压力容器课程设计说明书.doc

沈阳航空航天大学 课程设计用纸
1.设计说明
本次课程设计中的压力容器是高效酒精回收装置中的夹套罐。夹套罐由内外两个容器套在一起构成，内置容器是由竖直圆筒和上下两个椭球封头组成的罐体；在罐体的外面有一个比罐体稍大的夹套容器，夹套下部是一个椭球封头，上部在适当高度采用圆弧过渡结构与罐体连接；在罐体和夹套之间形成一个约50mm左右的间隔。
在内置容器上设置有进料口、出料口、搅拌器口、温度表口、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。蒸汽通过入口进入夹套后，对罐体内的酒精溶液进行加热，蒸汽冷凝成水后从冷凝水出口流出。
压力容器设备上共开有11个孔，连接有不同的接管。设备管口情况如表1.1所示：
表1.1 设备管口表
符 号
公称尺寸
用 途
a
Dn
搅拌器口
b
Dn
安全阀口
c
Dn
温度表口
d
Dn
压力表口
e
Dn
安全阀口
f
Dn
蒸汽入口
g
Dn
蒸汽入口
h
Dn
窥镜口
i
Dn
进料口
j
Dn
冷凝水出口
k
Dn
出料口

2.设计参数的选取
2.1设计压力
设计压力是指设定的容器顶部允许达到的最高表压力，对于装有安全阀的压力容器，设计压力P等于或略高于安全阀的开启压力P0，而P0大于或等于1.05～1.10Pw，取P=1.1Pw，其中Pw为工作压力。
求得容器和夹套的设计压力分别为：
罐内的设计压力:
MPa
夹套内的设计压力：
MPa
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，壳壁或元件金属可能达到的最高或最低温度。根据设计条件及上面计算结果可得：
罐内的工作温度为100℃；
夹套内饱和水蒸气的绝对压力(其中;表压力与绝对压力相差)；
查表得：t=167.4℃；圆整后得到t=200℃。
2.3材料的选择及许用应力确定
此压力容器选择Q—235B号钢，该号钢材厚度为4.5—16mm，钢板标准为GB3274， ，此号钢板在100℃时的许用应力，在200℃时许用应力为。
2.4焊缝系数确定
焊缝系数表示由于焊接或焊缝中可能存在的缺陷对结构原有强度的削弱的程度。此处针对的压力容器为钢制容器，采用的接头形式为双面焊或相当于双面焊全熔透的对接焊缝，查表可得焊缝系数。.
2.5厚度附加量确定
附加壁厚包括钢板负偏差C1、腐蚀裕度C2、加工减薄量C3，在压力容器设计中仅考虑C1和C2，故厚度附加量C=C1+C2。腐蚀裕度取mm，C1根据第4、5部分内容具体计算情况选择。

3.几何参数的确定
3.1设备的总体结构
该设备由罐体和夹套两部分组成，底部采用支撑式支座。由内外两个容器套在一起构成，内置容器是由竖直圆筒和上下两个椭球封头组成的罐体；在罐体的外面有一个比罐体稍大的夹套容器，夹套下部是一个椭球封头，上部在适当高度采用圆弧过渡结构与罐体连接。在罐体和夹套之间形成一个50mm左右的间隔。
3.2罐体封头各参数
罐体封头和夹套封头均选标准椭圆形封头，根据罐体的公称直径1400 mm和夹套的公称直径1500mm查《化工容器及设备简明设计手册》可得封头各参数，详见表3.1。
表3.1罐体封头参数

