1、內(nèi)蒙科技大學化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書題 目：帶液氨儲罐學生姓名：張輝專 業(yè)：化學工程與工藝班 級：化工 -2 班指導(dǎo)教師：蘭大為設(shè)計任務(wù)書、課題：液氨貯罐的機械設(shè)計設(shè)計內(nèi)容：根據(jù)給定工藝參數(shù)設(shè)計一臺液氨儲罐 、已知工藝參數(shù)：最高使用溫度：T=50C公稱直徑： DN=2600mm筒體長度（不含封頭） ： L0=3900mm 、具體內(nèi)容包括：1. 筒體材料的選擇2. 罐的結(jié)構(gòu)尺寸3. 罐的制造施工4. 零部件型號及位置、接口5. 相關(guān)校核計算6. 繪制裝備圖（A2圖紙）設(shè) 計 人：張輝 學號：化工專業(yè)課程設(shè)計室掌握化工原理和化工設(shè)備機械基礎(chǔ)相關(guān)內(nèi)容后進行的一門課 程設(shè)計，也是培養(yǎng)學生具備基本

2、化工設(shè)計技能的實踐性教學環(huán)節(jié)。此課程設(shè)計所進行 的是化工單元設(shè)備或主要輔助設(shè)備的工藝設(shè)計及選型，其性質(zhì)屬于技術(shù)設(shè)計范疇。 ? 課程設(shè)計是對課程內(nèi)容的應(yīng)用性訓練環(huán)節(jié)，是學生應(yīng)用所學知識進行階段性的單體設(shè) 備或單元設(shè)計方面的專業(yè)訓練過程，也是對理論教學效果的檢驗。通過這一環(huán)節(jié)使學 生在查閱資料、理論計算、工程制圖、調(diào)查研究、數(shù)據(jù)處理等方面得到基本訓練，培 養(yǎng)學生綜合運用理論知識分析、解決實際問題的能力。本設(shè)計是設(shè)計 - 臥式液氨儲罐。液氨儲罐是合成氨工業(yè)中必不可少的儲存容器。為 了解決容器設(shè)計中的各類問題，本設(shè)計針對這方面相關(guān)問題做了闡述。綜合考慮環(huán)境 條件，液體性質(zhì)等因素并參考相關(guān)標準， 按工藝

3、設(shè)計，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計， 設(shè)備強度計算， 分別對儲罐的筒體，封頭，鞍座，人孔，接管進行設(shè)計，然后用強度校核標準，最終 形成合理的設(shè)計方案。通過本次課程設(shè)計得到了化工設(shè)計基本技能的訓練，為畢業(yè)設(shè)計及今后從事化工 技術(shù)工作奠定了基礎(chǔ)。此次設(shè)計主要原理來自 VV化工過程設(shè)備機械基礎(chǔ) >>一書及其他 參考資料。第一章液氨儲罐設(shè)計參數(shù)的確定1.1罐體和封頭的材料的選擇 1.2設(shè)計溫度與設(shè)計壓力的確定1.3其他設(shè)計參數(shù)第二章工藝計算2.1壁厚的設(shè)計筒體壁厚的計算 封頭壁厚的計算 筒體與封頭水壓強度的校核2.2鞍座的設(shè)計罐體質(zhì)量W液氨質(zhì)量W其他附件質(zhì)量 W設(shè)備總質(zhì)量W鞍座的選擇2.3選擇人孔并核算開

4、孔補強人孔選擇開孔補強的計算2.4選配工藝接管液氨進料管液氨出料管排污管安全閥接口 液面計接口管 放空管接管口 第三章參數(shù)校核3.1筒體軸向應(yīng)力校核筒體軸向彎矩計算 筒體軸向應(yīng)力計算3.2筒體和封頭切向應(yīng)力校核321筒體切向應(yīng)力計算332封頭切向應(yīng)力計算 3.3筒體環(huán)向應(yīng)力的計算和校核環(huán)向應(yīng)力的計算 環(huán)向應(yīng)力的校核3.4鞍座有效斷面平均壓力第四章設(shè)計匯總4.1符號匯總4.2公式匯總 第五章小結(jié)第六章參考文獻 第七章附錄第一章液氨儲罐設(shè)計參數(shù)的確定1.1罐體和封頭的材料的選擇純液氨腐蝕性小，貯罐可選用一般鋼材，但由于壓力較大，可以考慮20R 16MnR這兩種 鋼種。如果純粹從技術(shù)角度看，建議選用

