化工机械基础课程设计

内蒙古科技大学化工设备机械基础课程设计说明书

题目：带液氨储罐

学生姓名：张辉

专业：化学工程与工艺

班级：化工-2班

指导教师：兰大为

设计任务书

一、课题：

液氨贮罐的机械设计

设计内容：根据给定工艺参数设计一台液氨储罐

二、已知工艺参数：

最高使用温度：T=50℃

公称直径：DN=2600mm

=3900mm

筒体长度（不含封头）：L

三、具体内容包括：

1.筒体材料的选择

2.罐的结构尺寸

3.罐的制造施工

4.零部件型号及位置、接口

5.相关校核计算

6.绘制装备图（A2图纸）

设计人：张辉

学号：

前言

化工专业课程设计室掌握化工原理和化工设备机械基础相关内容后进行的一门课程设计，也是培养学生具备基本化工设计技能的实践性教学环节。此课程设计所进行的是化工单元设备或主要辅助设备的工艺设计及选型，其性质属于技术设计范畴。? 课程设计是对课程内容的应用性训练环节，是学生应用所学知识进行阶段性的单体设备或单元设计方面的专业训练过程，也是对理论教学效果的检验。通过这一环节使学生在查阅资料、理论计算、工程制图、调查研究、数据处理等方面得到基本训练，培养学生综合运用理论知识分析、解决实际问题的能力。

本设计是设计-卧式液氨储罐。液氨储罐是合成氨工业中必不可少的储存容器。为了解决容器设计中的各类问题，本设计针对这方面相关问题做了阐述。综合考虑环境条件，液体性质等因素并参考相关标准，按工艺设计，设备结构设计，设备强度计算，分别对储罐的筒体，封头，鞍座，人孔，接管进行设计，然后用强度校核标准，最终形成合理的设计方案。

通过本次课程设计得到了化工设计基本技能的训练，为毕业设计及今后从事化工技术工作奠定了基础。此次设计主要原理来自<<化工过程设备机械基础>>一书及其他参考资料。

目录

第一章液氨储罐设计参数的确定

罐体和封头的材料的选择

纯液氨腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材,但由于压力较大,可以考虑20R、16MnR.这两种

钢种。如果纯粹从技术角度看，建议选用20R 类的低碳钢板， 16MnR 钢板的价格虽比

20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR 钢板为比较经济。所以在此

选择16MnR 钢板作为制造筒体和封头材料。

设计温度与设计压力的确定

通过查表可知，在50℃时液氨的饱和蒸汽压，《压力容器安全监察规程》规定液化气

体储罐必须安装安全阀，设计压力可取最大操作压力的倍。所以设计压力p = ×? = 故取设计压力p=。

其他设计参数

容器公称直径见技术特性表即公称直径Di=2600mm；罐体和封头的材料为16MnR，查教

材可知其设计温度下的许用应力[σ ]t = 163MPa。液氨储罐封头从受力方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半

球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封

头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来年：球

形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制

造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。液氨储罐筒体为板卷焊，焊接接头采用

双面对接焊100%探伤,因此确定焊接接头系数? = 1。

第二章 工艺计算 壁厚的设计 筒体壁厚的计算

取计算压力p c =p=，筒体内径D i =DN=2600mm ，查表知16MnR 在设计温度为50℃时的许用应力为[σ]t =163MPa ，筒体的理论计算壁厚公式为：

p D p t i c -=

φσδ][2 （）

式中：δ——筒体的理论计算壁厚，mm ； p c ——筒体计算压力，MPa ； D i ——筒体内径，mm ；

[σ]t ——钢板在设计温度下的许用应力，MPa;

?——焊接接头系数，其值为1。

将数值代入公式计算出筒体的计算厚度为：

由于液氨对金属有一定的腐蚀，取腐蚀裕量C 2=2mm ，故筒体的设计厚度为： 由钢板厚度负偏差表查得C 1=0.8mm ，故名义壁厚为： 圆整后取δn =20mm 。 封头壁厚的计算

采用的是标准椭圆形封头，各参数与筒体相同，其厚度计算式为： 设计厚度为： 名义厚度为： 圆整后取δn =20mm 。

查表(132页)标准椭圆形封头的直边高度(JB/T4737-95)为h 0=50mm 。 水压强度的校核

确定水压试验的试验压力值

已知p=，[σ] =[σ]t =163MPa

试验压力：p P t

T ][][25.1σσ= 式中：P T ——试验压力，MPa; p ——设计压力，MPa;

[σ] 、[σ]t

——分别为液压试验温度和设计温度下壳壁材料的许用应力，MPa 。 带入数据得：

计算水压试验时的器壁应力值

实验时器壁的应力：

查表（125页）可知20mm 的16MnR 钢板的常温强度指标σs =325MPa 。所以

MPa s 5.29213259..09.0=??=?σ

?σσs T 9.0≤，故所设计的器壁厚度满足设计要求。鞍座的设计

罐体质量W 1

罐体质量m 1：公称直径DN=2600mm ，壁厚δ=20mm 的筒体，查表（陈国恩主编312页），得每米质量是q 1=1290kg/m ，所以kg L q m 50319.31290011=?== 封头质量m 2：公称直径DN=2600mm ，壁厚δ=20mm ，直边高度h 0=50mm 的标准椭圆形

