化工机械基础课程设计

1、内蒙古科技大学化工设备机械基础课程设计说明书题 目：带液氨储罐学生姓名：张辉学 号：1566115210专 业：化学工程与工艺 班 级：化工-2班 指导教师：兰大为设计任务书一、课题：液氨贮罐的机械设计设计内容：根据给定工艺参数设计一台液氨储罐二、已知工艺参数：最高使用温度：T=50公称直径：DN=2600mm筒体长度（不含封头）：L0=3900mm三、具体内容包括：1.筒体材料的选择2.罐的结构尺寸3.罐的制造施工4.零部件型号及位置、接口5.相关校核计算6.绘制装备图（A2图纸）设 计 人：张辉学号：1566115210前言化工专业课程设计室掌握化工原理和化工设备机械基础相关内容后进行的一

2、门课程设计，也是培养学生具备基本化工设计技能的实践性教学环节。此课程设计所进行的是化工单元设备或主要辅助设备的工艺设计及选型，其性质属于技术设计范畴。课程设计是对课程内容的应用性训练环节，是学生应用所学知识进行阶段性的单体设备或单元设计方面的专业训练过程，也是对理论教学效果的检验。通过这一环节使学生在查阅资料、理论计算、工程制图、调查研究、数据处理等方面得到基本训练，培养学生综合运用理论知识分析、解决实际问题的能力。本设计是设计-卧式液氨储罐。液氨储罐是合成氨工业中必不可少的储存容器。为了解决容器设计中的各类问题，本设计针对这方面相关问题做了阐述。综合考虑环境条件，液体性质等因素并参考相关标准

3、，按工艺设计，设备结构设计，设备强度计算，分别对储罐的筒体，封头，鞍座，人孔，接管进行设计，然后用强度校核标准，最终形成合理的设计方案。通过本次课程设计得到了化工设计基本技能的训练，为毕业设计及今后从事化工技术工作奠定了基础。此次设计主要原理来自一书及其他参考资料。目录第一章 液氨储罐设计参数的确定61.1罐体和封头的材料的选择61.2设计温度与设计压力的确定61.3其他设计参数6第二章 工艺计算82.1壁厚的设计82.1.1筒体壁厚的计算82.1.2封头壁厚的计算92.1.3筒体与封头水压强度的校核92.2鞍座的设计112.2.1罐体质量W1112.2.2液氨质量W2112.2.3其他附件质

4、量W3112.2.4设备总质量W112.2.5鞍座的选择122.3选择人孔并核算开孔补强132.3.1人孔选择132.3.2开孔补强的计算.132.4选配工艺接管162.4.1液氨进料管162.4.2液氨出料管162.4.3排污管162.4.4安全阀接口162.4.5液面计接口管162.4.6放空管接管口17第三章 参数校核183.1筒体轴向应力校核183.1.1筒体轴向弯矩计算183.3.2筒体轴向应力计算193.2筒体和封头切向应力校核213.2.1筒体切向应力计算213.3.2封头切向应力计算213.3筒体环向应力的计算和校核213.3.1环向应力的计算213.3.2环向应力的校核223

5、.4鞍座有效断面平均压力23第四章 设计汇总244.1符号汇总244.2公式汇总25第五章 小结27第六章 参考文献28第七章 附录29第一章 液氨储罐设计参数的确定1.1罐体和封头的材料的选择 纯液氨腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材,但由于压力较大,可以考虑20R、16MnR.这两种钢种。如果纯粹从技术角度看，建议选用20R 类的低碳钢板， 16MnR 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 钢板为比较经济。所以在此选择16MnR 钢板作为制造筒体和封头材料。1.2设计温度与设计压力的确定通过查表可知，在50 时液氨的饱和蒸汽压2.0325MPa，压力容器安全监