公称直径/ mm
曲面高度/ mm
直边高度/ mm
内表面积/ m2
容积/ m3
罐体封头
1400
350
40
2.29
0.421
夹套封头
1500
375
40
2.62
0.513
3.3罐体的高度及体积
罐体的高度包括筒体的高度和两个封头的高度，筒体的高度取筒体公称直径的两倍，即2800 mm，封头的高度是曲面高度和直边高度之和为390 mm，算出罐体的高度为2800+390×2=3580 mm。
筒体的体积V2= r2H=3.14×0.72×2.8=4.308m3；
罐体的总体积V=V2+2V1=4.308+2×0.421=5.15m3。
3.4夹套的高度计算
根据酒精溶液的高度来确定夹套的高度，并按罐体酒精填充系数0.8来计算。实际的夹套位置要比酒精溶液液面略低10～20mm，此处取20mm。
筒体内酒精溶液体积V3=0.8V-V1=0.8×5.15-0.421=3.699m3
筒体内酒精溶液高度H1==2404 mm
所以夹套筒体高度：
H2=H1-20=2404-20=2384mm
故夹套的高度：
H3=H2+ (375+40) =2384+375+40=2799mm
传热面积计算：
(其中S封头表示罐体封头内表面积㎡)
故m2
3.5搅拌口法兰尺寸确定
根据罐体公称直径选择相应的搅拌器及相关数据，搅拌器的型式选桨式直叶。
搅拌器直径DJ=0.25DN=0.25×1400=350mm
根据《化工容器及设备简明设计手册》，取搅拌器直径DJ=360mm。由此确定搅拌口尺寸应大于360mm，根据《HG20593-1997板式平焊钢制管法兰》取法兰公称通径DN=350mm，由于设计压力为0.55MPa，为了安全起见取法兰压力为0.6MPa，具体参数见下表3.2：
表3.2搅拌口法兰尺寸参数(mm)
公称通径
管子外径
连接尺寸

法兰厚度

法兰内径

法兰理论质量(Kg)
法兰外径
螺栓孔中心圆直径
螺栓孔直径
螺栓孔数量
螺纹
350
377
490
445
22
12
M20
26
381
14.3
根据《化工容器及设备简明设计手册》确定接管(无缝钢管)外径为377mm，壁厚9mm，长度设为100mm，理论质量为8.167Kg。
3.6视镜规格的确定
由于罐体内工作温度为100℃，设计压力为0.55MPa，根据《化工容器及设备简明设计手册》选用一般压力容器视镜，视镜规格参数见下表3.3：
表3.3视镜规格参数(mm)
公称直径DN
公称压力PN/MPa
D
D1
b1
b2
≈H
螺柱
质量/Kg
碳素钢
数量
直径
Ⅰ
100
1.0
200
165
40
26
100
8
M16
12.0
HGJ 501-86-7
视镜可标记为：视镜ⅠPN1.0 DN100 HGJ 501-86-7
3.7其他法兰接口尺寸的确定
(1).温度表、压力表尺寸确定
根据《HG20593-1997板式平焊钢制管法兰》和《化工容器及设备简明设计手册》取法兰公称通径DN=32mm和DN=15mm，压力选0.6MPa，具体参数见表3.4，接管参数见表3.5：
表3.4 温度表、压力表法兰尺寸

公称通径
管子外径
连接尺寸

法兰厚度

法兰内径

法兰理论质量(Kg)
法兰外径
螺栓孔中心圆直径
螺栓孔直径
螺栓孔数量
螺纹
温度表
32
38
140
100
18
4
M16
18
39
1.86
压力表
15
18
95
65
14
4
M12
14
19
0.68
表3.5 接管参数(mm)

管长
接管管径
接管壁厚
质量(Kg)
温度表口接管
100
38
5
0.407
压力表口接管
100
18
3
0.111

(2).进料口、出料口、冷凝水出口尺寸确定
根据罐体公称直径为1400mm，选定进料口、出料口、冷凝水出口接管内径为150mm，根据《化工容器及设备简明设计手册》确定接管外径为159mm，壁厚为4.5mm；设定接管管长为100mm，则接管质量1.714Kg；根据《HG20593-1997板式平焊钢制管法兰》取法兰公称通径DN=150mm，压力选0.6MPa，具体参数见表3.6：
表3.6进料口、出料口、冷凝水出口法兰尺寸
公称通径
管子外径
连接尺寸

法兰厚度

法兰内径

法兰理论质量(Kg)
法兰外径
螺栓孔中心圆直径
螺栓孔直径
螺栓孔数量
螺纹
150
159
265
225
18
8
M16
20
161
5.14

(3).蒸汽入口尺寸确定
根据上面选定的冷凝水出水口接管内径为150mm，蒸汽入口接管内径取前者的，并将值向上圆整得到。根据《化工容器及设备简明设计手册》确定接管外径为89mm，壁厚为7mm；设定接管管长为100mm，则接管质量1.415Kg；根据《HG20593-1997板式平焊钢制管法兰》取法兰公称通径DN=80mm，压力选0.6MPa，具体参数见表3.7：
表3.7 蒸汽入口法兰尺寸
公称通径
管子外径
连接尺寸

