安徽工程大學化工機械基礎(chǔ)化工設(shè)備課程設(shè)計液氨儲罐機械設(shè)計

1、安徽工程大學化工機械基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書設(shè)計題目：液氨貯罐的設(shè)計學 院：生物與化學工程學院 專業(yè)： 化學工程與工藝 班 別： 化工102 姓 名： MZ 學 號： 31004042XX 指導教師： XXX 目錄第一章、緒論-21.液氨貯罐的設(shè)計背景-52.設(shè)計任務(wù)-3.設(shè)計思路-4.2.液氨貯罐的分類及選型-53.設(shè)計溫度和設(shè)計壓力的確定-第二章、材料及結(jié)構(gòu)的選擇與論證-61.材料選擇與論證-62.結(jié)構(gòu)選擇與論證-7第三章 工藝尺寸的確定-8第四章 設(shè)計計算-91.計算筒體的壁厚-92.計算封頭的壁厚-10 3.水壓試驗壓力及其強度校核-104.選擇人孔并核算開孔補強-115.選擇鞍座并核算承載

2、能力-136.選擇液位計-147.選配工藝接管-14設(shè)計小結(jié)-15參考文獻-16總 圖 材 料 明 細表第一章、緒論1、液氨貯罐的設(shè)計背景化學工業(yè)和其它流程工業(yè)的生產(chǎn)都離不開容器。所有的化工設(shè)備的殼體都是一種容器，容器的應用遍及各行各業(yè)，諸如航空、航海、機械制造、輕工、動力等行業(yè)。然而化工容器又有其本身特點，不僅要適應化學工藝過程所要求的壓力和溫度條件，還要承受化學介質(zhì)的作用，要能長期的安全工作且保證良好的密封。因此在容器的設(shè)計中應綜合考慮個方面的因素，使之達到最優(yōu)。液氨主要用于生產(chǎn)硝酸、尿素和其它化學肥料，還可用作醫(yī)藥和農(nóng)藥的原料。在國防工業(yè)中用于制造火箭、導彈的推進劑，可用作有機化工產(chǎn)品的

3、氨化原料，還可用作冷凍劑，將氨進行分解，分解成氫氮混合氣體這種混合氣體是一種良好的保護氣體，可以廣泛地應用于半導體工業(yè)、冶金工業(yè)以及需要保護氣氛的其它工業(yè)和科學研究中。為能夠進行連續(xù)的生產(chǎn)，需要有儲存液氨的容器，因此設(shè)計液氨貯罐是制造貯罐的必備步驟，是化工生產(chǎn)能夠順利進行的前提。2 設(shè)計任務(wù)設(shè)計一液氨貯罐。工藝條件：查文獻資料知蕪湖地區(qū)30年最高溫度為40，氨飽和蒸氣壓，工作壓力3.4MPa,容積為。3 設(shè)計思路綜合運用所學的機械基礎(chǔ)課程知識，本著認真負責團結(jié)合作的態(tài)度，對儲罐進行詳細設(shè)計。在設(shè)計過程中綜合考慮了經(jīng)濟性，實用性，安全可靠性，各項設(shè)計參數(shù)都正確參考了行業(yè)使用標準或國家標準，這樣讓

4、設(shè)計有實際意義，并考慮到結(jié)構(gòu)方面的要求，合理地進行設(shè)計，研究出最佳方案。4 設(shè)計特點容器的設(shè)計一般由筒體、封頭、法蘭、支座、接口管及人孔等組成。常、低壓化工設(shè)備通用零部件大都有標準，設(shè)計時可直接選用。本設(shè)計書主要介紹了液罐的的筒體、封頭的設(shè)計計算，低壓通用零部件的選用。各項設(shè)計參數(shù)都正確參考了行業(yè)使用標準或國家標準，這樣讓設(shè)計有章可循，并考慮到結(jié)構(gòu)方面的要求，合理地進行設(shè)計。5設(shè)計符號說明英文字母容器的設(shè)計壽命,;貯罐內(nèi)徑，;鋼板的許用應力，液氨的飽和蒸汽壓，鋼板厚度負偏差, ;介質(zhì)的腐蝕裕量, ;希臘字母罐體計算厚度, ;罐體設(shè)計厚度, ;罐體的名義厚度, ;罐體的有效厚度, ;圓整值，腐蝕

