化机课程设计模版.docx

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化机课程设计模版

目　录

1液氨贮罐的设计背景3

2液氨贮罐的分类及选型4

2.1贮罐的分类4

2.2贮罐的选型4

3设计温度和设计压力的确定5

4材料用钢的选取6

4.1容器用钢6

4.2附件用钢6

5工艺尺寸的确定7

6强度计算10

6.1筒体的壁厚设计10

6.2封头的壁厚设计10

6.3水压试验10

6.4人孔设计11

6.4.1人孔的选取11

6.4.2人孔补强的确定14

6.5支座16

6.5.1支座的选取16

6.5.2鞍座的计算30

6.5.3鞍座的安装位置34

6.6液面计的选配35

6.7接管和法兰的选配38

7设备总装配图48

7.1化工设备的图示表达特点48

7.2化工设备图的主要内容48

7.3化工设备图中的简化画法49

7.4化工设备总图的绘制50

7.5计算机绘图（AutoCAD）53

7.6图纸的折叠装订54

设计小结55

参　考　文　献56

课程设计要求57

化工容器设计举例58

1液氨贮罐的设计背景

化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。

所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。

然而化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。

因此在容器的设计中应综合考虑个方面的因素，使之达到最优。

液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，还可用作医药和农药的原料。

在国防工业中用于制造火箭、导弹的推进剂，可用作有机化工产品的氨化原料，还可用作冷冻剂，将氨进行分解，分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保护气氛的其它工业和科学研究中。

为能够进行连续的生产，需要有储存液氨的容器，因此设计液氨贮罐是制造贮罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。

2

液氨贮罐的分类及选型

2.1贮罐的分类

贮罐按其形状可分为方形和矩形容器、球形容器、圆筒形容器（立式、卧式）。

按其承压性质可分为内压和外压，内压容器又可分为低压、中压、高压、超高压4个压力等级。

按其工作的温度环境可分为低温、常温、中温、高温容器。

按制造器的材料可分为金属制和非金属制两类。

按其应用情况可分为反应压力容器（R）、换热压力容器（E）、分离压力容器（S）、储存压力容器（C）等。

2.2贮罐的选型

在本设计中由于设计体积较小（约为m3）且工作压力较小（p0=1.6MPa）可采用卧式圆筒形容器，方形和矩形容器大多在很小设计体积时采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力强且节省材料，但制造较难且安装内件不方便；立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱，故选用圆筒形卧式容器。

卧式圆筒形液氨储罐通常由卧式圆筒形筒体和两端的椭圆形封头组成，按照化学生产工艺的要求设置进料口、出料口、放空口、排污口、压力表、安全阀和液面计等。

为了检修方便，还要开设人孔，用鞍式支座支承于混凝土基座上。

3

设计温度和设计压力的确定

罐储存的是经过压缩机压缩后，被冷却水冷凝的液态氨，由于冷却水的温度随气候变化而波动，通常氨被压缩到0.9～4MPa才能被冷却水冷凝。

储罐通常置于室外，罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响，在冬季可达-30℃，在夏季储罐经太阳曝晒后，液氨的温度可达50℃，这时候氨的饱和蒸汽压随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断改变（参考下表3-1）。

表3-1：

液氨的饱和蒸汽压和密度

温　　　度（℃）

50

40

30

20

10

0

-10

-20

-30

饱和蒸汽压（绝压，MPa）

2.07

1.553

1.165

0.856

0.614

0.428

0.291

0.190

0.120

密　　度（kg/m3）

563

580

595

610

625

639

652

665

678

液氨储罐的操作温度通常可取夏季的最高气温50℃（参考表3-2所示）。

为了确保操作安全，我国劳动和社会保障部颁布的《压力容器安全技术监察规程》第25条规定：

临界温度高于50℃的液氨，无保温常温储存，储罐必须安装安全阀，工程中其设计压力不低于安全阀开启压力（参考表3-3所示，安全阀开启压力取1.05～1.10倍工作压力），通常选取为2.07×1.1＝2.16MPa（相当于取50℃时饱和蒸汽压对应的设计压力）。

