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k8立式储罐课程设计---二氧化碳立式储罐

发布时间:2020-12-03 13:50

  过程设备设计课程设计过程设备课程设计任务书 一、设计题目:二氧化碳立式储罐 技术特性指标设计压力:1.81MPa 最高工作压力:1.6MPa 设计温度:165 工作温度:125 受压元件材料:16MnR 介质:二氧化碳气体 腐蚀裕量:1.0mm 焊缝系数:0.85 全容积:13m 装料系数:0.9三、设计内容 1、储罐的强度计算及校核 2、选择合适的零部件材料 3、焊接结构选择及设计 4、安全阀和主要零部件的选型 5、绘制装配图和主要零部件图 四、设计说明书要求 1、字数不少于5000 2、内容包括:设计参数的确定、结构分析、材料选择、强度计算及校核、焊接结构设计、标准零部件的选型、制造工艺及制造过程中的检验、设计体会、 参考书目等。 3、设计说明书封面自行设计(计算机打印),要求有设计题目、班级、学 生姓名、指导教师姓名、设计时间。(全班统一) 4、设计说明书用A4 纸横订成册,封面和任务书在前。 过程设备设计课程设计 第一章绪论 1.1储罐的分类 1.2立式二氧化碳储罐设计的特点 1.3设计内容及设计思路 第二章零部件的设计和选型 2.1材料用钢的选取 2.1.1容器用钢....................................................... 2.1.2附件用钢....................................................... 2.2封头的设计 2.2.1封头的选择..................................................... 2.2.2封头的设计计算................................................. 2.3筒体的设计 2.3.1筒体的设计计算................................................. 2.4人孔的设计 2.4.1人孔的选择..................................................... 2.4.2人孔的选取..................................................... 2.5容器支座的设计 2.5.1支座选取....................................................... 2.5.2支座的设计..................................................... 2.5.3支座的安装位置................................................ 10 2.6 接管、法兰、垫片和螺栓的选取 122.6.1 接管的选取.................................................... 12 2.6.2 法兰的选取.................................................... 12 2.6.3 垫片的选取.................................................... 14 2.6.4 螺栓的选取.................................................... 14 第三章 强度设计与校核 163.1 圆筒强度设计 163.2 封头强度设计 163.3 人孔补强设计 17第四章 试验校核 20过程设备设计课程设计 II 4.1 水压试验 204.1.1 试验目的...................................................... 20 4.1.2 试验强度校核.................................................. 20 4.2 气密性试验 21总结 22参考文献 23过程设备设计课程设计 第一章绪论 1.1 储罐的分类 压力储罐的组成部分根据文献 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。 按照国家规定的文献 法规和标准实施监督检查和技术检验。储罐按其制造材质可分为金属罐和非金属罐。在化工、石油化工和石油等工业中储存液化 气以外的原料油主要采用金属储罐,即金属油罐。油罐分类金属油罐可根据油罐 所处位置、几何形状和不同结构形式等几方面来划分。 