1、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：张辉学 号：1566115210专 业：化学工程与工艺 班 级：化工-2 班 指导教师：兰大为2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筒体长度（不含封头）：L 0=3900mm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：15661152103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
2、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
3、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一书及其他参考资料。4目录第一章 液氨储罐设计参数的确定 .61.1 罐体和封头的材料的选择 61.2 设计温度与设计压力的确定 61.3 其他设计参数 6第二章 工艺计算 .82.1 壁厚的设计 82.1.1 筒体壁厚的计算 82.1.2 封头壁厚的计算 92.1.3 筒体与封头水压强度的校核 92.2 鞍座的设计 .112.2.1 罐体
4、质量 W1 .112.2.2 液氨质量 W2 .112.2.3 其他附件质量 W3 .112.2.4 设备总质量 W112.2.5 鞍座的选择 .122.3 选择人孔并核算开孔补强 .132.3.1 人孔选择 .132.3.2 开孔补强的计算. 132.4 选配工艺接管 .162.4.1 液氨进料管 .162.4.2 液氨出料管 .162.4.3 排污管 .162.4.4 安全阀接口 .162.4.5 液面计接口管 .1652.4.6 放空管接管口 .17第三章 参数校核 183.1 筒体轴向应力校核 .183.1.1 筒体轴向弯矩计算 .183.3.2 筒体轴向应力计算 .193.2 筒体和
5、封头切向应力校核 .213.2.1 筒体切向应力计算 .213.3.2 封头切向应力计算 .213.3 筒体环向应力的计算和校核 .213.3.1 环向应力的计算 .213.3.2 环向应力的校核 .223.4 鞍座有效断面平均压力 .23第四章 设计汇总 244.1 符号汇总 .244.2 公式汇总 .25第五章 小结 27第六章 参考文献 28第七章 附录 296第一章 液氨储罐设计参数的确定1.1 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
6、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。1.2 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 2.0325MPa，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1.05-1.10 倍。所以设计压力 p = 1.10(2.0325 0.1) = 2.1263MPa 故取设计压力 p=2.13MPa。1.3 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 t
7、= 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。7第二章 工艺计算2.1 壁厚的设计2.1.1 筒体壁厚的计算取计算压力 pc=p=2.13MPa，筒体内径 Di=DN=2
8、600mm，查表知 16MnR 在设计温度为 50时的许用应力为 t=163MPa，筒体的理论计算壁厚公式为：（2.1）pDtic 2式中：筒体的理论计算壁厚，mm； pc筒体计算压力，MPa； Di筒体内径，mm； 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(2.1)计算出筒体的计算厚度为： mpDtic 02.732620.2由于液氨对金属有一定的腐蚀，取腐蚀裕量 C2=2mm，故筒体的设计厚度为：mC0.190.17 2d由钢板厚度负偏差表查得 C1=0.8mm，故名义壁厚为： 8 1dn 圆整后取 n=20mm。 mCe 2.70212.1.2 封头
9、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： mpDtic 96.1325.016325.02 设计厚度为： mC9891 2d名义厚度为：8mC76.198096.1 dn e 22圆整后取 n=20mm。查表(132 页)标准椭圆形封头的直边高度(JB/T4737-95)为 h0=50mm。2.1.3 筒体与封头水压强度的校核确定水压试验的试验压力值已知 p=2.13MPa， = t=163MPa试验压力： pPtT25.1式中：P T试验压力，MPa;p设计压力，MPa; 、 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： MPapPtT
10、 67.213625.125.1计算水压试验时的器壁应力值实验时器壁的应力： MPaDPeiT 6.2012.17)0(2)(查表（125 页）可知 20mm 的 16MnR 钢板的常温强度指标 s=325MPa。所以MPas 5.939.0.，故所设计的器壁厚度满足设计要求。2.2 鞍座的设计T2.2.1 罐体质量 W1罐体质量 m1：公称直径 DN=2600mm，壁厚 =20mm 的筒体，查表（陈国恩主编 312 页） ，得每米质量是 q1=1290kg/m，所以kgLq5039.201封头质量 m2：公称直径 DN=2600mm，壁厚 =20mm，直边高度 h0=50mm 的标准椭圆形封
11、头，查表（313 页）得其质量 ，所以m12kgm4612302W1=m1+m2=5031+2460=7491kg92.2.2 液氨质量 W2V2式中:V贮罐容积，m 3；液氨的密度，在 0时液氨的密度为 640kg/m3。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 L0=4.0m，查（312 页） ，得封头容积为Vh=2.56m3，则贮罐总容积为 3202 825.936.41356.4 mLDVh 于是 kgW58082 2.2.3 其他附件质量 W3人孔约重 200kg，其它接口管的总重约 300kg。于是 W3=500kg。2.2.4 设备总质量 WW
12、=W1+W2+W3=7491+28525+550=33316kg2.2.5 鞍座的选择每个鞍座承受的负荷为 kNWgF34.16289316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 102LA式中 A鞍座与封头切线之间的距离，mm；L1两鞍座间距，mm。由于筒体 L/D 较大，且鞍座所在平面又无加强圈，取10mDA65025.02L39012.3 选择人孔并核算开孔补强2
13、.3.1 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 2.13MPa 的条件下工作 ,人孔的标准按公称压力为 2.5 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
14、（AG）450-2.5 其中 RF 指突面密封，指接管与法兰的材料为 16MnR，AG 是指用普通石棉橡胶板垫片，450-2.5 是指公称直径为 450mm、公称压力为 2.5 Mpa。2.3.2 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4.1 知本设计所选用的人孔筒节内径 di450mm，壁厚 nt12mm。据此差得补强圈尺寸(JB/T 4736-2002)为：外径 D2=760mm，内径D1=450+212+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：。mpDti 02.17321620.
