69m3浓硫酸储罐化工设备课程设计任务书.doc

化工设备课程设计说明书学 生： 马 维 指导教师： 梅 丽 班 级： 2013级6班 专 业： 应用化学 化工原理与化工设备课程设计任务书专业 应用化学 班级 2013级 6班 设计人 一. 设计题目69m3浓硫酸储罐二. 设计要求编制一份设计说明书，主要内容包括：1. 标题页；2. 设计任务书；3. 目录；4. 设计方案简介；5. 储罐设备设计；6. 储罐设备强度设计和结构设计；7. 设计结果概要或设计一览表；8. 对本设计的评述；9. 附图（储罐设备装配图）；10. 参考文献；11. 主要符号说明。三. 设计时间：1周设计基本要求化工设备课程设计是化工设备与机械课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。通过课程设计，应该训练学生提高如下几个方面的能力：1. 熟悉查阅文献资料、搜集有关数据、正确选用公式。2. 在兼顾技术上先进性、可行性，经济上合理性的前提下，综合分析设计任务要求，确定储罐设备附件的选择。3. 准确而迅速地进行设备的机械设计计算。4. 用精练的语言、简洁的文字、清晰的图表来表达自己的设计思想和计算结果。设计基本内容课程设计包括如下内容：1. 设计方案简介：根据设计任务书所提供的条件和要求，通过对现有生产现场调查或对现有资料的分析对比，选定适宜的设备附件类型。2. 设备的机械设计计算：包括强度设计和结构设计。3. 设备结构装配详图，按化工设备装配图的要求绘制完成。完整的课程设计报告由说明书和图纸两部分组成。目 录第一部分 设计方案简介v第二部分 储罐设备设计vi2.2设计参数的选择vi2.2.1筒体材料的选择vi2.2.2公称直径的确定vi2.1.3设计压力vi2.1.4设计温度vii2.1.5焊接接头系数vii2.1设备的初步选型及轮廓尺寸的确定viii2.1.1设备的初步选型viii2.1.2设备的轮廓尺寸的确定viii第三部分 储罐设备强度设计和结构设计x3.1储罐的结构设计x3.1.1 封头设计x3.1.2接管与法兰设计xi3.1.3液面计的选择xii3.1.4人孔的结构设计xiii3.1.5螺栓（螺柱）的选择xiii3.1.6垫片的选用xiv3.1.7鞍座设计xiv3.1.8焊接结构设计xvii3.2设备强度设计xix3.2.1壁厚设计xix3.2.2设备的应力校核xix第四部分 设计结果概要或设计一览表xxiii4.1设计材料xxiii4.2设计附件选择xxiii4.3设计尺寸xxiii对本设计的评述xxvi附图（储罐设备装配图）xxvii参考文献xxviii主要符号说明xxix第一部分 设计方案简介本设计是针对化工设备设计这门课程所安排的一次课程设计，是对这门课程的一次总结，要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。本设计的液料为浓硫酸。浓硫酸，俗称坏水，化学分子式为h2so4，是一种具有高腐蚀性的强矿物酸。常用的浓硫酸中h2so4的质量分数为98%，其密度为1.84gcm-3，其物质的量浓度为18.4moll-1。98%时，熔点：10；沸点：338。硫酸是一种高沸点难挥发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。浓硫酸溶解时放出大量的热，因此浓硫酸稀释时应该“酸入水，沿器壁，慢慢倒，不断搅”。浓硫酸在浓度高时具有强氧化性，这是它与普通硫酸或普通浓硫酸最大的区别之一。同时它还具有脱水性，强氧化性，强腐蚀性，难挥发性，酸性，稳定性，吸水性等。设计基本思路：本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。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，合理地进行设计。第二部分 储罐设备设计2.2设计参数的选择2.2.1筒体材料的选择 根据文献1表1-1并结合实际情况，选用筒体材料为碳素合金钢q-235c(钢材标准为文献1)。q-235c适用范围规定如下：容器设计压力；钢板使用温度为0-400；用于壳体时钢板厚度不大于30mm。2.2.2公称直径的确定设筒体直径为d， 筒体长度为l=2d， 选用标准椭圆封头， 则其体积可表示为: 由此可求得，查文献12得标准封头里面没有直径所以粗定。2.1.3设计压力 设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的温度一起作为设计载荷，其值不得低于工作压力。液柱静压力 根据化学化工物性分析手册表3.65查饱和蒸汽压： 工作压力： 设计压力： 计算压力： 2.1.4设计温度设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度 与设计压力一起作为设计载荷条件。设计温度去502.1.5焊接接头系数焊接接头系数是以焊接强度与母材强度之比值表示的。它与焊缝位置焊接方法以及检验等因素有关。文献9中要求受压元件焊缝必须100%无损检测，取系数1.00。