5、20R類的低碳鋼板，16MnR鋼板的價格雖比 20R貴，但在制造費用方面，同等重量設(shè)備的計價，16MnR鋼板為比較經(jīng)濟。所以在此 選擇16MnR鋼板作為制造筒體和封頭材料。1.2設(shè)計溫度與設(shè)計壓力的確定通過查表可知，在50C時液氨的飽和蒸汽壓2.0325MPa，壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程 規(guī)定液化氣體儲罐必須安裝安全閥，設(shè)計壓力可取最大操作壓力的倍。所以設(shè)計壓力 p = 1.10 X( 2.0325? 0.1) = 2.1263MPa故取設(shè)計壓力 p=2.13MPa1.3其他設(shè)計參數(shù)容器公稱直徑見技術(shù)特性表即公稱直徑 Di=2600mm罐體和封頭的材料為16MnR查教 材可知其設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力c

6、 t = 163MPa液氨儲罐封頭從受力方面分析來看， 球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式。但缺點是深度大，沖壓較為困難；橢圓封頭濃度比半 球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中低壓容器中應(yīng)用較多的封頭之一。平板封 頭因直徑各厚度都較大，加工與焊接方面都要遇到不少困難。從鋼材耗用量來年：球 形封頭用材最少，比橢圓開封頭節(jié)約，平板封頭用材最多。因此，從強度、結(jié)構(gòu)和制 造方面綜合考慮，采用橢圓形封頭最為合理。液氨儲罐筒體為板卷焊，焊接接頭采用 雙面對接焊100%探傷,因此確定焊接接頭系數(shù)？ = 1。第二章工藝計算2.1壁厚的設(shè)計筒體壁厚的計算取計算壓力pc=p=2.13MPa筒體內(nèi)徑D=DN=2600mm

7、查表知16MnR在設(shè)計溫度為50C時的許用應(yīng)力為c=163MPa筒體的理論計算壁厚公式為：PcDi(2.1 )2卅P式中：s筒體的理論計算壁厚， mmp c筒體計算壓力，MPaD i筒體內(nèi)徑，mmc鋼板在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa;焊接接頭系數(shù)，其值為1。將數(shù)值代入公式（2.1）計算出筒體的計算厚度為：由于液氨對金屬有一定的腐蝕，取腐蝕裕量C2=2mm故筒體的設(shè)計厚度為:由鋼板厚度負偏差表查得G=0.8mm故名義壁厚為：圓整后取S n=20mm封頭壁厚的計算采用的是標準橢圓形封頭，各參數(shù)與筒體相同，其厚度計算式為：設(shè)計厚度為：名義厚度為：圓整后取S n=20mm查表（132頁）標準橢圓形封頭

8、的直邊高度（JB/T4737-95）為h°=50mm水壓強度的校核確定水壓試驗的試驗壓力值已知 p=2.13MPa c = c t=163MPaPt1.25試驗壓力：式中：Pt試驗壓力，MPa;p設(shè)計壓力，MPa;c、 ct分別為液壓試驗溫度和設(shè)計溫度下殼壁材料的許用應(yīng)力，MPa帶入數(shù)據(jù)得：計算水壓試驗時的器壁應(yīng)力值實驗時器壁的應(yīng)力：TTp查表（125頁）可知20mm勺16MnF鋼板的常溫強度指標 c s=325MPa所以0.9 s0.9 325 1 292.5MPaT 0.9 s ，故所設(shè)計的器壁厚度滿足設(shè)計要求。 2.2 鞍座的設(shè)計2.2.1 罐體質(zhì)量 W1罐體質(zhì)量m：公稱直徑D

9、N=2600m，壁厚S =20mm勺筒體，查表（陳國恩主編 312 頁），得每米質(zhì)量是qi=1290kg/m,所以m4丄01290 3.9 5031kg圭寸頭質(zhì)量m：公稱直徑DN=2600mm壁厚S =20mm直邊高度ho=50mn的標準橢圓形 封頭，查表（ 313 頁）得其質(zhì)量 m2'1230kg ，所以W1=m1+m2=5031+2460=7491kg2.2.2 液氨質(zhì)量 W2式中 :V 貯罐容積， m3；P液氨的密度，在0C時液氨的密度為640kg/m3。小于水的密度，故充液氮 質(zhì)量按水考慮筒體公稱直徑DN=2600m筒體長度L°=4.0m,查（312頁），得封頭容積為

