堿液貯罐的課程設(shè)計(jì)

1、淮南師范學(xué)院課程設(shè)計(jì)15設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)課題：堿液貯罐的機(jī)械設(shè)計(jì)工藝參數(shù)：最高使用溫度：T=50公稱直徑：DN=2200mm筒體長(zhǎng)度（不含封頭）：L0=3819mm設(shè)計(jì)內(nèi)容：1.筒體材料的選擇2.罐的結(jié)構(gòu)尺寸3.罐的制造施工4.零部件型號(hào)及位置5.相關(guān)校核計(jì)算設(shè)計(jì)人： 學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師： 完成時(shí)間： 目錄設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)I目錄I1前言12堿液貯罐設(shè)計(jì)參數(shù)的確定22.1設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力的確定22.2筒體和附件材料的選擇22.3其他設(shè)計(jì)參數(shù)22.3.1封頭的選擇22.3.2許用應(yīng)力32.3.3焊接接頭系數(shù)33工藝計(jì)算43.1筒體壁厚的計(jì)算43.2封頭壁厚的計(jì)算43.3強(qiáng)度檢驗(yàn)及水壓試驗(yàn)53.4選擇人孔53

2、.4.1人孔的選擇53.5支座63.5.1支座的選取73.5.2鞍座的計(jì)算73.5.3安裝位置84選配工藝接管94.1堿液進(jìn)料管94.2堿液出料管94.3排污管94.4液面計(jì)接管94.5放空管接口管104.6安全閥接口管105設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表116堿液貯罐裝配圖127總結(jié)131 前言堿液是一種具有很強(qiáng)腐蝕性的堿性化學(xué)品，這意味著它能夠溶解脂肪等粘性物質(zhì)，并且對(duì)其他物質(zhì)存在很高的化學(xué)反應(yīng)能力。堿液有片狀，粒狀或液體形式，它很危險(xiǎn)，會(huì)給物體表面和人體造成損害。在現(xiàn)代堿液生產(chǎn)之前，人們只能從原始材料加工獲得它。幾千年來(lái)，人類一直使用堿液制作香皂和制革。他們?cè)跇O高的溫度下焦化特定硬木產(chǎn)生白灰。蘋果樹(shù)，橡

3、樹(shù)，海草都是理想的燃料。然后添加水，并混合一些小蘇打滲透進(jìn)灰質(zhì)清除它們包含的堿液。當(dāng)灰質(zhì)過(guò)濾出去以后，留下的水就含有足夠的堿液一溶解動(dòng)物皮草上的脂肪，或與其他成分混合制成香皂。為能夠進(jìn)行連續(xù)的生產(chǎn)，需要有儲(chǔ)存堿液的容器，因此設(shè)計(jì)堿液貯罐是制造貯罐的必備步驟，是化工生產(chǎn)能夠順利進(jìn)行的前提。本次課程設(shè)計(jì)是在我們學(xué)完化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)這門課程后開(kāi)的課程設(shè)計(jì)，目的就是設(shè)計(jì)一臺(tái)堿液貯罐。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，貯罐形式為圓筒形，由于立式圓筒形容器承受自然原因引起的應(yīng)力破壞的能力較弱，故選用圓筒形臥式容器。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括，設(shè)計(jì)所需參數(shù)的確定，貯罐材料的選取，筒體和封頭壁厚的計(jì)算以及相關(guān)校核，另外還有支座以及

4、一些附件的選取與安裝。最后匯出堿液貯罐的裝配圖。由于本人能力有限，設(shè)計(jì)過(guò)程中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，還請(qǐng)老師指出。2 堿液貯罐設(shè)計(jì)參數(shù)的確定2.1 設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力的確定根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，所設(shè)計(jì)堿液貯罐的最高使用溫度為50，查表可知50時(shí)液氨的飽和蒸汽壓為1.87MPa1。容器的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)該高于其最大工作壓力，對(duì)于裝有安全閥的容器，其設(shè)計(jì)壓力不得低于安全閥的開(kāi)啟壓力，安全閥的開(kāi)啟壓力是根據(jù)容器最大工作壓力調(diào)定，據(jù)此，取最大壓力的1.1倍作為容器的設(shè)計(jì)壓力，故設(shè)計(jì)壓力為，取。2.2 筒體和附件材料的選擇堿液是一種具有很強(qiáng)腐蝕性的堿性化學(xué)品，貯罐可選用低合金鋼，壓力容器專用鋼板為16MnR。16MnR

