课程设计液氨储罐设计

来源：网络转载来源：网络转载来源：网络转载湖北大学化学化工学院化工设备机械基础课程设计计算说明书课程设计题目:液氨储罐设计姓名邹晓双学号专业年级12级化工2班指导教师鲁德平日期指导教师评语：成绩指导教师签名年月日学院审查意见院长签名年月日目录一、设计任务书..........................................1二、液氨储罐设计参数的确定..............................21、根据要求选择罐体和封头的材料........................22、确定设计温度与设计压力..............................23、其他设计参数........................................2三、筒体和封头壁厚的计算...............................21、筒体壁厚的计算......................................21.1设计参数的确定.....................................31.2筒体壁厚的设计.....................................31.3刚度条件设计筒体的最小壁厚........................32、罐体封头壁厚的计算.................................33、罐体的水压试验.....................................33.1液压试验压力的确定.................................33.2液压试验的强度校核...............................33.3压力表的量程、水温的要求...........................33.4液压试验的操作过程................................34、罐体的气压试验.....................................44.1气压试验压力的确定................................44.2气压试验的强度校核................................44.4、气压试验的操作过程...............................4四、罐体的开孔与补强....................................41、开孔补强的设计准则.................................42、开孔补强的计算..................................42.1、开孔补强的有关计算参数.......................52.2、补强圈的设计.....................................5五、选择鞍座并核算承载能力..............................51、支座的设计.........................................52、鞍座的计算.........................................63、安装位置...........................................64、人孔的设计.........................................65、液面计的设计.......................................7六、选配工艺接管........................................71、液氨进料管..........................................72、液氨出料管..........................................73、排污管..............................................74、安全阀接口管........................................75、压力表接口管........................................8七、设计结果一览表.....................................9八、液氨储罐装配图（见附图）...............................一、设计任务书试设计一液氨储罐，其公称容积、储罐内径、罐体（不包括封头）长度见下表。使用地点：家乡--湖北省十堰市竹溪县。技术特性表公称容积(立方米)25公称直径(DN)2.0介质液氨筒体长度(L)7.4工作压力（MPa)1.550工作温度(℃)≤40使用地点湖北省十堰市竹溪县推荐材料16MnR编号名称公称直径（mm）编号名称公称直径（mm）a1-a2液面计20e安全阀80b人孔450f放空管65c进料管80g排污管65d出料管80二、液氨储罐设计参数的确定1、根据要求选择罐体和封头的材料纯液氨腐蚀性小,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。2、确定设计温度与设计压力液氨储罐通常置于室外，虽然设计有保温措施，但罐内液氨的温度和压力还是可能直接受到大气温度的影响，在夏季液氨储罐经太阳暴晒，液氨温度可达40℃，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断变化.