化工设备设计基础课程设计计算说明书(doc 16页)
《化工设备设计基础》
课程设计计算说明书
学生姓名:学号:
所在学院:
专业:
设计题目:
指导教师:
2011年月日
一、设计任务书
1、设计题目
根据《化工原理》课程设计工艺计算内容进行填料塔(或板式塔)设计。
设计题目:
各个同学按照自己的工艺参数确定自己的设计题目:填料塔(板式塔)DNXXX设计。
例:精馏塔(DN1800)设计
2、设计任务书
2.1设备的总体设计与结构设计
(1)根据《化工原理》课程设计,确定塔设备的型式(填料塔、板式塔);
(2)根据化工工艺计算,确定塔板数目(或填料高度);
(3)根据介质的不同,拟定管口方位;
(4)结构设计,确定材料。
2.2设备的机械强度设计计算
(1)确定塔体、封头的强度计算。
(2)各种开孔接管结构的设计,开孔补强的验算。
(3)设备法兰的型式及尺寸选用;管法兰的选型。
(4)裙式支座的设计验算。
(5)水压试验应力校核。
2.3完成塔设备装配图
(1)完成塔设备的装配图设计,包括主视图、局部放大图、焊缝节点图、管口方位图等。
(2)编写技术要求、技术特性表、管口表、明细表和标题栏。
3、原始资料
3.1《化工原理》课程设计塔工艺计算数据。
3.2参考资料:
[1] 董大勤.化工设备机械基础[M].北京:化学工业出版社,2003.
[2] 全国化工设备技术中心站.《化工设备图样技术要求》2000版[S].
[3] GB150-1998.钢制压力容器[S].
[4] 郑晓梅.化工工程制图化工制图[M].北京:化学工业出版社,2002.
[5] JB/T4710-2005.钢制塔式容器[S].
4、文献查阅要求
设计说明书中公式、内容等应明确文献出处;装配图上应写明引用标准号。5、设计成果
1、提交设计说明书一份。
2、提交塔设备(填料塔、板式塔)装配图一张(A1)。
(精馏塔设计例题)
二. 设计参数与结构简图
1、设计参数
精馏塔设计的工艺条件由化工原理课程设计计算而得。
工作温度°C:120 设计温度°C:150 工作压力MPa:0.1 设计压力MPa:0.11 塔体内径mm:1800 塔板数块:38 介质:苯-甲苯混合物
2、结构简图(根据自己的设计题手画)
图1 精馏塔结构简图
三. 精馏塔的总体设计及结构设计
1、根据《化工原理》课程设计,确定塔设备的型式(填料塔、板式塔)。
本设计的精馏塔型式为板式塔
2、根据化工工艺计算,确定塔板数目(或填料高度)。
由化工工艺计算塔板数目为30块
3、根据介质条件的不同,拟定管口方位。
4、结构设计,设备法兰的型式及尺寸选用,管法兰等零部件选型。
1)零部件材料的选取
根据精馏塔工艺条件(介质的腐蚀性、设计压力、设计温度)、材料的焊接性能、零件的制造工艺及经济合理性进行选材:
塔体:16MnR 封头:16MnR
接管:20 塔盘、底座:Q235-B
容器法兰:16MnR 管法兰:16MnII
(材料的许用应力按照《化工设备机械基础》表8-7查并列表)
(MPa)材料许用应力[]t
Q345R(16MnR) 170
Q235-B 113
16MnII 170
20 133
2)塔盘结构
根据工艺条件、塔体直径,塔盘结构选为单液流分块式塔盘,具体塔盘结构及尺寸的选取见第十七章第三节(p430-438)。(自选)
3)工艺接管
接管的选取根据介质流量,参照GB12771-91,接管的选取如下表: 4 )压力容器法兰和接管法兰
压力容器法兰的选取按照《化工设备机械基础》选JB/T4700~4707-2000标准。(按照《化工设备机械基础》(p263)写出选取过程)
设计条件 :
工作温度 °C : 120 设计温度 °C : 150 工作压力 MPa : 0.1 设计压力 MPa : 0.11 塔体内径 mm : 1800 介质: 苯-甲苯混合物
(a )法兰类型 DN=1800,p=0.11MPa ,表10-1选甲型平焊; (b )p=0.11MPa ,t=150℃,查表10-10
材料为16MnR ,定PN=0.25MPa ,150℃时
名称
进料管
塔顶回流管 塔底出料管 塔顶蒸汽管 再沸器回流管 公称直径(mm )
80 80
80
450
500
允许[p]=0.25MPa>p,所以PN=0.25MPa。
(c)确定结构尺寸(p254)。
(d)法兰标记
法兰-RF 1800-0.25 JB/T4701-2000
选取结果如下表:
设备法兰MFM 1800-0.25 JB/T4703-2000 材料Q345R(16MnR)
管法兰选取结果汇总:
进料管法兰HG20594 法兰SO80-1.0MFM 18 16MnII
塔顶回流管法兰HG20594 法兰SO80-1.0MFM 18 16MnII
塔顶蒸汽管法兰HG20594 法兰SO80-1.0MFM 18 16MnII
