过控专业-课程设计说明书

中 国 矿 业 大 学

课程设计说明书

姓 名： 尤瑛 学 号： 06122718 学 院： 化工学院

专业班级： 过程装备与控制工程 课 程： 过程装备与控制专题设计—机械部分 指导教师： 陈英华

2016 年 1 月

目录

第一章 绪论 ...................................................................................................................................... 1

1.1设计任务 .............................................................................................................................. 1 1.2设计要求及成果 ................................................................................................................... 1 1.3技术要求 .............................................................................................................................. 1 第二章 设计参数确定 ....................................................................................................................... 2

2.1 设计温度 ............................................................................................................................. 2 2.2 设计压力 ............................................................................................................................. 2 2.3材料选择 .............................................................................................................................. 2 2.4腐蚀余量 .............................................................................................................................. 2 2.5焊缝系数 .............................................................................................................................. 3 2.6 许用应力 ............................................................................................................................. 3 第三章 设计计算............................................................................................................................... 3

3.1储罐高度确定 ...................................................................................................................... 3 3.2人孔设计与人孔补强确定 .................................................................................................... 4

3.2.1 人孔的尺寸选择 ....................................................................................................... 5 3.2.2 人孔开孔补强 ........................................................................................................... 5 3.3壁厚计算 .............................................................................................................................. 7 第四章 管口选择 ............................................................................................................................. 7

4.1进料管及管口 ...................................................................................................................... 7 4.2出料口 ................................................................................................................................. 8 4.3排污管 ................................................................................................................................. 8 4.4液面计接口管 ...................................................................................................................... 8

4.5放空管接口管 ...................................................................................................................... 8 4.6鞍座设计 .............................................................................................................................. 8

4.6.1 罐体质量的计算: ..................................................................................................... 9 4.6.2 封头质量的计算： ................................................................................................... 9 4.6.3充液质量 ................................................................................................................... 9 4.6.4附件质量： ............................................................................................................... 9 4.6.5设备总质量 ............................................................................................................. 10 4.6.6鞍座安放位置 ......................................................................................................... 10 4.7阀门选型 ............................................................................................................................ 10

4.7.1 止回阀 .................................................................................................................. 10 4.7.2 闸阀 ....................................................................................................................... 11 4.7.3截止阀 .................................................................................................................... 12

第五章 设计结果 ......................................................................................................................... 13 参考文献 ......................................................................................................................................... 13

第一章 绪论

1.1设计任务

结合管道仪表流程图及设备布置图设计——煤焦化脱硫工段卸碱槽。

表1-1 设计数据

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 项目 设备名称 设备容积： 最大工作压力 贮存介质 物料重度： 工作温度 其他要求 管道压力 卸碱槽 10m 0.3MPa 氨水 0Kg/m 常温 100%无损检测 0.2MPa 331.2设计要求及成果

（1） 根据工艺要求，确定基本设计参数；

（2）根据控制仪表及工艺要求，完成设备管口的设计； （3）根据给定设计参数，完成设备结构设计，包括：

确定容器材质；

确定罐体、封头形状尺寸、壁厚； 确定支座，人孔以及开孔补强情况； （4）完成相关管路上阀门型号的确定 （5）完成设备施工图纸及设计说明书。

1.3技术要求

（一）设备按GBl50-2010《钢制压力容器》进行制造、试验和验收 ；

（二）焊接材料，对接焊接接头型式及尺寸可按GB985-88中规定(设计焊接接头系 数1.0)

（三）焊接采用电弧焊，焊条型号为E4303 ；

（三）壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为100％ 。

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第二章 设计参数确定

2.1 设计温度

设计温度为压力容器的设计载荷条件之一，它是指压力容器在正常的工作条件下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。

由设计条件知，该卸碱槽的的工作温度为常温，故设计温度为25℃。

2.2 设计压力

设计压力P：容器工作时，由于操作参数（如温度、给、排料量等）的波动，其内部压力也相应波动，即使操作参数不变，由于介质的流态和形态不同，容器内不同部位的压力也不相同。与容器强度有关的是最高工作压力。由于压力表通常装在容器的顶部，因此规定在正常操作情况下，容器顶部可能出现的最高工作压力称为工作压力、以pw表示。设计压力P是用于设计压力容器的压力，规定P ≤ Pw。

当内压容器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，装有安全阀的容器，考虑安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不应低于安全阀的开启压力。设计压力应采用最大工作压力Pw的1.05—1.1倍，此次设计取设计压力P=1.05Pw=1.05x0.3=0.315MPa。

2.3材料选择

根据液氨贮罐的工作压力、工作温度和介质的性质可知该设备为一低压常温设备，介质对碳钢有弱腐蚀作用,从耐蚀角度考虑采用含镍不锈钢，但考虑到该设备不属于重要设备，介质对碳钢的腐蚀作用很小，可选用碳钢材料。

