过程装备课程设计.docx

课 程 设 计

学 院：化学工程学院
专 业：化学工程与工艺
班 级：
姓 名：
目 录
前言 ------------------------------------------------- 1
1 设计方案的确定 ----------------------------------- 3
2 选择材料 ------------------------------------------ 4
3 筒体设计 ------------------------------------------ 4
3.1 筒体高度的确定 -------------------------------- 4
3.2 液体重度的计算 -------------------------------- 4
3.3 槽底压力的计算 -------------------------------- 5
3.4 壁厚的计算 ------------------------------------- 5
3.5 水压试验压力校核验算 ------------------------- 7
4 底盖、顶盖的设计 --------------------------------- 7
5 人孔选择与补强计算 --- 8
5.1 人孔的选择 -------------------------------------- 8
5.2 补强计算 ----------------------------------------- 8
6 接管的选择 ---------------------------------------- 11
7 焊缝形式的选择 ----------------------------------- 12
8 设备质量的计算 ----------------------------------- 14
设计小结 --- 17
符号表 ----------------------------------------------- 19
参考文献 --------------------------------------------- 20
昆明理工大学设计说明书
前言
纸是我国古代科学技术的四大发明之一，它与指南针，火药，印刷术一起，给我国古代文化的繁荣提供了物质技术的基础。早在西汉，蔡伦组织并推广了高级麻纸的生产和精工细作，促进了造纸术发展。
纸在人类的文明发展中有极其重大的意义。通过纸的应用，人类的各种知识得到迅速地传播、妥善地保存，使悠久的历史遗产得到继承，从而推动了人类文化和科技技术的不断发展。
造纸工业已经成为关系到国民经济的许多部门，服务面很广的一个行业，在国民经济中占有一定的地位。随着我国和谐社会建设的发展，人民物质文化上水平的不断提高，纸和纸板所需的品种和数量将日益增长。我国纸产品中大约80％用于生产消费，20％用于生活消费。
一般印刷纸的生产分为纸浆和造纸两个基本过程，制浆就是用机械的方法、化学的方法或者两者相结合的方法把植物纤维原料离解变成本色纸浆或漂白纸浆。造纸则是把悬浮在水中的纸浆纤维，经过各种加工结合成合乎各种要求的纸页。造纸的原料主要是植物纤维，原料中除含有纤维素、半纤维素、木素三大主要成分外,尚有其他含量较少的组分,如树脂、灰份等。此外还有硫酸钠等辅助成分。纸张中除了植物纤维，还需要根据不同纸材添加不同的填料。
进入生产阶段，工艺总要和设备相结合，因此需要设计出适合的设备。制浆造纸中，硫酸盐法或烧碱法制纸浆过程中，洗涤蒸煮后的纸浆的洗涤液为黑液，黑液直接排入江河会造成污染，应进行处理。处理方法是先蒸发浓缩，再经燃烧，可回收纯碱。燃烧生成的热以蒸汽形式回收。大部分无机物在燃烧过程中成为熔融状态，溶解后即成绿液。绿液经石灰乳苛化，澄清后成为白液，可用于配制蒸煮液制纸浆。黑液处理前需要储存的地方，本次设计中我选择设计贮存黑液的贮槽。

1. 设计方案的确定

图1-1
参照上图结构，设计该筒体、顶盖、底盖的材料、厚度、强度以及焊接等技术参数和接管、法兰人孔合理选择，使得该筒体达到贮罐设计要求，保证安全，经济，使本槽具有贮存黑液的作用。
本槽用于造纸工艺的蒸煮工段，用以贮存黑液。
2. 材料选择
设计一台用于贮存黑液的贮槽，由于最高工作压力仅为常压，最高工作温度为70℃，且黑液对设备腐蚀性不大。根据[1]，一般可选Q245R或Q345R，其中Q245R价格便宜，Q345R价格适中且材料综合性能较好。所以选用Q345R制作筒体，同时，顶盖、底盖、封头、接管都选用Q345R合金钢。
3. 筒体设计
3.1 筒体高度的确定
根据储罐的内直径，有效容积。求筒体的高度：
V=π4Di2h
h=4VπDi2=4×85×109π×4500×4500=5347.17mm
为方便制造，选取h标准=5400mm。
3.2 液体重度γ的计算
根据[2] 黑液比重按工程要求可取为1.07-1.10，
在本设计中为了安全起见取为1.10。
根据[3]附录2查得，水的密度：ρ水70℃=977.8kgm3
黑液比重=ρ黑液ρ水
所以ρ黑液70℃=黑液比重×ρ水70℃=1.10×977.8=1075.58kgm3
因此，黑液重度γ=ρ黑液70℃g=1075.58×9.807=10548.21Nm3
3.3 槽底压力的计算
P0