1、按油罐所处位置划分 分为地上油罐、半地下油罐和地下油罐三种。 (1)地上油罐。指油罐的罐底位于设计标高0.00 及其以上;罐底在设计 标高0.00 以下但不超过油罐高度的1/2,也称为地上油罐。 (2)半地下油罐。半地下油罐是指油罐埋入地下深于其高度的 1/2,而且 油罐的液位的最大高度不超过设计标高0.00 以上0.2m。 (3)地下油罐。地下油罐指罐内液位处于设计标高0.00 以下 0.2m 2、按油罐的几何形状划分按油罐的几何形状可划分为: (1)立式圆柱形罐; (2)卧式圆柱形罐; (3)球形罐; 球形储罐和圆筒形储罐相比:前者具有投资少,金属耗量少, 占地面积少等优点,但加工制造及安装复杂,焊接工作量大,故安装费用较高。 一般储存总量大于 500m 或单罐容积大于200m 时选用球形储罐比较经济,而圆筒形储罐具有加工制造安装简单,安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总储量小于 500m 或单罐容积小于100m 时选用圆筒形储罐比较经济。圆筒形储罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大 多选用卧式圆筒形储罐, 只有某些特殊情况下(站内地方受限制等) 才选用立 式。但本说明书主要讨论立式圆筒形二氧化碳储罐的设计。 过程设备设计课程设计 1.2立式二氧化碳储罐设计的特点 立式储罐,危险性大,容易发生火灾和爆炸事故,必须按照有关文献 立防火、防爆制度,经常进行防火巡查,严格进行消防安全管理,确保消防安全。国家劳动部门把这类设备作为受安全监察的一种特殊设备,并在技术上进行了严 格、系统和强制性的管理,制定了一系列地强制性或推荐性地规范标准和技术法 规,对压力容器的设计、材料、制造、安装、检验、使用和维修提出了相应的要 求,同时为确保其安全可靠,实施了持证设计、制造和检验制度。储罐区防火防 爆应按文献 的监督,因此设计必须严格按照标准进行。二氧化碳,化学式为CO2,碳氧化物之一,是一种无机物,常温下是一种无色 无味气体,密度比空气略大,微溶于水,并生成碳酸。(碳酸饮料基本原理)可 以使澄清的石灰水变浑浊,做关于呼吸作用的产物等产生二氧化碳的试验都可以 用到。 二氧化碳不参与燃烧,密度比空气略大,所以也被用作灭火剂。 二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料,温室中常用二氧化碳作肥 立式二氧化碳储罐,此次设计针对的是第一类压力容器的设计。储罐主要由筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。储罐上设有进料管、出料管、排污 管以及安全阀、压力表等。 1.3 设计内容及设计思路 设计内容: 1、储罐的强度计算及校核 2、选择合适的零部件材料 3、焊接结构选择及设计 4、安全阀和主要零部件的选型 5、绘制装配图和主要零部件图 表1-1 技术特性指标 序号 名称 指标 设计压力MPa 1.81 165过程设备设计课程设计 最高工作压力MPa 1.6 工作介质二氧化碳气体 主要受压元件材料16MnR 焊接接头系数0.85 腐蚀余量mm 1.0 1310 容器内别 第一类 设计思路: 我的设计题目是二氧化碳气体储罐设计,设计压力为1.81MPa,设计温度为 165 首先我根据设计压力、设计温度、介质特性在结合经济性选择了筒体和封头的材料16MnR 以及各附件的材料; 然后进行筒体和封头的设计计算,进行筒体和封头的强度设计与校核; 然后根据文献 式及尺寸;最后根据文献 选择各个接管法兰及其附件。根据自己所设计的参数进行二维装配图、零件图等的绘制、说明书的编写和排版。 过程设备设计课程设计 第二章零部件的设计和选型 2.1 材料用钢的选取 2.1.1 容器用钢 压力容器的使用工况(如温度、压力、介质特性和操作特点等)差别很大, 制造压力容器所用的钢种类很多,既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢,也有 中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢,还有复合钢板。 一般中低压设备可采用采用屈服极限为 245Mpa-345Mpa 级的钢材;直径较 大、压力较高的设备,均应采用普通低碳钢,强度级别宜用 400Mpa 级或以上; 如果容器的操作温度超过400 C,还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。