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化工设备机械基础课程设计化工设备机械基础课程设计题目液氨储罐的机械设计班级学号姓名指导老师环境与化学工程学院设计任务书课题液氨储罐的机械设计设计内容:根据给定的工艺参数设计一个液氨储罐已知工艺参数1最高使用温度T=50℃2公称直径:DN=2600mm3筒体长度(不含封头)L0=3900mm具体内容包括1筒体材料的选择2罐的结构及尺寸3罐的制造施工4零部件型号及位置、接口5相关校核及计算设计人学号下达时间完成时间:目录TOC\o1-3\h\z\u1设计方案
11.1设计依据
11.2设计参数的确定
11.3设计结果的确定22工艺计算
32.1壁厚的设计
32.
1.1筒体壁厚设计
32.
1.2封头壁厚的设计
32.
1.3筒体与封头水压强度的校核
42.2人孔的设计及补强的确定
52.
2.1人孔的选择
52.
2.2补强的确定
52.3接口管的设计
62.
3.1液氨进料管的设计
62.
3.2液氨出料管的设计
62.
3.3放空管接管口的设计
62.
3.4液面计接口管的设计
62.
3.5排污管的设计
62.
3.6安全阀接口管的设计
72.4鞍座的设计
72.
4.1罐体的质量
72.
4.2封头的质量
72.
4.3液氨的质量
72.
4.4附件的质量83参数的校核
93.1筒体轴向应力的校核
93.
1.1筒体轴向弯矩计算
93.
1.2筒体轴向应力计算
103.2筒体和封头切向应力的校核
113.
2.1筒体切向应力
113.
2.2封头切向应力校核
113.3筒体环向应力的校核
123.
3.1轴向应力计算
123.
3.2轴向应力校核
123.4鞍座有效断面平均压力124液氨贮罐设备图145设计汇总156总结16参考文献171设计方案
1.1设计依据本液氨贮罐属于中压容器,设计以“钢制压力容器”国家标准为依据,严格按照政府部门对压力安全监督的法规“压力容器安全技术监督教程”的规定进度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主要步骤如下1)对设计中要用的各种设计参数进行计算和选取,以及根据制造容器的特殊要求选择材料2)利用计算公式对容器筒体和封头壁厚的设计,以及封头类型的选择3)根据鞍座承受的载荷而选用对称布置的双鞍座,再对容器进行各种应力分析和校核4)从连接的密闭性、强度等出发,标准选用各种法兰5)根据以上的容器设计计算,画出总的设备图
1.2设计参数的确定1)设计温度:T=50℃2设计压力查《化工设备机械基础》赵军,张有忱,段成红编,p132本贮罐在最高使用温度下,氨的饱和蒸汽压为
2.033Mpa绝对压强,故取设计压力为p=
1.10×(
2.033-
0.10133)=
2.12Mpa(表压),原因是因为容器上装有安全阀时,可取
1.05到
1.11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倍液柱静压力为Pi=DN·ρ·g=
2.6×
562.90×
9.81×10-6=
0.0144Mpa<5%p=
0.106Mpa,所以静压力可忽略不计,可取计算压力pc=p=
2.12Mpa3材料选择由操作条件分析,该容器属于中压、常温范畴在常温下材料的组织和力学性能没有明显变化根据《化工设备机械基础》赵军,张有忱,段成红编,p125表9—3钢板选用表,筒体和封头的材料选择钢号为16MnR的钢板,使用状态为热轧或正火设计温度-40~475℃,钢板标准GB6654-1996接管材料选用10号钢管(许用应力[σ]=[σ]t=112Mpa)法兰材料选择16Mn锻,鞍座底板材料选用16MnR,鞍座其余材料选用Q235-AF4钢板厚度负偏差由《化工设备机械基础》(赵军,张有忱,段成红编,p128)表9—10知钢板厚度在
8.0~25mm时钢板负偏差C1=
0.8mm5腐蚀裕量根据《化工设备机械基础》(赵军,张有忱,段成红编,p128)知腐蚀余量有介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命决定腐蚀裕量C2=λ·n,其中λ为腐蚀速率;n为容器的设计寿命根据《腐蚀数据与选材手册》(左景伊,左禹编著P216)钢铁对于氨气和液氨有优良的腐蚀性,腐蚀率在