h

P’

图3-1
因为贮罐的顶盖直接与黑液接触，且又是在常压下工作，所以P0=0
p'=P°+γh标准=0+10548.21×5400×10-9=0.057MPa
3.4 壁厚计算
3.4.1 仅考虑强度，进行设计计算
根据[1]可知： δ=pcDi2σtϕ-pc
（1）设计参数确定
pc——计算压力
根据[1]，可知
pc=p+γh=p'=0.057MPa
σt——设计温度下圆筒材料许用应力
由于使用的钢板材料为Q345R，根据[1]附录2查得σt=σ70℃=170MPa。
ϕ——焊接接头系数
根据[1]，选单面焊接，局部探伤，随机检测25%，此情况费用低且符合本设计要求，则ϕ=0.8。
（2）代入计算δ
δ=pcDi2σtϕ-pc=0.057×45002×170×0.8-0.057=0.943mm
腐蚀余量C2：根据工程实际，C2=2mm;
钢板厚度负偏差C1:根据GB150查得，C1=0.3mm;
厚度附加量C=C1+C2=2.3mm。
δd=δ+C2=0.943+2=2.943mm
设计厚度δd加上钢板负偏差量C1后向上圆整得δn=4mm。
3.4.2 考虑刚度影响对壁厚进行修正
在常压下，按照强度公式计算的厚度很薄，会给焊接带来困难。同时，大型容器的厚度不够，会导致刚度不够，易变形。因此设计容器时需保证一个不包括腐蚀裕量的最小厚度来满足刚度的要求。
根据工程实际经验，δmin≥3mm。
可得δmin=8.5mm
δd=8.5+2=10.5mm C1=0.3mm
δd加上钢板负偏差量C1后向上圆整得δn=12mm。
3.4.3 综合考虑强度和刚度，取δn=12mm。
3.5水压试验压力校核验算壁厚
根据[1]，可知
pt=1.25p'σσt
根据[1]附录2，200℃以下[σ]均为170MPa
pt=1.25p'σσt=1.25×0.057×170170=0.071MPa
根据[1]，可知
水压实验强度条件σT=pT[Di+δe]2δe≤0.9×ReL
σT=pT[Di+δe]2δe=pT[Di+（δn-c)]2（δn-c)ϕ=0.071×[4500+(12-2.3)]2×(12-2.3)×0.8=20.6MPa
根据[1]附录2，查得ReL=345MPa
0.9×ReL=0.9×345=310.5MPa
所以σT<0.9ReL,水压实验时安全。
所以设计壁厚是合适的。
4. 底盖、顶盖的设计
由于贮罐为常压设备，顶盖仅与液面相接触，没有内压力作用，而顶盖也仅受液面接触，没有其他压力作用，考虑便于制造，因此可取顶盖，底盖为与筒体相同厚度。
5. 人孔选择与补强计算
5.1 人孔的选择
由于贮罐工作压力为常压，工作温度为70℃是低压，根据[4]表23-1-4选择公称尺寸为DN500的人孔比较合适
列表如下：
表5-1
公称直径DN
dw×S
D
D1
B
b
b1
b2
H1
H2
螺栓、螺母数量
总质量/kg
500
530×6
620
585
300
14
12
12
160
90
20
50.7
容器开孔之后，在孔边附近的局部区域，应力会急速上升到很高数值，这种局部的应力增加现象叫做“应力集中”，压力容器开孔接管后，除了有应力集中现象，再加上接管有时还有其他的外载荷，又由于材质和制造缺陷等各种因素综合作用，开孔接管处就可能成为裂纹源，从而引起裂纹扩展，直至压力容器发生破坏，从而工作时易发生危险。
5.2 开孔补强的设计
根据[1]，可知对于中低压容器可采用如图所示的等面积补强法。

