液氨储罐设计

广东石油化工学院《化工机械基础》课程设计说明书

二级学院：化工与环境工程学院

专业：

姓名：

班别：

学号：

指导教师：

过程装备与控制工程教研室

2011年7月

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

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（2011 年 07 月 04 日—— 2011 年 07月 08 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半天

(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：指导教师：

2011 年07 月04 日

注：此任务书应附于所完成的课程设计说明书中

目录

第一部分绪论 (6)

（1）设计任务、设计思想、设计特点 (6)

（2）主要设计参数的确定及说明 (7)

第二部分材料及结构的选择与论证 (7)

（1）材料的选择与认证 (7)

（2）封头型式的确定、人孔选择、法兰型式选择确定 (7)

第三部分设计计算 (8)

（1）计算筒体的壁厚 (8)

（2）计算封头的壁厚 (9)

（3）水压试验压力及其强度校核 (10)

（4）选择人孔并核算开孔补强 (11)

（5）选择鞍座并核算承载能力 (11)

参考资料 (12)

第四部分主要附件的选用 (12)

第五部分设计心得 (13)

第一部分绪论

1.设计任务、设计思想、设计特点

(1)设计任务：根据储罐筒体公称直径D i = 2000mm，罐体公称容积V=7m3 ,设计一液氨储罐, 通过设计储罐的厚度，使其能满足工艺要求。

设计任务主要分两个阶段：

①准备阶段

A、准备好设计资料、手册、图纸、说明书的报告纸

B、认真研究、分析设计任务及有关设计数据，明确设计要求及设计内容

C、认真复习有关教科书内容，熟悉有关资料及步骤

D、结合有关图纸，了解设备结构及作用

②机械设计阶段

A、根据设计参数，论证选材、论证物料的腐蚀性及对环境的污染情况

B、根据计算有关壳体的尺寸，根据压力计算壳体壁厚，校核壳体的强度，确定合理尺寸

C、选用零部件，查标准及手册，确定尺寸和结构

D、计算设备重量，列表有关附件的重量

E、绘制设备总装图，进行缩小或放大绘图比例

F、提出技术要求，对设备制造、检验、安装提出技术地求，并在总图上标注清楚

G、编写设计说明书

（2）设计思想：各种石油化工设备，虽然大小不一、形状不同，但都有一个受到内压或外压作用的称之为压力容器的外壳。压力容器是化工生产所用的各种各样化工设备外部壳体的总称。所以，容器设计是所有化工设备设计的基础。

（3）设计特点

对化工压力容器的基本要求：

①安全可靠性的要求

要求所使用的设备具有足够的强度、韧性和刚度，以及良好的密封性和腐蚀性。

②工艺条件的要求

化工设备是为工艺过程服务的，应保证在指定的生产工艺条件下完成指定的生产任务，即满足相应的工艺条件要求

③经济合理性要求

在满足设备的安全运行和工艺条件的前提下，结构要合理，制造要简单，尽量减少加工量，降低制造成本。

④便于操作和维护

例如所设置的阀门、平台、人孔形位置要合适，易损件便于更换等。

⑤环境保护要求

所谓化工设备失效的一个新概念是“环境失败”即有害物质泄露到环境中，生产过程残留无法消除的有害物质及噪音等，化工容器在设计时包括化工工厂的选址均应考虑这些因素的影响。

（2）主要设计参数的确定及说明

本储罐设计公称容积为7m3，公称直径Dg为2000mm，材料为16MnR在温度t≤40℃时工作，液氨的饱和蒸汽压为 1.553MP，取P=1.6MP，取t]

[σ=170MP，则双面对接焊的全焊透对接焊缝为100%无损，根据书本表5-4可得焊接接头系数全部无损检测φ=1.00。

第二部分材料及结构的选择与论证

（1）材料选择与论证

本贮罐选用16MnR制作罐体和封头。材料：本贮罐选用16MnR制作罐体和封头。16MnR表示平均含碳量为0.16%的容器钢，属于低碳钢，它的塑性好，焊接性和锻造性良好，适宜制造化工容器等焊接件和设备封头等冲压件，也可用来制造受载不大的螺栓，或经渗碳后制作齿轮和轴等零件。所以，本液氨储罐选用16MnR制作罐体和封头。

