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1、设 计 任 务 书课程设计题目： 10液氯储罐设计课程设计要求及原始数据（资料）1、 课程设计要求： 1、使用国家最新压力容器和换热器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。 2、广泛查阅和综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。 3、设计计算尽量采用电算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，正确掌握计算机操作和专业软件的使用。 4、工程图纸要求尽量采用手工绘图。 5、课程设计全部工作由学生本人独立完成。6、按照标准格式编写说明书并装订成册。二、原始数据：设计条件表序号项目数值单位备注1名称液氯储罐2用途液氯储存3最高工作压力由介质温度确定4工作温度-204
2、55公称容积()106工作压力波动情况可不考虑7装量系数（)0.98工作介质液氯（高度危害）9使用地点太原市，室外10安装与地基要求11其他要求课程设计主要内容：1、设备工艺设计2、设备结构设计3、设备强度计算4、技术条件编制5、绘制设备总装配图6、编制设计说明书学生应交出的设计文件（论文）：1、设计说明书一份2、总装配图一张（折合A1图纸一张）绪 论 本设计是针对化工设备机械基础这门课程所安排 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相关设计。 本设计的液料为液氯，它是一种黄绿色油状液体。分子式为Cl2 ,分子量：70.91。沸点-34.6，溶点-103，
3、在常压下即气化成气体，吸入人体能严重中毒，有剧烈刺激作用和腐蚀性，在日光下与其它易燃气体混合时发生燃烧和爆炸，氯是很活泼的元素，可以和大多数元素(或化合物)起反应。液氯为黄绿色的油状液体，有毒，在15时比重为1.4256，在标准状况下，-34.6沸腾。在-101.5时凝固，如遇有水份对钢铁有强烈腐蚀性。液氯为基本化工原料，可用于冶金、纺织、造纸等工业，并且是合成盐酸、聚氯乙烯、塑料、农药的原料。用高压钢瓶包装，净重500kg、1000kg，贮于阴凉干燥通风处，防火、防晒、防热。 液氯不会燃烧，但可助燃。一般可燃物大都能在氯气中燃烧，一般易燃气体或蒸汽也都能与氯气形成爆炸性混合物。氯气能与许多化
4、学品如乙炔、松节油、乙醚、氨、燃料气、烃类、氢气、金属粉末等猛烈反应发生爆炸或生成爆炸性物质。它几乎对金属和非金属都有腐蚀作用。第一章 参数的确定1、设计温度 当元件金属温度不低于0时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金属温度低于0时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。 根据本设计工艺要求，使用地点为太原市的室外，用途为液氨储存，工作温度为-2045,。为保证正常工作，对设计温度留有一定的富裕量，所以取最高设计温度t=50,根据储罐所处环境，最高温度为危险温度，所以选t=50为设计温度。2、设计压力该储罐用于液氯的储存，因此属于常温常压储存，工作压力为相应温度下的饱和蒸
5、汽压，因此，不需设保温层。在设计温度t=50：液氯的密度为；饱和蒸汽压，(根据常用物料物性数据第一册图1-12-7氨的物理性能查得)当内压容器上装有安全泄放装置时，其设计压力应根据不同形式的安全泄放装置确定，装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启时工作的滞后容器不能及时泻压，设计压力不应低于爆破片的爆破力。本设计中的设计压力P设,设计密度第二章 工艺设计1、液氯储罐的设计储存量 据式W= ，求储存量式中：W 储存量，t； 装量系数，已给出； V 储罐的容积； 设计温度下的饱和液体密度，.1) 储罐的容积公称容积 = （a）设 取（a）式得 =已知：，得,圆整得2、储罐的公称直径和长度根据公称容积=
6、.查化工工艺设计手册（上）中的推荐尺寸。取筒体尺寸 查得封头尺寸为（根据补强圈钢制压力容器用封头。 由 圆整得则 符合要求则 3、 储存量 第三章 结构设计结构设计条件表如下： 项目内容备注工作介质 液氯工作压力1.455设计压力 1.6005工作温度-2045设计温度50公称容积/m310计算容积/m310.5工作容积/m39.45装量系数0.9介质密度( t/m3)1.3112材质16MnR保温要求无3.1 各零部件的结构形式 3.1.1 筒体 一、选材及结构 液氯是一种黄绿色油状液体，有毒。根据液氯的物性，碳钢对液氯有良好的耐蚀性，属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材，16
7、MnR钢板比较经济，选16MnR为制造筒体材料，钢板标准GB6654。 筒体结构设计为圆柱形，因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。查钢制压力容器表41钢板许用应力，16MnR的许用应力t列表如下：钢号板厚（）在下列温度()下的许用应力2010015020025030016MnR6161701701701701561441636189189189159157134366015715715715013812560100153153150141128116 二、计算压力Pc 储罐中储存液体最大高度 液柱静压力： P静（max）=g h max=g
