15M3甲醇储罐设计要点

1、目录 序言 （一）设计任务 （二）设计思想 （三）设计特点 二储罐总装配示意图 三材料及结构的选择 （一）材料的选择 （二）结构的选择 四设计计算内容 （一）设计温度和设计压力的确定 （二）名义厚度的初步确定 （三）容器的压力实验 （四）容器应力的校核计算 （五）封头的设计 （六）人孔的设置 （七）支座的设计确定 （八）各物料进出管位置的确定及其标准的选择 （九）液位计的设计 （十）焊接接头设计 五设计小结 7参考资料 太原科技大学材料科学与工程学院 过程设备课程设计指导书 课程设计题目： （15）M3 甲醇储罐设计 课程设计要求及原始数据（资料） ： 一、课程设计要求： 1. 使用国家最新压

2、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. 广泛查阅和综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案 的可行性研究和论证。 3. 设计计算采用电算，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. 工程图纸要求计算机绘图。 5. 毕业设计全部工作由学生本人独立完成。 二、原始数据： 设计条件表 序号 项目 数 值 单 位 备注 1 名称 甲醇储罐 2 用途 甲醇厂 3 最高工作压力 0.8 MPa 4 工作温度 -20 48 5 公称容积（ Vg） 10 M3 6 工作压力波动情况 可不考虑 7 装量系数 （ V） 0.9 8 工作介质

3、甲醇（易燃，中度危害） 9 使用地点 太原市 , 室外 10 安装与地基要求 储罐底壁坡度 0.01 0.02 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 n1 80 HG20592 RF 液相进口管 n2 80 HG20592 RF 液相出口管 n3 50 HG20615 RF 放气管 n4 450 人孔 n5 50 HG20615 RF 排污管 n6 50 HG20615 RF 压力表接口 n7 40 HG20615 RF 温度计接口 s1/s2 40 HG20592 RF 液位计接口 课程设计主要内容： 1 设备工艺设计 2设备结构设计 3设备强度计

4、算 4技术条件编制 5 绘制设备总装配图 6编制设计说明书 应交出的设计文件 （ 论文 ） ： 1. 设计说明书一份 2.总装配图一张 （ 折合 A1图纸一张 ） 一 序言 （一）设计任务： 针对化工厂中常见的甲醇储罐， 完成主体设备的工艺设计和附属 设备的选型设计，绘制总装配图和零件图，并编写设计说明书。 （二）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。 （三）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件大都有标准，设计时可直接选用。本 设计

5、书主要介绍了液罐的筒体， 封头的设计计算， 低压通用零件的选 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，合理的进行设计。 二 储罐总装配示意图 三 材料及结构的选择 一） 材料的选择 甲醇的物理化学性质 化学名称：甲醇，别名：甲基醇、木醇、木精 分子式 CH 3OH ,分子量 32.04，有类似乙醇气味的无色透明，易挥 发性液体，密度（20）0.7913g/mL，熔点为 97.8，沸点为 64.65 甲醇是一种无色、透明、易燃、易挥发的有毒液体，略有酒精气味。 甲醇是最常用的有机溶剂之一， 与水互溶且体积缩小， 能与甲醇乙酸 等多种有机

6、溶剂互溶，甲醇为有毒化工产品，用途广泛，是基础的有 机化工原料和优质燃料，主要用于精细化工、塑料等领域，用来制造 甲醛。醋酸、甲氨、硫酸等多种有机产品，也是农药、医药的重要原 料之一。 储罐可选用一般钢材，但由于压力较大，可以考虑 20R，16MnR 这两种钢材。如果纯粹从技术角度看， 可用 20R 类的低碳钢板， 16Mn 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 钢板较为经济， 所以在此选择 16MnR 钢板作为制造筒体和封 头的材料。 （二） 结构的选择 1 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

7、较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小的多， 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 量来看：球形封头用材最少，比椭圆封头节约，平板封头用材最多。 因此，从强度，结构和制造方面综合考虑，采用椭圆封头最为合理。 2 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，工作温度以及人， 手孔的结构和材料等诸多方面的因素。 人孔的类型很多， 选择使用上 有很大的灵活性。公称压力为 1.0

8、MPa，公称直径为 450mm,H 为 250mm的水平吊盖对焊法兰人孔。 3 法兰的选择 法兰连接的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。 压力容器的法兰分平焊法兰和对焊 法兰。法兰设计的优化原则是： 法兰设计应使各项应力分别接近许用 应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到充分的发挥。 4 液面计的选择 液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型大体上可以 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，其适用温度在 0250 摄氏度。玻璃管液面计适用于工作压力

