锅炉与压力容器,课程设计正文

1、夹套罐设计摘要压力容器是各种承受气、液介质压力密闭容器的通称。随着社会的进步，压力容器不仅承受介质压力，还常常承受介质不同温度及腐蚀的作用，在日常生活中压力容器在各方面中得到了广泛的应用。但是压力容器在使用中易于发生各种事故，其中压力容器的爆炸事故常造成灾难性的后果。本次课程设计中的压力容器是高效酒精回收装置中的夹套罐。夹套罐由内外两个容器套在一起构成，内置容器是由竖直圆筒和上下两个椭球封头组成的罐体；在罐体的外面有一个比罐体稍大的夹套容器，夹套下部是一个椭球封头，上部在适当高度采用圆弧过渡结构与罐体连接。通过计算确定夹套罐的结构尺寸以及选择，并进行开口补强和水压试验，校核容器的强度，检验所选

2、材料是否符合要求，以达到设计的目的。最后通过用CAD制图，画出压力容器和法兰的总体结构，使设计的图样一目了然。关键词：夹套罐；压力容器；椭球封头；强度；结构尺寸1设计说明本次课程设计中的压力容器是高效酒精回收装置中的夹套罐。夹套罐就是在普通罐子四周和底部通过焊接包上一层,其间必须是空的,用以通蒸汽或冷却水，达到给罐子加温或冷却的目的.夹套罐工作原理：罐体盛装酒精溶液，罐体上部安装有搅拌装置，使酒精溶液在加热过程中得到均匀搅拌。在内置容器上设置有进料口、出料口、搅拌器口、压力表口、安全阀口、观察口等工艺接口。在夹套上设置两个蒸汽入口，夹套的下部设有一个冷凝水出口。蒸汽进入夹套后，对罐体内的酒精溶

3、液进行加热，蒸汽冷凝成水后从冷凝水出口流出。夹套罐开孔状况：压力容器设备上共开有11个孔，连接有不同的接管。a孔位于内置容器上封头的中心，用于连接搅拌器；b、e孔为安全阀孔，同样位于内置容器上封头上； c、d同样位于内置容器上封头上， c孔用于设置温度表，d孔用于设置压力表；f孔和g孔位于夹套筒体上，是水蒸气的入口。h孔位于罐体上，用于设置视镜。i孔位于罐体筒体上，是进料口。J孔位于夹套封头上，为冷凝水出口。K孔位于罐体的下封头上，作为出料口。表1.1 主要工艺参数位置项目参数罐 内夹 套 内介质酒精水溶液水蒸汽操作压力(Mpa) 0.40.5操作温度()100饱和蒸汽温度公称直径（mm）90

4、01000容 积(m3)1.1440.151传热面积(m2 )5.97使用年限152设计参数选取2.1 设计压力设计压力：当中低压容器上装有安全阀时，设计压力不小于工作压力的（1.05-1.1）倍，求得容器和夹套的设计压力分别为：罐内的设计压力:夹套内的设计压力：2.2 设计温度设计温度是指容器在正常工作中，在相应设计压力下，金属可能达到的最高或最低温度。根据设计条件已知：罐内的工作温度为100，夹套内水蒸气的温度等于，查表得。圆整后得。2.3 材料的选择及许用应力确定选择Q235B号钢，该号钢材厚度为4.516mm，钢材标准为GB3274，此号钢板在100时的许用应力，在200时许用应力为2

5、.4 焊缝系数的确定本次课程设计的夹套罐选择100%全部无损检测,双面焊。焊接接头系数为1.0。2.5厚度附加量确定罐的圆筒壳：查表得负偏差夹套圆筒壳：查表得负偏差。腐蚀裕度取。在考虑材料机械强度的最小壁厚外，考虑材料的负偏差及介质的腐蚀性，加工减薄量及使用寿命等因素再增加的壁厚量以确保实际工程中的安全可靠。所以，罐和夹套的厚度附加量均采用3几何参数确定3.1设备的总体结构该设备由罐体和夹套两部分组成，底部采用支撑式支座。由内外两个容器套在一起构成，内置容器是由竖直圆筒和上下两个椭球封头组成的罐体；在罐体的外面有一个比罐体稍大的夹套容器，夹套下部是一个椭球封头，上部在适当高度采用圆弧过渡结构与

6、罐体连接。在罐体和夹套之间形成一个50mm左右的间隔。3.2罐体封头各参数罐体上有一法兰，采用标准椭球封头。已知罐内径，经查表得，曲面高度，直边高度，内表面积，容积。3.3罐体的高度及容积根据罐的内径取筒体高度，求得筒体的体积=3.141.144。 罐体的总体积=1.144+21.386。设计的罐体高度与罐体公称直径的长度之比为2。罐体的高度等于筒体的高度加上两个封头的高度，封头的高度等于曲面高度加上直边高度。所以罐体高度的计算公式如下： （3.1）式中：-罐体的公称直径；-罐体封头的曲面高度；-罐体封头的直边高度。=23303.4夹套的高度计算首先确定罐体内成装的酒精溶液的高度，根据酒精溶液

