1、燕京理工學院Yanching Institute of Technology（2018）屆本科生化工設備機械基礎大作業題目： 50立方米液氨儲罐設計 學院：化工與材料工程學院 專業： 應用化學1402 學號： 140140059 姓名： 張震 指導教師： 周莉莉 教研室主任（負責人）： 顧明廣 2017年6月20日目錄課程設計任務書350m³液氨儲罐設計3課程設計內容3液氨物化性質及介紹4第一章 設備的工藝計算41.1設計儲存量41.2 設備的選型的輪廓尺寸的確定41.3 設計壓力的確定51.4 設計溫度的確定51.5 主要元件材料的選擇5第二章 設備的機械設計62.1 設計條件（見

2、表2-1和表2-2）62.2 結構設計72.2.1 材料選擇72.2.2 筒體和封頭結構設計72.2.3 法蘭的結構設計72.2.4 人孔、液位計結構設計92.2.5 支座結構設計112.2.6 焊接接頭設計及焊接材料的選取142.3 開孔補強計算15補強設計方法判別15有效補強范圍162.3.3 有效補強面積17接管的多余面積17補強面積17第三章 液面計的選用18第四章 視鏡的選用18第五章 安全閥的選用18第六章 焊接接頭的設計18第七章 墊片及螺栓的選擇18課程設計總結19參考文獻19課程設計任務書50m³液氨儲罐設計一、課程設計要求：1.按照國家最新壓力容器標準、規范進行設

3、計，掌握典型過程設備設計的全過程。2.設計計算采用手算，要求設計思路設計思路清晰，計算數據準確、可靠。3.獨立完成。二、原始數據設計條件表序號項目數值/名稱單位備注1名稱液氨儲罐2用途液氨儲存3最高工作壓力1.55MPa由介質溫度確定4工作溫度0-405公稱容積（Vg）50M36工作壓力波動情況可不考慮7裝量系數(V)0.858工作介質液氨9使用地點河北省張家口市10安裝與地基要求11其它要求三、課程設計主要內容1、設備工藝、結構設計；2、設備強度計算與校核；3、技術條件編制；4、繪制設備總裝配圖；5、編制設計說明書。四、學生應交出的設計文件（論文）：1.設計說明書一份； 2.總裝配圖一張 (

4、A3圖紙一張)課程設計內容液氨物化性質及介紹液氨，又稱為無水氨，是一種無色液體，有強烈刺激性氣味。氨作為一種重要的化工原料，為運輸及儲存便利，通常將氣態的氨氣通過加壓或冷卻得到液態氨。液氨在工業上應用廣泛，具有腐蝕性且容易揮發，所以其化學事故發生率很高。液氨分子式NH3，分子量17.03，相對密度0.7714g/L，熔點-77.7，沸點-33.35，自燃點651.11，蒸汽壓1013.08kPa(25.7)。蒸汽與空氣混合物爆炸極限為1625%（最易引燃濃度為17%）氨在20水中溶解度34%；25時,在無水乙醇中溶解度10%；在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醚,它是許多元素和化合物的良好溶劑

5、。水溶液呈堿性。液態氨將侵蝕某些塑料制品,橡膠和涂層。遇熱、明火，難以點燃而危險性極低，但氨和空氣混合物達到上述濃度范圍遇火和燃燒或爆炸，如有油類或其它可燃物存在則危險性極高。第一章 設備的工藝計算工藝設計的內容是根據設計任務提供的原始數據和生產工藝要求，通過計算和選型確定設備的輪廓尺寸。1.1設計儲存量式中：W儲存量，t； 裝量系數； V壓力容器容積；m3 設計溫度下的飽和溶液的密度， W=0.85×50×0.563=23.93 t1.2 設備的選型的輪廓尺寸的確定根據設計要求，本設計為臥式容器，筒體采用圓筒形，封頭采用標準橢圓形封頭由已知數據計算出筒體的基本參數如下：表

6、1-1 筒體基本參數公稱容積Vg/m³公稱直徑DN/mm筒體長度L/mm5026008400橢圓形封頭基本參數如下表：表1-2 橢圓形封頭參數公稱直徑DN/mm總深度H/mm內表面積A/m²容積V/m³26006907.65452.5131 設備計算容積 V計=/4×DN2×L+V封×2=/4×2.6²×8.4+2.5131×2=47.10m³ 實際工作容積 V工=V計×f=47.10×0.85=40.03m³1.3 設計壓力的確定 液氨在40的飽和蒸汽壓

