化工機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書題 目：帶液氨儲(chǔ)罐學(xué)生姓名：張輝學(xué) 號(hào)：1566115210專 業(yè)：化學(xué)工程與工藝 班 級(jí)：化工-2班 指導(dǎo)教師：蘭大為設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題：液氨貯罐的機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容：根據(jù)給定工藝參數(shù)設(shè)計(jì)一臺(tái)液氨儲(chǔ)罐二、已知工藝參數(shù)：最高使用溫度：T=50公稱直徑：DN=2600mm筒體長(zhǎng)度（不含封頭）：L0=3900mm三、具體內(nèi)容包括：1.筒體材料的選擇2.罐的結(jié)構(gòu)尺寸3.罐的制造施工4.零部件型號(hào)及位置、接口5.相關(guān)校核計(jì)算6.繪制裝備圖（A2圖紙）設(shè) 計(jì) 人：張輝學(xué)號(hào)：1566115210前言化工專業(yè)課程設(shè)計(jì)室掌握化工原理和化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)相關(guān)內(nèi)容后進(jìn)行的一

2、門課程設(shè)計(jì)，也是培養(yǎng)學(xué)生具備基本化工設(shè)計(jì)技能的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。此課程設(shè)計(jì)所進(jìn)行的是化工單元設(shè)備或主要輔助設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)及選型，其性質(zhì)屬于技術(shù)設(shè)計(jì)范疇。課程設(shè)計(jì)是對(duì)課程內(nèi)容的應(yīng)用性訓(xùn)練環(huán)節(jié)，是學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行階段性的單體設(shè)備或單元設(shè)計(jì)方面的專業(yè)訓(xùn)練過程，也是對(duì)理論教學(xué)效果的檢驗(yàn)。通過這一環(huán)節(jié)使學(xué)生在查閱資料、理論計(jì)算、工程制圖、調(diào)查研究、數(shù)據(jù)處理等方面得到基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)分析、解決實(shí)際問題的能力。本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)-臥式液氨儲(chǔ)罐。液氨儲(chǔ)罐是合成氨工業(yè)中必不可少的儲(chǔ)存容器。為了解決容器設(shè)計(jì)中的各類問題，本設(shè)計(jì)針對(duì)這方面相關(guān)問題做了闡述。綜合考慮環(huán)境條件，液體性質(zhì)等因素并參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

3、，按工藝設(shè)計(jì)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算，分別對(duì)儲(chǔ)罐的筒體，封頭，鞍座，人孔，接管進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后用強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)，最終形成合理的設(shè)計(jì)方案。通過本次課程設(shè)計(jì)得到了化工設(shè)計(jì)基本技能的訓(xùn)練，為畢業(yè)設(shè)計(jì)及今后從事化工技術(shù)工作奠定了基礎(chǔ)。此次設(shè)計(jì)主要原理來自一書及其他參考資料。目錄第一章 液氨儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)的確定61.1罐體和封頭的材料的選擇61.2設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力的確定61.3其他設(shè)計(jì)參數(shù)6第二章 工藝計(jì)算82.1壁厚的設(shè)計(jì)82.1.1筒體壁厚的計(jì)算82.1.2封頭壁厚的計(jì)算92.1.3筒體與封頭水壓強(qiáng)度的校核92.2鞍座的設(shè)計(jì)112.2.1罐體質(zhì)量W1112.2.2液氨質(zhì)量W2112.2.3其他附件質(zhì)