封头，查表（313页）得其质量kg m 1230'

2

=，所以 W 1=m 1+m 2=5031+2460=7491kg

液氨质量W 2

式中:V ——贮罐容积，m 3；

ρ——液氨的密度，在0℃时液氨的密度为640kg/m 3。小于水的密度，故充液氮质量按水考虑

筒体公称直径DN=2600mm ，筒体长度L 0=，查（312页），得封头容积为V h =，则贮罐总容积为 于是

其他附件质量W 3

人孔约重200kg ，其它接口管的总重约300kg 。于是W 3=500kg 。

设备总质量W

W=W 1+W 2+W 3=7491+28525+550=33316kg

鞍座的选择

每个鞍座承受的负荷为

根据鞍座承受的负荷，查表(《化工设备机械基础》，大连理工大学出版社，附录16可知，选择轻型(A)带垫板，包角为120°的鞍座。即JB/T4712-1992 鞍座A2600-F ，JB/T4712-1992 鞍座A2600-S 。其标准尺寸如下： 安放位置：

筒体长度

式中A ——鞍座与封头切线之间的距离，mm ；

L 1——两鞍座间距，mm 。

由于筒体L/D 较大，且鞍座所在平面又无加强圈，取 选择人孔并核算开孔补强 人孔选择

压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。根据储罐是在常温下及设计压力为 的条件下工作,人孔的标准按公称压力为 MPa 等级选取。考虑到人孔盖直径较大较重,故选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔(HG 21524-95)，公称直径为450mm ，突面法兰密封面(RF 型)。该人孔结构中有吊钩和销轴，在检修时只需松开螺栓将盖板绕销轴旋转，即可轻松进入，而不必将其取下以节约维修时间。查得该人孔的有关数据如下: 该水平吊盖带颈对焊法兰人孔的标记为：HG21523-95 人孔RF Ⅴ（A?G ） 其中RF 指突面密封，Ⅴ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，是指公称直径为450mm 、公称压力为 Mpa 。

开孔补强的计算.

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。由表知本设计所选用的人孔筒节内径d i ＝450mm ，壁厚δnt ＝12mm 。据此差得补强圈尺寸(JB/T 4736-2002)为：外径D 2=760mm ，内径D 1=450+2×12+14=488mm 。

开孔补强的有关计算参数如下： (1) 开孔所需补强面积A

对于圆筒，壳体开口出的计算厚度为：

[]mm p

pD t

i

02.1713

.2116322600

13.22=-???=

-=

?σδ。

开孔直径

mm C d d i 6.455)28.0(24502=+?+=+=。

由于接管材料与壳体材料都为16MnR ，故f r =1，内压容器的圆筒开孔强面积为：

)1(2r et f d A -+=δδδ mm 2

式中 d ——开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量，mm ；

δ——壳体开孔处的计算厚度，mm ； δet ——接管有效厚度，mm ；

f r ——强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值。 代入数据得：开孔所需补强面积 (2) 有效宽度B

二者中取较大值B=911.2mm 。 (3) 有效高度

①外侧高度h 1

二者中取较小值h 1=73.94mm

②内侧高度h 2 二者中取较小值h 2=0mm 。 (4) 补强面积A e

在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算 式中 A e ——补强面积，mm 2；

A 1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm 2; A 2——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm 2

； A 3——焊缝金属截面积，mm 2。 计算如下： 其中接管有效厚度为 故

r et t et f C h h A )(2)(22212-+-=δδδ

其中接管计算厚度为

故 2244752.91701)996.22.9(94.732mm A =+?-??=

焊缝金属截面积 故补强面积A e 为

由于A A e <，故开孔需另加补强，其另加补强面积为 (5) 补强圈厚度δ

圆整后取mm 26'=δ，补强材料与壳体材料相同为16MnR 。 选配工艺接管 液氨进料管

采用φ57×3.5mm 无缝钢管。管的一端切成45°，伸入储罐内少许。配用突面板式平焊管法兰：HG20592-97 法兰 RF-16MnR

液氨出料管

在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。故采用可拆的压出管mm 325?φ，将它用法兰固定在接口管

mm 5.357?φ内。

罐体的接口管法兰采用HG20592-97法兰 RF-16MnR 。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HG20592-97 法兰 RF-16-MnR 相同，但其内径为25mm 。

液氨压出管的端部法兰采用HG20592-97 法兰 RF-16-MnR 。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐

排污管

贮罐右端最底部安设一个排污管，管子规格：mm 5.357?φ，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的管法兰HG20592-97 法兰 。排污管一罐题连接处焊有一厚度为10mm 的补强圈 安全阀接口

安全阀接管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用mm 5.332?φ的无缝钢管，法兰为HG20592-97 法兰 RF-16MnR （尺寸由安全阀泄露放量决定） 液面计接口管

本贮罐采用透光式玻璃板液面计AT 两支。与液面计相配的接 管尺寸为mm 318?φ，管法兰为HG20592-97 法兰 放空管接管口

为了在注入液体时，将容器内的空气排到罐体外以便能顺利快速地注入，需安设一放空管。采用mm 5.332?φ无缝钢管，法兰为HG20592-97 法兰 RF-16MnR 。

第三章 参数校核 筒体轴向应力校核 筒体轴向弯矩计算

筒体中间处截面的弯矩用下式计算

()

?????

