《化工机械基础》课程设计任务书

1. 设计题目：液氨储罐机械设计

2. 设计数据：

技 术 特 性公称容积(m3)13公称直径Dg(mm)1300介 质液氨筒体长度L(mm)9612工作压力(MPa)2工作温度(0C)50厂 址茂名推荐材料Q345R管 口 表编号名称公称直径(mm)编号名称公称直径(mm)a1-2液位计20×3e安全阀50×3.5b进料管80×3.5f放空管50×3.5c出料管80×3.5g人孔450d压力表20h排污管50×3.5

工艺条件图

3.计算及说明部分内容（设计内容）：

第一部分 绪论：

（1）设计任务、设计思想、设计特点；

（2）主要设计参数的确定及说明。

第二部分 材料及结构的选择与论证

（1）材料选择与论证；

（2）结构选择与论证：封头型式的确定、人孔选择、法兰型式、液面计的选择、鞍式支座的选择确定。

第三部分 设计计算

（1）计算筒体的壁厚；

（2）计算封头的壁厚；

（3）水压试验压力及其强度校核；

（4）选择人孔并核算开孔补强；

（5）选择鞍座并核算承载能力；

（6）选择液位计；

（7）选配工艺接管。

4．绘图部分内容：

总装配图一张（1#）

5．设计期限：1周（2016年6月23日 —— 2016年6月27日）

6、设计参考进程：

(1)设计准备工作、选择容器的型式和材料 半天

(2)设计计算筒体、封头、选择附件并核算开孔补强等 一天

(3)绘制装配图 二天

(4)编写计算说明书 一天

7．参考资料：

[1] 《化工设备机械基础》，汤善甫 朱思明主编，华东理工大学出版社。

[2] 《化工设备机械基础》，董大勤 主编

[3] 《化工设备机械基础课程设计指导书》，蔡业彬 宣征南主编。

[4] 《钢制压力容器》GB150-2011

年 月 日

注：此任务书应附于所完成的课程设计说明书中

目录

"">《化工机械基础》 1

ahref="">课程设 计 说 明 书 1

href="">第一章 绪论 5

1.1 液氨储罐的设计背景 6

1.2 液氨储罐的分类及选型 6

1.2.1 储罐的分类 6

1.2.2 储罐的选型 6

1.3 设计任务、设计思想、设计特点 7

>1.3.1 设计任务 7

>1.3.2 设计思想 7

>1.3.3 设计特点 7

1.4 主要设计参数的确定及说明 8

1.4.1设计压力的确定 8

1.4.2 厚度负偏差和腐蚀余量 8

>1.4.3 容器直径 8

>1.4.4 许用应力 9

href="">第二章 材料及结构的选择与论证 9

2.1 材料选择与论证 9

2.1.1容器用钢 9

2.1.2 附件用钢 9

2.2 结构选择与论证 9

2.2.1 封头形式的确定 10

2.2.2 人孔的选择 11

2.2.3 法兰型式 12

2.2.4 液面计的选择 12

2.2.5 鞍式支座的选择 12

href="">第三章 工艺尺寸的确定 13

href="">第四章 设计计算 14

4.1计算罐体壁厚设计 14

>4.2计算封头的壁厚 15

4.3校核罐体和封头水压试验强度 16

4.4选择人孔并核算开孔补强 16

4.4.1计算削去的承受应力所必须的金属截面 17

4.4.2计算有效补强范围 17

4.4.3 计算有效补强金属截面积 17

>4.4.5补强圈设计 18

4.5 选择鞍座并核算承载能力 18

>4.5.1罐体的质量 19

>4.5.2封头的质量 19

4.5.3水压试验时水的质量 19

>4.5.4附件的质量 19

"">4.6选择液位计 19

4.7选配工艺接管 20

>4.7.1液氨进料管 20

>4.7.2液氨出料管 20

"">4.7.3排污管 20

4.7.4放空管接口管 20

>4.7.5液面计接管 20

4.7.6安全阀接口管 20

>4.7.7压力表选择 20

ref="">设计心得 21

ef="">参考资料： 21

href="">第一章 绪论

1.1 液氨储罐的设计背景

这个设计是针对《化工过程设备机械基础》所安排的课程设计，我们要综合应用所学的知识，并且查阅相关资料以助完成设计。

化工容器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。

本实验综合考虑环境条件、介质的理化性质，综合给定的工艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式也进行了设计和选择。各项参数都参考了使用标准或者国家标准，合理设计。

