过程装备与控制工程课程设书

1 过程装备与控制工程课程设书 1设计目的： 设计目的 1) 使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。 2) 掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。 3) 掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。 4) 掌握工程图纸的计算机绘图。 2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 1 原始数据 设计条件表 序号 项 目 数 值 单 位 备 注 1 名 称 液 氯储罐 2 用 途 液氯储存站 3 最高工作压力 介质温度确定 4 工作温度 45 5 公称容积（ 10/16/20/25 6 工作压力波动情况 可不考虑 7 装量系数 ( V) 8 工作介质 液氯（高度危害） 9 使用地点 室内 10 安装与地基要求 11 其它要求 管口表 接管代号 公称尺寸 连接尺寸标准 连接面形式 用途或名称 a M 液氯进口管 b M 安全阀接口 孔 d M 空气进口管 e M 空气出口管 f M 压力表接口 M 液位计接口 h M 液氯出口管 2 课 程 设 计 任 务 书 2设计内容 1）设备工艺、结构设计； 2）设备强度计算与校核； 3）技术条件编制； 4）绘制设备总装配 图； 5）编制设计说明书。 3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书 (论文 )、图纸、实物样品等： 1）设计说明书： 主要内容包括：封面 、 设计任务书 、 目录 、 设计方案的分析和拟定 、 各部分结构尺寸的设计计算和确定 、 设计总结 、 参考文献等 ； 2）总装配图 设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定，图面布置要合理，结构表达要清楚、正确，图面要整洁，文字书写采用仿宋体、内容要详尽，图纸采用计算机绘制。 3 课 程 设 计 任 务 书 4主要参考文献： 1 国家质量技术监督局， 制压力容器，中国标准出版社， 1998 2 国家质量技术监督局，压力容器安全技术监察规程，中国劳动社会保障出版社，1999 3 全国化工设备设计技术中心站，化工设备图样技术要求， 2000， 11 4 郑津洋、董其伍、桑芝富，过程设备设计，化学工业出版社， 2001 5 黄振仁、魏新利，过程装备成套技术设计指南，化学工业出版社， 2002 6 国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社， 1996 7 蔡纪宁主编，化工设备机械基础课程设计指导书，化学工业出版社， 2003 年 5设计成果形式及要求： 1）完成课程设计说明书一份； 2）草图一张（ 3）总装配图一张 (； 6工作计划及进度： 2011年 06月 13日 ：布置任务、 查阅资料并确定设计方法和步骤 06月 13日 06 月 17日 ： 机械设计计算 （强度计算与校核）及技术条件编制 06月 17日 06 月 22日 ：设计图纸绘制（草图和装配图） 06月 22日 06 月 24日 ：撰写设计说明书 06月 24日 ：答辩及成绩评定 系主任审查意见： 签字： 年 月 日 4 前言 压力容器的用途十分广泛。它是在 石油化学工业 、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、 封头 、 法兰 、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配 有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生 爆炸 、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由 国家 指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和 技术检验 。 