液氨储罐机械设计.doc

(完整word版)液氨储罐机械设计
学号：

《化工机械基础》
课 程 设 计 说 明 书

设计题目： 液 氨 储 罐 机 械 设 计

学院 化学工程学院 专业 化工 班级
学生 　　 指导教师 　
完成时间 201 年 月 日 至 201 年 月 日

目录

第一章 绪论 1
1、液氨贮罐的设计背景 1
2、液氨贮罐的分类及选型 1
3、设计温度和设计压力的确定 2
第二章 材料及结构的选择与论证 3
1、材料选择与论证 3
2、结构选择与论证 3
第三章 工艺尺寸的确定 7
第四章 设计计算 8
1、计算筒体的壁厚 8
2、计算封头的壁厚 8
3、水压试验压力及其强度校核 9
4、选择人孔并核算开孔补强 9
5、选择鞍座并核算承载能力 11
6、选择液位计 12
7、选配工艺接管 12
设计小结 14
参考文献 15

广东石油化工学院
《化工机械基础》课程设计任务书

1. 设计题目：液氨储罐机械设计
2. 设计数据：
技 术 特 性
公称容积(m3)
19
公称直径Dg(mm)
1900
介 质
液氨
筒体度L(mm)
6100
工作压力(MPa)
2
工作温度(0C)
48
厂 址
茂名
推荐材料
Q345R
管 口 表
编号
名称
公称直径(mm)
编号
名称
公称直径(mm)
a1-2
液位计
15
e
安全阀
32
b
进料管
50
f
放空管
25
c
出料管
32
g
人孔
450
d
压力表
15
h
排污管
50

工艺条件图

3.计算及说明部分内容（设计内容）：
第一部分 绪论：
（1）设计任务、设计思想、设计特点；
（2）主要设计参数的确定及说明。
第二部分 材料及结构的选择与论证
（1）材料选择与论证；
（2）结构选择与论证：封头型式的确定、人孔选择、法兰型式、液面计的选择、鞍式支座的选择确定。
第三部分 设计计算
（1）计算筒体的壁厚；
（2）计算封头的壁厚；
（3）水压试验压力及其强度校核；
（4）选择人孔并核算开孔补强；
（5）选择鞍座并核算承载能力；
第四章 主要附件的选用
（1）、液面计选择
（2）、各进出口的选择
（3）、压力表选择
第五章 设计小结
附设计参考资料清单

4．绘图部分内容：
总装配图一张（1#）

5．设计期限：1周（2015 年 7 月 7日 —— 2015 年 7月 11 日）

6、设计参考进程：
(1)设计准备工作、选择容器的型式和材料 一天
(2)设计计算筒体、封头、选择附件并核算开孔补强等 一天
(3)绘制装配图 二天
(4)编写计算说明书 一天
(5)答辩 半天

7．参考资料：
[1] 《化工过程设备机械基础》，李多民、俞慧敏主编，中国石化大学出版社
[2] 《化工设备机械基础》，汤善甫 朱思明主编，华东理工大学出版社。
[3] 《化工设备机械基础课程设计指导书》，蔡业彬 宣征南主编。
[4] 《钢制压力容器》GB150-98

发给学生（签名）： 指导教师：
2015 年 7 月 7日
注：此任务书应附于所完成的课程设计说明书中

III

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、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350 MPa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）。

3、设计温度和设计压力的确定

罐储存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0.9～4MPa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1-1：液氨的饱和蒸汽压和密度
温　　　度（℃）
50
40
30
20
10
0
-10
饱和蒸汽压（绝压，MPa）
2.07
1.553
1.165
0.856
0.614
0.428
0.291
密　　度（kg/m3）
563
580
595
610
625
639
652

根据设计条件，温度为48 ℃。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。本设计压力选取为2MPa。根据上表并利用插值法，48 ℃时氨的饱和蒸汽压为1967MPa（绝对压力），故取P=2MPa。