7、的高度来确定夹套的高度。通常夹套的高度都要比筒体内液体的高度略低（1020），本次课设中取其高度20。罐的充装系数为0.8，所以罐内体积为：筒体内酒精高度：所以夹套筒体高度：夹套封头选择标准椭球封头，封头具体尺寸为：曲面高度，直边高度内表面积，容积由于间隙50mm，所以夹套整体高度为传热面积计算：3.5 搅拌口法兰尺寸确定根据夹套罐罐体公称直径选择相应的搅拌器及相关数据，搅拌器的型式选桨式直叶。因为搅拌口开口要比结构参数大10，所以搅拌口开口为370。因为，为了保证安全，故，根据法兰标准JBT81-1994，搅拌口法兰尺寸确定为：法兰的管子外径A为89，法兰厚度20mm,法兰内径B为91，公称

8、直径为80 mm,法兰理论质量为3.24。3.6窥镜规格的确定选取公称直径，公称压力的视镜。根据标准HGJ50286，可列出表3.1：表3.1 窥镜规格DD1b1b2dH ShH1螺栓质量(kg)标准号数量直径碳素钢不锈钢20016526261084801428M1610.9HGJ502867HGJ50286173.7其他法兰接口尺寸的确定1温度表尺寸确定根据法兰标准JBT81-1994，温度表口法兰的公称直径是10，法兰理论重量是0.55。接管的管子外径是14，接管壁厚3，接管理论质量为0.814/m,接管长度为100，所以接管质量为0.0814。2压力表尺寸确定根据法兰标准JBT81-19

9、94，压力表口螺母规格M14×1.5，管子外径为25mm，管长为100，接管壁厚4，接管理论质量为2.07/m.法兰的外径为90mm，厚度为16mm，理论质量为0.87kg/m。安全阀尺寸确定3进、出料口尺寸确定根据法兰标准JBT81-1994，进料口和出料口的开孔直径大概为罐内公称直径的1/10左右，所以取进、出料口的开孔直径为100，选管子的外径为108，接管壁厚4，接管理论质量为10.26/m，接管长度为100，所以接管的总质量为1.026。进料口法兰外径A为220，法兰内径B为110，螺栓孔中心圆直径K为180，螺栓孔直径L为18，螺栓数量n为8，螺栓为M16，密封面尺寸d为

10、155，密封面尺寸f为3，法兰厚度C为22，法兰理论重量4.01。型号：。4蒸汽入口尺寸确定根据法兰标准JBT81-1994，蒸汽入口公称通径是150mm，选接管的外径是159，厚度是6 mm，法兰内径B为161mm, 法兰外径D为285mm, 螺栓孔中心圆直径K为240，螺栓孔直径L为23，螺栓数量n为8，螺栓为M20，密封面尺寸d为210，密封面尺寸f为3，法兰厚度C为24，法兰理论重量6.67。型号：。冷凝水出口尺寸确定根据法兰标准JBT81-1994，冷凝水出口的公称通径为80mm,可以确定冷凝水出口开孔直径是100mm，选接管的外径是89mm，厚度是4mm，接管理论质量为8.38/m

11、，长度L=100mm,所以接管总质量为0.838kg。法兰内径B为mm, 法兰外径D为200mm, 螺栓孔中心圆直径K为160，螺栓孔直径L为18，螺栓数量n为4，螺栓为M16，密封面尺寸d为135，密封面尺寸f为3，法兰厚度C为2，法兰理论重量3.24。型号：。安全阀口尺寸确定本容器采用A28H-16型微启式安全阀，根据罐体设计压强和传热面积可查出该容器的蒸汽耗量是。根据公式其中 A-接管口横截面积；选接管的外径是38mm，厚度是6mm，接管理论质量为4.74/m，L=100mm.法兰内径B为mm, 法兰外径D为140mm, 螺栓孔中心圆直径K为100，螺栓孔直径L为18，螺栓数量n为4，螺

12、栓为M16，密封面尺寸d为78，密封面尺寸f为，法兰厚度C为1，法兰理论重量1.。型号：。可以查到安全阀=40mm,=60mm,=230mm,=5.0Kg。4 罐体强度设计4.1罐体筒体内压强度设计4.1.1按内压罐体封头壁厚设计封头壁厚：设计壁厚： C-腐蚀裕度（C=1）查表得负偏差名义壁厚：圆整后，名义壁厚为有效壁厚<故合适4.1.2 按外压罐体封头壁厚设计假设，则查得：K=0.94.2 罐体筒体壁厚设计4.2.1 按内压罐体筒体壁厚设计筒体壁厚：设计壁厚： 查表得负偏差名义壁厚：圆整后，名义壁厚为有效壁厚<故合适4.2.2 按外压罐体筒体壁厚设计筒体计算长度：5 夹套强度设计