本次课程设计目的主要是使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程；掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证；掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用；掌握工程图纸的计算机绘图。 5 目录 1 工艺设计 1 储量 1 备的选型及轮廓尺寸 1 2 筒体及封头设计 2 料的选择 2 体壁厚设计计算 2 头壁厚的设计计算 3 3 接管及接管法兰设计 4 管尺寸选择 4 口表及连接标准 4 管法兰的选择 5 片的选择 6 固件的选择 7 4 人孔的结构设计 8 封面的选择 8 孔的设计 8 算开孔补强 9 5 支座的设计 12 座的选择 12 座的位置 13 6 液面计及安全阀选择 14 6 7 总体布局 14 8 焊接结构设计及焊条的选择 14 9 强度校核 17 10参考文献 35 7 1 工艺设计 储量 盛装液化气体的压力 容器设计存储量 式中： W 储存量， t； 装载系数； V 压力容器容积； t 设计温度下的饱和溶液的密度，3 根据设计条件= 0 . 9 4 5 1 . 3 1 4 5 3 . 2 2 备的选型及轮廓尺寸 粗略计算内径： 32 454 i 一般 63 ，取 4得 2429iD m m，圆整得： 500选用 得：深度65 ，内表面积 20861.7 ，容积 32417.2 封 根据 32g 45242 i 封封筒 254422 封，圆整得 : 300 322 i 封封筒计 误差 1 0 0 % 0 . 5 1 %计 计工 所以，筒体的公称直径 500,长度 300 8 2 筒体及封头设计 料的选择 液氯属于高危害性的介质，但其腐蚀性小 ,使用温 度为 C。 4520 ，根据压力容器设计手册中钢板的使用条件，选择 16板作为制造筒体和封头材料。 体壁厚设计计算 设计压力 液氯储罐的工作温度 45，故选取设计温度 t=50，由压力容器介质手册 【 1】 查的，该温度下的绝对饱和蒸汽压为 本次设计中的液氯储罐上装有安全阀，通常认为设计压力为工作压力的 ，所以设计压力 1 . 1 1 . 4 3 2 0 . 1 1 . 4 6 6p M P a 。 柱静压力 由 某些无机物重要物理性质表 【 1】 查的，液氯的密度为 31314 /kg m ，内径2500iD m m 由各地区重力加速度表查的太原地区的 29 6 8 4 /g m s ，则根据公式ip 静可得 0 2p M P a算压力 因为 1 0 0 % 2 . 2 % 5 %静 ， 所 以 可 忽 略 静 压 力 的 影 响 。 即1 . 4 6 6cp p M P a 计温度下材料的许用应力 t t 为 C。 4520 ，假设筒体厚度为 ，由钢板许用应力表可得 70 接接头系数 本次液氯储罐的设计采用双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头， 100%无损检测，所 以 。 9 压容器的计算厚度 根据内压容器的计算厚度公式 【 2】 ： 1 . 4 6 6 2 5 0 0 1 0 . 8 2 62 1 7 0 1 . 0 1 . 4 6 62 m m m 之间，故假设是成立的。 取腐蚀裕量2 2C 2 1 2 . 8 2 6d C m m 。 由常用钢板厚度负偏差表可查的，在 6654钢板标准下 负偏差 。1 1 3 . 0 7 6d C m m 查钢板厚度的常用规格表，将其圆整为 14即名义厚度 14n 的板。 头壁厚的设计计算 准椭圆形封头的计算厚度 根据标准椭圆形封头的计算厚度公式 【 2】 ： 1 . 4 6 6 2 5 0 0 1 0 . 8 0 32 1 7 0 1 . 0 0 . 5 1 . 4 6 62 0 . 5 取 腐蚀裕量2 2C 2 1 0 . 8 0 3 2 1 2 . 8 0 3d C m m 由常用钢板厚度负偏差表可查的，在 6654钢板标准下 负偏差 。1 1 3 . 0 5 3d C m m 查钢板厚度的常用规格表，将其圆整为 14即名义厚度 14n 的板，可见标准椭圆形封头与筒体等厚。 10 3 接管及接管法兰设计 管尺寸选择 氯进、出口接管和空气进、出口接管选用补强管。