9、小于 1.6MPa，介质温度在 0250 摄氏度情况下。玻璃板液面计和玻 璃管液面计均适用于物料没有结晶等堵塞固体的场合。 板式 5 液面计 承压能力强但比较笨重，成本较高。 5 鞍式支座的选择 鞍式支座是应用较为广泛的一种卧式支座。从应力分析来看， 理论上支座数目越多越好。 但实际上， 卧式容器应尽可能设计成双支 座，这是因为当支点过多时， 各支撑平面的影响均会影响支座反力的 分布，因而采用多支座不仅体现不出理论上的优越性反而会造成容器 受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利影响。 在此选择轻型的鞍式双支座，一个 S型，一个 F 型。 四 设计计算内容 （一） 设计温度和设计压力的确

10、定 设计温度的确定 根据液氨储罐工作温度为 -20 48 所以选择设计温度 t=50 设计压力的确定 1】 根据甲醇储罐的工作压力 Pw 0.8MPa ，确定设计压力 P 根据压力容器安全技术监察规程 ，当容器上装有安全阀时， 考虑到安全阀开启动作的滞后， 容器不能及时泄压， 设计压力不 得低于安全阀的开启压力。 所以， P=1.1Pw =1.10.8=0.88MPa 2】计算压力的确定 根据工作压力确定计算压力，由于液柱静压力小于 5% 的设 计压力，所以 PC P 0.88MPa ，则对公称压力为 1.0MPa 3】确定计算温度下的许用应力 t MPa 对于 16MnR 的低合金钢板，在

11、t=50 的设计温度下， t MPa 163MPa 4】确定焊接接头系数 取值根据接头形式及无损检测的长度比例来确定， 采用双面对 接接头形式， 相当于双面对接接头的全焊透对接头进行 100% 无 损检测。取 1.0 （二） 所需参数的确定 2.1 筒体长度及公称直径的确定 根据 Vt V 已知 Vt 15m3 ，装量系数 v 0.9 ，则设备的体积 V=16.67 m3 再根据 1 Di2 L V,解得 Di2 L 21.23m3 4 又规定 DLi 3 6 假设公称直径 DN 2000mm 假设公称直径 DN 1800mm 假设公称直径 DN 1900mm L=5307mm，则 L 2.6

12、 3 6 DN L=6552mm，则 L 3.64 DN L=5880mm，则 L 3.09 DN 所以取 DN=1800mm L=6552mm 2.2 计算筒体和封头的厚度 甲醇储罐选用 16MnR 制作罐体和封头 2.2.1 计算厚度 1】确定厚度附加量 根据钢板的厚度查设计手册，厚度负偏差 C1 0.5 当介质为压缩空气，水蒸气或水的碳素钢或低合金钢制容 器，腐蚀余量不小于 1mm，所以取 C2 2mm Pc Di0.88 1800 筒体：tc i 4.87mm 2 t Pc 2 163 1 0.88 封头： t PcDi0.88 1800 4.86mm 2 t0.5Pc 2 163 1

13、 0.5 0.88 2.2.2 设计厚度（加入腐蚀裕量） 筒体： dC2 4.87 2 6.87mm 封头： dC2 4.86 2 6.86mm 2.2.3 有效厚度 筒体： eC2 +圆整 =8mm 封头： eC2 +圆整 =8mm 2.2.4 名义厚度（设计厚度 +钢板厚度负偏差） 筒体： n e C1 C2 +圆整=8+0.5+2+圆整=12mm 封头： n e C1 C2 +圆整=8+0.5+2+圆整 =12mm 根据钢板的常用规格，取筒和封头的名义厚度均为 12mm （三）封头的设计 标准椭圆形封头是中低压容器中经常采用的封头形式,其最新的 标准为 JB/T4746-2002.该标准

14、规定以内径为公称直径的标准椭圆形封 头（代号 EHA） 的直边高度只与公称直径有关 DN 2000mm 时,直边高度为 25mm； DN2000mm 时 ,直边高度为 40mm。 由于所设计的筒体公称直径 DN=1800mm2000mm，所以直边高 度为 25mm， 又根据 EHA 椭圆形封头内表面积及容积查得： DN=1800mm 时，总深度 H=475mm，内表面积 A=3.6535 m2 ，容积 V=0.8270m3 所以，封头设计为 EHA1800 12-16MnR JB/T4746-2002 示意图如下： （四）支座的设计确定 容器支座有鞍式支座，腿式支座，支承式支座，耳式支座和裙式

