1、液氨贮罐机械设计说明书化学工程与工艺设计课程液氨贮罐机械设计说明书设计者：曹德亮学 号：0708010113指导教师：崔岳峰完成时间：2010.12.26设计任务书课题：液氨贮罐的机械设计设计内容： 已知工艺参数： 最高使用温度T=50 公称直径DN=3000mm 筒体长度（不含封头）L0=4400mm具体设计内容：1、 筒体材料2、 罐的结构、尺寸3、 零部件型号、位置及接口4、 相关校核计算设计人：曹德亮学号：0708010113下达时间：2010年11月19日完成时间：2010年12月29日目录1. 前言 12. 液氨的物理化学性质 23. 具体设计内容 33.1. 筒体封头材料 33.
2、2. 罐的结构、尺寸 33.2.1. 封头的选择 33.2.2. 人孔的选择 33.2.3. 支座的选择 33.2.4. 法兰形式 33.3. 零部件型号及位置、接口 43.3.1. 液面计的选择 43.3.2. 压力计的选择 43.3.3. 接口的选择 44. 设计计算 64.1. 筒体厚度计算 64.2. 封头尺寸计算 64.3. 水压试验及强度校核 64.4. 人孔尺寸计算 74.5. 鞍座尺寸计算 85. 筒体强度校核 96. 结束语 117. 参考文献 128. 附图 131. 前言综合运用所学的课程知识设计一个液氨的储罐，本着认真负责的态度，对储罐进行设计，在设计过程中综合考虑了经
3、济性，实用性，安全可靠性。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。本设计书主要介绍了液氨罐的筒体、封头的设计计算。并考虑到结构、施工、环境温度等方面的要求，合理地进行设计。对各处接口管均查表查手册找到相应的标准合适的规格并进行校核验算验证能否承受压力等条件，进行有依据有条理的设计。 2. 液氨的物理化学性质液氨，又称为无水氨，是一种无色液体。具有腐蚀性，且容易挥发，分子式：NH3，分子量：17，相对密度(水1)：0.7067(25)，自燃点：651.11，熔点()：-
4、77.7，沸点()：-33.4 ，1水溶液PH值：11.7，比热容4.609 kJ(kgK)饱和蒸气压：2.032MPa(50)3. 具体设计内容3.1. 筒体封头材料纯液氨腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材,但由于压力较大,可以考虑20R或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钢板比较经济。所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。3.2. 罐的结构、尺寸3.2.1. 封头的选择从受力与制造方面分析来看，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；椭圆封头深度比
5、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。从钢材耗用量来看：球形封头用材比椭圆封头节约，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用标准椭圆形封头最为合理。3.2.2. 人孔的选择综合考虑公称压力、公称直径、工作温度以及材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有较大的灵活性。通常可以根据操作需要,在这考虑到人孔盖直径较大较重,故选用碳钢水平吊盖人孔，人孔垂直安装。3.2.3. 支座的选择容器支座有鞍座,圈座和支腿三种,用来支撑容器的重量。鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。从应力分析看，承受同样载荷且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多
6、支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但在实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支撑平面的影响如容器筒体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性等等，均会影响支座反力。因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。所以一台卧式容器支座一般情况不宜多于二个。圈座一般对于大直径薄壁容器和真空操作的容器。腿式支座简称支腿，因这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力，故只适合用于小型设备（DN1600，L5m）。综上考虑在此选择鞍式支座作为储罐的支座。3.2
7、.4. 法兰形式法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。本设计应用到管法兰的连接，按照公称直径和公称压力均可选板式平焊法兰。3.3. 零部件型号及位置、接口3.3.1. 液面计的选择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、浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常用前两种。玻璃板液面计有透光式和反射式两种结构，其适用温度一般在0-250。但透光式适用工作压力较反射式高。玻璃管液面计适用工作压力小于1.6MPa，介质温度在0-250的范围。液面计与容器的连接型式有法兰连接、颈部连接及嵌入连接，分别用于不同型式的液面计。液面计的选用1
8、玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结晶等堵塞固体的场合。板式液面计承压能力强，但是比较笨重、成本较高。2玻璃板液面计一般选易观察的透光式，只有当物料很干净时才选反射式。3当容器高度大于3m时，玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果受到限制，应改用其它适用的液面计。液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重的堵塞现象本该选用玻璃管液面计。但由于公称压力、公称直径原因选择透光式玻璃板液面计，由公称直径L=3000mm所以选用两支长度为1750mm液面计，主材为锻钢，标准号为HG21589.1-.2-95。法兰形式长颈对焊凸面管法兰（HG20595-97）标记为：液面计T 2.5-3.3.