7、為1.55 MPa，由于按壓力容器安全技術監察規程規定，盛裝液化氣體無保冷設施的壓力容器，其設計壓力應不低于液化氣40時的飽和蒸汽壓力Pv=1.55Mpa，大氣壓Pa=0.1Mpa. 而最高工作壓力指容器頂部在正常工作過程中可能產生的最高表壓可取液氨容器的設計壓力為最大工作壓力的1.1倍。即P=(1.55-0.1)×1.1=1.6水壓試驗 Pt=1.25×1.6=2.0Mpa1.4 設計溫度的確定設計溫度系指容器在正常操作情況下，在相應設計壓力下，設定受壓元件的金屬溫度，其值不得低于元件金屬可能達到的最高金屬溫度，對于0以下的金屬溫度，則設計溫度不高于元件金屬可能達到的最低

8、金屬溫度，容器的設計溫度是指殼體的設計溫度，可知器設計溫度選取的依據是：其值不得低于最高金屬溫度或不得高于最低金屬溫度（0以下）。河北省張家口市當地最高工作溫度為-15-35，則設計溫度取40。1.5 主要元件材料的選擇液氨屬于液化氣體，查閱文獻，可知屬于第一組介質查第一組介質壓力容器類別劃分圖，可知50m³液氨儲罐屬于第II類壓力容器。 第二章 設備的機械設計2.1 設計條件（見表2-1和表2-2）表2-1設計條件表 內容備注工作介質液氨工作壓力 Mpa1.54設計壓力 Mpa1.6工作溫度 -1535設計溫度 40公稱容積 （Vg） m350計算容積 （V計）m347.1工作容積

9、 （V工）m340.03裝量系數 f0.85介質密度 （）t/m³0.563kg/L材質Q345R保溫要求無保溫層表2-2管口表接管代號公稱尺寸連接尺寸標準連接面形式用途或名稱aDN450HG20592 WN450-2.5MFMFM人孔bDN15G1/2FM壓力表口cDN50HG20592 WN50-2.5FMFM氣相出口dDN80HG20592 WN50-2.5FMFM安全閥排氣口eDN80HG20592 WN50-2.5FMFM安全閥排氣口fDN50HG20592 WN50-2.5FMFM進料口gDN50HG20592 WN50-2.5FMFM放空口h1-2DN20HG20592

10、 WN50-2.5FMFM液位口jDN25HG20592 WN25-2.5MM放盡口iDN50HG20592 WN25-2.5MM出料口tDN20M27×1.5M溫度計口2.2 結構設計2.2.1 材料選擇 根據液氨的物性選擇罐體材料，碳鋼對液氨有良好的耐蝕性腐蝕率在0.1/年以下，且又屬于中壓儲罐，可以考慮20R和16MnR這兩種鋼材，綜合考慮經濟因素，根據GB150-1998表4-1，選用筒體材料為低合金鋼（16MnR）Q345（鋼材標準為GB6654）t=163 Mpa。Q345（16MnR）適用范圍：用于介質含有少量硫化物，具有一定腐蝕性,壁厚較大（8mm）的壓力容器。 筒體

11、和封頭結構設計由表1-1可知筒體公稱直徑DN=2600mm ，長度L=8400mm由表1-2可知EHA標準橢圓形封頭公稱直徑DN=2600mm 總深度H=690mm 法蘭的結構設計法蘭有設備法蘭和管法蘭，設備筒體和封頭焊接在一起，所以不需要設備法蘭，只有管法蘭。（1）公稱壓力確定計算壓力是指在相應的設計溫度下，用以確定組件最危險截面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計算壓力等于設計壓力與液柱靜壓力之和，當組件所承受的液柱靜壓力小于5%設計時，可忽略不計。經查壓力容器安全技術監察規程得液氨的設計壓力P設=1.1×P工作=1.10×（2.059-0.1）=2.16Mp