15、2开孔直径。Cdi 6.45)8.0(45由于接管材料与壳体材料都为 16MnR，故 fr=1，内压容器的圆筒开孔强面积为：11mm2 (4.1)1(2retfdA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；壳体开孔处的计算厚度，mm； et接管有效厚度，mm；fr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 231.7540216.45mA(2) 有效宽度 B d.9. mdnt 6.5192026452二者中取较大值 B=911.2mm。(3) 有效高度外侧高度 h1 dnt 94.73126.451 m接 管 实 际 外 伸
16、高 度二者中取较小值 h1=73.94mm内侧高度 h2 dnt 94.73126.452 0接 管 实 际 外 内 伸 高 度二者中取较小值 h2=0mm。(4) 补强面积 Ae在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算321Ae式中 A e补强面积，mm 2；A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm 2;A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm 2；A3焊缝金属截面积，mm 2。计算如下：)1()(1 rete fdB其中接管有效厚度为12mCntet 2.98.0121故 21 08.)1(07()7.)(6452.9( mA (4.4)rettet fChh)(2)
17、(212 其中接管计算厚度为 mpdtct 96.2163245.2故 247510)9(9473A焊缝金属截面积 23142m故补强面积 Ae为 2321 456.18.9708mA由于 ，故开孔需另加补强，其另加补强面积为e 24 604512754e(5) 补强圈厚度 mDA3.860124圆整后取 ，补强材料与壳体材料相同为 16MnR。m62.4 选配工艺接管2.4.1 液氨进料管采用 573.5mm 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 PL50-2.5 RF-16MnR2.4.2 液氨出料管在化工生产中，需要将液体介质运
18、送到与容器平行的或较高的设备中去，13并且获得纯净无杂质的物料。故采用可拆的压出管 ，将它用法兰固定m325在接口管 内。m5.37罐体的接口管法兰采用 HG20592-97 法兰 WN50-2.5 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 SO32-2.5 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 SO32-2.5 RF-16-MnR。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐 2.5m2.4.3 排污管贮罐右端最底部安设一个排污管，管子规格： ，管端焊有一与m5.37截止阀 J4
19、1W-16 相配的管法兰 HG20592-97 法兰 SO20-1.6RF-16-MnR。排污管一罐题连接处焊有一厚度为 10mm 的补强圈2.4.4 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 的无缝钢管，m5.32法兰为 HG20592-97 法兰 SO25-1.6 RF-16MnR（尺寸由安全阀泄露放量决定）2.4.5 液面计接口管本贮罐采用透光式玻璃板液面计 AT 2.5-W-1450V 两支。与液面计相配的接管尺寸为 ，管法兰为 HG20592-97 法兰 SO15-1.6RF-16MnRm3182.4.6 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
20、快速地注入，需安设一放空管。采用 无缝钢管，法兰为 HG20592-97 法兰 SO25-1.6 m5.32RF-16MnR。14第三章 参数校核3.1 筒体轴向应力校核3.1.1 筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩用下式计算(8-1)LAhRFLMiim4312421式中 F鞍座反力，N；Rm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；hi封头内壁的曲面高度，mm。其中，所以mDNRnm 13202602mNM 821 1092.5340653406145306支座处截面上的弯矩15所以LhARFAMiim34122 mNM 7222 103.534061650
21、134-3.3.2 筒体轴向应力计算由化工机械工程手册 （上卷，P1199）得 K1=K2=1.0。因为M 1M 2，且 AR 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emRM2114.3MPa05704.39281最低点处：。Pa054.12鞍座截面处最高处： MPaRKMem 079.2130.143714.3 72 最低点处：16MPaRKMem 079.2130.143714.3 724 （2）由设计压力引起的轴向应力由empR2所以 MPap 73.8127013.（3）轴向应力组合与校核最大轴向拉应力出现在筒体
22、中间截面最低处，所以 MPap 784.205173.822 许用轴向拉压应力 t=163MPa，而 2 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， MPa054.11轴向许用应力 MPaRAie 0124.130794.0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 ac=130MPa， 1 ac，合格。173.2 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。3.2.1 筒体切向应力计算由化工机械工程手册 （上卷，P11-100）查得 K3=0.880，K 4=0.401。所以MPaRFKem .62173