4、量W3112.2.4設(shè)備總質(zhì)量W112.2.5鞍座的選擇122.3選擇人孔并核算開孔補(bǔ)強(qiáng)132.3.1人孔選擇132.3.2開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算.132.4選配工藝接管162.4.1液氨進(jìn)料管162.4.2液氨出料管162.4.3排污管162.4.4安全閥接口162.4.5液面計(jì)接口管162.4.6放空管接管口17第三章 參數(shù)校核183.1筒體軸向應(yīng)力校核183.1.1筒體軸向彎矩計(jì)算183.3.2筒體軸向應(yīng)力計(jì)算193.2筒體和封頭切向應(yīng)力校核213.2.1筒體切向應(yīng)力計(jì)算213.3.2封頭切向應(yīng)力計(jì)算213.3筒體環(huán)向應(yīng)力的計(jì)算和校核213.3.1環(huán)向應(yīng)力的計(jì)算213.3.2環(huán)向應(yīng)力的校核223

5、.4鞍座有效斷面平均壓力23第四章 設(shè)計(jì)匯總244.1符號(hào)匯總244.2公式匯總25第五章 小結(jié)27第六章 參考文獻(xiàn)28第七章 附錄29第一章 液氨儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)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(shù)角度看，建議選用20R 類的低碳鋼板， 16MnR 鋼板的價(jià)格雖比20R貴，但在制造費(fèi)用方面，同等重量設(shè)備的計(jì)價(jià)，16MnR 鋼板為比較經(jīng)濟(jì)。所以在此選擇16MnR 鋼板作為制造筒體和封頭材料。1.2設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力的確定通過查表可知，在50 時(shí)液氨的飽和蒸汽壓2.0325MPa，壓力容器安全監(jiān)

6、察規(guī)程規(guī)定液化氣體儲(chǔ)罐必須安裝安全閥，設(shè)計(jì)壓力可取最大操作壓力的1.05-1.10 倍。所以設(shè)計(jì)壓力p = 1.10(2.0325 0.1) = 2.1263MPa 故取設(shè)計(jì)壓力p=2.13MPa。1.3其他設(shè)計(jì)參數(shù) 容器公稱直徑見技術(shù)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(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 t = 163MPa。液氨儲(chǔ)罐封頭從受力方面分析來看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式。但缺點(diǎn)是深度大，沖壓較為困難；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(yīng)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

7、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(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和制造方面綜合考慮，采用橢圓形封頭最為合理。液氨儲(chǔ)罐筒體為板卷焊，焊接接頭采用雙面對(duì)接焊100%探傷,因此確定焊接接頭系數(shù) = 1。第二章 工藝計(jì)算2.1壁厚的設(shè)計(jì)2.1.1筒體壁厚的計(jì)算取計(jì)算壓力pc=p=2.13MPa，筒體內(nèi)徑Di=DN=2600mm，查表知16MnR在設(shè)計(jì)溫度為50時(shí)的許用應(yīng)力為t=163MPa，筒體的理論計(jì)算壁厚公式為： （2.1）式中：筒體的理論計(jì)算壁厚，mm； pc筒體計(jì)算壓力，MPa； Di筒體內(nèi)徑，mm； t鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa;焊接接頭系數(shù)，其值為1。將數(shù)值代入公

8、式(2.1)計(jì)算出筒體的計(jì)算厚度為：由于液氨對(duì)金屬有一定的腐蝕，取腐蝕裕量C2=2mm，故筒體的設(shè)計(jì)厚度為：由鋼板厚度負(fù)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(jì)算采用的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，各參數(shù)與筒體相同，其厚度計(jì)算式為：設(shè)計(jì)厚度為：名義厚度為：圓整后取n=20mm。查表(132頁)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高度(JB/T4737-95)為h0=50mm。2.1.3筒體與封頭水壓強(qiáng)度的校核確定水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力值已知p=2.13MPa， =t=163MPa試驗(yàn)壓力： 式中：PT試驗(yàn)壓力，MPa;p設(shè)計(jì)壓力，MPa; 、t分別為液壓試驗(yàn)溫度和設(shè)計(jì)溫度下殼壁材

