化工机械基础化工设备课程设计---液氨储罐机械设计.doc

前 言本设计的液料为液氨。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高。液氨储罐属于化工常见的储运设备，一般可分解为筒体，封头，法兰，人孔，手孔，支座及管口等几种元件。储罐的工艺尺寸可通过工艺计算及生产经验决定。液氨储罐是合成氨工业中必不可少的储存容器，所以本设计过程的内容包括容器的材质的选取、容器筒体的性状及厚度、封头的性状及厚度、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。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准，则选择合适的非标设备。目录第一部分 设计绪论（1）设计任务、设计思想、设计特点（2）主要设计参数的确定及说明第二部分 材料及结构的选择与论证（1）材料的选择与认证（2）结构的选择与认证第三部分 设计计算（1）计算筒体的壁厚（2）计算封头的壁厚（3）水压试验压力及其强度校核.（4）选择人孔并核算开孔补强.（5）选择鞍座并核算承载能力（6）选择液位计（7）选配工艺接管第四部分 设计心得第一部分 设计绪论1.设计任务、设计思想、设计特点 1.1 设计任务： 根据储罐筒体公称直径D i = 2600mm ，罐体公称容积 V=35m3 ,设计一液氨储罐, 通过设计储罐的厚度，使其能满足工艺要求。 1.2 设计思想： 通过图书馆和上网查找有关的书籍与资料，获取需要的数据，来完成所要求要设计的部分。液氨储罐是我们平时运输液氨的一个常用设备，在设计液氨储罐时，要有利于成批生产，提高质量，便于互换，降低成本，提高劳动的生产率，要对容器的设计（如封头、法兰、支座、人孔、液面计等）进行标准化，除此之外还要尽量满足工艺的要求，密封性能要好。 1.3设计特点： 为了满足工艺过程的需要，必须做到如下要求：（1）强度：液氨储罐可以抵抗外力破坏能力，以保证生产安全。 （2）刚度：零部件应有抵抗外力使其变形的能力，以防止容器在使用、运输或安装的过程中发生不允许的变形。 （3）稳定性：容器或其零部件在外力作用下有维持其原型的能力，防止容器被压瘪或出现皱折。 （4）耐久性：容器有一定的抵抗介质及大气的腐蚀能力，保持一的使用年限。 （5）气密性：容器在承受压力或处理有毒介质时有可靠的气密性，提供良好的劳动环境及维持正常的操作。 （6）其他：节约材料、便于制造、运输、安装、操作、维修方便，符合有关的国家标准和行业标准等的规定。2.主要设计参数的确定及说明2.1 设计温度芜湖30年来最高气温为40。2.2 设计压力 在夏季液氨储罐经太阳暴晒，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断变化。容器设计时必须考虑在工作情况下可能遇到的工作压力和相对应的温度两者相结合中最苛刻工作压力来确定设计压力。一般是指容器顶部最高压力与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。给定设计压力为2.2MPa。2.3 腐蚀余量查腐蚀数据手册16MnR耐氨腐蚀，其，若设计寿命为15年，则2.4焊缝系数该容器属中压贮存容器，技压力容器安全技术监察规程规定，氨属中度毒性介质，容器筒体的纵向焊接接头和封头基本上都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，所以取或常见。此储罐采用100%无损探伤，故取2.5 容器直径考虑到压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器的筒体和封头的直径都有规定。此储罐设计的公称直径（内径）选择Di=2600mm。2.6 许用应力40oC温度时，16MnR钢材的许用应力表,知温度时，16MnR钢材的许用应力表钢材厚度许用应力屈服极限16170345163616332536601573052.7、材料选择 根据液氨贮罐的工作压力（P=2.2作为设计压力）、工作温度（最高工作温度为40）和介质的性质可知该设备为一中压常温设备，介质对碳钢的腐蚀作用很小,主要考虑的强度指标（指和）和塑性指标适合的材料有：A3R、20g、16MnR、15MnVR、20R。为了节省金属，高压设备应优先选取普通低合金钢、中强度。凡属强度计算为主要的中压设备亦以采用普通低合金钢为宜。因为屈服强度分别为 和的普通低合金钢，其材料价格与碳素钢差不多，但强度比碳素钢约高，采用该类钢材制造压力容器，可以有效地减少设备质量，降低成本，给设备的制造、运输、安装带来很大的方便。所以主要考虑16MnR和20R这两种。 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。技 术 特 性公称容积(m3)35公称直径Dg(mm)2600介 质液氨筒体长度L(mm)7980工作压力(MPa)2.1工作温度(0C)40厂 址芜湖推荐材料16MnR管 口 表编号名称公称直径(mm)编号名称公称直径(mm)a1-2液位计15e安全阀25b进料管40f放空管25c出料管20g人孔450d压力表25h排污管40第二部分 材料及结构的选择与论证1.