表3-2　设计温度

介质工作温度

设计温度

Ⅰ

Ⅱ

t＜-20℃

介质最低工作温度

介质工作温度减0～10℃

-20℃≤t≤15℃

介质最低工作温度

介质工作温度减5～10℃

t>15℃

介质最高工作温度

介质工作温度加15～30℃

注：

当最高（低）工作温度不明确时，按表中的Ⅱ确定。

表3-3　设计压力

类　型

设计压力

内压容器

无安全泄放装置

1.0～1.10倍工作压力

装有安全阀

不低于（等于或稍大于）安全阀开启压力（安全阀开启压力取1.05～1.10倍工作压力）

装有爆破片

取爆破片设计爆破压力的上限

出口管线上装有安全阀

不低于安全阀的开启压力加上流体从容器流至安全阀处的压力降

两侧受压的压力容器元件

一般应以两侧的设计压力分别作为该元件的设计压力。

当有可靠措施确保两侧同时受压时，可取两侧最大压力差作为设计压力

真空容器

当有安全阀控制时，取1.25倍的内外压力差，或0.1MPa两者中的较小值。

当没有安全阀控制装置时，取0.1MPa。

4

材料用钢的选取

4.1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，均应采用普通低合金高强度钢，强度级别宜用400MPa级或以上；如果容器的操作温度超过400℃，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。

16MnR钢是屈服强度350MPa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钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为400、500MPa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钢既符合工艺要求，也节约资源，以便获得更好的经济价值。

4.2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、法兰的垫片包皮等。

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。

由于本贮罐使用地点为：

茂名，在夏季最高温度可达50℃，这时氨的饱和蒸气压为2.07MPa（绝对压力）。

由于法兰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，故选用普通低合金高强度钢16MnR（新钢号名称已统一为Q345R）。

