化工设备机械基础

1、化工设备机械基础课程设计设计题目：液氨贮罐的设计学 院：环境与化学工程学院学 号：姓 名：刘喆指导教师：崔岳峰日 期：2010年12月25日设计任务书设计内容：根据给定的工艺参数设计一台液氨贮罐。已知参数：最高使用温度 T=50公称直径 DN=2600mm筒体长度（不含封头）L0=4200mm具体内容包括：1 筒体材料选择2 罐的结构及尺寸3 罐的制造施工4 零部件的型号及位置5 相关校核计算设计人：刘喆学号：下达时间：2010年11月19日完成时间：2010年12月25日目录1.前言12.设计参数的确定22.1设计温度与设计压力的确定22.2筒体材料的选择22.3封头的选择22.4许用应力的

2、确定22.5焊接接头系数的确定33.设计工艺计算43.1筒体壁厚的计算43.2封头壁厚的计算43.3水压试验43.3.1确定水压试验的试验压力值43.3.2计算水压试验时的器壁应力值53.3.3强度校核53.4选择人孔并核算开孔补强53.4.1人孔的选择53.4.2开孔补强的核算63.5选择鞍座并核算承载能力83.5.1承载能力的核算93.5.2鞍座的选择104其他材料及结构的选择与论证114.1液面计的选择114.2爆破片的选择114.3选配工艺接管114.3.1液氨进料管114.3.2液氨出料管124.3.3安全阀接口管124.3.4放空阀接口管124.3.5液面计接口管124.3.6排污

3、管125参数校核135.1筒体轴向应力校核135.1.1筒体轴向弯矩计算135.1.2筒体轴向应力计算145.2筒体和封头切向应力校核155.2.1筒体切向应力计算155.2.2封头切向应力计算155.3筒体环向应力的计算和校核155.3.1环向应力的计算155.3.2环向应力的校核165.4鞍座有效断面平均压力166设计汇总187小结191. 前言本设计题目为液氨贮罐的机械设计，要求综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关标准，分别对储罐的筒体、封头、鞍座、人孔、接管等进行设计，然后进行强度校核，最后形成合理的设计方案，画出液氨贮罐的装配图。液氨的物化性质，无色液体，有刺激性恶臭味。分子式

4、NH3，分子量17.03，相对密度0.7714g/l，熔点-77.7，沸点-33.35，自燃点651.11，蒸汽密度0.6，蒸汽压1013.08kPa（25.7）。蒸气与空气混合物爆炸极限1625%（最易引燃浓度17%）。按氨在20水中溶解度34%，25时,在无水乙醇中溶解度10%，在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醚,它是许多元素和化合物的良好溶剂。水溶液呈碱性,0.1N水溶液PH值为11.1。液态氨将侵蚀某些塑料制品,橡胶和涂层。遇热、明火,难以点燃而危险性较低; 但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇明火会燃烧和爆炸,如有油类或其它可燃性物质存在,则危险性更高。与硫酸或其他强无机酸反应放热，

5、混合物可达到沸腾。不能与下列物质共存：乙醛、丙烯醛、硼、环氧乙烷、次氯酸、硝酸、汞、氯化银、硫、锑、双氧水等。2. 设计参数的确定2.1 设计温度与设计压力的确定根据设计任务书要求筒体的公称直径DN=2600mm，储罐的最高工作温度为50，此时液氨的饱和蒸汽压为2.033MPa （绝对压力），容器的设计压力应该高于其最大工作压力，因此取此压强的1.10倍作为设计压力，故设计压力Pc为:Pc=（2.033-0.1）1.10=2.126MPa 2.2 筒体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

6、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，且16MnR机械加工性能、强度和塑性指标都比较好，所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。2.3 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。由应力分析可知，椭圆形封头沿经线各点的应力是变化的，顶点处应力最大，在赤道上可能出现环向内压应力，对于标准椭圆形封头与壁厚相等的圆筒体相连接时，其可以达到与筒体等强度。几何方面，就单位容积的表面积来说，以半球

7、形封头为最小。椭圆形和蝶形封头的容积和表面积基本相同，可以近似认为相等。因此，从几何、力学和制造方面综合考虑，采用标准椭圆形封头最为合理。椭圆形封头的型式及尺寸按JB/T 4737-95椭圆形封头的规定标准椭圆形封头的长短轴比值为2。封头材料与筒体一样为16MnR。2.4 许用应力的确定制造容器所用的钢板，其在设计温度下许用应力值的大小，直接决定着容器强度，是主要设计参数之一。在GB 150钢制压力容器中，对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力，16MnR的许用应力见表2.1。表2.1 压力容器用16MnR钢板的许用应力钢号钢板标准使用状态厚度mm常温强度指标在下列温度()下的需用应力/M

8、PabMPasMPa2010015016MnRGB 6654热轧，正火616510345170170170163649032516316316336604703051571571572.5 焊接接头系数的确定焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成出大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构刚性约束造成焊接内应力过大等。所以焊接接头采用V坡口双面焊接,采用全部无损检测,其焊接接头系数由焊接接头系数表查得=1.00。3. 设计工艺计算3.1 筒体壁厚的计算筒体理论厚度计算式为： （3.1）其中设计压力Pc=2.126MPa ，筒体内径