6、察规程规定液化气体储罐必须安装安全阀，设计压力可取最大操作压力的1.05-1.10 倍。所以设计压力p = 1.10(2.0325 0.1) = 2.1263MPa 故取设计压力p=2.13MPa。1.3其他设计参数 容器公称直径见技术特性表即公称直径Di=2600mm；罐体和封头的材料为16MnR，查教材可知其设计温度下的许用应力 t = 163MPa。液氨储罐封头从受力方面分析来看，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得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗

7、用量来年：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。液氨储罐筒体为板卷焊，焊接接头采用双面对接焊100%探伤,因此确定焊接接头系数 = 1。第二章 工艺计算2.1壁厚的设计2.1.1筒体壁厚的计算取计算压力pc=p=2.13MPa，筒体内径Di=DN=2600mm，查表知16MnR在设计温度为50时的许用应力为t=163MPa，筒体的理论计算壁厚公式为： （2.1）式中：筒体的理论计算壁厚，mm； pc筒体计算压力，MPa； Di筒体内径，mm； t钢板在设计温度下的许用应力，MPa;焊接接头系数，其值为1。将数值代入公

8、式(2.1)计算出筒体的计算厚度为：由于液氨对金属有一定的腐蚀，取腐蚀裕量C2=2mm，故筒体的设计厚度为：由钢板厚度负偏差表查得C1=0.8mm，故名义壁厚为：圆整后取n=20mm。2.1.2封头壁厚的计算采用的是标准椭圆形封头，各参数与筒体相同，其厚度计算式为：设计厚度为：名义厚度为：圆整后取n=20mm。查表(132页)标准椭圆形封头的直边高度(JB/T4737-95)为h0=50mm。2.1.3筒体与封头水压强度的校核确定水压试验的试验压力值已知p=2.13MPa， =t=163MPa试验压力： 式中：PT试验压力，MPa;p设计压力，MPa; 、t分别为液压试验温度和设计温度下壳壁材

9、料的许用应力，MPa。带入数据得：计算水压试验时的器壁应力值实验时器壁的应力： 查表（125页）可知20mm的16MnR钢板的常温强度指标s=325MPa。所以，故所设计的器壁厚度满足设计要求。2.2鞍座的设计2.2.1罐体质量W1罐体质量m1：公称直径DN=2600mm，壁厚=20mm的筒体，查表（陈国恩主编312页），得每米质量是q1=1290kg/m，所以封头质量m2：公称直径DN=2600mm，壁厚=20mm，直边高度h0=50mm的标准椭圆形封头，查表（313页）得其质量，所以W1=m1+m2=5031+2460=7491kg2.2.2液氨质量W2 式中:V贮罐容积，m3；液氨的密度

10、，在0时液氨的密度为640kg/m3。小于水的密度，故充液氮质量按水考虑筒体公称直径DN=2600mm，筒体长度L0=4.0m，查（312页），得封头容积为Vh=2.56m3，则贮罐总容积为于是2.2.3其他附件质量W3人孔约重200kg，其它接口管的总重约300kg。于是W3=500kg。2.2.4设备总质量WW=W1+W2+W3=7491+28525+550=33316kg2.2.5鞍座的选择每个鞍座承受的负荷为根据鞍座承受的负荷，查表(化工设备机械基础，大连理工大学出版社，附录16可知，选择轻型(A)带垫板，包角为120的鞍座。即JB/T4712-1992 鞍座A2600-F，JB/T4

11、712-1992 鞍座A2600-S。其标准尺寸如下：安放位置：筒体长度式中A鞍座与封头切线之间的距离，mm；L1两鞍座间距，mm。由于筒体L/D较大，且鞍座所在平面又无加强圈，取2.3选择人孔并核算开孔补强2.3.1人孔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。根据储罐是在常温下及设计压力为2.13MPa 的条件下工作,人孔的标准按公称压力为2.5 MPa 等级选取。考虑到人孔盖直径较大较重,故选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔(HG 21524-95)，公称直径为450mm，突面法兰密封面(RF型)。该人孔结构