16MnR 钢是屈服强度 340Mpa 级的普通低合金高强度钢,具有良好的综合力 学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊 条(J507),15MnVR 18MnMoNbR钢是屈服强度分别为 400、k8500Mpa 级普通 低合金高强度钢,虽然有较高的强度,但韧性、塑性都较 C-Mn 钢低,且有较高 的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR 钢昂贵。 因此选用16MnR 钢作为筒体与封头的材料,既符合工艺要求也节约资源,以 便获得更好的经济价值 2.1.2附件用钢 优质低碳钢的强度较低,塑性好,焊接性能好,因此在化工设备制造中常用 作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。 优质中碳钢的强度较高,韧性较好,但焊接性能较差,不宜用作接管用钢。 由于接管要求焊接性能好且塑性好。故选择 10 号优质低碳钢的普通无缝钢 管制作各型号接管。 由于法兰与支座必须具有足够大的强度和刚度,以满足连接的条件,使之能 够密封良好,故选用Q235-A 的普通碳素钢。 过程设备设计课程设计 2.2封头的设计 2.2.1 封头的选择 从受力与制造方面分析来看,半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。椭圆形封头深度比半球形封头小得多,易于冲压成型,是 目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大,加工与 焊接方面都要遇到不少困难。根据文献 从钢材耗用量来看,球形封头用材最少,比椭圆形封头节约,平板封头用材最多。因此,从强度、结构和制造方面综合考 虑,采用椭圆形封头最为合理。 2.2.2 封头的设计计算 中表B.1EHA 和B.2 EHA 表椭圆形封头内表 面积、容积,质量,见封头尺寸表2-1。 图2-1 表2-1封头尺寸 公称直 径DN/mm 总深度 H/mm 内表面 质量/Kg 2100 565 5.0443 1.3508 624.6 过程设备设计课程设计 2.3筒体的设计 2.3.1 筒体的设计计算 设计体积 选得容器公称直径mm Di 2100 采用标准椭圆形封头:取直边高度mm 则筒体长度:mm Di 取整后筒体长度取mm 长径比:428 之间,符合条件。2.4 人孔的设计 2.4.1 人孔的选择 压力容器设置人孔是作为工作人员进出设备以进行检验和维修之用,而且能 避免因意外原因造成罐内急剧超压或真空时,损坏储罐而发生事故,还能起 到安全阻火作用,是保护储罐的安全装置。因此,人孔的位置应适当,人孔直 径必须保证工作人员能携带工具进出设备方便。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(人、 手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其筒节的公称直径)、 工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多,选择使 用上有较大的灵活性。通常可以根据文献 需要选择,在这选用回转盖带颈对焊法兰人孔。 过程设备设计课程设计 2.4.2人孔的选取 125及最高压力为1.6MPa 下工作,人孔标准按公称压力 2.5MPa 的压力等级根据文献 [10] 标准适用于公称压力PN 2.5-6.3MPa。又因人孔盖 直径较大且质量较重,故选用回转盖带颈对焊法兰人孔(A 人孔的型式和基本参数见下图2-2A和图2-2B。 图2-2A RF 型人孔主视图 图2-2B RF 型人孔俯视图 过程设备设计课程设计 人孔各部件的材料的选取:(见表2-2)表2-2 人孔各部件的材料 标号 名称 材料 标准 全螺纹螺柱8.8 级35CrMoA HG 20613 级30CrMoHG 20613 法兰16Mn(锻件) HG 20595 垫片缠绕式垫片 HG 20607 法兰盖16MnR HG 20601 把手Q235-AF 支承板16MnR 10 垫圈 100HV GB/T 95 11 Q235-AF12 法兰轴耳(1) Q235-AF 13 法兰轴耳(2) Q235-AF 14 1.螺柱与螺母材料匹配如下:8.8级螺柱配用8 级螺母,35CrMoA 螺柱配30CrMo 螺母。 2.35CrMoA 螺柱使用于工作温度小于或等于-20时,应进行工作温度下的低温冲击试 验,其相应的材料标记代号为35CML。工作温度大于-20时,其标记代号为35CM。 人孔尺寸的选取:(见尺寸表2.3) 表2-3 人孔尺寸 密封面形式 凸面RF 公称压力PN 2.5MPa 公称直径DN 450mm 46mm过程设备设计课程设计 系根据容器的直径不小于人孔的公称直径的二倍而定;如有特殊要求,允许改变,但需注明改变后的 尺寸,并修正人孔总质量。