5、速率，焊接接頭系數(shù)6、液氨貯罐的分類及選型儲罐的形狀有圓形或球形。圓筒形儲罐兩端的封頭有橢圓形、球形、錐形和平蓋等形狀。在本設(shè)計中由于設(shè)計體積較小且工作壓力較小，可采用臥式圓筒形容器，方形和矩形容器大多在很小設(shè)計體積時采用，因其承壓能力較小且使用材料較多；而球形容器雖承壓能力強且節(jié)省材料，但制造較難且安裝內(nèi)件不方便；立式圓筒形容器承受自然原因引起的應力破壞的能力較弱，故選用臥式圓筒形容器。臥式圓筒形液氨儲罐通常由臥式圓筒形筒體和兩端的橢圓形封頭組成，按照化學生產(chǎn)工藝的要求設(shè)置進料口、出料口、放空口、排污口、壓力表、安全閥和液面計等。為了檢修方便，還要開設(shè)人孔，用鞍式支座支承于混凝土基座上。選擇

6、化工容器的材料也是設(shè)計中的重要問題，應該綜合考慮容器的操作條件和鋼材的性能、價格等。氨對鋼材的腐蝕作用很小，但是，置于室外的液氨儲罐，它的操作溫度就是大氣溫度，它的操作壓力就是操作溫度對應的飽和蒸汽壓。隨著氣溫的變化，液氨儲罐的操作溫度和壓力也隨之變化，制造儲罐的鋼材應能承受這種變化。液氨儲罐通常選擇16MnR鋼，它是屈服強度為350MPa級的普通低合金高強度鋼，具有良好的綜合力學性能、焊接性能、工藝性能以及低溫沖擊韌性。在我國北方嚴寒地區(qū)，冬季最低氣溫可達-30，這時普通碳鋼將會出現(xiàn)低溫脆性（沖擊韌性嚴重下降），就應選用低溫設(shè)備用鋼（如09Mn2VDR）。7、設(shè)計溫度和設(shè)計壓力的確定 罐儲存

7、的是經(jīng)過壓縮機壓縮后，被冷卻水冷凝的液態(tài)氨，由于冷卻水的溫度隨氣候變化而波動，通常氨被壓縮到0.94MPa才能被冷卻水冷凝。儲罐通常置于室外，罐內(nèi)液氨的溫度和壓力直接受到大氣溫度的影響，在冬季可達-30，在夏季儲罐經(jīng)太陽曝曬后，液氨的溫度可達50，這時候氨的飽和蒸汽壓，隨著氣溫的變化，儲罐的操作壓力也在不斷改變（參考下表1）。 表1：液氨的飽和蒸汽壓和密度溫度（）50403020100-10-20-30飽和蒸汽壓（絕壓，MPa）2.071.5531.1650.8560.6140.4280.2910.1900.120密度（kg/m3）563580595610625639652665678 液氨儲

8、罐的操作溫度通常可取夏季的最高氣溫40。為了確保操作安全，我國勞動和社會保障部頒布的壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程第24條規(guī)定：壓力容器的設(shè)計壓力不得低于最高工作壓力，裝有安全泄放裝置的壓力容器，其設(shè)計壓力不得低于安全泄放裝置的開啟壓力或爆破壓力。工程中其設(shè)計壓力不低于安全閥開啟壓力（安全閥開啟壓力取1.051.10倍工作壓力），通常選取為1.6MPa（相當于取40時飽和蒸汽壓對應的設(shè)計壓力）。又因為蕪湖地區(qū)天氣最高室溫一般不會超過40，此時氨的飽和蒸汽壓為1.553MPa（絕對壓力），而設(shè)計要求工作壓力為3.4MPa，故設(shè)計壓力取P=3.6MPa。8、液氨儲罐工藝尺寸的確定 儲罐容量為，查表：公稱

