立方米液氨储罐设计说明书

目录

课程设计任务书2

20m3液氨储罐设计2

课程设计内容3

液氨物化性质及介绍3

1.设备的工艺计算3

1.1设计储存量3

1.2设备的选型的轮廓尺寸的确定3

1.3设计压力的确定4

1.4设计温度的确定4

1.5压力容器类别的确定4

2.设备的机械设计5

2.1设计条件5

2.2结构设计6

2.2.1材料选择6

2.2.2筒体和封头结构设计6

2.2.3法兰的结构设计6

（1）公称压力确定7

（2）法兰类型、密封面形式及垫片材料选择7

（3）法兰尺寸7

2.2.4人孔、液位计结构设计8

（1）人孔设计8

（2）液位计的选择9

2.2.5支座结构设计10

（1）筒体和封头壁厚计算10

（2）支座结构尺寸确定12

2.2.6焊接接头设计及焊接材料的选取14

（1）焊接接头的设计14

（2）焊接材料的选取16

2.3强度校核16

2.3.1计算条件16

2.3.2内压圆筒校核17

2.3.3封头计算18

2.3.4鞍座计算20

2.3.5开孔补强计算21

3.心得体会22

4.参考文献22

课程设计任务书

20m3液氨储罐设计

一、课程设计要求：

1.按照国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。

2.设计计算采用手算，要求设计思路设计思路清晰，计算数据准确、可靠。

3.工程图纸要求计算机绘图。

4.独立完成。

二、原始数据

设计条件表

三、课程设计主要内容

1.设备工艺设计

2.设备结构设计

3.设备强度计算

4.技术条件编制

5.绘制设备总装配图

6.编制设计说明书

四、学生应交出的设计文件（论文）：

1.设计说明书一份；

2.总装配图一张(A1图纸一张)

课程设计内容

液氨物化性质及介绍

液氨，又称为无水氨，是一种无色液体，有强烈刺激性气味。氨作为一种重要的化工原料，为运输及储存便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。液氨在工业上应用广泛，具有腐蚀性且容易挥发，所以其化学事故发生率很高。

液氨分子式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℃，蒸汽压1013.08kPa(25.7℃)。蒸汽与空气混合物爆炸极限为16—25%（最

易引燃浓度为17%）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。液态氨将侵蚀某些塑料制品,橡胶和涂层。遇热、明火，难以点燃而危险性极低，但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇火和燃烧或爆炸，如有油类或其它可燃物存在则危险性极高。