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，因此设计液氨储罐是制造储罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。

1.2 液氨储罐的分类及选型

1.2.1 储罐的分类

储罐按其形状可分为圆形和球形容器。圆筒形储罐又能根据其两端封头区分椭圆形、球形、锥形和平板形。

按其承压性质可分为内压和外压，内压容器又可分为低压、中压、高压、超高压4个压力等级。

按其工作的温度环境可分为低温、常温、中温、高温容器。

按制造器的材料可分为金属制和非金属制两类。

按其应用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。

1.2.2 储罐的选型

在本设计中由于设计体积较小（约为13 m3）且工作压力较小（p0=2.0MPa）可采用卧式圆筒形容器，方形和矩形容器大多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强且节省材料，但制造较难且安装内件不方便；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。

卧式圆筒形液氨储罐通常由卧式圆筒形筒体和两端的椭圆形封头组成，按照化学生产工艺的要求设置进料口、出料口、放空口、排污口、压力表、安全阀和液面计等。为了检修方便，还要开设人孔，用鞍式支座支承于混凝土基座上。

氨对钢材的腐蚀作用很小，但是随着气温的变化，液氨储罐的压力以及操作温度也可能随之改变，其选用钢材应能承受其变化。液氨储罐通常选择Q345R钢，因其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。

1.3 设计任务、设计思想、设计特点

1.3.1 设计任务

根据储罐筒体公称直径D i = 1300 mm ，罐体公称容积 V= 13m3 ,设计液氨储罐, 通过设计储罐的厚度，使其能满足工艺要求。

设计任务主要分两个阶段：

① 准备阶段

A、准备好设计资料、手册、图纸、说明书的报告纸

B、认真研究、分析设计任务及有关设计数据，明确设计要求及设计内容

C、认真复习有关教科书内容，熟悉有关资料及步骤

D、结合有关图纸，了解设备结构及作用

② 机械设计阶段

A、根据设计参数，论证选材、论证物料的腐蚀性及对环境的污染情况

B、根据计算有关壳体的尺寸，根据压力计算壳体壁厚，校核壳体的强度，确定合理尺寸

C、选用零部件，查标准及手册，确定尺寸和结构

D、计算设备重量，列表有关附件的重量

E、绘制设备总装图，进行缩小或放大绘图比例

F、提出技术要求，对设备制造、检验、安装提出技术地求，并在总图上标注清楚

G、编写设计说明书

1.3.2 设计思想

各种石油化工设备，虽然大小不一、形状不同，但都有一个受到内压或外压作用的称之为压力容器的外壳。压力容器是化工生产所用的各种各样化工设备外部壳体的总称。所以，容器设计是所有化工设备设计的基础。

1.3.3 设计特点

对化工压力容器的基本要求：

①安全可靠性的要求

要求所使用的设备具有足够的强度、韧性和刚度，以及良好的密封性和腐蚀性。

②工艺条件的要求

化工设备是为工艺过程服务的，应保证在指定的生产工艺条件下完成指定的生产任务，即满足相应的工艺条件要求

③经济合理性要求

在满足设备的安全运行和工艺条件的前提下，结构要合理，制造要简单，尽量减少加工量，降低制造成本。

④便于操作和维护

例如所设置的阀门、平台、人孔形位置要合适，易损件便于更换等。

⑤环境保护要求

所谓化工设备失效的一个新概念是“环境失败”即有害物质泄露到环境中，生产过程残留无法消除的有害物质及噪音等，化工容器在设计时包括化工工厂的选址均应考虑这些因素的影响。

1.4 主要设计参数的确定及说明

本储罐设计公称容积为13 m3，公称直径Di为1300 mm，材料Q345R在温度t=50℃时工作，工作压力P=2.0MPa，当容器上装有安全阀时，取1.05-1.10倍的最高工作压力作为设计压力，所以设计压力为2.2MPa，取=170MP，则双面对接焊的全焊透对接焊缝为局部无损，根据书本表5-4可得焊接接头系数全部无损检测=0.85。

