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化工设备机械基础课程设计题目液氨贮罐设计学号0708010208姓名王洁指导老师崔岳峰沈阳理工大学环境与化学工程学院设计任务书课题液氨贮罐的机械设计设计内容根据跟定的工艺参数设计一台液氨贮罐已知工艺参数最高使用温度T=50℃公称直径DN=3000mm筒体长度(不含封头)L0=4900mm具体的内容包括1.筒体材料选择2.罐的结构及尺寸3.罐的制造施工(焊接、焊缝、验收)4.零部件的型号及位置、接口5.相关校核计算设计人王洁学号0708010208下达时间2010年11月19日完成时间2010年12月25日目录TOC\o1-3\h\u前言
11.设计方案
21.
1.设计依据及原则
21.
2.设计参数的确定
22.各种参数计算
42.
1.壁厚设计
42.
1.
1.筒体壁厚设计
42.
1.
2.封头壁厚设计
42.
1.
3.筒体与封头水压试验
52.
2.人孔设计
52.
2.
1.人孔参数确定
52.
2.
2.人孔补强设计
62.
3.接口管设计
62.
3.
1.进料管
62.
3.
2.出料管
62.
3.
3.液位计接口管
72.
3.
4.放空阀接口管
72.
3.
5.安全阀接口管
72.
3.
6.排污管
72.
4.鞍座负载设计
72.
4.
1.罐体质量m
172.
4.
2.封头质量m
272.
4.
3.液氨质量m
382.
4.
4.附件质量m
483.各种参数校核
93.
1.筒体轴向应力校核
93.
1.
1.筒体轴向弯矩计算
93.
1.
2.筒体轴向应力计算
103.
2.筒体和封头切向剪应力校核
113.
2.
1.筒体切向应力
113.
2.
2.封头切向剪应力.
113.
3.筒体周向应力校核
123.
3.
1.周向应力计算
123.
3.
2.周向应力校核
123.
4.鞍座有效断面平均应力
124.小结
145.参数对照表15参考文献16前言本次课程设计是环境与化学工程学院,化学工程与工艺专业对化工设备机械基础这门课程进行的课设题目为液氨贮罐的课程设计液氨,又称为无水氨,是一种无色液体氨作为一种重要的化工原料,应用广泛,为运输及储存便利,通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨液氨在工业上应用广泛,而且具有腐蚀性,且容易挥发,所以其化学事故发生率相当高NH3气氨相对密度空气=10.59,分子量为17.
04.液氨的密度是0.562871Kg/L50℃ 自燃点651.11℃饱和蒸汽压
2.033MPa 熔点℃-77.7爆炸极限16%~25% 沸点℃-33.41%水溶液PH值11.7 比热kJkg·K氨(液体)
4.609氨(气体)
2.179液氨主要用于生产硝酸、尿素和其他化学肥料,还可用作医药和农药的原料在国防工业中,用于制造火箭、导弹的推进剂可用作有机化工产品的氨化原料,还可用作冷冻剂液氨还可用用于纺织品的丝光整理液氨通常采用钢瓶或槽车灌装灌装用钢瓶或槽车应符合国家劳动局颁发的“气瓶安全监察规程”、“压力容器安全监察规程”等有关规定允许重量充装系数为
0.52kg/L对于本次课程设计,综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关标准,分别对贮罐的筒体、封头、鞍座、人孔、接管进行设计然后对其进行校核,最后形成合理的设计方案
1.设计方案
1.
1.设计依据及原则本液氨贮罐属于中压容器,设计以“钢制压力容器”国家标准(GB150)为依据,严格按照政府部门对压力容器安全监督的法规“压力容器安全技术监督教程”的规定进行设计以安全为前提,综合考虑质量保证的各个环节,尽可能做到经济合理,可靠的密封性,足够的安全寿命设计的步骤如下1根据设计中要用的各种参数进行计算及材料选择2对容器的筒体、封头鞍座及其他附件进行参数计算3对计算出来的数据进行校核4根据以上容器参数的设计,画出总设备图
1.