设计参数总结如下表1.1表2-1设计数据序号项目数值单位1名称69m3浓硫酸卧式储存槽罐2筒体材料q-235c3设计压力0.1241mpa4设计温度505公称直径3400mm6充装系数0.97工作介质98%浓硫酸8其他要求100%无损检测2.1设备的初步选型及轮廓尺寸的确定2.1.1设备的初步选型主体结构采用卧式圆柱形储罐筒体采用圆柱形筒体封头采用标准椭圆形封头2.1.2设备的轮廓尺寸的确定 设备容积计算1试算:取d3400mm， 封头的结构尺寸（封头结构如下图1）由，得h=h-di4=900-850=50 mm查文献2中表b.1 eha椭圆形封头内表面积、容积，如下表1：查得封头尺寸为:表2-2：eha椭圆形封头内表面积、容积公称直径dn /mm总深度h /mm内表面积a/容积/340090013.05.6表1查得封头5.6由 得l=7214.3mm圆整得 l=7300mm 则误差计算：，符合要求.工作容积为，最终，取液氨储罐的公称直径dn=3400mm，筒体长度l=7300mm；选取eha椭圆形封头：封头eha340020第三部分 储罐设备强度设计和结构设计3.1储罐的结构设计3.1.1 封头设计(1)封头的厚度设计查文献10中表1，得公称直径选用标准椭圆形封头,型号代号为eha，则 2，根据gb150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算： 同上，取c2=2mm， c1=0。封头的设计厚度 圆整后，取封头的名义厚度 ，有效厚度 (2)封头的结构尺寸（封头结构如下图1）由，得 查文献10中表b.1 eha椭圆形封头内表面积、容积，如下表2.1表3-1 eha椭圆形封头内表面积、容积公称直径dn /mm曲面高度hi/mm直边高度h/mm总深度h /mm内表面积容积34008505090013.05.6 图3.1 封头的示意图3.1.2接管与法兰设计查文献5表8.2.2-2pn10带颈对焊焊钢制法兰，选取各管口公称直径，查得个法兰的尺寸。查文献5附录d中表d-3，得各法兰的质量。查文献5表3.2.2，法兰的密封面均采用mfm（凹凸面密封）。图3-2 带颈对焊钢制管法兰示意图体积为71m3的浓硫酸需要在3小时内全部装满，体积流量查表可知浓硫酸的管内流速范围为0.81.2ms，此处流速取v=1ms管径横截面积接管直径圆整后直径计算验证：管径横截面积流速计算流速符合0.81.2ms，所以选用进出管直径管口名称公称直径dn钢管外径法兰焊端外径法兰外径d螺栓孔中心圆直径k螺栓孔直径l螺栓孔数量n(个)螺栓th法兰厚度c法兰颈法兰高度h法兰质量nsh1r出料口100114b200160188m16201286106504进料口100114b200160188m16201286106504液位计口3238b140100184m1618562.666422温度计口2025b10575144m1218402.364401压力表口2025b10575144m1218402.364401排污口8089b200160188m16201053.2106504排空口6576b185145188m1618922.9106452.5表3-2 接管和法兰尺寸 单位mm 3.1.3液面计的选择液面计的种类很多，常用玻璃板液面计。它们都是外购的标准件，只需要选用。玻璃板液面计有三种：透光式玻璃板液面计、反射式玻璃板液面计、视镜式玻璃板液面计。利用连通器原理，通过液面计的玻璃板视窗可以观察容器内部液面位置的变动情况。根据设计要求选用查文献6中选用磁性液面计，型号t,使用压力为pn=2.5mpa, 液面计采用普通型；结构形式：保温型w,钢板q345r. 标准选用hg/t 21584-95. at2.5-w-1450.中心距为l=2000mm,采用带颈法兰dn32。3.1.4人孔的结构设计密封面的选择由于本次设计的介质是高度危害的，查文献7中表3-1，选用凹凸法兰密封面（mfm）法兰。人孔的设计本次设计的储罐设计压力为0.1241mpa，查文献7中，采用回转盖带颈对焊法兰人孔。其明细尺寸见下表： 表3-3 人孔尺寸表 单位：mm密封面型式公称压力pn/mpa公称直径dn总质量kg螺栓尺寸螺母数量螺栓数量凹凸面1.6700222m3021102020b1b2bd0d1d313620024650715h1h226011139024343003.1.5螺栓（螺柱）的选择查文献11中表5.0.7-9和附录中表a.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸：7 表3-4 螺栓及垫片 单位mm管口名称紧固件用平垫圈公称直径螺纹螺柱长h出液口100m169017303进液口100m169017303液位计口32m168517303温度计口20 m12 7513242.5压力表口20 m127513242.5排空口65 m168517303排污口80 m1690173033.1.6垫片的选用查文献6垫片尺寸如表2.4所示 表3-5 垫片尺寸表 单位mm管口名称公称直径内径d1外径d2出液口100110120进液口100110120人孔500580700液位计口324365温度计口202750压力表口202750排污口8089120排空口6577109注：1.