考虑的强度指标（指s和b）和塑性指标适合的材料有：A3R、20g、Q345R、15MnVR、20R。为了节省金属，高压设备应优先选取普通低合金钢、中强度。凡属强度计算为主要的中压设备亦以采用普通低合金钢为宜。因为屈服强度分别为 和 的普通低合金钢，其材料价格与碳素钢差不多，但强度比碳素钢约高 ，采用该类钢材制造压力容器，可以有效地减少设备质量，降低成本，给设备的制造、运输、安装带来很大的方便。所以主要考虑Q345R和20R这两种。 如果纯粹从技术角度看，建议选用20R类的低碳钢板，Q345R钢板的价格比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，Q345R钢板为比较经济。因此，此设计的卸碱槽采用Q345R钢板作为制造筒体和封头材料。

2.4腐蚀余量

腐蚀余量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致的厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀余量。

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腐蚀余量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定。查阅相关资料得a=0.1 mm/ y,若该卸碱槽的设计寿命为20年，则腐蚀余量C2=0.1×20=2mm。

2.5焊缝系数

卸碱槽属于中压贮存容器，根据中国《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，氨水属中度毒性介质，容器筒体的纵向焊接接头和封头基本上都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，所以取1.0或0.85常见。

表2-1 钢制压力容器的焊接接头系数φ值

焊接接头形式 双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头 无损检测比例 100% 局部 φ值 1.00 0.85 焊接接头形式 单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴金属的垫板） 无损检测比例 100% 局部 φ值 0.90 0.80

此卸碱槽采用100％无损探伤，故焊接接头系数取1.0。

2.6 许用应力

查《过程设备设计》附录表D-1,得25℃时，Q345R钢材的许用应力表如下：

表2-2 Q345R钢材的许用应力表

钢号 Q345R 厚度/mm 6~16mm >16~36mm >36~60mm 510 500 490 b 345 325 315 =1 MPa

s 许用应力/MPa 1 185 181 即可得25℃时，Q345R钢材的许用应力为

第三章 设计计算

3.1储罐高度确定

根据布置要求，储罐长度不超过7m查表：

表3-1 筒身常量

公称直径DN 1米高容器体积V 2.017 3.142 3.801 1米高容器内表面积Fi 5.03 6.28 6.81 3

1米高容器钢板质量Kg 钢板厚度 10 397 422 446 14 557 695 7 1600 2000 2200 2400 2600

4.524 5.309 7.55 8.17 471 496 833 902 表3-2 封头常量

公称直径DN 1600 曲面高度h1 400 直边高度h0 25 内表面积 F 2.901 容积V 0.586 10 12 14 16 18 2000 500 25 4.493 1.126 10 12 14 2200 590 40 5.5229 1.59 14 224 270 315 362 408 346 416 486 616 厚度 质量G

筒的内径D1i按下式估算

D1i34Vi m (2-2) 式中 V——全容积，m3；

I ——长（高）径比（2~9合理） V=10，I 取3.25

带入计算D=1576mm，取内径为1600mm 由表知，筒体1米高容器体积V12.017m3， 封头的容积为V20.586m3。 利用公式VnV1+2V2 代入， 得：

nV2V21020.5864.384.4m V12.017则总长为L=[2 x(400+25)+4400]mm=5250mm

由于液氨筒体的长径比值为29为合适值，所选的长径比 所以，选用公称直径为1600mm的筒体合适。

L圆整44002.75 Di16003.2人孔设计与人孔补强确定

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3.2.1 人孔的尺寸选择

查参考文献2得，人孔的尺寸如下表：

表3-3 人孔尺寸选择表

本设计选用，公称压力PN=1.0MPa,公称直径DN=450，H1=230mm,RF型密封面，采用第

材料，其中的垫片采用石棉橡胶，垫片的回转盖带颈法兰人孔。

3.2.2 人孔开孔补强

由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准。本设计所选的人孔筒节外径Do=480mm,壁厚8mm,故补强计算如下： 1.补强计算方法判别

开孔直径：ddi2C422468mm

人孔开孔直径d=468mm2PctPcDi0.26316001.11mm

2110.263（2）开孔所需补强面积 强度削弱系数 frtnr1130.5979 1人孔有效厚度 etntC826mm 开孔所需补强面积

Ad2et(1fr)4681.1121.116(10.5979)524.84mm23.有

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效补强范围

（1）有效宽度B

B2d2468936mm

Bd2n2nt4682428492mm取二者较大值，故B=936mm （2）有效高度 外侧有效高度h1

h1dnt468861.19mmh1230mm取二者较小值，故h1=61.19mm 内侧有效高度h2

h2h20dnt468861.19mm

取二者较小值，故h2=0 4.有效补强面积

筒体有效厚度 enC422mm 筒体多余金属面积A1

A1(Bd)(e)2et(e)(1fr)(936468)(21.11)26(21.11)(10.5979) 412.23mm2人孔计算厚度 t2nPctPcdi0.26340.mm

