液氨储罐的设计

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1、Yanching Institute of Technology(2018)届本科生化工设备机械基础大作业题目：液氨储罐的设计学院：化工与材料工程学院专业:应用化学学号：姓名：游超杰指导教师：2017年6月30日目录1、设计任务书课题：液氨储罐的设计（家乡衡水）设计内容：根据既定的工艺参数设计一台液氨储罐已知工艺参数：最高使用温度T=40C罐体容积 V=12mm3此时氨的饱和蒸汽压 P=具体的内容包括：1. 筒体材料选择2. 罐的结构及尺寸（内径、长度）形状（卧式、球形、立式），罐体厚度，封头形状及厚度，支座的选择，人孔及接管，开孔补强下达时间：2017 年 6 月 16 日完成时间：2017

2、 年 6 月 30 日上、亠2、前言本次课程设计是化工与材料工程学院，应用化学专业对化工设备机械基础这 门课程进行的。课设题目为液氨储罐的课程设计。液氨，又称为无水氨，是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料，应用 广泛，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，而且具有腐蚀性，且容易挥发，所以其化学事故发生率相当NH3气氨相对密度（空气=1）:，分子量为17. 04.液氨的密度是L（50C）。自燃点：651. 11C饱和蒸汽压：熔点（C）： -77. 7爆炸极限：16%25%沸点（C）： -33. 41%水溶液PH值：11. 7比热kJ（kg K）：

3、氨（液体） 氨（气体）蒸汽与空气混合物爆炸极限1625%（最易引燃浓度17%）。氨在20C水中溶 解度34%,25C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,难以点燃而危险性较低; 但氨和空气混合物达到 上述浓度范围遇明火会燃烧和爆炸,如有油类或其它可燃性物质存在,则危险性 更高。液氨主要用于生产、和其他化学肥料，还可用作医药和农药的原料。 在国 防工业中，用于制造火箭、导弹的推进剂。可用作有机化工产品的氨化原料，还 可用作冷冻剂。液氨还可用用于纺织品的丝光整理。液氨通

4、常采用钢瓶或灌装。灌装用钢瓶或槽车应符合国家劳动局颁发的“气 瓶安全监察规程”、“压力容器安全监察规程”等有关规定。本设计是针对化工设备机械基础这门课程所安排的一次课程设计，是对 这门课程的一次总结，要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。设计基本思路：本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给 定的工艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准 的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、 液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。设备的选择大都有相应的执行标准， 设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标

5、 准，则选择合适的非标设备。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可 循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。本设计过程的内容包括容器的材质的选取、容器筒体的性质及厚度、封头的 形状及厚度、确定支座、人孔及接管、开孔补强的情况以及其他接管的设计与选 取。3. 设计方案设计依据及原则本液氨贮罐属于中压容器，设计以“钢制压力容器”国家标准(GB150)为 依据，严格按照政府部门对压力容器安全监督的法规“压力容器安全技术监督教 程”的规定进行设计。以安全为前提，综合考虑质量保证的各个环节，尽可能做 到经济合理，可靠的密封性，足够的安全寿命。设计的步骤如下：(1) 根据设计

6、中要用的各种参数进行计算及材料选择。(2) 对容器的筒体、封头鞍座及其他附件进行参数计算。(3) 对计算出来的数据进行校核。、设计要求技术特性表公称容积（立方米）12公称直径（DN）介质液氨筒体长度（L）工作压力（Mpa）工作温度（C）40使用地点河北衡水推荐材料16MnR管口表编号名称公称直径（mm）编号名称公称直径（mm）a1-a2液面计20e安全阀50b人孔450f放空管50c进料管65g排污管50d出料管65、液氨储罐设计参数的确定、设计温度与设计压力的确定（1）设计温度：T= 40C（2）设计压力:本贮罐在最高使用温度40C下，氨的饱和蒸汽压为（绝对压强）， 容器上装有安全阀，则取到

7、倍的最高工作压力作为设计压力，这里取最高设计压 力为倍。所以设计压力为P= X（）=。、罐体和封头材料的选择（1）材料选择：由操作条件可知，该容器属于中压、常温范畴（化工设备机械 基础第六版P56表2-2）。考虑到机械性能、强度条件、腐蚀情况等要求，筒 体和封头的材料选用可以考虑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。钢号为16MnR的钢板（适用温度范围-40-475C，使用状 态为热轧或正火，钢板标准为

8、GB66541996）。接管材料选用钢号为16MnR的 接管（许用应力：o = ot=163MPa）。法兰材料为16MnR，鞍座材料选用16MnR。（2）钢板厚度负偏差：由化工设备机械基础第六版P97表49可知，钢板 厚度在时钢板负偏差C=。1（3）腐蚀裕量:腐蚀裕量由介质对材料的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命决定。 腐蚀裕量C=Ka，其中K为腐蚀速率；a容器的使用寿命。对于低合金钢的容器，2其腐蚀程度若属于轻度腐蚀，腐蚀速度（mm/a），腐蚀余量三，（第六版P98表 4-11）故腐蚀余量取C二.2（4）焊接头系数：本次课程设计是液氨储罐的机械设计。氨属于中度毒性物质， 查（第六版P56表2-2

