1、能源與安全工程學院課程設計說明書課 程 名 稱: 酒精回收設備中的蒸餾釜設計年級/專業/班: 09安全工程2班報 告 人： 李學良（0901020201） 石榮新（0901020203） 開 始 時 間: 2012年 6 月 1 日完 成 時 間: 2012年 6 月20日指導教師簽名：湖 南 科 技 大 學課 程 設 計 任 務 書 系 專業 班 學生 一、 課程設計題目： 二、 課程設計工作自 2012 年 6 月 4 日起 2012 年 6 月 17 日止三、 課程設計的內容及要求：一）基本工藝參數 主要設計參數罐內夾套內介質酒精溶液水蒸氣操作壓力0.4Mpa0.6Mpa操作溫度-202

2、00-20200裝料量（m3）1.5適當傳熱面積不小于5.34m2使用年限12年符號公稱尺寸連接尺寸aDN100HG20593bPN0.6 DN50HG20593cPN0.6 DN50HG20593dDN100HG20593eDN125HG20593fDN100HG20593gPN0.6 DN50HG20593二）學生完成的工作1 總裝備圖一張（1號圖紙）要求：圖面布局合理，表達清晰，字跡工整，有標題欄、技術要求、技術特性表、管口表2 由指導老師指定零件圖一張（要求同上）3 設計說明書一份（1）根據工藝參數選定容器及夾套尺寸（包括直徑、厚度、夾套與容器間距及連接尺寸，保證有足夠的傳熱面積）。（

3、2）容器的強度設計a.筒體強度及穩定性設計b.封頭強度及穩定性設計（3）夾套罐壁厚設計a.筒體部分設計b.封頭部分設計（4）夾套折邊焊逢強度校核（5）開孔補強設計（6）水壓力試驗設計4 夾套罐使用說明書一份四、參考資料1、壓力容器設計手冊2、壓力容器與化工設備實用手冊 上冊3、壓力容器與化工設備實用手冊 下冊4、鍋爐壓力容器5、壓力容器標準規范匯編指導教師： 負責教師： 學生簽名： 目 錄一、前言1二、設計參數選取12.1工藝參數確定1設計壓力1設計溫度2材料選取22.2幾何參數確定2罐體及封頭參數2罐體高度及體積3夾套選取及高度計算3法蘭借口尺寸確定4三、容器強度設計63.1釜體強度計算6釜

4、體內壓強度設計7釜體外壓穩定性設計83.2夾套強度計算9夾套筒體強度設計9夾套封頭強度設計10設計壁厚校核10四、罐體與夾套連接處的剪切強度設計114.1罐體負荷計算11罐體質量11介質質量11法蘭及其他附件質量114.2焊縫連接處剪切應力校核11五、開孔補強設計115.1攪拌器連接口補強面積計算125.2進料口、出料口補強面積計算135.3冷凝出口補強面積計算145.4視鏡補強面積計算15六、水壓試驗設計166.1釜體水壓試驗校核166.2夾套水壓試驗校核16七、支座選取17八、結束語18一、前言酒精工業是基礎的原料工業，酒精作為一種良好的容積，廣泛的應用在化工、制藥、輕工等行業中。中國酒精

5、工業的發展已有近百年的歷史，但工業基礎十分薄弱，建國后，隨著國民經濟的發展和白酒液態法生產法的推廣，酒精工業進入嶄新的發展階段。近幾年，隨著制藥行業突飛猛進的發展，生產規模不斷擴大，由于在中藥成藥的生產過程中，經常利用酒提或水煮醇沉提取其中的有效成分，所以乙醇的用量也在不斷上升，然而酒精使用后其濃度往往由原來的95降低到20-80，且含有多種雜質，難以直接回用。這些廢酒精若直接排放，則會造成危險和環境污染；若將它們回收精制，則會變廢為寶，產生巨大的經濟效益和社會效益。然而多數藥廠利用的酒精回收裝置技術落后，排放廢液中酒精含量依然在5-10，甚至高達30，造成的環境污染和浪費依然非常嚴重。對此，

6、國內外專家采用新型高效化工分離技術設計了高效酒精回收塔，在實際應用中達到了很高的技術經濟指標。本課程設計就針對高效酒精回收塔中的蒸餾釜（夾套罐）進行設計，該裝置罐體上設置有進料口、出料口、攪拌器孔、觀察孔、溫度計口、壓力表口、安全閥等工藝接口，在夾套上部設置有兩個蒸氣進口，夾套底部設置一個冷凝水出口。高溫水蒸氣通過進口進入夾套后，對罐體內含酒精的廢液進行加熱，使沸點比較低的酒精先從溶液中蒸發，進行提純，夾套內的蒸氣冷凝成水后經冷凝水出口流出。二、設計參數選取2.1工藝參數確定設計壓力設計壓力是指設定的容器頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件。設計壓力不同于容器的工作壓力，工作壓