根据《化学化工物性数据手册》查得40℃饱和蒸汽压为1.55MPa,可以判定设计的容器为储存内压压力容器，按《压力容器安全技术监察规程》规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气40℃时的饱和蒸汽压力，可取液氨的设计压力为1.70MPa，当液化气体储罐安装有安全阀时，设计压力可取最大操作压力的1.05-1.10倍，所以1.7MPa合适。0.6MPa≤p≤10MPa属于中压容器。3、其他设计参数容器公称直径见技术特性表即公称直径DN=2.0m；罐体和封头的材料为16MnR，查教材P168表8-7可知其设计温度下的许用应力[σ]t=170MPa。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V坡口双面焊接,采用局部无损检测,根据焊接接头结构和无损探伤比例确定焊接接头系数为1.0。三、筒体和封头壁厚的计算1.筒体壁厚的计算1.1设计参数的确定由文献查得：焊接接头系数φ=1.0（双面焊对接接头，100%无损探伤检查），腐蚀裕量C2=2mm(微弱腐蚀)1.2筒体壁厚的设计圆筒的计算压力为1.70MPa,由教材P195-P208表8-6，取许用应力[σ]t=170MPa，由上表知Pc=1.7MPa,Di=2*1000mm=2000mm壁厚：δ＝PcDi/(2[σ]tФ-Pc)代入数据得δ=10.05mm钢板厚度负偏差C1=0.8mm，查材料腐蚀手册得40℃下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05mm/年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量C2=2mm所以设计厚度为：δd=δ+C2+C1=10.05+0.8+2=12.85mm圆整后取名义厚度14mm.1.3刚度条件设计筒体的最小壁厚因为Di=2000mm<3800mm，所以δmin=2Di/1000=4.0mm，另加C2=2mm，所以δd=6.0mm。按强度条件设计的筒体壁厚δd＝14mm＞δd＝6.0mm，满足刚度条件的要求。2.封头的壁厚计算标准椭圆形封头a:b=2:1封头计算公式：δ＝PcDi/(2[σ]tФ-0.5Pc)可见封头厚度近似等于筒体厚度，则可取同样厚度。3.罐体的水压试验3.1、液压试验压力的确定根据公式，Pt=1.25P[σ]/[σ]t，当设计温度小于200℃时，[σ]与[σ]t接近，所以Pt=1.25×1.70×1MPa=2.125MPa。3.2、液压试验的强度校核根据公式，σt=Pt(Di+δe)/2δeφ，代入数据，σt=2.125×（2000+14—2-0.8）/[2×(14—0.8-2)]MPa=190.8MPa由文献查得：σs=345MPa，因为σmax＝190.8MPa＜0.9σsФ=0.9×345×1=310.5MPa所以，液压强度足够。3.3、压力表的量程、水温的要求压力表的量程：2Pt=2×2.125=4.25MPa，水温≥15℃3.4、液压试验的操作过程在保持罐体表面干燥的条件下，首先用液体将罐体内的空气排空，再将液体的压力缓慢升至21.25Kgf/cm2,保压10-30分钟，然后将压力缓慢降至17.6Kgf/cm2,保压足够长时间（不低于30分钟），检查所有焊缝和连接部位，若无泄漏和明显的残留变形。则质量合格，缓慢降压将罐体内的液体排净，用压缩空气吹干罐体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止4.罐体的气压试验4.1、气压试验压力的确定根据公式，Pt=1.15P[σ]/[σ]t，当设计温度小于200℃时，[σ]与[σ]t接近，所以Pt=1.15×1.70×1MPa=1.955MPa。4.2、气压试验的强度校核根据公式，σT=Pt(Di+δe)/2δeφ，代入数据，σt=1.955×（2000+14—2-0.8）/[2×(14—2-0..8)]MPa=175.5MPa。由文献[查得：σs=345MPa，因为σmax＝175.5MPa＜0.8σsФ=0.8×345×1=276.0MPa所以，气压强度足够。4.3、压力表的量程、气温的要求压力表的量程：2Pt=2×1.955=3.91MPa，气温≥15℃。4.4、气压试验的操作过程气压试验时缓慢升压至0.5Kgf/cm2，保持10分钟并进行初检，合格后继续升压至10.12Kgf/cm2，然后按级差为1.955Kgf/cm2逐级升至19.55Kgf/cm2，保持10～30分钟，然后再降至17.6Kgf/cm2，至少保压30分钟，同时进行检查。若无泄露和明显的残留变形。则质量合格，若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。四、罐体的开孔与补强1、开孔补强的设计准则等面积设计法:起补强作用的金属面积不小于被削弱金属的面积。2、开孔补强的计算为了满足各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔并安装接管。开孔后，壳壁因除去了一部分承载的金属材料而被削弱，而出现应力集中现象。为保证容器安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强，以降低峰值应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富。采用等面积补强法。本设计取人孔筒节内径di=450mm，壁厚δm=14mm。