10、Vh=2.56m3, 則貯罐總?cè)莘e為于是2.2.3 其他附件質(zhì)量 W3人孔約重200kg，其它接口管的總重約 300kg。于是 W=500kg。2.2.4 設(shè)備總質(zhì)量 WW=W1+W2+W3=7491+28525+550=33316kg2.2.5 鞍座的選擇每個鞍座承受的負荷為根據(jù)鞍座承受的負荷，查表 （ 化工設(shè)備機械基礎(chǔ) ，大連理工大學出版社，附錄16 可知，選擇輕型 （A） 帶墊板，包角為 120°的鞍座。即 JB/T4712-1992 鞍座 A2600-F，JB/T4712-1992鞍座A2600-S。其標準尺寸如下：安放位置：筒體長度式中A鞍座與封頭切線之間的距離，mmL1兩

11、鞍座間距，mm由于筒體 L/D 較大，且鞍座所在平面又無加強圈，取2.3 選擇人孔并核算開孔補強2.3.1 人孔選擇壓力容器人孔是為了檢查設(shè)備的內(nèi)部空間以及安裝和拆卸設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)件。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。一般人孔有兩個手柄。根據(jù)儲罐是在常溫下及設(shè)計壓力為2.13MPa的條件下工作,人孔的標準按公稱壓力為2.5 MPa等級選取?？?慮到人孔蓋直徑較大較重,故選用水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔(HG 21524-95)，公稱直 徑為450mm突面法蘭密封面(RF型)。該人孔結(jié)構(gòu)中有吊鉤和銷軸，在檢修時只需松 開螺栓將蓋板繞銷軸旋轉(zhuǎn)，即可輕松進入，而不必將其取下以節(jié)約維修時間。查得該 人孔

12、的有關(guān)數(shù)據(jù)如下：該水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔的標記為：HG21523-95人孔RFV(A?G 450-2.5 其中RF指突面密封，V指接管與法蘭的材料為16MnR A?G是指用普通石棉橡膠板墊片，450-2.5是指公稱直徑為450mm公稱壓力為2.5 Mpa。開孔補強的計算.由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管，故不能直接選用補強圈標準。由表4.1知本設(shè)計所選用的人孔筒節(jié)內(nèi)徑 d = 450mm壁厚S nt = 12mm據(jù)此差得補強圈尺寸(JB/T 4736-2002)為：外徑 D2=760mm 內(nèi)徑 D=450+2X 12+14=488mm開孔補強的有關(guān)計算參數(shù)如下：(1) 開孔所需補強面積A對于圓

13、筒，殼體開口出的計算厚度為：PDt2P2. 132600216312. 1317. 02mm開孔直徑d di 2C 4502 (0.82)455.6mm。由于接管材料與殼體材料都為16MnR故fr=1，內(nèi)壓容器的圓筒開孔強面積為:2A d 2 et(1 fr) mm(4.1)式中d開孔直徑，圓形孔取接管內(nèi)直徑加兩倍壁厚附加量，mmS殼體開孔處的計算厚度，mmS et接管有效厚度，mmfr 強度削弱系數(shù)，等于設(shè)計溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比值。 代入數(shù)據(jù)得：開孔所需補強面積有效寬度B二者中取較大值 B=911.2mm(3)有效高度外側(cè)高度 h1二者中取較小值 h1=73.94mm內(nèi)側(cè)高度

14、 h2二者中取較小值 h2=0mm。(4) 補強面積 Ae在有效補強范圍內(nèi)，可作為補強的截面積按下式計算式中Ae補強面積，mmA 殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，mmA接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，mm2A3 焊縫金屬截面積， mm。計算如下： 其中接管有效厚度為 故A2 2h1( et t) 2h2( et C2)fr(4.4)其中接管計算厚度為故 A22 73. 94 (9.2 2. 996) 1 0917. 44752 mm2焊縫金屬截面積 故補強面積A為由于 Ae A ，故開孔需另加補強，其另加補強面積為補強圈厚度S圓整后取'26mm補強材料與殼體材料相同為1