13、5.1夹套封头壁厚设计夹套的设计压力为MPa，内径为1000mm，许用应力为105MPa，焊缝系数为，形状系数夹套封头壁厚为：设计壁厚： 查表得负偏差名义壁厚：圆整后，名义壁厚为有效壁厚<故该标准椭圆形封头的名义壁厚合适5.2夹套筒体壁厚设计夹套的设计压力为1.32MPa，内径为1000mm，许用应力为105MPa，焊缝系数为。筒体壁厚：设计壁厚： 查表得负偏差名义壁厚：圆整后，名义壁厚为有效壁厚<故合适6 罐体与夹套连接处的剪切应力校核6.1罐体质量计算罐体质量是筒体的质量和2个封头的质量的和6.2罐体内介质质量计算设计的容器内实际是酒精溶液，但在校核时假设在其中都装满水，其密度

14、是.在上面的计算可知罐体体积是，故罐体内介质质量是=kg。6.3罐体上法兰及其它附属件质量计算由以上数据可得： 表6.1 罐体上法兰及其它附属件质量名称接管外径/mm壁厚/mm理论质量(/m)法兰质量/kg搅拌器连接口8948.383.24安全阀3864.741.4温度表1430.8140.55压力表2542.070.87蒸汽入口159617.146.67窥镜口165410.910.9进料口108410.264.01出料口108410.264.01冷凝水出口8946.383.24罐体上的法兰质量：3.24+1.40+=kg接管的长度均取为100mm 接管的质量为：（）=kg6.4总负荷计算其中

15、，G表示总负荷 M表示总的质量 g=9.8N/kg.6.5焊缝连接处环形面积计算焊缝的高度h的计算如下： 其中， 表示夹套筒体厚度，所以，h=1.5=mm焊缝的长度的计算如下：其中， 表示罐体筒体厚度表示罐体的公称直径所以，d=3.14(+)=焊缝面积S=hd=6.6焊缝连接处剪切应力强度校核所以焊接处的应力校核满足要求7 开孔补强设计7.1搅拌器连接口补强面积计算因开孔而削弱的金属面积的计算：接管直径：削弱的金属面积A：强度削弱系数罐体内径，设计压力为,操作温度为，因开孔而削弱的金属面积（1）接管计算壁厚：筒体多余截面积接管多余截面积7.2蒸汽入口补强计算因开孔而削弱的金属截面积：接管直径：

16、削弱的金属面积A：强度削弱系数接管计算壁厚：则筒体多余截面积接管多余截面积7.3其他接口补强计算圆筒体上为加强单孔的最大允许直径d可按下面的经验公式计算：8 水压试验压力确定8.1罐体水压实验校核8.1.1罐体筒体水压实验压力确定压力试验的试验压力公式为： （8.1）容器的试验压力，；容器的设计压力，；试验温度下材料的许用应力，；设计温度下材料的许用应力，；试验压力系数。应力校核公式 (8.2)容器的试验压力，；内径，；设计温度下材料的许用应力，；焊接接头系数；名义壁厚，。罐体筒体在水压试验压力下应力校核：即，所以罐体筒体在水压试验压力下强度校核合格。8.1.2罐体封头在水压试验压力下强度校核

17、所以罐体封头在水压试验压力下强度校核合格。8.1.3罐体筒体在水压试验外压力下稳定性校核在做筒体外压水压实验时，筒内存在不小于Mpa的压力。8.1.4罐体封头在水压试验外压力下稳定性校核,所以在进行夹套封头水压试验时，应在罐体内加0.08Mpa的压力，以防罐体在进行试验时，发生形变。8.2夹套水压实验校核8.2.1夹套水压试验压力计算8.2.2夹套筒体在水压试验压力下强度校核夹套筒体在水压实验下的应力校核公式为： (8.3)容器的试验压力，；内径，；设计温度下材料的许用应力，；焊接接头系数；名义壁厚，。其中，由公式计算可得所以夹套筒体在水压试验压力下强度校核合格。8.2.3夹套封头在水压试验压

18、力下强度校核所以夹套封头在水压试验压力下强度校核合格。9 支座的选取9.1容器总质量的计算夹套罐支座的选取是根据夹套罐支座以上部分的总质量来确定的。 (1)罐体总重量为17137.55N。(2)夹套的总质量:通过查表可知，夹套筒体单位质量是，夹套筒体高度h=1.85m,故夹套筒体的总重量为4677.54N,夹套封头的总重量为695.31N，故夹套的总重量为5372.85N。支座上面的总质量：罐体总重量+ 夹套总重量=17137.55N+5372.85N=22510.4N9.2支座选取选用A型2号支座，每根支腿允许载荷Q020KN，根据总负荷可有3根，高度h=420mm,底板：，筋板：，垫板：地脚螺栓：，规格，参考文献1 贺匡国. 化工容器及设备简明设计手册 M . 化学工业出版社, 20022 刘清方. 锅炉压力容器安全 M. 首都经济贸易大学出版社, 2