20立方米液氨儲罐設計

1、過程設備設計課程設計說明書設計項目：20M3液氮儲罐設計所屬院系：化學化工學院專業(yè)班級：化學工程與工藝1304班學號：學生姓名：指導教師：張鉞，2016年01月20日摘要本次課程設計任務為設計一個容積為20m，的液氨儲罐，采用常規(guī)設計方法,綜合考慮環(huán)境條件、液體性質等因素并參考相關標準，按工藝設計、設備結構設計、設備強度計算的設計順序，分別對儲罐的筒體、封頭、鞍座、人孔、接管等進行設計，然后對其進行強度校核，最后形成合理的設計方案。設計說明書的正文部分包括工藝設計和機械設計，其中機械設計包括結構設計和強度計算兩部分內容，結構設計中包括設備一系列零部件的數據，強度計算包括厚度計算、水壓試驗、氣密

2、性試驗等。一、設計任務書20M3液氨儲罐設計課程設計要求及原始數據（資料）一、課程設計基本要求1、 按照國家壓力容器設計標準、規(guī)范設計要求，掌握典型過程設備設計的過程。2、 設計計算采用手算，要求設計思路清晰，計算數據準確、可靠。3、 工程圖紙要求計算機繪圖。4、 獨立完成。二、原始數據表1設計條件表序號項目數值備注1名稱液氨儲罐2用途液氨儲存3最高工作壓力MPa由介質溫度確定4工作溫度C-20-505公稱容積M36工作壓力波動情況可不考慮7裝置系數f0.858工作介質液氨（中度危害）9使用地點太原市，室外一、設計任務書二、課程設計內容工藝設計一、設計壓力的確定二、設計溫度的確定6機械設計6一

3、、結構設計6設計條件6結構設計71、壓力容器選擇7物料的物理化學性質壓力容器的類型壓力容器的用材2、筒體和封頭的結構設計8容器的筒體和封頭壁厚的設計8三設備的設計計算1、筒體名義厚度的初步確定82、封頭壁厚的計算810容器的水壓試驗3、各個接管的位置及法蘭的選擇11接管的設計法蘭的設計墊片的選擇4、人孔的選取135、液面計的設計156、鞍座的計算16筒體的質量封頭的質量液氨的質量附件的質量確定鞍座類型鞍座安裝位置確定7、焊接接頭設計171口1轉殼體的焊接結構設計接管與殼體的焊接結構設計帶補強圈的接管的焊接8.開孔補強計算18Ei!20二、課程設計內容課程設計內容包括工藝設計和機械設計兩部分工藝

4、設計工藝設計的內容是根據設計任務提供的原始數據和生產工藝要求，通過計算和選型確定設備的輪廓尺寸。其中設計儲量：W=Npt式中f=0.85V=20m3由表2得：p,=563kg/m3=0.563t/m3故W=0.85X20X0.563=9.571t表二液化氣體飽和蒸汽壓及飽和液密度溫度-15103050飽和蒸汽壓MPa（絕壓）氨0.2690.6031.1562.030飽和液密度Kg/m5氨658625595563一、設計壓力的確定設計壓力應根據最高工作壓力來確定。對于盛裝液化氣體的壓力容器，可根據固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程TSGR0004-2009中條例3.9.3來確定:經查表2得50c下液

5、氨飽和蒸汽壓（絕壓）為2.030MPa。工作壓力%二（2.030.1）MPa=1.93MPa設計壓力為容器的設計載荷條件之一，其值不得低于最高工作壓力，而最高工作壓力系指容器頂部在正常匚作過程中可能產生的最高表壓。裝設安全閥的容器，考慮到安全網開啟動作的滯后，容器不能及時泄壓，設計壓力不得低于安全閥的開啟壓力，通?？扇∽罡吖ぷ鲏毫Φ腖051.10倍，所以設計壓力P=2.1MPa液柱靜壓力為：P虱£式gh<p，0xgx=2.2x9.8x563Pa=12138.28Pa12138.28為2.1掰%=0.5780%<5%于是忽略了液柱靜壓力的影響,得到匕=P=2.IMPa二、設