7、力由工藝過程決定，將容器正常操作情況下容器頂部可能出現的最高工作壓力稱為容器的最大工作壓力，用pw表示。裝有安全閥的容器，其設計壓力不得低于安全閥的開啟壓力，安全閥的開啟壓力pk是根據容器最大工作壓力pw調定的，據此，容器的設計壓力可取。設計中取，求得罐內和夾套內的設計壓力分別為：設計溫度設計溫度是指容器在正常操作情況，在相應設計壓力下，設定的受壓元件的金屬溫度，其值不得低于容器工作時器壁金屬可能達到的最高溫度。根據容器罐內的介質確定罐內的工作溫度大約為100；正常工作時夾套內水蒸氣的絕對壓力，查表得夾套內的工作溫度約為167.4；圓整后確定蒸餾釜的設計溫度為200。材料選取雖然該蒸餾釜內的介

8、質為酒精和水，其腐蝕性不是很大，但考慮到設備的使用年限，因此選用SUS304（0Cr18Ni9）號不銹鋼，該號鋼材厚度為260mm，鋼板標準為GB 4237，b=520MPa，s=205MPa，鋼板在100時的許用應力b=114MPa，在200時的許用應力為b=96MPa。2.2幾何參數確定該蒸餾釜有罐體和夾套兩部分組成，底部采用支撐式支座。罐體由豎直圓筒和上下兩個封頭組成；罐體外面有一個比罐體稍大的夾套容器，與罐體形成500mm左右的間隔，上部在適當高度采用圓弧過渡機構與罐體連接。罐體及封頭參數為了便于收集與卸除設備中的蒸餾廢液，設計中罐體下封頭選取廣泛應用于許多化工設備(如蒸發器、噴霧干燥

9、器、結晶器及沉降器等)底蓋的帶折邊錐形封頭；上封頭選取應力分布比較勻稱的標準橢球形封頭。每次操作需要填裝的物料量稱為裝料量，用V0表示，確定筒體全容積V應以V0為基礎，其中為裝料系數，的大小取決于物料的性質。由于容器內介質含有多種雜質，蒸餾過程中可能會產生泡沫，因此裝料系數取=0.7。對于反應物料為液-液類型的設備，筒體高度與直徑比為1.01.3，設計中綜合考慮攪拌器功率和傳熱效果等因素，釜體的長徑比取則容器的全容積筒體直徑為根據圓筒的內徑標準系列圓整后，取公稱直徑Di=1300mm。由已知筒體的內徑，選定封頭的尺寸如表2-1所示：表2-1 封頭尺寸封頭類型公稱直徑Di/mm總深度H/mm內表

10、面積F/m2容積V/m3圓弧半徑r/mmEHA橢球形13003501.93400.3208CHC錐形13005132.00010.3406195注：封頭的總深度已包含直邊高度h0=25mm。由封頭的尺寸可確定筒體的實際高度為：罐體高度及體積罐體的高度（體積）包括筒體的高度（體積）和兩個封頭的高度（體積），其中筒體的體積；則：罐體的高度罐體的體積夾套選取及高度計算考慮到傳熱充分，且夾套直徑必然大于筒體直徑，選取圓筒內徑標準系列中公稱直徑Di=1400mm的夾套進行設計，其夾套封頭的尺寸如表2-2所示：表2-2 夾套封頭尺寸封頭類型公稱直徑Di/mm總深度H/mm內表面積F/m2容積V/m3圓弧半

11、徑r/mmCHC錐形14005502.31120.4224210根據罐體內溶液的高度來確定夾套的高度，實際的夾套位置略低于罐內溶液高度1020mm，設計中選取20mm。罐體內酒精的高度；則夾套高度。校核傳熱面積（其中為筒體封頭內表面積），符合傳熱面積不小于5.34m2的工藝要求。法蘭借口尺寸確定設計中采用板式平焊管法蘭連接，則其連接管的壁厚應按管道的壁厚等級SCH確定，對于釜體法蘭，圓整后取Sch=5s；夾套法蘭，圓整后取Sch=10s。（1）攪拌器法蘭孔尺寸根據釜體公稱直徑選擇相應的攪拌器及規格，攪拌器的形式選漿式直葉。則攪拌器直徑，根據HG20593-1997取法蘭公稱通徑DN350mm，

