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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：学号：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：陈剑学号：下达时间：日完成时间：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35—40m3）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
正在加载中，请稍后...1.前言；化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器；液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，还可用；本次课程设计是在我们学完《化工设备机械基础》这门；2.设计参数的确定；2.1；根据设计任务书要求筒体的公称直径DN=1700m；设计温度与设计压力的确定；2.2；筒体材料的选择；纯液氨腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材,但由于压力较；16MnR.这两种钢种；2.3
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。
本次课程设计是在我们学完《化工设备机械基础》这门课程后开的课程设计，目的就是设计一台液氨贮罐。根据设计任务书的要求，贮罐形式为圆筒形，由于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，故选用圆筒形卧式容器。设计内容主要包括，设计所需参数的确定，贮罐材料的选取，筒体和封头壁厚的计算以及相关校核，另外还有支座以及一些附件的选取与安装。最后汇出液氨贮罐的装配图。
2. 设计参数的确定
根据设计任务书要求筒体的公称直径DN=1700mm，储罐的最高工作温度为50℃，此时液氨的饱和蒸汽压为2.033MPa（绝对压力），容器的设计压力应该高于其最大工作压力，因此取此压强的1.10倍作为设计压力，故设计压力Pc为: Pc=（2.033-0.1）×1.10=2.126MPa
设计温度与设计压力的确定
筒体材料的选择
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。
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。由应力分析可知，椭圆形封头沿经线各点的应力是变化的，顶点处应力最大，在赤道上可能出现环向内压应力，对于标准椭圆形封头与壁厚相等的圆筒体相连接时，其可以达到与筒体等强度。几何方面，就单位容积的表面积来说，以半球形封头为最小。椭圆形和蝶形封头的容积和表面积基本相同，可以近似认为相等。
因此，从几何、力学和制造方面综合考虑，采用标准椭圆形封头最为合理。椭圆形封头的型式及尺寸按JB/T 4737-95《椭圆形封头》的规定标准椭圆形封头的长短轴比值为2。封头材料与筒体一样为16MnR。
许用应力的确定
制造容器所用的钢板，其在设计温度下许用应力值的大小，直接决定着容器强度，是主要设计参数之一。在GB 150《钢制压力容器》中，对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力，16MnR的许用应力见表2.1。
表2.1 压力容器用16MnR钢板的许用应力
常温强度指
热轧，正火
＞16～36 ＞36～60
510 490 470
σs MPa 345 325 305
≤20 170 163 157
100 170 163 157
150 170 163 157
在下列温度(℃)下的需用
焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成出大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构刚性约束造成焊接内应力过大等。所以焊接接头采用V坡口双面焊接,采用全部无损检测,其焊接接头系数由焊接接头系数表查得?=1.00。
焊接接头系数的确定
3. 设计工艺计算
筒体理论厚度计算式为：
筒体壁厚的计算
式中δ――筒体的理论计算壁厚，mm； pc――筒体计算压力，MPa；
Di――筒体内径，mm；
[σ]t――钢板在设计温度下的许用应力，MPa;
?――焊接接头系数，其值为1。
表4.1 压力容器用16MnR钢板的许用应力
其中设计压力Pc=2.126MPa，筒体内径DN=1700mm，设计温度下的许用应力[σ]t=170MPa，焊接接头系数?=1.00。 故筒体的理论厚度为：
2.126?1700
=10.697mm&16mm
2?170?1?2.126
由钢板厚度负偏差表查得C1=0.8mm，由于液氨对金属有一定的腐蚀，取腐蚀裕量C2=2mm，所以筒体壁厚为：
设计厚度?d???C2?10.697?2?12.697mm
将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整到钢板的标准规格厚度 名义厚度?n??d?C1???12.697?0.8???13.497??