16MnII
塔底出料管法兰HG20594 法兰SO450-1.0MFM
28
16MnII
在沸器回流管法兰HG20594 法兰SO500-1.0MFM
28
5)法兰密封垫片的选取
法兰密封垫片的选取参照《化工设备机械基础》表10-30
法兰密封垫片选非金属软垫片PN=0.25MPa (JB/T4704-2000)P265垫片1800-0.25 JB/T4704-2000
6)裙座选取
裙座的选取根据参照《化工设备机械基础》图17-21确定裙座各尺寸。
支座选取裙式支座
7)人孔设置
人孔的选取根据筒体直径和公称压力参照《化工设备机械基础》表11-1和表11-6,
本设计中选用带颈平焊法兰人孔,公称压力1.0MPa,公称直径500 mm,标准号为HG20594-95。
8)手孔设置
手孔选取同上,
本设计中选用不锈钢板式平焊人孔(仅限凸面),公称压力0.6MPa ,公称直径150mm ,标准号为HG20597-95。 9) 视镜和液位计的选取
视镜和液位计的选取根据《化工设备机械基础》表11-9、表11-11选取 10) 焊接接头形式和和焊接材料的选取
焊接接头形式的选取参照《化工设备机械基础》第十四章第二节(p367-377),焊接接头形式按HG20583-1998,A 、B 类焊接接头按照HG20583-1998中DU4,D 类焊接接头按照HG20583-1998中G2,带补强圈D 类焊接接头按照JB/T4736-2002中C ,
焊接材料的选取参照第十四章《化工设备机械基础》第四节(p379-382),标准GB/T5117-95、GB/T5118-95 GB/T983-95
焊接接头的检验《化工设备机械基础》第十四章第三节(p378) 11)压力容器类别的划分
压力容器类别的划分按《压力容器安全技术监察规程》,《化工设备机械基础》p386
本设计塔器为低压分离设备,介质为易燃、中毒危害介质,故划分为一类压力容器。
四、强度计算
1、塔体壁厚计算(筒体的设计参照第八章第二节p172-185)。 塔体圆筒体壁厚计算按照GB150-1998《钢制压力容器》式5-1 计算壁厚: 2[]c i
t c
p D p δσ?=
- (4-1)
式中 δ:塔体的理论计算壁厚,mm
p c :塔体的计算压力,MPa D i :塔体内径,mm
[]t σ:钢板在设计温度下的许用应力,MPa
?:焊接接头系数;
名义厚度: n C δδ=++?; (4-2)
12C C C =+;
e n C δδ=-;
式中 n δ:名义厚度;
C 1:腐蚀裕量; C 2:钢板负偏差;
?:圆整量;
e δ:有效厚度;
查表《化工设备机械基础》表8-7[]t σ=170 MPa p c :取塔体的设计压力,0.11 MPa 焊缝为双面焊,局部射线检测,?=0.85
代入数据到式(4-1)得:2[]c i t c p D p δσ?=
-= 0.111800
21700.850.11
???-=0.69 mm
C 1 =1 mm C 2 =0 mm
代入数据到式(4-2)得:名义厚度: n C δδ=++?= 2 mm 按最小厚度δmin 要求 取 n δ= 6 mm
2) 封头的强度计算
(封头的设计参照第八章第二节p175-185)。
塔体封头壁厚计算按照GB150-1998《钢制压力容器》式7-1 计算壁厚: 2[]0.5c i
t
c
p D p δσ?=
- (4-3) 式中 δ:塔体封头的理论计算壁厚,mm
p c :塔体的计算压力,MPa
D i :塔体内径,mm
[]t σ:钢板在设计温度下的许用应力,MPa
?:焊接接头系数;
名义厚度: n C δδ=++?;
12C C C =+;
e n C δδ=-;
式中 n δ:名义厚度;
C 1:腐蚀裕量; C 2:钢板负偏差;
?:圆整量;
e δ:有效厚度;
查表《化工设备机械基础》表8-7[]t σ=170 MPa p c :取塔体的设计压力,0.11 MPa 焊缝为双面焊,100%射线检测,取?=1
代入数据到式(4-3)得: 2[]0.5c i
t
c
p D p δσ?=
- =
0.111800
217010.50.11
???-?=0.59 mm
C 1 =1 mm C 2 =0 mm
代入数据到式(4-2)得:名义厚度: n C δδ=++?= 2 mm 按标准椭圆封头最小厚度δmin 〉0.15%D i 要求 取 n δ= 6 mm 查《化工设备机械基础》(p196)
选标准椭圆形封头JB/T4746-2002封头直边高度h 0取25mm 封头高度h 取450mm 3)开孔补强计算
开孔补强结构选用JB/T4736-2002补强圈结构,补强圈尺寸按照《化工设备机械基础》p327(列出所选尺寸),焊接坡口尺寸选《化工设备机械基础》第十四章第二节p375 C 型。