查化工容器及设备简明设计手册 【 3】 得： 图 补强管 表 3】 用途 公称直径 径 壁厚 o 补强管外伸或内伸最小高度 25 氯出口管 安全阀 空气进口管 65 779 22 气出口管 表 液位计接口、压力计接口、人孔接管尺寸表 用途 公称直径 径 壁厚 o 理论质量 /kg m 液位计 20 25 力计 25 32 孔 500 530 12 口表及连接标准 11 表 管口表 接管代号 公称尺寸 连接尺寸标准 连接面形式 用途或名称 a M 液氯进口管 b M 安 全阀接口 孔 d M 空气进口管 e M 空气出口管 f M 压力表接口 M 液位计接口 h M 液氯出口管 管法兰的选择 图 接管法兰结构 表 接管法兰结构尺寸表 【 3】 序 号 名 称 公称直径管外径 1栓孔中心圆直径K 螺栓孔直径 L 螺栓孔数量 n 螺栓兰厚度C 法兰颈 法兰高度H 法兰质量 N S 1 B a 液氯进口 80 89 200 160 18 8 0 110 0 6 50 b 安全法接口 80 89 200 160 18 8 0 110 0 6 50 d 空气进口 65 76 185 145 18 4 0 92 0 6 48 e 空气出口 65 76 185 145 18 4 0 92 0 6 48 f 压力表口 25 32 115 85 14 4 6 46 4 40 位计口 20 25 105 75 14 4 6 40 4 40 h 液氯出口 80 89 200 160 18 8 0 110 0 6 50 12 表 接管法兰标记 名称 法兰标记 液氯进口管法兰 0595 法兰 M S=86氯出口管 法兰 安全阀接口管法兰 空气进口管 法兰 0595 法兰 M S=76气出口管法兰 液面计接管法兰 0595 法兰 M S=6力表接管法兰 0595 法兰 M S=6片的选择 垫片选用石棉橡胶垫片， 查 20606制管法兰用非金属平垫片，得： 图 金属包覆垫片 表 垫片尺寸表 【 3】 符号 管口名称 垫片厚度 公称直径 内径 径 D2 a 液氯进口 0 89 120 b 安全阀口 0 89 120 d 空气进口 5 77 109 e 空气出口 5 77 109 f 压力表口 5 34 57 位计口 0 27 50 h 液氯出口 0 89 120 13 固件的选择 查 0613钢制管法兰用紧固件得螺柱的长度和平垫圈尺寸： 表 4 螺栓及垫片 【 3】 符号 公称直径 螺纹 螺柱长 紧固件用平垫圈 a 80 0 17 30 3 b 80 0 17 30 3 d 65 0 17 30 3 e 65 0 17 30 3 f 25 5 13 24 2.5 0 5 13 24 2.5 h 80 0 17 30 3 14 4 人孔的结构设计 密封面的选择 由于本次设计的介质是高度危害的，所以本次设计采用凹凸法兰密封面（ 。 人孔的设计 本次设计的储罐设计压力为 据 20052153521514/ 钢制人孔和手孔 【 3】 ，采用回转盖带颈对焊法兰人孔。 该人孔标记为：人孔 5B 500 200521518/ 图 人孔结构示意图 15 表 人孔结构尺寸 【 3】 密封面型式 公称压力称直径DN S d D 1 H2 b 00 530 12 506 730 660 280 123 44 b1 B L 柱 螺母 螺柱 总质量 数量 直径 长度 43 48 405 200 300 30 20 40 2 170 302 核算开孔补强 本次设计人孔的公称外径为 5 0 0 8 9m m m m ，所以进行补强圈补强。 圆柱开孔所需补强面积 A 由钢板许用应力表可知厚度为厚度 14m 的低合金钢 C。 4520时的 。由钢管许用应力表可知厚度为厚度 低合金钢 C。 4520 时的 163t M P a 。 由强度消弱系数计算公式得： 163 0 . 9 5 8 8 1 7 0 钢管厚度负 偏差 ，腐蚀裕量厚度 2 接管有效厚度12 1 2 1 0 . 2 5 1 0 . 7 5e t n C C m m 开孔直径 2 2 5 3 0 2 1 2 2 1 0 . 2 5 5 0 8 . 5wd d S C m m 圆柱开孔所需补强面积： 22 1 5 0 8 . 5 1 0 . 8 2 6 2 1 0 . 