12、a液柱靜壓力gh=562.871×9.8×2600=0.0143Mpa ，（2）法蘭類型、密封面形式選擇液氨易揮發，為強滲透性的中度危害介質，查文獻可知須采用帶頸對焊型管法蘭，面封面采用凹凸面密封。（3）法蘭尺寸查閱文獻可知各法蘭詳細尺寸及法蘭質量，詳細見下圖2-2和表2-3圖2-2 表2-3 PN25帶頸對焊鋼制法蘭 單位： mm接管代號公稱尺寸DN鋼管外徑A1連接尺寸法蘭厚度C法蘭頸法蘭高度H法蘭質量M(kg)法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數量n（個）螺栓ThNSH1RB8089200160188M16241053.2128585.0D505716512

13、5184M1620752.986483.0C253211585144M1218462.664401.06576185145188M1622902.9106524.0L1.L2202510575144M1218402.364401.0 人孔、液位計結構設計（1）人孔設計人孔的作用：為了檢查壓力容器在使用過程中是否產生裂紋、變形、腐蝕等缺陷以及裝拆設備的內部零件。人孔的結構：人孔為組合件，包括承壓零件筒節、端蓋、法蘭、密封墊片、緊固件等受壓元件，以及人孔啟閉所需要的軸、銷、耳、把手等非受壓件。圓形人孔的公稱直徑規定為400600mm容器公稱直徑大于或等于1000mm且筒體與封頭為焊接連接時，至少設

14、一個人孔。臥式容器的筒體長度大于等于6000mm,應考慮設置2個以上人孔。綜合考慮，選擇回轉該帶頸對焊法蘭人孔，公稱壓力PN2.5,公稱直徑DN450，MFM型密封面,材料選用16MnR標記為：人孔 MFM s-35CM (NM-XB350) A 450-2.5 HG/T 21518-2005查閱文獻，得本次選用回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔結構尺寸，見下圖2-3和表2-4表2-4 回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔尺寸表密封面型式公稱壓力PN公稱直徑DNdDD1H1H2bMFM2.54504801245667060025012142b1b2ABLd0螺柱螺母螺柱總質量數量直徑長度4146375175250242

15、040M332165245 圖2-3 回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔結構圖（2）液位計的選擇液位計是用以指示容器內物料液面的裝置，液位計的種類很多，常見的有許多包括玻璃管液面計、玻璃板液面計、浮標液面計、防霜液面計、磁性液位計等其中：玻璃管液面計和玻璃板液面計適用于工作溫度在0以上； 浮標液面計適用于常壓設備；防霜液面計適用于液體溫度在0一下的液體測量；液氨儲罐工作溫度在-2050，設計壓力為1.23MPa，以上三種都不適合。磁性液位計適用于PN=1.616MPa，-40300，液體密度0.45g/cm³，適合于液氨儲罐根據設計要求選擇磁性液位計，標記如下： HG/T 21584-95 UZ

16、2.5M-1400-0.6 BF321C 支座結構設計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設備的支承，耳式支座用于中小型立式圓筒形容器的懸掛式支承，裙式支座用于高大型高塔的支承，鞍式支座是臥式容器經常采用的支座形式，本設計也采用鞍式支座。置于支座上的臥式容器，其情況和梁相似，有材料力學分析可知，梁彎曲產生的應力與支點的數目和位置有關。當尺寸和載荷一定時多支點在梁內產生的應力較小，因此支座數目似乎應該多些好。對于大型臥式容器而言，一般情況采用雙支座。此外，臥式容器由于溫度或載荷變化時都會產生軸向的伸縮，因此容器兩端的支座不能都固定在基礎上

17、，必須有一端能在基礎上滑動，以避免產生過大的附加應力。通常的做法是將一個支座上的地腳螺栓孔做成長圓形，并且螺母不上緊，使其成為活動支座，而另一支座仍為固定支座。所以本設計就采用這種雙支座結構。查閱文獻，可知一邊為F型，一邊為S型。鞍座的材料除墊板外都為Q235-B，加強墊板的材料與設備殼體材料相同為Q345R。（1）筒體和封頭壁厚計算 筒體壁厚計算該容器需100%探傷，所以取其焊接系數為。圓筒的厚度在16-36mm范圍內，查GB150-1998中表4-1，可得：在設計溫度50下，屈服極限強度， 許用應力利用中徑公式，計算厚度： 圓整至18mm取。=2則筒體的設計厚度筒體的有效厚度II封頭壁厚計