材料的选择与认证纯液氨腐蚀性很小，贮罐可选用一般钢材，但由于压力较大，可以考虑16MnR这种钢种。16MnR钢板： 式中P设计压力为2.2MPa；Di=2600mm; =170MPa; =1.0（双面对接焊，100%无损探伤）；C=1.5mm那么，代入数据得：=18.43 mm取C=0.8mm，圆整后取=20mm因此，选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。2.结构的选择与认证（1） 封头形式的确定本液氨储罐的封头选用标准型椭圆形封头。从应力分布情况考虑：在直径、壁厚、设计压力相同的条件下各种封头应力分布由好到坏的顺序是：半球形、椭圆形、蝶形、锥形、球冠形、平板形。椭圆型封头的最大应力值和与其相连接的圆筒体中的最大应力值相等，便于筒体强度设计；碟心封头有两处连接边界，受力不及椭圆形。 从金属消耗量考虑：在相同设计条件下，各种封头的金属消耗量按下列顺序依次增大：半球形，椭圆形，蝶形，平板形。球形封头用量最少，比椭圆形封头节约25.8，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，坯材的获得、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。（2） 人孔的选择人孔的作用：检查设备和便于安装与拆除设备内部构件。人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。人孔类型：从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。 根据储罐是在常温及最高工作压力为2.2MPa的条件下工作，人孔标准应按公称压力为2.2MPa的等级选取。从人孔类型标准可知，公称压力为2.2MPa的人孔类型很多，本设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，检修时只需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：HG21523-95人孔RF (AG)450-2.2，其中RF面密封，指接管与法兰的材料为20R，AG指用普通石棉橡胶板垫片，450-2.2是指公称直径为、公称压力为。人孔选择表人孔类型公称压力MPa公称直径mm板式平焊法兰人孔0.6400、450、500、600板式平焊法兰人孔（限用凸面）或带颈平焊法法兰1.0400、450、500、6001.6400、450、500、600带颈对焊法法兰2.5400、450、500、6004.0400、450、500、600第三部分 设计计算设计一液氨储罐，工艺尺寸为：储罐的公称直径Di=2600mm，公称容积V=35m。使用地点：芜湖；工作温度：40。1、计算筒体的壁厚选取储罐材料16MnR，制作罐体和封头，查得16MnR材料在 时，焊缝为双面对接焊，100%无损探伤，故 =1.00 ,设备内径，P=2.2MPa。于是罐体计算厚度为：其中C2=1.5mm，得： 圆整后取n=20mm厚的16MnR钢板制作罐体。2、 计算封头的壁厚 采用标准椭圆形封头，封头厚度计算： 根据，向上圆整后取取标准 校核罐体与封头水压试验强度：a其中：故，水压试验时强度足够。3、 水压试验压力及其强度校核 液压试验时 设计温度 圆筒的应力 因为 , 所以，水压校验符合要求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2.2MPa的条件下工作，人孔标准应按公称压力为2.2MPa的等级选取。从人孔类型系列标准可知，公称压力为2.2MPa的人孔类型很多。本设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，检修时只需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HG 2152395 人孔RF IV （A G ) 4502.2，其中RF指突面密封，IV指接管与法兰的材料为20R，AG指用普通石棉橡胶板垫片，4502.2指公称直径为450mm、公称压力为2.2MPa。 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，壁厚，故补强圈尺寸确定如下：补强圈内径，外径，根据补强圈的金属表面积应大于或等于开孔减少的截面积，补强圈的厚度按下式计算： 故补强圈取厚。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： 其中：m1罐体质量，kg； m2封头质量，kg； m3冲液质量，kg； m4附件质量，kg。 （1）罐体质量： 根据，的筒节，可得每米质量， 故： （2）封头质量： 查标准椭圆封头可得，直边高为 ，得q2=1230kg， 椭圆封头质量为 m2=2q2=*1230=2460kg （3）冲液质量： 式中：储罐容积 水的密度为 故：4） 附件质量：附件取，其中人孔质量为200kg，其他接管总和按300kg计，故设备总质量： 每个鞍座负荷：选取鞍座为：轻型带垫板，包角为120的鞍座。即鞍座 鞍座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。