课程设计酒精回收设备中的蒸馏釜设计

1、能源与安全工程学院课程设计说明书课 程 名 称: 酒精回收设备中的蒸馏釜设计年级/专业/班: 09安全工程2班报 告 人： 李学良（0901020201） 石荣新（0901020203） 开 始 时 间: 2012年 6 月 1 日完 成 时 间: 2012年 6 月20日指导教师签名：湖 南 科 技 大 学课 程 设 计 任 务 书 系 专业 班 学生 一、 课程设计题目： 二、 课程设计工作自 2012 年 6 月 4 日起 2012 年 6 月 17 日止三、 课程设计的内容及要求：一）基本工艺参数 主要设计参数罐内夹套内介质酒精溶液水蒸气操作压力0.4Mpa0.6Mpa操作温度-202

2、00-20200装料量（m3）1.5适当传热面积不小于5.34m2使用年限12年符号公称尺寸连接尺寸aDN100HG20593bPN0.6 DN50HG20593cPN0.6 DN50HG20593dDN100HG20593eDN125HG20593fDN100HG20593gPN0.6 DN50HG20593二）学生完成的工作1 总装备图一张（1号图纸）要求：图面布局合理，表达清晰，字迹工整，有标题栏、技术要求、技术特性表、管口表2 由指导老师指定零件图一张（要求同上）3 设计说明书一份（1）根据工艺参数选定容器及夹套尺寸（包括直径、厚度、夹套与容器间距及连接尺寸，保证有足够的传热面积）。（

3、2）容器的强度设计a.筒体强度及稳定性设计b.封头强度及稳定性设计（3）夹套罐壁厚设计a.筒体部分设计b.封头部分设计（4）夹套折边焊逢强度校核（5）开孔补强设计（6）水压力试验设计4 夹套罐使用说明书一份四、参考资料1、压力容器设计手册2、压力容器与化工设备实用手册 上册3、压力容器与化工设备实用手册 下册4、锅炉压力容器5、压力容器标准规范汇编指导教师： 负责教师： 学生签名： 目 录一、前言1二、设计参数选取12.1工艺参数确定1设计压力1设计温度2材料选取22.2几何参数确定2罐体及封头参数2罐体高度及体积3夹套选取及高度计算3法兰借口尺寸确定4三、容器强度设计63.1釜体强度计算6釜

4、体内压强度设计7釜体外压稳定性设计83.2夹套强度计算9夹套筒体强度设计9夹套封头强度设计10设计壁厚校核10四、罐体与夹套连接处的剪切强度设计114.1罐体负荷计算11罐体质量11介质质量11法兰及其他附件质量114.2焊缝连接处剪切应力校核11五、开孔补强设计115.1搅拌器连接口补强面积计算125.2进料口、出料口补强面积计算135.3冷凝出口补强面积计算145.4视镜补强面积计算15六、水压试验设计166.1釜体水压试验校核166.2夹套水压试验校核16七、支座选取17八、结束语18一、前言酒精工业是基础的原料工业，酒精作为一种良好的容积，广泛的应用在化工、制药、轻工等行业中。中国酒精

5、工业的发展已有近百年的历史，但工业基础十分薄弱，建国后，随着国民经济的发展和白酒液态法生产法的推广，酒精工业进入崭新的发展阶段。近几年，随着制药行业突飞猛进的发展，生产规模不断扩大，由于在中药成药的生产过程中，经常利用酒提或水煮醇沉提取其中的有效成分，所以乙醇的用量也在不断上升，然而酒精使用后其浓度往往由原来的95降低到20-80，且含有多种杂质，难以直接回用。这些废酒精若直接排放，则会造成危险和环境污染；若将它们回收精制，则会变废为宝，产生巨大的经济效益和社会效益。然而多数药厂利用的酒精回收装置技术落后，排放废液中酒精含量依然在5-10，甚至高达30，造成的环境污染和浪费依然非常严重。对此，

6、国内外专家采用新型高效化工分离技术设计了高效酒精回收塔，在实际应用中达到了很高的技术经济指标。本课程设计就针对高效酒精回收塔中的蒸馏釜（夹套罐）进行设计，该装置罐体上设置有进料口、出料口、搅拌器孔、观察孔、温度计口、压力表口、安全阀等工艺接口，在夹套上部设置有两个蒸气进口，夹套底部设置一个冷凝水出口。高温水蒸气通过进口进入夹套后，对罐体内含酒精的废液进行加热，使沸点比较低的酒精先从溶液中蒸发，进行提纯，夹套内的蒸气冷凝成水后经冷凝水出口流出。二、设计参数选取2.1工艺参数确定设计压力设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件。设计压力不同于容器的工作压力，工作压