13

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

①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、结构和制造等方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。
②人孔选择
为了检查和修理容器内部，在液氨储罐上需要设置人孔。人孔已标准化，按材料可分为碳钢人孔、低合金钢人孔和不锈钢人孔。有多种结构形式和法兰密封面形式以适应不同的公称压力和使用场合。圆形人孔的公称直径有DN400、DN450、DN500、DN600种。设置情况见（表2-1）。
卧式容器筒体长度≥6000mm时，为了气体置换、采光、检验人员进行内外部检验和出入方便，应考虑在两端各设置1个人孔。
人孔不应该设置在鞍座截面和跨中截面上，也不宜在封头上设置人孔。
人孔尺寸应根据容器直径大小、压力等级、容器内部可拆构件尺寸等因素决定，一般情况下：
容器直径大于或等于900～1000mm时，选用DN400人孔；
容器直径大于1000～1600mm时，选用DN450人孔；
容器直径大于1600～3000mm时，选用DN500人孔；
容器直径大于3000mm时，选用DN600人孔。
表2-1　　人孔的设置
容器公称直径DN/mm
有内部构件时
无内部构件时
300＜DN＜900
设置设备法兰
设置一个人孔或设置1-2个检查孔
900≤DN＜2600
设置一个人孔
设置一个人孔
DN≥2600
设置二个人孔
设置一个人孔

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/T20592-2009标准。

图1-1　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。
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2.28MPa的条件下工作，人孔标准应按公称压力为2.5MPa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/T20592-2009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TG型。该人孔标记为：HG/T20592-2009 人孔 TGⅧ(A.G) 450-2.5 其中TG指榫槽密封，Ⅷ指接管与法兰的材料为16MnR，A.G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。
③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，如管法兰P。由于本设计，由HG/T20592-2009标准,可以选择焊接法兰中的板式平焊法兰PL。
法兰与密封面形式：，根据HG/T20592-2009标准可以选择RF密封面。
④液位计的选择
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。
液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径Di=1900 mm选择玻璃管液面计AT25-ⅠHG5-1364-80两支。
与其相配的接管尺寸为 18×3 mm,管法兰为PL15-2.5RF 16MnR HG/T20592-2009。
⑤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=1900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 4712.1-2007 鞍座 A1900-F
JB/T 4712.1-2007 鞍座 A1900-S。（具体参数如下图表）

第三章 工艺尺寸的确定

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；则单个头容积，封头总容积，故筒体容积，则筒体长度，取整后筒体长度取为，实际体积。

表3-1　EHA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
（m2）
容积V
（m2）
1
1800
475
3.6535
0.8270
2
1900
500
4.0624
0.9687
3
2000
525
4.4930
1.1257
注：对于封头直边高度h的取值，JB/T4746-2002规定：当DN≤2000时，取h=25 mm；　　
②当DN＞2000时，取h=40 mm。
总深度H＝h＋h1，h1为封头内曲面高度。

第四章 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。
由线性插值法知液氨48℃时饱和蒸汽压为1.967 MPa，故取设计压力P=2 Mpa。由所选材料16MnR，查课本表5-3，得=170Mpa，，=1.0(带垫板的单面对接焊缝，全部无损检测）。
根据介质的性质，可以查得腐蚀裕量为=1 mm；根据内径查常用钢板厚度负偏差规格，可以查得，负偏差为=0.8mm。
厚度附加量为C==0.8 mm + 1 mm=1.8 mm
因此，筒体的计算厚度为：
=
筒体的设计厚度为：

