化工设备课程

第一部分 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1.84g·cm-3，其物质的量浓度为18.4mol·L-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50℃ 2.1.5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-235C 3 设计压力 0.1241 MPa 4 设计温度 50 ℃ 5 公称直径 3400 mm 6 充装系数 0.9   7 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D＝3400mm， 封头的结构尺寸（封头结构如下图1） 由 ，得h=H-Di／4=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 / 3400 900 13.0 5.6         表1查得Ｖ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EHA3400×20 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 ， 。 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A/ 容积 / 3400 850 50 900 13.0 5.6             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0.8～1.2 ，此处流速取 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0.8～1.2 ，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 N S H1 R 出料口 100 114B 200 160 18 8 M16 20 128 6 10   6 50 4 进料口 100 114B 200 160 18 8 M16 20 128 6 10   6 50 4 液位计口 32 38B 140 100 18 4 M16 18 56 2.6 6   6 42 2 温度计口 20 25B 105 75 14 4 M12 18 40 2.3 6   4 40 1 压力表口 20 25B 105 75 14 4 M12 18 40 2.3 6   4 40 1 排污口 80 89B 200 160 18 8 M16 20 105 3.2 10   6 50 4 排空口 65 76B 185 145 18 8 M16 18 92 2.9 10   6 45 2.5                                   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 ①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。 ②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 1.6 700 222 M30×2×110 20 20 b1 b2 B d0 D1 D 31 36 200 24 650 715 A d b L   260 111 390 24 34 300                 3.1.5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 100 M16 90 17 30 3 进液口 100 M16 90 17 30 3 液位计口 32 M16 85 17 30 3 温度计口 20 M12 75 13 24 2.5 压力表口 20 M12 75 13 24 2.5 排空口 65 M16 85 17 30 3 排污口 80 M16 90 17 30 3                 3.1.6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 100 110 120 进液口 100 110 120 人孔 500 580 700 液位计口 32 43 65 温度计口 20 27 50 压力表口 20 27 50 排污口 80 89 120 排空口 65 77 109         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BⅠ,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 3400 2979 250 2480 380 22 22 筋 板 垫板 鞍座 质量kg 弧长 391 335 430 16 3950 600 14 80 795                     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A≤0.2L=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A≤0.2L时，最好使A≤0.5R 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：δ=6~20  α=60~70  b=0~2  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 β =50°+5° ＝30°±2°  b =2+0.5, ＝5±1, ＝δt , = ﹙ ≤8)  k ＝0.7 3.2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 =2mm[4] 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 =0.9 1 235= 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 =0.9 1 235= ，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卧式储罐设计尺寸 直径（mm） 筒体长度（mm） 封头曲面高度（mm） 封头直边长度（mm） 3400 7300 850 50         4.2支座设计尺寸    公称 直径DN 允许 载荷QKN 鞍座 高度h 底板 腹板 3600 3020 250 2640 380 22 22 筋 板 垫板 鞍座 质量kg 弧长 420 335 430 16 4180 740 14 140 912                     4.3人孔及附件设计 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 1.6 700 222 M30×2×110 20 20 B D 31 36 200 24 650 715 A d b L   260 111 390 24 34 300                 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 出液口 100 M16 90 17 30 3 进液口 100 M16 90 17 30 3 液位计口 32 M16 85 17 30 3 温度计口 20 M12 75 13 24 2.5 压力表口 20 M12 75 13 24 2.5 排空口 65 M16 85 17 30 3 排污口 80 M16 90 17 30 3                   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 法兰质量                   N S H1   R H   出料口 100 114B 200 160 18 8 M16 20 128 6 10   6 50 4 进料口 100 114B 200 160 18 8 M16 20 128 6 10   6 50 4 液位计口 32 38B 140 100 18 4 M16 18 56 2.6 6   6 42 2 温度计口 20 25B 105 75 14 4 M12 18 40 2.3 6   4 40 1 压力表口 20 25B 105 75 14 4 M12 18 40 2.3 6   4 40 1 排污口 80 89B 200 160 18 8 M16 20 105 3.2 10   6 50 4 排空口 65 76B 185 145 18 8 M16 18 92 2.9 10   6 45 2.5                                 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 100 110 120 进液口 100 110 120 人孔 500 580 700 液位计口 32 43 65 温度计口 20 27 50 压力表口 20 27 50 排污口 80 89 120 排空口 65 77 109         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，设计起来的工作量很大。 通过这次设计我熟练应用了学过的知识，这既是对学过知识的一种检测，也是一种能力的提升。我还练习使用了office，AuToCAD等软件，这无疑又多学习了知识。 在本次设计中，我们不断的提出问题、改正问题，在指导老师的认真指导下，我们完成了浓硫酸储罐设计。最后要感谢指导老师的指导和同学的合作。 第六部分 附图（储罐设备装配图） 第七部分 参考文献 [1]郑津洋、董其伍、桑芝富，《过程设备设计》，化学工业出版社，2001 [2] 国家经济贸易委员会，JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》，2002 [3]国家质量技术监督局，GB150-2011《压力容器》，中国标准出版社，2011 [4]中国石化集团上海有限公司，《化工工艺设计手册》，化工工业出版2009 [5]国家质量技术监督局，《固定式压力容器安全技术监察规程》，中国劳动社会保障出版社，1999 [6]中华人民共和国工业和信息化部，HG2059～2009《钢制管法兰》，2009 [7] 中华人民共和国工业和信息化部,HG/T21514-2005《钢制人孔和手孔》,2005 [8]中华人民共和国国家发展和改革委员会，JB/T4712-2007《容器支座》，2007 [9]全国化工设备设计技术中心站，《化工设备图样技术要求》，2000 [10] JB/T4746-2002    《钢制压力容器用封头》 [11] HG/T 20613-2009 《钢制管法兰用紧固件》 [12] JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》 第八部分 主要符号说明 —筒体多余面积，mm2； —接管多余面积，mm2； —焊角面积，mm2； C—厚度附加量，mm； —材料厚度负偏差，mm； —腐蚀裕量，mm； —圆筒的内直径，mm； —开孔直径，mm； —人孔直径，mm； —接管厚度，mm； —接管有效厚度，mm； —名义厚度，mm； —设计厚度，mm； —计算厚度，mm； —开孔所需补强面积，mm2； —补强面积，mm2； —人孔有效宽度，mm； —外侧有效高度，mm； —内侧有效高度，mm； —筒体质量，Kg； —单个封头质量，Kg； —充装液体质量，Kg； —附件质量，Kg； —强度削弱系数； —封头薄膜应力，MPa； P—设计压力，MPa； —水压试验压力，MPa； —工作压力，MPa； —耐压试验压力系数； —屈服极限强度，MPa； —许用应力，MPa；