5

工艺尺寸的确定

以公称（设计）体积

，公称直径

为例：

●设计体积：

，公称直径：

。

●采用标准椭圆形封头（图5-1），按JB/T4746-2002规定：

取直边高度

。

则由表5-1、表5-2可得

1）单个封头容积：

2）封头总容积：

，则

3）筒体部份容积为：

，则

4）筒体长度：

5）取整后（按百位数）筒体实际长度：

6）所以储罐实际容积为：

。

表5-1　筒体的容积、面积及质量（钢制：

JB/T4746-2002）

公称

直径

DN

1m高的容积

V/

1m高的内表面积

Fi/

1m高筒节质量值/kg

壁　　厚　/mm

3

4

5

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

350

0.096

1.10

26

35

44

400

0.126

1.26

30

40

50

60

79

99

119

450

0.159

1.41

34

45

56

67

500

0.196

1.51

37

50

62

75

100

125

150

175

550

0.238

1.74

41

55

68

82

600

0.283

1.88

45

60

75

90

121

150

180

211

650

0.332

2.04

65

81

97

130

700

0.385

2.20

69

87

105

140

176

213

250

800

0.503

2.51

79

99

119

159

200

240

280

900

0.636

2.83

89

112

134

179

224

270

315

363

408

1000

0.785

3.14

124

149

199

249

296

348

399

450

503

1100

0.950

3.46

136

164

218

274

1200

1.131

3.77

149

178

238

298

358

418

479

540

602

662

1300

1.327

4.09

161

193

258

323

1400

1.539

4.40

173

208

278

348

418

487

567

630

700

770

840

914

986

1058

1500

1.767

4.71

186

223

297

372

446

1600

2.017

5.03

198

238

317

397

476

556

636

720

800

880

960

1040

1124

1206

1800

2.545

5.66

267

356

446

536

627

716

806

897

987

1080

1170

1263

1353

2000

3.142

6.28

296

397

495

596

695

795

895

995

1095

1200

1300

1400

1501

2200

3.801

6.81

322

436

545

655

714

874

984

1093

1204

1318

1429

1540

1650

2400

4.524

7.55

356

475

596

714

834

960

1080

1194

1314

1435

1556

1677

1798

2600

5.309

8.17

514

644

774

903

1030

1160

1290

1422

1553

1684

1815

1946

2800

6.158

8.80

554

693

831

970

1110

1250

1390

1531

1671

1812

1953

2094

3000

7.030

9.43

593

742

881

1040

1190

1338

1490

1640

1790

1940

2091

2242

3200

8.050

10.05

632

791

950

1108

1267

1425

1587

1745

1908

2069

2229

2390

3400

9.075

10.68

672

841

1008

1177

1346

1517

1687

1857

2027

2197

2367

2538

3600

10.180

11.32

711

890

1070

1246

1424

1606

1785

1965

2145

2325

2505

2686

3800

11.140

11.83

751

939

1126

1315

1514

1693

1884

2074

2263

2453

2643

2834

4000

12.566

21.57

790

988

1186

1383

1582

1980

1980

2185

2380

2585

2785

2985

表5-2　EHA椭圆形封头内表面积、容积（钢制：

JB/T4746-2002）

序

号

公　称

直　径

DN

（mm）

总深度

H

（mm）

内　表

面　积

A

（

）

容　积

V

（

）

序

号

公　称

直　径

DN

（mm）

总深度

H

（mm）

内　表

面　积

A

（

）

容　积

V

（

）

1

300

100

0.1211

0.0053

31

2600

690

7.6545

2.5131

2

350

113

0.1603

0.0080

32

2700

715

8.2415

2.8055

3

400

125

0.2049

0.0115

33

2800

740

8.8503

3.1198

4

450

138

0.2548

0.0159

34

2900

765

9.4807

3.4567

5

500

150

0.3103

0.0213

35

3000

790

10.1329

3.8170

6

550

163

0.3711

0.0277

36

3100

815

10.8067

4.2015

7

600

175

0.4374

0.0353

37

3200

840

11.5021

4.6110

8

650

188

0.5090

0.0442

38

3300

865

12.2193

5.0463

9

700

200

0.5861

0.0545

39

3400

890

12.9581

5.5080

10

750

213

0.6686

0.0663

40

3500

915

13.7186

5.9972

11

800

225

0.7566