（2）结构选择与论证：封头型式的确定、人孔选择、法兰型式选择确定。

①封头形式的确定

本液氨储罐的封头选用椭圆形封头，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，他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，坯材的获得、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，采用椭圆形风封头最为合理。

②人孔的选择

人孔是安装或按检修人员进入塔器的唯一通道。一般每隔5~10m距离才设置一个人孔，对于直径大于800mm的填料塔，人孔可设在每段填料层的上、下，同时兼作填料装卸孔用。

根据储罐是在常温及最高工作压力为1.6MPa的条件下工作，人孔标准应按公称压力为1.6MPa的等级选取，符合要求的有垂直吊盖带颈平焊法兰人孔和和水平吊盖带颈平焊法兰人孔，本设计选用水平吊盖人孔，人孔的公称

直径选定为450mm ，密封压紧面采用C 型。

③法兰形式

法兰与筒体、封头或管段以角焊方式联接的，称为平焊法兰，平焊法兰制造简单，广泛应用，但刚性较差，紧用于压力不高的场合，如管法兰PN 小于或等于2.5MPa,压力容器法兰PN 小于或等于4.0MPa ；是筒体、封头或管段以对焊方式连接用的法兰，称为对焊法兰或带颈法兰，对焊法兰刚性好且对焊缝的强度高，适用于压力、温度较高的场合。

④鞍式支座的选择

容器支座有鞍座,圈座和支腿三种,用来支撑容器的重量。鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。从应力分析看，承受同样载且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分市。因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。而且，现在储罐等的支座已经标准化了，所以鞍座采用了双支座，一个S 型，另外一个F 型，为了充分利用封头对筒体的加强作用，支座应靠近封头，即A ≤Ri ，A 不大于0.2L ，以便使筒体的中间部分截面与支撑部分截面的弯矩值相等或相近。

