化工机械基础课程设计

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：张辉专 业：化学工程与工艺班 级：化工-2班指导教师：兰大为设计任务书一、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）：L0=3900mm三、具体内容包括：筒体材料的选择罐的结构尺寸罐的制造施工零部件型号及位置、接口相关校核计算绘制装备图（A2图纸）设 计人：张辉学号：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<<化工过程设备机械基础>>一书及其他参考资料。目录第一章 液氨储罐设计参数的确定 .......................................罐体和封头的材料的选择 ............................................设计温度与设计压力的确定 ..........................................其他设计参数......................................................第二章 工艺计算.....................................................壁厚的设计........................................................筒体壁厚的计算 ..................................................封头壁厚的计算 ..................................................筒体与封头水压强度的校核 ........................................鞍座的设计........................................................罐体质量W1......................................................液氨质量W2......................................................其他附件质量W3..................................................设备总质量W.....................................................鞍座的选择......................................................选择人孔并核算开孔补强 ............................................人孔选择..........................................................开孔补强的计算..................................................选配工艺接管......................................................液氨进料管......................................................液氨出料管......................................................排污管..........................................................安全阀接口......................................................液面计接口管....................................................放空管接管口....................................................第三章 参数校核.....................................................筒体轴向应力校核 ..................................................筒体轴向弯矩计算 ................................................筒体轴向应力计算 ................................................筒体和封头切向应力校核 ............................................筒体切向应力计算 ................................................封头切向应力计算 ................................................筒体环向应力的计算和校核 ..........................................环向应力的计算 ..................................................环向应力的校核 ..................................................鞍座有效断面平均压力 ..............................................第四章 设计汇总.....................................................符号汇总..........................................................公式汇总..........................................................第五章 小结.........................................................第六章 参考文献.....................................................第七章 附录.........................................................第一章 液氨储罐设计参数的确定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。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，《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倍。所以设计压力p=×?=故取设计压力p=。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[σ]t=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。第二章 工艺计算壁厚的设计筒体壁厚的计算取计算压力pc=p=，筒体内径Di=DN=2600mm，查表知16MnR在设计温度t为50℃时的许用应力为[σ]=163MPa，筒体的理论计算壁厚公式为：pcDiδσtφp2[]（）式中：δ——筒体的理论计算壁厚， mm；p c——筒体计算压力， MPa；D i——筒体内径， mm；t[σ]——钢板在设计温度下的许用应力， MPa;——焊接接头系数，其值为 1。将数值代入公式计算出筒体的计算厚度为：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：由钢板厚度负偏差表查得 C1=0.8mm，故名义壁厚为：圆整后取δ n=20mm。封头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：设计厚度为：名义厚度为：圆整后取δ n=20mm。查表(132页)标准椭圆形封头的直边高度 (JB/T4737-95)为h0=50mm。水压强度的校核确定水压试验的试验压力值t已知p=，[σ]=[σ]=163MPa试验压力：

PT1.25[]p[]t式中：PT——试验压力，MPa;p——设计压力，MPa;[σ] 、[σ]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：计算水压试验时的器壁应力值实验时器壁的应力：查表（125页）可知20mm的16MnR钢板的常温强度指标 σs=325MPa。所以0.9 s 0..9 325 1 292.5MPa0.9s，故所设计的器壁厚度满足设计要求。鞍座的设计罐体质量W1罐体质量m1：公称直径DN=2600mm，壁厚δ=20mm的筒体，查表（陈国恩主编312页），得每米质量是q1=1290kg/m，所以m qL 1290 3.9 5031kg1 1 0封头质量m2：公称直径DN=2600mm，壁厚δ=20mm，直边高度h0=50mm的标准椭圆形封头，查表（313页）得其质量m2'1230kg，所以W=m+m=5031+2460=7491kg112液氨质量W23式中:V——贮罐容积，m；ρ——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=，查（312页），得封头容积为Vh=，则贮罐总容积为于是其他附件质量 W3人孔约重200kg，其它接口管的总重约 300kg。于是W3=500kg。设备总质量WW=W1+W2+W3=7491+28525+550=33316kg鞍座的选择每个鞍座承受的负荷为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，取选择人孔并核算开孔补强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的条件下工作,人孔的标准按公称压力为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(HG21524-95)，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RFⅤ（A?G）其中RF指突面密封，Ⅴ指接管与法兰的材料为16MnR，A?G是指用普通石棉橡胶板垫片，是指公称直径为450mm、公称压力为Mpa。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。由表知本设计所选用的人孔筒节内径di＝450mm，壁厚δnt＝12mm。据此差得补强圈尺寸(JB/T4736-2002)为：外径D2=760mm，内径D1=450+2×12+14=488mm。开孔补强的有关计算参数如下：开孔所需补强面积A对于圆筒，壳体开口出的计算厚度为：pDi2.13260017.02tp216312.13mm。2开孔直径ddi2C4502(0.82)455.6mm。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：Ad2et(1fr)mm2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；δ——壳体开孔处的计算厚度，mm；δet——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：开孔所需补强面积有效宽度B二者中取较大值 B=911.2mm。有效高度①外侧高度h1二者中取较小值 h1=73.94mm②内侧高度h2二者中取较小值 h2=0mm。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2式中Ae——补强面积，mm；A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，A2——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，2A3——焊缝金属截面积， mm。计算如下：其中接管有效厚度为故

