锅炉与压力容器课程设计封面及正文教材.docx
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锅炉与压力容器课程设计封面及正文教材
1设计说明
压力容器：
一般泛指在工业生产中用于完成反应、传质、传热、分离和储存等生产工艺过程，并能承受压力载荷（内力、外力）的密闭容器。
早期主要用于化学工业，压力多在10兆帕以下。
合成氨和高压聚乙烯等高压生产工艺出现后，要求压力容器的压力达100兆帕以上 。
随着化工和石油化工等工业的发展，压力容器的工作温度范围越来越宽，容量不断增大，有些还要求耐介质腐蚀。
20世纪60年代开始，核电站的发展对反应堆压力容器提出了更高的安全和技术要求，从而促进了压力容器的进一步发展，广泛应用于各工业部门。
压力容器主要为圆柱形，也有球形或其他形状。
根据结构形式，可分为多层式压力容器，绕板式压力容器、型槽绕带式压力容器、热套式压力容器、锻焊式压力容器和厚板卷焊式压力容器等。
按安装方式分类：
固定式压力容器：
有固定安装和使用地点，工艺条件和操作人员也较固定的压力容器。
移动式压力容器：
使用时不仅承受内压或外压载荷，搬运过程中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击力，以及运输过程带来的外部撞击和振动载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特殊的要求。
压力容器的分类方法很多，从使用、制造和监检的角度分类，有以下几种。
（1）按承受压力的等级分为：
低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器。
（2）按盛装介质分为：
非易燃、无毒；易燃或有毒；剧毒。
（3）按工艺过程中的作用不同分为：
反应容器：
用于完成介质的物理、化学反应的容器。
换热容器：
用于完成介质的热量交换的容器。
分离容器：
用于完成介质的质量交换、气体净化、固、液、气分离的容器。
贮运容器：
用于盛装液体或气体物料、贮运介质或对压力起缓冲作用的容器。
（4）为了更有效地实施科学管理和安全监检，我国《压力容器安全监察规程》中根据工作压力、介质危害性及其在生产中的作用将压力容器分为三类。
并对每个类别的压力容器在设计、制造过程，以及检验项目、内容和方式做出了不同的规定。
其主要工艺参数如表1.1所示。
表1.1主要工艺参数
主要工艺参数
罐内
夹套内
介 质
酒精水溶液
水蒸汽
操作压力（MPa）
1.1
1.2
操作温度（℃）
100
饱和蒸汽温度
公称直径（mm）
1200
1300
容积（m3）
3.28
3.05
传热面积（m2）
9.52
使 用 年 限
15
2设计参数的选取
2.1设计压力
由于在本次设计的容器上装有安全阀，通常设计压力为操作压力的1.05-1.10倍，在本次设计中采用1.10倍的操作压力，即罐内的设计压力为1.21Mpa，夹套内的设计压力为1.32Mpa。
2.2设计温度
设计温度是指容器在正常工作中，在相应设计压力下，金属可能达到的最高或最低温度。
根据设计要求，在1.2Mpa条件下，饱和水蒸气的温度为188℃，因此，设计温度为200℃。
2.3材料的选择及许用应力确定
容器的材料选用16MnR，其在200℃，厚度16-36mm的条件下，许用应力为159MPa，弹性模量为186*103Mpa。
在常温状态下，其许用应力为163MPa。
屈服点σs=235Mpa。
2.4焊缝系数
根据工艺要求，容器采用双面焊或相当于双面焊的全熔透对接焊，并采用大于20%的局部无损探伤，所以，焊缝系数为0.85。
2.5附加厚度
厚度附加量，主要包括两部分1.C1钢板负偏差（如表1.1所示）；C2腐蚀裕度。
C1的选择主要与材料的厚度有关，C2要求厚度大于1mm。
所以厚度附加量在本次设计中选用值为1.5mm。
表2.1钢板厚度负偏差选择表
钢板厚度/mm