211310.263人孔多余金属面积A2

A22h1(ett)fr2h2(etC2)fr261.19(60.)0.59790 399.51mm2人孔区焊缝面积 A320.56636mm2 有效补强面积

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AeA1A2A3 412.23399.5136

847.74mm2由于有效补强面积Ae大于所需补强面积A，因此不需要补强。

3.3壁厚计算

计算壁厚公式如下：

2pctpcDi=

0.31600=1.27mm

2110.3δd=δ+c2=1.27+2=3.27mm

对于Q345R，钢板的负偏差是C1=0.3mm,δn=δd+c1+Δ=3.27+0.3+0=3.57mm, 因而可取名义厚为4mm。

低合金钢板不包括腐蚀裕量的最小壁厚δmin=3mm，则： δn=δmin+C2=3+2=5mm

由钢材标准规格，名义厚度取为δn=6mm

第四章 管口选择

管子尺寸根据公称直径按下表选择：

4.1进料管及管口

根据PID图可知，进料管为DN80管，选用4mm无缝钢管(强度验算略)。一端切成45°。配用具有突面密封的平焊管法兰。

法兰标记：HG20598 法兰SO80-0.6 RF Q345R。 伸出长度查设计指导书表1-1为150mm。

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4.2出料口

根据PID图可知，出料管为DN32管，用 φ38x3mm的无缝钢管。 法兰标记：HG20598 法兰S032-0.6 RF Q345R。 伸出长度查设计指导书表1-1为150mm。

4.3排污管

根据PID图可知，排污管为DN50管，贮罐左端最底部安设排污管1个，选用的管子规格为φ57*3.5 mm，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的管法兰。 法兰标记: HG24598法兰 S050-0.6 RF Q345R。 伸出长度查指导书表1-1为150mm。

4.4液面计接口管

本贮罐采用两支玻璃管液面计BIWPN=1.6，L=1400，HG-5227-80一支。与液面计相配的接管φ25mm x 2.5mm的无缝钢管。

法兰标记：HG20595 法兰WN32-0.6 RF Q345R。

4.5放空管接口管

根据PID图可知，管为DN50管，选用φ57 x 3.5 mm的无缝钢管。 法兰标记：HG20598 法兰S050-0.6 RF Q345R。 伸出长度查指导书表1-1为150mm 。

4.6鞍座设计

支座的选用注意事项：

1、支座的承重 ：支座设计时必须考虑它可能承受的最大荷重。因此，对用于盛装气体或密度比水小的液体的卧式容器支座，由于进行水压试验的需要，应按支承装满水的容器来设计。

2、支座型式的选择：在一般情况下建议采用鞍式支座支承卧式容器。 3、鞍式支座型式选择： （1） 重型鞍座可满足卧式换热器，介质比重较大或L/D较大卧式容器的要求；轻型鞍座则满足一般卧式容器的使用要求。但容器直径小于1 米鞍座未设轻型结构，原因容器直径太小其重量差别不大。

（2） 当容器直径小于1米时，分带垫板和不带垫板两种。当容器直径小时，有些容器的壁厚裕量较大，可不带垫板；但有些容器壁厚裕量较小或筒体材质与鞍座材质差别较大或容器需热处理等，此时须加垫板；当容器直径大时，一般壁厚裕量较小，需加设垫板，以改善支座处受力状况。

（3） 容器因温度变化，固定侧应采用固定鞍座；滑动侧采用滑动鞍座。固定鞍座一般

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设在接管较多的一侧。采用三个鞍座时，中间鞍座宜选固定鞍座，两侧鞍座可选滑动鞍座。

安装位置 :鞍座应尽可能靠近封头，鞍座距封头切线距离应小于或等于D0/4 且不宜大于0.2倍的筒体长度。 储罐总质量：

mm1m2m3m4

式中：m1——罐体质量 m2——封头质量

m3——充液质量 m4——附件质量 4.6.1 罐体质量的计算:

罐体质量m1，筒节 DN1600mm，δn=6mm 。

3V2.017m1查指导书表6得：每米质量为q1=238Kg/m，;