6、計溫度的確定根據液旗儲罐工作溫度為-2050c選擇設計溫度t=50C機械設計機械設計包括結構設計和強度計算兩部分一、結構設計設計條件表3結構設計條件表項目內容備注工作介質液原工作壓力MPa1.93由介質溫度決定設計壓力MPa2.1工作溫度C-20-50設計溫度,C50公稱容積（Vg）m320計算容積（V計）111320工作容積（Vie）m320.6裝量系數f0.85介質密度（pt）t/m30.563材質Q345R,16MnR,16MnII保溫要求無其他要求無表4管口表接管代號公稱尺寸連接尺寸標準連接面形式用途或名稱ADN80HG/T20592-2009FM進口BDN100HG/T20592-2

7、009FM備用口CDN70HG/T20592-2009FM排氣口DDN70HG/T20592-2009M放凈口EDN80HG/T20592-2009M出口PIDN25HG/T20592-2009FM壓力計口SVDN70HG/T20592-2009FM安全閥接口MDN450HG/T20592-2009MFM人孔LGDN20HG/T20592-2009FM液位計接口結構設計化工設備的結構設計包括設備承壓殼體(一般為筒體和封頭)及其零部件的設計。設備零部件包括支座、接管和法蘭、人孔和手孔、液面計、視鏡等。我國已經制訂了化工設備通用零部件的系列標準，設計時可根據具體設計條件按照附錄中給出的相關標準進行

8、選用。1、壓力容器選擇(a)物料的物理化學性質氨作為一種重要的化工原料，應用廣泛，為運輸及儲存便利，通常，將氣態(tài)的氨氣通過加壓或冷卻，得到液態(tài)氨。液氨，乂稱為無水氨，是一種無色液體，有強烈的刺激性氣味，液氨在工業(yè)上應用廣泛，而且具有腐蝕性，且容易揮發(fā)，采用鋼瓶和槽車裝運。(b)壓力容器的類型化工設備的主體是壓力容器，容器的強度決定著設備的安全性，為了加強壓力容器的安全監(jiān)察，保護任命生命和財產的安全，國家質量監(jiān)督局頒布了壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程這是一部對壓力容器安全技術監(jiān)督提出基本要求的法規(guī)，壓力容器設計、安裝、使用、檢驗、修理和改造等單位必須遵守的法規(guī)，為了有利于安全技術監(jiān)督和管理,«

9、;壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程將其管轄范圍內的壓力容器劃分為三類，分別為第一類壓力容器、第二類壓力容器和第三類壓力容器。本次設計壓力容器中的介質為液態(tài)氨，屬于中度危害，是第二組介質且設計壓力為中壓，所以將其劃分為第二類壓力容器。(c)壓力容器的用材正確選擇材料對于保護設備的安全使用和降低成本是至關重要的。壓力容器用材料包括容器及壓殼體用鋼和設備零部件用材料，零部件有受壓元件（如接管、法蘭）和非受壓元件（如支座），所用材料涉及鋼板、鋼管、鍛件、型鋼及鋼棒等。壓力容器受元件用鋼應符合GB150鋼制壓力容器中的有關規(guī)定，對于非受壓元件用鋼，當與受壓元件焊接時，也應是焊接性能良好的鋼材。壓力容器通常采用鋼

10、板經過成型焊接而成，法蘭視具體情況可采用鋼板或鍛件，螺栓和螺柱應采用鋼棒，接管一般應采用無縫鋼管，支座所用材料涉及鋼板，型鋼及鋼管,因為使用溫度在-20C50C,設計壓力為2.1MPa,所以選用Q345R,封頭采用標準橢圓形封頭，同樣采用Q345R。采用16Mn為鋼管的材料。法蘭采用16MnII2、筒體和封頭的結構設計（a）筒體公稱直徑和筒體長度的確定：筒體直徑一般由工藝條件決定，但是要符合壓力容器的公稱直徑。標準橢圓型封頭是中低壓容器經常采用的封頭形式。封頭公稱直徑必須與筒體的公稱直徑相一致。公稱體積匕=20m3,Z=4600m,功=2200zzzz?二、強度計算容器的筒體和封頭壁厚的設計1