2mm;2mm；A2 2h1(et t) 2h2(et C2)fr其中接管计算厚度为故2A2273.94(9.22.996)10917.44752mm焊缝金属截面积故补强面积Ae为由于Ae A，故开孔需另加补强，其另加补强面积为补强圈厚度δ圆整后取 ' 26mm，补强材料与壳体材料相同为 16MnR。选配工艺接管液氨进料管采用57×3.5mm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RF-16MnR液氨出料管在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。故采用可拆的压出管253mm，将它用法兰固定在接口管573.5mm内。罐体的接口管法兰采用HG20592-97法兰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RF-16-MnR。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐排污管贮罐右端最底部安设一个排污管，管子规格：573.5mm，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的管法兰HG20592-97法兰。排污管一罐题连接处焊有一厚度为10mm的补强圈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 32 3.5mm的无缝钢管，法兰为HG20592-97法兰RF-16MnR（尺寸由安全阀泄露放量决定）液面计接口管本贮罐采用透光式玻璃板液面计AT两支。与液面计相配的接管尺寸为183mm，管法兰为HG20592-97法兰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快速地注入，需安设一放空管。采用32无缝钢管，法兰为HG20592-97法兰3.5mmRF-16MnR。第三章 参数校核筒体轴向应力校核筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩用下式计算2212Rmhi24AFLL(8-1)M1L44hi13L式中F—鞍座反力，N；R m—筒体的平均直径， mm；—筒体长度，mm；—支座中心线至封头的距离，mm；h i—封头内壁的曲面高度， mm。其中，DN2n2600202Rm1320mm所以22支座处截面上的弯矩A2hi2Rm12ALM2FA1L所以4hi13L筒体轴向应力计算由《化工机械工程手册》（上卷，P11~99）得K1=K2=。因为︱M1︱＞＞︱M2︱，且A＜Rm/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最低点处：2' 1' 1.054Pa。鞍座截面处最高处：最低点处：（2）由设计压力引起的轴向应力由所以（3）轴向应力组合与校核最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处，所以2p2'81.731.05482.784MPa许用轴向拉压应力tt合格。[σ]=163MPa，而σ2＜[σ]最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处，1'1.054MPa轴向许用应力根据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[σ]ac=130MPa，︱σ1︱＜[σ]ac，合格。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。筒体切向应力计算由《化工机械工程手册》（上卷，P11-100）查得K3=，K4=。所以K3F0.880163340Rm13206.33MPae17.2封头切向应力计算ttKPDN12.1326001.25h1.2521.2516342.76MPae217.2t因τh＜[σ]-σh,所以合格。筒体环向应力的计算和校核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kK5F(8-5)5eb2式中b2——筒体的有效宽度， mm。由《化工机械工程手册》（上卷，P11-101）查得，K5=，K6=。式中k=，考虑容器焊在鞍座上b2b1.56Rme(8-6)式中b—鞍座轴向宽度，mm。所以所以（2）鞍座边角处轴向应力因为L/Rm=3900/1320=＜8,且6F3K6F(8-7)4b2e2e2所以环向应力的校核︱σ5︱＜[σ]t=163MPa，合格。t︱σ︱＜[σ]=×163=，合格。鞍座有效断面平均压力鞍座承受的水平分力FsK9F(8-8)由《化工机械工程手册》（上卷，P11-103）查得，K9=。所以Fs0.20416334033321.36N。鞍座有效断面平均应力Fs9 (8-9)Hs b0式中Hs——鞍座的计算高度，mm；b 0——鞍座的腹板厚度， mm。其中Hs取鞍座实际高度（H=250mm）和Rm/3=1320/3=440mm中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度b0=δ2-C1==。所以应力校核式中[σ]sa=140MPa，鞍座材料Q235—AF的许用应力。第四章 设计汇总符号汇总序号名称指标材料1设计压力2工作温度≤50℃3物料名称液氨4容积79.36m35筒体DN2600×20mm，L=3900mm16MnR6封头DN650×20mm，h=50mm16MnR7 鞍座8人孔9补强圈10液面计11液面计接管12进料管13出料管14压料接管15排污管16放空管17安全阀接管18法兰

JB/T4712-92 鞍座A3600-FJB/T4712-92 鞍座A3600-SHG21524-95人孔RFⅤA?G）液面计AT3.5mm，L=200mm4mm，L=200mm3.5mm，L=200mm3mm，L=3708mm3.5mm，L=200mm3.5mm，L=200mm3.5mm，L=200mm配合以上接管

235A组合件16MnR组合件16MnR16MnR16MnR20R20R20R20RQ235A公式汇总名称公式出处《化工机械基础》（陈国贮罐总质量m=m1+m2+m3+m4恒主编）P312罐体质量m=qL011封头质量m2=2q2充液质量m3=V·ρ《化工容器设计例题、习筒体中间处横面的弯矩题集》（蔡仁良） P97支座处截面的弯矩由弯矩引起的轴向应力（最高点处）

《化工容器设计例题、习题集》（蔡仁良） P170由弯矩引起的轴向应力（最低点处）设计压力引起的轴向应力轴向拉应力轴向压应力轴向许用压缩应力《化工机械工程手册》筒体切向剪应力（上卷）（余国琮）封头切向剪应力鞍座处横截面最低点处环向应力《化工容器设计例题、习鞍座边角处轴向应力题集》（蔡仁良）

P171支座承受的水平分力鞍座有效断面平均应力补强圈内径

Di=di+2C+(12～16)

《化工机械工程手册》