9、）可知该设备为中压储存容器，即为第三类压力容器。由 于焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方，要保证设备密封性能良好，故筒体焊接 结构采用双面焊的全焊透的对接接头，且全部无损探伤的，故取焊接头系数=。（5）许用应力：对于本设计是用钢板卷焊的筒体以内径作为公称直径 DN=D=1600mm假设16MnR钢的厚度在16-36mm之间，设计温度下钢板的许用应i力o t=163Mpa。4、设计计算、圆筒厚度设计16MnR的密度为m3，熔点为1430C，许用应力LL列于下表：表16MnR许用应力钢号板厚/mm60100153153150141128116在GB-150-1998钢制压力容器中规定，将计算厚度与腐

10、蚀裕量作为设计 厚度，即：5 = pc :DN + Cd 2qap 2c式中3 一设计厚度（mm）；dC一腐蚀裕量（mm）；2P圆筒的设计压力（MPa）；cDN圆筒的公称直径（mm）；焊接接头系数；ot钢板在设计温度下的许用应力（MPa）。于是 5 二 pc x DN * c =xi600/ （2X163X） +=.d 26讪一 p2c将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整到钢板的标准规格的厚度，及圆筒的 名义厚度： 5 -5 + C =+=nd1即5 =5 + C =+。圆整后取6二后的16MnR钢板制作筒体。n d 1 n、封头壁厚设计由于椭圆封头厚度的计算公式和筒体厚度的计算公式几乎相同，说

11、明筒体采 用标准椭圆封头，其封头厚度近似等于筒体厚度，这样筒体和封头可采用相同厚 度的钢板制作。因为 D/2h=2 时，定义为标准椭圆封头，所以封头的形状系数 ifK=。封头的设计厚度为：5 = Pc NK + cd 2Qt - 0.5 p2c即5 =pc DN K_ + c =x1600/（2X163X）+=。d 2a 10.5 p 2c考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，需圆整，封头的名义厚度由公式可得5 =5 + C =+，圆整后取6 =11mm厚的16MnR钢板作封头。n d 1n、水压试验及强度校核由化工设备机械基础（第六版P100）查得内压容器液压试验时应力校核公式为p (DN + 5

12、 )g =厶 i1000mm 时，压力容器上的开孔最好是圆形的。椭圆形人孔的短轴与受压容器的 轴线平行。圆形人孔的直径一般为450mm,受压容器的压力不高或有特殊需要时， 直径可以大一些。圆形人孔的直径有DN400、DN450、DN500和DN600共4种。本 设计根据储罐在常温工作压力为的条件下工作，人孔标准应按公称压力为的等级 选取。受压设备的人孔盖较重，一般均选用吊盖式人孔或回转盖式人孔。吊盖式 人孔使用方便，垫片压紧较好，回转盖式人孔结构简单，转动时所占空间平面较 小，如布置在水平位置时，开启时较费力。故选水平吊盖带颈平焊法兰人孔，该 人孔结构中有吊钩和销轴，检修时只须松开螺栓将盖板绕

13、销轴旋转一个角度，由 吊钩吊住，不必将盖板取下。人孔直径选择 DN450.该人孔标记为：HG215231995人孔RFW(AG) 450其中RF指凸面封闭，W指材料为20R, AG是指用普通石棉橡胶板垫片，450 是指公称直径为450mm、公称压力为。、人孔补强设计开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补 强、整体锻件补强三种。补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材 料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强 圈补强形式。但必须满足规定的条件。压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法， 即

14、壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补 强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料采用 16MnR。公称压力MPa公称 直径dwXSDDibbib2AHiH2d0450480x1064058534343636530020436、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。本设计所选用的人孔筒节内径d=450mm，壁厚5 =10mm。故补强圈尺寸如下：查表(化 m工设备机械基础董大勤P302表11-2)得人孔的筒体尺寸申480X 10，由标 准查的补强圈内公式D =484mm，外径D=760mm。12开孔补强的有关

15、计算参数如下1、不计焊缝系数的筒体计算壁厚6, 二 PcD (2Qt p)二 1.6x 1600 /(2 x 163 -1.6)二 7.89 mmi2、开孔所需补强的面积A：开孔直径： d=d+2C=450+2X (+2) =i补强的面积：A=dX5=X =3、有效地宽度B：B=2 Xd=2X =B=d+2 X5 +5 =+2X11+10二nm取最大值B=4、有效高度h：外侧高度h = ：（d x5 ） =455.6x10 = 67.49 mm或h二接管实际外伸高度=250mm1m1两者取较小值h =1内侧高度h = /（dx5 ） = i（455.6xlO） = 67.49mm或 人=接管实

16、际内伸高2m2=0mm两者取较小值h =0mm25、筒体多余面积A1筒体有效厚度：5 = 5 -C二二en选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故f =1,所以rA=（B-d）（5-5）-25（5-5）（1-f）1em er=（）（）-06、接管多余金属的截面积A ：2接管计算厚度5 =P Xd/ (2b t9 -P ) =X(2X163X)=t ccA=2h(5-C-5)f+0=2XX()=2 1 mt r7、补强区内焊缝截面积A3A=2XX10X10=100mm238、有效补强面积AeA=A+A+A=+100=e 1 2 3比较得 AAe满足以下条件的可选用补强圈补强：刚材的标准常温