8、 D=1311.29.8150010-3=0.02058MPa 5%P设=5%1.6005=0.0800MPaP静（max），则P静可以忽略不计。 Pc=P设=1.6005MPa 三、筒体厚度的计算查钢制压力容器表42，初选厚度625，最低冲击试验温度为-20 ，热轧处理。根据GB6654查的16MnR钢在厚度为616，使用温度-2045时的许用应力t=189Mpa。 选容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊，取焊接接头系数为1.00，100%无损探伤。（过程装备设计）筒体厚度计算：钢板宽度为D=3.141500=4710 ，据过程设备设计可知：钢板厚度大于4000时，允许负偏差达
9、到C1=-0.90。据过程装备设计腐蚀余量C2=21。所以：设计厚度：名义厚度：经圆整取有效厚度：3.1.2 封头1、 封头的结构及选材封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一。从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难。大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大，椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但是对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度，它吸取了蝶形封头深度浅的优点。用冲压发易于成形，制造比球形封头容易。所以选择椭圆形封头，结构有半球面和一圆柱直边段组成。查椭圆形封头标准（JB/T
10、47462002）(补强圈钢制压力容器用封头)。密封面采用环连接面。ENA椭圆封头标准公称直径DN/内表面积A/m2容积V/m3总深度质量kg15002.55680.4860400197.4 封头取与筒体材料一样。 由于选用标准椭圆封头，其a/b=2,k=1,故，Di/2hi=2,即hi=375。 椭圆封头计算厚度：同筒体：C1=-0.9，C2=2。 设计厚度： 名义厚度： 圆整取Sn=10。 有效厚度： 椭圆封头的最大允许工作压力Pw据式水压试验：水压筒体封头公称直径15001500长度L/5400计算压力Pc/1.60051.6005计算厚度/6.3786.365名义厚度n/1010有效厚
11、度e/8.98.9总深度H/400内表面积A/2.5568容积V/9.450,4860曲面高度3753.1.3 法兰、接管、垫片、螺栓的设计1、 法兰、接管、垫片 液氯储罐应设置进口料、出口料、备用口、排气口、人孔液面计口、放净口、安全阀口、压力计口、温度计口。 查化工工艺设计手册得管口公称直径Dg如下表：管口公称直径Dg/进口a排污口b排气口c出口d人孔e液面计口f放净口h安全阀口k压力计口m7080507045015505025查压力容器法兰JB/T47002000表6，据工作温度下的工作压力P=1.455Mpa，最大允许工作压力取1.60MPa，法兰材料选16MnR，公称压力Pg=1.6
12、0MPa。 查过称设备设计，据公称直径和公称压力选对焊法兰。 查过称设备设计表411，密封面选环连接面，垫片形式为缠绕式，材料为0Cr13钢带-石墨带。 根据公称压力Pg=1.6Mpa，且法兰密封面为环连接面查化工工艺设计手册上册表5429得以下数据：Pg=1.6MpaDgmm管子法兰螺栓垫长法兰重量kgdHSDD1D2bh数量直径长度外径内径厚度环连接面液氯进口7076618014512218504M1665122663.23.28排污口8089619516013820528M1670138783.24.22排气口5057416012510216484M1660102493.23.28液氯出
13、口7076618014512218504M1665122663.23.28人孔4504789640585550389520M271205504504.553.4液面计口1518395654214354M125045123.20.691放净口5057416012510216484M1660102493.22.41温度计口25323.5115856814384M125068253.21.06安全阀口5057416012510216484M1660102493.22.41压力计口25323.5115856814384M125068253.21.06 二、螺栓、螺母和垫片据GB/T669-1999螺栓
14、和螺母选用优质钢，25钢，垫片材料为尼龙9。1、 螺栓 选用六角头螺栓全螺纹A级 查机械设计课程设计手册表39，如下表及图所示： 螺栓adwekrsM12505.2516.620.037.50.618M1665622.526.75100.624M2712093845.217141M10454.514.617.776.40.416M201007.528.233.5312.50.8302、螺母 选择I型六角头螺母A级 M1216.60.610.8M1622.50.814.8M27380.823.83、 垫圈 选用平垫片无缺口 (mm） M1213242M1617303M30315643.1.4 人