8 2 6 1 0 . 7 5 1 0 . 9 5 8 8 5 5 1 4 . 6 1d f m m 有效补强范围内的补强面积有效补强范围内的宽度 B 16 有效不强范围内的宽应 22 n n 二者中的较大值，其中2 1017d m m , 2 5 6 0 . 5n n td m m ，显然 22 ，所以2 1 0 1 7B d m m 。 2) 有效补强范围的外侧高度1 接 管 实 际 外 伸 高 度二者中的较小值，其中5 0 8 . 5 1 2 7 8 . 1 1 5m m m m ，接管实际外伸高度为12 2 8 0 1 2 3 4 0 3H H m m m m 。 于 接 管 实 际 外 伸 高 度 ， 所 以1 7 8 . 1 1 5d m m。 3) 有效补强范围的内侧高度2 接 管 实 际 内 伸 高 度二者中的较小值，其中5 0 8 . 5 1 2 7 8 . 1 1 5m m m m ，接管实际内伸高度设计为 接管实际内伸高度小于所以 2 。 4) 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 1A 圆筒计算厚度 ，接管有效厚度12 1 0 . 7 5e t n C C m m 12211 0 1 7 5 0 8 . 5 1 1 . 7 5 1 0 . 8 2 6 2 1 0 . 7 5 1 1 . 7 5 1 0 . 8 2 6 1 0 . 95884 6 9 . 0 3 6e e t d 5) 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 2A 接管计算厚度 1 . 4 6 6 5 0 0 2 . 2 5 92 1 6 3 1 . 0 1 . 4 6 62 t 根据公式 17 2 1 22222 7 8 . 1 1 5 1 0 . 7 5 2 . 2 5 9 2 0 1 0 . 7 5 1 . 2 5 0 . 9 5 8 81 3 2 6 . 5 4 9e t t e tA h h C 6) 焊缝金属面积3以选用 因此， 223 1 2 6 3 62A m m 7) 有效补强范围内的补强面积1 2 3 4 6 9 . 0 3 6 1 3 2 6 . 5 4 9 3 6 1 8 3 1 . 5 8 5 A A m m 8) 补强圈的选取 因为 所以需要另加补强，其补强面积为： 4 25 5 1 4 . 6 1 1 8 1 1 . 5 8 5 3 6 8 3 . 0 2 5 。 4213 6 8 3 . 0 2 5 1 2 . 18 4 0 5 3 6cA ，查表 20024736 规定的补强圈尺寸系列应选用的补强圈厚度为 14补强材料一般与壳材料相同，可确定补强圈为： 5 0 0 1 4 1 6 M n R /002 。 。 18 5 支座的设计 座的选择 器的自重及附件的质量 1m 筒体的质量 2 . 5 8 . 3 0 . 0 1 4 7 8 5 0 7 1 6 4 . 2 L k g k g 筒由 知 2500D N m m 封头质量 7 6 4 由回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表得人孔的总质量为 302m 。 液氯进口管、 液氯出口管、安全阀接管质量 ： 1 7 1 7 .2 空气进口管、空气出口管质量： 2 1 .4 由热轧钢管品种表得所用钢管的理论质量 压力表接管、液位计接管： 0 . 1 5 2 . 4 6 0 . 4 接管的总质量 2 7 . 2 3 0 . 4 2 5 8 . 4m k g k g 接法兰的总质量 2 2 k g法 兰由 4736定的补强圈尺寸系列表得， 500D N m m 补强圈的质量为 3 6 k g补 强。 其 他的质量 100m 他则容器的自重为1 2 9 2 1 1 . 3m m m m m m m k g 人筒 封 接 补 强 其 试验充满水的质量2的重要物理性质表得 C。30 时水的密度为 3/所以2 4 5 . 2 3 9 9 5 . 7 4 5 0 3 5 . 5 1 1m V k g k g 计。 充满液氯的质量3 5 . 2 3 1 3 1 4 5 9 4 3 2 . 2 2m V k g k g 计13 9 2 1 1 . 