9、2. 压力计的选择 取量程为公称压力的2倍的压力表。3.3.3. 接口的选择3.3.3.1. 液氨进料管采用无缝钢管764mm （HG 20592-97;HG20635-97），管长400mm。采用板式平焊法兰HG20593GB/T9119。3.3.3.2. 液氨出料管采用无缝钢管764mm （HG 20592-97;HG20635-97），管长3300mm。采用板式平焊法兰HG20593GB/T9119。3.3.3.3. 排污管在罐底部设置排污管，采用573.5mm（HG 20592-97;HG20635-97）的无缝钢管。管长400mm采用板式平焊法兰HG20593GB/T9119。3.3
10、.3.4. 放空阀接口管采用573.5mm（HG 20592-97;HG20635-97）的无缝钢管。管长400mm采用板式平焊法兰HG20593GB/T9119。3.3.3.5. 压力表接口管采用573.5mm（HG 20592-97;HG20635-97）的无缝钢管。管长400mm采用板式平焊法兰HG20593GB/T9119。4. 设计计算4.1. 筒体厚度计算查得50液氨饱和蒸汽压为2.032Mpa，取P=1.12.032=2.2352Mpa为设计压力，计算厚度估计在16-36mm查得许用应力为=163Mpa，取焊接接头系数为0.85（双面焊）,罐的横向应力 （4-1）式中 P筒体的设
11、计压力，Mpa D筒体内径，mm 筒体横向应力，Mpa 筒体壁厚，mm罐的纵向应力 （4-2）式中 P筒体的设计压力，Mpa D筒体内径，mm 筒体横向应力，Mpa 筒体壁厚，mm L筒体长度，mm取较大的应力 （4-3）式中 钢板在设计温度下的许用应力，Mpa则D=DN+mm （4-4）由于钢板生产存在偏差，所以取负偏差由于液氨对罐体的腐蚀，所以取腐蚀裕量所以mm圆整后取28mm为筒体壁厚。4.2. 封头尺寸计算采用标准椭圆封头，各项参数与筒体参数相同，所以封头厚度也取28mm。4.3. 水压试验及强度校核在50下，水压实验压力 （4-5）式中 Pt，水压试验压力，Mpa P，设计压力，Mp
12、a ，钢板在设计温度下的许用应力，Mpa ，钢板在设计温度下的许用应力，Mpa水压试验应力 （4-6）式中 Pt，水压试验压力，Mpa DN，筒体长度，mm ，筒体有效厚度，mm28mm16MnR钢板许用应力为 （4-7）式中 ，钢板在设计温度下的许用应力，Mpa ，材料强度指标，Mpa ，焊接系数故筒体满足水压试验时的强度要求。4.4. 人孔尺寸计算根据储罐是在常温下及最高工作压力为2.2352MPa的条件下工作,人孔的标准按公称压力为2.5MPa等级选取，考虑到人孔盖直径较大较重,故选用碳钢水平吊盖人孔，公称直径400mm,凹凸法兰密封面，按照PN为2.5MPa为标准采用带颈对焊法兰。另外
13、还要考虑开孔补强问题，本设计所选用的人孔工程直径为400mm,由于在设计筒体壁厚的时候进行了圆整等设计方法使得实际壁厚比理论壁厚要稍厚些，这样在开孔需要补强的时候会有一部分的强度要求被多出理论壁厚的那部分筒体厚度所替代，所以在这里取补强面积等于开孔面积一定满足强度要求，开孔不在筒体焊缝上时补强圈面积A=d0.85=(di+2Ct)0.85=di+2(C1+C2)0.85 =398+2(0.8+1)0.8524.4=8329.184mm2，按照补强圈尺寸（JB/T4736-2002）的执行标准选择补强圈，以A型坡口为焊接形式，则补强圈内经为D1=400+4=404mm，外径D2=680mm。所以
