50立方米液氨储罐设计方案介绍书张震.doc

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1、.*燕京理工学院Yanching Institute of Technology（2018）届本科生化工设备机械基础大作业题目： 50立方米液氨储罐设计 学院：化工与材料工程学院 专业： 应用化学1402 学号： 140140059 姓名： 张震 指导教师： 周莉莉 教研室主任（负责人）： 顾明广 2017年6月20日目录课程设计任务书350m液氨储罐设计3课程设计内容3液氨物化性质及介绍4第一章 设备的工艺计算41.1设计储存量41.2 设备的选型的轮廓尺寸的确定41.3 设计压力的确定51.4 设计温度的确定51.5 主要元件材料的选择5第二章 设备的机械设计62.1 设计条件（见表2-1

2、和表2-2）62.2 结构设计72.2.1 材料选择72.2.2 筒体和封头结构设计72.2.3 法兰的结构设计72.2.4 人孔、液位计结构设计92.2.5 支座结构设计112.2.6 焊接接头设计及焊接材料的选取142.3 开孔补强计算152.3.1补强设计方法判别152.3.2有效补强范围162.3.3 有效补强面积172.3.4接管的多余面积172.3.5补强面积17第三章 液面计的选用18第四章 视镜的选用18第五章 安全阀的选用18第六章 焊接接头的设计18第七章 垫片及螺栓的选择18课程设计总结19参考文献19课程设计任务书50m液氨储罐设计一、课程设计要求：1.按照国家最新压力

3、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.独立完成。二、原始数据设计条件表序号项目数值/名称单位备注1名称液氨储罐2用途液氨储存3最高工作压力1.55MPa由介质温度确定4工作温度0-405公称容积（Vg）50M36工作压力波动情况可不考虑7装量系数(V)0.858工作介质液氨9使用地点河北省张家口市10安装与地基要求11其它要求三、课程设计主要内容1、设备工艺、结构设计；2、设备强度计算与校核；3、技术条件编制；4、绘制设备总装配图；5、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；

4、2.总装配图一张 (A3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1625%（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

5、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。第一章 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； 装量系数； V压力容器容积；m3 设计温度下的饱和溶液的密度， W=0.85500.563=23.93 t1.2 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由已知数据计算出筒体的基本参数如下：表1-

6、1 筒体基本参数公称容积Vg/m公称直径DN/mm筒体长度L/mm5026008400椭圆形封头基本参数如下表：表1-2 椭圆形封头参数公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/m容积V/m26006907.65452.5131 设备计算容积 V计=/4DN2L+V封2=/42.68.4+2.51312=47.10m 实际工作容积 V工=V计f=47.100.85=40.03m1.3 设计压力的确定 液氨在40的饱和蒸汽压为1.55 MPa，由于按压力容器安全技术监察规程规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气40时的饱和蒸汽压力Pv=1.55Mpa，大气压Pa=0.

7、1Mpa. 而最高工作压力指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压可取液氨容器的设计压力为最大工作压力的1.1倍。即P=(1.55-0.1)1.1=1.6水压试验 Pt=1.251.6=2.0Mpa1.4 设计温度的确定设计温度系指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下，设定受压元件的金属温度，其值不得低于元件金属可能达到的最高金属温度，对于0以下的金属温度，则设计温度不高于元件金属可能达到的最低金属温度，容器的设计温度是指壳体的设计温度，可知器设计温度选取的依据是：其值不得低于最高金属温度或不得高于最低金属温度（0以下）。河北省张家口市当地最高工作温度为-15-35，则设计温度取40。1

8、.5 主要元件材料的选择液氨属于液化气体，查阅文献，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50m液氨储罐属于第II类压力容器。 第二章 设备的机械设计2.1 设计条件（见表2-1和表2-2）表2-1设计条件表 内容备注工作介质液氨工作压力 Mpa1.54设计压力 Mpa1.6工作温度 -1535设计温度 40公称容积 （Vg） m350计算容积 （V计）m347.1工作容积 （V工）m340.03装量系数 f0.85介质密度 （）t/m0.563kg/L材质Q345R保温要求无保温层表2-2管口表接管代号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称aDN450HG20592 WN4

9、50-2.5MFMFM人孔bDN15G1/2FM压力表口cDN50HG20592 WN50-2.5FMFM气相出口dDN80HG20592 WN50-2.5FMFM安全阀排气口eDN80HG20592 WN50-2.5FMFM安全阀排气口fDN50HG20592 WN50-2.5FMFM进料口gDN50HG20592 WN50-2.5FMFM放空口h1-2DN20HG20592 WN50-2.5FMFM液位口jDN25HG20592 WN25-2.5MM放尽口iDN50HG20592 WN25-2.5MM出料口tDN20M271.5M温度计口2.2 结构设计2.2.1 材料选择 根据液氨的物性