15、 支座,本次设计为卧式容器， 所以采用鞍式支座。 鞍式支座分为轻型 （代 号为 A）和重型（代号为 B），轻型适用公称直径 DN 10002000mm，所 以选用轻型鞍座就可满足要求， 鞍座与基础的安装形式有固定式 （代 号 F ）和滑动式（代号 S）两种，一般为满足容器的热胀冷缩的位移 要求，固定式和滑动式应配对使用。故设计中选用轻型鞍座，采用固 定式和滑动式。 根据 JBT4712.14712.42007容器支座 查表 2 公称 直径 允许 载荷 鞍座 高度 螺栓 间距 鞍座 质量 底板 腹 板 筋板 垫片 1800 275 250 1120 162 l1 b1 1 2 l3 b2 b3

16、3 弧长 b4 4 e 280 220 12 10 295 190 260 8 2100 430 10 80 筒体的质量 m1 ：DN=1800mm n 12mm L=6552mm 12 m1d2 di2 l 3511kg 封头的质量查得 m2 338.4kg 甲醇的质量 m3 V 0.9 0.79 1000 15 10665kg 附件质量 m4 =0.2总体质量 =0.2604.4=120.9kg 故 储罐总质量 =m1 m2 m3 m4 14635.3kg 总负荷 F=mg/2=71.7KN 查表得 DN 1800mm 时，允许载荷 Q 275KN ；而此设计储罐每个 支座所需承受载荷为

17、Q 71.7KN ，符合条件，于是选取支座： JB/T4712.1-2007，支座 A1800-F JB/T4712.1-2007，支座 A1800-S 根据表可知符合要求 (五) 人孔的设置 5.1 人孔位置和尺寸的设置 人孔即检查孔。压力容器开设检查孔目的是为了检查压力容器在 使用过程中是否产生裂纹， 变形，腐蚀等缺陷以及装拆设备的内部零 部件，一般设备的公称直径在 900mm 以下时可根据需要设置适当数 量的手孔，超过 900mm 时应开设人孔。人孔有圆形和长圆两种。人 孔大小的设置原则是方便人的进出， 因此，圆形人孔的公称直径规定 为 400 600mm，所以本次设计选择人孔公称直径为

18、 450 mm。 人孔位置的确定：取 L=500mm 根据储罐的设计温度，最高工作压力，材质，介质及使用要 求的等条件， 选用公称压力 PN=1.0MPa，水平吊盖带颈对焊法兰 人孔( HG2152495)，人孔公称直径选定为 DN=450mm，采用 榫槽面和密封面和石棉橡胶板垫片， 人孔各零件名称， 材质及尺 寸如下表 根据 钢制人孔和手孔 HG/T21514215132005 公 称 dw s d D D1 H1 H2 b b1 b2 A B L d0 螺栓 个数 螺母 个数 螺柱 总质量 直 径 450 480 12 456 670 600 250 126 42 44 46 375 17

19、5 250 24 20 40 M33 2 170 246 人孔开孔补强 人孔开孔补强采用补强圈结构，材质为 16MnR 根据 JB/T47362002确定补强圈的内经 D1 484mm 外径 D2760mm 补 强圈厚度为 20mm (六) 各物料进出管位置的确定及其标准的选择 开孔液相进口管 DN80 ，液相出口管 DN80 ，放空口 DN50，排污管 DN50，压力表接口 DN50，温度计接口 DN40。 6.1 两相邻开孔中心的间距 两相邻开孔中心的间距 (对曲面间距以弧长计算) 应不小于 两孔直径之和的两倍，其他管口如液相出口管，压力表接口，放 气管，排污管，压力表接口，温度计接口，液

20、位计接口等管间的 间距均由下述来设计并计算： L 2(dn dm) 上部：从罐的右侧至左侧依次设置：人孔，液相进口管，压力表 接口，放空口，温度计接口。 压力表接口中心线与人孔中心线间距 : L1 2(450 50) 1000mm 取 L1 1500mm 液相进口中心线与压力表接口中心线间距： L2 2(80 50) 260mm取 L2 300mm 液相出口中心线与排污管接口中心线的间距 : L3 2(80 50) 260mm取 L3 300mm 放气管中心线与液相进口出口中心线的间距 : L4 2(50 80) 260mm取 L4 300mm 温度计接口中心线与放气管中心线的间距 : L5

