化工機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)

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筒體長度（不含封頭）：L0=3900mm三、具體內(nèi)容包括：筒體材料的選擇罐的結(jié)構(gòu)尺寸罐的制造施工零部件型號(hào)及位置、接口相關(guān)校核計(jì)算繪制裝備圖（A2圖紙）設(shè) 計(jì)人：張輝學(xué)號(hào)：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)，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<<化工過程設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)>>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 .......................................罐體和封頭的材料的選擇 ............................................設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力的確定 ..........................................其他設(shè)計(jì)參數(shù)......................................................第二章 工藝計(jì)算.....................................................壁厚的設(shè)計(jì)........................................................筒體壁厚的計(jì)算 ..................................................封頭壁厚的計(jì)算 ..................................................筒體與封頭水壓強(qiáng)度的校核 ........................................鞍座的設(shè)計(jì)........................................................罐體質(zhì)量W1......................................................液氨質(zhì)量W2......................................................其他附件質(zhì)量W3..................................................設(shè)備總質(zhì)量W.....................................................鞍座的選擇......................................................選擇人孔并核算開孔補(bǔ)強(qiáng) ............................................人孔選擇..........................................................開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算..................................................選配工藝接管......................................................液氨進(jìn)料管......................................................液氨出料管......................................................排污管..........................................................安全閥接口......................................................液面計(jì)接口管....................................................放空管接管口....................................................第三章 參數(shù)校核.....................................................筒體軸向應(yīng)力校核 ..................................................筒體軸向彎矩計(jì)算 ................................................筒體軸向應(yīng)力計(jì)算 ................................................筒體和封頭切向應(yīng)力校核 ............................................筒體切向應(yīng)力計(jì)算 ................................................封頭切向應(yīng)力計(jì)算 ................................................筒體環(huán)向應(yīng)力的計(jì)算和校核 ..........................................環(huán)向應(yīng)力的計(jì)算 ..................................................環(huán)向應(yīng)力的校核 ..................................................鞍座有效斷面平均壓力 ..............................................第四章 設(shè)計(jì)匯總.....................................................符號(hào)匯總..........................................................公式匯總..........................................................第五章 小結(jié).........................................................第六章 參考文獻(xiàn).....................................................第七章 附錄.........................................................第一章 液氨儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)的確定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。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，《壓力容器安全監(jiān)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倍。所以設(shè)計(jì)壓力p=×?=故取設(shè)計(jì)壓力p=。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[σ]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)算壁厚的設(shè)計(jì)筒體壁厚的計(jì)算取計(jì)算壓力pc=p=，筒體內(nèi)徑Di=DN=2600mm，查表知16MnR在設(shè)計(jì)溫度t為50℃時(shí)的許用應(yīng)力為[σ]=163MPa，筒體的理論計(jì)算壁厚公式為：pcDiδσtφp2[]（）式中：δ——筒體的理論計(jì)算壁厚， mm；p c——筒體計(jì)算壓力， MPa；D i——筒體內(nèi)徑， mm；t[σ]——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)值代入公式計(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δ n=20mm。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δ 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。水壓強(qiáng)度的校核確定水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力值t已知p=，[σ]=[σ]=163MPa試驗(yàn)壓力：