12、公稱壓力PN0.6MPa；如表2-3所示。表2-3 攪拌器法蘭規格公稱通徑DN鋼管外徑A1鋼管壁厚S管連接尺寸板式平焊法蘭法蘭外徑D螺孔中心圓直徑K螺孔直徑L螺孔數量n螺紋Th法蘭內徑B1坡口寬度b法蘭厚度C法蘭質量/kg35037794904452212M2038102614.3確定接管外徑為377mm，根據Sch=5s查得，壁厚為4mm，然而該外徑下的無縫鋼管最小壁厚為9mm，因此設計選用壁厚為9mm，設計長度為100mm的無縫鋼管，理論質量為81.67Kg。（2）視鏡規格尺寸由于釜體內工作溫度為100，設計壓力為0.44MPa，設計選用公稱壓力PN10MPa，公稱直徑DN100的帶頸視鏡

13、；其尺寸如表2-4所示。表2-4 帶頸視鏡尺寸公稱直徑DN公稱壓力PNDD1 b1b2H螺柱質量/Kg標準圖圖號數量n直徑d1001020016526261428M1610.9HGJ 50286-17注：dH×S=103×4。（3）安全閥規格選擇安全閥時應考慮釜體失效時夾套中的飽和蒸氣泄漏到釜體中的情況，由此計算安全閥的排放量，其中d為夾套罐蒸氣入口內徑82mm，為飽和蒸氣的密度為7.864Kg/m3。蒸氣流量：（其中蒸氣最大流速假設為20m/s）初步選擇A48Y-16C用法蘭連接的不封閉帶扳手微啟的彈簧式安全閥，其參數如表2-5所示。表2-5 安全閥規格安全閥型號公稱壓力

14、/Mpa強度試驗壓力/MPa彈簧壓力級/MPa主要性能參數開啟高度額定排放系數整定壓力/MPa密封試驗壓力/MPa排放壓力/MPa回座壓力/MPaA48Y-16C1.62.40.6-0.70.600.540.6180.34喉徑0.16注：該安全閥公稱直徑(mm)/喉徑(mm)為80/50。安全閥的排放量（其中）；顯然安全閥的排放量大于蒸氣流量，因此選擇A48Y-16C安全閥符合設計要求。表2-6 安全閥法蘭尺寸公稱通徑DN鋼管外徑A1鋼管壁厚連接尺寸板式平焊法蘭法蘭外徑D螺孔中心圓直徑K螺孔直徑L螺孔數量n螺紋Th法蘭內徑B1坡口寬度b法蘭厚度C法蘭質量kg80899200160188M169

15、10203.59（4）其他孔口法蘭尺寸表2-7 其他孔口法蘭規格公稱通徑DN鋼管外徑A1連接尺寸板式平焊法蘭法蘭外徑D螺孔中心圓直徑K螺孔直徑L螺孔數量n螺紋Th法蘭內徑B1坡口寬度b法蘭厚度C法蘭質量kg進料孔150159265225188M161610205.14出料孔150159265225188M161610205.14溫度表323812090144M12390161.19壓力10190120.41冷凝水出口150159265225188M161610205.14蒸氣進口8089190150184M16910182.94表2-8 連接管參數管長/mm管徑/mm

16、壁厚/mm理論質量/Kg進料孔1001504.517.14出料孔1001504.517.14溫度表100322.52.19壓力表100151.60.647冷凝水出口1001504.517.14蒸氣進口100803.57.38三、容器強度設計3.1釜體強度計算根據設計壓力容器的實際情況，容器筒體的縱向焊接接頭和封頭的拼接接頭都采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，且焊接接頭的無損檢測可采用局部無損探測，因此焊縫系數=0.85。對于腐蝕裕度C2，按照有關規范規定：碳素鋼和低合金鋼材料的腐蝕裕量取值不小于1mm，用不銹鋼材料且介質的腐蝕性極微時腐蝕裕量取值可為零。雖然該設備為不銹鋼材料且介質的

17、腐蝕性極微，但使用年限較久（12年），因此腐蝕裕度取C2=1mm。根據有關文獻的試驗結果并參考了國外現行的有關規范，對于內壓下的壓力容器，只要加工減薄量未超過壁厚的15%，可以不考慮加工減薄量的影響。因此設計加工減薄量C3不予考慮。釜體內壓強度設計釜體內的設計壓力為0.44MPa，設計溫度（200）下鋼材的許用應力為96MPa。（1） 釜體筒體壁厚計算如下：計算壁厚：設計厚度：名義厚度：（其中C1為鋼板負偏差）；圓整后，取有效厚度：（2）釜體封頭（標準橢球形封頭）壁厚計算如下：計算壁厚：（其中Y為橢球形封頭的形狀系數，由于設計選用標準橢球形封頭，故其形狀系數取1）；顯然該封頭的設計厚度、名義厚