9、料的許用應(yīng)力，MPa。帶入數(shù)據(jù)得：計(jì)算水壓試驗(yàn)時(shí)的器壁應(yīng)力值實(shí)驗(yàn)時(shí)器壁的應(yīng)力： 查表（125頁）可知20mm的16MnR鋼板的常溫強(qiáng)度指標(biāo)s=325MPa。所以，故所設(shè)計(jì)的器壁厚度滿足設(shè)計(jì)要求。2.2鞍座的設(shè)計(jì)2.2.1罐體質(zhì)量W1罐體質(zhì)量m1：公稱直徑DN=2600mm，壁厚=20mm的筒體，查表（陳國(guó)恩主編312頁），得每米質(zhì)量是q1=1290kg/m，所以封頭質(zhì)量m2：公稱直徑DN=2600mm，壁厚=20mm，直邊高度h0=50mm的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，查表（313頁）得其質(zhì)量，所以W1=m1+m2=5031+2460=7491kg2.2.2液氨質(zhì)量W2 式中:V貯罐容積，m3；液氨的密度

10、，在0時(shí)液氨的密度為640kg/m3。小于水的密度，故充液氮質(zhì)量按水考慮筒體公稱直徑DN=2600mm，筒體長(zhǎng)度L0=4.0m，查（312頁），得封頭容積為Vh=2.56m3，則貯罐總?cè)莘e為于是2.2.3其他附件質(zhì)量W3人孔約重200kg，其它接口管的總重約300kg。于是W3=500kg。2.2.4設(shè)備總質(zhì)量WW=W1+W2+W3=7491+28525+550=33316kg2.2.5鞍座的選擇每個(gè)鞍座承受的負(fù)荷為根據(jù)鞍座承受的負(fù)荷，查表(化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)，大連理工大學(xué)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/T4

11、712-1992 鞍座A2600-S。其標(biāo)準(zhǔn)尺寸如下：安放位置：筒體長(zhǎng)度式中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(qiáng)圈，取2.3選擇人孔并核算開孔補(bǔ)強(qiáng)2.3.1人孔選擇壓力容器人孔是為了檢查設(shè)備的內(nèi)部空間以及安裝和拆卸設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)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(gè)手柄。根據(jù)儲(chǔ)罐是在常溫下及設(shè)計(jì)壓力為2.13MPa 的條件下工作,人孔的標(biāo)準(zhǔn)按公稱壓力為2.5 MPa 等級(jí)選取?？紤]到人孔蓋直徑較大較重,故選用水平吊蓋帶頸對(duì)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(jié)構(gòu)

12、中有吊鉤和銷軸，在檢修時(shí)只需松開螺栓將蓋板繞銷軸旋轉(zhuǎn)，即可輕松進(jìn)入，而不必將其取下以節(jié)約維修時(shí)間。查得該人孔的有關(guān)數(shù)據(jù)如下: 該水平吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔的標(biāo)記為：HG21523-95 人孔R(shí)F （AG）450-2.5 其中RF指突面密封，指接管與法蘭的材料為16MnR，AG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(bǔ)強(qiáng)的計(jì)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(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)。由表4.1知本設(shè)計(jì)所選用的人孔筒節(jié)內(nèi)徑di450mm，壁厚nt12mm。據(jù)此差得補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸(JB/T 4736-2002)為：外徑D2=760mm，內(nèi)

13、徑D1=450+212+14=488mm。開孔補(bǔ)強(qiáng)的有關(guān)計(jì)算參數(shù)如下：(1) 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A對(duì)于圓筒，殼體開口出的計(jì)算厚度為：。開孔直徑。由于接管材料與殼體材料都為16MnR，故fr=1，內(nèi)壓容器的圓筒開孔強(qiáng)面積為： mm2 (4.1)式中 d開孔直徑，圓形孔取接管內(nèi)直徑加兩倍壁厚附加量，mm；殼體開孔處的計(jì)算厚度，mm；et接管有效厚度，mm；fr強(qiáng)度削弱系數(shù)，等于設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比值。代入數(shù)據(jù)得：開孔所需補(bǔ)強(qiáng)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(cè)高度h1二者中取較小值h1=73.94mm內(nèi)側(cè)高度h2二者中取較小值h2=0mm。