18、算查標準JB/T4746-2002鋼制壓力容器用封頭中表1，得公稱直徑選用標準橢圓形封頭,型號代號為EHA，則 ，根據GB150-1998中橢圓形封頭計算中式7-1計算： 圓整得腐蝕裕量C2=2mm，設計厚度d=+C2=18+2=20mm.對于16MnR,鋼板負偏差C2=0取名義厚度 有效厚度2由于筒體的名義厚度與封頭的名義厚度相近，所以可以統一去名義厚度為。選擇封頭的數據:DN=2600mm,曲面高h1=690mm,直邊高h0=40mm,內表面積=7.6545,容積=2.5131m,名義厚度n=20mm,質量=1184.6kg。III計算壓力Pc計算壓力是指在相應的設計溫度下，用以確定組件最

19、危險截面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計算壓力等于設計壓力與液柱靜壓力之和，當組件所承受的液柱靜壓力小于5%設計時，可忽略不計。經查壓力容器安全技術監察規程得液氨的設計壓力P設=1.1×P工作=1.10×（2.059-0.1）=2.16Mpa液柱靜壓力gh=562.871×9.8×2600=0.0143Mpa ，液柱靜壓力可以忽略,計算壓力與設計壓力相等。,即Pc=2.16Mpa（2）支座結構尺寸確定 該臥式容器采用雙鞍式支座材料選用Q235-B，其許用應力查得16MnR密度7900Kg/m3筒體總質量M=m1+m2+m3+m4m1:筒體質

20、量m2:封頭質量m3:液氨質量m4:附件質量：人孔及其它附件質量總共估取400Kg每個鞍座承受的壓力所以選鞍座JB/T4712.1-2007，標準尺寸為：DN=2600mm,許用載荷435KN,包角120°，帶墊板，A型。鞍座尺寸標準:查閱文獻根據筒體公稱直徑，選取公稱直徑DN=2000mm ，120°包角輕型(A)帶墊板鞍式支座，允許載荷Q295kN>245.9kN，滿足要求。由公稱直徑查文獻得具體尺寸如下表2-5及圖2-4 圖2-4 鞍式支座結構尺寸圖表2-5 鞍座結構尺寸表公稱直徑DN2000腹板10墊板430允許載荷Q/kN295筋板29510鞍座高度h250

21、190e80底板1280260螺栓間距11202208螺孔/螺紋D/l24/M2012墊板弧長2100鞍座質量Kg162鞍座位置的確定 雙鞍座臥式容器的受力狀態可簡化為受均布載荷的外伸梁，由材料力學知，當外伸長度A=0.207L時，跨度中央的彎矩與支座截面處的彎矩絕對值相等，從而使上述兩截面上保持等強度，所以一般近似取,其中L取兩封頭切線間距離，A為鞍座中心線至封頭切線間距離。考慮到支座截面處除彎矩以外的其他載荷，面且支座截面處應力較為復雜，故常取支座處圓筒的彎矩略小于跨距中間圓筒的彎矩，通常取尺寸A不超過0.2L值，為此中國現行標準JB 4731鋼制臥式容器規定A0.2L=0.2（L+2h）

22、，A最大不超過0.25L.否則由于容器外伸端的作用將使支座截面處的應力過大。則可以取鞍座間距8000mm。由標準橢圓封頭故此外，由于封頭的抗彎剛度大于圓筒的抗變鋼度，故封頭對于圓筒的抗彎鋼度具有局部的加強作用。若支座靠近封頭，則可充分利用罐體封頭對支座處圓筒截面的加強作用。因此，JB 4731還規定當滿足A0.2L時，最好使A0.5R ,即 ，則可取A=1000mm綜上有：A=1000mm(A為封頭切線至封頭焊縫間距離，L為筒體和兩封頭的總長)2.2.6 焊接接頭設計及焊接材料的選取容器各受壓元件的組裝通常采用焊接。焊接接頭是焊縫和熱影響區的總稱。焊接接頭的形式直接影響到焊接的質量與容器安全。