3 5 9 4 3 2 . 2 2 3 4 3 2 1 . 8 3 4 3 . 222mm k g k g k N 。 查 器支座得： 19 图 鞍座的结构 表 鞍座的结构尺寸表 【 4】 公称直径许载荷Q /座高度h 底板 腹板 筋板 l1 2l3 b2 2600 440 250 1880 300 14 10 295 268 360 8 垫板 螺栓配置 鞍座质量加 100长 e 间距孔d 螺纹 孔长l 3030 610 10 120 1640 24 0 298 26 鞍座标记为： /4 7 1 2 . 1 2 0 0 7 , 支 座 2600 /4 7 1 2 . 1 2 0 0 7 , 支 座 2600 座的位置 因为鞍座位置的要求为 ，并尽量使 ，综 20 合考虑选择 。 6 液面计及安全阀选择 本次设计采用磁性液位计，普通型，压力等级为 据实际要求，选用液位计的中心距为 2000 标记 21584Z F 321C。 根据公称压力 适用介质，选择型号为 7 总体布局 各种接管总体布局如图 图 接管布局图 接管中心线间距 500管与封头间距 740人孔间距 1500焊缝距离不小于 150座距封头 600 8 焊接结构设计及焊条的选择 综合考虑各种因素，针对本次设计储存的介质是高毒性介质，所以本次设计的壳体 A、 型的如图。而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头。 对于 人孔、补强圈与壳体的接头选用，如图 21 图 图 接管与筒体的接头 22 图 强圈接头形式 表 焊条型号及牌号 ( 4709接头母材 焊条型号 焊条牌号 1665016 0 +16309307 6309307 23 9 强度校核 钢制卧式容器 计算单位 全国化工设备设计技术中心站 计 算 条 件 简 图 设计压力 p 设计温度 t 50 筒体材料名称 16轧 ) 封头材料名称 16轧 ) 封头型式 椭圆形 筒体内直径 500 筒体长度 L 8300 筒体名义厚度 n 14 座垫板名义厚度 0 体厚度附加量 C 2 蚀裕量 体焊接接头系数 1 封头名义厚度 4 头厚度附加量 座材料名称 座宽度 b 300 座包角 120 支座形心至封头切线距离 A 640 座高度 H 250 震烈度 低于 7 度 24 内压圆筒校核 计算单位 全国化工设备设计技术中心站 计算条件 筒体简图 计算压力 设计温度 t C 内径 材料 16轧 ) ( 板材 ) 试验温度许用应力 设计温度许用应力 t 试验温度下屈服点 s 钢板负偏差 腐蚀裕量 焊接接头系数 厚度及重量计算 计算厚度 = P it = 效厚度 e =n - 2= 义厚度 n = 量 g 压力试验时应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 t = (或由用户输入 ) 力试验允许通过 的应力水平 T T s = 验压力下 圆筒的应力 T = p DT i ). 2 = 核条 件 T T 校核结果 合格 压力及应力计算 最大允许工作压力 2 e ti e ( )D = 计温度下计算应力 t = P Dc i )2 = t 核条件 t t 结论 合格 25 左封头计算 计算单位 全国化工设备设计技术中心站 计算条件 椭圆封头简图 计算压力 设计温度 t C 内径 曲面高度 材料 16轧 ) (板材 ) 试验温度许用应力 设计温度许用应力 t 钢板负偏差 腐蚀裕量 焊接接头系数 厚度及重量计算 形状系数 K = 16 2 22算厚度 = c 5 . = 效厚度 e =n - 2= 小厚度 义厚度 n = 论 满足最小厚度要求 重量 力 计 算 最大允许工作压力 20 5 . t ei 论 合格 26 右封头计算 计算单位 全国化工设备设计技术中心站 计算条件 椭圆封头简图 计算压力 设计温度 t C 内径 曲面高度 材料 16轧 ) (板材 ) 试验温度许用应力 设计温度许用应力 t 钢板负偏差 腐蚀裕量 焊接接头系数 厚度及重量计算 形状系数 K = 16 2 22算 厚度 = c 5 . = 效厚度 e =n - 2= 小厚度 义厚度 n = 论 满足最小厚度要求 重量 力 计 算 最大允许工作压力 20 5 . t