液氨储罐设计和涡街流量计

第一章绪论 2设计任务 2设计思想 3设计特点 2第二章 材料及结构的选择与论证 2材料选择 2结构选择与论证 2第三章 设计计算 4筒体厚度设计 4封头壁厚设计 4水压试验及强度校核 4人孔并核算开孔补强 5核算承载能力并选择鞍座 7液面计选择7压力表选择.8接口管选择 8设计小结.9第四章主要参考资料9附于储罐装配图与储罐零件图于本书末第_章绪论1. 设计任务综合运用所学的机械基础课程知识设计一个常温下储存液氨的储罐2 .设计思想综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责的态度，对储罐进行设计。 在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性。各项设计参数都正确参 考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求， 合理地进行设计。3 .设计特点容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低 压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液 罐的的筒体、封头的设计计算，低压通用零部件的选用。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可 循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。第二章材料及结构的选择与论证材料选择纯液氨腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材，但由于压力较大，可以考虑20R、 16MnR.这两种钢种。如果纯粹从技术角度看，建议选用20R类的低碳钢板，16MnR 钢板的价格虽比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板 为比较经济。所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。(2)结构选择与论证(一) 封头的选择从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度 大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是 目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加 工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来年：球形封头用材最少， 比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综 合考虑，采用椭圆形封头最为合理。（二）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。选用时应 综合考虑公称压力、公称直径（人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念 类似。公称直径则指其简节的公称直径）、工作温度以及人、手孔的结构和 材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有较大的灵活性。通常 可以根据操作需要，在这考虑到人孔盖直径较大较重,故选用碳钢水平吊盖 人孔，人孔筒节轴线垂直安装。（三）容器支座的选择容器支座有鞍座，圈座和支腿三种,用来支撑容器的重量。鞍式支座是 应用最广泛的一种卧式支座。从应力分析看，承受同样载且具有同样截面 几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱 内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但 在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时， 各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各 支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均 会影响支座反力的分市。因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反 而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。 所以一台卧式容器支座一般情况不宜多于二个。圈座一般对于大直径薄壁 容器和真空操作的容器。腿式支座简称支腿，因这种支座在与容器壳壁连 接处会造成严重的局部应力，故只适合用于小型设备（DN1600，L5m）o 综上考虑在此选择双个鞍式支座作为储罐的支座。（四）法兰型式法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸、 制造成本较高。压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。