9、直徑DN1米高容器體積V1米高容器內(nèi)表面積Fi1米高容器鋼板質(zhì)量Kg鋼板厚度101416002.0175.0339755720003.1426.2849669522003.8016.8154576424004.5247.5559483326005.3098.1764490228006.1588.8069397230007.0309.43742104332008.05010.057921110表5-2EHA橢圓形封頭內(nèi)表面積、容積（鋼制：JB/T 4746-2002）序號公稱直徑DN（mm）總深度H（mm）內(nèi)表面積A（）容積V（m³）序號公稱直徑DN（mm）總深度H（mm）內(nèi)表面積A（

10、）容積V（m³）113003501.93400.32084300075010.253.89226006507.632.5154400114021.538911.7588328007008.913.1864500116522.516212.5644注：對于封頭直邊高度h的取值，JB/T4746-2002規(guī)定：當DN2000時，取h=25mm；當DN2000時，取h=40mm。總深度Hhh1，h1為封頭內(nèi)曲面高度。設(shè)計體積，公稱直徑；采用標準橢圓形封頭，按JB/T4746-2002規(guī)定：取直邊高度40mm；則單個頭容積，封頭總?cè)莘e，故筒體容積，取整后筒體長度取為， 實際V=。筒體的總內(nèi)表

11、面積：單個封頭的表面積： 封頭的總內(nèi)表面積為：筒體的總內(nèi)表面積：由于液氨筒體的長徑比值為為合適值，所選的長徑比為2.42第二章、材料及結(jié)構(gòu)的選擇與論證 1、材料選擇與論證純液氨腐蝕性小，儲罐可選用一般鋼種，但由于壓力較高，根據(jù)鋼種適用范圍的說明，可以考慮采用20R、16MnR、15MnVR等鋼種。其中適用較多且合理的為20R和16MnR鋼種。從鋼板耗量上看，鋼板耗用量與板厚成正比，采用16MnR時，鋼板用量比采用20R時要少。因此，16MnR鋼板的價格雖比20R鋼板略貴，但從耗用量和價格綜合考慮，兩種鋼板均可考慮。從制造費用上看，由于采用16MnR鋼板，厚度較薄，質(zhì)量較輕，且制造費用目前也按碳

12、鋼設(shè)備重量同等計價，因此采用16MnR鋼板，制造費用較為經(jīng)濟。綜上所述，本設(shè)計的儲罐材料選用16MnR鋼板制作罐體和封頭。2、結(jié)構(gòu)選擇與論證 封頭形式的確定本設(shè)計選用橢圓形封頭，橢圓封頭是由曲率半徑連續(xù)變化而成的，所以，封頭上的應力分布也是均勻變化的，受力狀態(tài)比蝶形封頭要好，雖不如半球封頭，但對各種封頭的強度和經(jīng)濟合理性進行比較。從鋼材耗用量考慮，球形封頭用量最少，比橢圓形封頭節(jié)約25.8，平板封頭的用量最多，是橢圓形封頭的4倍多。從制造考慮，橢圓形封頭制造方便，平板封頭則因直徑和厚度較大，材料的獲得、車削加工、焊接等方面都遇到不少困難，且封頭與筒體厚度相差懸殊，結(jié)構(gòu)也不合理。所以，從強度、結(jié)

13、構(gòu)和制造等方面綜合考慮，采用橢圓形封頭最為合理。 人孔選擇臥式液氨儲罐常用碳鋼水平吊蓋人孔，這種人孔使用方便，壓緊墊片可靠，開啟時人孔蓋懸掛于吊桿下，避免搬動較重的人孔蓋。碳鋼水平吊蓋人孔的尺寸、材料和性能可查HG 2152221524-2005標準。 圖6-1碳鋼水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔結(jié)構(gòu)圖 人孔是安裝或按檢修人員進入塔器的唯一通道。本設(shè)計臥式容器筒體長度為5800mm，設(shè)置一個人孔。人孔類型公稱壓力MPa公稱直徑mm板式平焊法蘭人孔0.6400、450、500、600板式平焊法蘭人孔（限用凸面）或帶頸平焊法法蘭1.0400、450、500、6001.6400、450、500、600帶頸對