14、补强圈厚度为 （4-8）式中 A补强圈面积，mm2 D2补强圈外径，mm D1补强圈内径，mm圆整到30mm。4.5. 鞍座尺寸计算首先粗略计算鞍座负荷，储罐总质量M=M1+ M2+ M3+M4 （4-9）式中 M1罐体质量，KgM2封头质量，KgM3液氨质量，KgM4其它零部件质量，KgM1的确定，查的DN=3000mm，的钢板重2091Kg/m，直边高度取50mm则L=4400+100=4500mm，则M1=20914.5=9409.5KgM2的确定，查得DN=3000mm，厚度为28mm的标准椭圆封头重为2300Kg，则M2=22300=4600KgM3的确定，由于进行水压试验，水密度大
15、于液氨密度，固按照水算其液体重量，筒体的容积V1=3.141.524.4=31.086m，查得标准椭圆封头（两个）容积为V2=23.89=7.78m（JB/T4737-95），所以V=31.086+7.78=38.866m，则M3=38.8661000=38866KgM4的确定，人孔质量按照HG20601标准为200Kg，接口管质量按照长度和规格查得进料管质量2.48Kg，出料管质量23.43Kg，排污管质量1.85Kg，放空阀接管质量1.85Kg，压力表接口管质量1.85Kg，则接口管总质量约为31.46Kg。补强圈按照JB/T4736-2002为标准质量为51.4Kg。法兰按照HG2059
16、3，20601 GB/T9119，9123为标准质量为4.292+3.23=18.18Kg。，包含液面计和压力计质量估计M4=310Kg。M= M1+ M2+ M3+ M4=53185.5Kg,查得JB/T4712-92选择高度为250mm的A型鞍座。允许载荷78.6tM, 故其承载能力足够。标记为：JB/T4712-92，鞍座 A3000-F。5. 筒体强度校核筒体截面的弯矩为 （5-1）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封头短轴内半径（mm）；其中Rm=1528mm所以代入式（5-1）得：5.92108Nmm
17、支座处截面上的弯矩为 （5-2）代入式（5-2）得Nmm因为，且ARm/2=763mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力：圆筒中间截面上最高点处： （5-3）式中 壁厚有效厚度，mm代入式（5-3）得=-3.08MPa最低点处： Mpa鞍座截面处：最高点处： =-0.06MPa最低点处： =0.06 Mpa由设计压力引起的轴向应力 （5-4）于是=65.18Mpa。最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低点处，于是=65.18+3.08 =68.26MPa (5-5)许用轴向拉压应力t=163MPa，合格。6. 结束语经过几周的紧张忙碌把这次设计做完了。期间得到崔老师的指导和同学的帮助，在此表示感谢，同时让我对一些机械设备的标准表格有一定的了解和知道其查找阅读方法，受益匪浅。崔老师还安排了专门的时间让我们来完成AUTO CAD的图，也让我感到生疏的制图又都熟悉起来了本次设计没遇到大困难，得到了很大的收获，希望以后能多给学生这种锻炼的机会来提高学生的查阅资料、总结文章和写作报告的能力。7. 参考文献1化工设备机械基础 董大勤 2002.122化工容器丁伯民 黄正林 2002.123化工机械基础第二版 陈国桓 2006.14钢制压力容器中华人民共和国国家标准GB 150-19985容器支座中华人民共和国行业标准 JB/T 4712-928. 附图