平焊法兰又分为甲型与乙 型两种。甲型平焊法兰有PN0.25 MPa 0.6 MPa 1.0 MPa1.6 MPa，在较小范围内 （DN300 mm -2000 mm）适用温度范围为-20C-300C。乙型平焊法兰用于PN0.25 MPa-1.6MPa压力等级中较大的直径范围，适用的全部直径范围为DN300 mm -3000 mm,适用温度范围为-20C-350C。对焊法兰具有厚度更大的颈，进一步增大了 刚性。用于更高压力的范围（PN0.6 MPa-6.4MPa）适用温度范围为-20C-45C。 法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材 料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。法兰设计时，须注意以下二点：管法兰钢制管法兰、垫片、紧固件设计参照 HG20592HG20635 的规定。（五）液面计的选择液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大体上可分为四类， 有玻璃板液面计、玻璃管液面计、浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常 用前两种。玻璃板液面计有透光式和反射式两种结构，其适用温度一般在 0250C。但透光式适用工作压力较反射式高。玻璃管液面计适用工作压力小于 1.6MPa，介质温度在0250C的范围。液面计与容器的连接型式有法兰连接、颈 部连接及嵌入连接，分别用于不同型式的液面计。液面计的选用1. 玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结品等堵塞固体的场合。板式液面计承压能力强，但是比较笨重、成本较高。2. 玻璃板液面计一般选易观察的透光式，只有当物料很干净时才选反射式。3. 当容器高度大于3m时，玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果受到限制，应改用其它适用的液面计。液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重的堵塞现象所以在此选用玻璃 管液面计。第三章设计计算（一）筒体厚度设计p设计压力。储罐在夏季最高温度可达到目的40C，查常温下液体饱和蒸 气压表，这时氨的饱和蒸气压为1.55MPa（绝对压力）。取此压强的1.05倍，故取 P=1.6 MPa作为设计压力。D 二1600mm在操作温度-540C的范围内，估计些筒体的厚度在10 mm左右，为安全计1 =170 MPa（查教材钢制压力容器中使用的许用应力表5-3）焊接接头采用V坡口双面焊接，采用局部无损检测，其焊接接头系数由焊接 接头系数表查得4 =0.85在钢制压力容器中，只考虑钢板腐蚀裕量，不计钢板的厚度负偏差C 平面腐裕量取C=1 mm。则设计厚度5 2d筒体厚度5d = 2 q寸-p + C21.6 x16002 x170 x .85 1.6+1 = 8.9mm根据钢板厚度规格表5-8 （教材），圆整后选取厚度5 n=10mm的16MnR钢板。（二）封头壁厚设计采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同+1 = 8.8mm1.6 x16002 x170 x 0.85 0.5 x1.6圆整后取10mm厚的16MnR钢板来制造封头（三）水压试验及强度校核先按公式确定水压试验时的压力pt为:p = 1.25 p=1.25 x 1.6 = 2MPa或pt=P + 0 1 = 1 6 + 0 1 = 1 - 7 MPa选取前两者中压力较大值作为水压试验压力为p广2.0MPa2 x(10 1)x 0.85水压试验时的应力5 = P(D：5。= Y600 + (10-1) = 210.3MPa t25 4e16mm16MnR钢板在常压下的许用应力b = 0.9a 4= 0.9x345x0.85 = 263.93MPa tsat 27039kg.故其承载能力足够。标记为：Dg1600-A IM-250 JB-4712-92Dg1600-AIIM-250 JB-4712-92（六）液面计的选择液氨储罐常用玻璃液面计，由储罐公称直径1600选择长度为1400mm液面 计一支，体材料（针形阀）为碳钢，体温型，液面计接管为无缝钢管，液面计 相配的接口管尺寸为：25 X 3mm，平焊管法兰HG 5010-58 Pg16Dg20液面 计标记为：玻璃管液面计A I D L=1400 HG 5-227-80（七）压力计选择1）量程装在锅炉、压力容器上的压力表，其最大量程（表盘上刻度极限值） 应与设备的工作压力相适应。压力表的量程一般为设备工作压力的1. 53倍， 最好取2倍。若选用的压力表量程过大，由于同样精度的压力表，量程越大，允 许误差的绝对值和肉眼观察的偏差就越大，则会影响压力读数的准确性；反之， 若选用的压力表量程过小，设备的工作压力等于或接近压力表的刻度极限，则会 使压力表中的弹性元件长期处于最大的变形状态，易产生永久变形，引起压力表 的误差增大和使用寿命降低。另外，压力表的量程过小，万一超压运行，指针越 过最大量程接近零位，而使操作人员产生错觉，造成更大的事故。