1．设备的工艺计算

工艺设计的内容是根据设计任务提供的原始数据和生产工艺要求，通过计算和选型确定设备的轮廓尺寸。

1.1设计储存量

式中：W ——储存量，t ；

φ——装量系数；

V ——压力容器容积；m 3

t ρ——设计温度下的饱和溶液的密度，

3m t

W=0.85×20×0.563=9.57t

1.2设备的选型的轮廓尺寸的确定

根据设计要求，本设计为卧式容器，筒体采用圆筒形，封头采用标准椭圆形封头 查阅文献，筒体的基本参数如下：

表1-2椭圆形封头参数

设备计算容积V 计=π/4×DN 2

×L+V 封×2=π/4×2.02×5.8+0.1257×2=20.46m3 实际工作容积

V 工=V 计×f=20.46×0.85=17.39m3

1.3设计压力的确定

查阅文献

常温压力储存液化气体压力容器规定温度下的工作压力

液化气体

临界温

度

规定温度下的工作压力

无保冷设施

有保冷设施

无试验实测温度

有试验实测最高工作温度

并且能保证低于临界温度

≥50℃50℃饱和蒸气压力可能达到的最高工作温度下的饱和蒸气压力

＜50℃

在设计所规定的最大充装量下为50℃的气

体压力

试验实测最高工作温度下的饱和蒸

气压力

温度℃-15 10 30 50

饱和蒸汽压（绝压）MPa 0.269 0.603 1.156 2.030

饱和蒸汽压密度kg/m3 658 625 595 563

液氨临界温度为132.4℃，其50℃饱和蒸汽压为1.93MPa

故其设计压力为

P d=1.1×1.93=2.12MPa

0.6MPa≤P d≤10MPa属于中压容器

1.4设计温度的确定

设备工作温度为-20℃~50℃，故其设计温度为50℃，

在-20～200℃条件下工作属于常温容器。

1.5压力容器类别的确定

液氨属于液化气体，查阅文献［4］，可知属于第一组介质

查第一组介质—压力容器类别划分图，可知20m3液氨储罐属于第Ⅲ类压力容器

2．设备的机械设计

2.1设计条件（见表2-1和表2-2）

2.2结构设计

2.2.1材料选择

一般而言，以强度为主的中压设备采用低合金钢为宜，而且低合金钢对液氨也具有良好的耐腐蚀率，可选用低合金钢，Q245R和Q345R这两种钢材可以满足要求。由于Q345R许用应力高于Q245R,相同条件下，采用Q345R制造设备，可减小壁厚，减小设备重量，降低成本，同时壁厚减小，也可以为材料和设备的运输以及制造加工带来很大的方便，所以选择Q345R制造设备筒体和封头。

由表1-1可知筒体公称直径DN=2000mm，长度L=5800mm

由表1-2可知EHA标准椭圆形封头公称直径DN=2000mm总深度H=525mm

则其直边长h=25mm

2.2.3法兰的结构设计

法兰有设备法兰和管法兰，设备筒体和封头焊接在一起，所以不需要设备法兰，只有管法兰。

（1）公称压力确定

设备设计压力为2.12MPa，操作温度为-20~50℃，可选用锻件，材料选16MnⅡ

查文献可知，在操作温度范围内，PN25材料为16MnⅡ的钢制管法兰最大允许工作压力为

2.5MPa，满足设计要求，故管法兰公称压力为PN25

（2）法兰类型、密封面形式选择

液氨易挥发，为强渗透性的中度危害介质，查文献可知须采用带颈对焊型管法兰，面封面采用凹凸面密封。

（3）法兰尺寸

查阅文献可知各法兰详细尺寸及法兰质量，详细见下图2-2和表2-3

图2-2

表2-3PN25带颈对焊钢制法兰单位：mm

（1）人孔设计

人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷以及装拆设备的内部零件。。

人孔的结构：人孔为组合件，包括承压零件筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，以及人孔启闭所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。

圆形人孔的公称直径规定为400~600mm

容器公称直径大于或等于1000mm且筒体与封头为焊接连接时，至少设一个人孔。

卧式容器的筒体长度大于等于6000mm,应考虑设置2个以上人孔。

综合考虑，选择回转该带颈对焊法兰人孔，公称压力PN2.5,公称直径DN450，MFM型密封面,材料选用16MnR

标记为：人孔MFMⅢs-35CM(NM-XB350)A450-2.5HG/T21518-2005

查阅文献，得本次选用回转盖带颈对焊法兰人孔结构尺寸，见下图2-3和

表2-4

图2-3回转盖带颈对焊法兰人孔结构图

（2）液位计的选择

液位计是用以指示容器内物料液面的装置，液位计的种类很多，常见的有许多包括玻璃管液面计、玻璃板液面计、浮标液面计、防霜液面计、磁性液位计等

其中：

玻璃管液面计和玻璃板液面计适用于工作温度在0℃以上；

浮标液面计适用于常压设备；

防霜液面计适用于液体温度在0℃一下的液体测量；

液氨储罐工作温度在-20~50℃，设计压力为1.23MPa，以上三种都不适合。

磁性液位计适用于PN=1.6~16MPa，-40~300℃，液体密度≥0.45g/cm3，适合于液氨储罐

根据设计要求选择磁性液位计，标记如下：

HG/T21584-95UZ2.5M-1400-0.6BF321C

2.2.5支座结构设计

容器支座有鞍式支座、腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座。腿式支座和支承式支

座用于低矮立式设备的支承，耳式支座用于中小型立式圆筒形容器的悬挂式支承，裙式支座用于高大型高塔的支承，鞍式支座是卧式容器经常采用的支座形式，本设计也采用鞍式支座。