选耐酸石棉橡胶板2.垫片厚度均为1.5mm，人孔选3mm。3.1.7鞍座设计 （1）鞍座的选取该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用q235-c。引用(2.1)l=7.2142m 圆取整l=7.3m储罐总质量 筒体质 单个封头的质量：查标准jb/t4746-2002钢制压力容器用封头中表b.2 eha椭圆形封头质量，可知， 充液质量： 附件质量：人孔质量为302kg，其他接管质量总和估为400kg，即综上所述， 则每个鞍座承受的重量为681.69kn 由此查jb4712.1-2007容器支座，选取重型，焊制为b,包角为120，有垫板的鞍座。查jb4712.1-2007表8设计鞍座结构尺寸如下表3.2： 表3-6 鞍式支座结构尺寸 单位mm公称直径dn允许载荷qkn鞍座高度h底板腹板l1b1123400297925024803802222筋 板垫板鞍座质量kgl3b2b33弧长b44e3913354301639506001480795图3-3鞍式支座结构（2）鞍座位置的确定因为当外伸长度a=0.207l时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，面且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸a不超过0.2l值，为此中国现行标准jb 4731钢制卧式容器规定a0.2l=0.2（l+2h），a最大不超过0.25l.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。由标准椭圆封头 故鞍座的安装位置如图2.2所示：图3-4 鞍座的安装示意图此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，jb 4731还规定当满足a0.2l时，最好使a0.5r a，即 ，取a=852mm综上有：a=852mm(a为封头切线至封头焊缝间距离，l为筒体和两封头的总长)3.1.8焊接结构设计(1)压力容器焊接结构设计要求根据文献3焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。（2）筒体焊接接头筒体连接的环向接头采用a类焊缝。焊接方法：采用手工电弧焊，球体采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为y型坡口。根据q235c的抗拉强度=5000mpa和屈服点=325mpa选择e50系列（强度要求：500mpa；400mpa）的焊条，型号为e5018.该型号的焊条是铁粉钛型药皮（药皮成分：氧化钛30%，加铁粉），适用于全位置焊接，熔敷效率较高，其结构如下图y型坡口筒体和封头的焊接：=620 =6070 b=02 p=2 3(3)管法兰与接管的焊接接头管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照文献3,根据公称通经选择相应的坡口宽度结构如附图中为几种常用的管法兰与结接管焊接形式的局部放大图。 (4)接管与壳体的焊接接头本设计除人孔接管带补强圈外其它接管都是不带补强圈的插入式接管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接接头均属t形或角接接头。标准中代号为g2的接头形式，基本尺寸为；，且，它适用于，因为所选接管的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚度为16mm，所以符合要求。选择全焊透工艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。如附图中的局部放大图所示。 带补强圈焊接接头结构=50+5302 b=2+0.5,51,t ,= 8) k0.73.2设备强度设计3.2.1壁厚设计查gb150-1998中表4-1，可得：在设计温度50下，屈服极限强度 ，许用应力利用中径公式计算厚度： 查标准hg20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm，而有gb150-1998中3.5.5.1知，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取。查标准hg20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-5知,在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量不小于1mm,本例取=2mm4则筒体的设计厚度 圆整后，取名义厚度筒体的有效厚度 3.2.2设备的应力校核1压力试验类型耐压试验是在设计压力下对压力容器的检验，在本设计中采用水压试验进行验证。