则该人孔标记为: 人孔RF (A.G)450-2.5 HG/T21518-2005 2.5 容器支座的设计 2.5.1 支座选取 支座用来支撑容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。立 式圆筒形容器的支座分为支承式支座、群座、腿式支座三类。由于立式支座承压 能力较好且对筒体产生的局部应力较小,故根据文献 [11] 设计中选用支承式支座。 由于在此设计中,贮罐体积较小且长径比较小,由于是立式容器,故采用三 号支承式支座。2.5.2 支座的设计 首先估算计算支座的负荷。 贮罐总质量: (2-1)式中:m1 为筒体质量(kg),m2 为封头质量(kg),m3 为二氧化碳质量(kg), m4 为附件质量(kg)。 筒体质量m1: mm DN 2100 m1=q1L=874.03.0=2622kg 封头质量m2: mm DN 2100 直边高度h=40mm 的标准椭圆形封头,其质量为 q2=624.6kg。 m2=2q2=1249.2kg二氧化碳质量m3: 20螺母数 40 螺柱规格 M332165 总质量 245kg 过程设备设计课程设计 10 充气质量: kg1000 143508 充液质量为:kg 1302447189 141000 附件质量:人孔约重245kg,其它接口管法兰重约12kg, 257kg。据式(2-1)设备总质量: kg 17152257 13024.7 12492622 560328 由于每个支座承受约56.033kN负荷,根据文献 A型4号支座允许载荷[Q]=100kN。 kN kN 100033 故选用三个A型4号支座。得到支撑式支座尺寸如下表2-4 表2-4 支承式支座座尺寸 公称直径 DN 2100 90垫板 320允许载荷 Q/KN 100 14支座高度 60底板 14螺栓间距 180支座质量 kg 40.3 16螺栓 直径 M24距中心的距离 S2 775 2.5.3 支座的安装位置 支座的安装位置图下图2-3A 和图2-3B: 过程设备设计课程设计 11 图2-3A 支座安装位置主视图 图2-3B 支座安装位置左视图 根据文献 附录C规定,知 支座安装高度500mm(即封头与筒体连接处到 地面的距离)。 则该支座标记为: JB/T 4712.4-2007,支座A4 过程设备设计课程设计 12 2.6 接管、法兰、垫片和螺栓的选取 2.6.1 接管的选取 二氧化碳进气管: 进料管伸进设备内部并将管的一端切成 45 ,为的是避免物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。 采用无缝钢管 YB231- 654mm ,管的一端伸入罐切成 45,管长 305 mm。 配用凸面式板式平焊管法兰 HG/T 20592 法兰 PL 65-2.5 RF Q235A 二氧化碳出气管: 在化工生产中,需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去,并 且获得纯净无杂质的物料。 采用可拆的压出管 654mm,配用凸面式板式平焊管法兰 HG/T 20592 法兰 PL 65-2.5 RF Q235A 排污管: 在清洗贮罐式,为了能够将废液完全排除贮罐外, CO介质会微量腐蚀罐壁 而出现沉淀,故需在筒体底部安设排污管一个。 在罐的最底部设个排污管,规格是 254mm,管端焊有与截止阀相配的管 法兰 HG/T 20592 法兰 PL 25-2.5 RF Q235A 压力表接管: 压力表接口管由最大工作压力决定, ,因此选用采用 153.5mm 无缝钢管, 管法兰采用 HG/T 20592 法兰 PL 15-2.5 RF Q235A 安全阀接口管: 安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的 安全,因此安设一安全阀。安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。 本贮罐选用 574mm 的无缝钢管, 管法兰HG/T 20592 法兰 PL 57-2.5 RF Q235A 接口管中,其选择的条件均在不需要补强的条件之内,因此,以上接口管在 筒体上的开孔不需要补强。 2.6.2 法兰的选取 如图2-4:板式平焊钢制管法兰: 过程设备设计课程设计 13 图2-4 板式平焊钢制管法兰 查文献 [12] 中表8.2.2-1 至8.2.1-5 PN2.5 板式平焊钢制管法兰,选取各管口 公称直径,查得各法兰的尺寸。 查文献 [13] 中附录D 中表D-5,得各法兰的质量。 查文献 [14] 中表3.2.2,法兰的密封面均采用RF(突面密封)。 