11、、簡體名義厚度的初步確定：筒體設計選用6-16mm厚度的Q345R,50c下其許用應力91t=185MPao計算厚度：pD5=2b0-Pc式中,Pc計算壓力，MPa；Di圓筒內直徑，mm；一一容器元件材料在設計溫度下的許用應力，MPa；°一一圓筒的焊接接頭系數雙面對接焊縫，100%無損檢測則0=1.0UMFET,CX。2.1X2200-re計算厚度6=r=am=12.678m9L7J一尸2x185x1-2.1取腐蝕裕量5二2mm,查表得負偏差Ci=0.3mm,&=5+,+J=(12.678+2+0.3)mm=15.978mm所以取5n=16mm,則"=編一C?一C=

12、(16-2-0.3)mm=13.7mm2、封頭壁厚的計算本設計采用標準橢圓封頭（2:1）B|J：K（形狀系數）=1.0o式中/=1°根據公式，封頭的設計壁厚為：鼠=1t0A+U=15.52mm2aJ一0.5查表：取鋼板的負偏差G=0.30mm,則筒體的名義壁厚為：b=16刖>&+6二15.82的o標準規(guī)定以內徑為公稱直徑的標準橢圓形封頭（代號EHA）的直邊高度只與公稱直徑有關：DN$2000mm時，直邊高度為25mm；DN>2000nuii時,直邊高度為40mnio由于所設計的筒體公稱直徑DN=2200nun22000mm,所以直邊高度為h=40mm,（b）橢圓形

13、封頭內表面積、容積：查GB/T25198-2010壓力容器用封頭中EHA橢圓形封頭內表面積、容積，如下表:表5EHA幃圓形封頭內表面積、容積公稱直徑DN/mm總深度H/mm內表面積A/容積VW/m522005905.52291.54591、容器的水壓試驗所謂壓力試驗，就是用液體或氣體作為工作介質，在容器內施加比它的設計壓力還要高的試驗壓力，以檢查容器在試驗壓力下是否有滲漏、明顯的塑性變形以及其他缺陷。壓力試驗分為液壓試驗和氣壓試驗兩種，一般采用液壓試驗，而且普遍采用水為液壓試驗介質，故本次設計采用水壓試驗。根據GB150標準的規(guī)定，液壓試驗時耳=L25P埠T打式中，6容器元件材料在試驗溫度下的

14、許用應力，MPa：可，一一容器元件材料在設計溫度下的許用應力，MPa。所以Pr=1.25x2.1x=2.625MPa185_Pt(D+3而圓筒的應力式中5一試驗壓力下圓筒的應力，MPa：4圓筒內直徑，mm：用圓筒的有效厚度，mm；%一圓筒材料在試驗溫度下的屈服點，MPa：°一一圓筒的焊接接頭系數。設計容器：6二2.62r(220013.7)=212079MP"09R。1=O9xlx345=31O5MPa2x13.7eL所以，厚度校核合格。3、各個接管的位置及法蘭的選擇(a)接管的設計：各物料進出管及檢測儀表等接管內伸形式為插入式。開孔：入口DN80,出DDNSO,放凈口DN

15、70,排氣孔DN70,備用DNIOO,安全閥DDN7。，壓力表接口DN25,液位計口DN20,人孔DN450。由輸送流體用無縫鋼管查得各管的外徑以及壁厚；外伸的尺寸由實際工程決定;對于液氨的入口管，其伸進的管長應大于筒體中心線的100200mm,進料管伸進設備內部并將管口的一端切成45°,為了是避免物料沿設備內壁流動，減少磨蝕和腐蝕并且為了在短時間內將物料注滿容器。表6各接管設計表接口入口出口排氣孔放凈口人孔安全閥接口壓力表接口液面計接口備用口DN80807070450702520100外徑(B系列)89897676480763232102壁厚99992097710安裝位置上部下部上