15、6MnR2.4 選配工藝接管2.4.1 液氨進料管采用57X 3.5 mm無縫鋼管。管的一端切成45°，伸入儲罐內(nèi)少許。配用突面板式平焊管法蘭： HG20592-97 法蘭 PL50-2.5 RF-16MnR2.4.2 液氨出料管在化工生產(chǎn)中，需要將液體介質(zhì)運送到與容器平行的或較高的設(shè)備中去，并且獲 得純凈無雜質(zhì)的物料。故采用可拆的壓出管25 3mm將它用法蘭固定在接口管573. 5mm內(nèi)。罐體的接口管法蘭采用 HG20592-97法蘭WN50-2.5 RF-16MnR與該法蘭相配并焊 接在壓出管的法蘭上，其連接尺寸和厚度與 HG20592-97法蘭SO32-2.5 RF-16-Mn

16、R相 同，但其內(nèi)徑為 25mm。液氨壓出管的端部法蘭采用 HG20592-97法蘭SO32-2.5 RF-16-M nR。這些小管都不必補強。壓出管伸入貯罐2.5m243排污管貯罐右端最底部安設(shè)一個排污管，管子規(guī)格：57 3.5m m,管端焊有一與截止閥J41W-16相配的管法蘭HG20592-97法蘭SO20-1.6RF-16-MnR。排污管一罐題連接處焊 有一厚度為10mm的補強圈安全閥接口安全閥接管尺寸由安全閥泄放量決定。本貯罐選用32 3. 5mm勺無縫鋼管，法蘭為HG20592-97法蘭SO25-1.6 RF-16MnR （尺寸由安全閥泄露放量決定）液面計接口管本貯罐采用透光式玻璃板

17、液面計 AT 2.5-W-1450V兩支。與液面計相配的接管尺寸為 183mm,管法蘭為 HG20592-97 法蘭 SO15-1.6RF-16MnR放空管接管口為了在注入液體時，將容器內(nèi)的空氣排到罐體外以便能順利快速地注入，需安設(shè)一放空管。采用 32 3. 5mn無縫鋼管，法蘭為 HG20592-97 法蘭 SO25-1.6 RF-16MnR。第三章參數(shù)校核3.1筒體軸向應(yīng)力校核筒體軸向彎矩計算筒體中間處截面的彎矩用下式計算2 2.2 RmhiM1(8-1)FLl24A4 4hiL3L式中F 鞍座反力，N;R m筒體的平均直徑，mmL 筒體長度，mmA 支座中心線至封頭的距離，mmh i封頭

18、內(nèi)壁的曲面高度，mm其中,支座處截面上的彎矩2 . 21 ARmhi1MFA 1L2AL筒體軸向應(yīng)力計算1 403L所以RDN 2 n2600 20 2320 mm所以m22 M |,由化工機械工程手冊(上卷，P1199得Ki=K2=1.0。因為丨M丨>>| 且Av R/2=660mm故最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面應(yīng)力。(1)由彎矩引起的軸向應(yīng)力筒體中間截面上最高點處1. 054Pa最低點處：鞍座截面處最高處:最低點處：(2) 由設(shè)計壓力引起的軸向應(yīng)力所以(3) 軸向應(yīng)力組合與校核最大軸向拉應(yīng)力出現(xiàn)在筒體中間截面最低處，所以81.731.05482. 784MPa許用軸向拉

19、壓應(yīng)力c=163MPa而c 2< (T t合格1.054MPa最大軸向壓應(yīng)力出現(xiàn)在充滿水時，在筒體中間截面最高處，i軸向許用應(yīng)力根據(jù)A值查外壓容器設(shè)計的材料溫度線圖得 B=130MPa取許用壓縮應(yīng)力 c ac=130MPa |c 1 I < c ac，合格。3.2筒體和封頭切向應(yīng)力校核因筒體被封頭加強，筒體和封頭中的切向剪應(yīng)力分別按下列計算筒體切向應(yīng)力計算K3 F0. 880163340Rme132017. 2封頭切向應(yīng)力計算由化工機械工程手冊(上卷，P11-100)查得Q0.880，30.401。6. 33MPa所以t1. 25h 1. 251.2516312132600217.