由标准查得补强圈尺寸为：外径D2=760mm，内径D1=484mm2.1、开孔补强的有关计算参数(1)开孔所需补强的面积A开孔直径：d=di+2C=450+2×2.8mm=455.6mm开孔所需补强面积：A=d·δd=455.6×10.48mm2=4774.688mm2(2)补强有效区的范围①有效宽度:B=2d=2×455.6mm=911.2mmB=2d+2δn+2δm=455.6+2×14+2×14mm=511.6mm取两者之中的最大值B=911.2mm②外侧有效高度：h1=(dδm)1/2=(455.6×14)1/2mm=79.86mmh1=接管实际外伸长度=250mm取两者之中的最小值B=79.86mm内侧有效高度：h2=0mm(3)有效补强面积A=A1+A2+A3①其中A1=(B-d)(δe-δ)-2δm(δe-δ)(1-fr)筒体有效厚度δe=δn–C=14-2.8=11.2mm接管材料选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿,故fr=1，代入上式得，A1=(911.2-455.6)×(11.2-10..48)=632.78mm2②接管计算厚度δt＝Pcd/(2[σ]tФ-Pc)=1.7×455.6/(2×163×1-1.7)=2.39mmA2=2h1(δnt—δt)fr+2h2(δnt—C2)fr=2×79.86×(14—2.8—2.39)+0=1407.13mm2③A3=2×1/2×12×12=144mm2④Ae=A1+A2+A3=632.78mm2+1407.13mm2+144mm2=2183.91mm22.2、补强圈的设计因为Ae<A，所以开孔需要另加补强。所需补强面积A4=A—Ae=4774.688-2183.91=2590.778mm2补强圈厚度δ≥A4/(D2—D1)=2590.778/(760—484)=7.92mm圆整后取8mm，补强材料与壳体材料相同，为16MnR五、选择鞍座并核算承载能力1、支座的设计卧式容器支座又可分为：鞍座、圈座和支座。常见的卧式容器和大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座。故本设计选用鞍座。置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，由材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。当尺寸和载荷一定时，多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。但对于大型卧式容器而言，当采用多支座时，如果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，使支座反力难以为各支点平均分摊，导致壳体应力增大，因而体现不出多支座的优点，故一般情况采用双支座。鞍座的底板尺寸应保证基础的水泥面不被压坏。根据底板上的螺栓孔形状不同，又分为F型（固定支座）和S型（活动支座），除螺栓孔外，F型与S型各部分的尺寸相同。在一台容器上，F型和S型总是配对使用。综上所述，本设计选择鞍式双支座，一个S型，一个F型。2、鞍座的计算贮罐总质量：m=m1+m2+m3+m4其中，m1——筒体质量，kg；m2——封头质量，kg；m3——液氨质量，kg；m4——附件质量，kg；液氨质量m3m3=ψρV，式中ψ——装量系数，取0.9；（《压力容器安全技术监察规程》规定：介质为液化气体的固定式压力容器，装量系数一般取0.9）。ρ——液氨在-20℃时的密度为665Kg/m3V——贮罐容积(V=V封+V筒=0.854+8.292=9.146m3)所以m3=0.9×665×9.146=5473.88Kg附件质量m4则查得：人孔质量约为201Kg，其它接管等质量总和按300Kg计，m4=501Kg所以设备总质量m=m1+m2+m3+m4=570+1961.12+5474.88+501=8507.00Kg每个鞍座承受的负荷Q=mg/2=8507.00×9.8/2=41684.3Kg≈42KN根据文献，由于每个鞍座承受约42KN负荷，故选用轻型带垫板包角为120°的鞍座。即JB/T4712-92鞍座A2200-F，JB/T4712-92鞍座A2200-S。3、安装位置为了充分利用封头对筒体邻近部分的加强作用，应尽可能将鞍座安放在靠近封头的位置，即a应小于或等于0.5R（R是容器半径）。贮罐长度（不含封头）L=2a+l=4100mm式中a——鞍座离罐体一端的距离；l——两鞍座之间的距离；取a=0.5R=0.5×1600/2=400mm,所以l=3300mm。所以两鞍座之间的距离为3300mm。4、人孔的设计人孔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。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。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方面的因素。人孔的类型很多：从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔；从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔（重量：水平吊盖>垂直吊盖>回转盖）。选择使用上有较大的灵活性，其尺寸大小及位置以设备内件安装和工人进出方便为原则。根据贮罐是在常温及最高压力1.7MPa下工作。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。公称直径450mm,凸面法兰密封面。该人孔标记为：人孔AⅢPg17,Dg450。5、液面计的设计液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大体上可分为四类，有玻璃板液面计、玻璃管液面计、磁性液位计和用于低温设备的防霜液面计。选取玻璃板液面计。考虑到本设备不大且设计压力为1.55MPa，选用T型即透光式玻璃板液面计。透光式、公称压力PN1.55MPa、碳钢材料、保温型、排污口配阀门、长颈对焊突面法兰连接（按HG20595-97），公称长度L=1150mm的液面计，标记为：液面计AT2.5-W-1150V。