0.0796

41

3600

940

14.5008

6.5144

12

850

238

0.8499

0.0946

42

3700

965

15.3047

7.0605

13

900

250

0.9487

0.1113

43

3800

990

16.1303

7.6364

14

950

263

1.0529

0.1300

44

3900

1015

16.9775

8.2427

15

1000

275

1.1625

0.1505

45

4000

1040

17.8464

8.8802

16

1100

300

1.3980

0.1980

46

4100

1065

18.7370

9.5498

17

1200

325

1.6552

0.2545

47

4200

1090

19.6493

10.2523

18

1300

350

1.9340

0.3208

48

4300

1115

20.5832

10.9883

19

1400

375

2.2346

0.3977

49

4400

1140

21.5389

11.7588

20

1500

400

2.5568

0.4860

50

4500

1165

22.5162

12.5644

21

1600

425

2.9007

0.5864

51

4600

1190

23.5152

13.4060

22

1700

450

3.2662

0.6999

52

4700

1215

24.5359

14.2844

23

1800

475

3.6535

0.8270

53

4800

1240

25.5782

15.2003

24

1900

500

4.0624

0.9687

54

4900

1265

26.6422

16.1545

25

2000

525

4.4930

1.1257

55

5000

1290

27.7280

17.1479

26

2100

565

5.0443

1.3508

56

5100

1315

28.8353

18.1811

27

2200

590

5.5229

1.5459

57

5200

1340

29.9644

19.2550

28

2300

615

6.0233

1.7588

58

5300

1365

31.1152

20.3704

29

2400

640

6.5453

1.9905

59

5400

1390

32.2876

21.5281

30

2500

665

7.0891

2.2417

60

5500

1415

33.4817

22.7288

注：

对于封头直边高度h的取值，JB/T4746-2002规定：

　　①当DN≤2000时，取h=25mm；　　②当DN＞2000时，取h=40mm。

总深度H＝h＋h1，h1为封头内曲面高度。

图5-1　标准椭圆形封头

5.1人孔设计

5.1.1人孔的选取

为了检查和修理容器内部，在液氨储罐上需要设置人孔。

人孔已标准化，按材料可分为碳钢人孔、低合金钢人孔和不锈钢人孔。

有多种结构形式和法兰密封面形式以适应不同的公称压力和使用场合。

圆形人孔的公称直径有DN400、DN450、DN500、DN600种。

设置情况见（表6-5）。

卧式容器筒体长度≥6000mm时，为了气体置换、采光、检验人员进行内外部检验和出入方便，应考虑在两端各设置1个人孔。

人孔不应该设置在鞍座截面和跨中截面上，也不宜在封头上设置人孔。

人孔尺寸应根据容器直径大小、压力等级、容器内部可拆构件尺寸等因素决定，一般情况下：

●容器直径大于或等于900～1000mm时，选用DN400人孔；

●容器直径大于1000～1600mm时，选用DN450人孔；

●容器直径大于1600～3000mm时，选用DN500人孔；

●容器直径大于3000mm时，选用DN600人孔。

表6-5　　人孔的设置

容器公称直径DN/mm

有内部构件时

无内部构件时

300＜DN＜900

设置设备法兰

设置一个人孔或设置1-2个检查孔

900≤DN＜2600

设置一个人孔

设置一个人孔

DN≥2600

设置二个人孔

设置一个人孔

卧式液氨储罐常用碳钢水平吊盖人孔，这种人孔使用方便，压紧垫片可靠，开启时人孔盖悬挂于吊杆下，避免搬动较重的人孔盖。

碳钢水平吊盖人孔的尺寸、材料和性能可查HG21522～21524-2005标准。

下图6-1、表6-6为碳钢水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG21524-2005）相关参数：

图6-1　碳钢水平吊盖带颈对焊法兰人孔结构图

5.1.2人孔补强的确定

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。

储罐开设人孔，对筒壁的强度削弱很大。

GB150-1998《钢制压力容器》规定在压力容器上开孔适用的开孔范围为：

1.圆筒

（1）当其内径

时，开孔最大直径

，且

；

（2）当其内径

时，开孔最大直径

，且

。

2.凸形封头或球壳的最大开孔直径

；

3.锥壳（或锥形封头）的最大开孔直径

，

为开孔中心处的锥壳内直径。

4.在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。

壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：

1.设计压力

；

2.两相邻开孔中心间距（对曲面间距以弧长算）应不小于两孔直径之和的两倍；

3.接管外径

；

4.接管最小壁厚满足下表6-7要求。

表6-7　接管最小厚度

接管外径mm

25

32

38

45

48

57

65

76

89

最小壁厚

3.5

3.5

3.5

4.0

4.0

5.0

5.0

6.0

6.0

注：

①钢材的标准抗拉强度下限值

时，接管与壳体的连接宜采用全焊透结构型式；

　　②接管的腐蚀裕量为1mm。

当开孔对壳体强度削弱较大，需另行补强时，只要满足下述规定，通常可在筒体外焊接补强圈的方法来补强。

1钢材的标准抗拉强度下限值

；

2补强圈厚度

（

为壳体开孔处的名义厚度，mm）；

3壳体名义厚度

。

补强圈的参数可由JB/T4736-2002查取（结构、参数见图6-2、表6-8），尺寸包括内直径、外径、壁厚及内侧的坡口尺寸，表6-8列出了各种不同接管直径所配用的补强圈外径及质（重）量。

关于补强圈内侧的坡口型式，JB/T4736-2002给出了五种（见图6-2）。

由教材的公式计算补强圈的厚度。

其它接管的直径较小，一般对筒壁的削弱较小，可查教材后确定是否需要另行补强。

图6-2　补强圈结构型式

表6-8　补强圈尺寸系列（JB/T4736-2002）

接管公称直径dN

/mm

外径

/mm

内径

/mm