23、048.3 3.3.2 封头切向应力计算 MPaRFKemh 8.21732064.4 MPaDNPetht 76.421703525.125.1 因 h1.25 t- h,所以合格。3.3 筒体环向应力的计算和校核3.3.1 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(8-5)255bFKke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，K5=0.7603，K 6=0.0132。式中 k=0.1，考虑容器焊在鞍座上(8-6)emRb56.12式中 b鞍座轴向宽度，mm。18所以 mb 06.592173056.1302 所以 MPa21.06
24、.5921734.05 （2）鞍座边角处轴向应力因为 L/Rm=3900/1320=2.958,且(8-7)262634eeFKb所以 MPa92.142.17630032.170659436 3.3.2 环向应力的校核 5 t=163MPa，合格。1.25 t=1.25163=203.75MPa，合格。3.4 鞍座有效断面平均压力鞍座承受的水平分力(8-8)FKs9由化工机械工程手册 （上卷，P11-103）查得，K 9=0.204。所以。NFs 36.21163402.019鞍座有效断面平均应力(8-9)09bHFs式中 H s鞍座的计算高度，mm；b0鞍座的腹板厚度，mm。其中 Hs取鞍
25、座实际高度（H=250mm）和 Rm/3=1320/3=440mm 中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度b0= 2-C1=10-0.8=9.2mm。所以 MPa48.95369应力校核 Pasa3.9140239式中 sa=140MPa，鞍座材料 Q235AF 的许用应力。20第四章 设计汇总4.1 符号汇总序号 名称 指标 材料1 设计压力 2.2MPa2 工作温度 503 物料名称 液氨4 容积 79.36m35 筒体 DN260020mm，L=3900mm 16MnR6 封头 DN65020mm，h=50mm 16MnR7 鞍座JB/T4712-92 鞍座 A3600-FJB/T47
26、12-92 鞍座 A3600-SQ235A.F8 人孔HG21524-95 人孔 RF （AG）450-2.5组合件9 补强圈 mm26,4876016MnR10 液面计 液面计 AT 2.5-W-1450V 组合件11 液面计接管 ，L=200mm5.316MnR12 进料管 ，L=200mm47616MnR13 出料管 ，L=200mmm. 16MnR14 压料接管 ，L=3708mm32520R15 排污管 ，L=200mm.720R16 放空管 ，L=200mm53220R17 安全阀接管 ，L=200mmm.20R18 法兰 配合以上接管 Q235A214.2 公式汇总名称 公式 出
27、处贮罐总质量 m=m1+m2+m3+m4化工机械基础（陈国恒主编）P 312罐体质量 m1=q1L0封头质量 m2=2q2充液质量 m3=V筒体中间处横面的弯矩LAhRLFMii431421 化工容器设计例题、习题集（蔡仁良）P 97支座处截面的弯矩 LhAFAiim34122由弯矩引起的轴向应力（最高点处） emRM2114. 化工容器设计例题、习题集（蔡仁良）P 170由弯矩引起的轴向应力（最低点处）12设计压力引起的轴向应力 empPR轴向拉应力 22P轴向压应力 1轴向许用压缩应力 ieRA094.筒体切向剪应力 emFK3化工机械工程手册（上卷）（余国琮）22封头切向剪应力 emhR
28、FK4鞍座处横截面最低点处环向应力 255bke鞍座边角处轴向应力 262634eeFK化工容器设计例题、习题集（蔡仁良）P 171支座承受的水平分力 s9鞍座有效断面平均应力 0bHs补强圈内径 Di=di+2C+(1216)化工机械工程手册（上卷）（余国琮）P11-163补强圈厚度12idC补 化工机械基础（陈国恒 主编）P 22123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
29、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。24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
30、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，2003.25第七章 附录钢板厚度，mm 6-7 28-25 26-30负偏差，mm 0.6 0.8 0.9常温强度指标在下列温度()下的需用应力/MPa钢号钢板标准使用状态厚度mm bMPasMPa20 100 150616 510 345 170 170 1701636490 325 163 163 16316MnRGB 6654热轧，正火3660470 305 157
31、 157 157封头材料 碳素钢、普低钢、复合钢板封头壁厚 10-18 20直边高度 40 50公称直径 DN1 米高容器体积 V1 米高容器内表面积Fi1 米高容器钢板质量Kg钢板厚度2600 5.309 8.172026公称直径DN曲面高度h1直边高度h0内表面积F容积 V厚度 质量 G2600 650 50 7.71 2.56 20 1230密封面型式PN/MpaDN dws d D D1突面 2.5 450 48012 450 670 600公称直径DN允许载荷Q/kN底板长度L1腹板 垫板鞍座质量/kg增加 100mm高度增加的质量/kg2600 442 300 10 500 269 26