0.1mm/a以下且设计贮罐为单面腐蚀,故取C2=
2.0mm6焊接头系数本次设计是液氨贮罐的机械设计氨属于中度毒性物质,又由于PV=
2.12×
2.62×π/4=
47.2510Mpa.m3由《化工设备机械基础》(赵军,张有忱,段成红编,p99,p127表9—6)可知,该设备为中压储存容器,即为第三类压力容器要保证设备密封性能良好,故筒体焊接结构采用双面焊或相当于双面的全焊透的对接接头,且全部无损探伤的,故取焊接头系数φ=
1.07)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=2600mm假设16MnR钢的厚度在16~36mm之间,根据《化工设备机械基础》(赵军,张有忱,段成红编,p125)表9—4,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
1.3设计结果的确定罐体采用16MnR钢板,DN=2600mmL0=3900mmdn=20mm封头采用DN2600×20—16MnRJB/T4737鞍座采用JB/T4712—92鞍座A2600—FJB/T4712—92鞍座A2600—S人孔采用HG21523—1995人孔RFⅣ(A·G)450—
2.5液氨进料管:采用φ57mm×
3.5mm无缝钢管液氨出料管采用可拆的压出管φ25mm×3mm,将它与法兰套在接口管φ38mm×
3.5mm内排污管采用φ57mm×
3.5mm的管子液面计采用HG5—227—80AG
2.5-I-1200P,L=1200mm两支放空管接管采用φ32mm×
3.5mm无缝钢管,法兰HG20592,法兰SO25—
1.6RF16MnR安全阀接管采用φ32mm×
2.5mm无缝钢管,法兰HG20592,法兰SO25—
1.6RF16MnR2工艺计算
2.1壁厚的设计
2.
1.1筒体壁厚设计在GB-150-1998《钢制压力容器》中规定,将计算厚度与腐蚀余量作为设厚度,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=
2.12×2600/(2×163×
1.0-
2.12)+
2.0=
19.02mm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,即圆筒的名义厚度δn=δd+C1+Δ(2-2)即δn=δd+C1+Δ=
19.02+
0.8+Δ=20mm圆整后取δn=20mm厚的16MnR钢板制作筒体有效厚度δe=δn-C1-C2(2-3)所以δe=δn-C1-C2=20-
0.8-
2.0=
17.2mm
2.
1.2封头壁厚的设计由于椭圆封头厚度的筒体厚度的计算公式几乎一样,说明圆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同样厚度的钢板来制造故采用标准椭圆型封头由《化工设备机械基础》(赵军,张有忱,段成红编,P134)表10—2知,当DN/2hi=2时,椭圆封头的形状系数K=
1.00封头的设计厚度为(2-4)即=
2.12×2600/(2×163×
1.0-
0.5×
2.12)+
2.0=
18.96mm考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量,需圆整,封头的名义厚度仍利用公式(
2.2)于是δn=δd+C1+Δ=
18.96+
0.8+Δ=20mm圆整后取δn=20mm厚的16MnR钢板制作封头椭圆封头标记为椭圆封头DN2600×20—16MnRJB/T4737封头的有效厚度由公式(
2.3)计算,于是δe=δn-C1-C2=20-
0.8-
1.0=
17.2mm由《化工设备机械基础》(赵军,张有忱,段成红编,P134)表10—2查得标准椭圆封头的直边高度h0=50mm故两封头切线之间的距离为L=L0+2h0=3900+2×50=4000mm
2.
1.3筒体与封头水压强度的校核根据《化工机械基础》(陈国恒主编P162)公式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=
17.2mmσs=325Mpa于是=
201.6MPa≤
0.9σsφ=
0.9×325×
1.0=
292.5MPa水压试验满足强度要求
2.2人孔的设计及补强的确定
2.