5、是345 MPa級(jí)的低合金鋼，具有良好的機(jī)械性能、焊接性能、工藝性能及低溫沖擊韌性。中溫及低溫的機(jī)械性能均優(yōu)于Q235-A、15、20等碳素鋼，是使用十分成熟的鋼種，質(zhì)量穩(wěn)定、可使用-40475場(chǎng)合。所以在此選擇16MnR鋼板作為制造筒體的材料。16MnR的含碳量為0.12%0.20%，含Mn量較低，伸長(zhǎng)率為19-21%，是目前我國(guó)用途最廣、用量最大的壓力容器專用鋼板。優(yōu)質(zhì)低碳鋼的強(qiáng)度較低，塑性好，焊接性能好，因此在化工設(shè)備制造中常用作熱交換器列管、設(shè)備接管、法蘭的墊片包皮。優(yōu)質(zhì)中碳鋼的強(qiáng)度較高，韌性較好，但焊接性能較差，不宜用作接管用鋼。由于接管要求焊接性能好且塑性好。故選擇10號(hào)優(yōu)質(zhì)低碳鋼

6、的普通無(wú)縫鋼管制作各型號(hào)接管。由于法蘭必須具有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以滿足連接的條件，使之能夠密封良好，故選用20號(hào)鋼。2.3 其他設(shè)計(jì)參數(shù)2.3.1 封頭的選擇幾何方面，就單位容積的表面積來(lái)說(shuō)，以半球形封頭為最小。橢圓形和蝶形封頭的容積和表面積基本相同，可以近似認(rèn)為相等。力學(xué)方面，在直徑、厚度和計(jì)算壓力相同的條件下，半球形封頭的應(yīng)力最小，二向薄膜應(yīng)力相等，而沿經(jīng)線的分布式均勻的。如果與壁厚相同的圓筒體連接，邊緣附近的最大應(yīng)力與薄膜應(yīng)力并無(wú)明顯不同。橢圓形封頭的應(yīng)力情況就不如半球形封頭均勻。由應(yīng)力分析可知，橢圓形封頭沿經(jīng)線各點(diǎn)的應(yīng)力是變化的，頂點(diǎn)處應(yīng)力最大，在赤道上可能出現(xiàn)環(huán)向內(nèi)壓應(yīng)力，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)

7、橢圓形封頭與壁厚相等的圓筒體相連接時(shí)，其可以達(dá)到與筒體等強(qiáng)度。從制造方面分析來(lái)看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式，但缺點(diǎn)是濃度大，沖壓較為困難；橢圓封頭濃度比半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中低壓容器中應(yīng)用較多的封頭之一。因此，從幾何、力學(xué)和制造方面綜合考慮，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭最為合理。橢圓形封頭的型式及尺寸按JB/T 4737-95橢圓形封頭的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的長(zhǎng)短軸比值為2。封頭材料與筒體一樣為16MnR。2.3.2 許用應(yīng)力制造容器所用的鋼板，其在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力值的大小，直接決定著容器強(qiáng)度，是主要設(shè)計(jì)參數(shù)之一2。在GB 150鋼制壓力容器中，對(duì)鋼板、鍛件、緊固件均規(guī)定了材料的許用

8、應(yīng)力，16MnR的許用應(yīng)力見(jiàn)表2-1。表2.1 壓力容器用16MnR鋼板的許用應(yīng)力鋼號(hào)鋼板標(biāo)準(zhǔn)使用狀態(tài)厚度mm常溫強(qiáng)度指標(biāo)在下列溫度()下的需用應(yīng)力/MPabMPasMPa2010015016MnRGB 6654熱軋，正火616510345170170170163649032516316316336604703051571571572.3.3焊接接頭系數(shù)焊縫區(qū)是容器上強(qiáng)度比較薄弱的地方。焊縫區(qū)強(qiáng)度降低的原因在于焊接時(shí)可能出現(xiàn)缺陷而未被發(fā)現(xiàn)；焊接熱影響區(qū)往往形成出大晶粒區(qū)而使強(qiáng)度和塑性降低；由于結(jié)構(gòu)剛性約束造成焊接內(nèi)應(yīng)力過(guò)大等。焊縫區(qū)的強(qiáng)度主要決定于熔焊金屬、焊縫結(jié)構(gòu)和施焊質(zhì)量。設(shè)計(jì)所需的焊接街