23、（1）焊接接頭的設計綜合考慮各種因素，針對本次設計儲存的介質是高毒性介質，所以本次設計的殼體A、B類焊接接頭應為X型的如圖。而對于法蘭與殼體、接管連接的接頭，應采用全焊透接頭。（2）焊接材料的選取 本設計采用手工電弧焊，其設備簡單，便于操作，適用于各種焊接，在壓力容器制造中應用十分廣泛，鋼板對接，接管與筒體、封頭的連接等都可以采用。手工電弧焊的焊接材料是焊條，本設計材料主要為低合金鋼和碳鋼，需要用到低合金焊條和碳鋼焊條，對于這二者的選用主要考慮如下因素：對低碳鋼和低合金鋼，要按等強度原則選擇焊條，即要求焊縫與母材強度相等或基本相等，而不要求焊縫金屬的化學成分與母材相同；當低碳鋼與低合金鋼之間、

24、或不同種類的低合金鋼之間進行焊接時，應選用與其中強度較低的鋼材等強度的焊條進行焊接。 Q345R鋼板 抗拉強度510640MPa 16Mn無縫鋼管 抗拉強度510660MPa Q235B鋼板 抗拉強度375500MPa 查閱文獻結合本設計實際綜合考慮，所選用焊條如下表2-6 表2-6 焊條的選取 材料Q345R16MnQ235-BQ345RE5015E5015E430316MnE5015E5015E4303Q235-BE4303E4303E43032.3 開孔補強計算根據GB150中8.3，當設計壓力小于或等于2.5MPa時，在殼體上開孔，兩相鄰開孔中心的間距大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱

25、外徑不大于89mm時，接管厚度滿足要求，不另行補強，故該儲罐中只有DN=500mm的 人孔需要補強。補強設計方法判別按HG/T 21518-2005,選用回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔。開孔直徑故可以采用等面積法進行開孔補強計算。接管材料選用10號鋼正火，其許用應力根據GB150-1998中式8-1，其中：殼體開孔處的計算厚度接管的有效厚度強度削弱系數所以開孔所需補強面積為2.3.2有效補強范圍（1）有效寬度B的確定按GB150中式8-7，得：12.2.2有效高度的確定（2）外側有效高度的確定根據GB150中式8-8，得：(3）內側有效高度的確定根據GB150-1998中式8-9，得：， 有效補強面積

26、根據GB150中式8-10-式8-13，分別計算如下：3.1 筒體多余面積接管的多余面積接管厚度：3.3焊縫金屬截面積焊角取6.0mm補強面積因為，所以開孔需另行補強所需另行補強面積： 補強圈設計：根據DN500取補強圈外徑D=840mm。因為B>D，所以在有效補強范圍。補強圈內徑d=530+2=532mm補強圈厚度：圓整取名義厚度為20mm。第三章 液面計的選用透光式玻璃面液面計，型號T；利用連通器原理，通過液面計的玻璃板視窗可以觀察容器內部液面位置的變動情況。結構形式：保溫型W,鋼板16Mn.L=900,標準HG21589.1-1995.第四章 視鏡的選用選用不帶頸視鏡；不帶頸視鏡結

27、構簡單，便于窺視，由于視鏡接緣直接焊接在設備上，容易在焊接后引起接緣上的密封面變形，所以應有可靠的焊接工藝保證。選用視鏡的數據：DN=80 PN=1.57 D=130 b1=36 b2=26 H=91螺柱：個數n=8 直徑d=M12 重量m=7.1kg 標準：不銹鋼HGJ501-86-15第五章 安全閥的選用液氨：A44H-160對于高壓容器和安全泄放量達的中低壓容器，最好采用全啟式安全閥，考慮泄放的介質質量是否易燃、有毒、污染環境，確定采用封閉式安全閥。所以選用彈簧封閉全啟式（帶扳手）安全閥。第六章 焊接接頭的設計綜合考慮各種因素，針對本次設計儲存的介質是高毒性介質，所以本次設計的殼體A、B類焊接接頭應為X型的如圖。而對于法蘭與殼體、接管連接的接頭，應采用全焊透接頭。第七章 墊片及螺栓的選擇墊片凹凸面用MFM型（mm）公稱通徑墊片內徑墊片外徑墊片厚度2027501.580891201.51001151491.55005305603課程設計總結在老師的帶領下，經過認真的學習。兩周的儲罐課程設計很快就到了交圖的時候，這次課程