15、孔结构设计 压力容器开设人孔和手孔是为了检查设备内部空间以及装拆设备的内部零部件。一般当设备的公称直径在900以下时刻根据需要设置适当数量的手孔，超过900时应开设人孔。人孔有圆形和长圆形两种。人孔大小的设置原则是方便人的进出。因此，圆形人孔的公称直径规定为400600，可根据容器直径及所处地区的冷暖程度来选择。当人孔经常需要打开时，可选用快开人孔。此处不选用快开人孔 查JB58464回转盖对焊法兰人孔。相关数据如下表: 型式公称压力Pg/MPa公称直径DgDD1HH1H2Abb1L数量通丝总重kg通丝螺母直径长度A型1.64506405853523009534738422002040M271
16、45200 3.1.5 鞍座选型和结构设计 鞍座是应用的最广泛的一种卧式容器支座，其情况和梁相似，据材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。当尺寸和载荷一定时，多支点在梁内产生应力较小，因此支座数量似乎应该越多越好。但在实际工程中，由于地基的不均匀沉降和制造上得外形偏差，很难保证各支座严格保持在同一水平面上，因而多支座罐在支座处的约束反力并不能均匀分配，体现不出多支座的优点，所以，一般卧式储罐最好采用双鞍座结构。 卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此，容器两端的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力，通常的做法是将一个支座上
17、的地脚螺栓孔做成长圆形的，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座为固定支座。所以，本设计就采用这种支座结构。 鞍座材料选Q235A，加强垫板的材料应与设备壳体材料相同为16MnR. 一、估算鞍座的负荷 计算储罐总重量：式中：筒体质量 单个封头质量 液体质量 附件质量（人孔、接管等） 1、筒体质量 对于16MnR普通碳素钢，取=7.85103 2、封头质量 查补强圈钢制压力容器用封头中EHA椭圆封头标准得：3、充液质量 液氯 水 水液氯 故 液氯 4、附件质量m4. 查化工设备设计手册材料与零部件（上）钢管YB23170得普通无缝钢管常用规格及理论质量。公称直径()外径()壁厚（）内孔截面
18、积（）下列管长之重量200mm液氯进口7076636.321.42排污口8089651.531.68排气口5057419.640.925液氯出口7076636.321.42人孔45047891676.3920.9液面计151831.130.22放净口5057419.640.925安全阀口5057419.640.925压力计口25323.54.910.492温度计口25323.54.910.492则其他接管质量总和为：接管法兰的质量为：附件质量：储罐总重量： 每个鞍座承受的重量为：2、 鞍座型式包角垫板筋板数适用公称直径DN轻型焊制A有410002000查容器支座JB/T4712.12007表3
19、得： ()公称直径DN1500允许载荷270鞍座高度250底板106020012腹板8筋板2401702408垫板弧长1760390870螺栓配置间距900螺孔24螺纹M20孔长40鞍座质量109增加100高度增加的质量12 三、鞍座位置的确定确定原则：1、双鞍座卧式储罐的受力状态可简化为受力均布载荷的外伸简支梁。由材料力学可知，当外伸长度A=0.207时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取A0.2,其中为两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。A0.2=0.2(L+2h)=0.2(5400+225)=1090（其中h为封头直边高度）2、当鞍座临近封头时，封头
20、对支座外的筒体有局部加强作用。为充分利用这一加强效应，在满足A0.2下应尽量使A0.5(为筒体外半径)A0.5=0.5（）=0.5=380 取A=380 3、固定支座通常设置在卧式储罐配管较多的一端，滑动支座则应设置在没有配管或配管较少的另一端。3.2 焊接结构设计 容器受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝、熔合线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的主要部分。焊接接头的形式和坡口形式的设计直接影响到焊接的质量与容器的安全。1、 焊接接头形式 据过称设备设计，筒体、封头拼接及其相互间的连接纵、环焊缝必须采用对接接头，接管与壳体及补强圈之间的焊接用角接焊。2、 坡口形式 坡口形式指被焊两金属件
