液氨储罐的设计.doc

《液氨储罐的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液氨储罐的设计.doc（25页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流液氨储罐的设计.精品文档.化工设备机械基础课程设计题 目：液氨贮罐的机械设计班 级： 07080102 学 号： 0708010213 姓 名： 陈 剑 指导教师： 崔 岳 峰 沈阳理工大学环境与化学工程学院2010年11月设计任务书课题：液氨储罐的机械设计设计内容：根据给定的工艺参数设计一台液氨储罐。已知工艺参数：最高使用温度：T=50公称直径：DN=3000mm筒体长度：L=4500mm具体内容包括：（1） 筒体材料的选择（2） 储罐的结构和尺寸（3） 罐的制造施工（焊接 焊缝）（4） 零部件的型号、位置和接口（5） 相关校核计算设计人：

2、陈剑学号：0708010213下达时间：2010年11月19日完成时间：2010年12月24日目 录前 言11 液氨储罐的设计背景22 液氨储罐的分类和选型32.1 储罐的分类32.2 储罐的选型33 材料用钢的选取43.1 容器用钢43.2 附件用钢44 工艺尺寸的确定54.1 储罐的体积55 工艺计算65.1 筒体壁厚的计算65.2 封头壁厚的计算65.3 水压试验75.4 支座75.4.1 支座的选取75.4.2 鞍座的计算75.4.3 安装高度95.5 人孔的选取95.6 人孔补强95.6.1 人孔补强的计算95.6.2 不需补强的最大开孔直径115.7 接口管125.7.1 液氨进料

3、管125.7.2 液氨出料管125.7.3 排污管125.7.4 液面计接管125.7.5 放空接口管135.7.6 安装阀接口管136 参数校核146.1 筒体轴向应力校核146.1.1 筒体轴向弯矩的计算146.1.2 筒体轴向应力的计算146.2 筒体和封头切向应力的校核156.2.1 筒体切向应力的计算156.2.2 封头切向应力的计算166.3 筒体环向应力的计算与校核166.3.1 环向应力的计算166.3.2 环向应力校核176.4 鞍座有效断面平均压力177 总结188 设计结果一览表199 液氨储罐化工设计图20参考文献21前 言本学期在学习完化工设备机械基础理论课同时，老师

4、下设了关于化工设备机械基础的课程设计-液氨储罐的机械设计，让我们学好理论知识的同时让我们懂得如何将学到的理论知识运用到实际生产中去，懂得如何综合考虑实际问题。本次设计是关于液氨储罐的设计，在老师给定的相关条件下，充分利用课堂上学到的理论知识发散思维、扩宽视野使之能更好的联系实际的生产，在实际的操作中我们应考虑的问题非常多，比如说：液氨的一些性质、容器的受压情况、操作的压力、操作的温度等等。充分考虑上述条件的同时设计出符合标准的液氨储罐。这样不仅使我们所学的理论知识的到进一步的提高，也使我们可以了解到更多的实际生产中应该注意的问题，使我们收益匪浅。通过这次课程设计是我深刻了解到理论知识与实际应用

5、的差别，让我们学到了很多东西比如：如何联系实际考虑问题，分析问题，解决问题。考虑到经济上的问题去解决问题。使我们学到很多有用的东西。1 液氨储罐的设计背景化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。然而化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。因此在容器的设计中应综合考虑个方面的因素，使之达到最优。液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，还可用作医药和农药的原料。在国防工业中用于制造火箭、导弹的推进剂，可用

6、作有机化工产品的氨化原料，还可用作冷冻剂，将氨进行分解，分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保护气氛的其它工业和科学研究中。为能够进行连续的生产，需要有储存液氨的容器，因此设计液氨贮罐是制造贮罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。2 液氨储罐的分类和选型2.1 储罐的分类储罐按其形式可分为方形和矩形容器、球形容器、圆筒形容器（立式、卧式）。按其承压性质和能力可分为内压和外压，内压容器又可分为常压、低压、中压、高压、超高压等五类。根据使用时候的壁温，可分为常温容器、高温容器、中温容器和低温容器。按其结构材料分类，容器有金属制的和非

7、金属制的两类。按其反应情况可分为反应压力容器（R）、换热压力容器（E）、分离压力容器（S）、储存压力容器（C）等。2.2 储罐的选型在本设计中经初步计算设计体积较小（约为3540 m3）且工作压力较小（p0=2.125MPa），因此可采用卧式圆筒形容器（因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好），方形和矩形容器大多只在很小设计体积时采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力较强且节省材料，但制造较难和安装内件不方便，一般不使用。立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱，综合上诉考虑本设计选用圆筒形卧式容器。3 材料用钢的选取3.1 容器用

