化工机械基础化工设备课程设计液氨储罐机械设计书

1 化工机械基础化工设备课程设计液氨储罐机械设计书 第一章、绪论 1、液氨贮罐的设计背景 化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。然而化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。因此在容器的设计中应综合考虑个方面的因素，使之达到最优。 液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，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，将氨进行分解，分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保护气氛的其它工业和科学研究中。 为能够进行连续的生产，需要有储存液氨的容器，因此设计液氨贮罐是制造贮罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。 2 设计任务 设计一液氨贮罐。工艺条件：查文献资料知芜湖地区 30年最高温度为 40，氨饱和蒸气压 工作压力 积为330m。 3 设计思路 综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责团结合作的态度，对储罐进行详细设计。在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性，各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有实际意义，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计，研究出最佳方案。 2 4 设计特点 容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的的筒体、封头的设计计算，低压通用零部件的选用。 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。 5 设计符号说明 英文字母 容器的设计寿命 ,y ; 贮罐内径， 钢板的许用应力， P 液氨的饱和蒸汽压， 1C 钢板厚度负偏差 , 2C 介质的腐蚀裕量 , 希腊字母 罐体计算厚度 , d 罐体设计 厚度 , n 罐体的名义厚度 , e 罐体的有效厚度 , 圆整值， 腐蚀速率， 焊接接头系数 3 6、液氨贮罐的分类及选型 储罐的形状有圆形或球形。圆筒形储罐两端的封头有椭圆形、球形、锥形和平盖等形状。 在本设计中由于设计体积较小且工作压力较小，可采用卧式圆筒形容器，方形和矩形容器大多在很小设计体积时采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力强且节省材料，但制造较难且安装内件不方便；立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱，故选用卧式圆筒形容器。 卧式圆筒形液氨储罐通常由卧式圆筒形筒体和两端的椭圆形封头组成 ，按照化学生产工艺的要求设置进料口、出料口、放空口、排污口、压力表、安全阀和液面计等。为了检修方便，还要开设人孔，用鞍式支座支承于混凝土基座上。 选择化工容器的材料也是设计中的重要问题，应该综合考虑容器的操作条件和钢材的性能、价格等。 氨对钢材的腐蚀作用很小，但是，置于室外的液氨储罐，它的操作温度就是大气温度，它的操作压力就是操作温度对应的饱和蒸汽压。随着气温的变化，液氨储罐的操作温度和压力也随之变化，制造储罐的钢材应能承受这种变化。液氨储罐通常选择16，它是屈服强度为 350的普通低合金高强 度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在我国北方严寒地区，冬季最低气温可达 这时普通碳钢将会出现低温脆性（冲击韧性严重下降），就应选用低温设备用钢（如 09 7、设计温度和设计压力的确定 罐储存的是经过压缩机压缩后，被冷却水冷凝的液态氨，由于冷却水的温度随气候变化而波动，通常氨被压缩到 4能被冷却水冷凝。储罐通常置于室外，罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响，在冬季可达 在夏季储罐经太阳曝晒后，液氨的温度可达 50，这时候氨的 饱和蒸汽压，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断改变（参考下表 1）。 表 1：液氨的饱和蒸汽压和密度 温 度（） 50 40 30 20 10 0 20 和蒸汽压（绝压， 度（ kg/ 563 580 595 610 625 639 652 665 678 4 液氨储罐的操作温度通常可取夏季的最高气温 40。为了确 保操作安全，我国劳动和社会保障部颁布的压力容器安全技术监察规程 第 24条规定：压力容器的设计压力不得低于最高工作压力，装有安全泄放装置的压力容器，其设计压力不得低于安全泄放装置的开启压力或爆破压力。工程中其设计压力不低于安全阀开启压力（安全阀开启压力取 通常选取为 当于取 40时饱和蒸汽压对应的设计压力）。