12、中有吊钩和销轴，在检修时只需松开螺栓将盖板绕销轴旋转，即可轻松进入，而不必将其取下以节约维修时间。查得该人孔的有关数据如下: 该水平吊盖带颈对焊法兰人孔的标记为：HG21523-95 人孔RF （AG）450-2.5 其中RF指突面密封，指接管与法兰的材料为16MnR，AG是指用普通石棉橡胶板垫片，450-2.5是指公称直径为450mm、公称压力为2.5 Mpa。2.3.2开孔补强的计算.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。由表4.1知本设计所选用的人孔筒节内径di450mm，壁厚nt12mm。据此差得补强圈尺寸(JB/T 4736-2002)为：外径D2=760mm，内

13、径D1=450+212+14=488mm。开孔补强的有关计算参数如下：(1) 开孔所需补强面积A对于圆筒，壳体开口出的计算厚度为：。开孔直径。由于接管材料与壳体材料都为16MnR，故fr=1，内压容器的圆筒开孔强面积为： mm2 (4.1)式中 d开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量，mm；壳体开孔处的计算厚度，mm；et接管有效厚度，mm；fr强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值。代入数据得：开孔所需补强面积(2) 有效宽度B二者中取较大值B=911.2mm。(3) 有效高度外侧高度h1二者中取较小值h1=73.94mm内侧高度h2二者中取较小值h2=0mm。

14、(4) 补强面积Ae在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算 式中 Ae补强面积，mm2；A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2;A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2；A3焊缝金属截面积，mm2。计算如下： 其中接管有效厚度为故 (4.4)其中接管计算厚度为故 焊缝金属截面积故补强面积Ae为由于，故开孔需另加补强，其另加补强面积为(5) 补强圈厚度圆整后取，补强材料与壳体材料相同为16MnR。2.4选配工艺接管2.4.1液氨进料管采用573.5mm无缝钢管。管的一端切成45，伸入储罐内少许。配用突面板式平焊管法兰：HG20592-97 法兰 PL50-2.5 R

15、F-16MnR2.4.2液氨出料管在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。故采用可拆的压出管，将它用法兰固定在接口管内。罐体的接口管法兰采用HG20592-97法兰 WN50-2.5 RF-16MnR。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HG20592-97 法兰 SO32-2.5 RF-16-MnR相同，但其内径为25mm。液氨压出管的端部法兰采用HG20592-97 法兰 SO32-2.5 RF-16-MnR。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐2.5m2.4.3排污管贮罐右端最底部安设一个排污管，管子规格：，管端焊有一与截

16、止阀J41W-16相配的管法兰HG20592-97 法兰 SO20-1.6RF-16-MnR。排污管一罐题连接处焊有一厚度为10mm的补强圈2.4.4安全阀接口安全阀接管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用的无缝钢管，法兰为HG20592-97 法兰 SO25-1.6 RF-16MnR（尺寸由安全阀泄露放量决定）2.4.5液面计接口管本贮罐采用透光式玻璃板液面计AT 2.5-W-1450V 两支。与液面计相配的接管尺寸为，管法兰为HG20592-97 法兰 SO15-1.6RF-16MnR2.4.6放空管接管口为了在注入液体时，将容器内的空气排到罐体外以便能顺利快速地注入，需安设一放空管。采用无

17、缝钢管，法兰为HG20592-97 法兰 SO25-1.6 RF-16MnR。第三章 参数校核3.1筒体轴向应力校核3.1.1筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩用下式计算 (8-1)式中 F鞍座反力，N； Rm筒体的平均直径，mm； L筒体长度，mm； A支座中心线至封头的距离，mm； hi封头内壁的曲面高度，mm。其中，所以支座处截面上的弯矩 所以3.3.2筒体轴向应力计算由化工机械工程手册（上卷，P1199）得K1=K2=1.0。因为M1M2，且ARm/2=660mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。（1）由弯矩引起的轴向应力筒体中间截面上最高点处 最低点处：。鞍座截面处最高