得求得接管法兰尺寸见下表: 表2-5 接管法兰尺寸表 名称 公称 直径 DN 钢管外径 法兰外径 螺栓Th 法兰 厚度 压力表口15 21.3 18 80 11 M1012 22.5 19 进气口 65 76.1 76 160 14 M1214 77.5 78 安全阀口 50 60.3 57 140 14 M1214 61.5 59 出气口 65 76.1 76 160 14 M1214 77.5 78 排污口 25 33.7 32 100 11 M1014 34.5 33 过程设备设计课程设计 14 2.6.3 垫片的选取 查文献 [15] ,垫片尺寸见表2-6: 表2-6 垫片尺寸(mm) 管口名称公称直径 包覆层内 D1包覆层内径 D3 垫片外径 D4 型号 450480 528 528 压力表口15 22 40 44 进气口65 77 110 116 安全阀口50 61 92 96 出气口65 77 110 116 排污口25 34 60 64 注:1:聚四氟乙烯包覆层材料应符合QB/T3625 中规定的FSB-2 和QB/T 3626 的规定。 2:填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。 3:垫片厚度除人孔垫片厚度为4 外,其他均为3。 2.6.4 螺栓的选取 地脚螺栓(g)选用 Q235-A(钢材标准 GB 700),选得材料的许用应力 ,屈服极限MPa 235 查文献[16] 中表5.0.7-2 和附录中表A.0.1 ,得螺柱的长度见下表2-7: 表2-7 六角头螺栓螺柱及垫片(未注明单位:mm) 公称直 螺纹六角头螺栓螺柱 450M20 120 ZR 2138 15M10 40 SR 1120 65M12 50 SR 1324 2.5 50M12 50 SR 1324 2.5 65M12 50 SR 1324 2.5 过程设备设计课程设计 15 25M10 45 SR 1120 20M24 165 SR 2544 注:1.紧固件质量为每1000件的近似质量; 表2-8 附件质量 2.紧固件长度未计入垫片厚度。 质量kg228 37 60 60 60 45 534 过程设备设计课程设计 16 第三章 强度设计与校核 3.1 圆筒强度设计 其焊接系数已知为 85 ,屈服极限MPa 。根据GB/T 9019-2001 选得容器公称直径为 mm 设计压力MPa 1381 210081 (3-1)查标准文献 7-2知,钢板厚度负偏差为 mm 。并已知腐蚀裕量mm 筒体设计厚度:mm (3-2)筒体名义厚度: mm (3-3)由于钢板厚度范围为 mm 16 ,圆整后保守取mm 筒体的有效厚度mm (3-4)3.2 封头强度设计 查标准文献 中表1,选取公称直径 mm ,选用标准椭圆形封头,型号代号为 EHA,取 525 直边长h=40mm。该容器取其焊接系数为85 。材料的许用应力MPa 屈服极限MPa 1381 210081 查标准文献[18] 7-1知,钢板厚度负偏差为 mm 。并已知腐蚀裕量mm 据式(3-2)计算封头厚度:mm 据式(3-3)计算封头名义厚度:mm 由于钢板厚度范围为mm 16 ,圆整后取与筒体相同的名义厚度mm 过程设备设计课程设计17 据式(3-4)计算筒体的有效厚度: mm 则封头标记为:EHAMnR 16 16 2100 3.3人孔补强设计 为了满足各种工艺和结构上的要求,不可避免的要在容器的筒体或封头上开 孔并安装接管。开孔后,壳壁因除去了一部分承载的金属材料而被削弱,而出现 应力集中现象。为保证容器安全运行,对开孔必须采取适当的措施加以补强,以 降低峰值应力。这里采用补强圈补强,因其结构简单、制造方便、使用经验丰富。 另外,还要考虑人孔补强,确定补强圈尺寸,由于人孔的筒节不是采用无缝钢管, 故不能直接选用补强圈标准。本设计所选用的人孔筒节内径为 mm =12mm查表得人孔的筒体尺寸为 型查得补强圈尺寸为:内径Di=484mm,外径Do=760mm。 开孔补强的有关计算参数如下: 据式(3-1)计算筒体的壁厚: 1381 210081 计算开孔所需补强的面积A:开孔直径: mm 453mm (3-5)有效宽度: mm 50912 取最大值B=907.2mm 有效高度: 外侧高度: mm 7312 mm250 两者取较小值mm 内侧高度mm 7312 接管实际内伸高度两者取较小值0mm 过程设备设计课程设计 18 筒体多余面积A1: 据式(3-3)计算筒体有效厚度: mm 接管多余金属的截面积A2:接管计算厚度: 210081 25616 16

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