第三部分 设计计算

（1）计算筒体的壁厚；

选取储罐材料16MnR ，制作罐体和封头，查得16MnR 材料在 C

t

?=40

[]MPa

t

170=σ时，焊缝为双面对接焊，100%无损探伤，故 Ф=1.00

设备内径mm

D i

2000=。

于是罐体计算厚度为：[]mm

P

PD t

i

46.96

.10.1170220006.12=-???=-=

φ

σ

δ

查表5-5得mm

C 8.01

=，取mm

C 12

=，则mm

C C C

8.118.021=+=+=

mm C d 46.10146.946.92=+=+=δ

根据mm

C 8.01

=，查钢板厚度规格表5-8，圆整取mm

n

12=δ。

确定选用

mm

n 12=δ厚的16MnR 钢板制作罐体。

（2）计算封头的壁厚；

采用标准椭圆形封头，封头厚度计算，式中0

.1=φ

[]mm

C P

PD t

i

d 43.1016

.15.00.1170220006.15.022

=+?-???=

+-=φ

σ

δ

根据mm

C 8.01

=，向上圆整后取取标准mm

n

12=δ

确定选用

mm

n 12=δ厚的16MnR 钢板制作封头。

校核罐体与封头水压试验强度：

s

e e i T t D P σφ

δδσ9.02)(≤+=

其中：

MPa

P P T 0.26.125.125.1=?== mm

C n e 2.108.112=-=-=δδ

MPa

s

345=σ

MPa

MP T 5.3103459.01.1970

.12.102)2.102000(0.2=?=??+?=

＜σ

故s

T σσ9.0<，水压试验时强度足够。

（3）水压试验压力及其强度校核；

4321m m m m m +++=

其中：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）罐体质量：

根据

mm

D N 2000=，mm

n

12=δ的筒节，可得每米筒体质量

m

kg q 595

1=，

由 722

=+?=+=L D V V V V i π查筒封

3

05.2m V =查

可求得： m

L 5.11

1257

.12-72

=??=

π 向上圆整后取标准圆筒长度为

m

L 5.1=

所以： kg L q m 5.8925.159511=?== 2）封头质量：

查标准椭圆封头可得，

mm

D N 2000=，

mm

n 12=δ，直边高为mm

h

40=，

椭圆封头质量为 2`m =415.4kg 所以 kg

m m 8.8304.41522`

22

=?== 3）液氨质量：

vp

m α=3

其中：a ——充料系数，取0.7；

v ——储罐容积，3

m 7V =+=封筒V V

ρ——液氨在-20°C 时的密度，为3

665m

kg

于是：kg

vp 5.325866577.0m 3

=??==α

4）附件质量：

附件取kg

m 5004

=

（4）选择人孔并核算开孔补强；

查标准，按?=40t ，MPa 28.2P =进行选用，选取水平吊盖人孔，如图结构，标准JB585-79，人孔公称直径mm

D N 400=，密封面采用C 型。人孔

筒节内径 mm

d

400=，壁厚mm

n

10=δ。

人孔补强圈采用内径mm

D 4241=，外径mm

D 6802

=

厚度为： mm

d k

28424

6802.18=-?=

δ

考虑到罐体和人孔筒节都有一定的壁厚余量，取mm

k 26=δ

（5）选择鞍座并核算承载能力；

设备总质量：

kg

m m m m m 1.54825005.32588.8308.8924

321=+++=+++=

每个鞍座负荷：kN

mg F

89.262

81

.91.54822

=?=

=

选取鞍座为：轻型带垫板，包角为120°的鞍座，允许载荷为300kN 。 即924712-T JB

鞍座F

A -2000

92

4712-T JB

鞍座S

A -2000

第四部分 主要附件的选用

（1）、液面计选择

①液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径Di=2000mm 选择玻璃管液面计BIW PN1.6 , L=1500mm , HG5-227-80两支

与其相配的接管尺寸为φ18×3m,管法兰为PN1.6 DN15 GB 9119.8-88 ②液位计接管

采用 18×3mm 无缝钢管，管法兰为PN1.6 DN15 GB 9119.8-88 3.2.5鞍式支座的选择

换热器、贮罐等卧式容器的支座通常是已经标准化的鞍式支座，每一公称直径得鞍座规格有轻型（A 型）和重型（B 型）。立式容器支座中的耳式支座和支承式支座用于小型直立式设备，而裙式支座用于高大的设备。所以本液氨储罐选用轻型鞍式支座。

为了利用封头对筒体刚度的局部加强作用，鞍座离封头的距离尽量不超过容器的直径的1/4（A ≤Ri/2），为了减小因物料自重引起的筒体器壁弯曲应力，鞍座离封头的距离也不要超过筒体长的1/5（A ≤0.2L ），应用水压试验时的罐体总重。 （2）、各进出口的选择

①液氨进料口

采用mm

5.357

?φ，查表选法兰：平焊平面密封管法兰。标准号：88

8.9119-GB ，

6

.1=N P

50

=N D 。

②液氨出料口 采用可拆压出管mm

5.357

?φ，将它套入罐体的固定接口管mm

5.338?φ内，并用一非标准法兰固定在借口管法兰上。 压出管法兰标准号:888.9119-GB

6.1=N P 50=N D 固定接口管标准号:88

8.9119

-GB

6

.1=N P

32

=N D

③排污管

在储罐最底部，管子规格mm

5.357

?φ，管端焊有管法兰：

88

8.9119-GB

6

.1=N P

50

=N D ，排污管与截止阀联接。

④液面计接管按有关标准查取选用。

放空管采用mm 5.332?φ无缝钢管，法兰为88

8.9119

-GB ，

6

.1=N P

25

=N D ，应标明罐的安装技术要求，以及接管明细表、材料、零件为明细

表等。 参考资料：

[5] 《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 [6] 《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。 [7] 《化工设备机械基础课程设计指导书》，蔡业彬 宣征南主编。 [8] 《钢制压力容器》GB150-98

第五部分 设计小结

经过了几天的努力，终于完成了课程设计。在设计的过程中，给自己最大的体会是：办法总比困难多，遇到了问题，不要气，要努力去寻找答案。课程设计刚开始的时候，感觉很陌生，只知道要设计一个贮罐，而且还要画图，至于怎么开始，大家都很惘然。在画图时，因为一开始没有查好资料，只知道筒体的公称直径，至于那些其它的数据，例如封头高度，封头直边都没有查好，所以无从着手，那时候只能一边看书，一边探索画图，以至于浪费了不少的时间。课程设计是另外一种学习课堂，通过我们动手，对掌握的理论知识进行补充与质疑。我们应该在注意书本知识的时候应该也要把所学到的知识应用到实践生产中去，不仅仅满足于书本的知识，要在实践过程中吸收课本外的知识。