21、2(50 40) 180mm取 L5 200mm 两液位计之间的间距 L6 1000mm 液位计接口中心线到筒体中心线的距离 L7 500mm 下部：罐左侧设置液相出口，右侧设置排污管： 排污管和液氨出口管中心线与焊缝间距分别为： 250mm。 封头的左侧放两个液位计接口。 6.2 法兰的确定 6.2. 1】液相进出口的管法兰 已知管的公称 直径 DN=80mm 连接尺寸标准 HG20592 连接面形式 RF, 根据标准 HG2059220635法兰 查表 41 所示 公称 直径 钢管 外径 法兰 外径 螺栓 孔中 心圆 直径 螺栓 孔直 径 螺栓 孔数 量 螺纹 法兰 厚度 法兰 高度 法兰

22、理 论重量 法 颈N 法兰颈 厚度 法兰颈高 度 法兰颈 R 80 89 200 160 18 8 M16 20 50 4.22kg 110 3.2 10 6 所以液相进出口管的管法兰标记 为 HG20592 法兰 WN 80-10 RF 4.5 16M 6.2.2排污管，放气管的管法兰 已知管的公称直径 DN=50 ，标准 HG20615 连接面形 式为突面 RF 根据标准 HG20615 ,查表 7.01-1 DN600mm 时的法兰连接尺寸 公称 直径 钢管 外径 法兰 外径 螺栓孔 中心圆 直径 螺栓 孔直 径 螺栓 孔数 量 螺纹 法兰厚度 法兰高度 法兰理论 重量 法兰颈 N 法兰

23、内径 50 60.3 150 120.5 18 4 M16 19.5 64 2.72kg 78 52 放气管，排污管的管法兰标记为 HG20615 法兰 WN 50-2.0 RF 16Mn 6.2.3】温度计接口的管法兰 已知管的公称直径 DN=40 标准 HG20615 突面 根据 HG20615 查表 7.01-1 DN600mm 时的法兰连接尺寸 公称 直径 钢管 外径 法兰 外径 螺栓孔 中心圆 直径 螺栓 孔直 径 螺栓 孔数 量 螺纹 法兰厚 度 法兰高 度 法兰理论重 量 法兰颈 N 法兰内径 40 48.3 130 98.5 16 4 M14 17.5 62 1.81kg 65

24、 41 6.2.4】液位计接口处的法兰 根据 HG20592 查表 4-1 所示 公称 直径 钢管 外径 法兰 外径 螺栓 孔中 心圆 直径 螺栓 孔直 径 螺栓 孔数 量 螺纹 法兰 厚度 法兰 高度 法兰理 论重量 法 颈 N 法兰颈 厚度 法兰颈高 度 法兰颈 R 40 45 150 110 18 4 M16 18 45 2.37kg 64 2.6 7 5 所以液位计处的法兰标记为 HG20592 法兰 WN 40 RF 16M 6.2.5】筒体与封头的连接尺寸 根据 JBT470047032000压力容器法兰查表 1 当 PN=1.0Mpa DN=1800mm 法兰的尺寸如图所示 D

25、D1 D2 D3 D4 H h a a1 1 2 R d 螺柱规格 螺 柱 数 量 最 小 厚 度 1970 1915 1876 1856 1853 80 150 40 21 18 18 26 12 30 M27 56 14 法兰的质量 根据 JBT4700 4703 2000压力容器法兰查表 2PN=1.0MPa DN=1800mm 可知：法兰质量突面 338kg 衬环质量凸环 17.5kg （七）接管的尺寸 7.1】 接管的长度：容器接管一般采用无缝钢管，采用对焊法 兰的接管，在确定接管长度 l 时，还应保证接管上的焊缝与焊缝之间 的距离不小于 50mm。根据标准六合一，查表 5-1 根据