18、度、有效厚度均與筒體相同。（3）釜體封頭（錐形封頭）壁厚計算如下：由于該錐形封頭的小端直徑不超過大端直徑的四分之一，且整個封頭取同一厚度，因此封頭的計算壁厚：（其中f為橢球形封頭的形狀系數，）設計厚度：名義厚度：（其中C1為鋼板負偏差）；圓整后，取有效厚度：釜體外壓穩定性設計（1）筒體外壓穩定性設計假設筒體的名義厚度，查表得鋼板的負偏差C1=0.5mm，腐蝕裕度C2=1mm，則筒體外徑。有效厚度筒體的計算長度于是；根據外壓或軸向受壓圓筒幾何參數計算圖可得系數A=0.00031；再由外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖查得系數B=38；則筒體的許用壓力為：，故須重新假設壁厚n。重新假設，按照上述計算，

19、可得：，（其中負偏差C1=0.8mm）；，；查表得A=0.0013，B=70MPa，故，依然不符合要求，考慮到經濟成本條件，設計采用在此基礎上設置一個加強圈（如右圖），則計算長度L=468mm。于是；查表并用直線內插法計算得到A=0.0028，B=90MPa故許用外壓力，大于設計壓力p=0.66MPa，且兩者較接近；因此，外壓筒體名義厚度按設計，并設置加強圈。（2） 封頭外壓穩定性設計為保證封頭與筒體連接處的穩定性，在封頭大端和小端分別設置加強圈。將外壓錐形封頭轉化為“當量圓筒”，則當量圓筒的外徑為：當量圓筒的當量長度為：（其中，DS為夾套小端與筒體連接圓的直徑，取350mm）按照筒體的外壓穩

20、定性設計，假設封頭的名義厚度，查表得鋼板的負偏差C1=0.8mm，腐蝕裕度C2=1mm，則當量筒體外徑。有效厚度于是；（其中）根據外壓或軸向受壓圓筒幾何參數計算圖可得系數A=0.0084；再由外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖查得系數B=100；則筒體的許用壓力為：，大于設計壓力p=0.66MPa，且兩者較接近。綜上可得：設計時釜體筒體名義厚度取，并設置加強圈；釜體封頭名義厚度。3.2夾套強度計算夾套筒體強度設計夾套內的設計壓力為0.66MPa，設計溫度（200）下鋼材的許用應力為96MPa。夾套筒體壁厚計算如下：計算壁厚：設計厚度：名義厚度：（其中C1為鋼板負偏差）；圓整后，取有效厚度：夾套封頭

21、強度設計夾套錐形封頭壁厚計算如下：計算壁厚：（其中f為橢球形封頭的形狀系數，）設計厚度：名義厚度：（其中C1為鋼板負偏差）；圓整后，為了便于筒體和封頭的連接，取有效厚度：設計壁厚校核設計中夾套筒體和夾套封頭名義厚度都設置為，對壁厚進行應力校核：夾套筒體：夾套封頭：；由此，夾套筒體和夾套封頭的名義厚度都取，符合設計要求。四、罐體與夾套連接處的剪切強度設計4.1罐體負荷計算罐體質量罐體質量包括筒體和上下封頭及夾套和封頭。根據有關資料可得，公稱直徑為1300mm，壁厚為12mm的圓筒體鋼板的理論質量為385.5Kg/m。罐體的質量=G筒體+G封頭=1.117×385.5+300+186.1

22、=916.7kg夾套質量=276×0.854+403.9=639.6kg介質質量釜體內介質質量按全部被水充滿來計算，則釜體內溶液質量夾套內水蒸氣總質量法蘭及其他附件質量由表2-3表2-7可得法蘭及其他付檢的總質量為106.8Kg。綜上可得，罐體的總負荷為4612.6Kg。4.2焊縫連接處剪切應力校核（1）焊縫連接處環形面積計算環形面積（其中，焊縫高度取夾套厚度的2倍為16mm）（2）焊縫連接處剪切應力校核焊縫連接處剪切應力最大許用應力；顯然；故校核通過。五、開孔補強設計按照有關規定，容器在如下要求時可以不進行補強：a.設計壓力2.5MPa;b.兩相鄰開孔的中心間距（對曲面間距以弧長計