2压力试验校核筒体耐压试验校核1耐压试验压力根据 其中，为耐压试验压力系数，对于钢和有色金属，液压试验是，所以水压试验压力1 ，筒体的薄膜应力1： 液压试验时1，应满足以下公式的要求 ，其中 =0.91235=符合要求。 最终筒体选用材料为q235c的钢板，且厚度为8mm。封头耐压试验校核水压试验压力封头的薄膜应力： 液压试验时，应满足以下公式的要求 ，其中=0.91235=，符合要求。 最终封头选用材料为q345r的钢板，且厚度为20mm。开孔补强开孔补强设计根据文献 3 规定，当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。(1)设计压力小于或等于2.5mpa。(2)两相邻开孔中心的距离（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的2倍。(3)接管公称外径小于或等于89mm。故该储罐中只有dn=500mm的人孔需要补强。补强设计方法判别按文献 3 选用回转盖带颈对焊法兰人孔。开孔直径mm故可以采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用q-235c钢，其许用应力根据gb150-1998中式8-1，其中：壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数所以开孔所需补强面积为 有效补强范围有效宽度b的确定按gb150中式8-7，得： (1）外侧有效高度的确定根据gb150中式8-8，得：(2）内侧有效高度的确定根据文献 13 中式8-9，得：有效补强面积根据文献 8 中式8-10 式8-13，分别计算如下：筒体多余面积接管厚度 接管的多余面积 焊角取6.0mm， 补强面积因为所以开孔不需另加补强第四部分 设计结果概要或设计一览表4.1设计材料筒体封头接管法兰碳素合金钢q235c低合金钢q345r碳素合金钢q235a碳素合金钢q235a人孔鞍座垫片焊条类型碳素合金钢q235c碳素合金钢q235c石棉橡胶板铁粉钛型药皮e50184.2设计附件选择人孔鞍座封头hg21518 mfm dn500 pn0.6jb/t 4712.12007 鞍座 b3400fjb/t 4712.12007 鞍座 b3400sehb 340020q345r jb/t47464.3设计尺寸附件定位 单位：mm进料口距筒体焊接面排空口距进料口温度计口距排空口压力表口距温度计口人孔距右侧筒体焊接面8023503003001200鞍座距筒体焊接面出料口距鞍座两鞍座距离鞍座垫片总长液位计距筒体中心线8021600569624801300筒体主要尺寸 单位：mm筒体长度筒体直径筒体厚度封头厚度封头直边高度7300340082050伸出筒体长度 单位：mm液位口 进料口温度计口压力表口200150150150人孔排污口出料口鞍座400150150250 螺栓及垫片 单位mm管口名称紧固件用平垫圈 公称直径螺纹螺柱长d1d2h出液口100m169017303进液口100m169017303液位计口32m168517303温度计口20 m12 7513242.5压力表口20 m127513242.5排空口65 m168517303排污口80 m169017303管口名称公称直径dn钢管外径法兰焊端外径法兰外径d螺栓孔中心圆直径k螺栓孔直径l螺栓孔数量n(个)螺栓th法兰厚度c法兰颈法兰高度h法兰质量nsh1r出料口100114b200160188m16201286106504进料口100114b200160188m16201286106504液位计口3238b140100184m1618562.666422温度计口2025b10575144m1218402.364401压力表口2025b10575144m1218402.364401排污口8089b200160188m16201053.2106504排空口6576b185145188m1618922.9106452.5接管和法兰尺寸 单位mm 垫片尺寸表 单位mm管口名称公称直径内径d1外径d2出液口100110120进液口100110120人孔500580700液位计口324365温度计口202750压力表口202750排污口8089120排空口6577109第五部分 对本设计的评述压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。近一个星期的浓硫酸储罐设计，可以说是对自己综合知识、能力的挑战。从刚开始设计时的不知所措，到如今的灵活运用。在设计期间我锻炼了很多，也收获了很多！首先，通过浓硫酸储罐的设计，我全面综合的增加及巩固了知识，其次，我对浓硫酸储罐的设计过程有了初步的了解，开始设计的那段时间确实比较痛苦，感觉无从下手。正所谓万事开头难，通过与同学们的讨论合作，我们找到了一种绝处逢生的感觉，有了头绪和思路之后设计就显得水到渠成了。不管是球体、支座、法兰、接管还是螺栓螺柱，每一种结构的设计都需要有相关工具书作指导和标准的参考，设计起来