7、力由工艺过程决定，将容器正常操作情况下容器顶部可能出现的最高工作压力称为容器的最大工作压力，用pw表示。装有安全阀的容器，其设计压力不得低于安全阀的开启压力，安全阀的开启压力pk是根据容器最大工作压力pw调定的，据此，容器的设计压力可取。设计中取，求得罐内和夹套内的设计压力分别为：设计温度设计温度是指容器在正常操作情况，在相应设计压力下，设定的受压元件的金属温度，其值不得低于容器工作时器壁金属可能达到的最高温度。根据容器罐内的介质确定罐内的工作温度大约为100；正常工作时夹套内水蒸气的绝对压力，查表得夹套内的工作温度约为167.4；圆整后确定蒸馏釜的设计温度为200。材料选取虽然该蒸馏釜内的介

8、质为酒精和水，其腐蚀性不是很大，但考虑到设备的使用年限，因此选用SUS304（0Cr18Ni9）号不锈钢，该号钢材厚度为260mm，钢板标准为GB 4237，b=520MPa，s=205MPa，钢板在100时的许用应力b=114MPa，在200时的许用应力为b=96MPa。2.2几何参数确定该蒸馏釜有罐体和夹套两部分组成，底部采用支撑式支座。罐体由竖直圆筒和上下两个封头组成；罐体外面有一个比罐体稍大的夹套容器，与罐体形成500mm左右的间隔，上部在适当高度采用圆弧过渡机构与罐体连接。罐体及封头参数为了便于收集与卸除设备中的蒸馏废液，设计中罐体下封头选取广泛应用于许多化工设备(如蒸发器、喷雾干燥

9、器、结晶器及沉降器等)底盖的带折边锥形封头；上封头选取应力分布比较匀称的标准椭球形封头。每次操作需要填装的物料量称为装料量，用V0表示，确定筒体全容积V应以V0为基础，其中为装料系数，的大小取决于物料的性质。由于容器内介质含有多种杂质，蒸馏过程中可能会产生泡沫，因此装料系数取=0.7。对于反应物料为液-液类型的设备，筒体高度与直径比为1.01.3，设计中综合考虑搅拌器功率和传热效果等因素，釜体的长径比取则容器的全容积筒体直径为根据圆筒的内径标准系列圆整后，取公称直径Di=1300mm。由已知筒体的内径，选定封头的尺寸如表2-1所示：表2-1 封头尺寸封头类型公称直径Di/mm总深度H/mm内表

10、面积F/m2容积V/m3圆弧半径r/mmEHA椭球形13003501.93400.3208CHC锥形13005132.00010.3406195注：封头的总深度已包含直边高度h0=25mm。由封头的尺寸可确定筒体的实际高度为：罐体高度及体积罐体的高度（体积）包括筒体的高度（体积）和两个封头的高度（体积），其中筒体的体积；则：罐体的高度罐体的体积夹套选取及高度计算考虑到传热充分，且夹套直径必然大于筒体直径，选取圆筒内径标准系列中公称直径Di=1400mm的夹套进行设计，其夹套封头的尺寸如表2-2所示：表2-2 夹套封头尺寸封头类型公称直径Di/mm总深度H/mm内表面积F/m2容积V/m3圆弧半

11、径r/mmCHC锥形14005502.31120.4224210根据罐体内溶液的高度来确定夹套的高度，实际的夹套位置略低于罐内溶液高度1020mm，设计中选取20mm。罐体内酒精的高度；则夹套高度。校核传热面积（其中为筒体封头内表面积），符合传热面积不小于5.34m2的工艺要求。法兰借口尺寸确定设计中采用板式平焊管法兰连接，则其连接管的壁厚应按管道的壁厚等级SCH确定，对于釜体法兰，圆整后取Sch=5s；夹套法兰，圆整后取Sch=10s。（1）搅拌器法兰孔尺寸根据釜体公称直径选择相应的搅拌器及规格，搅拌器的形式选浆式直叶。则搅拌器直径，根据HG20593-1997取法兰公称通径DN350mm，

