安徽工程大学化工机械基础化工设备课程设计液氨储罐机械设计

1、安徽工程大学化工机械基础课程设计说明书设计题目：液氨贮罐的设计学 院：生物与化学工程学院 专业： 化学工程与工艺 班 别： 化工102 姓 名： MZ 学 号： 31004042XX 指导教师： XXX 目录第一章、绪论-21.液氨贮罐的设计背景-52.设计任务-3.设计思路-4.2.液氨贮罐的分类及选型-53.设计温度和设计压力的确定-第二章、材料及结构的选择与论证-61.材料选择与论证-62.结构选择与论证-7第三章 工艺尺寸的确定-8第四章 设计计算-91.计算筒体的壁厚-92.计算封头的壁厚-10 3.水压试验压力及其强度校核-104.选择人孔并核算开孔补强-115.选择鞍座并核算承载

2、能力-136.选择液位计-147.选配工艺接管-14设计小结-15参考文献-16总 图 材 料 明 细表第一章、绪论1、液氨贮罐的设计背景化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。然而化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。因此在容器的设计中应综合考虑个方面的因素，使之达到最优。液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，还可用作医药和农药的原料。在国防工业中用于制造火箭、导弹的推进剂，可用作有机化工产品的

3、氨化原料，还可用作冷冻剂，将氨进行分解，分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保护气氛的其它工业和科学研究中。为能够进行连续的生产，需要有储存液氨的容器，因此设计液氨贮罐是制造贮罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。2 设计任务设计一液氨贮罐。工艺条件：查文献资料知芜湖地区30年最高温度为40，氨饱和蒸气压，工作压力3.4MPa,容积为。3 设计思路综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责团结合作的态度，对储罐进行详细设计。在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性，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

4、设计有实际意义，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计，研究出最佳方案。4 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部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的的筒体、封头的设计计算，低压通用零部件的选用。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，合理地进行设计。5设计符号说明英文字母容器的设计寿命,;贮罐内径，;钢板的许用应力，液氨的饱和蒸汽压，钢板厚度负偏差, ;介质的腐蚀裕量, ;希腊字母罐体计算厚度, ;罐体设计厚度, ;罐体的名义厚度, ;罐体的有效厚度, ;圆整值，腐蚀

5、速率，焊接接头系数6、液氨贮罐的分类及选型储罐的形状有圆形或球形。圆筒形储罐两端的封头有椭圆形、球形、锥形和平盖等形状。在本设计中由于设计体积较小且工作压力较小，可采用卧式圆筒形容器，方形和矩形容器大多在很小设计体积时采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力强且节省材料，但制造较难且安装内件不方便；立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱，故选用卧式圆筒形容器。卧式圆筒形液氨储罐通常由卧式圆筒形筒体和两端的椭圆形封头组成，按照化学生产工艺的要求设置进料口、出料口、放空口、排污口、压力表、安全阀和液面计等。为了检修方便，还要开设人孔，用鞍式支座支承于混凝土基座上。选择

6、化工容器的材料也是设计中的重要问题，应该综合考虑容器的操作条件和钢材的性能、价格等。氨对钢材的腐蚀作用很小，但是，置于室外的液氨储罐，它的操作温度就是大气温度，它的操作压力就是操作温度对应的饱和蒸汽压。随着气温的变化，液氨储罐的操作温度和压力也随之变化，制造储罐的钢材应能承受这种变化。液氨储罐通常选择16MnR钢，它是屈服强度为350MPa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在我国北方严寒地区，冬季最低气温可达-30，这时普通碳钢将会出现低温脆性（冲击韧性严重下降），就应选用低温设备用钢（如09Mn2VDR）。7、设计温度和设计压力的确定 罐储存

7、的是经过压缩机压缩后，被冷却水冷凝的液态氨，由于冷却水的温度随气候变化而波动，通常氨被压缩到0.94MPa才能被冷却水冷凝。储罐通常置于室外，罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响，在冬季可达-30，在夏季储罐经太阳曝晒后，液氨的温度可达50，这时候氨的饱和蒸汽压，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断改变（参考下表1）。 表1：液氨的饱和蒸汽压和密度温度（）50403020100-10-20-30饱和蒸汽压（绝压，MPa）2.071.5531.1650.8560.6140.4280.2910.1900.120密度（kg/m3）563580595610625639652665678 液氨储