图5-1
不需补强的条件：A1+A2+A3≥A
5.2.1 确定参数
选取人孔与筒体材料相同，则fr=1.0。
由[4]表23-1-4查得管外径为530mm。
di——接管内径 di=530-6×2=518mm
d ——开孔内直径
d=di+2C=518+2×2.3=522.6mm
δ——壳体开孔计算厚度 δ=pcDi2σtϕ-pc=0.943mm
δet——接管有效厚度
δet=δnt-C=6-2.3=3.7mm
C ——厚度附加量 C=2.3mm
B ——有效厚度 B=2d=2×522.6=1045.2mm
或 B=d+2δn+2δnt=522.6+12×2+6×2
=558.6mm
选较大者，则B=1045.2mm
h1——外侧有效厚度 h1=dδnt=522.6×6=56.0mm
或 取实际外伸度h1=160mm
选较小者，则h1=56.0mm
h2——内侧有效高度 因为实际无内伸高度，所以h2=0mm
δe——壳体有效厚度 δe=12-2.3=9.7mm
δt——接管计算厚度
δt=pcd2σtϕ-pc=0.057×522.62×170×0.8-0.057=0.110mm
5.2.2 代入计算
（1）计算壳体开孔后被消弱的面积A
根据[1]查得：
A=dδ+2δδet1-fr=dδ=522.6×0.943=492.8mm2
（2）计算有效补强面积
a.壳体承受内压所需设计厚度之外的多余金属面积A1
根据[1]查得：
A1=B-dδe-δ-2δetδe-δ1-fr=B-dδe-δ=1045.2-522.69.7-0.943=4576.4 mm2
b.接管承受内压所需设计厚度之外的多余金属面积
根据[1]查得:
A2=2h1(δet-δt)fr+2h2δet-C2fr
=2×56.0×3.7-0.110×1=402.1mm2
c.有效补强区内的焊缝金属截面积A3
根据[1]查得: A3=2×12ab=2×12×6×6
=36mm2
5.2.3确定是否补强
因为A1+A2+A3=5014.5mm2>A=492.8mm2，所以不需要补强。
6. 接管的选择
据设计出的筒体厚度和工况（工作压力：常压；工作温度：70℃），本设计方案选择如下接管：
表6-1
公称规格
接管外径壁厚
连接方式
用途
接管长(mm)
PN0.25DN200
ϕ 219×6
平面
黑液出口
150
PN0.25DN100
ϕ 108×6
平面
溢流口
150
PN0.25DN100
ϕ 108×4
平面
黑液进口
150
PN0.25DN300
ϕ 325×8
平面
消沫口
150
PN0.25DN200
ϕ 219×6
平面
黑液进口
200
PN0.25DN100
ϕ 108×4
平面
排污口
400