21、相连接处预先被加工成的结构形式，一般由焊接工艺本身来决定。坡口的基本尺寸为坡口角度，钝边高度（根高）P和根部间隙（根距）b，根据（老师打印的资料表23手工电弧焊常用对接接头坡口形式及尺寸），选择坡口形式为V形。 3. 焊接结构设计（据过程设备设计）不带补强圈的接管与筒体外的焊接结构为全熔透结构或 带补强圈的接管，开孔处的焊接结构为下图所示。且 支座处焊接为角焊接头，非全熔透。 3.3 附件的选择查化工工艺设计手册（上）：1、 安全阀 由于液氯为剧毒，则根据公称压力Pw=16kgf/cm2，由化工工艺手册上册选择弹簧封闭式安全阀（型号CA41H-16C) 公称 直径（mm)外形尺寸(mm)重量(
22、kg)参考 价格 元只doLL1H5040130115340253202、 压力计 压力测量范围，由化工工艺手册上册，选择压力计为YTP-100隔膜式耐蚀压力表，该表示用于环境温度-30o80o条件下：膜片型式测量范围kgf/cm2DD1DOH螺栓数量直径平型0616512575974M163、 液位计 由于储罐高度不很高（3mm以下），物料内没有结晶等易堵塞固体时，可采用玻璃管式或板式液面计。板式液面计比较笨重，且成本高，承压在1.6MPa以下，故液面计选用玻璃管式。（液面计的长度和安装位置应根据最高液面和最低液面的要求来确定）名称压力式温度计型号WTZ-280测量范围-18050精度等级1
23、.5分度特性不均匀刻度安装螺纹M272表壳直径（mm）150 D(mm)157 D1(mm)160 D2(mm)172毛细管长度15000 L（mm)150 L1（mm）2604、 温度计第四章 开孔补强设计 根据GB150，当设计压力小于或等于2.5MPa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的2.5倍，且接管公称直径不大于89mm时，据钢制压力容器中表81另行补强，故改储罐中有DN=450mm的人孔需补强。 补强结构一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于名义厚度、壳体名义厚度不大于38mm的场合 已知：容器直径D=1500mm
24、，采用标准椭圆封头，人孔DN=450mm ，筒体名义厚度，有效厚度，设计压力，补强圈材料一般需与壳体材料相同，故补强圈材料为16Mn，其许用应力，接管材料为20钢，其许用应力为，封头和接管的厚度附加量为2mm，液柱静压力忽略，焊接接头系数。开孔处的壳体计算厚度。4.1补强及补强方法判别4.1.1 补强判别据化工设备设计中表415,允许不另行补强的最大接管外径为89mm，人孔内径，故需另行补强 4.1.2补强计算方法判别 开孔直径开孔直径，满足等面积开孔补强计算的条件，故可选用等面积法进行开孔补强计算。 4.2开孔所需补强面积先计算强度削弱系数， ，接管有效厚度为。开孔所需补强面积按式（491）
25、计算 则开孔所需补强面积A= 4.3有效补强范围 4.3.1有效宽度B 按式（4-91）计算 取大值 故B=956mm 4.3.2有效高度h 外侧有效高度，按式495确定 取小值 故=65.59mm 内侧有效厚度，按式496确定 取小值 故 4.4有效补强面积 4.4.1通体多余金属面积 筒体有效厚度 筒体多余金属面积，按式497计算 4.4.2接管多余金属面积 接管计算厚度 接管多余金属面积，按式498计算 4.4.3接管区焊缝面积 （焊角取6.0mm） 2 4.4.4 故有效补强面积 Ae 4.5所需另行补强面积 拟采用补强圈。 4.6补强圈设计 根据接管公称直径DN=450mm，参照补强
26、圈标准JB/T47362002取补强圈外径=760mm，内径，取。因，补强圈在有效补强范围内。 补强厚度为 考虑钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为 。这样与筒体的名义厚度相等，便于制造是准备材料。 第五章 强度校核5.1 筒体校核内压圆筒校核计算单位压力容器专用计算软件 ? 计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.60MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1500.00mm材料 16MnR(热轧) ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00
27、mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 6.38mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 2010.84Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 1.8188 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 171.42 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 2.00531MPa设计温度下计算应力 st = = 150.85MPastf 189