开孔补强计算采用等面积补强法,其公式参照第十二章第一节(p326-p335)。 例:人孔开孔补强计算:
人孔选公称压力1.0MPa ,公称直径500 mm ,标准号为HG20594-95 接管¢530?8(p302) 材料:20 a. 开孔所需补强面积 ; A=d δ+2δδet(1-r f )
(4-4)
式中 r f :强度削弱系数 d :开孔直径 mm δ:塔体的计算壁厚mm δet :接管的有效厚度mm d=di+2Ct=(530-16)+2(1+0)=518 mm δet=δnt- Ct=8-1=7 mm
塔体材料:16MnR []t σ =170 MPa
接管材料:20 []t σt=130 MPa
[][]
t
t
r t
f σσ==
130
170
=0.78 代入式(4-4) A=d δ+2δδet(1-r f )
=5180.69?+2?0.69?7(1-0.78) = 359.5 mm 2
b. 有效补强范围内的补强面积: ①有效补强范围
有效宽度: B=2d=2?518=1036 mm 外伸高度:h 1nt d δ5188? 内伸高度:h 2= 0 mm
②壳体多余截面积
A1=(B-d)( e δ-δ)-2δet ( e δ-δ)(1-r f ) (4-5)
代入式(4-5)
A1=(1036-518)(7-0.69)-2?7(7-0.69)(1-0.78)
= 1211.2 mm 2
③接管多余截面积
A2=2h 1(δet-δt) r f +2h 2(δet-C2) r f (4-6) 接管计算厚度δt=2[]c i t
c p
d p δσ?=
-= 0.11514
213010.11
???-=0.22 mm 式中 di :接管内直径 mm di=530-16=514 mm
代入式(4-6) A2=2h 1(δet-δt) r f +2h 2(δet-C2) r f
=2?64.4(7-0.22)0.78=681 mm 2
④焊缝金属截面积 A3=6?6=36 mm 2
A1+A2+A3>A 满足不另行补强条件,所以不需补强。 其它开孔直径比人孔直径要小,故不需再进行开孔计算
(如计算结果需要补强,还需对其他接管进行补强计算) 4) 筒体的稳定性校核
因圆筒不受外压,所以此处不必对圆筒的周向稳定进行校核。如筒体工作压力为真空,筒体的轴向稳定性校核参照第九章第六节(p242-244)。 5) 裙座的轴向稳定性校核
裙座的轴向稳定性校核:参照《化工设备机械基础》p442图17-21确定裙座各项尺寸,查取相关许用应力。根据《化工设备机械基础》p242进行裙座的轴向稳定性校核。 6)座圈的压应力校核
m 封头=120?2=240 kg (p197) m 筒体=267?26.5=240 kg (p195) m 塔盘=n(Aa+Af+Ai)ρ= 6995.4 kg
m 水=v 筒?26.2?ρ水+ v 封?2?ρ水=2.545?26.2?1000+0.826?2?1000
=68331 kg (p195、197) Q 设备= m 封头+ m 筒体+ m 塔盘=88445 N Q 附件= 10%Q 设备=8844.5 N Q 水= m 水g=68331?9.81=670327 N A= π(1.8162-1.82)/4=0.034 m 2
Q A
=Q Q Q ++设备附件水
A
=22.6 MPa < []t σ
校核合格
7) 水压试验应力校核
水压试验压力P T
[]
1.25[]T t
P P σσ'= (3-7) []
1.25[]
T t
P P
σσ'==1.25x0.11=0.14 MPa 卧置水压试验压力:T T P P '=+ γh=0.14+0.23=0.37 MPa 水压试验压力下的应力校核:
[]
2T i e T e
P D δσδ+=0.9S ?σ≤ (3-8)
式中 ?: 焊接接头系数 ?=0.85
e δ: 塔体有效厚度 e δ=n δ-C 1-C 2
S σ: 塔体材料的屈服极限(p168) S σ=345 MPa
T P : 水压试验压力
T σ: 圆筒水压试验压力下的应力
[]σ:试验温度下材料的许用应力 []t σ:设计温度下材料的许用应力
D i : 圆筒内直径 代入数据到式(3-8)
[]
2T i e T e
P D δσδ+=
= 0.9S ?σ≤
满足水压试验压力下的应力校核条件。
五. 设计小结
(约300字左右)
六. 参考文献
[1] 董大勤.化工设备机械基础[M]. 北京:化学工业出版社,2003. [2] 全国化工设备技术中心站.《化工设备图样技术要求》2000版[S]. [3] GB150-1998.钢制压力容器[S].
[4] 郑晓梅.化工工程制图 化工制图[M].北京:化学工业出版社,2002. [5] JB/T4710-2005.钢制塔式容器[S].