PT1.25[]p[]t式中：PT——試驗(yàn)壓力，MPa;p——設(shè)計(jì)壓力，MPa;[σ] 、[σ]t——分別為液壓試驗(yàn)溫度和設(shè)計(jì)溫度下殼壁材料的許用應(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) σs=325MPa。所以0.9 s 0..9 325 1 292.5MPa0.9s，故所設(shè)計(jì)的器壁厚度滿足設(shè)計(jì)要求。鞍座的設(shè)計(jì)罐體質(zhì)量W1罐體質(zhì)量m1：公稱直徑DN=2600mm，壁厚δ=20mm的筒體，查表（陳國恩主編312頁），得每米質(zhì)量是q1=1290kg/m，所以m qL 1290 3.9 5031kg1 1 0封頭質(zhì)量m2：公稱直徑DN=2600mm，壁厚δ=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m2'1230kg，所以W=m+m=5031+2460=7491kg112液氨質(zhì)量W23式中:V——貯罐容積，m；ρ——液氨的密度，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，筒體長度 L0=，查（312頁），得封頭容積為Vh=，則貯罐總?cè)莘e為于是其他附件質(zhì)量 W3人孔約重200kg，其它接口管的總重約 300kg。于是W3=500kg。設(shè)備總質(zhì)量WW=W1+W2+W3=7491+28525+550=33316kg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/T4712-1992鞍座A2600-S。其標(biāo)準(zhǔn)尺寸如下：安放位置：筒體長度式中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，取選擇人孔并核算開孔補(bǔ)強(qiáng)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)壓力為的條件下工作,人孔的標(biāo)準(zhǔn)按公稱壓力為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(HG21524-95)，公稱直徑為450mm，突面法蘭密封面(RF型)。該人孔結(jié)構(gòu)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)FⅤ（A?G）其中RF指突面密封，Ⅴ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，是指公稱直徑為450mm、公稱壓力為Mpa。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)。由表知本設(shè)計(jì)所選用的人孔筒節(jié)內(nèi)徑di＝450mm，壁厚δnt＝12mm。據(jù)此差得補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸(JB/T4736-2002)為：外徑D2=760mm，內(nèi)徑D1=450+2×12+14=488mm。開孔補(bǔ)強(qiáng)的有關(guān)計(jì)算參數(shù)如下：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：pDi2.13260017.02tp216312.13mm。2開孔直徑ddi2C4502(0.82)455.6mm。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：Ad2et(1fr)mm2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；δ——?dú)んw開孔處的計(jì)算厚度，mm；δet——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)面積有效寬度B二者中取較大值 B=911.2mm。有效高度①外側(cè)高度h1二者中取較小值 h1=73.94mm②內(nèi)側(cè)高度h2二者中取較小值 h2=0mm。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2式中Ae——補(bǔ)強(qiáng)面積，mm；A1——?dú)んw有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，A2——接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，2A3——焊縫金屬截面積， mm。計(jì)算如下：其中接管有效厚度為故