1.4.1设计压力的确定

工作压力P=2.0MPa，当容器上装有安全阀时，取1.05-1.10倍的最高工作压力作为设计压力，所以设计压力为2.2MPa

表3-3　设计压力

类　 型设计压力内压容器无安全泄放装置1.0～1.10倍工作压力装有安全阀不低于（等于或稍大于）安全阀开启压力（安全阀开启压力取1.05～1.10倍工作压力）装有爆破片取爆破片设计爆破压力的上限出口管线上装有安全阀不低于安全阀的开启压力加上流体从容器流至安全阀处的压力降

1.4.2 厚度负偏差和腐蚀余量

查《腐蚀数据手册》可知Q345R为轻微腐蚀，查表5-6可知=1，根据壁厚查表5-5可知= 0.8

1.4.3 容器直径

考虑到压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器的筒体和封头的直径都有规定。此储罐设计的公称直径（内径）选择。

1.4.4 许用应力

50oC温度时，Q345R钢材的许用应力表,知

表1-3 温度时，Q345R钢材的许用应力表

钢材厚度许用应力屈服极限＜1617034516～3616332536～60157305

href="">第二章 材料及结构的选择与论证

2.1 材料选择与论证

2.1.1容器用钢

一般中低压设备可采用屈服极限为245MPa～345MPa级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低合金高强度钢，强度级别宜用400MPa级或以上；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。

Q345R钢是屈服强度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（J507），15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为400、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Q345R钢昂贵。

因此选用Q345R钢既符合工艺要求，也节约资源，以便获得更好的经济价值。

2.1.2 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、法兰的垫片包皮等。

优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，不宜用作接管用钢。

由于接管要求焊接性能好且塑性好。故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管。

由于本贮罐使用地点为：茂名，在夏季最高温度可达50℃。由于法兰必须具有足够大的强度和刚度，以满足连接的条件，使之能够密封良好，故选用普通低合金高强度钢Q345R（16MnR新钢号名称已统一为Q345R）。

2.2 结构选择与论证

2.2.1 封头形式的确定

封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说是最小的，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也比较大。

椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相同的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。椭圆形封头不仅吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形封头。封头与筒体取相同材料。

2.2.2 人孔的选择

为了检查和修理容器内部，在液氨储罐上需要设置人孔。人孔已标准化，按材料可分为碳钢人孔、低合金钢人孔和不锈钢人孔。有多种结构形式和法兰密封面形式以适应不同的公称压力和使用场合。圆形人孔的公称直径有DN400、DN450、DN500、DN600种。设置情况见（表6-5）。

卧式容器筒体长度≥6000mm时，为了气体置换、采光、检验人员进行内外部检验和出入方便，应考虑在两端各设置1个人孔。

人孔不应该设置在鞍座截面和跨中截面上，也不宜在封头上设置人孔。

人孔尺寸应根据容器直径大小、压力等级、容器内部可拆构件尺寸等因素决定，一般情况下：

l 容器直径处于900～1000mm时，选用DN400人孔；

l 容器直径处于1000～1600mm时，选用DN450人孔；

l 容器直径处于1600～3000mm时，选用DN500人孔；

l 容器直径大于3000mm时，选用DN600人孔。

表6-5　　人孔的设置

容器公称直径DN/mm有内部构件时无内部构件时300＜DN＜900设置设备法兰设置一个人孔或设置1-2个检查孔900≤DN＜2600设置一个人孔设置一个人孔DN≥2600设置二个人孔设置一个人孔人孔是安装或按检修人员进入塔器的唯一通道。本设计卧式容器筒体长度为9612mm，设置一个人孔。

容器公称直径为1300mm,碳钢水平吊盖人孔的尺寸、材料和性能可查GB 21522～21524-2005标准，选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔，DN450人孔，密封压紧面采用RF型。该人孔标记为：GB/T21524-2005 人孔 TGⅧ(A.G)450-2.5。

2.2.3 法兰型式

法兰与设备的连接形式：平焊法兰制造简单，使用广泛，但刚性较差，仅用于压力不高的场合，如管法兰。由于本设计，由HG20592-2009标准,可以选择焊接法兰中的板式平焊法兰PL。

法兰与密封面形式：，根据HG20592-2009标准可以选择RF密封面。

2.2.4 液面计的选择

液氨储罐常用防霜式玻璃板液位计，由储罐公称直径=1300mm。根据HG/T21550-93，选择玻璃管液面计AⅠ2.5-1260-50 HG/T21550-93。与其相配的接管尺寸为20×3m,管法兰为HG20592-2009法兰PL15-2.5RF Q345R。