26、保温层厚度与 接管公称直径 DN=80，最小接管长度 l=150mm. 7.2】 接管的高度： 液相进出口管的高度 液位计管的高度 排污管，放气管的高度 温度计接管的高度 （八）容器的压力实验 所谓压力试验，就是用液体或气体作为工作介质，在容器 内施加比它的设计压力还要高的试验压力， 以检查容器在试验压力下 是否有渗漏、 明显的塑性变形以及其他缺陷。 压力试验分为液压试验 和气压试验两种， 一般采用液压试验， 而且普遍采用水为液压试验介 质，故本次设计采用水压试验。 根据 GB150 标准的规定，液压试验时 PT 1.25P t 取设计实验温度为 50oC ，查表有163MPa t 所以PT

27、1.25 1 1.25M P a 而圆筒的应力 所以 PT (Die) 2e 1.25 (1800 8) 28 141.25MPa 查表得到 s 345MPa 0.9 s 0.9 345 310.5MPa T 0.9 s 所以，厚度校核合格。 （九）容器应力的校核计算 1 计算容器质量 m 筒体的质量 m1 ：DN=1800mm n 12mm L=6552mm m1 1 d 2 di 2 l 3511kg 封头的质量查得 m2 338.4kg 容器的自重 m m1 m2 3849.4kg 1.2 充液质量 充水时： m总 m 水 V 3849.4 1000 15 18849.4kg G mg

28、18849.4 9.8 184724 .12 N 甲醇的质量： m3 10665kg G=106659.8=104517N 2 建立力学模型计算圆筒中的弯距 2.1 鞍座位置的确定 鞍座位置的选择一方面要考虑到利用封头的加强效应， 另一方面 又要考虑到不使壳体中因荷重引起的弯曲应力过大。 由此，鞍座的位 置按a 0.2L，并尽量使 a 0.5Ri的条件来确定，其中 a 为鞍座中心线 至圆筒端部的距离， L 为圆筒长度（两封头切线间距离） ， Ri 为筒体 内半径。 a 0.2L 0.2 6.552 1.31m 1.8 a 0.5Ri 0.5 0.45m 2 取 a 0.45m 2.2 力学模型

29、 q 2.3 圆筒最大弯矩的计算 将由上述计算所得的质量产生的重力简化为沿容器轴线作用的均布 载荷，计算跨中截面处的弯矩 M 取 L 6.552 m 而支座位置 a 0.45m 分析受力图可知 由于两支座距罐两端距离相等，两支座 A,B 受力 相同，均为罐重力的一半，且在罐中心截面上弯矩最大。 液压实验时： 11 RA RB G 184724 .12 92362.06N A B 2 2 M 0.45 184724.12 6.552 1 6.552 6.552 2 2 2 max 109726 .13N m 正常操作时： 11 RA RBG 104517 52258 .5 N A B 2 2 2

30、 M max RA 6.552 0.45 G 6.552 1 6.552 A 2 6.552 2 2 2 62083 .1N m MT m i n 2 m i n 0.785D 2 e 其强度条件为 min 0.9 s 279.45M P a 条件符合。 稳定性条件为： max min, Tmin cr ，式中 cr 为 稳定许用压缩应力 3 计算圆筒跨中截面最大拉应力和最大压应力，进行应力校核 最大拉应力由介质压力及弯矩 M 引起，位于该截面的最低点 max P4CDe 0.78M5D 2 e 1 1800 62083.12 56.25MPa 4 8 0.785 1800 2 8 其强度条件

31、为 m a x t 1 6 M3 P a条件符合。 最大压应力位于该截面的最高点，并且在盛满物料而升压时压应 力有最大值，故有最大压应力为： 109726.1325.39 10 3M P a 0.785 1800 2 8 A 0.094 cr B AE 3 1800 12 2 0.094 8.25 104 5 E 2.0 105 M P a cr B 2 8.25 10 4 2.0 105 110MPa cr 3 由以上计算可知此稳定性条件符合。 （十）液位计的设计 1 液位计型式有很多种，本次设计采用磁性液位计。 2 根据罐内工作压力 P 0.88MPa 选取压力等级为 1.0 MPa。 3 选普通型，外加保温层的液位计。 4 中心距 L 的选择： 液位： h 0.8 Di 0.8 1800 1440mm 液位计位置在 0.2Di处： 0.2Di 0.2 1800 360mm L 1440 360 1080mm 取 L 1400mm的液位计 5 材质选择： 16MnR 。 6 采用规格为 DN40 的接管 外伸 500 ，内伸 0。 7 采用带对焊法兰，法兰规格为 DN40 ，密封面型式采用突面。 （十一）焊接接头设计 容器各受压元件的组装通常采用焊接。 焊接接