍座承受的水平分力Fs K9(8-8)由化工機械工程手冊 （上卷， P11-103）查得， K9=0.204所以Fs0. 204163340 33321. 36N鞍座有效斷面平均應力FsH s b0(8-9)式中 H s鞍座的計算高度，mm；鞍座的腹板厚度， mm。9其中 Hs取鞍座實際高度（H=250m）m和 Rm/3=1320/3=440mm中的最小值，即Hs=250mm。 腹板厚度b0= 2-C1=10-0.8=9.2mm。所以應力校核式中 sa=140MPa，鞍座材料 Q235AF的許用應力。第四章 設計匯

24、總4.1 符號匯總序號名稱指標材料1設計壓力2.2MPa2工作溫度503物料名稱液氨4容積379.36m35筒體DN2600×20mm，L=3900mm16MnR6封頭DN650× 20mm，h=50mm16MnR7鞍座JB/T4712-92 鞍座 A3600-FJB/T4712-92 鞍座A3600-SQ235A.F8人孔HG21524-95 人孔 RF （A?G）450-2.5組合件9補強圈16MnR10液面計液面計 AT 2.5-W-1450V組合件11液面計接管57 3.5mm ， L=200mm16MnR12進料管76 4mm ， L=200mm16MnR13出料

25、管57 3.5mm ，L=200mm16MnR14壓料接管25 3mm， L=3708mm20R15排污管57 3.5mm ， L=200mm20R16放空管32 3.5mm ， L=200mm20R17安全閥接管32 3.5mm ， L=200mm20R18法蘭配合以上接管Q235A4.2 公式匯總名稱公式出處貯罐總質量m=m1 +m2+m3+m4化工機械基礎（陳國恒主編） P312罐體質量m1=q1L0封頭質量m2=2q2充液質量m3=V·筒體中間處橫面的彎矩化工容器設計例題、習題集（蔡仁良） P97支座處截面的彎矩由彎矩引起的軸向應力（最高點處）化工容器設計例題、習題集（蔡仁良

26、） P170由彎矩引起的軸向應力（最低點處）設計壓力引起的軸向應力軸向拉應力軸向壓應力軸向許用壓縮應力筒體切向剪應力化工機械工程手冊（上卷）（余國琮）封頭切向剪應力鞍座處橫截面最低點處環(huán)向應力鞍座邊角處軸向應力化工容器設計例題、習題集（蔡仁良） P171支座承受的水平分力鞍座有效斷面平均應力補強圈內徑Di=di +2C+（12 16）化工機械工程手冊（上卷）（余國琮）P11-163補強圈厚度化工機械基礎（陳國恒 主編） P221第五章 小結通過 2 周對液氨儲罐的機械設計， 我更加深入的了解了液氨儲罐的設計過程， 在設計 由于儲罐體積較小， 采用的是臥式圓筒形容器。 通過這次課程設計是對這門課程的一個總 結，對化工機械知識的應用。設計時要有一個明確的思路， 要考慮多種因素包括環(huán)境條件和介質的性質等再選擇合 適的設計參數(shù)，對