8、罐的操作温度通常可取夏季的最高气温40。为了确保操作安全，我国劳动和社会保障部颁布的压力容器安全技术监察规程第24条规定：压力容器的设计压力不得低于最高工作压力，装有安全泄放装置的压力容器，其设计压力不得低于安全泄放装置的开启压力或爆破压力。工程中其设计压力不低于安全阀开启压力（安全阀开启压力取1.051.10倍工作压力），通常选取为1.6MPa（相当于取40时饱和蒸汽压对应的设计压力）。又因为芜湖地区天气最高室温一般不会超过40，此时氨的饱和蒸汽压为1.553MPa（绝对压力），而设计要求工作压力为3.4MPa，故设计压力取P=3.6MPa。8、液氨储罐工艺尺寸的确定 储罐容量为，查表：公称

9、直径DN1米高容器体积V1米高容器内表面积Fi1米高容器钢板质量Kg钢板厚度101416002.0175.0339755720003.1426.2849669522003.8016.8154576424004.5247.5559483326005.3098.1764490228006.1588.8069397230007.0309.43742104332008.05010.057921110表5-2EHA椭圆形封头内表面积、容积（钢制：JB/T 4746-2002）序号公称直径DN（mm）总深度H（mm）内表面积A（）容积V（m³）序号公称直径DN（mm）总深度H（mm）内表面积A（

10、）容积V（m³）113003501.93400.32084300075010.253.89226006507.632.5154400114021.538911.7588328007008.913.1864500116522.516212.5644注：对于封头直边高度h的取值，JB/T4746-2002规定：当DN2000时，取h=25mm；当DN2000时，取h=40mm。总深度Hhh1，h1为封头内曲面高度。设计体积，公称直径；采用标准椭圆形封头，按JB/T4746-2002规定：取直边高度40mm；则单个头容积，封头总容积，故筒体容积，取整后筒体长度取为， 实际V=。筒体的总内表

11、面积：单个封头的表面积： 封头的总内表面积为：筒体的总内表面积：由于液氨筒体的长径比值为为合适值，所选的长径比为2.42第二章、材料及结构的选择与论证 1、材料选择与论证纯液氨腐蚀性小，储罐可选用一般钢种，但由于压力较高，根据钢种适用范围的说明，可以考虑采用20R、16MnR、15MnVR等钢种。其中适用较多且合理的为20R和16MnR钢种。从钢板耗量上看，钢板耗用量与板厚成正比，采用16MnR时，钢板用量比采用20R时要少。因此，16MnR钢板的价格虽比20R钢板略贵，但从耗用量和价格综合考虑，两种钢板均可考虑。从制造费用上看，由于采用16MnR钢板，厚度较薄，质量较轻，且制造费用目前也按碳

12、钢设备重量同等计价，因此采用16MnR钢板，制造费用较为经济。综上所述，本设计的储罐材料选用16MnR钢板制作罐体和封头。2、结构选择与论证 封头形式的确定本设计选用椭圆形封头，椭圆封头是由曲率半径连续变化而成的，所以，封头上的应力分布也是均匀变化的，受力状态比蝶形封头要好，虽不如半球封头，但对各种封头的强度和经济合理性进行比较。从钢材耗用量考虑，球形封头用量最少，比椭圆形封头节约25.8，平板封头的用量最多，是椭圆形封头的4倍多。从制造考虑，椭圆形封头制造方便，平板封头则因直径和厚度较大，材料的获得、车削加工、焊接等方面都遇到不少困难，且封头与筒体厚度相差悬殊，结构也不合理。所以，从强度、结

13、构和制造等方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。 人孔选择卧式液氨储罐常用碳钢水平吊盖人孔，这种人孔使用方便，压紧垫片可靠，开启时人孔盖悬挂于吊杆下，避免搬动较重的人孔盖。碳钢水平吊盖人孔的尺寸、材料和性能可查HG 2152221524-2005标准。 图6-1碳钢水平吊盖带颈对焊法兰人孔结构图 人孔是安装或按检修人员进入塔器的唯一通道。本设计卧式容器筒体长度为5800mm，设置一个人孔。人孔类型公称压力MPa公称直径mm板式平焊法兰人孔0.6400、450、500、600板式平焊法兰人孔（限用凸面）或带颈平焊法法兰1.0400、450、500、6001.6400、450、500、600带颈对