法兰厚度

法兰内径

法兰理论质量(Kg)
法兰外径
螺栓孔中心圆直径
螺栓孔直径
螺栓孔数量
螺纹
80
89
190
150
18
4
M16
18
91
2.94

(4).安全阀口尺寸确定
选择安全阀时考虑当罐体失效时夹套罐中的饱和蒸汽泄漏到罐体中这种情况，以此来计算安全阀的排放量G(Kg/h)。
其中，表示夹套罐蒸汽入口流量(m3/s)，表示的是饱和蒸汽的密度(Kg/m3)，查得=7.864 Kg/m3
m3/s
故 Kg/h
根据公式，其中=1
mm2
mm
根据以上数据选择A27H-16微启式安全阀，数据参数见表3.8：
表3.8 安全阀参数
公称通径DN(mm)
尺寸d(mm)
重量(Kg)
80
65
23.5
据此再根据《HG20593-1997板式平焊钢制管法兰》取法兰公称通径DN=80mm，压力选1MPa选择法兰，法兰参数见表3.9：
表3.9安全阀法兰尺寸
公称通径
管子外径
连接尺寸

法兰厚度

法兰内径

法兰理论质量(Kg)
法兰外径
螺栓孔中心圆直径
螺栓孔直径
螺栓孔数量
螺纹
80
89
200
160
18
8
M16
20
91
3.59
根据《化工容器及设备简明设计手册》确定接管(无缝钢管)外径为89mm，壁厚9mm，长度设为100mm，理论质量为1.776Kg。

4.罐体强度设计
4.1罐体筒体内压强度设计
罐体筒体壁厚计算如下：
计算壁厚：mm
设计厚度：mm
名义厚度：mm
有效厚度：mm
应力校核：MPa＜113MPa
故mm符合要求。
4.2罐体封头内压强度设计
罐体封头(标准椭球形封头)壁厚计算如下：
计算壁厚：mm
设计厚度：mm
名义厚度：mm
有效厚度：mm
应力校核：MPa＜113MPa
故mm符合要求
4.3罐体筒体外压稳定性设计
假设筒体的名义厚度为mm，查表得钢板的负偏差C1为0.5mm，腐蚀裕度C2为1mm，则筒体外径mm。
有效壁厚mm
圆筒的计算长度mm
，＞20
根据这两个值查《化工容器及设备简明设计手册》中的图14-2可得系数A为0.000079；再根据图14-4的下方找到A=0.000079的点，此点落在设计温度下材料线的左方，故要选择公式来计算。
由150℃和260℃下的E值分别为2.00×105MPa和1.86×105MPa，可用直线内插法求得200℃下的E值为1.94×105MPa。
所以 MPa＜p=0.66MPa，故须重新假设壁厚。
重新假设mm，重复上述计算步骤，得:
C1=0.8mm, =10.2mm, D0=1400+24=1424mm
，＞20
查表并用直线内插法计算得到A=0.0003794，B=48.2MPa
故有MPa＜0.66MPa，还是不符合要求，考虑到经济成本条件，现在此基础上设置加强圈。
加强圈设置如图4-1所示，仍按名义厚度mm设计，其中L=1009mm，，＞20
查表并用直线内插法计算得到A=0.00122，B=112MPa
故许用外压力MPa＞p=0.66MPa，符合要求，两者较接近，故该外压筒体名义厚度按mm，并设置加强圈。