又因为芜湖地区天气最高室温一般不会超过 40，此时氨的饱和蒸汽压为 对压力），而设计要求工作压力为 设计压力取P= 8、液氨储罐 工艺尺寸的确定 储罐容量为330m，查表： 公称直径 米高容器体积 V 1米高容器内表面积 米高容器钢板质量 板厚度 10 14 1600 97 557 2000 96 695 2200 45 764 2400 94 833 2600 44 902 2800 93 972 3000 42 1043 3200 92 1110 表 5积（钢制： 4746 序 号 公 称 直 径 总深度 H （ 内 表 面 积 A （ 2m ） 容 积 V （ m） 序 号 公 称 直 径 总深度 H （ 内 表 面 积 A （ 2m ） 容 积 V （ m） 1 1300 350 3000 750 2600 650 4400 1140 5 3 2800 700 4500 1165 ：对于封头直边高度 h 的取值， 4746 2000时，取 h=25 当 2000时，取 h=40 总深度 H h 封头内曲面高度。 设计体积30 30，公称直径i 2400；采用标准椭圆形封头，按4746直边高度 40单个头容积30 00.2 mV h ，封头总容积30 42 ，故筒体容积30 26 h 筒，o 575 14 2 筒，取整后筒体长度取为800， 实际 V=320 。 筒体的总内表面积：20 单个封头的表面积：21 52.6 封头的总内表面积为：212 筒体的总内表面积：220 由于 液氨筒体的长径比值为 92 为合适值，所选的 长径比为 二章、 材料及结构的选择与论证 1、材料选择与论证 纯液氨腐蚀性小，储罐可选用一 般钢种，但由于压力较高，根据钢种适用范围的说明，可以考虑采用 20R、 1615中适用较多且合理的为 20R 和 16 6 从钢板耗量上看，钢板耗用量与板厚成正比，采用 16板用量比采用 20此， 160从耗用量和价格综合考虑，两种钢板均可考虑。 从制造费用上看，由于采用 16度较薄，质量较轻，且制造费用目前也按碳钢设备重量同等计价，因此采用 16造费用较为经济。 综上所述，本设计的储罐材料选用 16制作罐体和封头。 2、结构选择与论证 封头形式的确定 本设计选用椭圆形封头，椭圆封头是由曲率半径连续变化而成的，所以，封头上的应力分布也是均匀变化的，受力状态比蝶形封头要好，虽不如半球封头，但对各种封头的强度和经济合理性进行比较。 从钢材耗用量考虑，球形封头用量最少，比椭圆形封头节约 平板封头的用量最多，是椭圆形封头的 4倍多。 从制造考虑，椭圆形封头制造方便，平板封头则因直径和厚度较大，材料的获得、车削加工、焊接等方面都遇到不少困难，且封头与筒体厚度相差悬殊，结构也不合理。 所以，从强 度、结构和制造等方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。 人孔选择 卧式液氨储罐常用碳钢水平吊盖人孔，这种人孔使用方便，压紧垫片可靠，开启时人孔盖悬挂于吊杆下，避免搬动较重的人孔盖。碳钢水平吊盖人孔的尺寸、材料和性能可查 1522 21524准。 7 图 6钢水平吊盖带颈对焊法兰人孔结构图 人孔是安装或按检修人员进入塔器的唯一通道。本设计卧式容器筒体长度为 5800置一个人孔。 人孔类型 公称压力 称直径 式平焊法 兰人孔 00、 450、 500、 600 板式平焊法兰人孔（限用凸面）或带颈平焊法法兰 00、 450、 500、 600 00、 450、 500、 600 带颈对焊法法兰 00、 450、 500、 600 00、 450、 500、 600 卧式液氨储罐常用碳钢水平吊盖人孔，这种人孔使用方便，压紧垫片可靠，储罐在常温及最高工作压力为 条件下工作，人孔标准应按公称压力 于容器公称直径为 2400钢水平吊盖人孔的尺寸、材料和性能可查 8 21524用水平吊盖带颈对焊法兰人孔， 封压紧面采用。该人孔标记为： 21524孔 中 指接管与法兰的材料为 16 金属缠绕垫片 ， 50称压力为 法兰型式选择 法兰与设备的连接形式：平焊法兰制造简单，使用广泛，但刚性较差，仅用于压力不高的场合。，由 准 ,可以选择焊 接法兰中的平焊法兰 法兰与密封面形式：，根据 鞍式支座的选择确定 换热器、储罐等卧式容器的支座通常是已经保准化的鞍式支座，简称鞍座。鞍座的公称直径是筒体的公称直径，每一公称直径的鞍座规格有轻型（ 重型（ 卧式液氨储罐选用鞍式支座（ 按照储罐公称直径 400 选用 型）带垫板的鞍座一对（其中 型各一个），包角为 120标记为： 座 B/T 座 9 第三章 设计计算 1、计算筒体的壁厚 液氨储罐是内压薄壁容器，根据选材分析，本储罐选用 16表 16用应力 钢号 板厚 / 在下列温度（）下的许用应力 / 20 100 150 200 250 300 16 16 170 170 170 170 156 144 16 36 163 163 163 159 147 134 36 60 157 157 157 150 138 125 60 100 153 153 150 141 128 116 。 根据公式：222 式中： 圆筒的计算压力， 圆筒的内径， t 钢板在设计温度 焊接接头 系数， 1; 此储罐采用 100%无损探伤，故 在 222 40 查表 ：查腐蚀数据手册 16氨腐蚀，其 ，若设计寿命为 15 年，则 圆整后，圆筒的名义厚度为02、计算封头的壁厚 10 本容器用标准椭圆封头，厚度根据公式： 其中各数据跟罐体相同， =40 + 考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，对厚度进行圆整可得名义厚度为：0确定用0厚的 16板制作封头。 