3.2-3.5
3.8-4
4.5-5.5
6-7
8-25
负偏差C1/mm
0.25
0.3
0.5
0.6
0.8
3容器的几何参数的确定
3.1描述设备的总体结构
压力容器工作原理：
罐体盛装酒精溶液，罐体上部安装有搅拌装置，使酒精溶液在加热过程中得到均匀搅拌。
在内置容器上设置有进料口、出料口、搅拌器口、压力表口、安全阀口、观察口等工艺接口。
在夹套上设置两个蒸汽入口，夹套的下部设有一个冷凝水出口。
蒸汽进入夹套后，对罐体内的酒精溶液进行加热，蒸汽冷凝成氺后从冷凝水出口流出。
设备开口情况：
压力容器设备上共开有11个孔，连接有不同的接管。
a孔位于内置容器上封头的中心，用于连接搅拌器；b、e孔为安全阀孔，同样位于内置容器上封头上；c、d同样位于内置容器上封头上，c孔用于设置温度表，d孔用于设置压力表。
3.2确定各封头参数
罐体封头为标准椭球形封头，其曲面高度
为内直径的四分之一。
mm,直边高度
为50mm。
3.3筒体高度
罐体高度包括高度和封头高度，圆柱体高度一般为内直径的2倍，即：
（3.1）式中H1为圆柱体高度，mm；Di为罐体直径，mm。
罐体的总高度为
（3.2）
式中h1为椭球封头曲面高度；
h2为直边高度；
H1为圆柱体高度，mm；
根据公式3.1和3.2得罐体高度为3.1m
查相应手册得出圆柱体部分一米高的体积为1.131m3,封头的体积为0.283m3。
罐体总体积=2.4*1.131+0.283*2=3.28m3。
3.4夹套高度
一般来讲，夹套的焊缝高度比液面高度低10mm左右，酒精的填充系数为0.8，可求得酒精的最大体积为2.62m3，则酒精的在圆柱体内的液面高度为2.07m，所以，夹套的圆柱部分高度为2.06m。
夹套总高度为圆柱部分高度与封头部分高度之和为2.76m。
传热面积是指夹套内的罐体表面积，可知，一米高直径为1200mm的圆柱体表面积为3.77m2，封头的表面积为1.75m2。
传热面积为=2.06*3.77+1.75=9.52m2。
3.5搅拌口法兰尺寸的确定
搅拌器为直叶开启涡轮式，其桨叶直径一般为罐体直径的0.2-0.5倍，在本次设计中，选择直叶直径为0.25倍的罐体直径，根据标准选取直径为280mm，内径为298mm。
因此选取公称压力为1.6MPa下的16MnR甲型平焊法兰，其具体尺寸为公称直径DN=300mm，法兰内径328mm，法兰厚度32mm，法兰质量18.9kg。
管子的长度为100mm，壁厚为8mm，质量为0.366kg。
3.6窥镜规格的确定
窥视口处无接管及法兰。
窥视口的外径100mm。
视镜的型号为视镜HGJ501-86-18，视镜的外径D=100mm，D=200,螺柱数量8，M=16质量为12.5kg。
3.7其他法兰接口尺寸的确定
（1）温度计口法兰：
板式平焊法兰（HG20593—97），公称直径DN=80mm，质量为4.57kg。
管子的长度为100mm，壁厚为8mm，接管外径为89mm，质量为0.366kg。
（2）压力表口法兰：
板式平焊法兰（HG20593—97），公称直径DN=80mm，质量为4.57kg。
管子的长度为100mm，壁厚为8mm，接管外径为89mm，质量为0.366kg。
（3）进料口法兰：
板式平焊法兰（HG20593—97），公称直径DN=80mm，质量为4.57kg。
管子的长度为100mm，壁厚为8mm，接管外径为89mm，质量为0.366kg。
（4）出料口法兰：
板式平焊法兰（HG20593—97），公称直径DN=80mm，质量为4.57kg。
管子的长度为100mm，壁厚为8mm，接管外径为89mm，质量为0.366kg。
（5）蒸汽入口法兰：
板式平焊法兰（HG20593—97），公称直径DN=80mm，质量为4.57kg。
管子的长度为100mm，壁厚为8mm，接管外径为89mm，质量为0.366kg。
（6）冷凝水出口法兰：
板式平焊法兰（HG20593—97），公称直径DN=80mm，质量为4.57kg。
