15M3_甲醇储罐设计说明

目录

一 序言 （一）设计任务 （二）设计思想 （三）设计特点 二 储罐总装配示意图 三 材料及结构的选择 （一）材料的选择 （二）结构的选择 四 设计计算内容

（一）设计温度和设计压力的确定 （二）名义厚度的初步确定 （三）容器的压力实验 （四）容器应力的校核计算 （五）封头的设计 （六）人孔的设置 （七）支座的设计确定

（八）各物料进出管位置的确定及其标准的选择 （九）液位计的设计 （十）焊接接头设计 五 设计小结 六 参考资料

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太原科技大学材料科学与工程学院

过程设备课程设计指导书

课程设计题目：

（15）M3甲醇储罐设计

课程设计要求及原始数据（资料）：

一、课程设计要求：

1.使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。

2.广泛查阅和综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。

3.设计计算采用电算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。 4.工程图纸要求计算机绘图。

5.毕业设计全部工作由学生本人独立完成。

二、原始数据：

设 计 条 件 表

序号 1 2 名 称 用 途 项 目 数 值 单 位 甲醇储罐 甲醇厂 备 注 .下载可编辑.

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3 4 5 6 7 8 9 10 11

最高工作压力 工作温度 公称容积（Vg） 工作压力波动情况 装量系数(φV) 工作介质 使用地点 安装与地基要求 其它要求 0.8 -20～48 10 0.9 MPa ℃ M3 可不考虑 甲醇（易燃，中度危害） 太原市,室外 储罐底壁坡度0.01～0.02

管 口 表

接管代号 n1 n2 n3 n4 n5 n6 .下载可编辑.

公称尺寸 80 80 50 450 50 50 连接尺寸标准 HG20592 HG20592 HG20615 HG20615 HG20615 连接面形式 RF RF RF RF RF 用途或名称 液相进口管 液相出口管 放气管 人 孔 排污管 压力表接口 . . . .

n7 s1/s2

40 40 HG20615 HG20592 RF RF 温度计接口 液位计接口 课程设计主要内容：

1．设备工艺设计

2．设备结构设计 3．设备强度计算 4．技术条件编制 5．绘制设备总装配图

6．编制设计说明书

应交出的设计文件(论文)：

1.设计说明书一份

2.总装配图一张 (折合A1图纸一张)

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一 序言

（一）设计任务：

针对化工厂中常见的甲醇储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计，绘制总装配图和零件图，并编写设计说明书。

（二）设计思想：

综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责的态度，对储罐进行设计。在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性。

（三）设计特点：

容器的设计一般由筒体，封头，法兰，支座，接口管及人孔等组成。常，低压化工设备通用零件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的筒体，封头的设计计算，低压通用零件的选用。

各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理的进行设计。

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二 储罐总装配示意图

三 材料及结构的选择

（一） 材料的选择

甲醇的物理化学性质

化学名称：甲醇，别名：甲基醇、木醇、木精

分子式CH3OH,分子量32.04，有类似乙醇气味的无色透明，易挥发性液体，密度（20℃）0.7913g/mL，熔点为—97.8℃，沸点为64.65℃。甲醇是一种无色、透明、易燃、易挥发的有毒液体，略有酒精气味。甲醇是最常用的有机溶剂之一，与水互溶且体积缩小，能与甲醇乙酸等多种有机溶剂互溶，甲醇为有毒化工产品，用途广

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泛，是基础的有机化工原料和优质燃料，主要用于精细化工、塑料等领域，用来制造甲醛。醋酸、甲氨、硫酸等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。

储罐可选用一般钢材，但由于压力较大，可以考虑20R，16MnR这两种钢材。如果纯粹从技术角度看，可用20R类的低碳钢板，16Mn钢板的价格虽比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板较为经济，所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头的材料。

（二） 结构的选择

1 封头的选择

从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小的多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来看：球形封头用材最少，比椭圆封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度，结构和制造方面综合考虑，采用椭圆封头最为合理。 2 人孔的选择

压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔主要由筒节，法兰，盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力，公称直径，工作温度以及人，手孔的结构和材料等诸多方面的因素。人孔的类型很多，选

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择使用上有很大的灵活性。公称压力为1.0MPa，公称直径为450mm,H为250mm的水平吊盖对焊法兰人孔。 3 法兰的选择

法兰连接的主要优点是密封可靠，强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸，制造成本较高。压力容器的法兰分平焊法兰和对焊法兰。法兰设计的优化原则是：法兰设计应使各项应力分别接近许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到充分的发挥。 4 液面计的选择

