15M3-甲醇储罐设计说明.docx

序言（-）设计任务（）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（-）材料的选择（二）结构的选择四设计计算内容（-）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（A）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六参考资料2.1 筒体长度及公称直径的确定根据匕=V.0已知匕=15疗，装量系数% =0.9 ,则设备的体积V= 16.67 m3再根据解得4.八21百又规定会36假设公称直径DN=2000mm L=5307mm ,贝！假设公称直径ON = 1800mm L=6552mm ,则上=2.6<36 DN- = 3.64假设公称直径DN = 1900mm L=5880mm ,则DNLD/V3.09所以取 DN = 1800mm L=6552mm2.2 计算筒体和封头的厚度 甲醇储罐选用16MnR制作罐体和封头2.21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G -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。2 =2mmPM0.88x18002口中，2x163x1-0.88=4.87 mmPR0.88x18002同-0.5匕 2 x 163 x 1 - 0.5 x 0.88=4.86/7im设计厚度（加入腐蚀裕量）筒体： 3d = S + C2 = 4.87 + 2 = 6.87 nvn封头： £/ = b + G = 4.86 + 2 = 6.86mm223有效厚度筒体： =5+g+圆整=8mm圭寸头：a =3+。2 +圆整=8mm名义厚度（设计厚度+钢板厚度负偏差）筒体：夕=a + G+a+圆整=8+0.5+2 +圆整=12mm圭寸头：夕=a + G+G+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 ;DN>2000mm时，直边高度为40mm。由于所设计的筒体公称直径DN = 1800mm<2000mm ,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机？ ,容积V=0.8270机，所以，圭寸头设计为 EHA1800xl2-16MnR 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DN10002000mm ,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18002752501120162/.44h。242弧长e2802201210295190260821004301080筒体的质量加1 : DN = 1800mm 6 =12mm L=6552mml-p = 3511kg封头的质量查得加2二338 Akg甲醇的质量加3 =。,丫夕= 09x0.79x1000 xl5 = 10665 kg附彳牛质量加4=0.2x总体质量=0.2x604.4=120.9kg故储罐总质量m+ m2 +m3+ m4 = 14635 3kg总负荷 F=mg/2=71.7KN查表得DN = 1800加时,允许载荷。= 275MV ；而此设计储罐每个支座所需承受载荷为。=71.7KN,符合条件，于是选取支座：JB/T4712.1-2007 ,支座 A1800-FJB/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450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=l.OMPa ,水平吊盖带颈对焊 法兰人孔(HG21524 95 )，人孔公称直径选定为 DN=450mm ,采用榨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公称直径4, X SdD凡bb。2ABLd。螺栓个数螺母个数螺柱总质量450480 x12456670600250126424446375175250242040M33x2x170246人孔开孔补强人孔开孔补强米用补强圈结构，材质为16MnR根据JB/T47362002确定补强圈的内经。 =484 mm 外径3760加补强圈厚度为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 DN40o6.1 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，液位计接口 等管间的间距均由下述来设计并计算：L > 2（4+ dQ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 N 2(450 + 50) - 10CX) itvti取4=isoo mm液相进口中心线与压力表接口中心线间距：L2> 2(80 + 50) = 260mm 取4 = 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4=300加放气管中心线与液相进口出口中心线的间距：4 > 2(50 + 80) = 260mm=300温度计接口中心线与放气管中心线的间距：L5>2(50+ 40) = 180mmL5= 200wm两液位计之间的间距4 = 1000wn液位计接口中心线到筒体中心线的距离L. =500 mm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62 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所示公称钢管法兰螺栓螺栓螺栓螺纹法兰法兰法兰理法法兰颈法兰颈局法兰颈直径外径外径孔中心圆直径孔直径孔数量厚度剧度论重量颈N厚度度R8089200160188Ml620504.22k g1103.2106所以液相进出口管的管法兰标记为HG20592 法兰 WN 80-10 RF 4.516M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 DN<600mm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同度法兰理论重量法兰颈N法兰内径5060.3150120.5184Ml619.5642.72kg7852放气管，排污管的管法兰标记为HG20615 法兰 WN 50-2.0 RF 16Mn623】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 DN<600mm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4048.313098.5164Ml417.5621.81kg6541624】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身度法兰理论重量法颈N法兰颈厚度法兰颈高度法兰颈R4045150110184Ml618452.37kg642.675所以液位计处的法兰标记为HG20592 法兰 WN 40 RF 16M625】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D128Hha%6Rd螺柱螺柱最小规格数量厚度197191187185185815042112130M256140566300188627法兰的质量根据JBT470047032000压力容器法兰查表2PN = 1.0MPaDN = 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I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(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= 1.25。回取设计实验温度为50" C ,查表有口 =163加& = 上了所以耳=1.25x1 = L25MPa而圆筒的应力叫=亘飞讥）2a斫以1.25x（1800+8）巾以/=z- = 14i.25MPa2x8查表得到5 = 345 MPa0.9b$ =0.9 x 345 = 310.5MPacT <0.95所以，厚度校核合格。