8、钢压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。一般的低压设备可采用屈服极限为245Mpa345Mpa级别的钢材；直径较大、压力较高的设备，均可采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或者以上；如果容器的操作温度超过400还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。16MnR（GB 6654-1996）钢在板厚为16-36mm时候的屈服极限是350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊条（J50

9、7），15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为370、500Mpa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵。因此，选用16MnR GB（6654-1996）钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值。3.2 附件用钢优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，一般不宜用作接口管用钢。由于接管要求焊接性能好且塑性应该较好，故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管

10、（因为低碳钢的塑性和韧性较好。因此，其冷成形性良好可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢翅具有良好的焊接性）。由于法兰必须具有足够大的强度和刚度且能耐腐蚀，成本低廉等，综合上诉考虑选用Q235-A（强度极限400Mpa，屈服极限240Mpa）的普通低碳钢。但是应注意容器法兰与管法兰不能互换。4 工艺尺寸的确定4.1 储罐的体积筒体长度：L=4500mm 公称直径：DN=3000mm则圆柱形筒体的体积为： （4.1）筒体的总内表面积： （4.2）封头壁厚为22mm ，则取直边高度为50mm。经查表的则封头的总容积为：单个封头的表面积： 封头的总内表面积为：筒体的总体积为：V=筒体的总内表

11、面积：长径比为： (4.3)5 工艺计算5.1 筒体壁厚的计算根据公式： (5.1)式中： 圆筒的计算压力，MPa； 圆筒的内径，mm；钢板在设计温度t下的许用应力，MPa； 焊接接头系数，1;在设计温度为50时候，氨的饱和蒸汽压为（绝对压力），储罐的表压为：，在容器上有安全阀的时候取1.05 1.1为最高工作压力的设计压力。即：P=1.116MnR在40的时候许用压力为：（见附表）公称直径Di=3000mm (双面对接焊缝，100%探伤，见表)由于液氨有一定的腐蚀性，故属于单面腐蚀，取查表 ：取钢的负偏差则筒体的计算壁厚圆整后，圆筒的名义厚度为5.2 封头壁厚的计算本设计采用标准椭圆封头（2

12、:1）即：K（形状系数）=1.0。根据公式，封头的设计壁厚为： (5.2)查表：取钢板的负偏差，则筒体的计算壁厚为：。上式中（因钢板的最大宽度为3m，此储罐直径为3000mm故封头需焊后冲压），其他符号同前。考虑冲压减薄量，圆整后取名义厚度的16MnR钢制作封头。5.3 水压试验很据公式： (5.3)其中： （查表得：）故符合工艺条件的要求。5.4 支座5.4.1 支座的选取支座用来支撑容器的重量，固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。卧式圆筒形容器的支座分为鞍座、圈座和支腿三类。常见的卧式容器和大型卧式储罐大多采用鞍座。主要由于鞍座的承压能力较好且对筒体的局部阻力较小，故采用鞍座。鞍座又分

13、为轻型（A）和重型（B）两大类，每种形式的鞍座又分为固定支座（F）和滑动支座（S），在一台容器上F型与S型总是配对使用。本设计中由于储罐的体积较小且长径比较小，故采用A型双鞍座，在、其中一个为F型另一个为S型。5.4.2 鞍座的计算首先估算鞍座的负荷。储罐的总质量：式中：m1为筒体质量（kg），m2为封头质量（kg），m3为液氨质量（kg），m4为附件质量（kg）。筒体的质量m1 DN=3000mm，的筒节，每米的质量为1640kg（查表4得）故封头的质量m2DN=3000mm，直边高度h=50mm的标准椭圆形封头，其质量为1780kg（查表6），故液氨的质量m3上式中：为装料系数，取0.7;

14、 V为贮罐容积，V=39.58 m3 为液氨在-200C时候的密度为665kg/m3。故：18424.5kg附件的质量：人孔约重200kg ，其他接口管的总重约为350kg。则：m4=550kg经过上述计算得：由于每个鞍座承受约146kN负荷，故选用轻型带垫板包角为1200的鞍座，即JB/T4712-1992鞍座A3000-F, JB/4712-1992鞍座A3000-S。表3.1 A型支座系列参数尺寸公称直径DN允许载荷kN高度H底板腹板筋板垫板地脚螺栓弧长规格3000786250218036014103413164063490500106528M245.4.3 安装高度储罐的总长我为：L=