14、(4) 補(bǔ)強(qiáng)面積Ae在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積按下式計(jì)算 式中 Ae補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；A1殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，mm2;A2接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，mm2；A3焊縫金屬截面積，mm2。計(jì)算如下： 其中接管有效厚度為故 (4.4)其中接管計(jì)算厚度為故 焊縫金屬截面積故補(bǔ)強(qiáng)面積Ae為由于，故開孔需另加補(bǔ)強(qiáng)，其另加補(bǔ)強(qiáng)面積為(5) 補(bǔ)強(qiáng)圈厚度圓整后取，補(bǔ)強(qiáng)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(jìn)料管采用573.5mm無縫鋼管。管的一端切成45，伸入儲(chǔ)罐內(nèi)少許。配用突面板式平焊管法蘭：HG20592-97 法蘭 PL50-2.5 R

15、F-16MnR2.4.2液氨出料管在化工生產(chǎn)中，需要將液體介質(zhì)運(yùn)送到與容器平行的或較高的設(shè)備中去，并且獲得純凈無雜質(zhì)的物料。故采用可拆的壓出管，將它用法蘭固定在接口管內(nèi)。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(nèi)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(bǔ)強(qiáng)。壓出管伸入貯罐2.5m2.4.3排污管貯罐右端最底部安設(shè)一個(gè)排污管，管子規(guī)格：，管端焊有一與截

16、止閥J41W-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(bǔ)強(qiáng)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(jì)接口管本貯罐采用透光式玻璃板液面計(jì)AT 2.5-W-1450V 兩支。與液面計(jì)相配的接管尺寸為，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(shí)，將容器內(nèi)的空氣排到罐體外以便能順利快速地注入，需安設(shè)一放空管。采用無

17、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(yīng)力校核3.1.1筒體軸向彎矩計(jì)算筒體中間處截面的彎矩用下式計(jì)算 (8-1)式中 F鞍座反力，N； Rm筒體的平均直徑，mm； L筒體長(zhǎng)度，mm； A支座中心線至封頭的距離，mm； hi封頭內(nèi)壁的曲面高度，mm。其中，所以支座處截面上的彎矩 所以3.3.2筒體軸向應(yīng)力計(jì)算由化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷，P1199）得K1=K2=1.0。因?yàn)镸1M2，且ARm/2=660mm，故最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面應(yīng)力。（1）由彎矩引起的軸向應(yīng)力筒體中間截面上最高點(diǎn)處 最低點(diǎn)處：。鞍座截面處最高

18、處：最低點(diǎn)處：（2）由設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力由 所以（3）軸向應(yīng)力組合與校核最大軸向拉應(yīng)力出現(xiàn)在筒體中間截面最低處，所以許用軸向拉壓應(yīng)力t=163MPa，而2t合格。最大軸向壓應(yīng)力出現(xiàn)在充滿水時(shí)，在筒體中間截面最高處，軸向許用應(yīng)力根據(jù)A值查外壓容器設(shè)計(jì)的材料溫度線圖得B=130MPa，取許用壓縮應(yīng)力ac=130MPa，1ac，合格。3.2筒體和封頭切向應(yīng)力校核因筒體被封頭加強(qiáng)，筒體和封頭中的切向剪應(yīng)力分別按下列計(jì)算。3.2.1筒體切向應(yīng)力計(jì)算由化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以3.3.2封頭切向應(yīng)力計(jì)算因h1.25t-h,所以合格。3.3筒體環(huán)