ei 论 合格 27 卧式容器（双鞍座） 计算单位 全国化工设备设计技术中心站 计 算 条 件 简 图 计算压力 设计温度 t 50 圆筒材料 16轧 ) 鞍座材料 圆筒材料常温许用应力 170 圆筒材料设计温度下许用应力 t 170 圆筒材料常温屈服点 345 鞍座材料许用应力 40 作时物料密度 O1314 kg/压试验介质密度 T 1000 kg/筒内直径 500 筒名义厚度 筒厚度附加量 C 2 筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 14 头厚度附加量 封头切线间距离 L 8380 座垫板名义厚度 10 座垫板有效厚度 10 座轴向宽度 b 300 座包角 120 鞍座底板中心至封头切线距离 A 640 头曲面高度 625 验压力 座高度 H 250 28 29 腹板与筋板 (小端 )组合截面积 58324 板与筋板 (小端 )组合截面断面系数 6 震烈度 0 配管轴向分力 圆筒平均半径 1257 料充装系数 o支 座 反 力 计 算 圆筒质量 (两切线间 ) 头质量 (曲面部分 ) 件质量 9211.3 头容积 (曲面部分 ) 9 器容积 (两切线间 ) V = 0 器内充液质量 工作时 , 力试验时 , m V = 45225.8 热层质量 0 质量 工作时 , 54321 2 力试验时 , 5 4321 2 位长度载荷 q h 43 qm gL F 50656 1 310141 F F F m a x , 350656 N 筒 体 弯 矩 计 算 圆筒中间处截 面上的弯矩 工作时 341/21422218 压力试验 1422218 N 30 31 支座处横 截面弯矩 工作时 7 压力试验 3412112227 N 数 计 算 2=3=4= 6=6=7= 4= 筒 体 轴 向 应 力 计 算 轴向应力计算 操作状态 2 12 2 2123 2 2 2224 压试验状态 4 e 32 应力校核 许用压缩应力 A R 0 094. 66B = t ), 2 ， t = |8 | 座 应 力 计 算 水平分力 S 腹板水平应力 计算高度 31m in 50 座腹板厚度 0 座垫板实际宽度 610 座垫板有效宽度 b b m 4 2 板水平应力 无 垫 板 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 , 9 0 FH 9 0 FH b r 力判断 9 23 合格 板与筋板组合截面轴向弯曲应力 由地震、配管轴向水平分力引起的支座轴向弯曲强度计算 圆筒中心至基础表面距离 1514 向力 N 时 , L 22 时 L 2r 圆筒温差引起的轴向力 f 力判断 ：带 #的材料数据是设计者给定的 38 39 开孔补强计算 计算单位 全国化工设备设计技术中心站 接 管 : , 89 8 计 算 方 法 : 面 积 补 强 法 , 单 孔 设 计 条 件 简 图 计算压力 设计温度 50 壳体型式 圆形筒体 壳体材料 名称及类型 16轧 ) 板材 壳体开孔处焊接接头系数 1 壳体内直径 500 壳体开孔处名义厚度 n 14 壳体厚度负偏差 壳体腐蚀裕量 壳体材料许用应力 t 接管实际外伸长度 150 接管实际内伸长度 1500 管材料 20(接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材 接管腐蚀裕量 1 强圈材料名称 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 强圈外径 强圈厚度 管厚度负偏差 强圈厚度负偏差 管材料许用应力 t 强圈许用应力 t 孔 补 强 计 算 壳体计算厚度 管计算厚度 t 强圈强度削弱系数 接管材料强度削弱系数 开孔直径 d 强区有效宽度 B 管有效外伸长度 管有效内伸长度 孔削弱所需的补强面积 A 体多余金属面积 管多余金属面积 强区内的焊缝面积 1+3= 补强圈面积 -(2+ 论 : 根据 的规定 ,本开孔可不另行补强。 40 开孔补强计算 计算单位 全国化工设备设计技术中心站 接 管 : , 89 8 计 算 方 法 : 面 积 补 强 法 , 单 孔 设 计 条 件 简 图 计算压力 设计温度