23、算）應不小于兩孔直徑之和的兩倍；c.接管公稱外徑89mm；d.接管最小壁厚滿足表5-1的要求：表5-1 接管最小壁厚條件（mm)接管公稱外徑253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0綜合以上條件并結合實際設計，攪拌器連接口、視鏡、進料口、出料口、冷凝水出口需要進行補強計算。5.1攪拌器連接口補強面積計算筒體名義厚度，SUS304鋼板在100時許用應力（1）因開孔而削弱的金屬截面積(A)筒體計算壁厚接管直徑罐體內徑，設計壓力為0.44MPa，工作溫度為100，因殼體與接管采用相同的材料故，其中接管壁厚需要補強面積（2）補強面積a.筒體的富裕金屬截面積為：b.接管的富裕金

24、屬截面積為：其中，接管計算壁厚：外側有效高度：內側有效高度：c.焊縫金屬截面積：d.補強面積因為，所以該孔可以不進行補強。5.2進料口、出料口補強面積計算（1）因開孔而削弱的金屬截面積筒體計算壁厚；接管直徑，接管壁厚4.5mm。需要補強的面積：（2）補強面積筒體的富裕金屬截面積為：接管的富裕金屬截面積為：其中，接管計算壁厚：外側有效高度： 內側有效高度： 焊縫金屬截面積：補強面積因為，所以該孔可以不進行補強。5.3冷凝出口補強面積計算（1）因開孔而削弱的金屬截面積夾套名義厚度；夾套計算壁厚；接管直徑需要補強面積：（2）補強面積夾套的富裕金屬截面積為：接管的富裕金屬截面積為：其中，接管計算壁厚：

25、外側有效高度：內側有效高度： 焊縫金屬截面積：補強面積：因為，所以該孔需要補強。則需要補強的面積（3）確定補強圈結構尺寸取補強圈厚度與夾套筒體壁厚相同，由可知補強圈外徑D=241.05mm。5.4視鏡補強面積計算（1）因開孔而削弱的金屬截面積筒體計算壁厚，結構直徑，接管壁厚。需要補強面積：（2）補強面積筒體的富裕金屬截面積為：接管的富裕金屬截面積為：其中，接管計算壁厚：外側有效高度：內側有效高度：焊縫金屬截面積：補強面積：因為，所以該孔可以不進行補強。綜上所述，攪拌器連接口、進料口、出料口、視鏡都不需要補強，只有冷凝水出口需要補強。六、水壓試驗設計6.1釜體水壓試驗校核根據有關規定，壓力容器進

26、行液壓試驗的壓力為，釜體水壓試驗的壓力（其中，為容器元件材料在試驗溫度下的許用應力，=114MPa）。（1）釜體筒體水壓試驗校核由于筒體水壓試驗壓力（其中筒體的許用應力已在中算得），因此釜體筒體在水壓試驗壓力下的穩定性校核通過。（2）釜體封頭（橢球形）水壓試驗校核由于橢球形封頭在水壓試驗下的應力因此釜體封頭（橢球形）在水壓試驗壓力下的穩定性校核通過。（3）釜體封頭（錐形）水壓試驗校核由于錐形封頭在水壓試驗下的應力因此釜體封頭（錐形）在水壓試驗壓力下的穩定性校核通過。6.2夾套水壓試驗校核夾套水壓試驗的壓力（其中，為容器元件材料在試驗溫度下的許用應力，=96MPa）。（1）夾套筒體水壓試驗校核由

27、于夾套筒體在水壓試驗下的應力，因此夾套筒體在水壓試驗壓力下的強度不符合要求，需重新設定夾套筒體名義厚度以達到強度要求。假設夾套筒體名義厚度，則：，因此夾套筒體名義厚度為12mm時水壓試驗強度符合要求。（2）筒體封頭（錐形）水壓試驗校核為使夾套筒體和夾套封頭方便連接，現將筒體封頭的名義厚度設置為12mm與筒體一致。則，夾套錐形封頭在水壓試驗下的應力為：，因此夾套封頭（錐形）在水壓試驗壓力下的穩定性校核通過。七、支座選取由罐體的總負荷4612.6Kg，可確定支座的載荷。設計采用結構簡單、輕巧、安裝方便，且在容器下面有較大的操作維修空間的AN型腿式支座（其參數如表7-1所示）。表7-1 AN型腿式支座安裝尺寸（mm）每根支腿允許載荷/kN公稱直徑DN支腿數量容器最大高度H1支承最大高度H支腿高度H2底板邊長B地腳螺栓孔徑db規格中心圓直徑D281400450001100133016526M221365注：取圓筒或封頭名義厚度二者中較大值。八、結束語課程設計是我們專業課程知識綜合應用的實踐訓練，