液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型大体上可以分为四类：有玻璃板液面计，玻璃管液面计，浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常用前两种。玻璃板液面计有透光式和反射式两种结构，其适用温度在0~250摄氏度。玻璃管液面计适用于工作压力小于1.6MPa，介质温度在0~250摄氏度情况下。玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料没有结晶等堵塞固体的场合。板式5液面计承压能力强但比较笨重，成本较高。 5 鞍式支座的选择

鞍式支座是应用较为广泛的一种卧式支座。从应力分析来看，理论上支座数目越多越好。但实际上，卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点过多时，各支撑平面的影响均会影响支座反力的分布，因而采用多支座不仅体现不出理论上的优越性反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利影响。

在此选择轻型的鞍式双支座，一个S型，一个F型。

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四 设计计算内容

（一） 设计温度和设计压力的确定

１．设计温度的确定

根据液氨储罐工作温度为-20～48℃ 所以选择设计温度t=50℃ ２．设计压力的确定

1】 根据甲醇储罐的工作压力Pw0.8MPa，确定设计压力P 根据《压力容器安全技术监察规程》，当容器上装有安全阀

时，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不 得低于安全阀的开启压力。 所以，P=1.1Pw=1.1×0.8=0.88MPa 2】计算压力的确定

根据工作压力确定计算压力，由于液柱静压力小于5%的设计压力，所以PCP0.88MPa，则对公称压力为1.0MPa 3】确定计算温度下的许用应力tMPa

对于16MnR的低合金钢板，在t=50℃的设计温度下，

tMPa163MPa

4】确定焊接接头系数

取值根据接头形式及无损检测的长度比例来确定，采用双面对接接头形式，相当于双面对接接头的全焊透对接头进行100%无损检测。取1.0 (二) 所需参数的确定

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2.1 筒体长度及公称直径的确定

根据VtV 已知Vt15m3，装量系数v0.9，则设备的体积V=16.67m3

再根据Di2LV,解得Di2L21.23m3 又规定假设公称直径DN2000mm L=5307mm，则

14L3~6 DiL2.63~6 DNL假设公称直径DN1800mm L=6552mm，则3.64

DNL假设公称直径DN1900mm L=5880mm，则3.09

DN 所以取DN=1800mm L=6552mm 2.2 计算筒体和封头的厚度

甲醇储罐选用16MnR制作罐体和封头 2.2.1 计算厚度 1】确定厚度附加量

根据钢板的厚度查设计手册，厚度负偏差C10.5

当介质为压缩空气，水蒸气或水的碳素钢或低合金钢制容

器，腐蚀余量不小于1mm，所以取C22mm

筒体：封头：PcDi0.8818004.87mm t216310.882PcPcDi0.8818004.86mm t20.5Pc216310.50.882.2.2 设计厚度（加入腐蚀裕量）

筒体：dC24.8726.87mm

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封头：dC24.8626.86mm

2.2.3 有效厚度

筒体：eC2+圆整=8mm 封头：eC2+圆整=8mm

2.2.4 名义厚度（设计厚度+钢板厚度负偏差）

筒体：neC1C2+圆整=8+0.5+2+圆整=12mm 封头：neC1C2+圆整=8+0.5+2+圆整=12mm

根据钢板的常用规格，取筒和封头的名义厚度均为12mm（三）封头的设计

标准椭圆形封头是中低压容器中经常采用的封头形式,其最新的标准为JB/T4746-2002.该标准规定以内径为公称直径的标准椭圆形封头(代号EHA)的直边高度只与公称直径有关

DN≤2000mm时,直边高度为25mm； DN>2000mm时,直边高度为40mm。

由于所设计的筒体公称直径DN=1800mm<2000mm，所以直边高度为25mm，

又根据《EHA椭圆形封头内表面积及容积》查得：DN=1800mm时，总深度H=475mm，内表面积A=3.6535m2，容积V=0.8270m3 所以，封头设计为EHA1800×12-16MnR JB/T4746-2002 示意图如下：

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（四）支座的设计确定

容器支座有鞍式支座，腿式支座，支承式支座，耳式支座和裙式支座,本次设计为卧式容器，所以采用鞍式支座。鞍式支座分为轻型(代号为A)和重型(代号为B)，轻型适用公称直径DN 1000~2000mm，所以选用轻型鞍座就可满足要求，鞍座与基础的安装形式有固定式（代号F）和滑动式（代号S）两种，一般为满足容器的热胀冷缩的位移要求，固定式和滑动式应配对使用。故设计中选用轻型鞍座，采用固定式和滑动式。