2.1人孔的选择压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成一般人孔有两个手柄根据贮罐是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,一般选取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,如布置水平位置时,开启时较为费力故选水平吊盖人孔该人孔标记为HG21523—1995人孔RFⅣ(A·G)450—
2.5其中RF—突面封闭,Ⅳ—接管于法兰的材料为20R,A·G—用普通石棉橡胶板垫片,450—
2.5—公称直径为450mm、公称压力为
2.5MPa
2.
2.2补强的确定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本设计选用C型20°(C=10)因此内径为Di=di+2C+12~162-6于是内径为Di=di+2C+(12~16)=450+2×10+16=486mm补强圈厚度按下式估算2-7故取补强圈厚为36mm
2.3接口管的设计
2.
3.1液氨进料管的设计采用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平焊管法兰,法兰标记HG20592法兰SO50—
2.5RF16MnR因为壳体名义壁厚δd=20mm>12mm,接管公称直径小于80mm,故不用补强
2.
3.2液氨出料管的设计采用可拆的压出管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法兰HG20592法兰SO32–
2.5RF16MnR与该法兰相配并焊接在压出管的法兰上,其连接尺寸和厚度与HG20592法兰SO32–
2.5RF16MnR相同,但其内径为25mm液氨压出管的端部法兰HG20592法兰SO32–
2.5RF16MnR这些小管都不补强压出管伸入贮罐
2.5m
2.
3.3放空管接管口的设计采用φ32mm×
3.5mm无缝钢管,法兰为HG20592法兰SO25—
2.5RF16MnR
2.
3.4液面计接口管的设计由《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=1200mm两支与液面计相配的接口管尺寸为φ18mm×3mm管法兰为HG20592-97法兰SO15—
2.5RF16MnR
2.
3.5排污管的设计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HG25092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.
3.6安全阀接口管的设计采用φ32mm×
2.5mm无缝钢管,法兰为HG20592法兰SO25—
2.5RF16MnR(尺寸由安全阀泄露放量决定)
2.4鞍座的设计首先粗算鞍座的负荷贮罐的总量其中W—罐体质量W1—罐体的质量,KgW2—水压试验时水的质量,KgW3—附件的质量,Kg
2.
4.1罐体的质量根据《化工机械基础》(陈国恒主编P312)续表查得,DN=2600mm,壁厚δn=20mm条件下筒节钢板质量q1=1290kg/m,故W1=q1L02-8于是W1=q1L0=1290×
3.9=5031kg
2.
4.2封头的质量根据《化工机械基础》(陈国恒主编P312)续表查得,DN=2600mm,壁厚δn=20mm,h0=50mm条件下椭圆型封头质量q2=1230kg/m,故W2=2q22-9于是W2=2q2=2×1230=2460kg
2.
4.3液氨的质量W3=V·ρ2-10式中V—主管容积(m3);ρ—水的密度(kg/m3)其中根据《化工机械基础》(陈国恒主编P312,P315)续表查得,DN=2600mm,壁厚δn=20mm,h0=50mm条件下1m高筒体的体积V1=
5.309m3,椭圆型封头的容积V2=
2.56m3,故V=V封+V筒2-11于是V=V封+V筒=2V2+L0×V1=2×
2.56+
3.9×
5.309=
27.217m3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W3=V·ρ=
25.217×100=25217kg
2.
4.4附件的质量人孔约重200kg,其他管的总和安300kg计算,故W4=200+300=500kg设备总质量为W=W1+W2+W3+W4=5031+2460+25217+500=33208kg各鞍座的反力为F=mg/2=
33.2×
9.81/2=
162.85KN由《化工设备机械基础》(刁玉玮,王立业编著P352)表40查得,所以选用轻型A型120包角带垫板鞍座,鞍座厚度为b=260mm腹部厚10mm垫板宽500mm,垫板厚8mm鞍座标记为JB/T4712—1992鞍座A2600—FJB/T4712—1992鞍座A2600—S因为
0.2L>
0.5R取鞍座位置A=
0.5R=
0.5×1300=650mm3参数的校核
3.1筒体轴向应力的校核
3.