9、DN=2600mm，设计温度下的许用应力t=163MPa，焊接接头系数=1.00。故筒体的理论厚度为：=17.067mm由钢板厚度负偏差表查得C1=0.8mm，由于液氨对金属有一定的腐蚀，取腐蚀裕量C2=2mm，所以筒体壁厚为：设计厚度 mm名义厚度 mm圆整后为mm，所以筒体的壁厚为20mm。3.2 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 名义厚度 圆整后，所以封头的壁厚为20mm。查得标准椭圆形封头的直边高度(JB/T4737-95)为h0=50mm。3.3 水压试验3.3.1 确定水压试验的试验压力值根据公式，试验压力: (3.2)其中PT试验压

10、力，MPa；p设计压力，MPa；耐压试验压力系数，查表知=1.25； 、t分别为液压试验温度和设计温度下壳壁材料的许用应力，MPa。将p=2.126MPa， =t=163MPa代入式(3.2)得液压试验的试验压力为：3.3.2 计算水压试验时的器壁应力值试验时器壁的应力为： (3.3)其中有效厚度，故水压试验时的器壁应力值为：3.3.3 强度校核查表2.1可知20mm的16MnR钢板的常温强度指标s=325MPa。所以，则，故所设计的器壁厚度满足水压试验要求。3.4 选择人孔并核算开孔补强3.4.1 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

11、兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。贮罐的工作温度为常温，设计压力为2.126MPa，故人孔的标准按公称压力为2.5MPa等级选取。考虑到人孔盖直径较大较重,故选用碳钢水平吊盖人孔(标准号HG 21524-95)，带颈对焊法兰式。公称直径为450mm，突面法兰密封面(RF型)。该人孔结构中有吊钩和销轴，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:表3.1 水平吊盖带颈对焊法兰人孔(突面)标准尺寸(mm)公称压力MPa公称直径dWSDD1dbb1b2AH1H2d02.5450480126706004504640443803202

12、1436摘自HG21523-1995标准。该水平吊盖带颈对焊法兰式人孔标记为：HG21524-95 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。表3.2 人孔PN2.5 DN450(HG21524-95)明细表件号标准号名称数量材料尺寸/mm1筒节116MnRdWS=48012，H1=3202HGJ52-91法兰116Mn(锻件)3HGJ69-91垫片1石棉橡胶板=3(代号A.G)4HGJ63-91法兰盖116MnRb1=40， b2=445HGJ75-91

13、P螺柱2035M3321756螺母4025M337吊环1Q235-A.F8转臂1Q235-A.Fd0=369GB95-85垫圈201100HV10GB41-88螺母M2024级11吊钩1Q235-A.F12环1Q235-A.F13无缝钢管12014支承板116MnR3.4.2 开孔补强的核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3.1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，内径D1=450+212+14=488mm。开孔补强的有关计算参数如下：(1) 筒体的计算壁厚：(2)

14、 开孔所需补强面积A内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为 (3.4)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。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，将这些数据代入式(3.4)得：开孔所需补强面积：(3) 有效宽度B(4) 有效高度1) 外侧高度h1二者中取较小值h1=73.94mm2） 高度h2二者中取较小值h2=0mm。(5) 补强面积A e在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算: （3.5）式中

15、 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按式(3.6)，mm2;A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积按式(3.7)，mm2；A3焊缝金属截面积，mm2。计算如下： (3.6)其中接管有效厚度为，故 (3.7)其中接管计算厚度为:，故焊缝金属截面积，故补强面积A e为:由于，故开孔需另加补强，其另加补强面积为:(6) 补强圈厚度圆整后取，补强材料与壳体材料相同为16MnR。3.5 选择鞍座并核算承载能力3.5.1 承载能力的核算首先粗略计算鞍座负荷。贮罐总质量为: (3.8)式中 m1罐体质量，kg；m2封头质量，kg；m3液氨质量，kg；m4附件质量，kg。(1

16、) 罐体质量m1公称直径DN=2600mm，壁厚=20mm的筒体，查表得每米质量是q1=1284kg/m，所以:(2) 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，查表得其质量，所以:(3) 液氨质量m3 (3.9)式中 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)V贮罐容积，m3；液氨的密度，在-20时液氨的密度为665kg/m3。筒体公称直径DN=2600mm，筒体长度L0=4.2m，查表得封头容积为Vh=2.57总容积为:于是(4) 附件质量m4人孔约重200kg，其它接口管

17、的总重约350kg。于是m4=550kg。故设备总质量为:每个鞍座承受的负荷为:3.5.2 鞍座的选择支座用来支撑容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。卧式圆筒形容器的支座分为鞍式支座、圈座、腿式支座三类。由于鞍式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故此设计中选用鞍式支座。鞍座分为A型（轻型）和B型（重型）两类，每种形式的鞍座又分为固定式支座（F）和滑动式支座（S）两种。由于在此设计中，贮罐体积较小且长径比较小，故采用A型双鞍座，一为固定式，一为滑动式支座。根据鞍座承受的负荷F=121.42kN，选择轻型(A)带垫板支座，包角为120的鞍座。即JB/T4712-1992