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根据JBT4712.1—4712.4—2007容器支座 查表2

公称直径 允许鞍座螺栓鞍座 底板 腹板 筋板 垫片 载荷 高度 间距 质量 l1 b1 1 2l3 b2 b3 3 弧长 b4 4 e 1800 275 250 1120 162 280 220 12 10 295 190 260 8 2100 430 10 80 筒体的质量m1：DN=1800mm n12mm L=6552mm m1d2di2l3511kg

14封头的质量查得m2338.4kg

甲醇的质量m3V0.90.7910001510665kg 附件质量m4=0.2×总体质量=0.2×604.4=120.9kg

故 储罐总质量=m1m2m3m414635.3kg

总负荷F=mg/2=71.7KN

查表得DN1800mm时，允许载荷Q275KN；而此设计储罐每个支座所需承受载荷为Q71.7KN，符合条件，于是选取支座： JB/T4712.1-2007，支座A1800-F JB/T4712.1-2007，支座A1800-S

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根据表可知符合要求

（五）人孔的设置

5.1 人孔位置和尺寸的设置

人孔即检查孔。压力容器开设检查孔目的是为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹，变形，腐蚀等缺陷以及装拆设备的内部零部件，一般设备的公称直径在900mm以下时可根据需要设置适当数量的手孔，超过900mm时应开设人孔。人孔有圆形和长圆两种。人孔大小的设置原则是方便人的进出，因此，圆形人孔的公称直径规定为400～600mm，所以本次设计选择人孔公称直径为450 mm。

人孔位置的确定：取L=500mm

根据储罐的设计温度，最高工作压力，材质，介质及使用要求的等条件，选用公称压力PN=1.0MPa，水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG21524—95），人孔公称直径选定为DN=450mm，采用榫槽面和密封面和石棉橡胶板垫片，人孔各零件名称，材质及尺寸如下表

根据 钢制人孔和手孔HG/T21514—21513—2005

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公称直径 450 dwsd D D1 H1H2b b1b2A B L d0 螺栓个数 螺母个数 螺柱 总质量 480×12 456 670 600 250 126 42 44 46 375 175 250 24 20 40 M33×2×170 246 人孔开孔补强

人孔开孔补强采用补强圈结构，材质为16MnR

根据JB/T—4736—2002确定补强圈的内经D1484mm外径D2760mm补强圈厚度为20mm

（六）各物料进出管位置的确定及其标准的选择

开孔液相进口管DN80，液相出口管DN80，放空口DN50，排污管DN50，压力表接口DN50，温度计接口DN40。

6.1 两相邻开孔中心的间距

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，其他管口如液相出口管，压力表接口，放气管，排污管，压力表接口，温度计接口，液位计接口等管间的间距均由下述来设计并计算：L2(dndm) 上部：从罐的右侧至左侧依次设置：人孔，液相进口管，压力表接口，放空口，温度计接口。

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压力表接口中心线与人孔中心线间距:

L12(45050)1000mm 取L11500mm

液相进口中心线与压力表接口中心线间距：

L22(8050)260mm取L2300mm

液相出口中心线与排污管接口中心线的间距:

L32(8050)260mm 取L3300mm

放气管中心线与液相进口出口中心线的间距:

L42(5080)260mm取L4300mm

温度计接口中心线与放气管中心线的间距:

L52(5040)180mm取L两液位计之间的间距L61000mm

5200mm

液位计接口中心线到筒体中心线的距离L7500mm 下部：罐左侧设置液相出口，右侧设置排污管：

排污管和液氨出口管中心线与焊缝间距分别为：250mm。

封头的左侧放两个液位计接口。

6.2 法兰的确定

6.2. 1】液相进出口的管法兰

已知管的公称直径DN=80mm 连接尺寸标准

HG20592 连接面形式RF,

根据标准HG20592—20635法兰 查表4—1所示

公称钢管法兰螺栓螺栓螺栓螺纹 法兰法兰法兰理法法兰颈法兰颈高法兰颈.下载可编辑.