2.设计参数的确定
(1)设计温度T=50℃
(2)设计压力:本贮罐在最高使用温度50℃下,氨的饱和蒸汽压为
2.033MPa据对压强,容器上装有安全阀,则取
1.05到
1.10倍的最高工作压力作为设计压力,这里取最高设计压力为
1.10倍所以设计压力为p=
1.10×(
2.033-
0.10133)=
2.12MPa
(3)材料选择由操作条件可知,该容器属于中压、常温范畴.由《常用压力容器手册》(刘湘秋P129)考虑到机械性能、强度条件、腐蚀情况等要求,筒体和封头的材料科选用钢号为16MnR的钢板(适用温度范围-40~475℃,使用状态为热轧或正火,钢板标准为GB6654—1996)接管材料选用钢号为16MnR的接管(许用应力[σ]=[σ]t=163MPa)法兰材料为16MnR,鞍座材料选用16MnR
(4)钢板厚度负偏差由教材表8—11可知,钢板厚度在8~25mm时钢板负偏差C1=
0.8mm
(5)腐蚀裕量:腐蚀裕量有介质对材料的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命决定腐蚀裕量C2=λN,其中λ为腐蚀速率;N容器的使用寿命对于低合金钢的容器,其腐蚀裕量一般不小于
1.0mm.则采用腐蚀速率为
0.13~
0.25mm/年的腐蚀裕量为
2.0mm.
(6)焊接头系数本次课程设计师液氨贮罐的机械设计氨属于中度毒性物质,又由于PV=
2.12×
3.02×π/4×
4.9=
73.3910MPa·m3查《常用压力容器手册》(刘湘秋.P125)可知该设备为中压储存容器,即为第三类压力容器由于焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方,要保证设备密封性能良好,故筒体焊接结构采用全焊透的对接接头,且全部无损探伤的,故取焊接头系数φ=
1.0
(7)许用应力对于本设计是用钢板卷焊的筒体以内径作为公称直径DN=D1=3000mm.假设16MnR钢的厚度在16~36mm之间,设计温度下钢板的许用应力[σ]t=163Mpa常温强度指标σb=490Mpa、σs=325Mpa
2.各种参数计算
2.
1.壁厚设计
2.
1.
1.筒体壁厚设计在GB-150-1998《钢制压力容器》中规定,将计算厚度与腐蚀裕量作为设计厚度,即(
2.1)式中δd—设计厚度(mm);C2—腐蚀裕量(mm);Pc—圆筒的设计压力(MPa);DN—圆筒的公称直径(mm);φ—焊接接头系数;[σ]t—钢板在设计温度下的许用应力(MPa)于是=
2.12×3000/(2×163×
1.0-
2.12)+
2.0=
21.64mm.将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整到钢板的标准规格的厚度,及圆筒的名义厚度(
2.2)即=
21.64+
0.8+△圆整后取δn=24mm后的16MnR钢板制作筒体有效厚度(
2.3)则=24-
0.8-
2.0=
21.2mm
2.
1.
2.封头壁厚设计由于椭圆封头厚度的计算公式和筒体厚度的计算公式几乎相同,说明筒体采用标准椭圆封头,其封头厚度近似等于筒体厚度,这样筒体和封头可采用相同厚度的钢板制作故采用标准椭圆型封头则封头的形状系数K=
1.0封头的设计厚度为(
2.4)即=
2.12×3000/(2×3000×
1.0-
0.5×
2.12)+
2.0=
21.57mm考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量,需圆整,封头的名义厚度由公式(
2.2)可得=
21.57+
0.8+△,圆整后取δn=24mm厚的16MnR钢板作封头椭圆封头标记为椭圆封头DN3000×24—16MnRJB/T4737封头的有效厚度由公式(
2.3)得=24-
0.8-
2.0=
21.2mm标准椭圆封头的直边高度与封头公称直径有关查表得当封头的公称直径DN2000mm时,封头直边高度h0=50mm故两封头切线之间的距离为L=L0+2h0=4900+2×50=5000mm
2.