14、焊法法蘭2.5400、450、500、6004.0400、450、500、600臥式液氨儲罐常用碳鋼水平吊蓋人孔，這種人孔使用方便，壓緊墊片可靠，儲罐在常溫及最高工作壓力為3.4MPa的條件下工作，人孔標準應按公稱壓力4.0的等級選取，由于容器公稱直徑為2400mm,碳鋼水平吊蓋人孔的尺寸、材料和性能可查HG/T21524-95標準，選用水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔，DN450人孔，密封壓緊面采用RF型。該人孔標記為：HG/T21524-2005 人孔 TG450-4.0 其中RF指凸面密封，指接管與法蘭的材料為16MnR，用金屬纏繞墊片，450-4.0是指公稱直徑為450mm、公稱壓力為4.0

15、Mpa。 法蘭型式選擇法蘭與設(shè)備的連接形式：平焊法蘭制造簡單，使用廣泛，但剛性較差，僅用于壓力不高的場合。由于本設(shè)計，由HG20592-97標準,可以選擇焊接法蘭中的平焊法蘭PL。法蘭與密封面形式：，根據(jù)HG20592-97標準可以選擇RF密封面。 鞍式支座的選擇確定換熱器、儲罐等臥式容器的支座通常是已經(jīng)保準化的鞍式支座，簡稱鞍座。鞍座的公稱直徑是筒體的公稱直徑，每一公稱直徑的鞍座規(guī)格有輕型（A型）和重型（B型）。臥式液氨儲罐選用鞍式支座（JB/T 4712.1-2007），按照儲罐公稱直徑DN=1400選用A型（輕型）帶墊板的鞍座一對（其中S型和F型各一個），包角為120標記為：JB/T 4

16、712.1-2007 鞍座 A2400-FJB/T 4712.1-2007 鞍座 A2400-S。第三章 設(shè)計計算1、計算筒體的壁厚液氨儲罐是內(nèi)壓薄壁容器，根據(jù)選材分析，本儲罐選用16MnR制作罐體和封頭表3.1 16MnR許用應力鋼號板厚/在下列溫度（）下的許用應力/ Mpa2010015020025030016MnR61617017017017015614416361631631631591471343660157157157150138125>60100153153150141128116。根據(jù)公式： 式中： 圓筒的計算壓力，MPa； 圓筒的內(nèi)徑，mm；鋼板在設(shè)計溫度t下的許用應力

17、，MPa； 焊接接頭系數(shù)，1; 此儲罐采用100%無損探傷，故在查表 ：取鋼的負偏差查腐蝕數(shù)據(jù)手冊16MnR耐氨腐蝕，其，若設(shè)計壽命為15年，則則筒體的計算壁厚圓整后，圓筒的名義厚度為2、計算封頭的壁厚本容器用標準橢圓封頭，厚度根據(jù)公式：其中各數(shù)據(jù)跟罐體相同， =+1.5 =28.2m考慮鋼板厚度負偏差及沖壓減薄量，對厚度進行圓整可得名義厚度為：確定用厚的16MnR鋼板制作封頭。3、水壓試驗壓力及其強度校核根據(jù)公式 取1.25P=1.253.6Mpa =4.5 Mpa式中： 30-2.4=27.6mm 325 MPa則水壓試驗時的應力： = =197.9MPa16MnR鋼制容器在常溫水壓試驗時

18、的許可應力MPa可見：因此罐體厚度滿足水壓試驗時的強度。4、選擇人孔并核算開孔補強根據(jù)儲罐是在常溫及最高工作壓力為3.86Mpa的條件工作，人孔標準應按公稱壓力為4.0 Mpa。從人孔類型系列標準可知，公稱壓力為4.0Mpa的人孔類型很多。本設(shè)計考慮人孔蓋直徑較大較重，故選用水平吊蓋人孔，該人孔結(jié)構(gòu)中有吊鉤和銷軸，檢修時只須松開螺栓將蓋板繞銷軸旋轉(zhuǎn)一個角度，由吊鉤吊住，不必將蓋板取下。該人孔標記為：HG 21524-2005 人孔 RF DN450-PN4.0 其中RF指突面密封，指接管與法蘭的材料為16MnR，DN450是指公稱直徑為450mm、PN14.0指公稱壓力為4.0Mpa。另外,還