7. 焊缝形式的选择及设计

图7-1 图7-2

图7-3 图7-4

图7-5

图7-6 图7-7

图7-8 图7-9

8. 设备质量的计算
根据[4]查得，
Q345R钢材的密度ρ=7850kg/m3
筒体的体积计算
V1=π4D02-Di2h-V溢流-V排出-V排污-V人孔==[π4(45242-45002)×5400-π4×1082×12-π4×1082×12-π4×2192×12-π4×5302×12]×10-9=0.915m3
顶盖的体积计算
V2=V顶盖-V进料1V进料2V消沫=[π4×46002×12-π4×1082×12-π4×2192×12-π4×3252×12]×10-9=0.198m3
底盖的体积计算
V3=π4×46002×12×10-9=0.200m3
黑液进口1体积计算V黑1=π41082-1002×150×10-9
=1.960×10-4m3
黑液进口2体积计算V黑2=π42192-2072×200×10-9
=8.030×10-4m3
消沫口的体积计算V消沫=π43252-3092×150×10-9
=1.195×10-3m3
黑液出口的体积计算V排=π42192-2072×150×10-9
=6.022×10-4m3
排污口的体积计算V排污=π41082-1002×400×10-9
=5.225×10-4m3
溢出口的体积计算V溢=π41082-1002×150×10-9
=1.960×10-4m3
筒体的质量M1=V筒体ρ=0.915×7850=7182.75kg
顶盖的质量M2=V顶盖ρ=0.198×7850=1554.3kg
底盖的质量M3=V底盖ρ=0.200×7850=1570kg
黑液进口1的质量M4=V黑1ρ=1.960×10-4×7850
=1.539kg
黑液进口2的质量M5=V黑2ρ=8.030×10-4×7850
=6.304kg
消沫口的质量M6=V消沫ρ=1.195×10-3×7850
=9.381kg
黑液出口的质量M7=V排ρ=6.022×10-4×7850
=4.727kg
排出口的质量M8=V排污ρ=5.225×10-4×7850
=4.102kg
溢出口的质量M9=V溢ρ=1.960×10-4×7850=1.539kg
根据[4]表23-1-4查得
人孔的质量M10=50.7kg
根据[5]表3-2-3查得
DN100板式平焊法兰M11=3.41kg
DN200板式平焊法兰M12=6.85kg
DN300板式平焊法兰M13=11.9kg
所以，贮罐总质量M总=M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7+M8+M9+M10+3M11+2M12+M13
=10421kg

总结
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。通过这次贮槽设计，本人在多方面都有所提高。
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了筒体设计，包括厚度的计算，底盖与顶盖的设计与计算，最后是人孔等接管的选择与补强计算；了解了造纸的工艺；以及如何查找资料。
在设计过程中，不仅考虑计算，还要选择材料，考虑工况、经济等因素，让我们了解到一名设计人员应该怎么做。实验过程中，对团队合作的进行了考察，使我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。同时加上老师耐心的指导与教授，收获颇丰，两个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。
初次设计，由于本人的设计能力有限，在许多方面颇有不足，在设计过程中难免出现错误，恳请读者予以批评与指正，本人将万分感谢。
本次设计中，首先，要感谢的是我们的指导老师，朱孝钦，是他的耐心指引让我们眼前一亮，引领我们看到知识的奇妙，开拓我们的视野；是他的平易近人与亲切让我们更懂得如何团结互助；是他给了我们设计开发过程中的种种困难的勇气，是他的谆谆教导带给我们积极探索的追求。其次，感谢和我一起研究，设计本次黑液贮罐设计的同学，特别是我的室友们，你们为我做好这次课程设计提供了很大帮助。

符号表

- 2 -

V-有效容积 ， m3
h-筒体高度 ， mm
Di-筒体内径 ， mm
γ-液体重度 ， N/kg
ρ-密度 ， kg/m3
p-设计压力 ， MPa
δd-设计厚度， mm
pc-计算压力 ， MPa
σt-材料某温度下的许用应力， MPa
C-厚度附加量， mm
C1-钢板厚度负偏差, mm
C2-腐蚀余量， mm
δ-计算厚度 ， mm
δd-设计厚度 ， mm
pT-液压实验压力 ， MPa
δn-名义厚度, mm
A- 开孔削弱面积 ， mm2
Φ-焊缝系数 ，
δnt-接管名义厚度，mm
g-重力加速度 ， N/kg
δt-接管计算厚度 ， mm
h1-外侧有效高度 ， mm
h2-内侧有效高度 ， mm
d-开孔直径， mm
fr-强度削弱系数，
B-区补强有效宽度 ，mm
di-开孔内直径 ， mm
δe-有效厚度 ， mm

[参考文献]
[1] 朱孝钦.过程装备基础.北京：化学工业出版社，2006
[2] 轻工业部广州轻工业学校、福建轻工业学校.制浆造纸工艺及设备(上册).北京：中国轻工业出版社，1993
[3] 陈敏恒.化工原理.北京：化学工业出版社，2002
[4] 贺匡国.化工容器及设备简明设计手册.第二版.北京：化学出版社，2002
[5] 董大勤、袁凤隐.压力容器与化工设备使用手册.上册.北京：化学工业出版社，2000