2mm;2mm；A2 2h1(et t) 2h2(et C2)fr其中接管計(jì)算厚度為故2A2273.94(9.22.996)10917.44752mm焊縫金屬截面積故補(bǔ)強(qiáng)面積Ae為由于Ae A，故開孔需另加補(bǔ)強(qiáng)，其另加補(bǔ)強(qiáng)面積為補(bǔ)強(qiáng)圈厚度δ圓整后取 ' 26mm，補(bǔ)強(qiáng)材料與殼體材料相同為 16MnR。選配工藝接管液氨進(jìn)料管采用57×3.5mm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RF-16MnR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253mm，將它用法蘭固定在接口管573.5mm內(nèi)。罐體的接口管法蘭采用HG20592-97法蘭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RF-16-MnR。這些小管都不必補(bǔ)強(qiáng)。壓出管伸入貯罐排污管貯罐右端最底部安設(shè)一個(gè)排污管，管子規(guī)格：573.5mm，管端焊有一與截止閥J41W-16相配的管法蘭HG20592-97法蘭。排污管一罐題連接處焊有一厚度為10mm的補(bǔ)強(qiáng)圈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RF-16MnR（尺寸由安全閥泄露放量決定）液面計(jì)接口管本貯罐采用透光式玻璃板液面計(jì)AT兩支。與液面計(jì)相配的接管尺寸為183mm，管法蘭為HG20592-97法蘭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32無縫鋼管，法蘭為HG20592-97法蘭3.5mmRF-16MnR。第三章 參數(shù)校核筒體軸向應(yīng)力校核筒體軸向彎矩計(jì)算筒體中間處截面的彎矩用下式計(jì)算2212Rmhi24AFLL(8-1)M1L44hi13L式中F—鞍座反力，N；R m—筒體的平均直徑， mm；—筒體長度，mm；—支座中心線至封頭的距離，mm；h i—封頭內(nèi)壁的曲面高度， mm。其中，DN2n2600202Rm1320mm所以22支座處截面上的彎矩A2hi2Rm12ALM2FA1L所以4hi13L筒體軸向應(yīng)力計(jì)算由《化工機(jī)械工程手冊(cè)》（上卷，P11~99）得K1=K2=。因?yàn)棣騇1︱＞＞︱M2︱，且A＜Rm/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：2' 1' 1.054Pa。鞍座截面處最高處：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2p2'81.731.05482.784MPa許用軸向拉壓應(yīng)力tt合格。[σ]=163MPa，而σ2＜[σ]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，1'1.054MPa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[σ]ac=130MPa，︱σ1︱＜[σ]ac，合格。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。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=，K4=。所以K3F0.880163340Rm13206.33MPae17.2封頭切向應(yīng)力計(jì)算ttKPDN12.1326001.25h1.2521.2516342.76MPae217.2t因τh＜[σ]-σh,所以合格。筒體環(huán)向應(yīng)力的計(jì)算和校核環(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)kK5F(8-5)5eb2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=，K6=。式中k=，考慮容器焊在鞍座上b2b1.56Rme(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/Rm=3900/1320=＜8,且6F3K6F(8-7)4b2e2e2所以環(huán)向應(yīng)力的校核︱σ5︱＜[σ]t=163MPa，合格。t︱σ︱＜[σ]=×163=，合格。鞍座有效斷面平均壓力鞍座承受的水平分力FsK9F(8-8)由《化工機(jī)械工程手冊(cè)》（上卷，P11-103）查得，K9=。所以Fs0.20416334033321.36N。鞍座有效斷面平均應(yīng)力Fs9 (8-9)Hs b0式中Hs——鞍座的計(jì)算高度，mm；b 0——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=δ2-C1==。所以應(yīng)力校核式中[σ]sa=140MPa，鞍座材料Q235—AF的許用應(yīng)力。第四章 設(shè)計(jì)匯總符號(hào)匯總序號(hào)名稱指標(biāo)材料1設(shè)計(jì)壓力2工作溫度≤50℃3物料名稱液氨4容積79.36m35筒體DN2600×20mm，L=3900mm16MnR6封頭DN650×20mm，h=50mm16MnR7 鞍座8人孔9補(bǔ)強(qiáng)圈10液面計(jì)11液面計(jì)接管12進(jìn)料管13出料管14壓料接管15排污管16放空管17安全閥接管18法蘭

JB/T4712-92 鞍座A3600-FJB/T4712-92 鞍座A3600-SHG21524-95人孔R(shí)FⅤA?G）液面計(jì)AT3.5mm，L=200mm4mm，L=200mm3.5mm，L=200mm3mm，L=3708mm3.5mm，L=200mm3.5mm，L=200mm3.5mm，L=200mm配合以上接管

235A組合件16MnR組合件16MnR16MnR16MnR20R20R20R20RQ235A公式匯總名稱公式出處《化工機(jī)械基礎(chǔ)》（陳國貯罐總質(zhì)量m=m1+m2+m3+m4恒主編）P312罐體質(zhì)量m=qL011封頭質(zhì)量m2=2q2充液質(zhì)量m3=V·ρ《化工容器設(shè)計(jì)例題、習(xí)筒體中間處橫面的彎矩題集》（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《化工機(jī)械工程手冊(cè)》筒體切向剪應(yīng)力（上卷）（余國琮）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《化工容器設(shè)計(jì)例題、習(xí)鞍座邊角處軸向應(yīng)力題集》（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+(12～16)

《化工機(jī)械工程手冊(cè)》