六、选配工艺接管1、液氨进料管采用Φ80×4mm低合金无缝钢管。进料管伸进设备内部并将管的一端切成45℃，为的是避免物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀。配用凸面密封的带颈对焊管法兰：HG20595法兰WN50-2.5RFQ235-A。长度500mm，不必补强。2、液氨出料管采用可拆的压出管Φ25×3mm，将它套入罐体的固定接口管Φ38×3.5mm内，并用法兰固定在接口管法兰上。罐体的接口管法兰采用HG20595法兰WN32-2.5RFQ235-A，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：HG20595法兰WN32-2.5RFQ235-A相同，但其内径为25mm。液氨压出管的端部法兰采用HG20595法兰WN20-2.5RFQ235-A。液氨出料管也不必补强。压出管伸入贮罐2m。3、排污管贮罐右端最底部，安设排污管一个，管子规格是Φ80×3.5mm，管端装有一与截止阀J41W-16相配的管法兰：HG20595法兰WN50-2.5RFQ235-A。4、安全阀接口管安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的安全，因此安设一安全阀。安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用Φ50×3.5mm的无缝钢管，管法兰为：HG20595法兰WN25-2.5RFQ235-A5、压力表接口管压力表工作管由最大压力决定，因此选用Φ40×2.5mm无缝钢管，管法兰采用HG5010-58Pg16Dg65七、设计结果一览表序号名称指标材料1设计压力1.7MPa/2工作温度40/3物料名称液氨/4容积25m3/5筒体DN2000m×14mm，L=4120mm16MnR6封头DN1600mm×14mm，h=40mm16MnR7鞍座JB/T4712-92鞍座A2200-FJB/T4712-92鞍座A2200-SQ235A·F8入孔RFⅢ（A.G）450-2.5组合件9补强圈φ760mm/φ484mm，δ=8mm16MnR10液面计接管φ20mm×2，L=300mm1011玻璃管液面计AT2.5-W-1150V，L=1150mm组合件12进料管φ80mm×4，L=500mm1013出料管φ57mm×4，L=200mm1014压料接管φ25mm×3，L=2500mm1015排污管φ57mm×3.5，L=200mm1016放空管φ32mm×3.5，L=200mm1017安全阀接管φ32mm×3.5mm，L=200mm1018法兰配合以上各接管Q235-A八、液氨储罐装配图（见附图）九、课程设计总结自开始学习化学工程与工艺专业以来，这是我第二次接触课程设计并亲手完成制作，最初接到老师的任务时，觉得自己完成不了。俗话说，不经历风雨哪能见彩虹，抓住锻炼自己的机会才会进步！我坚信，有信心，才有冲劲！虽然时间有点紧张，但抓住了零碎的时间，还是可以完成的。通过构思框架，查阅检索各种资料，刚开始手忙脚乱的，不知从何入手，很多数据都要来自于相关资料，并考虑周全，急需一定的耐心，不然很容易放弃，我不断告诉我自己，对事物的熟悉是建立在一步步的理解之上的，抱此态度，慢慢摸索，最终完成了课题为《液氨贮罐的设计》的课程设计。过程中遇到了许多难以解决的问题，对课本有了更进一步的了解，加固了对相关课程知识的认知程度，我认为最重要的是学会了很多关于word软件的使用技巧和排版，认识到了计算机处理问题的重要性，相信在以后的工作和生活中会很有用处。我认为，本次课程设计的重要限不仅仅在于对知识的学习和巩固，它告诉我做任何事情一定要有端正的态度和明确的目的，戒骄戒躁，端正态度，静心摸索才是永远要牢记的话。由于时间仓促，水平有限，设计中会存在一些问题，请老师批评指正！致谢非常感谢老师给予我们制做课程设计书的机会，制做这份课程设计书虽然不容易，特别是画图部分，因为我个人最不喜欢画图了，但做完以后很有成就感，越不容易做到的事情越觉得自己很了不起。特别要谢谢老师给我们提供的课程设计规范的PPT，对我这次设计起到了很大作用。同时，我也要感谢网络，网络让我查阅资料更快捷，更方便，在以后的学习中我会继续努力的。参考资料：[1]董大勤、高炳军、董俊华等编《化工设备机械基础》北京：化学工业出版社.第四版，2011.3[2]蔡纪宁、张莉彦编《化工设备机械基础课程设计指导书指导书》.北京：化学工业出版社.第二版，2010.8[3]何铭新钱可强编，《机械制图》北京高等教育出版社.第六版.2010年[4]董大勤,袁凤隐编.《压力容器设计手册》北京：化学工业出版社.第二.，2006[5]参考网址：答辩问题1.液氨储罐的机械设计包括哪些内容？答:内容：设备总装配图一张；零部件图一至两张；设计计算说明书一份。2.设计参数中设计压力是如何确定的？（具体说明在设计中设计压力的确定）答：液氨储罐通常置于室外，虽然设计有保温措施，但罐内液氨的温度和压力还是可能直接受到大气温度的影响，在夏季液氨储罐经太阳暴晒，液氨温度可达40℃，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断变化.根据《化学化工物性数据手册》查得40℃饱和蒸汽压为1.55MPa,可以判定设计的容器为储存内压压力容器，按《压力容器安全技术监察规程》规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气40℃时的饱和蒸汽压力，可取液氨的设计压力为1.70MPa，当液化气体储罐安装有安全阀时，设计压力可取最大操作压力的1.05-1.10倍，所以1.70MPa合适。。3.设计参数中焊接接头系数是如何确定？