14、焊法法兰2.5400、450、500、6004.0400、450、500、600卧式液氨储罐常用碳钢水平吊盖人孔，这种人孔使用方便，压紧垫片可靠，储罐在常温及最高工作压力为3.4MPa的条件下工作，人孔标准应按公称压力4.0的等级选取，由于容器公称直径为2400mm,碳钢水平吊盖人孔的尺寸、材料和性能可查HG/T21524-95标准，选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔，DN450人孔，密封压紧面采用RF型。该人孔标记为：HG/T21524-2005 人孔 TG450-4.0 其中RF指凸面密封，指接管与法兰的材料为16MnR，用金属缠绕垫片，450-4.0是指公称直径为450mm、公称压力为4.0

15、Mpa。 法兰型式选择法兰与设备的连接形式：平焊法兰制造简单，使用广泛，但刚性较差，仅用于压力不高的场合。由于本设计，由HG20592-97标准,可以选择焊接法兰中的平焊法兰PL。法兰与密封面形式：，根据HG20592-97标准可以选择RF密封面。 鞍式支座的选择确定换热器、储罐等卧式容器的支座通常是已经保准化的鞍式支座，简称鞍座。鞍座的公称直径是筒体的公称直径，每一公称直径的鞍座规格有轻型（A型）和重型（B型）。卧式液氨储罐选用鞍式支座（JB/T 4712.1-2007），按照储罐公称直径DN=1400选用A型（轻型）带垫板的鞍座一对（其中S型和F型各一个），包角为120标记为：JB/T 4

16、712.1-2007 鞍座 A2400-FJB/T 4712.1-2007 鞍座 A2400-S。第三章 设计计算1、计算筒体的壁厚液氨储罐是内压薄壁容器，根据选材分析，本储罐选用16MnR制作罐体和封头表3.1 16MnR许用应力钢号板厚/在下列温度（）下的许用应力/ Mpa2010015020025030016MnR61617017017017015614416361631631631591471343660157157157150138125>60100153153150141128116。根据公式： 式中： 圆筒的计算压力，MPa； 圆筒的内径，mm；钢板在设计温度t下的许用应力

17、，MPa； 焊接接头系数，1; 此储罐采用100%无损探伤，故在查表 ：取钢的负偏差查腐蚀数据手册16MnR耐氨腐蚀，其，若设计寿命为15年，则则筒体的计算壁厚圆整后，圆筒的名义厚度为2、计算封头的壁厚本容器用标准椭圆封头，厚度根据公式：其中各数据跟罐体相同， =+1.5 =28.2m考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，对厚度进行圆整可得名义厚度为：确定用厚的16MnR钢板制作封头。3、水压试验压力及其强度校核根据公式 取1.25P=1.253.6Mpa =4.5 Mpa式中： 30-2.4=27.6mm 325 MPa则水压试验时的应力： = =197.9MPa16MnR钢制容器在常温水压试验时

18、的许可应力MPa可见：因此罐体厚度满足水压试验时的强度。4、选择人孔并核算开孔补强根据储罐是在常温及最高工作压力为3.86Mpa的条件工作，人孔标准应按公称压力为4.0 Mpa。从人孔类型系列标准可知，公称压力为4.0Mpa的人孔类型很多。本设计考虑人孔盖直径较大较重，故选用水平吊盖人孔，该人孔结构中有吊钩和销轴，检修时只须松开螺栓将盖板绕销轴旋转一个角度，由吊钩吊住，不必将盖板取下。该人孔标记为：HG 21524-2005 人孔 RF DN450-PN4.0 其中RF指突面密封，指接管与法兰的材料为16MnR，DN450是指公称直径为450mm、PN14.0指公称压力为4.0Mpa。另外,还

19、要考虑人孔补强,确定补强圈尺寸,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。本设计所选用的人孔筒节内径为d=450mm,壁厚=10mm。故补强圈尺寸如下： 故补强圈取厚。5、选择鞍座并核算承载能力首先粗略计算鞍座负荷，储罐总质量式中罐体质量，kg；封头质量，kg； 液氨质量，kg附件质量，kg罐体的质量 DN=2400mm,=30mm,L=5800mm=5.8m的筒节，由GB150-1998查得，每米的质量为q1=1798kg/m ³m1=q1L=17985.8 kg =10428.4kg封头的质量查得其每个封头质量水压试验时水的质量 式中： V 储罐容积 水密度，为1

20、000kg/m3由JB/74746-2002查得，封头容积为2.0m3 由GB3019-88查得，筒体每米容积为4.524m3V=。m3=30.41×1000=30410kg附件的质量人孔的质量约为200kg，其他的连接管质量总和按300kg计，则：=500kg设备总质量为：M=m1+m2+m3+m4=10428.4+3200+30410+500=44538.4kg 每个鞍负荷：F=218.46kN 鞍座安放位置筒体长度。式中：两鞍座间距离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 6、 选择液位计液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大体上可

