液氨贮罐的课程设计

1、巢 湖 学 院化工设备机械基础课程设计设计题目: 液 氨 贮 罐 设 计姓 名： 鲁小乐 学 号： 09007026 专 业：2009级化学工程与工艺指导教师： 吴凤义 2011年12月制附：设计任务书 专业：化学工程与工艺 班级：2009级姓名：鲁小乐 学号：09007026指导教师：吴凤义 设计日期：2011年12月一、设计题目 10.0m3液氨贮罐的设计二、设计参数及要求1、设计参数液氨压力:16Kg/cm²温度：40；公称容积：10.0m³操作容积：9.0m³介质: 液氨设计使用年限:10年建议使用材料:16MnR 2、设计要求根据设计参数, 对液氨贮罐的

2、主要元件(筒体、封头)进行正确的强度、刚度和稳定性计算和结构设计；对贮罐的附件进行选型；熟悉贮罐质量的检验方法；绘制出贮罐的装配图；三、设计内容1、概述2、罐体的设计 (1)罐体的PN、DN确定 (2)筒体壁厚的设计 (3)封头壁厚的设计 (4)筒体长度的设计3、罐体的压力试验(1)罐体的水压试验(2)罐体的气压试验4、罐体附件的选型及尺寸设计(1)工艺接管的设计(2)支座的设计(3)人孔的设计(4)液面计的设计5、罐体的开孔及补强的计算(1)容许开孔的范围(2)开孔补强的设计计算(3)补强圈的设计5、设计结果汇总6、10.0m3液氨贮罐装配图7、设计评述四、图纸要求10.0m3液氨贮罐装配图

3、，A1号图纸五、参考资料1 汤善甫、朱思明等编.化工设备机械基础M . 上海 ：华东理工大学出版 社.1991.122 化工设备设计手册.材料与零部件（上）. 上海科学技术出版社 .19813 广西大学实用机械零部件手册编写组 . 实用机械零件手册.广西科学技术出版社附：目 录一、液氨储罐的工艺设计计算11、罐体的设计11.1、罐体的PN、DN确定1、罐体DN的确定1、釜体PN的确定11.2、筒体壁厚的设计1、设计参数的确定1、筒体壁厚的设计1、刚度条件设计筒体的最小壁厚11.3、罐体封头壁厚的设计2、设计参数的确定2、封头的壁厚设计2、封头的直边、体积及重量的确定21.4、筒体的长度设计及重

4、量的确定21.5、贮罐的压力试验31.6、罐体的水压试验3、液压试验压力的确定3、液压试验的强度校核3、压力表的量程、水温的要求3、液压试验的操作过程31.7、罐体的气压试验3、气压试验压力的确定3、气压试验的强度校核3、压力表的量程、气温的要求4、气压试验的操作过程42、罐体的开孔与补强42.1、开孔补强的设计准则42.2、开孔补强的计算4、开孔补强的有关计算参数4、补强圈的设计53、罐体附件的选型及尺寸设计53.1、工艺接管的设计5、液氨进料管5、液氨出料管5、排污管6、安全阀接口管6、压力表接口管63.2、支座的设计63.3、鞍座的计算63.4、安装位置73.5、人孔的设计73.6、液面

5、计的设计7二、设计结果一览表9三、课程设计总结10四、参考资料11一、液氨储罐的工艺设计计算1、罐体的设计1.1、罐体的PN、DN确定1.1.1、罐体DN的确定液氨贮罐的长径比L/Di一般取33.5，本设计取L/Di3.3，由V(Di2/4) L10 和L/Di3.3，得：Di=1.569m=1569mm。因圆筒的内径已系列化，由Di1569mm，圆整后可知：DN1600mm。、釜体PN的确定因操作压力P16Kgf/cm2，由文献 1可知：PN1.6MPa。1.2、筒体壁厚的设计1.2.1、设计参数的确定由文献1 表14-1（装有安全阀）查得：Pc=1.6×1.1MPa=1.76 M