9、頭系數(shù)大小主要根據(jù)焊接接頭的型式和無(wú)損檢測(cè)的長(zhǎng)度比率確定。容器筒體的縱向焊接接頭和封頭的拼接接頭基本上都采用雙面焊，所以取焊接接頭系數(shù)(雙面焊，全部無(wú)損探傷)。3 工藝計(jì)算3.1 筒體壁厚的計(jì)算筒體的理論計(jì)算壁厚公式為2： (3.1)式中 筒體的理論計(jì)算壁厚，mm； pc筒體計(jì)算壓力，MPa； Di筒體內(nèi)徑，mm； t鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa;焊接接頭系數(shù)，其值為1。取計(jì)算壓力pc=p=1.95MPa，筒體內(nèi)徑Di=DN=2200mm，筒體內(nèi)徑L=3400 mm，查表2.1知16MnR在設(shè)計(jì)溫度為50時(shí)的許用應(yīng)力為t=163MPa，將這些數(shù)值代入公式(3.1)計(jì)算出筒體的計(jì)算厚度為：

10、由于液氨對(duì)金屬有一定的腐蝕，取腐蝕裕量C2=2mm，故筒體的設(shè)計(jì)厚度為：由鋼板厚度負(fù)偏差表查得C1=0.8mm，故名義壁厚為：圓整后取n=17mm。3.2 封頭壁厚的計(jì)算采用的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，各參數(shù)與筒體相同，其厚度計(jì)算式為2：設(shè)計(jì)厚度為：名義厚度為：圓整后取n=16mm。查得標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高度(JB/T4737-95)為h0=40mm。3.3 強(qiáng)度檢驗(yàn)及水壓試驗(yàn)強(qiáng)度檢驗(yàn)指的是容器制成后，經(jīng)過(guò)熱處理及焊縫處的無(wú)損檢驗(yàn)合格的容器要做液壓試驗(yàn)或氣壓試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)容器的強(qiáng)度，因?yàn)樵趬毫ο鲁湟詺怏w的容器，它具有是裂紋擴(kuò)展的內(nèi)能要比充以不可壓縮液體的相同容器要大得多，萬(wàn)一當(dāng)受壓容器或管道在受氣壓下破

11、壞時(shí)，其危險(xiǎn)性遠(yuǎn)比液壓試驗(yàn)大。所以通常采用液壓試驗(yàn)。以水為液壓試驗(yàn)的介質(zhì)。GB 150-1998鋼制壓力容器規(guī)定液壓試驗(yàn)壓力如下3： (3.2)式中 PT試驗(yàn)壓力，MPa；p設(shè)計(jì)壓力，MPa； 、t分別為液壓試驗(yàn)溫度和設(shè)計(jì)溫度下殼壁材料的許用應(yīng)力，MPa。將p=1.95MPa， =t=163MPa代入式(3.2)得液壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力為：試驗(yàn)時(shí)器壁的應(yīng)力為： (3.3)其中有效厚度，故查表2.1可知22mm的16MnR鋼板的常溫強(qiáng)度指標(biāo)s=325MPa。所以，則，故所設(shè)計(jì)的器壁厚度滿足水壓試驗(yàn)要求。3.4 選擇人孔3.4.1 人孔的選擇在化工設(shè)備中，為了便于內(nèi)部附件的安裝，修理和村里，防腐以及對(duì)