18、鞍座A2600-F，JB/T4712-1992 鞍座A2600-S。其标准尺寸如下：表3.3 A型鞍座标准尺寸(mm)公称直径DN允许载荷/kN鞍座高度h底板地脚螺柱结构特征l1b1间距l2孔径规格包角/肋板数垫板26004422501880300164024M201206带垫板安装位置,筒体长度: (3.10)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，且鞍座所在平面无加强圈，取4 其他材料及结构的选择与论证4.1 液面计的选择由于液氨为无色液体，设计压力为2.126MPa，最高使用温度为50，故选择透光式玻璃板液面计，因为公称直径为2600mm，所以选择

19、长度为1150mm的液面计两只，型号为HG 21589.1-95，普通型。4.2 爆破片的选择爆破片装置是受压容器中保护容器安全的一种泄放装置。它的作用在于防止压力容器在操作过程中因压力突然变化，达到容器不能承受时，爆破片突然破裂，随着压力介质的泄放，容器的应力降低，安全获得保障。爆破片的特点有能适应快速升压的要求，密封性能可靠，安全装置的动作与介质状态无关，还有爆破压力、爆破温度、泄放面积的幅度大，耐腐蚀性能好，爆破压力精度高，结构简单，安装方便等优点。但爆破片也存在只能使用一次的缺点，一旦破裂，将有90%的介质泄出，经济上损失巨大，因此，在管理方面要求需定期更换爆破片。为了减少泄放时物料的

20、损失，可以将爆破片和安全阀组合配置。由于本次设计为压力容器，介质为液氨，易燃，与空气混合易爆炸，所以选择反拱开缝型爆破片，材料为石墨，与安全阀串联组合配置，爆破片装在容器和安全阀之间。4.3 选配工艺接管4.3.1 液氨进料管液体进料管往往是深入容器内的，采用无缝钢管764mm ,管的一端伸入罐切成45, 斜口的方向应使得泡沫不再溅到光壁上，起到保护性作用,管长300mm。配用突面带颈平焊管法兰，HG 20594法兰SO 65-2.5 RF 16Mn，法兰高度38mm。4.3.2 液氨出料管由于容器有压力，所以出料管设计在容器的上方，为了便于排料，管子的下端空口应尽可能低，所以管子深入容器内2

21、400mm。出料管采用可拆的压出管573.5mm，将它用法兰套在尺寸为763.5mm无缝钢管，管长200mm，罐体的接口管法兰用HG20594法兰SO65-2.5RF 16Mn。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HG20594法兰SO65-2.5 RF 16Mn相同，但其内径为50mm。液氨压出管的端部法兰HG20594法兰SO65-2.5 RF 16Mn，这些小管都不需补强。4.3.3 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，安全阀接口管尺寸有安全阀泄放量决定。选用38mm3.5mm无缝钢管，管长为200mm，法兰为 HG20594法兰 SO3

22、2-2.5 RF 16Mn。4.3.4 放空阀接口管放空口接口也采用383.5mm的无缝钢管，管长200mm，接口管法兰为HG20594 法兰 SO32-2.5 RF 16Mn。4.3.5 液面计接口管液面计接口管采用253mm的无缝钢管，接口法兰为HG20595 法兰 WN20-2.5 RF 16Mn。4.3.6 排污管为了方便维修、清理需要在容器底部放置排污阀，以便干净容器内污物或残液。采用无缝钢管573.5mm，管长200mm，接口管的法兰为HG20594 法兰 SO50-2.5 RF 16Mn。5 参数校核5.1 筒体轴向应力校核5.1.1 筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩用下式计

23、算： （5.1）式中 F鞍座反力，N； Rm椭圆封头长轴外半径，mm； L两封头切线之间的距离，mm； A鞍座与筒体一端的距离，mm； hi封头短轴内半径，mm。其中，。所以支座处截面上的弯矩： (5.2)故5.1.2 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） 有弯矩引起的轴向应力筒体中间截面上最高点处 (5.3)所以最低点处：。鞍座截面处最高点处：最低点处：（2） 有设计压力引起的轴向应力由 （5.4）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

24、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5得B=150MPa，取许用压缩应力ac=150MPa，1ac，合格5.2 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。5.2.1 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。5.2.2 封头切向应力计算 因h1.25t-h,所以合格。5.3 筒体环向应力的计算和校核5.3.1 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 （5.5）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 （5.6）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=5500/1320=4.168,且 （5.7）所以5.3.2 环向应力的校核5t=163MPa，合格。61.25t=1.25163=203.75MPa，合格。5.4 鞍座有效断面平均压力鞍座承受的水平分力 （5.8）由化工机械工程手册（上卷，P11-103）查得，K9=0.204。所以。鞍座有效断面平均应力 （5.9）式中 Hs鞍座的计算高度，mm；