6、Pa（P液 5 Pc ，可以忽略P液），T=40,文献1表14-5查得：焊接接头系数=1.0（双面焊对接接头，100%无损探伤检查），由文献1 表14-7查得：腐蚀裕量C2=2mm (微弱腐蚀)。1.2.2、筒体壁厚的设计 假设筒体壁厚d=12mm，则由文献1 表14-1，14-6查得：t=170MPa，钢板负偏差C1=0.8mm由公式：nPc Di/(2 t -Pc)+C ，代入数据d=（1.76×1600）/（2×170×11.76）+2+0.8=11.12，经圆整后d=12mm 。所以假设d=12mm是合理的，故筒体名义壁厚取n=12mm 。1.2.3、刚度

7、条件设计筒体的最小壁厚因为Di=1600mm<3800mm，所以min=2Di/1000=3.2mm，另加C2=2mm，所以d=5.2mm。按强度条件设计的筒体壁厚d12mm d5.2mm，满足刚度条件的要求。1.3、罐体封头壁厚的设计2.3.1、设计参数的确定由文献1 表14-1（装有安全阀）查得：Pc=1.6×1.1MPa=1.76 MPa（P液 5 Pc可以忽略P液），T=40,文献1表14-5查得：焊接接头系数=1.0（双面焊对接接头，100%无损探伤检查），由文献1 表14-7查得：腐蚀裕量C2=2mm (微弱腐蚀)。、封头的壁厚设计采用标准椭圆形封头，假设筒体壁厚d

8、=12mm，则由文献1 表14-1，14-6查得：t=170MPa，钢板负偏差C1=0.8mm由公式：nPc Di/(2 t -Pc)+C ，代入数据d=（1.76×1600）/（2×170×10.5×1.76）+2+0.8=11.12，经圆整后d=12mm 。所以假设d=12mm是合理的，故筒体名义壁厚取n=12mm 。、封头的直边、体积及重量的确定 采用标准椭球形封头（a : b =2 : 1），封头的壁厚d 12mm，由文献2可知：，直边高度h40mm 。 由Di1600 mm 、d 12mm，由文献2可知：封头的体积V封0.854m3 、封头的深

9、度h1=400mm 。 由文献2表1-9查得：Di1600 mm 、d12mm，直边高度h0=40mm的封头重量为285×2=570Kg 。1.4、筒体的长度设计及重量的确定由V2V封V筒，可得：V筒102×0.8548.292 m3，V筒Di2L/48.292m3 可得：L4124mm，经圆整后：L4120mm由文献2表1-6查得： Di1600 mm 、d12mm的筒体筒节单位重量为476Kg/m。所以筒体重量：4.12×476 =1961.12 Kg1.5、贮罐的压力试验1.6、罐体的水压试验1.6.1、液压试验压力的确定根据公式，PT =1.25P/t ，

10、当设计温度小于200时，与t接近，所以PT =1.25×1.76×1MPa=2.2MPa 。1.6.2、液压试验的强度校核根据公式，T =PT (Di +e)/2e，代入数据，T =2.2 ×（1600+122.8）/ 2×(122.8) MPa=192.4MPa 。由文献1 表14-4查得：s =345MPa，因为max192.4 MPa 0.9s =0.9×345 × 1=310.5 MPa所以，液压强度足够。1.6.3、压力表的量程、水温的要求压力表的量程：2PT=2×2.2=4.4 MPa或3.3MPa8.8MPa

11、，水温15 。1.6.4、液压试验的操作过程在保持罐体表面干燥的条件下，首先用液体将罐体内的空气排空，再将液体的压力缓慢升至22Kgf/cm2,保压10-30分钟，然后将压力缓慢降至17.6Kgf/cm2,保压足够长时间（不低于30分钟），检查所有焊缝和连接部位，若无泄漏和明显的残留变形。则质量合格，缓慢降压将罐体内的液体排净，用压缩空气吹干罐体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止1.7、罐体的气压试验1.7.1、气压试验压力的确定根据公式，PT =1.15P/t ，当设计温度小于200时，与t接近，所以PT =1.15×1.76×1 MPa=2.024 MPa 。1