17、抗拉强度b 540 Mpab补强圈厚度应小于或等于壳体壁厚的倍；壳体名义厚度5 38 mm；设计压力 n4Mpa ；设计温度 = 2685.034/427.2 = 6.28 mc B - Di考虑到钢板负偏差并圆整，补强材料与壳体材料相同，制造时为便于备材且查标准补强圈厚度取7m,计算的补强圈厚度也满足补强圈补强的条件。6、接口管设计、进料管进料管采用965x5mm的无缝钢管，钢管一端切成45，伸入储罐少许，管长 400mm,配用突面板式平焊法兰HG 20593法兰PL RF Q345R,不需补强。、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

18、料。故采用可拆的压出管申65x5mm,将它用法兰固定在 接口管975x5mm内。、液位计接口管液面计是用以指示容器内物料液面的装置,其类型大体上可以分为四类：有 玻璃板液面计,玻璃管液面计,浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常用 前两种。玻璃板液面计有透光式和反射式两种结构，其适用温度在0-200C。玻 璃管液面计适用于工作压力小于，介质温度在0-200C情况下。玻璃板液面计和 玻璃管液面计均适用于物料没有结晶等堵塞固体的场合。板式5液面计承压能力 强但比较笨重，成本较高。液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重堵塞现象，所以在此选用玻璃管液 面计。选用玻璃管液面计，记作，L=1200mm

19、两支。与液面计相配的接口管尺寸 为 18mmX3mm，管法兰为 HG20595-97 法兰 S015 16MnR。、放空阀接口管采用32mmX无缝钢管，法兰为HG20595-97法兰SO25 16MnR。、安全阀接口管采用32mmX无缝钢管，法兰为HG20595-97法兰SO25 RF 16MnR （尺寸 有安全阀泄露放量决定）。、排污管储罐右端最底部安设排污管一个，管子规格为76mmX5mm，管端焊有一与 截止阀J41W16相配的管法兰HG20595-97法兰SO65 16MnR。排污管一罐体 连接处焊有一厚度为10mm的补强圈。、压力表接口压力表接口管尺寸的最大工作压力决定，因此选用057

20、x3.5mm无缝钢管, 管法兰采用HG 5010-58 Pgl6Dg65。各接外管外伸高度都是150mm。7、鞍座负载设计首先粗略计算鞍座负荷储罐总质量： m=m+ m+ m+ m 1234式中：m罐体质量（kg）；1m一封头质量（kg）；2m液氨质量（kg）；3m附件质量（kg）。4、罐体质量 m1由公称直径D =1600mm，壁厚6 =11mm条件下查表得每米质量是q1=390kg/m,故m= qL1 1 0于是 m 二 q L = 390X=2184kg1 1 0、封头质量 m2由封头公称直径DN=1600mm,壁厚6 =11mm,h =40mm条件下，根据化工设备机械 n0基础（董大勤

21、主编P198）的公式G =8.51（Di + 5p）2 + 24.7（D +5 ） h 1Rm/2 或靠近鞍座处有加强135o圈（用于）15oo筒体被封头加强（即12oo人叫2）135o用于式（）式（）15oo表 2 系数 K3K4 值表 3 系数 K9 值鞍座包角120135150K9表 4 椭圆形封头（摘自 JB/T473795）公称直径DN曲面咼度h直边高度h2厚度16002568400401018502042170042525840101850202418004502584010185020501900475258401018200050025840101850205021005254

22、010142200550258, 940101850205023005754010142400600401018502050管称径 接公直DN夕卜径D2内径D1厚度5 c/mm1618202224尺寸/mm重（质）量/kg250480按类 型确 定300550350620400680450760500840表 5 圆柱形筒体的容积、内表面积和质量600980表 6 容器按压力等级的分类表 7 筒体、封头的腐蚀腐蚀裕量容器种类代号设计压力/MPa低压容器LWpV中压容器MWpV10高压容器H10WpV100超高压容器UP2100腐蚀程度腐蚀速度/(mm/a)腐蚀余量/mm腐蚀程度腐蚀速度/(mm

23、/a)腐蚀余量/mm不腐蚀V0腐蚀Z三2轻微腐蚀Z三1严重腐蚀三3表 8 钢板厚度的负偏差(mm)钢板标准钢板厚度负偏差C1说明GB 66541996全部厚度GB 66541996低温压力容器钢板GB 35311996低温压力容器用低合GB 3531-1996金钢板25 本表数据摘自GB 70988热轧钢GB 3274-882530板和钢带的尺寸、外形、重量及允 许偏差的规定GB 3280-923034表中钢板厚度小于13mm的负偏GB 4237-993440差值系按普通轧制精度的钢板GB 4238-924050GB 327488碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带；5060GB328092不锈钢冷轧钢板；6080GB 423892耐热钢板85100100150150200