置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点

的数目和位置有关。当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。对于大型卧式容器而言，一般情况采用双支座。此外，卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力。通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。

所以本设计就采用这种双支座结构。查阅文献，可知一边为F 型，一边为S 型。鞍座的材料

除垫板外都为Q235-B ，加强垫板的材料与设备壳体材料相同为Q345R 。

（1）筒体和封头壁厚计算

筒体壁厚计算

圆筒的设计压力为2.12Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为1.00,全部无损探伤。在板厚3～16mm 时取许用应力为189Mpa 。

液柱静压力

ρgh=1×9.8×2000=0.02Mpa

而ρgh ∕2.123=0.9%<5%所以可以忽略。故筒体壁厚[1]

c t 2[]-i

c

P D P δσφ=

=(2.12×2000)/(2×189-2.12)=11.28mm

查得钢板厚度负偏差C 1=0.3mm,

双面腐蚀取腐蚀裕量

2C 2=㎜。[1]

筒体的设计厚度为：

δd =δ+C 2=11.28+2=13.28mm δn =δd +C 1=13.28+0.3=13.58mm

对厚度进行圆整可得名义厚度为：n δ=14mm 确定用mm n 41=δ厚的Q345R 钢板制作筒体。 有效厚度2111.7e n C C mm δδ=--=mm 封头壁厚计算

本容器用标准椭圆封头，厚度根据公式：[1]

其中各数据跟筒体相同，

[]20.5c i

t

c

P D P δσ??=

-=(2.12×2000)/(2×189-0.5×2.12)=11.25mm

封头的设计厚度为：[2]

δd =δ+C 2=11.25+2=13.25mm δn =δd +C 1=13.25+0.3=13.55mm

对厚度进行圆整可得名义厚度为：n δ=14mm 确定用mm n 41=δ厚的Q345R 钢板制作封头。 有效厚度2111.7e n C C mm δδ=--=

可见封头厚度近似等于筒体厚度，所以圆整后取δ=14mm ，有效厚度

11.7e mm δ=

水压试验

试验方法：

试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表

面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min 。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。 水压试验，液体的温度不得低于5℃； 试验校核：

材料Q345R 的[σ]=189Mpa,[σ]t =189Mpa ，P=2.12Mpa,σs =345Mpa 。 水压试验时的压力

P T =1.25×2.12=2.65Mpa 水压试验的应力校核： 水压试验时的应力[1]

()2T i e T e

p D δσδ+==2.65×（2000+11.7）/（2×11.7）=227.82Mpa

水压试验时的许用应力为

S

T 0.9φσσ＜故筒体满足水压试验时的强度要求。

（2）支座结构尺寸确定 鞍座载荷计算：

储罐总质量 筒体的质量1m ：查得圆筒体材料Q345R 密度ρ=7800㎏/m3,筒体长度5.8m,

则质量:

m 1=πDL δn ρ=3.14×2.0×5.8×0.014×7800=3977.50kg

封头的质量2m :根据封头的名义厚度查阅文献可知封头质量为395.8kg 水压试验时水的质量

3

m ：

m 3=20×1000=20000㎏。

附件的质量4m ：人孔重245kg ，补强圈31.64kg ，管法兰27kg ，钢管7.721kg ，

液位计16.47kg 。

m 4=327.83kg

所以设备总质量为

m=3977.50+2×395.8+20000+327.83=25096.93kg

即

G=mg=25096.93×9.8=245.9kN

每个鞍座所受支座反力F=122.95kN

鞍座尺寸标准:

查阅文献根据筒体公称直径，选取公称直径DN=2000mm ，120°包角轻型(A)带垫板鞍式支座，允许载荷Q295kN>245.9kN ，满足要求。

由公称直径查文献得具体尺寸如下表2-5及图2-4

图2-4鞍式支座结构尺寸图 表2-5鞍座结构尺寸表

鞍座位置的确定

双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L 时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取.2L 0A ,其中L 取两封头切线间距离，A 为鞍座中心线至封头切线间距离。 A ≤0.2L=0.2×﹙5800+25×2)=1170mm