15、4500+（750+50）x2=6100mm=6.1m 由公式：L2ala0.208L得：a为鞍座离罐体一端的距离，l为两鞍座之间的距离。计算的，a=1.27m=1270mm， l=3.56m=3560mm。5.5 人孔的选取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。一般的人孔有两个手柄。人孔分为：板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔、带颈对焊法兰人孔。根据储罐在常温下及高温工作压力为2.125Mpa的条件下工作，人孔的标准公称压力为2.125Mpa等级选取，考虑到人孔较大较重，故选用水平呆吊盖带颈对焊法兰人孔。公称直径为450mm，

16、突面法兰密封面。表4-1 水平吊盖带颈对焊法兰人孔标准尺寸公称压力MPa公称直径mmdwSDD1dbb1b2AH1H2d02.54504801267060045046404438032021436该人孔标记为：人孔RF （AG）450-2.5 HG21524-955.6 人孔补强5.6.1 人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，壳壁因除去可一部分承载的金属材料而被消弱，进而出现应力集中的现象。为保证容器的安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强以降低峰值的应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富进而被广泛使

17、用。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，本设计所选用的人孔筒节内径为，壁厚。由标准查得补强圈尺寸为：外径，内径。 开孔补强的有关计算如下：(1) 不计焊缝系数的筒体计算壁厚： (5.5)(2) 开孔所需补强的面积A： 开孔直径： 开孔所需的补强面积：(3) 补强有效区的范围： 有效宽度B： (5.6) 取二者中之大值 外侧有效高度： (5.7) 或 取二者中的最小值 内侧有效高度： (5.8) 或 取二者中之小值(4) 有效补偿面积 (5.9) 式中 补强面积，；壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，； 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，； 焊缝金属截面积，；其中

18、 (5.10)筒体的有效厚度为：接管材料选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故，代入上式得接管计算厚度 (5.11)有效补强面积因，所以开孔需另加补强。所需补强面积(5) 补强圈厚度圆整后取26mm，补强材料与壳材料相同，为16MnR5.6.2 不需补强的最大开孔直径由于钢板具有一定的规格，壳体的壁厚往往超过实际强度的需要，厚度增加，使最大应力降低，相当于容器已被整体加强，并且容器的开孔总有接管相连，其接管多于实际需要的壁厚也起补强作用。同时由于容器材料具有一定的塑性储备，允许承受不大的局部应力。故当孔径不超过一定数值时，可不进行补强。不需要补强的条件:设计压力小于或等于 2.5MPa

19、；两相邻开孔中心的间距应不小于两孔径之和的两倍；接管公称外径小于或等于89mm；接管最小壁厚满足下表的要求。接管最小壁厚接管公称直径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0 注:接管的腐蚀裕量为1mm5.7 接口管5.7.1 液氨进料管进料管伸进设备内部并将管口的一端切成450 ，为了是避免物料沿设备内壁流动一减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。取的低合金无缝钢管。配用具有凸面密封的平焊管法兰，法兰标记：HG20592 法兰PL68-1.6 RF 16Mn5.7.2 液氨出料管在化工生产中，有时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

20、无杂质的物料。故采用可拆的压料管排料方式。取压出管，将它用法兰固定接口管内。筒体的接口管法兰采用HG20592 法兰PL32-1.6 RF16Mn相配并焊接在压出管的法兰上，其连接尺寸和厚度与HG20592 法兰PL32-1.6RF16Mn内径为25mm液氨压出管的端部法兰采用HG20592 法兰PL20-1.6 RF 16Mn。5.7.3 排污管在清洗储罐时候，为了能将废液完全排除储罐外，液氨介质会腐蚀管壁而出现沉淀，故需在筒体底部安设排污管一个。因此管子规格取为：，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的法兰HG20592 法兰PL50-1.6 RF 16Mn。5.7.4 液面计接管液面计是

21、用来观察设备内部液位变化的一种装置，通过测量液位来确定容器中物料的数量。由于设备不大且压力较小，物料洁净。故采用玻璃管防霜液面计AI2.5-1260-50 HG/T21550-93两支。与液面计相配的接口管尺寸为：，管法兰HG20592 法兰PL15-1.6 RF 16Mn5.7.5 放空接口管为了在注入液体时，能将容器内的空气排到罐体外以便能顺利快速的注入，需要安设一个放空管。采用的无缝钢管，管法兰为：HG20592 法兰 PL25-2.5 RF 16Mn5.7.6 安装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，因此需设一安全阀，安全阀的接口管尺寸由安全