（九）容器应力的校核计算1计算容器质量机筒体的质量叫:DN = 1800mm s = nmm L=6552mm町=-7i（d-p = ?）5kg封头的质量查得m2= 338 Akg容器的自重m = mi+m2 =3849 Akg1.2充液质量充水时：根（总、）=m + 夕（水）V = 3849.4 + 1000x15 = 18849 AkgG = mg = 8849.4 x9.8 = l 84724.1 IN甲醇的质量：m. = 10665 kgG = 10665x9,8=104517N2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i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），R,为 筒体内半径。a < 0.2L= 0.2 x 6.552 = 1.31m1 Qa < 0.5耳=0.5义=0.45m a= 0.45m2.2 力学模型23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MoL = 6.552m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：& =& ='xG = L184724.12 = 92362O6N2)Mmax = Ra184724 .12 6.552 1 6.552XX X6.552222=109726 A3N-m正常操作时： R =RxGxl04517 = 52258.5N22Mnrix = 7?/?-0.45 = 62083 AN-mm” 久 2) 6.5522223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RD M -14a 0.785。2a1x180062083.14x80.785x18002x8=56.25MPa其强度条件为 bm” < 6丫 = 163 MPa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：WinMt109726 .130.785D2S - 0.785 xl8002x8 c=-5.39 x 10-3MPa其强度条件为ms( ，I'条件符合。稳定性条件为：maxbmin，-bmin<bj ,式中。" 为稳定许用压缩应力。Crcr=B = |A£0.0940.0942-x8.25xW4x2.0x1053= 8.25x10-4E = 2.0xl05MPa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 = O.88M&选取压力等级为1.0 MPao3选普通型，外加保温层的液位计。4中心距L的选择：液位:/z = 0.8xD(. =0.8x1800 =1440/Tim液位计位置在 0.2Q 处：0.2 =0.2x1800 = 360 mmL= 1440-360 = 1080/wti取£ = 1400m帆的液位计5材质选择：16MnR06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。焊接接头是焊缝，熔合 线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的主要部分。焊接接头的型式直接影响到焊接的质量与容器的安全。焊接接头的型式及焊接材 料应在化工设备的装配图及零部件图中以适当的方式表示出来。1）回转壳体的焊接结构设计回转壳体的拼接接头必须采用对接接头，壳体上的所有纵向 及环向接头，凸形接头上的拼接接头，即A, B类接头，是容器 要求最高的焊缝，对容器的安全至关重要，必须采用对接焊，不 允许采用搭接焊.对接焊易于焊透，质量容易保证，易于作无损 检测，可获得最好的焊接接头质量。2）接管与壳体的焊接结构设计接管与壳体及补强圈之间的焊接一般只能采用角焊和搭焊， 具体的焊接结构还与对容器的强度与安全的要求有关，涉及到是 否开坡口，单面焊与双面焊，焊透与否等问题。1.无补强圈接管的焊接结构中低压容器不需另作补强的小直径接管可直接插入壳体所开 孔内，有平齐式和内伸式两种。插入出接管与壳体总有一定间 隙，但此间隙不大于3 mm,过大的间隙在焊接收缩时易产生裂 纹或其他焊接缺陷。作为开孔补强元件的补强圈，一方面要求尽量与补强出的壳 体贴合紧密，另外与接管与壳体之间的焊接结构设计也应力求完 善合理。五设计小结对于15AT甲醇储罐，此次设计着重进行了筒体和封头的厚 度设计以及以及强度的校核，开孔及补强的计算，钢瓶的设计 和附件的选取，附件包括安全阀，温度计，压力计,液位计和 管道设计等内容。参考查阅了各种书籍及相关资料，考虑了诸多可能因素,对所设计设备的结构，强度性能都作了详细的计 算。是尽作者水平提出的较为完整合理的设计方案。六参考资料1国家质量技术监督局,GB150-1998钢制压力容器，中国 标准出版社,19982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,19993全国化工设备设计技术中心站，化工设备图样技术要求，2000 , 114郑津洋、董其伍、桑芝富，过程设备设计，化学工业出版社,20015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，20026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，1996HG20580 20585 六合一,HG20592 20635钢制管法兰、垫片、紧固件 钢制人孔和手孔HG/T21514 21535-2005JBT4712.1-4712.4-2007 容器支座3最局乍压力0.8MPa4工作温度-20 485公称容积（Vg ）10M36工作压力波动情况可不考虑7装量系数（PV）0.98工作介质甲醇（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0.010.0211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nl80HG20592RF液相进口管n280HG20592RF液相出口管n350HG20615RF放气管n4450人孑Ln550HG20615RF排污管n650HG20615RF压力表接口n740HG20615RF温度计接口sl/s240HG20592RF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）（-）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I三材料及结构的选择(-)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 ,熔点为一976C ,沸点为 64.65O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LOMPa ,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小于L6MPa ,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。设计计算内容(-)设计温度和设计压力的确定1 .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=5(TC2 .设计压力的确定1根据甲醇储罐的工作压力q =0.8M4 ,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=l.lPH.=l.lx0.8=0.88MPa3 】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,所以七= P = O.88Ma ,则对公称压力为l.OMPa3】确定计算温度下的许用应力打(MPa)对于16MnR的低合金钢板，在t=5(TC的设计温度下,a (MPa) = 163 MPa4】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。(-)所需参数的确定