12、公称压力PN0.6MPa；如表2-3所示。表2-3 搅拌器法兰规格公称通径DN钢管外径A1钢管壁厚S管连接尺寸板式平焊法兰法兰外径D螺孔中心圆直径K螺孔直径L螺孔数量n螺纹Th法兰内径B1坡口宽度b法兰厚度C法兰质量/kg35037794904452212M2038102614.3确定接管外径为377mm，根据Sch=5s查得，壁厚为4mm，然而该外径下的无缝钢管最小壁厚为9mm，因此设计选用壁厚为9mm，设计长度为100mm的无缝钢管，理论质量为81.67Kg。（2）视镜规格尺寸由于釜体内工作温度为100，设计压力为0.44MPa，设计选用公称压力PN10MPa，公称直径DN100的带颈视镜

13、；其尺寸如表2-4所示。表2-4 带颈视镜尺寸公称直径DN公称压力PNDD1 b1b2H螺柱质量/Kg标准图图号数量n直径d1001020016526261428M1610.9HGJ 50286-17注：dH×S=103×4。（3）安全阀规格选择安全阀时应考虑釜体失效时夹套中的饱和蒸气泄漏到釜体中的情况，由此计算安全阀的排放量，其中d为夹套罐蒸气入口内径82mm，为饱和蒸气的密度为7.864Kg/m3。蒸气流量：（其中蒸气最大流速假设为20m/s）初步选择A48Y-16C用法兰连接的不封闭带扳手微启的弹簧式安全阀，其参数如表2-5所示。表2-5 安全阀规格安全阀型号公称压力

14、/Mpa强度试验压力/MPa弹簧压力级/MPa主要性能参数开启高度额定排放系数整定压力/MPa密封试验压力/MPa排放压力/MPa回座压力/MPaA48Y-16C1.62.40.6-0.70.600.540.6180.34喉径0.16注：该安全阀公称直径(mm)/喉径(mm)为80/50。安全阀的排放量（其中）；显然安全阀的排放量大于蒸气流量，因此选择A48Y-16C安全阀符合设计要求。表2-6 安全阀法兰尺寸公称通径DN钢管外径A1钢管壁厚连接尺寸板式平焊法兰法兰外径D螺孔中心圆直径K螺孔直径L螺孔数量n螺纹Th法兰内径B1坡口宽度b法兰厚度C法兰质量kg80899200160188M169

15、10203.59（4）其他孔口法兰尺寸表2-7 其他孔口法兰规格公称通径DN钢管外径A1连接尺寸板式平焊法兰法兰外径D螺孔中心圆直径K螺孔直径L螺孔数量n螺纹Th法兰内径B1坡口宽度b法兰厚度C法兰质量kg进料孔150159265225188M161610205.14出料孔150159265225188M161610205.14温度表323812090144M12390161.19压力10190120.41冷凝水出口150159265225188M161610205.14蒸气进口8089190150184M16910182.94表2-8 连接管参数管长/mm管径/mm

16、壁厚/mm理论质量/Kg进料孔1001504.517.14出料孔1001504.517.14温度表100322.52.19压力表100151.60.647冷凝水出口1001504.517.14蒸气进口100803.57.38三、容器强度设计3.1釜体强度计算根据设计压力容器的实际情况，容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，且焊接接头的无损检测可采用局部无损探测，因此焊缝系数=0.85。对于腐蚀裕度C2，按照有关规范规定：碳素钢和低合金钢材料的腐蚀裕量取值不小于1mm，用不锈钢材料且介质的腐蚀性极微时腐蚀裕量取值可为零。虽然该设备为不锈钢材料且介质的

17、腐蚀性极微，但使用年限较久（12年），因此腐蚀裕度取C2=1mm。根据有关文献的试验结果并参考了国外现行的有关规范，对于内压下的压力容器，只要加工减薄量未超过壁厚的15%，可以不考虑加工减薄量的影响。因此设计加工减薄量C3不予考虑。釜体内压强度设计釜体内的设计压力为0.44MPa，设计温度（200）下钢材的许用应力为96MPa。（1） 釜体筒体壁厚计算如下：计算壁厚：设计厚度：名义厚度：（其中C1为钢板负偏差）；圆整后，取有效厚度：（2）釜体封头（标准椭球形封头）壁厚计算如下：计算壁厚：（其中Y为椭球形封头的形状系数，由于设计选用标准椭球形封头，故其形状系数取1）；显然该封头的设计厚度、名义厚