19、向應(yīng)力的計(jì)算和校核3.3.1環(huán)向應(yīng)力的計(jì)算設(shè)墊片不起作用（1）在鞍座處橫截面最低點(diǎn) (8-5)式中 b2筒體的有效寬度，mm。由化工機(jī)械工程手冊(cè)（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 (8-6)式中 b鞍座軸向?qū)挾?，mm。所以所以（2）鞍座邊角處軸向應(yīng)力因?yàn)長(zhǎng)/Rm=3900/1320=2.958,且 (8-7)所以3.3.2環(huán)向應(yīng)力的校核5t=163MPa，合格。1.25t=1.25163=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 (8-8)由化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷，P11-103）查得，K9=0

20、.204。所以。鞍座有效斷面平均應(yīng)力 (8-9)式中 Hs鞍座的計(jì)算高度，mm； b0鞍座的腹板厚度，mm。其中Hs取鞍座實(shí)際高度（H=250mm）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(yīng)力校核式中sa=140MPa，鞍座材料Q235AF的許用應(yīng)力。第四章 設(shè)計(jì)匯總4.1符號(hào)匯總序號(hào)名稱指標(biāo)材料1設(shè)計(jì)壓力2.2MPa2工作溫度503物料名稱液氨4容積79.36m35筒體DN260020mm，L=3900mm16MnR6封頭DN65020mm，h=50mm16MnR7鞍座JB/T4712-92 鞍座A3600-F

21、JB/T4712-92 鞍座A3600-SQ235A.F8人孔HG21524-95 人孔R(shí)F （AG）450-2.5組合件9補(bǔ)強(qiáng)圈16MnR10液面計(jì)液面計(jì) AT 2.5-W-1450V組合件11液面計(jì)接管，L=200mm16MnR12進(jìn)料管，L=200mm16MnR13出料管，L=200mm16MnR14壓料接管，L=3708mm20R15排污管，L=200mm20R16放空管，L=200mm20R17安全閥接管，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(zhì)量m=m1+m2+m3+m4化工機(jī)械基礎(chǔ)（陳國(guó)恒主編）P312罐體質(zhì)量m1=q1L0封頭質(zhì)量m2

22、=2q2充液質(zhì)量m3=V筒體中間處橫面的彎矩化工容器設(shè)計(jì)例題、習(xí)題集（蔡仁良）P97支座處截面的彎矩由彎矩引起的軸向應(yīng)力（最高點(diǎn)處）化工容器設(shè)計(jì)例題、習(xí)題集（蔡仁良）P170由彎矩引起的軸向應(yīng)力（最低點(diǎn)處）設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力軸向拉應(yīng)力軸向壓應(yīng)力軸向許用壓縮應(yīng)力筒體切向剪應(yīng)力化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷）（余國(guó)琮）封頭切向剪應(yīng)力鞍座處橫截面最低點(diǎn)處環(huán)向應(yīng)力鞍座邊角處軸向應(yīng)力化工容器設(shè)計(jì)例題、習(xí)題集（蔡仁良）P171支座承受的水平分力鞍座有效斷面平均應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)圈內(nèi)徑Di=di+2C+(1216)化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷）（余國(guó)琮）P11-163補(bǔ)強(qiáng)圈厚度化工機(jī)械基礎(chǔ)（陳國(guó)恒 主編）P221第五章 小結(jié)通過2周對(duì)液氨儲(chǔ)罐的機(jī)械設(shè)計(jì)，我更加深入的了解了液氨儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)過程，在設(shè)計(jì)由于儲(chǔ)罐體積較小，采用的是臥式圓筒形容器。通過這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)這門課程的一個(gè)總結(jié)，對(duì)化工機(jī)械知識(shí)的應(yīng)用。設(shè)計(jì)時(shí)要有一個(gè)明確的思路，要考慮多種因素包括環(huán)境條件和介質(zhì)的性質(zhì)等再選擇合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)罐體的材料和結(jié)構(gòu)確定之后還要進(jìn)行一系列校核計(jì)算，包括筒體、封頭的應(yīng)力校核，以及鞍座的載荷和應(yīng)力校核。校核合格之后才能確定所