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直径 外径 外径 孔中孔直心圆径 直径 孔数量 厚度 高度 论重量 兰颈N 厚度 度 R 80 89 200 160 18 8 M16 20 50 4.22kg 110 3.2 10 6 所以液相进出口管的管法兰标记 为

HG20592 法兰 WN 80-10 RF 4.5

16M

6.2.2排污管，放气管的管法兰

已知管的公称直径DN=50，标准HG20615 连接面形式为突面RF

根据标准HG20615 ,查表7.01-1 DN<600mm时的法兰连接尺寸

公称钢管法兰外径 螺栓孔螺栓中心圆孔直直径 径 螺栓孔数量 螺纹 法兰厚度 法兰高度 法兰理论重量 法兰颈N 法兰内径 直径 外径 50 60.3 150 120.5 18 4 M16 19.5 64 2.72kg 78 52 放气管，排污管的管法兰标记为

HG20615 法兰 WN 50-2.0 RF 16Mn

6.2.3】温度计接口的管法兰

已知管的公称直径DN=40 标准HG20615 突面

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根据HG20615 查表7.01-1 DN<600mm时的法兰连接尺寸

公称钢管法兰外径 螺栓孔螺栓中心圆孔直直径 径 螺栓孔数量 螺纹 法兰厚度 法兰高度 法兰理论重量 法兰颈N 法兰内径 直径 外径 40 48.3 130 98.5 16 4 M14 17.5 62 1.81kg 65 41

6.2.4】液位计接口处的法兰

根据HG20592 查表4-1所示

公称钢管法兰螺栓孔中心圆直径 螺栓孔直径 螺栓孔数量 螺纹 法兰法兰法兰理法兰颈N 法兰颈厚度 法兰颈高度 法兰颈R 直径 外径 外径 厚度 高度 论重量 40 45 150 110 18 4 M16 18 45 2.37kg 64 2.6 7 5 所以液位计处的法兰标记为

HG20592 法兰 WN 40 RF 16M

6.2.5】筒体与封头的连接尺寸

根据JBT4700~4703~2000《压力容器法兰》查表1 当

PN=1.0Mpa DN=1800mm 法兰的尺寸如图所示

H h a Rd D DDDa 3 D 124112 .下载可编辑.

螺柱螺柱最小. . . .

规格 1970 1915 1876 1856 1853 80 150 40 21 18 18 26 12 30 M27 数量 56 厚度 14 法兰的质量

根据JBT4700—4703—2000《压力容器法兰》查表2PN=1.0MPa DN=1800mm

可知：法兰质量突面338kg 衬环质量凸环17.5kg （七）接管的尺寸

7.1】 接管的长度：容器接管一般采用无缝钢管，采用对焊法兰的接管，在确定接管长度l时，还应保证接管上的焊缝与焊缝之间的距离不小于50mm。根据标准六合一，查表5-1根据保温层厚度与接管公称直径DN=80，最小接管长度l=150mm.

7.2】 接管的高度：

液相进出口管的高度 液位计管的高度 排污管，放气管的高度 温度计接管的高度

(八)容器的压力实验

所谓压力试验，就是用液体或气体作为工作介质，在容器

内施加比它的设计压力还要高的试验压力，以检查容器在试验压力

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下是否有渗漏、明显的塑性变形以及其他缺陷。压力试验分为液压试验和气压试验两种，一般采用液压试验，而且普遍采用水为液压试验介质，故本次设计采用水压试验。

根据GB150标准的规定，液压试验时 PT1.25P取设计实验温度为50oC，查表有163MPat 所以 PT1.2511.25MP a而圆筒的应力 T所以 T查表得到s345MPa

0.9s0.9345310.5MPa T0.9s

所以，厚度校核合格。

[] []tPT(Die)

2e1.25(18008)141.25MPa

28(九)容器应力的校核计算

1计算容器质量m

筒体的质量m1：DN=1800mm n12mm L=6552mm

m1d2di2l3511kg

14 封头的质量查得m2338.4kg 容器的自重mm1m23849.4kg 1.2 充液质量 充水时：

m总m水V3849.410001518849.4kg

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Gmg18849.49.8184724.12N

甲醇的质量：m310665kg

G=10665×9.8=104517N 2建立力学模型计算圆筒中的弯距 2.1 鞍座位置的确定

鞍座位置的选择一方面要考虑到利用封头的加强效应，另一方面又要考虑到不使壳体中因荷重引起的弯曲应力过大。由此，鞍座的位置按a0.2L，并尽量使a0.5Ri的条件来确定，其中a为鞍座中心线至圆筒端部的距离，L为圆筒长度（两封头切线间距离），Ri为筒体内半径。

a0.2L0.26.5521.31m

1.8a0.5Ri0.50.45m

2取a0.45m 2.2 力学模型

2.3 圆筒最大弯矩的计算

将由上述计算所得的质量产生的重力简化为沿容器轴线作用的均布载荷，计算跨中截面处的弯矩M。 取L6.552m

q

a

A

B

a

L

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而支座位置a0.45m

分析受力图可知 由于两支座距罐两端距离相等，两支座A,B受力相同，均为罐重力的一半，且在罐中心截面上弯矩最大。 液压实验时：RARBG184724.1292362.06N