因此，压力表 的使用压力范围，应不超过刻度极限的6070%。（2）测量精度压力表的精度是以允许误差占表盘刻度极限值的百分数来表示 的。精度等级一般都标在表盘上，选用压力表时，应根据设备的压力等级和实际 工作需要来确定精度。额定蒸汽压力小于2.45MPa的锅炉和低压容器所用的压力 表，其精度不应低于2. 5级；额定蒸汽压力大于2.45MPa的锅炉和中、高压容 器的压力表，精度不应低于1.5级。（3）表盘直径为了使操作人员能准确地看清压力值，压力表的表盘直径不应 过小。在一般情况下，锅炉和压力容器所用压力表的表盘直径不应小于100mm， 如果压力表装得较高或离岗位较远，表盘直径还应增大。又考虑到液氨有一定腐蚀性，所以综合考虑选用隔膜压力表，技术指标为：精度等级：（1. 6）公称直径：中50接头螺纹：1.5 G1测量范围：0-2.4Mpa（八）接口管选择本储罐设有如下接口管a) 液氨进料管采用无缝钢管8 76X6mm (管壁加厚，具有补强作用).管的一端伸入罐切成45，管长400 mm。配用凸面式平焊管法兰Pg16Dg65 GB9119.8-88b) 液氨出料管采用可拆的压出管8 76X4mm，伸入到罐内离罐底约100 mm,外套无缝钢管8 89 X 6mm(管壁加厚，具有补强作用)，都配用凸面板式平焊管法兰(GB9119.8-88),凸面管法兰盖(GB9119.8-88)和石棉橡胶垫片(GB9126.2-88)。c) 排污管在罐的右端最底部设个排污管，规格是8 57X3.5mm，管端焊有与截止阀J141-16相配的管法兰HG20592 法兰PL50-1.6 RF Q235A。排污管与罐体连接 处焊有一厚度为10mm的补强圈.d) 放空管接口管采用8 57 X 3.5mm无缝钢管，管法兰Pg16Dg50 HG 5010-58e) 安全阀接口管安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定.本贮罐选用8 57 X 3.5mm的无缝钢管,管法兰 Pg16Dg50 HG 5010-58f) 压力表接口管压力表接口管由最大工作压力决定，因此选用采用8 57 X 3.5mm无缝钢管，管法兰采用HG 5010-58 Pg16Dg50。各接管外伸高度都是200mm。第四章主要参考资料1) 化工设备机械基础第五版 刁与玮王立业2003.32) 化工设备设计手册匡国柱史启才20053) 化工制图华东化工学院制图教研室编 人民教育出版社1980；4) 钢制压力容器GB150-895) 压力容器安全技术监察规程国家质量技术监督局19996) 化工过程设备机械基础李多民俞惠敏中国石化出版社2007.27) 典型化工设备机械设计指导李健伟茅晓东东理工大学出版社19958）金属化工设备零部件9）材料与零部件10）化工机械基础课程设计韩叶象 北京化工学院出版社附于此罐装配图与零件图于本书末涡街流量计的基本结构在推导频率与流速关系式时，使用了涡街的稳定条件：间隔比h/项，这说 明旋涡产生的频率受到一定的旋涡空间构造影响，而旋涡的空间结构与旋涡发生 体的形状有关.另外，在前面的讨论中，我们还应该注意到： 在上述推导过程中，均是在一维流动的条件下的.然而在圆管中的流动， 是具有轴对称分布的三维流动. 在上流有管道存在的条件下，会有附加的流速分布畸变、旋流、波动等不 稳定因素.上述两点都会对旋涡的稳定性与规律性产生重要的影响.所以，在涡街现象 发现以后的很长时间内，一直未能用来进行测量流量，除了信号检测技术以外， 上述两点也是重要的原因.为了克服上述因素带来的影响，必须对旋涡发生体 形状有一定要求，使管内的旋涡发生体处流动尽量接近二维流动，以控制三维流 动中旋涡发生体发出的旋涡相位，使涡线弯曲变得极小.由此可见，旋涡发生体形状对涡的发出有决定性的影响.1. 旋涡发生体形状的基本要求旋涡发生体的形状目前已有很多种式样，但它们必须具有一些相同的基本要 求： 有钝的（即非流线型的）截面形状一一这是产生旋涡的条件； 上下截面形状相同，并且左右对称一一流动接近二维流动的条件； 边界层分离点是固定的斯特罗哈数St恒定的条件.同时，旋涡发生体在管道中的安装位置必须严格对称.旋涡发生体上游必须 具有10倍D以上的直管，下游必须有5倍D的直管.2. 旋涡发生体的基本结构旋涡发生体形状有圆柱、三角往、T型柱、四角柱等，以下主要介绍圆柱与 三角柱这两种型式。(1)圆柱型旋涡发生体图3-10电容式三角柱前面关于旋涡理论部分的内容就是以圆柱为例进行讨论的。虽然这种型式使用较 早，但严格地说，在高流速下它的斯特罗哈数St并不稳定.因此，人们就将其 改进成开狭缝或导压孔形式.图3-9圆柱旋涡发生器旋涡发生体 1导压孔；2 空腔；3 隔墙；4铂缘开导压孔的圆柱旋涡发生器如图3 9所示.由于有导压孔存在，当旋涡发出的 同时产生的交替升力使流体通过导压孔流动，产生一边吸入，一边吹出的效果.当 流体 附面层在圆柱表面开始分离时，在吸入一侧，分离被抑制；在吹出一例， 分离则被促进发生.这样就可使流体分离点的位置固定下来，也就可以使斯特罗 哈数St相对稳定.(2)三角柱型旋涡发生体目前采用较多的旋涡发生体是三角柱形的，其形状一般由实验确定.它不仅 可以得到比圆柱更强烈的旋涡，而且它的边界层分离点是固定的，即其斯特罗哈 数St相对恒定，大约为St = 0. 