20、242. 76MPa因t h< 1.25 ct- c h,所以合格3.3筒體環(huán)向應(yīng)力的計算和校核 環(huán)向應(yīng)力的計算設(shè)墊片不起作用(1)在鞍座處橫截面最低點5k K5 Fe b2(8-5)式中b 2筒體的有效寬度，mm由化工機械工程手冊(上卷,P11-101)查得，Q0.7603 ,K6=0.0132。式中k=0.1 , 考慮容器焊在鞍座上b2 b 1.56. Re(8-6)式中b 鞍座軸向?qū)挾?，mm所以所以(2)鞍座邊角處軸向應(yīng)力因為 L/Rm=3900/1320=2.95v 8,且F4b2 e3K6F(8-7)所以環(huán)向應(yīng)力的校核5 |< (T F=163MPa 合格。|c|v 1.

21、25 c=1.25 X 163=203.75MPa 合格。3.4鞍座有效斷面平均壓力鞍座承受的水平分力Fs K9 F(8-8)由化工機械工程手冊(上卷，P11-103)查得，K9=0.204所以Fs0. 20416334033321.36N。鞍座有效斷面平均應(yīng)力FsHs bo(8-9)式中Hs鞍座的計算高度，mmb o鞍座的腹板厚度，mm其中H取鞍座實際高度（H=250m）和R/3=1320/3=440mm中的最小值，即H=250mm腹板厚度5=3 2-Ci=10-0.8=9.2mm。所以應(yīng)力校核式中csa=140MPa鞍座材料 Q235-AF的許用應(yīng)力第四章設(shè)計匯總4.1符號匯總序號名稱指標

22、材料1設(shè)計壓力2.2MPa2工作溫度< 50C3物料名稱液氨4容積79.36m35筒體DN2600X 20mm L=3900mm16MnR6封頭DN650< 20mm h=50mm16MnR7鞍座JB/T4712-92 鞍座A3600-FJB/T4712-92 鞍座A3600-SQ235A.F8人孔HG21524-95 人孔 RF V(A?G 450-2.5組合件9補強圈16MnR10液面計液面計 AT 2.5-W-1450V組合件11液面計接管57 3.5mm， L=200mm16MnR12進料管76 4mm，L=200mm16MnR13出料管57 3.5mm，L=200mm16

23、MnR14壓料接管25 3mm， L=3708mm20R15排污管57 3.5mm，L=200mm20R16放空管32 3.5mm，L=200mm20R17安全閥接管32 3.5mm， L=200mm20R18法蘭配合以上接管Q235A4.2公式匯總名稱公式出處貯罐總質(zhì)量m=rr+m+m+m化工機械基礎(chǔ)（陳國恒主編）P312罐體質(zhì)量m=q1Lo土寸頭質(zhì)量m=2q2充液質(zhì)量R3=V-p筒體中間處橫面的彎矩化工容器設(shè)計例題、習題集（蔡仁良）P97支座處截面的彎矩由彎矩引起的軸向應(yīng)力（最高點處）化工容器設(shè)計例題、習題集（蔡仁良）P170由彎矩引起的軸向應(yīng)力（最低點處）設(shè)計壓力引起的軸向應(yīng)力軸向拉應(yīng)力

24、軸向壓應(yīng)力軸向許用壓縮應(yīng)力筒體切向剪應(yīng)力化工機械工程手冊（上卷）（余國琮）封頭切向剪應(yīng)力鞍座處橫截面取低點處環(huán)向應(yīng)力鞍座邊角處軸向應(yīng)力化工容器設(shè)計例題、習題集（蔡仁良）P171支座承受的水平分力鞍座有效斷面平均應(yīng)力補強圈內(nèi)徑D=di +2C+（12 16）化工機械工程手冊（上卷）（余國琮）P11-163補強圈厚度化工機械基礎(chǔ)（陳國恒主編）P221第五章小結(jié)通過2周對液氨儲罐的機械設(shè)計，我更加深入的了解了液氨儲罐的設(shè)計過程，在 設(shè)計由于儲罐體積較小，采用的是臥式圓筒形容器。通過這次課程設(shè)計是對這門課程 的一個總結(jié)，對化工機械知識的應(yīng)用。設(shè)計時要有一個明確的思路，要考慮多種因素包括環(huán)境條件和介質(zhì)的性質(zhì)等再選 擇合適的設(shè)計參數(shù)，對罐體的材料和結(jié)構(gòu)確定之后還要進行一