19、要考慮人孔補強,確定補強圈尺寸,由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管,故不能直接選用補強圈標準。本設(shè)計所選用的人孔筒節(jié)內(nèi)徑為d=450mm,壁厚=10mm。故補強圈尺寸如下： 故補強圈取厚。5、選擇鞍座并核算承載能力首先粗略計算鞍座負荷，儲罐總質(zhì)量式中罐體質(zhì)量，kg；封頭質(zhì)量，kg； 液氨質(zhì)量，kg附件質(zhì)量，kg罐體的質(zhì)量 DN=2400mm,=30mm,L=5800mm=5.8m的筒節(jié)，由GB150-1998查得，每米的質(zhì)量為q1=1798kg/m ³m1=q1L=17985.8 kg =10428.4kg封頭的質(zhì)量查得其每個封頭質(zhì)量水壓試驗時水的質(zhì)量 式中： V 儲罐容積 水密度，為1

20、000kg/m3由JB/74746-2002查得，封頭容積為2.0m3 由GB3019-88查得，筒體每米容積為4.524m3V=。m3=30.41×1000=30410kg附件的質(zhì)量人孔的質(zhì)量約為200kg，其他的連接管質(zhì)量總和按300kg計，則：=500kg設(shè)備總質(zhì)量為：M=m1+m2+m3+m4=10428.4+3200+30410+500=44538.4kg 每個鞍負荷：F=218.46kN 鞍座安放位置筒體長度。式中：兩鞍座間距離鞍座與封頭切線之間距離由于筒體L/D較大，且鞍座所在平面又無加強圈，取 6、 選擇液位計液面計是用以指示容器內(nèi)物料液面的裝置，其類型很多，大體上可

21、分為四類，有玻璃板液面計、玻璃管液面計、浮子液面計和浮標液面計。在中低壓容器中常用前兩種。 1玻璃板液面計和玻璃管液面計均適用于物料內(nèi)沒有結(jié)晶等堵塞固體的場合。板式液面計承壓能力強，但是比較笨重、成本較高。2玻璃板液面計一般選易觀察的透光式，只有當物料很干凈時才選反射式。3當容器高度大于時，玻璃板液面計和玻璃管液面計的液面觀察效果，應改用其它適用的液面計。液氨為較干凈的物料，易透光，不會出現(xiàn)嚴重的堵塞現(xiàn)象所以在此選用玻璃管液面計。玻璃板液面計有透光式玻璃板液面計（T型）、反射式玻璃板液面計（R型）和試鏡式玻璃板液面計（S型）三種結(jié)構(gòu)，其適用溫度一般在0250。但透光式適用工作壓力較反射式高，試

22、鏡式工作壓力最小。玻璃管液面計適用工作壓力小于，介質(zhì)溫度在的范圍。對于承壓設(shè)備，一般都是將液面計通過法蘭、活接頭或螺紋接頭與設(shè)備連接在一起，分別用于不同型式的液面計?？紤]到本設(shè)備的設(shè)計壓力為3.8MPa,而且液氨為較干凈的物料，易透光，不會出現(xiàn)嚴重的堵塞現(xiàn)象，所以在此選用反射式玻璃板液面計（R型）。由筒體公稱直徑為，選擇長度為的液面計。已知其公稱直徑為15mm。液氨儲罐常用玻璃管液面計，由儲罐公稱直徑=2400mm根據(jù)HG/T21550-93，選擇玻璃管液面計AIW PN4.0,L=1000mm，HG5-227-80兩支。與其相配的接管尺寸為18×3m,管法蘭為法蘭PN 4.0 DN