1.
3.筒体与封头水压试验.由《化工设备设计手册》(朱有庭,曲文海,于浦义.P465)查得内压容器液压试验时应力校核公式为(
2.5)式中pt—试验压力(MPa);δe—有效厚度(mm);σs—强度指标(MPa)其中pt=
1.25p=
1.25×
2.12=
2.65MPaδe=
21.2mmσs=325MPa于是==
188.83MPa≤=
0.9×325×
1.0=
292.5MPa.水压试验满足强度要求
2.
2.人孔设计
2.
2.
1.人孔参数确定根据贮罐在常温及最高工作压力为
2.12MPa的条件下,人孔标准应按公称压力为
2.5MPa的等级选取由《化工容器及设备简明设计手册》(贺匡国P675)表23-1-33查得受压设备的人孔盖较重,一般均选用吊盖式人孔或回转盖式人孔吊盖式人孔使用方便,垫片压紧较好,回转盖式人孔结构简单,转动时所占空间平面较小,如布置在水平位置时,开启时较费力故选水平吊盖带颈对焊法兰人孔该人孔标记为HG21518—1995人孔RFⅣ(A·G)450—
2.5其中RF指凸面封闭,Ⅳ指材料为20R,A·G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
2.5MPa
2.
2.
2.人孔补强设计由于人孔的孔节不是采用无缝钢管,故不能直接选用补强圈标准本设计选用C型20°补强圈人孔管节公称直径为di=450mm壁厚=10mm由《化工容器》(丁伯民,黄正林等编)P192表6-1查表得人孔的尺寸为480×10,标准补强圈尺寸为内径Di=484mm,外径D0=760mm根据补强的金属面积应大于或等于开孔减少的截面积,补强圈的厚度按下式估算,即(
2.6)于是==
36.1mm考虑到筒体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量,故补强圈36mm厚
2.
3.接口管设计
2.
3.
1.进料管由《化工原理》上册(夏青,陈常贵主编)P357附录23可知,采用φ57mm×
3.5mm无缝钢管管的一端切成45°,伸入贮罐内少许根据《化工机械基础》(陈国桓)P192表11-2查得配用具有突面密封的带颈平焊管法兰,法兰标记HG20595-97法兰SO50—
2.5RF16MnR因为壳体名义壁厚δn=24mm12mm接管公称直径小于80mm故不用补强
2.
3.
2.出料管采用可拆的压出管φ25mm×3mm,将它用法兰套在接口管φ38mm×
3.5mm内,罐体的接口管法兰采用HG20595-97法兰SO32-
2.5RF16MnR该法兰与φ38mm×
3.5mm的接口管相配并焊接在一起,另一法兰盖与该法兰用螺栓紧固,法兰盖上穿过φ25mm×3mm的压出管,两者焊牢其连接尺寸和厚度与HG20595-97法兰SO32—
2.5RF16MnR相同,但其内径为25mm液氨压出管的端部法兰HG20595-97法兰SO20—
2.5RF16MnR这些小管都不补强压出管伸入贮罐
2.6m
2.
3.
3.液位计接口管由《化工容器》(丁伯民,黄正林等编)P289表10-4可知本贮罐采用厚壁玻璃管液面计,记作AG
2.5-I-1200P,L=1400mm两支与液面计相配的接口管尺寸为φ18mm×3mm,管法兰为HG20595-97法兰SO15—
2.5RF16MnR
2.
3.
4.放空阀接口管采用φ32mm×
3.5mm无缝钢管,法兰为HG20595-97法兰SO25—
2.5RF16MnR
2.
3.
5.安全阀接口管采用φ32mm×
2.5mm无缝钢管,法兰为HG20595-97法兰SO25—
2.5RF16MnR(尺寸有安全阀泄露放量决定)
2.
3.