12、.7.2、气压试验的强度校核根据公式，T =PT (Di +e)/2e，代入数据，T =2.024 ×（1600+122.8）/ 2×(122.8) MPa=177.0 MPa 。由文献1 表14-4查得：s =345MPa，因为max172.0 MPa 0.8s =0.8×345 × 1=276.0 MPa所以，气压强度足够。1.7.3、压力表的量程、气温的要求压力表的量程：2PT=2×2.024=4.048 MPa 或3.306MPa8.096MPa ，气温15 。1.7.4、气压试验的操作过程气压试验时缓慢升压至0.5Kgf/ cm2，保

13、持10分钟并进行初检，合格后继续升压至10.12 Kgf/ cm2 ， 然后按级差为2.024 Kgf/ cm2 逐级升至20.24 Kgf/cm2 ，保持1030分钟，然后再降至17.6 Kgf/ cm2 ，至少保压30分钟，同时进行检查。若无泄露和明显的残留变形。则质量合格，若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。2、罐体的开孔与补强2.1、开孔补强的设计准则等面积设计法:起补强作用的金属面积不小于被削弱金属的面积。2.2、开孔补强的计算为了满足各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔并安装接管。开孔后，壳壁因除去了一部分承载的金属材料而被削弱，而出现应力集中现象。为

14、保证容器安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强，以降低峰值应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富。采用等面积补强法。本设计取人孔筒节内径di =450mm，壁厚m=12mm。由标准查得补强圈尺寸为：外径D2 =760mm ，内径D1 =484mm 。2.2.1、开孔补强的有关计算参数(1) 开孔所需补强的面积A开孔直径：d = di + 2C = 450+2×2.8mm =455.6 mm开孔所需补强面积：A = d·d = 455.6×8.32 mm2=3750.592 mm2 (2) 补强有效区的范围 有效宽度:B =2d=2

15、15;455.6mm=911.2mm B =2d+2n+2m=455.6+2×12+2×12mm=503.6mm 取两者之中的最大值B=911.2mm 外侧有效高度：h1=(dm)1/2 =(455.6×12)1/2mm =73.94mmh1=接管实际外伸长度=250mm取两者之中的最小值 B=73.94mm内侧有效高度：h2=0mm(3) 有效补强面积 A=A1+A2+A3 其中A1 =(B-d)( e -)-2m( e -)(1-fr)筒体有效厚度e =nC=12-2.8=9.2mm接管材料选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿,故fr=1，代入上式得，

16、A1 = (911.2-455.6) ×(9.2-8.3)=410.04mm2 接管计算厚度tPc d/(2 t -Pc)=1.76×455.6/(2×170×1-1.76)=2.37mm A2 = 2h1(ntt) fr+2h2(ntC2) fr =2×73.94×(122.82.37)+0=1010.02mm2 A3 =2×1/2×12×12=144mm2 Ae =A1+A2+A3=410.04mm2+1010.02mm2+144mm2=1564.06mm22.2.2、补强圈的设计因为Ae<A

17、，所以开孔需要另加补强。所需补强面积A4 =AAe =3750.5921564.06 =2186.53 mm2补强圈厚度A4/(D2D1)=2186.53/(760484)=7.92mm圆整后取8mm，补强材料与壳体材料相同，为16MnR3、罐体附件的选型及尺寸设计3.1、工艺接管的设计3.1.1、液氨进料管采用80×4mm低合金无缝钢管。进料管伸进设备内部并将管的一端切成45，为的是避免物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀。配用凸面密封的带颈对焊管法兰：HG 20595 法兰 WN50-2.5 RF Q235-A。长度500mm，不必补强。3.1.2、液氨出料管采用可拆的压出管25&

18、#215;3mm，将它套入罐体的固定接口管38×3.5mm内，并用法兰固定在接口管法兰上。罐体的接口管法兰采用HG 20595 法兰 WN32-2.5 RF Q235-A ，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：HG 20595 法兰 WN32-2.5 RF Q235-A相同，但其内径为25mm。液氨压出管的端部法兰采用HG 20595 法兰 WN20-2.5 RF Q235-A 。液氨出料管也不必补强。压出管伸入贮罐2m 。3.1.3、排污管贮罐右端最底部，安设排污管一个，管子规格是80×3.5mm，管端装有一与截止阀J41W-16相配的管法兰：HG