21、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。 1玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结晶等堵塞固体的场合。板式液面计承压能力强，但是比较笨重、成本较高。2玻璃板液面计一般选易观察的透光式，只有当物料很干净时才选反射式。3当容器高度大于时，玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果，应改用其它适用的液面计。液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重的堵塞现象所以在此选用玻璃管液面计。玻璃板液面计有透光式玻璃板液面计（T型）、反射式玻璃板液面计（R型）和试镜式玻璃板液面计（S型）三种结构，其适用温度一般在0250。但透光式适用工作压力较反射式高，试

22、镜式工作压力最小。玻璃管液面计适用工作压力小于，介质温度在的范围。对于承压设备，一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与设备连接在一起，分别用于不同型式的液面计。考虑到本设备的设计压力为3.8MPa,而且液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重的堵塞现象，所以在此选用反射式玻璃板液面计（R型）。由筒体公称直径为，选择长度为的液面计。已知其公称直径为15mm。液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径=2400mm根据HG/T21550-93，选择玻璃管液面计AIW PN4.0,L=1000mm，HG5-227-80两支。与其相配的接管尺寸为18×3m,管法兰为法兰PN 4.0 DN

23、 15 GB 9119.8-88。7、选配工艺接管本储罐设有以下接口管液氨进料管：采用45×2.5mm无缝钢管。管的一端切成45°,伸入储罐少许.配用具有突面密封的平焊管法兰: 法兰PN4.0 DN40 GB9119.8-88因为壳体名义壁厚=30mm,接管公称直径小于80mm,故不要补强.液氨出料管：采用可拆的压出管25×2.5mm,将它套入罐体的固定接口管38×3.5mm内,罐体的接口管法兰采用法兰PN4.0 DN32 GB9119.8-88。与该法兰相配并焊接在压出管的法兰上,其连接尺寸和厚度与法兰法兰PN4.0 DN32 GB9119.8-88相

24、同,但其内径为25mm(见总装图的局部放大部大图).液氨压出管的端部法兰(与氨输送管相连)采用法兰PN4.0 DN20 GB9119.8-88。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐2.5m。排污管在罐的右端最底部设个排污管一个，规格是45×2.5mm，管端焊有与截止阀J41W-16相配的管法兰PN4.0 DN40 GB9119.8-88。排污管与罐体连接处焊有一厚度为10mm的补强圈.放空管接口管采用32×3.5mm无缝钢管, 法兰PN4.0 DN25 GB9119.8-88液面计接管液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径=2400mm根据HG/T21550-93，选择玻璃

25、管液面计AIW PN4.0,L=1000mm，HG5-227-80两支。与其相配的接管尺寸为20×2.5m,管法兰为法兰PN4.0 DN15 GB9119.8-88。安全阀接口管安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用32×2.5mm的无缝钢管, 法兰PN4.0 DN25 GB9119.8-88。设计小结通过这次课程设计，让我对化工设备机械基础这门课有了进一步的认识。这次课设是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择合适的设计参数，对罐体的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括筒体、封

26、头的应力校核，以及鞍座的载荷和应力校核。校核合格之后才能确定所选设备型符合要求。通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。在设计过程中，我们对化工机械设备基础有了更深入地学习，也是我们加强了化工方面的基本素养，为我们以后的学习及工作都奠定了良好的基础。因为的知识有限，此次设计又是我的首次设计，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和指正。最后感谢老师对这次课设的评阅。参考文献1国家质量技术监督局，GB150-1998钢制压力容器，中国标准

27、出版社，1998；2金属化工设备·零部件第四卷；3中华人民共和国化学工业部，中华人民共和国待业标准钢制管法兰、垫片、紧固件，1997；4蔡业彬 宣征南，化工设备机械基础课程设计指导书；5刁玉纬 王立业，化工设备机械基础，大连理工大学出版社，2003年第五版；6李多民俞惠敏，化工过程设备机械基础，中国石化出版社，2007；7董大勤，化工设备机械基础，化学工业出版社，1994年第二版；8汤善甫 朱思明，化工设备机械基础，华东理工大学出版社，2004年第二版。附表 总 图 材 料 明 细 表 (mm)22GB8163-87出料接管 101 0.5 21HB20592-95法兰SO32-4.0 RF16MnR1 2.02 20HB20592-