3当容器高度大于时，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（T型）、反射式玻璃板液面计（R型）和试镜式玻璃板液面计（S型）三种结构，其适用温度一般在0250。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2.2MPa,而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，选择长度为的液面计。已知其公称直径为15mm。液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径=2600mm根据HG/T21550-93，选择玻璃管液面计AIW PN4.0,L=1000mm，HG5-227-80两支。与其相配的接管尺寸为183m,管法兰为法兰PN 4.0 DN 15 GB 9119.8-88。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452.5mm无缝钢管。管的一端切成45,伸入储罐少许.配用具有突面密封的平焊管法兰: 法兰PN4.0 DN40 GB9119.8-88因为壳体名义壁厚=20mm,接管公称直径小于80mm,故不要补强.（2）液氨出料管：采用可拆的压出管252.5mm,将它套入罐体的固定接口管383.5mm内,罐体的接口管法兰采用法兰PN4.0 DN32 GB9119.8-88。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法兰法兰PN4.0 DN32 GB9119.8-88相同,但其内径为25mm(见总装图的局部放大部大图).液氨压出管的端部法兰(与氨输送管相连)采用法兰PN4.0 DN20 GB9119.8-88。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐2.5m。（3）排污管在罐的右端最底部设个排污管一个，规格是452.5mm，管端焊有与截止阀J41W-16相配的管法兰PN4.0 DN40 GB9119.8-88。排污管与罐体连接处焊有一厚度为10mm的补强圈.（4）放空管接口管采用323.5mm无缝钢管, 法兰PN4.0 DN25 GB9119.8-88（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=2600mm根据HG/T21550-93，选择玻璃管液面计AIW PN4.0,L=1000mm，HG5-227-80两支。与其相配的接管尺寸为202.5m,管法兰为法兰PN4.0 DN15 GB9119.8-88。（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322.5mm的无缝钢管, 法兰PN4.0 DN25 GB9119.8-88。技术要求1) 本设备按GB 150-1998钢制压力容器进行制造、试验和验收2) 焊接材料、对焊接接头型式及尺寸可按GB 985-80中规定（设计焊缝强度系数=1.00）3) 壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为100%4) 设备制造完毕后，进行水压实验5) 管口方位按本图第四部分 结束语经过了几天的努力，终于完成了课程设计。在设计的过程中，给自己最大的体会是：办法总比困难多，遇到了问题，不要气，要努力去寻找答案。课程设计刚开始的时候，感觉很陌生，只知道要设计一个贮罐，而且还要画图，至于怎么开始，大家都很惘然。在画图时，因为一开始没有查好资料，只知道筒体的公称直径，至于那些其它的数据，例如封头高度，封头直边都没有查好，所以无从着手，那时候只能一边看书，一边探索画图，以至于浪费了不少的时间。课程设计是另外一种学习课堂，通过我们动手，对掌握的理论知识进行补充与质疑。我们应该在注意书本知识的时候应该也要把所学到的知识应用到实践生产中去，不仅仅满足于书本的知识，要在实践过程中吸收课本外的知识。尽管这次作业的时间是漫长的,过程是曲折的,但我的收获还是很大的。不仅仅掌握了卧式储罐的结构以及设计步骤与方法；也不仅仅对制图有了更进一步的掌握；对我来说,收获最大的是那些分析和解决问题、收集资源的方法与能力。而且，通过此次的课程设计，也为我们在今后的学习和工作奠定了基础。在整个过程中,我发现像我们这些学生最最缺少的是经验,没有感性的认识；空有理论知识, 动手能力不强，有些东西很可能与实际脱节。总体来说,我觉得做这种类型的作业对我们的帮助还是很大的,它需要我们将学过的相关知识都系统地联系起来,从中暴露出自身的不足,以待改进。有时候,一个人的力量是有限的,合众人智慧,我相信我们的作品会更完美！ 参考文献 1化工设备机械基础第五版 刁与玮，王立业 2003.32化工设备机械基础课程设计指导书 北京化工学院 1992.073压力容器优化设计梁基照 2010.033工程制图新编教程胡志勇，宇文研 2009.074化工设计刘荣杰 2010.095管道及储罐强度设计帅键 2006.066化工机械基础课程设计韩叶象 北京化工学院出版社7化工机械工程手册余国棕 化学工业出版社20108压力过程设备设计李福宝，李勤 化学工业出版社2010附表 总