50立方米液氨储罐设计说明书

1、燕京理工学院Yanching Institute of Technology2018 ）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 ： 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 - 3 -50m3液氨储罐设计 - 3 -课程设计容 - 5 -液氨物化性质及介绍 - 5 -第一章 设备的工艺计算 - 6 -1.1设计储存量 - 6 -1.2 设备的选型的轮廓尺寸的确定 - 6 -1.3 设计压力的确定 - 7 -1.4 设计温度的确定 -

2、8 -1.5 主要元件材料的选择 - 8 -第二章 设备的机械设计 - 9 -2.1 设计条件（见表 2-1 和表 2-2 ） - 9 -2.2 结构设计 -. .1.0. .- 2.2.1 材料选择 -. .1.0. .- 2.2.2 筒体和封头结构设计 -. .1.0. .-.2.2.3 法兰的结构设计 -. .1.1. .-. .2.2.4 人孔、液位计结构设计 -. .1.3. .-.2.2.5 支座结构设计 -. .1.5. .-. .2.2.6 焊接接头设计及焊接材料的选取 -. .2.0. -2.3 开孔补强计算.-. .2.1. .-.2.3.1 补强设计方法判别.-. .2.

3、2. .-. .2.3.2 有效补强围-. .2.2. .-.2.3.3 有效补强面积 -. .2.3. .-.2.3.4 接管的多余面积 -. .2.3. .-.2.3.5 补强面积.-. .2.4. .-.第三章 液面计的选用 -. .2.4. .-.第四章 视镜的选用 -. .2.4. .-.第五章 安全阀的选用 -. .2.5. .-.第六章 焊接接头的设计 -. .2.5. .-第七章 垫片及螺栓的选择 -. .2.5. .-.课程设计总结-. .2.6. .-.参考文献.-. .2.7. .-.课程设计任务书50m 3液氨储罐设计、课程设计要求：1. 按照国家最新压力容器标准、规进

4、行设计，掌握典型过程设备设计的全过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、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0-40 5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使用地点省市10安装与地基要求11其它要求三、课程设计主要容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；2.总装配图一 （A3 图纸

5、一 ）课程设计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、

6、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， 难以点燃而危险性极低， 但氨和空气混合物达到上述浓度围遇火和 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。设计温度下的饱和溶液的密度，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； m3tW=0.85 ×50×0.563=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

7、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 1-1 筒体基本参数公称容积 Vg/m3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表面积 A/m 2容积 V/m326006907.65452.5131设备计算容积2V计=/4×DN2×L+V 封×2=/4×2.62×8.4+2.5131×2=47.10m3实际工作容积V 工 =V 计×f=47.10 ×0.85=40.03m 31.3 设计压力的确定液氨在

8、 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=0.1Mpa. 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=1.25 ×1.6=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

9、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）。省市当地最高工作温度为 -15 -35 ， 则设计温度取 40。1.5 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 50m3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 -15 35设计温

10、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/m 30.563kg/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 WN450-2.5MFMFM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gDN50H

11、G20592 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tDN20M27×1.5M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（16

12、MnR）适用围：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

13、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=1.1 ×P工作=1.10 ×（2.059-0.1 ）=2.16Mpa液柱静压力gh=562.871 ×9.8×2600=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连接尺寸法厚 度 C法兰颈法

14、高 度H法质 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 ThNS H1 RB8089200160188M16241053.2128585.0D5057165125184M1620752.986483.0C253211585144M1218462.664401.0SV.A.E.F6576185145188M1622902.9106524.0L1.L2202510575144M1218402.364401.02.2.4 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

15、的部零件。 。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-XB350) A 450-2.5 HG/T 21518-2005 查阅文献，得本次选

16、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 DNdw sdDD1H1H2bMFM2.5450480 1245667060025012142b1b2ABLd0螺柱螺母螺柱总质量数量直径 长度4146375175250242040M33 2 165245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、磁性液位计其中：玻璃管液面计和玻璃板液面计适用于工作温度在 0以上；浮标液

17、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 3， 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， 鞍式支座是卧式容器经

18、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

19、，一边为 S型。鞍座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1.0 。圆筒的厚度在 16-36mm 围，查 GB150-1998 中表 4-1 ，可得：在设计温度 50 下，屈服极限强度 s 345MPa ， 许用应力 t 163Mpa利用中径公式，计算厚度：2 tPc2.16Mpa 2600 17.34mm 圆整至 18mm2 163 1.00 2.16取 C1 0 。 C2=2 则筒体的设计厚度 dC2 C1 20mmn d C120mm筒体的有效厚度 e n C1 C

20、2 18mmII 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 Dn Di 2600 mm2hi选用标准椭圆形封头 ,型号代号为 EHA，则 Di 2，根据 GB150-1998 中椭圆形封头计算中式 7-1 计算： 圆整得18mm腐蚀裕量 C2=2mm ，设计厚度d= +C2=18+2=20mm. 对于 16MnR,钢板负偏差 C2=0pcDi2.16 pa 26000.5pc2 1.00 163 0.5 2.1617.28mm取名义厚度 n d C120mm有效厚度 e n C1 C2 18mm 2 由于筒体的名义厚度与封头的名义厚度相近，所以可以