19、 20595 法兰 WN50-2.5 RF Q235-A 。3.1.4、安全阀接口管安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的安全，因此安设一安全阀。安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用50×3.5mm的无缝钢管，管法兰为：HG 20595 法兰 WN25-2.5 RF Q235-A 。3.1.5、压力表接口管压力表工作管由最大压力决定，因此选用40×2.5mm无缝钢管，管法兰采用HG5010-58Pg16Dg65 。3.2、支座的设计卧式容器支座又可分为：鞍座、圈座和支座。常见的卧式容器和大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广

20、泛的一种卧式容器支座。故本设计选用鞍座。置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，由材料力学分析可知，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。但对于大型卧式容器而言，当采用多支座时，如果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，使支座反力难以为各支点平均分摊，导致壳体应力增大，因而体现不出多支座的优点，故一般情况采用双支座。鞍座的底板尺寸应保证基础的水泥面不被压坏。根据底板上的螺栓孔形状不同，又分为F型（固定支座）和S型（活动支座），除螺栓孔外，F型与S型各部分

21、的尺寸相同。在一台容器上，F型和S型总是配对使用。综上所述，本设计选择鞍式双支座，一个S型，一个F型。3.3、鞍座的计算贮罐总质量：m=m1+m2+m3+m4其中，m1筒体质量，kg；m2封头质量，kg； m3液氨质量，kg； m4附件质量，kg； 液氨质量m3m3=V，式中 装量系数，取0.9；（压力容器安全技术监察规程规定：介质为液化气体的固定式压力容器，装量系数一般取0.9）。 液氨在-20时的密度为665Kg/m3 V贮罐容积(V=V封+V筒=0.854+8.292=9.146m3)所以m3=0.9×665×9.146=5473.88 Kg 附件质量m4则由文献2

22、第二章，第五节表查得：人孔质量约为201Kg，其它接管等质量总和按300Kg计，m4=501Kg所以设备总质量m=m1+m2+m3+m4=570+1961.12+5474.88+501=8507.00Kg每个鞍座承受的负荷 Q=mg/2 =8507.00×9.8/2=41684.3Kg 42KN根据文献2第八章，第五节表，由于每个鞍座承受约42KN负荷，故选用轻型带垫板包角为120°的鞍座。即JB/T 4712-92 鞍座 A2200-F， JB/T 4712-92 鞍座A2200-S。3.4、安装位置为了充分利用封头对筒体邻近部分的加强作用，应尽可能将鞍座安放在靠近封头的

23、位置，即应小于或等于0.5R（是容器半径）。贮罐长度（不含封头）L=2a+l =4100mm式中 a鞍座离罐体一端的距离； l两鞍座之间的距离；取a=0.5R=0.5×1600/2=400mm ,所以 l=3300mm 。所以两鞍座之间的距离为3300mm 。3.5、人孔的设计人孔是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。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。选用时应综合考虑公称压力、公称直径、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多：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；从人孔盖的开启方式及

24、开启后人孔盖所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔（重量：水平吊盖>垂直吊盖>回转盖）。选择使用上有较大的灵活性，其尺寸大小及位置以设备内件安装和工人进出方便为原则。根据贮罐是在常温及最高压力1.6MPa下工作。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。公称直径450mm,凸面法兰密封面。该人孔标记为：人孔A Pg16,Dg450 。3.6、液面计的设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、磁性液位计和用于低温设备的防霜液面计。选取玻璃板液面计。考虑到本设备不大且设计压力为1.6MP

25、a，选用T型即透光式玻璃板液面计。透光式、公称压力PN1.6MPa、碳钢材料、保温型、排污口配阀门、长颈对焊突面法兰连接（按HG 20595-97），公称长度L=1150 mm的液面计，标记为：液面计 AT 2.5-W-1150V。二、设计结果一览表序号名称指标材料1设计压力1.6 MPa/2工作温度40/3物料名称液氨/4容积9.0m3/5筒体DN1600mm×12mm，L=4120mm16MnR6封头DN1600mm×12mm，h=40mm16MnR7鞍座JB/T4712-92鞍座A2200-FJB/T4712-92鞍座A2200-SQ235A·F8人孔RF （A.G）450-2.5组合件9补强圈760mm/484mm，=8mm