《化工机械设备基础》课程设计

化工机械设备基础课程设计目 录第 1 章 绪论 11.1设计任务 11.2 设计思想. 21.3 主要设计参数的确定及说明 . . .2 第 2章 材料及结构的选择与论 证32.1材料选择 . 32.2结构选择与论证 . .3 第 3章 设计计算 . . 53.1 筒体厚度设计 .53.2封头壁厚设计. . . 63.3 水压试验及强度校核 . . 63.4 核算承载能力并选择鞍 座 . . 73.5 人孔并核算开孔补强83.6接口管选择. 10设计小结 . . 11 参考文献. . . 12 第 1 章 绪论 1.1设计任务 化工机械设备基础课程设计是为配合高等院校化工工艺类、高分子 材料专业学生在学习了有关机械课程的基本理论和基本知识后，对其基本技能的训 练，式培养学生设计能力和解决实际问题能力的重要教学环节。 课程设计是学校 整个教学环节的重要部分，是对学生进行全面考核、综合训练的必不可少的教学内 容。通过课程设计，可以使学生所学的基本理论、基本知识和基本技能在总结提高的基础上加以综合应用。同时，也是培养学生分析问题、全面解决问题的有效方 法，所以要求每一位参加课程设计的同学，都要本着严肃认真的精神，以科学的态 度独立完成设计的计算，并能发挥自己有创见的设计思想，搞好本次设计。为统一 要求，特做以下几点规定 : 1 、树立正确的设计思想，掌握工程设计的基本方法， 加强对设计规范，设计规定，技术文件的理解和应用，提高查阅科技资料的能力， 以便今后熟练的开展工作。 2 、培养理论联系实际的设计作风。以实事求是一丝不 苟的科学态度，进行调查研究，辩证地综合有关资料，判定合理的设计方案。 3 、 运用所学的知识，独立解决设计中碰到的各种问题，通过设计、计算、绘图、制 表、技术数据处理、誊写技术报告等专业技能的训练，逐步掌握解决本专业工程技 术文件及技术问题的处理方法和手段。 通过课程设计，培养我们所学化工机械 设备基础及其相关课程的理论知识，在课程设计中综合地加以运用; 培养我们对化工工程设计的技能以及独立分析问题、解决问题的能力 ; 培养我们熟悉、查阅并 综合运用各种有关的设计手册、规范、标准、图册等设计技术资料 ; 进一步培养我 们识图、制图、运算、编写设计说明书等基本技能。 本次课程设计的设计任务是 设计一液氨贮罐。工艺尺寸为：储罐内径Di2200 mm罐体（不包括封头）长度L6600 mm使用地点：茂名。本贮罐在夏季最高温度可达 50?,这时氨的饱和蒸气压为 2.07 Mpa（ 绝对压力） 。 1 1.2 设计思想 设计前要预先准备好世纪资料、手册图 册、计算和绘图工具、图纸及报告纸等,认真研究设计任务书,分析计算题目的原 始数据和工艺条件,明确设计要求和设备内容。 综合运用所学的机械基础课程知 识,自始至终本着对工程设计负责的态度,从难从严要求,综合考虑经济性、实用 性、安全可靠性和先进性,对储罐进行设计。在课程设计中遇到问题时,通过查阅资料和复习有关教科 书,主动解决问题,注重能力培养。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国 家标准,使设计有法可依、有章可循,当设计与标准规范相矛盾时,进行严格计算和论证，知道符合要求，正确使用设计方法，并考虑到结构方面的要求，合理地进 行设计。 1.3 主要设计参数的确定及说明 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。 本设计的容器零部件结构应满足如下要求 : 强度、刚度、稳定性、耐久 性、密封性、节省材料和便于制造、方便操作和便于运输、技术经济指标合理。 本贮罐在夏季最高温度可达 50?， （ 绝对压力） 这时液氨的饱和蒸气压为 2.07MPa，故设计压力P可取为2.16MPa，设计温度为50?。选用16MnR制作罐 体和封头，估计筒体厚度为 18mm 左右，应此许用应力 t 163 Mpa; s 325 Mpa ， 1.0 双面对接焊缝 100探伤 钢板负偏差由常用钢板负念头表查得 C1 0.8 mm 液氨 为轻微腐蚀，腐裕量由壳体、封头腐蚀裕量表查得C2 1 mm。 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。 2 第 2 章 材料及结构的选择与论证 2.1 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MnR钢板面，同等重量设备的计价，16MnR钢板为比较经济。所以在此选择16 作为制造筒体和封头材料。 2.2 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， 3 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(DN?160Q L?5m)。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 MPa1.6MPa在较小范围内(DN300 mm-2000 mm适用温度范围为-20?-300?。乙型平焊法兰用于 PN0.25 MPa1.6 MPa 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-20?-350?。