图4.1加强圈设置示意图
4.4罐体封头外压稳定性设计
假设名义厚度mm，则mm，D0=1424mm，h0=350+12=362mm，，查表得系数K1=0.9
R0=K1D0=0.9×1424=1282mm
，计算系数
再查《化工容器及设备简明设计手册》图14-4，并用直线内插法求得200℃下B=106MPa，故MPa＞p=0.66MPa，两者较接近，故该外压椭圆形封头名义厚度mm符合要求。
综上可得：罐体筒体名义厚度为mm，并设置加强圈；罐体封头名义厚度mm。
5.夹套强度设计
5.1夹套筒体内压强度设计
夹套筒体壁厚计算如下：
计算壁厚：mm
设计厚度：mm
名义厚度：mm
有效厚度：mm
应力校核：MPa＜105MPa
故mm符合要求。
5.2夹套封头内压强度设计
夹套封头(标准椭球形封头)壁厚计算如下：
计算壁厚：mm
设计厚度：mm
名义厚度：mm
有效厚度：mm
应力校核：MPa＜105MPa
故mm符合要求。又＞0.15％Di=2.25mm，故封头厚度合理。
综上可得：夹套筒体和夹套封头名义厚度都设置为mm，符合要求。
6.罐体与夹套连接处的剪切强度设计
6.1罐体质量计算
罐体质量包括筒体和上下两封头的质量。
根据《化工容器及设备简明设计手册》可查得公称直径为1400mm，壁厚为12mm的圆筒体一米高筒节钢板质量为418Kg，故可得筒体质量M1=2.8×418=1170.4Kg；由上面罐体封头内表面积为2.29m2，罐体封头厚度为12mm，所以罐体封头质量M2=2(7.85×103)Kg/m3×2.29m2×0.012m=431.4Kg。
综上罐体总质量M=M1+M2=1170.4+431.4=1602Kg
6.2罐体内介质质量计算
罐体内介质质量按全部被水充满来计算。
罐体体积V=5.15m3(根据前面3.3已求得)
介质质量M3=1.0×103 Kg/m3×5.15 m3=5150Kg
6.3罐体上法兰及其他附属件质量计算
由以上数据可得：
表6.1 罐体上接管及法兰质量
种类
接管(100mm)质量Kg
法兰质量Kg
搅拌器口
8.167
14.3
温度表口
0.407
1.86
压力表口
0.111
0.68
进料口
1.714
5.14
出料口
1.714
5.14
安全阀口
1.776
3.59

表6.1 罐体上附属件质量
种类
质量Kg
视镜
12.0
安全阀
23.5×2=47
综上可得出总质量M4=104Kg
6.4总负荷计算
根据上面算出的质量得：M总=M+M3+M4=1602+5150+104=6856Kg
6.5焊缝连接处环形面积计算
焊缝高度取夹套壁厚的2倍为14mm。
环形面积mm2。
6.6焊缝连接处剪切应力校核
焊缝连接处剪切应力MPa
最大许用应力MPa
显然
故校核通过

7.开孔补强计算
容器在满足如下要求时可以不另行补强：
①设计压力≤2.5MPa。
②两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的两倍。
③接管公称外径≤89mm。
④接管最小壁厚满足表7.1的要求。
表7.1接管最小壁厚条件(mm)
接管公称外径
25
32
38
45
48
57
65
76
89
最小壁厚
3.5
4.0
5.0
6.0
综合上面给出条件并结合实际设计，搅拌器连接口、进料口、出料口、冷凝水出口须进行补强计算。
7.1搅拌器连接口补强面积计算
筒体名义厚度mm，Q-235B钢板在100℃时许用应力为MPa。
⑴因开孔而削弱的金属截面积(A)
筒体计算壁厚mm
接管直径mm
罐体内径mm，设计压力为0.55MPa,工作温度为℃，因壳体与接管采用相同的材料故，其中接管壁厚mm。
需要补强面积：
mm2
⑵补强面积：
筒体的富裕金属截面积A1
mm2
接管的富裕金属截面积A2
接管计算壁厚mm
外侧有效高度：mm
内侧有效高度：
mm2
焊缝金属截面积mm2
补强面积mm2
因为，所以该孔可以不进行补强。
7.2进料口、出料口补强面积计算
筒体名义厚度mm，Q-235B钢板在100℃时许用应力为MPa。
⑴因开孔而削弱的金属截面积(A)
筒体计算壁厚mm
接管直径mm
罐体内径mm，设计压力为0.55MPa,工作温度为℃，因壳体与接管采用相同的材料故，其中接管壁厚mm。
需要补强面积：
mm2
⑵补强面积：
筒体的富裕金属截面积A1
mm2
接管的富裕金属截面积A2
接管计算壁厚mm
外侧有效高度：mm
内侧有效高度：
mm2
焊缝金属截面积mm2
补强面积mm2
因为，所以该孔可以不进行补强。
7.3冷凝水出口补强面积计算
夹套名义厚度mm，Q-235B钢板在200℃时许用应力为MPa。
⑴因开孔而削弱的金属截面积(A)
夹套计算壁厚mm
接管直径mm
夹套内径mm，设计压力为0.66MPa,工作温度为℃，因壳体与接管采用相同的材料故，其中接管壁厚mm。
需要补强面积：
mm2
⑵补强面积(Ae)
夹套的富裕金属截面积A1
mm2
接管的富裕金属截面积A2
接管计算壁厚mm
外侧有效高度：mm
内侧有效高度：
mm2
焊缝金属截面积mm2
补强面积mm2
因为，所以该孔要进行补强。
mm2
⑶确定补强圈的结构尺寸
取补强圈厚度与夹套筒体厚度相同，因为
则补强圈外径为：mm
综上计算可得搅拌器连接口、进料口、出料口都不需补强，只有冷凝水出口需要补强；同理还可计算出视镜口也不需补强。