故 m1= q1 L=238 4.4=1047.2 Kg 4.6.2 封头质量的计算：

封头质量m2：DN1600mm，δn=6mm 查指导书表5得：

m3 其质量为q2229.63kg/m，V21.59故： m22q22229.63kg459.26kg 4.6.3充液质量

m3V

式中：V——储罐容积

——水的密度为1000kg/m3 故：

m310001010000kg 4.6.4附件质量：

人孔质量为181kg，其他接管总和按300kg计，故：

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m4500.0kg 4.6.5设备总质量

mm1m2m3m41746.8459.261000050012706kg。 M=m1+m2+m3+m4=1047.2+459.26+10000+500=12006.46 Kg

每个鞍座只约承受负荷60.03KN负荷，所以选用轻型垫板，包角120度的鞍座，即：

JB/T74712-92鞍座A1600-F； JB/T74712-92鞍座A1600-S。

4.6.6鞍座安放位置 筒体长度：L02AL1。 式中：L1——两鞍座间距离

A——鞍座与封头切线之间距离

由于筒体L/D较大，且鞍座所在平面又无加强圈，取

A0.25Di0.251600400mm L1L02A440024003900mm

4.7阀门选型

从工艺流程图可以知道需用阀门的设计压力、设计温度和所接触介质的性质。由

工艺图可知，出料管b设一个止回阀和一个切断闸阀；旁通管线c设一个切断闸阀；排污管设一个截止阀，共计四个阀门。本系统所选的阀门的压力等级大都偏高，这是因为压力等级在1.0MPa以下的阀门规格很少。所以，当管道工作压力较低时，实际选用的阀门公称压力往往高于需要的公称压力等级。在管道设计中选用法兰时要特别注意使之与阀门上的法兰连接尺寸一致。 4.7.1 止回阀

止回阀按结构可分为升降式和旋启式两种 。

升降式止回阀较旋启式止回阀的密封性好，流体阻力大，卧式的宜装在水平管线上，立式的应装在垂直管线上；旋启式止回阀不宜制成小口径阀门。它可装在水平、垂直或倾斜的管线上。如装在垂直管线上，介质流向应由下向上，分析本系统的工艺流程，选

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用旋启式止回阀，阀门型号为：H44J-0.6。

表4-1 止回阀选型表

4.7.2 闸阀

闸阀的密封性能较截止阀好，流体阻力小，具有一定的调节性能 。闸阀可按阀杆上螺纹位置分为明杆式和暗杆式两类。从闸板的结构特点又可分为楔式与平行式两类 。分析本系统的工艺流程，选用明杆楔式双闸板闸阀：Z42W-16A

表4-2 闸阀选型表

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4.7.3截止阀

截止阀与闸阀相比，其调节性能好，密封性能差，结构简单，制造维修方便，流体阻力较大，价格便宜。适用于蒸汽等介质，不宜用于粘度大、含有颗粒易沉淀的介质，也不宜作放空阀及低真空系统的阀门 ，分析本系统的工艺流程，选用截止阀：J41W-16

表4-3 截止阀选型表

所选的阀门汇总表如下：

表4-4 本工艺流程中阀门所在管道的有关参数及选型

序号 1 CA82502--50 质 残夜 设计压力/Mpa 0.315 设计温度/℃ 25 公称直径 150 连接形式 法兰、螺纹 2 CA82502--65 残夜 0.315 25 150 法兰、螺纹 3 CA82502--65 残夜 0.315 25 150 法兰、螺纹 4 DR82504-50 放净液 0.315 25 150 法兰 明杆楔式双闸板闸阀：Z42W-16A 截止阀：J41W-16 阀门的选型 阀门型号 明杆楔式双闸板闸阀：Z42W-16A 旋启式止回阀：H44J-0.6 所在管道编号 管内介

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第五章 设计结果

经过上面的初步设计，设计结果如下：

设计参数 项目 筒体 封头 壁厚 筒径 人孔 鞍座 进料管 出料管 排污管 放空管 旁通管 液面计接口管 形式 薄壁 标准封头 名义壁厚 内径（直径） 公称直径 包角为120度 管口直径 管口直径 管口直径 管口直径 管口直径 管口直径 长度/m 4400 H1=400 δn=6mm Di=1600 DN=450 L1=3900 φ φ42.4 φ60.3 φ60.3 φ60.3 φ18mm 补充 Di=1600 直边Hi=40 伸出长度H1=230mm 选用轻型垫板 伸出长度H1=150mm 伸出长度H1=150mm 伸出长度H1=150mm 伸出长度H1=150mm 伸出长度H1=150mm 伸出长度H1=150mm

参考文献

[1]《过程装备成套技术设计指南》，黄振仁.化学工业出版， 2003.3 [2] 过程装备成套技术设计指导资料， 陈英华.

[3] 《过程设备设计》，郑津洋，董其伍，桑芝富等主编.化学工业出版社.

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