18、处：最低点处：（2）由设计压力引起的轴向应力由 所以（3）轴向应力组合与校核最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处，所以许用轴向拉压应力t=163MPa，而2t合格。最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处，轴向许用应力根据A值查外压容器设计的材料温度线图得B=130MPa，取许用压缩应力ac=130MPa，1ac，合格。3.2筒体和封头切向应力校核因筒体被封头加强，筒体和封头中的切向剪应力分别按下列计算。3.2.1筒体切向应力计算由化工机械工程手册（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以3.3.2封头切向应力计算因h1.25t-h,所以合格。3.3筒体环

19、向应力的计算和校核3.3.1环向应力的计算设垫片不起作用（1）在鞍座处横截面最低点 (8-5)式中 b2筒体的有效宽度，mm。由化工机械工程手册（上卷，P11-101）查得，K5=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1，考虑容器焊在鞍座上 (8-6)式中 b鞍座轴向宽度，mm。所以所以（2）鞍座边角处轴向应力因为L/Rm=3900/1320=2.958,且 (8-7)所以3.3.2环向应力的校核5t=163MPa，合格。1.25t=1.25163=203.75MPa，合格。3.4鞍座有效断面平均压力鞍座承受的水平分力 (8-8)由化工机械工程手册（上卷，P11-103）查得，K9=0

20、.204。所以。鞍座有效断面平均应力 (8-9)式中 Hs鞍座的计算高度，mm； b0鞍座的腹板厚度，mm。其中Hs取鞍座实际高度（H=250mm）和Rm/3=1320/3=440mm中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度b0=2-C1=10-0.8=9.2mm。所以应力校核式中sa=140MPa，鞍座材料Q235AF的许用应力。第四章 设计汇总4.1符号汇总序号名称指标材料1设计压力2.2MPa2工作温度503物料名称液氨4容积79.36m35筒体DN260020mm，L=3900mm16MnR6封头DN65020mm，h=50mm16MnR7鞍座JB/T4712-92 鞍座A3600-F

21、JB/T4712-92 鞍座A3600-SQ235A.F8人孔HG21524-95 人孔RF （AG）450-2.5组合件9补强圈16MnR10液面计液面计 AT 2.5-W-1450V组合件11液面计接管，L=200mm16MnR12进料管，L=200mm16MnR13出料管，L=200mm16MnR14压料接管，L=3708mm20R15排污管，L=200mm20R16放空管，L=200mm20R17安全阀接管，L=200mm20R18法兰配合以上接管Q235A4.2公式汇总名称公式出处贮罐总质量m=m1+m2+m3+m4化工机械基础（陈国恒主编）P312罐体质量m1=q1L0封头质量m2

22、=2q2充液质量m3=V筒体中间处横面的弯矩化工容器设计例题、习题集（蔡仁良）P97支座处截面的弯矩由弯矩引起的轴向应力（最高点处）化工容器设计例题、习题集（蔡仁良）P170由弯矩引起的轴向应力（最低点处）设计压力引起的轴向应力轴向拉应力轴向压应力轴向许用压缩应力筒体切向剪应力化工机械工程手册（上卷）（余国琮）封头切向剪应力鞍座处横截面最低点处环向应力鞍座边角处轴向应力化工容器设计例题、习题集（蔡仁良）P171支座承受的水平分力鞍座有效断面平均应力补强圈内径Di=di+2C+(1216)化工机械工程手册（上卷）（余国琮）P11-163补强圈厚度化工机械基础（陈国恒 主编）P221第五章 小结通过2周对液氨储罐的机械设计，我更加深入的了解了液氨储罐的设计过程，在设计由于储罐体积较小，采用的是卧式圆筒形容器。通过这次课程设计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