10、选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1/年以下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材，综合考虑经济因素，根据GB150-1998表4-1，选用筒体材料为低合金钢（16MnR）Q345（钢材标准为GB6654）t=163 Mpa。Q345（16MnR）适用范围：用于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性,壁厚较大（8mm）的压力容器。2.2.2 筒体和封头结构设计由表1-1可知筒体公称直径DN=2600mm ，长度L=8400mm由表1-2可知EHA标准椭圆形封头公称直径DN=2600mm 总深度H=690mm2.2.3 法兰的结构设计法兰有设备法兰和管法兰，设备筒体

11、和封头焊接在一起，所以不需要设备法兰，只有管法兰。（1）公称压力确定计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定组件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力与液柱静压力之和，当组件所承受的液柱静压力小于5%设计时，可忽略不计。经查压力容器安全技术监察规程得液氨的设计压力P设=1.1P工作=1.10（2.059-0.1）=2.16Mpa液柱静压力gh=562.8719.82600=0.0143Mpa ，（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

12、法兰质量，详细见下图2-2和表2-3图2-2 表2-3 PN25带颈对焊钢制法兰 单位： mm接管代号公称尺寸DN钢管外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰颈法兰高度H法兰质量M(kg)法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓ThNSH1RB8089200160188M16241053.2128585.0D5057165125184M1620752.986483.0C253211585144M1218462.664401.0SV.A.E.F6576185145188M1622902.9106524.0L1.L2202510575144M1218402.364401.0 2.2.4

13、 人孔、液位计结构设计（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400600mm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 MFM s-35CM (NM-X

14、B350) A 450-2.5 HG/T 21518-2005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表2-4 回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表密封面型式公称压力PN公称直径DNdDD1H1H2bMFM2.54504801245667060025012142b1b2ABLd0螺柱螺母螺柱总质量数量直径长度4146375175250242040M332165245 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

15、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-2050，设计压力为1.23MPa，以上三种都不适合。磁性液位计适用于PN=1.616MPa，-40300，液体密度0.45g/cm，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/T 21584-95 UZ2.5M-1400-0.6 BF321C2.2.5 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

16、，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

17、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 筒体壁厚计算该容器需100%探伤，所以取其焊接系数为。圆筒的厚度在16-36mm范围内，查GB150-1998中表4-1，可得：在设计温度50下，屈服极限强度， 许用应力利用中径公式，计算厚度： 圆整至18mm取。=2则筒体的设计厚度筒体的有效厚度II封头壁厚计算查标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表1，得公称直径选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA，则 ，根据GB150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算： 圆整得腐蚀裕量C2=2mm，设计厚度d=+C2=18+2=20

18、mm.对于16MnR,钢板负偏差C2=0取名义厚度 有效厚度2由于筒体的名义厚度与封头的名义厚度相近，所以可以统一去名义厚度为。选择封头的数据:DN=2600mm,曲面高h1=690mm,直边高h0=40mm,内表面积=7.6545,容积=2.5131m,名义厚度n=20mm,质量=1184.6kg。III计算压力Pc计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定组件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力与液柱静压力之和，当组件所承受的液柱静压力小于5%设计时，可忽略不计。经查压力容器安全技术监察规程得液氨的设计压力P设=1.1P工作=1.10（2.059-0.1

19、）=2.16Mpa液柱静压力gh=562.8719.82600=0.0143Mpa ，液柱静压力可以忽略,计算压力与设计压力相等。,即Pc=2.16Mpa（2）支座结构尺寸确定 该卧式容器采用双鞍式支座材料选用Q235-B，其许用应力查得16MnR密度7900Kg/m3筒体总质量M=m1+m2+m3+m4m1:筒体质量m2:封头质量m3:液氨质量m4:附件质量：人孔及其它附件质量总共估取400Kg每个鞍座承受的压力所以选鞍座JB/T4712.1-2007，标准尺寸为：DN=2600mm,许用载荷435KN,包角120，带垫板，A型。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=20

20、00mm ，120包角轻型(A)带垫板鞍式支座，允许载荷Q295kN245.9kN，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 鞍座结构尺寸表公称直径DN2000腹板10垫板430允许载荷Q/kN295筋板29510鞍座高度h250190e80底板1280260螺栓间距11202208螺孔/螺纹D/l24/M2012垫板弧长2100鞍座质量Kg162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，从而使上述两截面上保持等强度，所以一般

21、近似取,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。考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，面且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸A不超过0.2L值，为此中国现行标准JB 4731钢制卧式容器规定A0.2L=0.2（L+2h），A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。则可以取鞍座间距8000mm。由标准椭圆封头故此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，JB 4731还规定当满足A0.2