管子的长度为100mm，壁厚为8mm，接管外径为89mm，质量为0.366kg。
（7）安全阀口法兰：
安全阀（safetyvalve）：
安全阀类的作用是防止管路或装置中的介质压力超过规定数值，从而达到安全保护的目的。
安全阀是一种安全保护用阀，它的启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高，超过规定值时自动开启，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值。
安全阀属于自动阀类，主要用于锅炉、压力容器和管道上，控制压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用。
本次设计的为蒸汽压力容，可以选用全启式安全阀。
由于设备最高压力为1.32
所以确定安全阀的公称压力为1.6Mpa。
压力容器安全泄放量的计算,本次设计的介质为水蒸汽容器，所以按以下公式计算：
（3.3）
式中Ws压力容器的安全泄放量，㎏/h；
q在泄放压力下气化潜热，
；
F系数，F=1；
受热面积。
由式3.1计算得
0.579t/h
安全阀排量计算公式：
（3.4）式中A为安全阀的流通面积，mm2；
G为安全阀排量，kg/h；
p为安全阀入口蒸汽压力，MPa；
K为安全阀入口处蒸汽比容系数，查表的K=1；
出于安全考虑，安全阀的排量必须大于等于压力容器的安全泄放量，及G≧Ws
其中d为安全阀的流道直径
由上可得d=46.58mm
查表可知，应选用A48Y-16C型安全阀，公称压力1.6Mpa，公称直径Di=80mm，流道直径50mm，适用温度350℃。
安全阀口法兰及接管采用法兰公称通径Di=80，公称压力1.6Mpa，法兰内径91mm，外径111mm，法兰厚度20mm，质量3.59kg。
管子长度100mm，接管壁厚4mm，接管外径为89mm，质量0.356kg。
4罐体强度设计
4.1罐体筒体内压强度设计
罐体筒体部分内压计算的公式为
=
（4.1）
式中
为计算壁厚，mm；Pc为计算压力，MPa；Di为容器内径，mm；
[σ]t为设计温度下材料的许用应力，MPa；
φ为焊缝系数；
d=
+C2（4.2）
n=
d+C1（4.3）
e=
n–C（4.4）
式中
d为设计壁厚，mm；
n为名义壁厚，mm；
e为有效壁厚，mm；
C为壁厚附加量，mm；C=C2+C1；C1为钢板负偏差，mm；
C2为腐蚀裕量，mm；
由公式4.1得
=
=
=5.4
罐体筒体的计算壁厚为5.4mm。
由公式4.2，4.3，4.4得，名义壁厚为7mm。
4.2罐体封头内压强度设计
罐体椭球封头部分内压计算的公式为
=
（4.5）
式中
为计算壁厚，mm；Pc为计算压力，MPa；Di为容器内径，mm；
[σ]t为设计温度下材料的许用应力，MPa；φ为焊缝系数；K=1；
由公式2.7得
=
=
=5.4
罐体椭球封头的计算壁厚为5.4mm。
由公式4.2，4.3，4.4得，名义壁厚为7mm。
4.3罐体筒体外压稳定性设计
罐体筒体部分外压计算的过程为
（4.6）
L=H1+2/3h1（4.7）
[p]=
（4.8）
式中D0为容器外径，mm；Di为容器内径，mm；L为计算长度，mm；
为容器名义壁厚，mm；h1为封头曲面高度，mm；H1为筒体高度，mm；
B为系数，MPa。
假设筒体名义厚度为
n=7mm。
查的C1=0.5，由公式4.6得D0=1214mm，由公式4.4得，
=5.5mm。
由公式4.7得
L=H1+2/3h1=2400+2/3×300=2600mm。
求得L/D0=2.14。
D0/
=220.73，查得A=0.00092，B=116。
由公式4.8得
[p]=
=116/220.73=0.526MPa。
同理，筒体名义厚度为
n=
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