6.排污管贮罐右端最底部安设排污管一个,管子规格为φ57mm×
3.5mm,管端焊有一与截止阀J41W—16相配的管法兰HG20595-97法兰SO50—
2.5RF16MnR排污管一罐体连接处焊有一厚度为10mm的补强圈
2.
4.鞍座负载设计首先粗略计算鞍座负荷贮罐总质量m=m1+m2+m3+m
42.7式中m1—罐体质量(kg);m2—封头质量(kg);m3—液氨质量(kg);m4—附件质量(kg)
2.
4.
1.罐体质量m1由公称直径DN=3000,壁厚δn=24mm条件下根据《化工设备机械基础》(董大勤P195)表8-24续表得筒节钢板质量q1=1790kg/m故m1=q1L0(
2.8)于是m1=q1L0=1790×
4.9=8771kg
2.
4.
2.封头质量m2由封头公称直径DN=3000mm壁厚δn=24mmh0=50mm条件下,根据《化工机械基础》(陈国恒主编P312,P315)续表查得椭圆型封头质量q2=1960kg,故m2=2q
22.9于是m2=2q2=2×1960=3920kg
2.
4.
3.液氨质量m3m3=V·ρ(
2.10)式中V—主管容积(m3);ρ—水的密度(kg/m3)其中,当DN=3000mm壁厚δd=24mmh0=50mm条件下1m高筒体的体积V1=
7.03m3椭圆型封头的容积V2=
3.89m3,故V=V封+V筒(
2.11)于是V=V封+V筒=2V2+L0×V1=2×
3.89+
4.9×
7.03=
42.23m3液氨在0℃时的密度为64kg/m3小于水的密度,故充液氨质量按水考虑即ρ=1000kg/m3所以m3=V·ρ=
42.23×1000=42230kg
2.
4.
4.附件质量m4人孔约重200kg其他管的总和按300kg计,故m4=200+300=500kg设备的总质量为m=m1+m2+m3+m4=8771+3920+42230+500=55421kg各鞍座的反力为F=mg/2=55421×
9.81/2=
271.84KN.根据《化工容器及设备简明设计手册》(贺匡国P606)表22-3查得由于筒体的公称直径DN=3000mm,所以可以选轻型(A型)120°包角带垫板鞍座,鞍座高度250mm底板长度l1=2180mm螺栓连接尺寸l2=1940mm鞍座宽度为b=360mm底板厚度δ1=10mm腹板厚10mm,筋板厚度δ3=10mm筋板长度l3=341mm垫板宽=500mm,垫板厚10mm鞍座标记为JB/T4712—1992鞍座A3000—FJB/T4712—1992鞍座A3000—S因为
0.2L
0.5R取鞍座位置A=
0.5R=
0.5×1500=750mm
3.各种参数校核
3.
1.筒体轴向应力校核
3.
1.
1.筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩(
3.1)式中F—鞍座反力(N);Rm—椭圆封头外直径(mm);L—两封头切线之间的距离(mm);A—鞍座位置(mm);hi—封头曲面深度(mm);其中Rm==mm所以=×=KN支座处截面上的弯矩(
3.2)所以==KN
3.
1.
2.筒体轴向应力计算查表得K1=K2=
1.0因为|M1||M2|,且A≤Rm/2=762mm,故最大轴向应力出席在跨中面,校核跨中面应力
(1)有弯矩引起的轴向应力圆筒中间截面上最高点处(
3.3)于是==-
0.77MPa最低点处==-
0.77MPa鞍座截面处最高点处==
0.13MPa最低点处==MPa
(2)由设计压力引起的轴向应力(
3.4)于是==
76.2MPa
(3)轴向应力组合与校核最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低点处(
3.5)于是=
76.2+
0.77=
76.97MPa许用轴向拉压应力=163MPa,合格最大轴向拉压应力出现在充满水时,在筒体中间截面最高点处=
0.77MPa轴向许用应力A=(
3.6)于是A===
0.001329MPa根据A值查外压容器设计的材料温度线图,得B=170MPa,取许用压缩应力=170MPa,合格
3.