21、统一去名义厚度为 n 20mm 。选择封头的数据 :DN=2600mm, 曲面高 h1=690mm, 直边高 h0=40mm, 表面积 =7.6545 ,容积=2.5131m 3 ,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=1.1 ×P工作=1.10 ×(2.059-0.1 )=2.16Mpa 液柱静压力

22、gh=562.871 ×9.8×2600=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 sa 147MPa 3查得 16MnR 密度 7900Kg/m 3筒体总质量 M=m 1+m 2+m 3+m4m1:筒体质量 m1 DL n 3.14 2.6 8.4 0.02 7900 10835.3Kg m2:封头质量 m2 2 1184.6Kg 2369.2Kgm3:液氨质量 m3液氨 V 0.85 1000D2L 2V封 49500 Kg4m

23、4:附件质量：人孔及其它附件质量总共估取 400KgG Mg (10835.3 2369.2 49500 400) 9.8 618.4KN每个鞍座承受的压力 F G 618.4 309.2KN22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=2000mm ，120°包角轻型(A)带垫板鞍式支座，允许载荷 Q295kN>245.9kN ，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

24、结构尺寸图表 2-5 鞍座结构尺寸表公称直径DN2000腹板210垫板b4430允许载荷Q/kN295l3295410鞍座高度h250b2190e80底板l11280筋板b3260螺栓间距l21120b122038螺孔/螺纹D/l24/M20112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， 所以一般近似取 A 0.2L ,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

25、 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 A 0.2L=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 Di2，有 h H - Di 40mm（2 H -h）4故 A 0.2（ L 2h） 0.2（10032 2 40） 2022.4mm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，

26、 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 A0.2L 时，最好使 A0.5RRm Rin ,即 Rm 1300 n 1310mm22A 0.5Rm 0.5 1310 655mm ，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

27、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

28、进行焊接。Q345R 钢板16Mn 无缝钢管Q235B 钢板抗拉强度 510640MPa抗拉强度 510660MPa2-6抗拉强度 375500MPa查阅文献结合本设计实际综合考虑，所选用焊条如下表表 2-6 焊条的选取材Q1Q2料345R6Mn35-BQ3EEE445R5015501530316EEE4Mn50155015303Q2EEE435-B430343033032.3 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

29、 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 d di 2C2 500 2 2 504mmDi2260021300mm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 t 113MPa根据 GB150-1998 中式 8-1 ， A=d2 et(1 fr )其中：壳体开孔处的计算厚度 17.5 mm接管的有效厚度 et nt C1 C2 20 2 18mm 强度削弱系数 fr rn 108 0.663r r 163所以开孔所需补强面积为A d 2 et (1 f ) 50

30、4 18 2 17.5 18 0.337 3374mm22.3.2有效补强围(1)有效宽度 B 的确定按 GB150 中式 8-7 ，得：B1 2d 2 504 1008mmB2 d 2 n 2 nt 504 2 17.5 2 20 579mmB max(B1,B2 ) 1008mm12.2.2 有效高度的确定2）外侧有效高度 h1 的确定 根据 GB150中式 8-8 ，得：h1'd nt 504 20 100 .4mmh1 '' 接管实际外伸高度 H1 280mmh1 min( h1' ,h1") 100.4mm(3) 侧有效高度 h2的确定根据

31、GB150-1998 中式 8-9 ，得：h1'd nt 504 20 100.4mm ， h2 '' 0，h2 min(h 2 ',h2 '') 02.3.3 有效补强面积 根据 GB150中式 8-10- 式 8-13 ，分别计算如下：Ae A1 A2 A33.1 筒体多余面积 A1A1 B d e 2 et e 1 f21008 504 17.5 17.34 2 18 17.5 17.34 0.337 78.69mm22.3.4 接管的多余面积接管厚度：PcDi 2.16 500t 3.323mm2 t0.5Pc 2 163 0.5 2.1

32、6A2 2h1 ett f2h2 et C2 f2 100.4 1823.323 0.663 0 1953.955mm23.3 焊缝金属截面积焊角取 6.0mmA3 1 62 232236mm22.3.5 补强面积Ae A1 A2 A3 78.69 36 1953 .955 2513 mm 2因为 Ae A 3376mm ，所以开孔需另行补强 所需另行补强面积： A4 A Ae 3776 2513 6289 mm 2补强圈设计：根据 DN500 取补强圈外径 D'=840mm 。因为 B>D '，所以在 有效补强围。补强圈径 d' =530+2=532mmA 72

33、15.665补强圈厚度： 'A4 ' 7215.665 19.427mm圆整取名义厚度为 20mm 。D ' d' 840 532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HGJ501-86-15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