1.1筒体轴向弯矩计算筒体中间处界截面的弯矩3-1式中F—鞍座反力(N);Rm—椭圆封头外半径(mm);L—两封头切线之间的距离(mm);A—鞍座位置(mm);Hi—筒体内半径(mm);其中所以
13.9×107=N·mm支座处截面上的弯矩于是M2=-=-(3-2)N·mm
3.
1.2筒体轴向应力计算由《化工机械设计手册》(上卷)P11-99表
11.4-11查得K1=K2=
1.
0.因为,且A≤Rm/2=
705.5mm,故最大轴向应力出现在跨中面,校核跨中面应力
(1)由弯矩引起的轴向应力圆筒中间截面上最高点处3-3于是Mpa鞍座截面处最高点处σ3=-最低点处:σ4=-
(2)由设计压力引起的轴向应力3-4MPa
(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于是σ2=σP+σ21=
80.73+
0.7=
81.43MPa3-5许用轴向拉压应力MPa,合格最大轴向压应力出现在充满水时,在筒体中间截面最高点处σ1=-σ11=-
0.7MPa轴向许用应力3-6根据A值查外压容器设计的材料温度线图(教材P152图11—9),得B=130MPa,取许用压缩应力[σ]ac=130MPa,合格
3.2筒体和封头切向应力的校核因筒体被封头加强,筒体和封头中的剪切应力分别按下列计算
3.
2.1筒体切向应力3-7由化工机械设计手册(上卷)P11—100表
11.4—12查得K3=
0.880K4=
0.401MPa
3.
2.2封头切向应力校核3-8所以MPa合格
3.3筒体环向应力的校核
3.
3.1轴向应力计算设垫片不起作用1鞍座处横截面最低点处3-9其中b2筒体的有效宽度由《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==-
16.98MPa3-
113.
3.2轴向应力校核MPaMPa
3.4鞍座有效断面平均压力支座承受的水平分力由化工机械工程手册上卷P11─103表
11.4─15查得K9=
0.204于是N鞍座有效断面平均应力(3-12)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=
436.67mm中的最小值,即取Hs=250mm腹板厚度b0=δ2-C1=10-
0.8=
9.2mm于是MPa应力校核MPa式中=140MPa,鞍座材料Q235─AF的许用应力4液氨贮罐设备图贮罐的总装备图示于附图,各零件部位的名称、规格、尺寸、材料等见明细表本贮罐技术要求如下:1本设备按GB150—1998《钢制压力容器》进行制造、试验和验收2)焊接材料,对接焊接接头形式及尺寸可按GB985—80中规定(设计焊接接头系数φ=
1.0)3)焊接采用电弧焊,焊条型号为E43034)壳体焊缝应进行无损失探伤检查,探伤长度为100%5)设备制造完毕后,以
2.65MPa表压进行水压试验5设计汇总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Pt试验压力Pc计算压力σt管件应力[σ]t许用应力m质量λ腐蚀速率L两封头切线间距离n设计年限h封头直边高C2腐蚀裕量F支座反力P1液柱静压力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6总结经过近一个月的时间这次课程设计也结束了,尽管做的不是很完美,但通过这次课程设计我学到了很多,尤其是课设格式上的问题,按毕业设计的格式要求自己,做完了觉得十分值得所以特别感谢我们的崔老师,这次课设虽然忙碌,但确实收获很多本次课设包括选材,计算,校核等,设计出要求的液氨贮罐后再画出液氨贮罐设备图,现在对word和cad的使用又有了进一步的了解,为以后做毕业设计打好了坚实的基础,最后特别感谢老师给我们的讲解和帮助,也感谢我们寝室的姐妹们对我的错误一次次的指正,谢谢大家参考文献
[1]赵军,张有忱,段成红.《化工设备机械基础》.第二版.北京.化工工业出版社,2007121~134
[2]陈国恒.《化工机械基础》.第二版.北京.化工工业出版社,2006162;219~221;312~315
[3]刁玉玮,王立业.《化工设备机械基础》.第五版.大连理工大学出版社,2003352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
[5]余国琮.《化工机械工程手册》(上卷).第一版.北京.化学工业出版社,200311—100~11—103
[6]丁伯民,黄正林.《化工容器》.北京化学工业出版社,2002:1I。