8.水压试验压力确定
8.1罐体水压试验校核
8.1.1罐体筒体水压试验压力确定
罐体筒体水压试验压力计算公式： ，其中试验温度下材料的许用压力(室温下为113MPa)；为设计温度下材料的许用压力(100℃时为113MPa)；为试验压力系数(根据《化工容器及设备简明设计手册》取值为1.25)。
故MPa
8.1.2罐体封头在水压试验压力下的强度校核
根据椭圆形封头应力校核公式得：
MPa＜=113MPa
故罐体封头在水压试验压力下强度符合要求。
8.1.3罐体筒体在水压试验压力下的稳定性校核
根据4.3节内容筒体在外压作用下许用外压力MPa；而筒体水压试验压力MPa。
由上得出
故罐体筒体在水压试验压力下稳定性校核通过。
8.1.4罐体封头在水压试验压力下的稳定性校核
根据4.4节内容罐体封头在外压作用下许用外压力MPa；而罐体封头水压试验压力MPa。
由上得出
故罐体封头在水压试验压力下稳定性校核通过。
8.2夹套水压试验校核
8.2.1夹套水压试验压力确定
夹套水压试验压力计算公式： ，其中试验温度下材料的许用压力(室温下为113MPa)；为设计温度下材料的许用压力(200℃时为105MPa)；为试验压力系数(根据《化工容器及设备简明设计手册》取值为1.25)。
故MPa
8.2.2夹套筒体在水压试验压力下的强度校核
根据圆筒体应力校核公式得：
MPa＞=113MPa
故夹套筒体在水压试验压力下强度不符合要求，现重新设定夹套筒体名义厚度以达到强度要求。
设夹套筒体名义厚度为10mm，则：
MPa＜=113MPa
故当夹套筒体名义厚度为10mm时强度符合要求。
8.2.3夹套封头在水压试验压力下的强度校核
根据椭圆形封头应力校核公式得：
MPa＞=113MPa
故夹套封头在水压试验压力下强度不符合要求，现重新设定夹套封头名义厚度以达到强度要求。
设夹套封头名义厚度为10mm，则：
MPa＜=113MPa
故当夹套封头名义厚度为10mm时强度符合要求。

9.支座的选取
9.1容器总质量的计算
⑴罐体总质量M总=6856Kg
⑵夹套罐总质量M总1
根据《化工容器及设备简明设计手册》可查得公称直径为1500mm，壁厚为10mm的圆筒体一米高筒节钢板质量为372Kg，故可得筒体质量M1=2.384×372=886.8Kg；查得椭圆形封头质量为209Kg；外加两蒸汽入口接管质量为2.83Kg，两法兰质量为5.88Kg；冷凝水入口接管质量为1.714Kg，法兰质量为5.14Kg
故M总1=886.8+209+2.83+5.88+1.714+5.14=1111Kg
所以容器总质量为M总+ M总1=6856+1111=7967Kg
9.2支座选取
由上面求得的质量可算出载荷为F=Mg=7967×10=79670N=79.67kN。
根据《化工容器及设备简明设计手册》选择3号B型支承式支座，具体参数见表9.1所示：
表9.1 3号B型支承式支座参数(mm)
支座号
支座本体允许载荷kN
适用容器公称直径DN
高度
底板
钢管
垫板
地脚螺栓
D1
支座质量Kg

规格
3
250
1500
350
210
16
159
4.5
220
8
235
24
M20
980
13.8

参考文献
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