28、.00MPa校核条件stf st结论 合格5.2封头校核左封头计算计算单位 压力容器专用计算软件 ? 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.60MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1500.00mm曲面高度 hi 375.00mm材料 16MnR(热轧) (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 d = = 6.36mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00mm最小厚度 dmin
29、= 3.00mm名义厚度 dn = 10.00mm结论 满足最小厚度要求重量 197.36 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.01064MPa结论 合格右封头计算计算单位 压力容器专用计算软件 ? 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.60MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1500.00mm曲面高度 hi 375.00mm材料 16MnR(热轧) (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 1.00
30、00计算厚度 d = = 6.36mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dn = 10.00mm结论 满足最小厚度要求重量 197.36 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.01064MPa结论 合格5.3鞍座校核卧式容器（双鞍座）计算单位压力容器专用计算软件 ? 计 算 条 件 简 图 计算压力 pC1.6005MPa 设计温度 t50 圆筒材料16MnR(热轧) 鞍座材料Q235-A 圆筒材料常温许用应力 s189MPa 圆筒材料设计温度下许用应力st189MPa 圆筒材料常温屈服点 ss345MPa 鞍座
31、材料许用应力 ssa140MPa 工作时物料密度 1311.2kg/m3 液压试验介质密度 1000kg/m3 圆筒内直径Di1500mm 圆筒名义厚度 10mm 圆筒厚度附加量 2mm 圆筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 10mm 封头厚度附加量 Ch2mm 两封头切线间距离 5450mm 鞍座垫板名义厚度 8mm 鞍座垫板有效厚度 8mm 鞍座轴向宽度 b200mm 鞍座包角 120 鞍座底板中心至封头切线距离 A405mm 封头曲面高度 375mm 试验压力 pT1.8188MPa 鞍座高度 H250mm腹板与筋板组合截面积 0mm2 腹板与筋板组合截面断面系数0mm3 地震烈度7圆筒平
32、均半径 Ra 755mm 物料充装系数 0.9一个鞍座上地脚螺栓个数1地脚螺栓公称直径0mm地脚螺栓根径0mm鞍座轴线两侧的螺栓间距0mm地脚螺栓材料支 座 反 力 计 算 圆筒质量(两切线间)2029.52kg 封头质量(曲面部分)194.023kg 附件质量2696.77kg 封头容积(曲面部分)4.41786e+08mm3 容器容积(两切线间)V = 1.05145e+10mm3 容器内充液质量工作时, 12408压力试验时, = 10514.5kg 耐热层质量0kg总质量工作时, 17522.3压力试验时, 15628.9kg单位长度载荷28.8956 25.7732N/mm支座反力8
33、5964.4 76675.285964.4N筒 体 弯 矩 计 算圆筒中间处截面上的弯矩工作时= 7.55703e+07压力试验= 6.74042e+07Nmm支座处横截面弯矩操作工况： -2.19354e+06压力试验工况： -1.95651e+06Nmm系 数 计 算K1=0.106611K2=0.192348K3=1.17069K4=K5=0.760258K6=0.0161005K6=0.0132345K7=K8=K9=0.203522C4=C5=筒 体 轴 向 应 力 计 算轴向应力计算操作状态 80.8012 76.9598MPa -5.27762 -0.796424MPa水压试验状
34、态 -4.70493 -0.710363MPa 90.5319 87.1056MPa应力校核许用压缩应力0.00100267根据圆筒材料查GB150图6-36-10 B = 130.773MPa130.773130.773MPa 189 合格|,| 130.773 合格|,| 130.773 合格sT2 ,sT3 0.9ss = 310.5 合格MPa筒体和封头的切应力时(时,不适用)12.9935MPa时圆筒中：封头中：MPa应力校核封头椭圆形封头, 碟形封头, 半球形封头, MPa圆筒封头 t = 0.8 s t = 151.2 MPa圆筒, t t = 151.2 MPa 合格封头, th t h = MPa 鞍 座 处 圆 筒 周 向 应 力无加强圈圆筒圆筒的有效宽度335.55mm无垫板或垫板不起加强作用时在横截面最低点处MPa在鞍座边角处L/R