?

??????-

+-+=L A L h L h R FL M i i m 43412142221 (8-1) 式中 F —鞍座反力，N ； R m —筒体的平均直径，mm ； L —筒体长度，mm ；

A —支座中心线至封头的距离，mm ； h i —封头内壁的曲面高度，mm 。

其中，

mm DN R n

m 13202

2

2026002

2=?+=

+=

δ所以

支座处截面上的弯矩

????

?

?

?????

?+-+

--

-=L h AL h R L A FA M i

i m 3412112

22 所以 筒体轴向应力计算

由《化工机械工程手册》（上卷，P11~99）得K 1=K 2=。因为︱M 1︱＞＞︱M 2︱，且A ＜R m /2=660mm ，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。

（1）由弯矩引起的轴向应力 筒体中间截面上最高点处 最低点处：

Pa 054.1''12=-=σσ。

鞍座截面处最高处： 最低点处：

（2）由设计压力引起的轴向应力 由 所以

（3）轴向应力组合与校核

最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处，所以

MPa p 784.82054.173.81'22=+=+=σσσ 许用轴向拉压应力[σ]t =163MPa ，而σ2＜[σ]t 合格。

最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处，MPa 054.1'11=-=σσ 轴向许用应力

根据A 值查外压容器设计的材料温度线图得B=130MPa ，取许用压缩应力[σ]ac =130MPa ，︱σ1︱＜[σ]ac ，合格。 筒体和封头切向应力校核

因筒体被封头加强，筒体和封头中的切向剪应力分别按下列计算。 筒体切向应力计算

由《化工机械工程手册》（上卷，P11-100）查得K 3=，K 4=。所以

MPa R F K e m 33.62

.171320163340880.03=??=??=δτ

封头切向应力计算

[][]MPa

DN P K e t

h t

76.422

.1722600

13.2116325.1225.125.1=???-?=??-

?=-δσσσ因τh ＜[σ]t -σh ,所以合格。 筒体环向应力的计算和校核 环向应力的计算

设垫片不起作用 （1）在鞍座处横截面最低点

2

55b F

K k e ???-

=δσ (8-5)

式中 b 2——筒体的有效宽度，mm 。

由《化工机械工程手册》（上卷，P11-101）查得，K 5=，K 6=。式中k=，考虑容器焊在鞍座上

e m R b b δ?+=56.12 (8-6)

式中 b —鞍座轴向宽度，mm 。

所以 所以

（2）鞍座边角处轴向应力

因为L/Rm=3900/1320=＜8,且

2626234e

e F K b F

δδσ--

= (8-7) 所以 环向应力的校核

︱σ5︱＜[σ]t =163MPa ，合格。 ︱σ︱＜[σ]t =×163=，合格。 鞍座有效断面平均压力

鞍座承受的水平分力

F K F s ?=9 (8-8)

由《化工机械工程手册》（上卷，P11-103）查得，K 9=。 所以

N F s 36.33321163340204.0=?=。

鞍座有效断面平均应力

9b H F s s

?=

σ (8-9) 式中 H s ——鞍座的计算高度，mm ； b 0——鞍座的腹板厚度，mm 。

其中H s 取鞍座实际高度（H=250mm ）和R m /3=1320/3=440mm 中的最小值，即H s =250mm 。腹板厚度

b 0=δ2-C 1==。所以

应力校核

式中[σ]sa =140MPa ，鞍座材料Q235—AF 的许用应力。 第四章 设计汇总 符号汇总

公式汇总

第五章小结

通过2周对液氨储罐的机械设计，我更加深入的了解了液氨储罐的设计过程，在设计由于储罐体积较小，采用的是卧式圆筒形容器。通过这次课程设计是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。

设计时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型符合要求。

在学习了《化工设备机械基础》这门课的基础上，对容器尺寸规格、材料使用条件、国家标准以及工业生产中一些必要的注意事项等有来了一定的了解。对于Word、AutoCAD等软件有了更深一步的学习，弥补了从知识的不足，对我未来的学习、工作奠定了基础。

第六章参考文献

1.赵军，段成红，《化工机械设备基础》，第二版，化工工业出版设。

2.陈国荣，《化工机械设备基础》第二版，化工工业出版社

3.王立业，《化工机械设备基础》，第五版，大连理工大学

4.余国琮，《化工机械设备基础》（上卷），第一版化学工业出版社

5.《化工容器设计例题、习题集》（蔡仁良）

6.董大勤.化工设备机械基础.北京：化学工业出版社，2009.

7.丁伯民，黄正林.化工容器.北京：化学工业出版社，2003.

第七章附录