18、度、有效厚度均与筒体相同。（3）釜体封头（锥形封头）壁厚计算如下：由于该锥形封头的小端直径不超过大端直径的四分之一，且整个封头取同一厚度，因此封头的计算壁厚：（其中f为椭球形封头的形状系数，）设计厚度：名义厚度：（其中C1为钢板负偏差）；圆整后，取有效厚度：釜体外压稳定性设计（1）筒体外压稳定性设计假设筒体的名义厚度，查表得钢板的负偏差C1=0.5mm，腐蚀裕度C2=1mm，则筒体外径。有效厚度筒体的计算长度于是；根据外压或轴向受压圆筒几何参数计算图可得系数A=0.00031；再由外压圆筒、管子和球壳厚度计算图查得系数B=38；则筒体的许用压力为：，故须重新假设壁厚n。重新假设，按照上述计算，

19、可得：，（其中负偏差C1=0.8mm）；，；查表得A=0.0013，B=70MPa，故，依然不符合要求，考虑到经济成本条件，设计采用在此基础上设置一个加强圈（如右图），则计算长度L=468mm。于是；查表并用直线内插法计算得到A=0.0028，B=90MPa故许用外压力，大于设计压力p=0.66MPa，且两者较接近；因此，外压筒体名义厚度按设计，并设置加强圈。（2） 封头外压稳定性设计为保证封头与筒体连接处的稳定性，在封头大端和小端分别设置加强圈。将外压锥形封头转化为“当量圆筒”，则当量圆筒的外径为：当量圆筒的当量长度为：（其中，DS为夹套小端与筒体连接圆的直径，取350mm）按照筒体的外压稳

20、定性设计，假设封头的名义厚度，查表得钢板的负偏差C1=0.8mm，腐蚀裕度C2=1mm，则当量筒体外径。有效厚度于是；（其中）根据外压或轴向受压圆筒几何参数计算图可得系数A=0.0084；再由外压圆筒、管子和球壳厚度计算图查得系数B=100；则筒体的许用压力为：，大于设计压力p=0.66MPa，且两者较接近。综上可得：设计时釜体筒体名义厚度取，并设置加强圈；釜体封头名义厚度。3.2夹套强度计算夹套筒体强度设计夹套内的设计压力为0.66MPa，设计温度（200）下钢材的许用应力为96MPa。夹套筒体壁厚计算如下：计算壁厚：设计厚度：名义厚度：（其中C1为钢板负偏差）；圆整后，取有效厚度：夹套封头

21、强度设计夹套锥形封头壁厚计算如下：计算壁厚：（其中f为椭球形封头的形状系数，）设计厚度：名义厚度：（其中C1为钢板负偏差）；圆整后，为了便于筒体和封头的连接，取有效厚度：设计壁厚校核设计中夹套筒体和夹套封头名义厚度都设置为，对壁厚进行应力校核：夹套筒体：夹套封头：；由此，夹套筒体和夹套封头的名义厚度都取，符合设计要求。四、罐体与夹套连接处的剪切强度设计4.1罐体负荷计算罐体质量罐体质量包括筒体和上下封头及夹套和封头。根据有关资料可得，公称直径为1300mm，壁厚为12mm的圆筒体钢板的理论质量为385.5Kg/m。罐体的质量=G筒体+G封头=1.117×385.5+300+186.1

22、=916.7kg夹套质量=276×0.854+403.9=639.6kg介质质量釜体内介质质量按全部被水充满来计算，则釜体内溶液质量夹套内水蒸气总质量法兰及其他附件质量由表2-3表2-7可得法兰及其他付检的总质量为106.8Kg。综上可得，罐体的总负荷为4612.6Kg。4.2焊缝连接处剪切应力校核（1）焊缝连接处环形面积计算环形面积（其中，焊缝高度取夹套厚度的2倍为16mm）（2）焊缝连接处剪切应力校核焊缝连接处剪切应力最大许用应力；显然；故校核通过。五、开孔补强设计按照有关规定，容器在如下要求时可以不进行补强：a.设计压力2.5MPa;b.两相邻开孔的中心间距（对曲面间距以弧长计