16、部下部上部上部上部封頭上部外伸尺寸200200200200375200200見圖200內伸尺寸150000000000數量111111121伸出量質量Kg2.522.522.112.11271252.110.610.613.22接管法蘭型號HG/T20592WN80(B)-4.0FMS=616MnHG/T20592WN80(B)-4.0FMS=616MnHG/T20592WN40(B)-4.0FMS=4.516MnHG/T20592WN25(B)-4.0FMS=4.516MnHG/T20592WN32(B)40FMS=4.516hlnHG/T20592WN80(B)4.0FMS=616MnHG

17、/T20592WN25(B)-4.0FMS=4.516Mn兩相鄰開孔中心的間距（對曲面間距以弧長計算）應不小于兩孔直徑之和的兩倍，其他管口如液相出口管，安全閥接口，壓力表接口，氣相管，放氣管，排污管等管間的間距均由下述來設計并計算：L-2（d-上部：人孔，進料口，備用口，壓力計口，排氣口，安全閥接口，人孔中心線與筒體左間距：800mm人孔中心線與進料口心線間距:600inm進料口中心線與備用口中心線的間距:400mm備用口中心線與壓力表接口中心線的間距:400nim安全閥口中心線與筒體右間距:400niin排氣口中心線與安全閥口中心線間距：40mm下部：凈放口，出口出口中心線與筒體間距：200

18、mm凈放口中心線與筒體間距：200mm（b）法蘭的設計：法蘭設計可根據法蘭標準進行選型設計，也可按GB150相關條款進行設計。法蘭有壓力容器法蘭和管法蘭，二者屬不同的標準體系。設計內容如下：根據設計壓力、操作溫度和法蘭材料決定法蘭的公稱壓力PN；水壓實驗的壓力Pt=2.625MPs,因此選擇高一級別的公稱壓力，因此PN=2.5根據公稱直徑DN、公稱壓力PN及介質特性決定法蘭類型及密封面型式，法蘭選帶頸對焊法蘭（標準HG/T20954-2009）NK帶頸對焊鋼制凹凸面法蘭表7PN25帶頸對焊鋼制管法蘭及密封面尺寸(mm)公稱尺寸鋼管外徑連接尺寸法'厚度法蘭頸法蘭高度DNA1DKL11Th

19、CNSH1RH202510575144M12186402.36440253211585144M1218462.664408038200160184M16241053.21285810045235190228M20181343.612865450896706003620M33465228.82012110(c)墊片的選擇：根據溫度、壓力及介質腐蝕性選擇墊片材料選用柔性石墨復合墊4、人孔的選取壓力容器人孔是為了檢查設備的內部空間以及安裝和拆卸設備的內部構件。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。一般的人孔有兩個手柄。人孔選擇回轉焊帶頸法蘭人孔，根據儲罐在常溫下及高溫工作壓力為2.IMpa的條件以及

20、水壓試驗壓力2.5Mpa下工作，人孔的標準公稱壓力為2.5Mpa等級選取，公稱直徑為450.0mm,凹凸面法蘭密封面。由于此臥式容器筒體長度大于等于lOOOmmm時，應設置1個人孔表9回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔明細表件號標準號名稱數量材料1筒節(jié)116MnR2HG20613等長雙頭螺柱208.8級35clMoA3螺母408.835CrMo4HG20595法蘭116M11U5HG20606墊片1非金屬平墊6HG20601法蘭蓋116MnR7把手1Q235-AF8軸銷1Q235-AF9GB/T91銷2Q21510GB/T95墊圈2100HV11蓋軸耳（1）A1Q235-AF12法蘭軸耳（1）1Q235-

21、AF13法蘭軸耳（2）1Q235-AF14蓋軸耳（2）1Q235-AF查表得回轉蓋帶頸平焊法蘭人孔的各零件名稱、材料及尺寸:表10回轉蓋帶頸平焊法蘭人孔的尺寸d”xsDAABLbUb.珥h3d總質量480x12670600370175250424146250121456245(kg)則人孔的標記為：MFMIII-8.8(NM)A500-4.0HG/T21518-2005故L1=1000mm5、液位計的設計（1）根據罐內水壓試驗壓力產=25%選取壓力等級為2.5MPa。（2）選普通型，外加保溫層的液位計。（3）中心距L的選擇：液位：/?=0.85xP=0.85x2200=1870戰(zhàn)液位計位置距筒