12、設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行檢查、清洗，往往開(kāi)設(shè)人孔和手孔。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。一般人孔有兩個(gè)手柄。貯罐的工作溫度為常溫，設(shè)計(jì)壓力為1.95MPa，故人孔的標(biāo)準(zhǔn)按公稱壓力為2.5MPa等級(jí)選取。由于人孔蓋直徑較大且質(zhì)量較重，故選用水平吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔(HG 21524-95)，公稱直徑為450mm，突面法蘭密封面(RF型)。該人孔結(jié)構(gòu)中有吊鉤和銷軸，在檢修時(shí)只需松開(kāi)螺栓將蓋板繞銷軸旋轉(zhuǎn)，即可輕松進(jìn)入，而不必將其取下以節(jié)約維修時(shí)間。查得該人孔的有關(guān)數(shù)據(jù)如下2：表3.1 水平吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔(突面)標(biāo)準(zhǔn)尺寸(mm)公稱壓力MPa公稱直徑dW×SDD1dbb1b2AH1H2d02

13、.5450480×1267060045046394438032021436該水平吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔的標(biāo)記為：HG21524-95 人孔R(shí)F （AG）450-2.5 其中RF指突面密封，指接管與法蘭的材料為16MnR，AG是指用普通石棉橡膠板墊片，450-2.5是指公稱直徑為450mm、公稱壓力為2.0 Mpa。表3.2 人孔PN2.5 DN450(HG21524-95)明細(xì)表件號(hào)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)名稱數(shù)量材料尺寸/mm1筒節(jié)116MnRdW×S=480×12，H1=3202HGJ52-91法蘭116Mn(鍛件)3HGJ69-91墊片1石棉橡膠板=3(代號(hào)AG)4HGJ63-

14、91法蘭蓋116MnRb1=39， b2=445HGJ75-91P螺柱2035M33×2×1756螺母4025M337吊環(huán)1Q235-A.F8轉(zhuǎn)臂1Q235-A.Fd0=369GB95-85墊圈201100HV10GB41-88螺母M2024級(jí)11吊鉤1Q235-A.F12環(huán)1Q235-A.F13無(wú)縫鋼管12014支承板116MnR3.4.2 人孔補(bǔ)強(qiáng)得計(jì)算由于人孔的筒節(jié)不是采用無(wú)縫鋼管，故不能直接選用補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)。由表3.1知本設(shè)計(jì)所選用的人孔筒節(jié)內(nèi)徑d i450mm，壁厚 n t12mm。據(jù)此差得補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸(JB/T 4736-2002)為：外徑D2=760mm，內(nèi)徑D1

15、=450+2×12+14=488mm。3.5 支座3.5.1 支座的選取支座用來(lái)支撐容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持穩(wěn)定。臥式圓筒形容器的支座分為鞍式支座、圈座、腿式支座三類。由于鞍式支座承壓能力較好且對(duì)筒體產(chǎn)生的局部應(yīng)力較小，故此設(shè)計(jì)中選用鞍式支座。鞍座分為A型（輕型）和B型（重型）兩類，每種形式的鞍座又分為固定式支座（F）和滑動(dòng)式支座（S）兩種。由于在此設(shè)計(jì)中，貯罐體積較小且長(zhǎng)徑比較小，故采用A型雙鞍座，一為固定式，一為滑動(dòng)式支座。3.5.2 鞍座的計(jì)算首先粗略計(jì)算鞍座負(fù)荷。貯罐總質(zhì)量為5 (3.8)式中 m1罐體質(zhì)量，kg；m2封頭質(zhì)量，kg；m3水的質(zhì)量，kg；

16、m4附件質(zhì)量，kg。1、 罐體質(zhì)量m1公稱直徑DN=2200mm，壁厚=16mm的筒體，所以 2、 封頭質(zhì)量m2公稱直徑DN=2200mm，壁厚=16mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭計(jì)算， 得 ，所以 3、 水的質(zhì)量m3式中 裝量系數(shù)，取0.9；（壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定：介質(zhì)為液化氣體的固定式壓力容器，裝量系數(shù)一般取0.9）V貯罐容積，m3；水的密度，1000kg/m3。筒體公稱直徑DN=2200mm，筒體長(zhǎng)度L0=3.40m，查表5（化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，天津大學(xué)出版社，附表5）得封頭容積為Vh=0.18m3，則貯罐總?cè)莘e為于是4、附件質(zhì)量m4人孔約重200kg，其它接口管的總重約350kg。于是