当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。为了充分利用这一加强效应因此当满足A ≤0.2L 时，最好使A ≤0.5R 0, 即A ≤0.5R 0≤0.5×（1000+14）=507mm 综合以上：取A=507mm

S=L-2A=5800+50-1000=4850mm,

2.2.6焊接接头设计及焊接材料的选取

容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝和热影响区的总称。焊接接头的形式

直接影响到焊接的质量与容器安全。

（1）焊接接头的设计

本设计中，壳体上的所有纵向及环向接头、椭圆形封头上的拼接街头及壳体与封头的接头，即A、B类接头，必须采用对接焊，不允许采用搭接焊，且对接接头都为等厚度焊接。

焊接接头坡口形式及尺寸：

对接接头坡口形式及尺寸

筒体壁厚为14mm，所以选择X形坡口，适用于筒体上A、B类接头，具体结构尺寸如下图2-5

图2-5对接接头结构尺寸图

接管与筒体连接接头坡口形式与尺寸

接管与壳体及补强圈之间的焊接一般只能采用角焊和搭焊，具体的焊接结构还与对容器强度与安全的要求有关，有多种形式，涉及到是否开坡口、单面焊、焊透与焊不透等问题。

本设计接管与筒体的连接有带补强圈与不带补强圈两种，查阅文献，结合本设计实际综合考虑，确定接头结构尺寸如下图2-6、图2-7

图2-6不带补强圈接管与筒体连接接头结构尺寸

图2-7带补强圈接管与筒体连接接头结构尺寸

（2）焊接材料的选取

2.3强度校核

2.3.1计算条件

2.3.2内压圆筒校核

2.3.3封头计算

2.3.4鞍座计算

2.3.5开孔补强计算

根据GB150当壳体开孔同时满足设计压力≤2.5MPa，两相邻开孔中心的间距不小于两孔直径之和的两倍，接管工程外径≤80mm，且最小壁厚满足如下表2-7要求时，可不另行补强。

表2-7接管最小壁厚mm

经计算只有人孔和备用孔需要补强，为了节省原材料和加工制造方便，使用筒体材料补强，查阅文献得到两孔补强数据如表2-8。

表2-8人孔备用孔开孔补强数据

3．心得体会

在老师的带领下，经过认真的学习。两周的储罐课程设计很快就到了交图的时候，这次课程设计让我学到了许多东西，让我对化工设备机械基础这门课有了进一步的认识，同时也让我意识到了许多不足之处。以后需要更多的学习。

我们都知道，要想做出准确清晰的装配图，首先要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择合适的设计参数，对罐体的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括筒体、封头的应力校核，以及鞍座的载荷和应力校核。校核合格之后才能确定所选设备是否符合要求。

通过这次设计我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍和文献，取其相关知识要点应用到课设当中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。在设计中还要用到CAD软件制图，在绘图的整个过程中，我对制图软件的操作更加熟悉。

这样，经过努力。两周的课程设计已结束，我的设计还有很多的不足，但经过这次设计，也让我找到了自己该努力的方向，我相信，经过我的努力我一定可以成为一个合格的设计人员。在这里，也特别感谢在设计过程中给予我指导和鼓励的晁老师，也希望老师对我设计中的不足之处多多指教。经过这次学习，也学到了很多有用的知识。希望自己以后在这方面继续努力。

4．参考文献

1．郑津洋、董其伍、桑芝富主编《过程设备设计》北京：化学工业出版社，2010

2．JB1428-74《卧式椭圆形封头容器基本参数》

3．GB/T25198-2010《压力容器封头》

4．TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》

5．HG/T20592-2009《钢制管法兰》北京：中华人民共和国工业和信息化部，2009

6．HG/T20583-2011《钢制化工容器结构设计规定》

7．HG/T21518-2005《回转盖带颈对焊法兰人孔》

8．JB/T4712.1-2007《鞍式支座第一部分：鞍式支座》北京：中华人民共和国国家发展和改

革委员会，2007

9．JB/T4736-2002《补强圈》北京：国家经济贸易委员会，2002 10．GB/T5117-1995《碳钢焊条》

11．GB/T5118-1995《低合金钢焊条》

12．GB/T150-2011《压力容器》