22、體頂部為200mmL=1870-200=163Qnm取L=170011111的液位計(4)材質選擇:0Crl8Ni9(304)。(5)介質p=0.658kg/Lo(6)采用規(guī)格為DN15的接管外伸600,內伸0。(7)采用帶頸對焊法蘭，法蘭規(guī)格為DN15,密封面型式采用突面。由工藝標準選擇磁性液位計，標記為HG/T21584-95UZ4M-1700-0.563AF304C6、鞍座的計算首先估算鞍座的負荷。儲罐的總質量：|"=叫+叱+叫+口14式中：為筒體質量(kg),m?為封頭質量(kg),m3為水質量(kg),rru為附件質量(kg)。(a)筒體的質量miDN=2200mm,以=1

23、60I口】的筒節(jié)，Q345R的密度為7.83xl()3Kg/m3V=x|(D+2Jn)2-D2x/=3.14x|(2.2+2x0.016)2-2.22x7./=0.846in3故叫=7830<0.846Kg=662418Kg(b)封頭的質量m2DN=2200mm,以=16miL直邊高度h=40mm的標準橢圓形封頭，其質量為683.2kg故叫=2x6832kg=13664kg(c)液氨的質量m3,m3=WW-fVy=0.85x32x563=15313.6kg(d)附件的質量：支座，接口管，法蘭總的質量約為則:m4=668kg(e)經過上述計算得:m=勿1+叫+叫+叫=21030.5kg八m

24、g21030.5x9.8,AOA.,A4.Q=103049.45“«104k/22由于每個鞍座承受約104kN負荷，故選用輕型帶墊板包角為120。的鞍座，即JB/T4712.1-2007鞍座B2200-F,材料Q235A和JB/T4712.1-2007鞍座B2200-S,材料Q235A表11B型支座系列參數尺寸（JB/T4712.1-2007）雙鞍座臥式容器的受力狀態(tài)可簡化為受均布教荷的外伸梁，由材料力學知，當外伸長度A=0.207L時，跨度中央的彎矩與支座截面處的彎矩絕對值相等，從而使上述兩截而上保持等強度.所以通常取尺寸A不超過0.2L值.中國現行標準JB4731鋼制臥式容器規(guī)定

25、）AW0.2L=0.2（L+2h+2原），A最大不超過025L否則由于容器外伸端的作用將使支座截面處的應力過大。A<0.2(L+2h+2J)于封頭的抗彎剛度大于圓筒的抗變鋼度，故封頭對于圓筒的抗彎鋼度具有局部的加強作用。若支座靠近封頭，則可充分利用罐體封頭對支座處圓筒截面的加強作用。因此，JB4731還規(guī)定當滿足AW0.2L時，最好使A0.5R.(&=風+%),即A<0.5Rm=0.5x(Ri+)=60411111,取A=600mm2綜上有：A=600mm。7、焊接接頭設計容器各受壓元件的組裝通常采用焊接。焊接接頭是焊縫,熔合線和熱影響區(qū)的總稱,焊縫是焊接接頭的主要部分。焊接接頭的型式直接影響到焊接的質量與容器的安全。焊接接頭的型式及焊接材料應在化工設備的裝配圖及零部件圖中以適當的方式表示出來。(a)回轉殼體的焊接結構設計回轉殼體的拼接接頭必須采用對接接頭，殼體上的所有縱向及環(huán)向接頭，凸形接頭上的拼接接頭，即A,B類接頭，是容器要求最高的焊縫，對容器的安全至關重要，必須采用對接焊，不允許采用搭接焊.對接焊易于焊透，質量容易保證，易于作無損檢測,可獲得最好的焊接接頭質量。此采用V型對接接頭。(b)接管與殼體的焊接結構設計接管與殼體及補強圈之間的焊接一般只能采用角焊和搭焊，具體的焊接結構還與對容器的