17、m4=550kg。故設(shè)備總質(zhì)量為每個(gè)鞍座承受的負(fù)荷為根據(jù)鞍座承受的負(fù)荷，查表4（化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)，大連理工大學(xué)出版社，附錄16）可知，選擇輕型（A）帶墊板，包角為120°的鞍座。即JB/T4712-92 鞍座A2800-F，JB/T4712-92 鞍座A2800-S。其標(biāo)準(zhǔn)尺寸如下：表3.3 A型鞍座標(biāo)準(zhǔn)尺寸(mm)公稱直徑DN允許載荷/kN鞍座高度h底板腹板筋板墊板螺栓連接尺寸l1b112l3b2b33弧長(zhǎng)b44e間距l(xiāng)2螺孔d螺紋M孔長(zhǎng)l28004472502040300121032026835883260500865180024M20403.5.3 安裝位置筒體長(zhǎng)度 (3.10

18、)式中A鞍座與封頭切線之間的距離，mm；L1兩鞍座間距，mm。由于筒體L/D較大，且鞍座所在平面又無(wú)加強(qiáng)圈，取24 選配工藝接管4.1 堿液進(jìn)料管進(jìn)料管伸進(jìn)設(shè)備內(nèi)部并將管的一端切成45，為的是避免物料沿設(shè)備內(nèi)壁流動(dòng)以減少磨蝕和腐蝕。為了在短時(shí)間內(nèi)將物料注滿容器。采用的無(wú)縫鋼管。配用具有突面密封的帶頸對(duì)焊管法蘭，法蘭標(biāo)記：HG20595 法蘭 WN50-2.5 RF 20。接管長(zhǎng)500mm，不需補(bǔ)強(qiáng)6。4.2 堿液出料管在化工生產(chǎn)中，需要將液體介質(zhì)運(yùn)送到與容器平行的或較高的設(shè)備中去，并且獲得純凈無(wú)雜質(zhì)的物料。故采用可拆的壓出管，將它用法蘭固定在接口管內(nèi)。罐體的接口管法蘭采用HG20595 法蘭

19、WN32-2.5 RF 20。與該法蘭相配并焊接在壓出管的法蘭上，其連接尺寸和厚度與HG20595 法蘭 WN32-2.5 RF 20相同，但其內(nèi)徑為25mm。堿液壓出管的端部法蘭采用HG20595 法蘭 WN20-2.5 RF 20。這些小管都不必補(bǔ)強(qiáng)。壓出管伸入貯罐2.6m。4.3 排污管貯罐右端最底部安設(shè)一個(gè)排污管，管子規(guī)格：，管端焊有一與截止閥J41W-16相配的管法蘭HG20595 法蘭 WN50-2.5 RF 20。4.4 液面計(jì)接管本貯罐采用透光式玻璃板液面計(jì)AT 2.5-W-1450V 兩支。與液面計(jì)相配的接管尺寸為，管法蘭為HG20595 法蘭WN10-2.5 RF 20。4

20、.5 放空管接口管為了在注入液體時(shí)，將容器內(nèi)的空氣排到罐體外以便能順利快速地注入，需安設(shè)一放空管。采用無(wú)縫鋼管，法蘭為HG20595 法蘭 WN32-2.5 RF 20。4.6 安全閥接口管 安全閥接管尺寸由安全閥泄放量決定。本貯罐選用的無(wú)縫鋼管，法蘭為HG20595 法蘭 WN32-2.5 RF 20。各接管的長(zhǎng)度都是200mm。 5 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表序號(hào)名稱指標(biāo)材料1設(shè)計(jì)壓力2.16MPa2工作溫度503物料名稱堿液4容積14.18.m35筒體DN2200mm×17mm，L=3819mm16MnR6封頭DN2200mm×17mm，h=40mm16MnR7鞍座JB/T4712-92 鞍座A2800-FJB/T4712-92 鞍座A2800-SQ235A.F8人孔HG21524-95 人孔R(shí)F （AG）450-2.5組合件