圆整后选取名义厚度δn=14mm的16MnR钢板。
有效厚度为?e??n?C1?C2?14?0.8?2.0?11.2mm
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：
2.126?1700
2?170?1?0.5?2.126
?d???C2?10.663?2?12.663mm 名义厚度?n??d?C1?12.663?0.8?13.463mm圆整后?n?14mm，所以封头的壁厚为14mm。 查得标准椭圆形封头的直边高度为h0=40mm。
3.3.1 确定水压试验的试验压力值
根据公式，试验压力:
其中PT――试验压力，MPa；
p――设计压力，MPa；
η――耐压试验压力系数，查表知η=1.25；
[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。 将p=2.126MPa，[σ] =[σ]t=163MPa代入式(3.2)得液压试验的试验压力为：
1.25[?]1.25?163
p??2.126?2.658MPa t
3.3.2 计算水压试验时的器壁应力值
试验时器壁的应力为：
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大学毕业设计论文m3 液氨储罐设计 精品.doc 23页
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大学毕业设计论文m3 液氨储罐设计 精品
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附：课程设计任务书
（一）设计任务
（二）设计思想
（三）设计特点
二 储罐总装配示意图
三 材料及结构的选择
（一）材料的选择
（二）结构的选择
四 设计计算内容
（一）设计温度和设计压力的确定
（二）名义厚度的初步确定
（三）容器的压力实验
（四）容器应力的校核计算
（五）封头的设计
（六）人孔的设置
（七）支座的设计确定
（八）各物料进出管位置的确定及其标准的选择
（九）液位计的设计
（十）焊接接头设计
五 设计小结
六 参考资料
附：课程设计任务书
题目：（15）液氨储罐设计
设计条件表
序号 项目 数值 单位 备注
1 最高工作压力
由介质温度确定
2 工作温度 -20~48
3 公称容积（） 15
4 装量系数（） 0.85
5 工作介质 液氨
6 使用地点 太原市，室外
管口条件：
液氨入口 DN40; 液氨出口 DN40; 气氨出口DN40; 放空口DN25; 排污管DN32; 安全阀接口DN80; 压力表接口DN25。
液位计接口和入孔按需设置。
（一）设计任务： 针对化工厂中常见的液氨储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计，绘制总装配图和零件图，并编写设计说明书。
（二）设计思想： 综合运用所学的机械基础课程知识，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济性，实用性，安全可靠性。
（三）设计特点： 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。常，低压化工设备通用零件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的筒体，封头的设计计算，低压通用零件的选用。
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，合理的进行设计。
二 储罐总装配示意图
三 材料及结构的选择
材料的选择
氨作为一种重要的化工原料，应用广泛，为运输及储存便利，通常，将气态的氨气通过加压或冷却，得到液态氨。液氨，又称为无水氨，是一种无色液体，有强烈的刺激性气味，液氨在工业上应用广泛，而且具有腐蚀性，且容易挥发，采用钢瓶和槽车装运。
纯液氨腐蚀性小，储罐可选用一般钢材，但由于压力较大，可以考虑20R，16MnR这两种钢材。如果纯粹从技术角度看，可用20R类的低碳钢板，16Mn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钢板较为经济，所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头的材料。
结构的选择
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；椭圆封头浓度比半球形封头小的多，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。从钢材耗用量来看：球形封头用材最少，比椭圆封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度，结构和制造方面综合考虑，采用椭圆封头最为合理。
2 人孔的选择 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。选用时应综合考虑公称压力，公称直径，工作温度以及人，手孔的结构和材料等诸多方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有很大的灵活性。在此，考虑到人孔盖直径较大较重，可选用MFM型，A型盖轴耳，公称压力为2.5MPa，公称直径为500mm,H为280mm的回转盖对焊法兰人孔。
3 法兰的选择
法兰连接的主要优点是密封可靠，强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸，制造成本较高。压力容器的法兰分平焊法兰和对焊法兰。法兰设计的优化原则是：法兰设计应使各项应力分别接近许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到充分的发挥。
4 液面计的选择
液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型大体上可以分为四类：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，其适用温度在0~250摄氏度。玻璃管液面计适用于工作压力小于1.6MPa，介质温度在0~250摄氏度情况下。玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料没有结晶等堵塞固体的场合。板式5液面计承压能力强但比较笨重，成本较高。
液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重堵塞现象，所以在此选用玻璃管液面计。
5 鞍式支座的选择
鞍式支座是应用较为广泛的一种卧式支座。从应力分析来看，理论上支座数目越多越好。但实际上，卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点过多时，各支撑平面的影响均会影响支座反力的分布，因而采
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