23、算）应不小于两孔直径之和的两倍；c.接管公称外径89mm；d.接管最小壁厚满足表5-1的要求：表5-1 接管最小壁厚条件（mm)接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0综合以上条件并结合实际设计，搅拌器连接口、视镜、进料口、出料口、冷凝水出口需要进行补强计算。5.1搅拌器连接口补强面积计算筒体名义厚度，SUS304钢板在100时许用应力（1）因开孔而削弱的金属截面积(A)筒体计算壁厚接管直径罐体内径，设计压力为0.44MPa，工作温度为100，因壳体与接管采用相同的材料故，其中接管壁厚需要补强面积（2）补强面积a.筒体的富裕金属截面积为：b.接管的富裕金

24、属截面积为：其中，接管计算壁厚：外侧有效高度：内侧有效高度：c.焊缝金属截面积：d.补强面积因为，所以该孔可以不进行补强。5.2进料口、出料口补强面积计算（1）因开孔而削弱的金属截面积筒体计算壁厚；接管直径，接管壁厚4.5mm。需要补强的面积：（2）补强面积筒体的富裕金属截面积为：接管的富裕金属截面积为：其中，接管计算壁厚：外侧有效高度： 内侧有效高度： 焊缝金属截面积：补强面积因为，所以该孔可以不进行补强。5.3冷凝出口补强面积计算（1）因开孔而削弱的金属截面积夹套名义厚度；夹套计算壁厚；接管直径需要补强面积：（2）补强面积夹套的富裕金属截面积为：接管的富裕金属截面积为：其中，接管计算壁厚：

25、外侧有效高度：内侧有效高度： 焊缝金属截面积：补强面积：因为，所以该孔需要补强。则需要补强的面积（3）确定补强圈结构尺寸取补强圈厚度与夹套筒体壁厚相同，由可知补强圈外径D=241.05mm。5.4视镜补强面积计算（1）因开孔而削弱的金属截面积筒体计算壁厚，结构直径，接管壁厚。需要补强面积：（2）补强面积筒体的富裕金属截面积为：接管的富裕金属截面积为：其中，接管计算壁厚：外侧有效高度：内侧有效高度：焊缝金属截面积：补强面积：因为，所以该孔可以不进行补强。综上所述，搅拌器连接口、进料口、出料口、视镜都不需要补强，只有冷凝水出口需要补强。六、水压试验设计6.1釜体水压试验校核根据有关规定，压力容器进

26、行液压试验的压力为，釜体水压试验的压力（其中，为容器元件材料在试验温度下的许用应力，=114MPa）。（1）釜体筒体水压试验校核由于筒体水压试验压力（其中筒体的许用应力已在中算得），因此釜体筒体在水压试验压力下的稳定性校核通过。（2）釜体封头（椭球形）水压试验校核由于椭球形封头在水压试验下的应力因此釜体封头（椭球形）在水压试验压力下的稳定性校核通过。（3）釜体封头（锥形）水压试验校核由于锥形封头在水压试验下的应力因此釜体封头（锥形）在水压试验压力下的稳定性校核通过。6.2夹套水压试验校核夹套水压试验的压力（其中，为容器元件材料在试验温度下的许用应力，=96MPa）。（1）夹套筒体水压试验校核由

27、于夹套筒体在水压试验下的应力，因此夹套筒体在水压试验压力下的强度不符合要求，需重新设定夹套筒体名义厚度以达到强度要求。假设夹套筒体名义厚度，则：，因此夹套筒体名义厚度为12mm时水压试验强度符合要求。（2）筒体封头（锥形）水压试验校核为使夹套筒体和夹套封头方便连接，现将筒体封头的名义厚度设置为12mm与筒体一致。则，夹套锥形封头在水压试验下的应力为：，因此夹套封头（锥形）在水压试验压力下的稳定性校核通过。七、支座选取由罐体的总负荷4612.6Kg，可确定支座的载荷。设计采用结构简单、轻巧、安装方便，且在容器下面有较大的操作维修空间的AN型腿式支座（其参数如表7-1所示）。表7-1 AN型腿式支座安装尺寸（mm）每根支腿允许载荷/kN公称直径DN支腿数量容器最大高度H1支承最大高度H支腿高度H2底板边长B地脚螺栓孔径db规格中心圆直径D281400450001100133016526M221365注：取圆筒或封头名义厚度二者中较大值。八、结束语课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，