2.筒体和封头切向剪应力校核因筒体被封头加强,筒体和封头中的切向剪应力分别按下列计算
3.
2.
1.筒体切向应力(
3.7)由《化工机械工程手册》(上卷)P11—100表
11.4—12查得K3=
0.880,K4=
0.401于是==
7.404MPa
3.
2.
2.封头切向剪应力.(
3.8)于是==
3.374MPa
1.25=
1.25×==150合格
3.
3.筒体周向应力校核
3.
3.
1.周向应力计算设垫片不起作用
(1)在鞍座处横截面最低点处(
3.9)式中b2—筒体有效宽度由《化工机械工程手册》(上卷)P11—101表
11.4—13查得K5=
0.7603,K6=
0.0132式中k=
0.1考虑容器焊在鞍座上(
3.10)式中b—支座轴向宽度于是==
640.405mm故==-
1.52MPa
(2)鞍座边角处轴向应力因L/Rm=5000/1524=
3.288故==-
16.98MPa(
3.11)
3.
3.
2.周向应力校核=163MPa=
203.75MPa
3.
4.鞍座有效断面平均应力鞍座承受的水平分力(
3.12)由《化工机械工程手册》(上卷)P11—103表
11.4—15查得K9=
0.204于是Fs=K9·F=
0.204×271840=
55455.36N鞍座有效断面平均应力(
3.13)式中Hs—鞍座计算高度;b0—鞍座腹板厚度其中Hs取鞍座实际高度(H=250mm)和Rm/3=1524/3=508mm中的最小值,即Hs=250mm腹板厚度b0==10-
0.8=
9.2mm于是==
24.11MPa应力校核==
108.67MPa式中=163MPa,鞍座材料16MnR的许用应力
4.小结经过了一个多月的努力,终于完成了这次课程设计,通过本次液氨贮罐的机械设计,使我了解了很多关于化工容器的知识,如容器材料的选择、附件型号的选择、焊接方式、参数校核等浏览了很多与此相关的书籍,感觉受益匪浅此次课程设计过程中,感觉最困难的应该是CAD图的绘制,由于很长时间没有使用CAD绘图,所以有些生疏对相应的标准和规定不太清楚不过通过这次课程设计,使我对制图中的零件绘制、尺寸标准、比例、字体等各方面有了更深刻的掌握,对CAD制图软件的掌握更加熟练由于所学知识有限,时间有限,在本次课程设计中可能有些方面还不够完善,部分设计可能不太合理或有更优选择,希望老师给予指正最后,感谢老师细致而耐心的讲解,使我更加清楚设计的步骤及关键环节,也要感谢同学的帮助,给我指出设计过程中的不足使我本次的课程设计更加完善
5.参数对照表符号代表参数符号代表参数DN筒体直径Hs鞍座设计高度L0筒体长度(不含封头)σs屈服极限T温度V体积P设计压力σt管件应力Pc计算压力m质量[σ]t许用应力L两封头切线间距离λ腐蚀速率h0封头直边高n设计年限F支座反力C2腐蚀裕量H鞍座高度φ焊接接头系数A鞍座中心线与封头切线间的距离ρ密度Rm椭圆封头外径δ计算厚度hi封头曲面深度δd设计厚度M弯矩δn名义厚度σp轴向应力δe有效厚度R封头内径K有效厚度封头形状系数τ剪应力C1厚度负偏差b2筒体有效宽度参考文献董大勤.化工设备机械基础.北京化工工业出版社2009:114~115,173,195,341刘湘秋.常用压力容器手册.北京机械工业出版社,2004:118~120,123~125朱有庭,曲文海,于浦义.化工设备设计手册.北京化工工业出版社,465贺匡国.化工容器及设备简明设计手册.北京化工工业出版社,2002:606673陈国恒.化工机械基础.第二版.北京化工工业出版社,2006312~315夏清,陈常贵.化工原理上册.天津,天津大学出版社,2005357
[7]丁伯民,黄正林.化工容器.北京化学工业出版社,2002:192,289。