3、水压试验压力及其强度校核 根据公式 p 取 中： s325 水压试验时的应力： p 2 = =6制容器在常温水压试验时的许可应力 s 见： 此罐体厚度满足水压试验时的强度。 4、选择人孔并核算开孔补强 根据储罐是在常温及最高工作压力为 孔标准应按公称压力为 人孔类型系列标准可知，公称压力为 设 11 计考虑人孔盖直径较大较重，故选用水平吊盖人孔，该人孔结构中有吊钩和销轴，检修时只须松开螺栓将盖 板绕销轴旋转一个角度，由吊钩吊住，不必将盖板取下。 该人孔标记为： 1524孔 中 指接管与法兰的材料为 1650 另外 ,还要考虑人孔补强 ,确定补强圈尺寸 ,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为 d=450厚10补强圈尺寸如下： 21 02(450故补强圈取 5、选择鞍座并核算承载能力 首先粗略计算鞍座负荷，储罐总质量4321 式中 1m 罐体 质量， 2m 封头质量， 3m 液氨质量， m 附件质量， 1 罐体的质量 1m 400mm,n=30=5800筒节， 由 米的质量为 798kg/m m1=798 5.8 2 封头的质量 2m 查得其每个封头质量6002 3 水压试验时水的质量3m 12 V3 V 储罐容积 水密度，为 1000kg/ 4746头容积为 由 体每米容积为 =320 。 1000=304104 附件的质量 4m 人孔的质量约为 200他的连接管质量总和按 300： 4m =500备总质量为： M=m1+m2+m3+200+30410+500= 每个鞍负荷： F= 鞍座安放位置 筒体长度 10 。 式中： 1L 两鞍座间距离 A 鞍座与封头切线之间距离 由于筒体 L/鞍座所在平面又无加强圈，取 1 i 6、 选择液位计 液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大体上可分为四类，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。 1玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结晶等堵塞固体的场合。板式液面计承压能力强，但是比较笨重、成本较高。 2玻璃板液面计一般选易观察的透光式，只有当物料很干净时才选反射式。 13 3当容器高度大于 ，玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果，应改用其它适用的液面计。 液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重的堵塞现象所以在此选用玻璃管液面计。 玻璃板液面计有透光式玻璃板液面计（ 反射式玻璃板液面计（ R 型）和试镜式玻璃板液面计（ 种结构，其适用温度一般在 0 250。但透光式适用工作压力较反射式高，试镜式工作压力最小。玻璃管液面计适用工作压力小于 介质温度在 的范围。对于承压设备，一般都是将液面计通过法兰 、活接头或螺纹接头与设备连接在一起，分别用于不同型式的液面计。考虑到本设备的设计压力为 且液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重的堵塞现象，所以在此选用反射式玻璃板液面计（ R 型）。由筒体公称直径为 选择长度为 液面计。已知其公称直径为 15 液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径400据 21550择玻璃管液面计 =1000支。 与其相配的接管尺寸为 18 3m,管法兰为法兰 N 15 7、选配工艺接管 本储罐设有以下接口管 1 液氨进料管： 采用 45 的一端切成 45 ,伸入储罐少许 法兰 为壳体名义壁厚n=30管公称直径小于 80不要补强 . 2 液氨出料管： 采用可拆的压出管 25 它套入罐体的固定接口管 38 罐体的接口管法兰采用法兰 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法兰法兰 同 ,但其内径为25总装图的局部放大部大图 ). 14 液氨压出管的端部法兰 (与氨输送管相连 )采用法兰 些小管都不必补强。压出管伸入贮罐 3 排污管 在罐的右端最底部设个排污管一个，规格是 45 端焊有与截止阀配的管法兰 污管与罐体连接处焊有一厚度为10补强圈 . 4 放空 管接口管 采用 32 法兰 5 液面计接管 液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径400据 21550择玻璃管液面计 =1000支。 与其相配的接管尺寸为 20 法兰为法兰 6 安全阀接口管 安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用 32 无缝钢管 , 法兰 设计小结 通过这次课程设计，让我对化工设备机械基础这门课有了进一步的认识。这次课设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。 通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，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。 15 在设计过程中，我们对化工机械设备基础有了更深入地学习，也是我们加强了化工方面的基本素养，为我们以后的学习及工作都奠定了良好的基础。 因为的知识有限，此次设计又