22、L时，最好使A0.5R ,即 ，则可取A=1000mm综上有：A=1000mm(A为封头切线至封头焊缝间距离，L为筒体和两封头的总长)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）焊接接头的设计综合考虑各种因素，针对本次设计储存的介质是高毒性介质，所以本次设计的壳体A、B类焊接接头应为X型的如图。而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头。（2）焊接材料的选取 本设计采用手工电弧焊，其设备简单，便于操作，适用于各种焊接，在压力容器制造中应用十分广泛，钢板对接，接管与筒体、封头

23、的连接等都可以采用。手工电弧焊的焊接材料是焊条，本设计材料主要为低合金钢和碳钢，需要用到低合金焊条和碳钢焊条，对于这二者的选用主要考虑如下因素：对低碳钢和低合金钢，要按等强度原则选择焊条，即要求焊缝与母材强度相等或基本相等，而不要求焊缝金属的化学成分与母材相同；当低碳钢与低合金钢之间、或不同种类的低合金钢之间进行焊接时，应选用与其中强度较低的钢材等强度的焊条进行焊接。 Q345R钢板 抗拉强度510640MPa 16Mn无缝钢管 抗拉强度510660MPa Q235B钢板 抗拉强度375500MPa 查阅文献结合本设计实际综合考虑，所选用焊条如下表2-6 表2-6 焊条的选取 材料Q345R1

24、6MnQ235-BQ345RE5015E5015E430316MnE5015E5015E4303Q235-BE4303E4303E43032.3 开孔补强计算根据GB150中8.3，当设计压力小于或等于2.5MPa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径不大于89mm时，接管厚度满足要求，不另行补强，故该储罐中只有DN=500mm的 人孔需要补强。2.3.1补强设计方法判别按HG/T 21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔。开孔直径故可以采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用10号钢正火，其许用应力根据GB150-1998中式8-1，其中：壳体

25、开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数所以开孔所需补强面积为2.3.2有效补强范围（1）有效宽度B的确定按GB150中式8-7，得：12.2.2有效高度的确定（2）外侧有效高度的确定根据GB150中式8-8，得：(3）内侧有效高度的确定根据GB150-1998中式8-9，得：，2.3.3 有效补强面积根据GB150中式8-10-式8-13，分别计算如下：3.1 筒体多余面积2.3.4接管的多余面积接管厚度：3.3焊缝金属截面积焊角取6.0mm2.3.5补强面积因为，所以开孔需另行补强所需另行补强面积： 补强圈设计：根据DN500取补强圈外径D=840mm。因为BD，所以在有效补强范围。补强

26、圈内径d=530+2=532mm补强圈厚度：圆整取名义厚度为20mm。第三章 液面计的选用透光式玻璃面液面计，型号T；利用连通器原理，通过液面计的玻璃板视窗可以观察容器内部液面位置的变动情况。结构形式：保温型W,钢板16Mn.L=900,标准HG21589.1-1995.第四章 视镜的选用选用不带颈视镜；不带颈视镜结构简单，便于窥视，由于视镜接缘直接焊接在设备上，容易在焊接后引起接缘上的密封面变形，所以应有可靠的焊接工艺保证。选用视镜的数据：DN=80 PN=1.57 D=130 b1=36 b2=26 H=91螺柱：个数n=8 直径d=M12 重量m=7.1kg 标准：不锈钢HGJ501-8

27、6-15第五章 安全阀的选用液氨：A44H-160对于高压容器和安全泄放量达的中低压容器，最好采用全启式安全阀，考虑泄放的介质质量是否易燃、有毒、污染环境，确定采用封闭式安全阀。所以选用弹簧封闭全启式（带扳手）安全阀。第六章 焊接接头的设计综合考虑各种因素，针对本次设计储存的介质是高毒性介质，所以本次设计的壳体A、B类焊接接头应为X型的如图。而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头。第七章 垫片及螺栓的选择垫片凹凸面用MFM型（mm）公称通径垫片内径垫片外径垫片厚度2027501.580891201.51001151491.55005305603课程设计总结在老师的带领下，经过认真的

28、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

29、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。致谢这次的论文是在我的指导老师周莉莉老师亲切关怀和悉心指导下完成的。从毕业设计选题到设计完成，周老师给予了我耐心指导与细心关怀，有了老师耐心指导与细心关怀

30、我才不会在设计的过程中迷失方向，失去前进动力。老师有严肃的科学态度，严谨的治学精神和精益求精的工作作风，这些都是我所需要学习的，感谢老师给予了我这样一个学习机会，谢谢!感谢与我并肩作战的舍友与同学们，感谢关心我支持我的朋友们，感谢学校领导、老师们，感谢你们给予我的帮助与关怀，谢谢!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，20102 黄振仁、魏新利，过程装备成套技术设计指南，化学工业出版社，20023 国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，19964 蔡纪宁主编，化工设备机械基础课程设计指导书，化学工业出版社，20035 潘永亮主编，化工设备机械基础，科学出版社，20136 王志文，化工容器设计，北京：化学工业出版社，1991