对厚度进行圆整可得名义厚度为：=13 mm
确定用=13 mm厚的16MnR钢板制作罐体。

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，

=

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
式中：
=345 MPa
则水压试验时的应力：

16MnR钢制容器在常温水压试验时的许可应力

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2 Mpa的条件工作，人孔标准应按公称压力为2.5 Mpa。从人孔类型系列标准可知，公称压力为2.5 Mpa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 RFⅧ DN450-PN2.5 其中RF指突面密封，Ⅷ指接管与法兰的材料为16MnR，DN450是指公称直径为450 mm、PN2.5指公称压力为2.5 Mpa。
另外,还要考虑人孔补强,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=450 mm,壁厚=10 mm
故补强圈尺寸如下：
由标准查得补强强圈内公式=484 mm,外径=760 mm。
开孔补强的有关计算参数如下：
（1）计算开孔所需补强面积A
① 筒体的计算壁厚：
② 计算开孔所需补强的面积A
开孔直径：

（2）计算有效补强范围
① 有效宽度：

取最大值
② 外侧高度
接管实际的外伸高度
取较小值，故
内侧高度

取小值，故=0
（3）计算有效补强金属截面积
①筒体多余金属截面积A
筒体有效厚度：

②接管多余金属截面积A2
接管计算厚度

③ 补强区内焊缝截面积A3

④ 有效补强面积

，所以需要另加强
（4）所需补强截面积为

（5）补强圈设计
参考JB/T 4736-2002标准,取内径D1=484mm，外径D2=760mm
补强圈厚度
考虑到罐体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量，取δ=17mm。
其标记为:补强圈760/484 =22 16MnR JB/T 4736-2002

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
① 罐体的质量m1
DN=1900 mm，=13 mm，L=6100 mm =6.1 m的筒节，
由GB150-1998查得，每米的质量为q1=617 kg/m
m1=q1L=6176.1 kg =3764 kg
② 封头的质量m2
DN=1900 mm，=13 mm，直边高度h=25 mm的标准封头，
由GBT 25198-2010查得其质量=600 kg

③ 水压试验时水的质量m3

式中：a ——冲装系数，取0.9
V —— 储罐容积
——水密度，为1000 kg/m3

④ 附件的质量m4
人孔的质量约为200kg，其他的连接管质量总和按300 kg计，则：=500 kg
设备总质量为：

每个鞍负荷F=
所以选用轻型带垫板，包角为120°的鞍座：
JB/T 4712.1-2007 鞍座 A2400-F和JB/T 4712.1-2007 鞍座 A2400-S。

6、选择液位计

液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径=1900 mm
根据HG/T21550-93，选择玻璃管液面计AT25-Ⅰ，L=800 mm，HG5-1364-80两支。
与其相配的接管尺寸为18×3m,管法兰为法兰PN 2.5 DN 15 GB/T8163-1999。

7、选配工艺接管

本储罐设有以下接口管
① 液氨进料管：
采用57×3.5 mm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PN2.5DN50 GB/T8163-1999
因为壳体名义壁厚=13 mm，接管公称直径小于等于50 mm，且设计压力小于4 MPa故不要补强。
② 液氨出料管：
采用可拆的压出管25×3 mm，将它套入罐体的固定接口管38×3.5 mm内。
罐体的接口管法兰采用法兰PN2.5 DN32 GB/T8163-1999。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PN2.5 DN32 GB/T8163-1999相同,但其内径为25 mm(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PN2.5 DN20 GB/T8163-1999。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐1.8 m。
③ 排污管
在罐的右端最底部设个排污管一个，规格是57×3.5 mm，管端焊有与截止阀J41W-16相配的管法兰PN2.5DN50 GB9119.8-88。
④ 放空管接口管
采用32×3.5mm无缝钢管，法兰PN2.5 DN25 GB9119.8-88
⑤ 液面计接管
液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径=1900 mm
根据HG/T21550-93，选择玻璃管液面计AT25-Ⅰ，L=800 mm，HG5-1364-80两支。
与其相配的接管尺寸为18×3 m,管法兰为法兰PN2.5 DN15 GB/T8163-1999。
⑥ 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32×2.5 mm的无缝钢管, 法兰PN2.5 DN25 HG21524-2004。

设计小结

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] 《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。