16.这样，涡频与流速的关系为f = 0. 16u/d， 其中d为三角柱的底边宽度.形状可见图3 10所示.涡街流量计的原理1 .卡门涡街的产生与现象为说明卡门涡街的产生，我们来考虑粘性流体绕流圆柱体的流动.当流体速 度很低时，流体在前驻点速度为零，来流沿圆柱左右两侧流动，在圆柱体前半部 分速度逐 渐增大，压力下降，后半部分速度下降，压力升高，在后驻点速度又 为零.这时的流动与理想流体统流圆柱体相同，无旋涡产生，如图37a所示.随着来流速度增加，圆柱体后半部分的压力梯度增大，引起流体附面层的分 离，如图37b所示.当来流的雷诺数Re再增大，达到40左右时，由于圆柱体 后半 部附面层中的流体微团受到更大的阻滞，就在附面层的分离点S处产生一 对旋转方面相反的对称旋涡.如图3 7c所示.在一定的留诺数Re范围内，稳定的卡门涡街的及旋涡脱落频率与流体流速成正 比.图3 7圆柱绕涡街产生示意图2.卡门涡街的稳定条件 并非在任何条件下产生的涡街都是稳定的.冯卡门在理论上已证明稳定的涡街 条件是：涡街两列旋涡之间的距离为h，单列两涡之间距离为项，若两者之间关 系满足或h / =0.281(3 24)时所产生的涡街是稳定的。3. 涡街运动速度为了导出旋涡脱落频率与流速之间的关系，首先要得到涡街本身的运动速度略.为便于讨论，我们假定在旋涡发生体上游的来源是无旋、稳定的流动，即其速度环量为零.从汤姆生定理可知，在旋涡发生体下游所产生的两列对应旋涡 的速度环量，必然大小相等，方向相反，其合环量为零，由于对应两涡的旋 向相反，速度环量大小相等，所以在整个涡群的相互作用下，涡街将以一个稳定的速度虬向上游运动.从理论计算可得.的表示式为略=2/ tan h(3-25)对于稳定的涡街，将式(3 25)代入，有:rr略二 2/ tan h(0. 281 勺二点(3-26)4. 流体流速与旋涡脱落频率的关系从前面讨论可知，当流体以流速u流动时，相对于旋涡发生体，涡街的实际 向下游运动速度为u ur.如果单列旋涡的产生频率为每秒f个旋涡，那么，流 速与频率的关系为u ur = fl(3 27)将式(3 26)代入，可得到流速u与旋涡脱落频率f之间的关系.但是，在 实际上不可能测得速度环量的数值，所以只能通过实验来确定来流速度u与 涡街上行速度ur之间的关系，确定因注形旋涡发生体直径d与涡街宽度h之间 的关系，有:h=1. 3d(3 28)ur = 0. 14u(3 29)将式(3 24),(3 27),(3 28),(3 29)联立，可得：m(1 - 0.14)0.86 x 0.281 xf = 如0.281 =1.3 次(3 29)君 0. 2u / d也可将上式写成：(3 30)St= 攻四0. 2St称为斯特罗哈数.从实验可知，在雷诺数Re为3X 102 3 X 105范 围内，流 体速度u与旋涡脱落频率的关系是确定的.也就是说，对于圆柱形旋涡发生体， 在这个范围内它的斯特罗哈数St是常数，并约等于0. 2,与理论计算值吻合 的很好.对于圆柱型式的旋涡发生体，其斯特罗哈数St也是常数，但有它自己 的数值.图3 8为圆往型旋涡发生体产生的涡街结构.根据以上分析，从流体力学的角度可以判定涡街流量计测量的上下限流量为：Re = 3X 102 2X 105 .当雷诺数更大时，圆柱体周围的边界层将变成紊流，不符合 上述规律，并且将会是不稳定的.图3 8涡街结构示意图5. 流体振动原理当涡街在旋涡发生体下游形成以后，仔细观察其运动，可见它一面以速度u ur平行于轴线运动，另外还在与轴线垂直方向上振动.这说明流体在产生旋 涡的同时还受到一个垂直方向上力的作用.下面讨论这个垂直方向上力的产生原 因及计算方法.同前讨论，假定来流是无旋的，根据汤姆生定律：沿封闭流动流线的环量不随 时间而改变.那么，当在旋涡发生体右(或左)下方产生一个旋涡以后，必须在其 它地方产生一个相反的环量，以使合环量为零.这个环量就是旋涡发生体周围 的环流.根据茹科夫斯基的升力定理，由于这个环量的存在，会在旋涡发生体上 产生一个升力，该升力垂直于来流方向.设作用在旋涡发生体每单位长度上的 升力为L，有：L= Fu(3 31)式中 p流体密度;u来流速度；旋涡发生体的速度环量.从前面的讨论中可以得到以下关系， =2 Jur； ur=K1u；项=K2d ；将上述关系代入式(31)，并令系数K=2龙K1K2，则有:L = Kdu2(3 32)这就是作用在旋涡发生体上的升力.由于旋涡在旋涡发生体两侧交替发生， 且旋转方向相反，故作用在发生体上的力亦是交替变化的.而流体则受到发生体 的反作用力，产生垂直于铀线方向的振动，这就是流体振动的原理.从上述分析可以知道：交替地作用在旋涡发生体上升力的频率就是旋涡的脱 落频率.通过检测该升力的变化频率，就可以得到旋涡的脱落频率，从而可得流 体的流速值。6. 流量公式涡街流量计是一种速度式流量计，它测的是流体的流速u.为得到流量值，必须 乘以流通截面积A.对于不同形式的旋涡发生器，它的流通截面积计算是不同 的.以下仅举圆柱形流通截面积A可表示为je)2dA 2 (1 1. 25 B )(3 33)由此可得流量公式为的爽d_qv=Au=4 % (1 1. 25 Q )(3 34)从该式可知，流量qv与旋涡脱落频率f在一定雷诺数范围内成线性关系。因此， 也将这种流量计称为线性流量计。