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 MPa6.4MPa)适用温度范围为-20?-45?。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HG20592HG2063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 0250? 。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 0250?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 用于物料内没有结晶等堵塞固体的场合。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。 4 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3章 设计计算 试设计一液氨 贮罐。工艺尺寸已确定：贮罐内径Di 2200mm贮罐（不包括封头）长度L6600mm使 用地点 : 茂名。本贮罐在夏季最高温度可达 50?，这时氨的饱和蒸气压为 2.07 Mpa（绝对压力）。通过操作条件的分析可知，该容器属于中压、低温范畴，同时温 度和压力有波动。对材料的要求应是耐压，耐低温，且抗压力波动。根据选材的原 则，应优先选用低合金钢，故本贮罐选用 16MnR 制作罐体和封头。 3.1 罐体壁厚 设计 设计壁厚d根据下式计算：PDi d C2 2 t P 式中P-设计压力。本贮罐在夏 季最高温度可达50?，这时氨的饱和蒸气压为2.16MPa（绝对压力）储罐上需要安装 安全阀，故取 P1.05 2.072.16Mpa 压力容器安全技术监察规程规定液氨储罐设 计温度为 50?，设计压力为 2.27Mpa; Di 2200mm; t 163 Mpa; s 325 Mpa ， 1.0双面对接焊缝 100 探伤 钢板负偏差由常用钢板负念头表查得 C1 0.8 mm 液氨为轻微腐蚀，腐裕量由壳体、封头腐蚀裕量表查得C 2 1 mm。 于是: 5 2.16 2200 d1 15.7 mm2 163 1.0 2.16 根据 C1 0.8 mm 及钢板厚度规格表，圆整后取 n (mm) 。确定 选用 n 18mm 厚的 16MnR 钢板制作罐体。 3.2 封头壁厚设计 采用标准椭圆形封 头，各参数与筒体相同PDi d C2 2 0.5P t 式中1.0(钢板最大宽度为3m,该贮 罐直径为 2.2 m ，故封头需将钢板并焊后冲压 ); 其他符号同前。于是 2.16 2200 d 1 15.7 mm2 163 1.0 2.16 考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，圆整后取 n 18mm 厚的 16MnR钢板制作封头。3.3水压试验及强度校核水压试验时容器器壁的计算应力 不得超过材料屈服限与焊缝系数乘积的 90。 PT Di e T 0.9 s 2 e 水压试验压力 : PT 1.25 P 1.25 2.162.7Mpa e n C 18-1.816.2mm s 325 Mpa PT Di e 2.7 2200 16.2 T184.7 Mpa 2 e 2 16.2 0.9 s 0.9 325 1.0292.5Mpa 可见: T 0.9 s ，所以 水压试验强度足够。 6 3.4 核算承载能力并选择鞍座 首先粗略计算鞍座负荷。贮 罐总质量：m ml m2 m3 m4式中ml -罐体质量，kg; m2 -圭寸头质量，kg; m3 -充 满水质量，kg; m4 -附件质量，kg。1罐体质量 m1DN2200mm n 18mr的筒节，每 米质量为 q1 984kg/m 所以 m1 q1 L984 6.66494.4 kg2 封头质量 m2DN2200mm n 18mn直边高度h 40 mm的椭圆形封头其质量为q 2 770.3 kg 所以m2 2 q 2 2770.31540.6 kg3充满水质量m3 m3 V式中V-储罐容积，-水的密度为1000 kg/ m3 。 V V 筒 V 封 6.6 3.8012 1.5428.167 m3 m3 28.167 100028167 kg4 附 件质量 m4 卧式容器筒体长度 6000mm 时，为了气体置换、采光、检验人员进行内 外部检验和出入方便，应考虑在两端各设置 1 个人孔。 2 个人孔重量约为 600 kg，估计其他附件重量约为300 kg，故总计附件的重量约为 m4 900 kg。故，贮 罐的总重量 m 为:m m1 m2 m3 m4 6494.41540.62816770037102 kg 其总重力 Q 为 371.02kN。 每个鞍座只承受约 186 kN 负荷，所以选用轻型带垫板，包角为 120? 的鞍座。 7 即 JB/T4712-92 鞍座A2200-S 3.5 选择人孔并核算开孔补强 (1) 人孔(标准 A2200-F JB/T4712-92 鞍 座代号 :HG21524-95) 根据储罐是在常温及最高工作压力为 2.16MPa 的条件下工 作，人孔标准应按公称压力为 2.5MPa 的等级选取。从人孔类型系列标准可知，公 称压力为 2.5MPa 的人孔类型很多。本设计考虑人孔盖直径较大较重故选用水平吊 盖人孔。容器直径大于 1600,3000mm 时，选用 DN500 人孔，故人孔公称直径选定 为500mm密封压紧面采用C型。