23、 15 GB 9119.8-88。7、選配工藝接管本儲罐設(shè)有以下接口管液氨進料管：采用45×2.5mm無縫鋼管。管的一端切成45°,伸入儲罐少許.配用具有突面密封的平焊管法蘭: 法蘭PN4.0 DN40 GB9119.8-88因為殼體名義壁厚=30mm,接管公稱直徑小于80mm,故不要補強.液氨出料管：采用可拆的壓出管25×2.5mm,將它套入罐體的固定接口管38×3.5mm內(nèi),罐體的接口管法蘭采用法蘭PN4.0 DN32 GB9119.8-88。與該法蘭相配并焊接在壓出管的法蘭上,其連接尺寸和厚度與法蘭法蘭PN4.0 DN32 GB9119.8-88相

24、同,但其內(nèi)徑為25mm(見總裝圖的局部放大部大圖).液氨壓出管的端部法蘭(與氨輸送管相連)采用法蘭PN4.0 DN20 GB9119.8-88。這些小管都不必補強。壓出管伸入貯罐2.5m。排污管在罐的右端最底部設(shè)個排污管一個，規(guī)格是45×2.5mm，管端焊有與截止閥J41W-16相配的管法蘭PN4.0 DN40 GB9119.8-88。排污管與罐體連接處焊有一厚度為10mm的補強圈.放空管接口管采用32×3.5mm無縫鋼管, 法蘭PN4.0 DN25 GB9119.8-88液面計接管液氨儲罐常用玻璃管液面計，由儲罐公稱直徑=2400mm根據(jù)HG/T21550-93，選擇玻璃

25、管液面計AIW PN4.0,L=1000mm，HG5-227-80兩支。與其相配的接管尺寸為20×2.5m,管法蘭為法蘭PN4.0 DN15 GB9119.8-88。安全閥接口管安全閥接口管尺寸由安全閥泄放量決定。本貯罐選用32×2.5mm的無縫鋼管, 法蘭PN4.0 DN25 GB9119.8-88。設(shè)計小結(jié)通過這次課程設(shè)計，讓我對化工設(shè)備機械基礎(chǔ)這門課有了進一步的認識。這次課設(shè)是對這門課程的一個總結(jié)，對化工機械知識的應用。設(shè)計時要有一個明確的思路，要考慮多種因素包括環(huán)境條件和介質(zhì)的性質(zhì)等再選擇合適的設(shè)計參數(shù)，對罐體的材料和結(jié)構(gòu)確定之后還要進行一系列校核計算，包括筒體、封

26、頭的應力校核，以及鞍座的載荷和應力校核。校核合格之后才能確定所選設(shè)備型符合要求。通過這次設(shè)計對我們獨自解決問題的能力也有所提高。在整個過程中，我查閱了相關(guān)書籍及文獻，取其相關(guān)知識要點應用到課設(shè)中，而且其中有很多相關(guān)設(shè)備選取標準可以直接選取，這樣設(shè)計出來的設(shè)備更加符合要求。在設(shè)計過程中，我們對化工機械設(shè)備基礎(chǔ)有了更深入地學習，也是我們加強了化工方面的基本素養(yǎng)，為我們以后的學習及工作都奠定了良好的基礎(chǔ)。因為的知識有限，此次設(shè)計又是我的首次設(shè)計，所做出的設(shè)計存在許多缺點和不足，請老師做出批評和指正。最后感謝老師對這次課設(shè)的評閱。參考文獻1國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，GB150-1998鋼制壓力容器，中國標準

27、出版社，1998；2金屬化工設(shè)備·零部件第四卷；3中華人民共和國化學工業(yè)部，中華人民共和國待業(yè)標準鋼制管法蘭、墊片、緊固件，1997；4蔡業(yè)彬 宣征南，化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程設(shè)計指導書；5刁玉緯 王立業(yè)，化工設(shè)備機械基礎(chǔ)，大連理工大學出版社，2003年第五版；6李多民俞惠敏，化工過程設(shè)備機械基礎(chǔ)，中國石化出版社，2007；7董大勤，化工設(shè)備機械基礎(chǔ)，化學工業(yè)出版社，1994年第二版；8湯善甫 朱思明，化工設(shè)備機械基礎(chǔ)，華東理工大學出版社，2004年第二版。附表 總 圖 材 料 明 細 表 (mm)22GB8163-87出料接管 101 0.5 21HB20592-95法蘭SO32-4.0 RF16MnR1 2.02 20HB20592-