22、阀泄放量决定。因此选用的无缝钢管，管法兰HG20592 法兰 PL25-1.6 RF 16 Mn。接口管中，因其选择的条件在不需补强的条件之内，因此，以上接口管在筒体上的开孔不需要补强。6 参数校核6.1 筒体轴向应力校核6.1.1 筒体轴向弯矩的计算筒体中间处截面的弯矩为： (6.1)式中:F鞍座反力（N）；Rm椭圆封头长半轴外半径（mm）；L两封头切线之间的距离（mm）；A鞍座的位置（mm）；hi筒体内半径（mm）；其中Rm=1522mm支座处截面上的弯矩: （6.2）故：6.1.2 筒体轴向应力的计算由化工机械工程手册（上卷，P1199）得K1=K2=1.0。因为M1M2，且ARm/2=

23、762mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。（1）有弯矩引起的轴向应力筒体中间截面上最高点处： （6.3）所以最低点处：。鞍座截面处最高点处：最低点处：（2）有设计压力引起的轴向应力 由： （6.4） 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，所以有：许用轴向拉压应力t=163MPa，而2t合格。 最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处，轴向许用应力，根据A值查外压容器设计的材料温度线图5得B=150MPa，取许用压缩应力ac=150MPa，1ac，合格。6.2 筒体和封头切向应力的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

24、列计算6.2.1 筒体切向应力的计算由化工机械工程手册（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以6.2.2 封头切向应力的计算因h1.25t-h,所以合格。6.3 筒体环向应力的计算与校核6.3.1 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 （6-5）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=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1，考虑容器焊在鞍座上 （6.6）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=6144/1522=4.148,且 （6.7）所以：6.3.2 环向

25、应力校核5t=163MPa，合格。1.25t=1.25163=203.75MPa，合格。6.4 鞍座有效断面平均压力鞍座承受的水平分力 （6-8）由化工机械工程手册（上卷，P11-103）查得，K9=0.204。所以。鞍座有效断面平均应力 （6.9）式中 Hs鞍座的计算高度，mm； b0鞍座的腹板厚度，mm。其中Hs取鞍座实际高度（H=250mm）和Rm/3=1522/3=507mm中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度b0=2-C1=10-0.8=9.2mm。所以应力校核，式中sa=140MPa，鞍座材料Q235AF的许用应力。7 总结在设计中，由于液氨储罐容积较小，故采用卧式圆筒形容器，

26、因此长径比较小。在选材时候综合考虑材料的物理，力学性能，耐腐蚀性，经济性。在进行工艺计算后在进行了强度校核。在结构设计时，查阅资料参照相关的标准选择附件。设计完毕后，参照设计结果绘制了储罐设备图。由于所学知识有限，再设计中还有很多不明之处，需要继续学习，以补充知识的缺陷。通过设计，是我学到了分析，考虑，解决问题的综合能力，增加了设计的经验，而且通过绘制设备图也提高了自己的手工绘制图标的能力，真的是受益匪浅。8 设计结果一览表序号名称指标材料1设计压力2.125Mpa2工作温度=503物料名称液氨4容积5筒体16MnR6封头16MnR7鞍座JB/T4712-1992鞍座A3000-F JB/T4

27、712-1992鞍座A3000-SQ235A-F8人孔RF （AG）450-2.5 组合件9补强圈1010液面计接管1011玻璃管液面计AI2.5-1260-50，组合件12进料管1013出料管1014压料接管1015排污管1016放空管1017安全阀接管1018法兰配合以上各接管Q235-A9 液氨储罐化工设计图（见附图）参考文献1 谭蔚.化工设备设计基础M.天津：天津大学出版社，20072 王菲 林英. 化工设备用钢M .北京：化学工业出版社，20043 陈志平 曹志锡.过程设备设计与选型基础M.浙江：浙江大学出版社，20054 丁伯明 黄正林.化工容器M.北京：化学工业出版社，20035 王志文 蔡仁良.化工容器设计M. 北京：化学工业出版社，20056 钱自强.大学工程制图M.上海：华东理工大学出版社，20057 陈声宗.化工设计M. 北京：化学工业出版社，2001