该人孔结构中有吊钩和销轴，检修时只须松开 螺栓将盖板绕销轴旋转一个角度，由吊钩吊住，不必将盖板取下。 该人孔标记为 : 人孔 TG?(AG) 5002.5 HG21524-95(2) 人孔补强计算 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。本设计所选用的人孔筒节内径为d500mm壁厚m 10mm故补强圈尺寸如下：由标准查得补强强圈内公式 D1 530mm外径D 2 840mm根据补强的金属面积应大于等于开孔减少的截面积，开孔补强的有关计算 参数如下： PD i 2.16 2200 1 筒体的计算壁厚 ： S C 1.8 16.5 2 - P t 2 1631.0 - 2.162计算开孔所需补强的面积 A 开孔直径： d d i 2C 500 2 1 0.8 503.6mm A d503.6 189064.8mm 2 3有效宽度： B1 2d 2 503.6 1007.2 B 2 d 2 n 2 nt 503.6 2 182 18 575.6 取最大值 B 1007.2mm 84有效高度： 外侧高度 h 1 d nt 503.6 18 95.2mm hl接管实际的外伸高度 300mm取较小值h 1 95.2mm 内侧高度h 2 d nt503.6 18 95.2mm h2 接管实际内伸高度 05通体多余金属面积 A1 筒体有效厚度 ：e n C 18 1 0.8 16.2mm A1接管多余金属的截B d e 2 et e 1 f r 1007.2 503.616.2 15.7 251.8mm 26面积 A2 Pd 2.16 503.6 接管计算厚度 t 3.4mm 2 p 2 163 1.0 2.16 t A2 2h1et t f r 2h2 et C2 f r 2h1 nt C t f r 0 2 95.2 17 1.8 3.4 1 0 2246.7 mm 2 7补强区内焊缝截面积 A3 A3 2 0.5 10 10 100mm 2 8 有效补强面积 Ae Ae A1 A2 A3 251.8 2246.7 100 2598.5mm 2 9 所需补强截面积 A4 A4 A Ae 9064.8 2598.5 6466.3mm 2 10补强圈厚度:（差得补强圈外径 760mm 内径484mm） A4 6466.3 20.9mm D2 D1 840 530 9由于考虑到筒体的厚度为18mm故选取补强圈为22mm厚的16MnR补强圈其标 记为：补强圈Dg450X 16 JB 1207 -73 3.6 接口管选择本贮罐设有以下接口管。3.6.1液氨进料管 采用57X 3.5mm无缝钢管强度验算略.管的一端切成45?，伸 入罐内少许。配用具有突面密封的平焊管法兰，法兰标记为 ： HG20592 法兰 PL502.5 RF 16MnR因为壳体名义壁厚n 18mmgt12mmS管公称直径小于80 mm故不用 补强。3.6.2液氨出料管采用可拆的压出管25X 3 mm将它套入罐体的固定接口管 57X3.5mm 内。罐体的接口管法兰采用法兰 ： HG20592 法兰 PL32-2.5 RF 16MnR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一HG20592法兰PL32-2.5 RF 16MnR|相同但其内径为25 mm见总装图的局部放大部大图。液氨压出管的端部法兰与氨输送管相连采用一HG20592法兰PL20-2.5RF16M nR。这些 小管都不必补强。压出管伸入贮罐 2.5m。 3.6.3 排污管 在贮罐的右端最底部安 设一个排污管，管子规格为 57X 3.5 mm,管端焊有与截止阀J14W-16相配的管法 兰:HG20592法兰PL50-2.5 RF 16MnR。排污管与罐体连接处焊有一厚度为10mm的补强圈.3.6.4 液面计接管 本贮罐采用玻璃管液面计：一AI 2.5 - 1260- 50 HG/T21550- 93 11两组。 与液面计相配的接口管尺寸为18X 3 mm管法兰为HG20592法兰 PL15-2.5 RF16MnR|o 3.6.5 放空管接口管 采用 32X 3.5mm 无 缝钢管管法兰：一HG20592法兰PL25- 2.5 RF 16MnR |。10 3.6.6 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32 X 2.5mm的无缝钢管管法兰为：PL25-2.5 RF 16MnR| 3.6.7 压力表接口管 压力表接口管由最大工 HG20592 法兰作压力决定 因此选用采用57X 3.5mm无缝钢管管法兰为一HG20592法兰 PL32-2.5 RF 16MnR|。设计小结：本次化工机械设备基础课程设计是对我们 学生进行全面考核、综合训练的必不可少的教学内容。通过课程设计，可以使我们 所学的基本理论、基本知识和基本技能在总结提咼的基础上加以综合应用。同时， 也是培养我们学生分析问题、全面解决问题的有效方法，所以都本着严肃认真的精 神，以科学的态度独立完成设计的计算，并能发挥自己有创见的设计思想，搞好本 次设计。由于缺乏经验，设计之初我就面临了很大的困难，这让我深刻认识到自 己对于化工机械基础知识学习的不足，最后在同学们的共同探讨和摸索之下，终于 完成了计划书的设计。通过计划书的设计，我不.