6.552184724.126.55216.552MmaxRA0.45109726.13Nm

6.55222221212正常操作时：RARBG10451752258.5N

G6.55216.5526.552MmaxRA0.4562083.1Nm

22226.55212123计算圆筒跨中截面最大拉应力和最大压应力，进行应力校核 最大拉应力由介质压力及弯矩M引起，位于该截面的最低点

即 max PCDM 4e0.785D2e1180062083.156.25MPa 2480.78518008t其强度条件为 max[]163MPa 条件符合。

最大压应力位于该截面的最高点，并且在盛满物料而升压时压应力有最大值，故有最大压应力为： minMT109726.1335.3910MPa 220.785De0.78518008 其强度条件为 min0.9s279.45MPa 条件符合。 稳定性条件为：max为稳定许用压缩应力。 crBAE

23min,Tmincr，式中[cr].下载可编辑.

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A0.0940.094R0180012e238.25104 E2.0105MPa 8crB28.251042.0105110MPa

由以上计算可知此稳定性条件符合。

（十）液位计的设计

1 液位计型式有很多种，本次设计采用磁性液位计。 2 根据罐内工作压力P0.88MPa选取压力等级为1.0 MPa。

3 选普通型，外加保温层的液位计。 4中心距L的选择：

液位：h0.8Di0.818001440mm

液位计位置在0.2Di处：0.2Di0.21800360mm L'14403601080mm 取L1400mm的液位计 5材质选择：16MnR。

6采用规格为DN40的接管 外伸500，内伸0。

7采用带对焊法兰，法兰规格为DN40，密封面型式采用突面。

（十一）焊接接头设计

容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝,熔合

线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的主要部分。焊接接头的型式直接影响到焊接的质量与容器的安全。焊接接头的型式及焊接材料应在化工设备的装配图及零部件图中以适当的方式表示出来。

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1) 回转壳体的焊接结构设计

回转壳体的拼接接头必须采用对接接头，壳体上的所有纵向及环向接头，凸形接头上的拼接接头，即A，B类接头，是容器要求最高的焊缝，对容器的安全至关重要，必须采用对接焊，不允许采用搭接焊.对接焊易于焊透，质量容易保证，易于作无损检测，可获得最好的焊接接头质量。

2) 接管与壳体的焊接结构设计

接管与壳体及补强圈之间的焊接一般只能采用角焊和搭焊，具体的焊接结构还与对容器的强度与安全的要求有关，涉及到是否开坡口，单面焊与双面焊，焊透与否等问题。

1. 无补强圈接管的焊接结构

中低压容器不需另作补强的小直径接管可直接插入壳体所开孔内，有平齐式和内伸式两种。插入出接管与壳体总有一定间隙，但此间隙不大于3 mm，过大的间隙在焊接收缩时易产生裂纹或其他焊接缺陷。

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2. 带补强圈的接管的焊接结构

作为开孔补强元件的补强圈，一方面要求尽量与补强出的壳体贴合紧密，另外与接管与壳体之间的焊接结构设计也应力求完善合理。

五 设计小结

对于15M3甲醇储罐，此次设计着重进行了筒体和封头的厚度设计以及以及强度的校核，开孔及补强的计算，钢瓶的设计和附件的选取，附件包括安全阀，温度计，压力计，液位计和管道设计等内容。参考查阅了各种书籍及相关资料，考虑了诸

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多可能因素，对所设计设备的结构，强度性能都作了详细的计算。是尽作者水平提出的较为完整合理的设计方案。

六 参考资料

[1] 国家质量技术监督局，GB150-1998《钢制压力容器》，中国标准出版社，1998

[2] 国家质量技术监督局，《压力容器安全技术监察规程》，中国劳动社会保障出版社，1999

[3] 全国化工设备设计技术中心站，《化工设备图样技术要求》，2000，11

[4] 郑津洋、董其伍、桑芝富，《过程设备设计》，化学工业出版社，2001

[5] 黄振仁、魏新利，《过程装备成套技术设计指南》，化学工业出版社，2002

[6] 国家医药管理局上海医药设计院，《化工工艺设计手册》，化学工业出版社，1996 HG20580～20585六合一，

HG20592～20635钢制管法兰、垫片、紧固件 钢制人孔和手孔HG/T21514～21535-2005 JBT4712.1-4712.4-2007容器支座

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