2.2.5 鞍式支座的选择

容器支座有鞍座,圈座和支腿三种,用来支撑容器的重量。换热器、储罐等卧式容器的支座通常是已经标准化的鞍式支座，简称鞍座。鞍座的公称直径是筒体的公称直径，每一公称直径的鞍座规格有轻型（A型）和重型（B型）。

卧式液氨储罐选用鞍式支座（JB/T 4712.1-2007），按照储罐公称直径DN=1300 mm选用A型（轻型）带垫板的鞍座一对（其中S型和F型各一个），包角为120℃标记为：

JB/T 4712.1-2007 鞍座 A1600-F

JB/T 4712.1-2007 鞍座 A1600-S。

href="">第三章 工艺尺寸的确定

公称体积：，公称直径：。

采用标准椭圆形封头（图5-1），按JB/T 4746-2002规定：取直边高度。则由表5-1、表5-2可得

1) 单个封头容积：

2) 封头总容积：

，则

3) 筒体部分容积为：

，则

4) 筒体长度：

5) 储罐实际长度：

6) 所以储罐实际容积为：

表5-2　EHA椭圆形封头内表面积、容积（钢制：JB/T 4746-2002）

序

号公　称

直　径

DN

（mm）总深度

H

（mm）内　表

面　积

A

（）容　积

V

（）序

号公　称

直　径

DN

（mm）总深度

H

（mm）内　表

面　积

A

（）容　积

V

（）107502130.66860.066340350091513.71865.9972118002250.75660.079641360094014.50086.5144128502380.84990.094642370096515.30477.0605139002500.94870.111343380099016.13037.6364149502631.05290.1300443900101516.97758.24271510002751.16250.1505454000104017.84648.88021611003001.39800.1980464100106518.73709.54981712003251.65520.2545474200109019.649310.25231813003501.93400.3208484300111520.583210.98831914003752.23460.3977494400114021.538911.75882015004002.55680.4860504500116522.516212.5644注：对于封头直边高度h的取值，JB/T4746-2002规定：

①当DN≤2000时，取h=25mm；　　②当DN＞2000时，取h=40mm。

总深度H＝h＋h1，h1为封头内曲面高度。

图5-1　标准椭圆形封头

href="">第四章 设计计算

根据材料分析，选用Q345R制作筒体和封头。

4.1计算罐体壁厚设计

液氨储罐是内压容器，按公式计算出筒体的壁厚。

其中：为设计压力； Di＝1300mm； =170MPa；=0.85 （双面对接焊，局部无损探伤）；

则：

=

=9.97mm

查得相应的负偏差，腐蚀裕量

C=0.8+1=1.8mm

则：

=9.97＋1 =10.97mm

根据及钢板的厚度规格

圆整后确定选用厚的Q345R钢板制作罐体

4.2计算封头的壁厚

本容器用标准椭圆封头，厚度根据公式

根据，其中各数据跟罐体相同，=1.0。向上圆整后取取标准

确定用厚的Q345R钢板制作封头

4.3校核罐体和封头水压试验强度

根据公式

取2.75MPa

式中：12－1.8 = 10.2mm

345Mpa

a则水压试验时的应力：

=

=207.79MPa

Q345R钢制容器在常温水压试验时的许可应力

MPa

可见：,所以罐体厚度满足水压试验时的强度

4.4选择人孔并核算开孔补强

本设计考虑人孔盖直径较大较重，故选用水平吊盖人孔，该人孔结构中有吊钩和销轴，检修时只须松开螺栓将盖板绕销轴旋转一个角度，由吊钩吊住，不必将盖板取下。

另外,还要考虑人孔补强,确定补强圈尺寸,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d=450mm,壁厚=10mm。故补强圈尺寸如下：筒体内径Di＝1300mm，壁厚n＝12mm，设计压力2.2MPa，设计温度为50℃，焊接接头系数0.85。由标准查得补强强圈内径=484mm,外径=7600mm。

开孔补强的有关计算参数如下：

4.4.1计算削去的承受应力所必须的金属截面

1筒体的计算壁厚：

2计算开孔所需补强的面积A

开孔直径：

4.4.2计算有效补强范围

1有效宽度：

取最大值

②外侧高度

接管实际的外伸高度

取较小值，故

内侧高度

0

取小值，故=0

4.4.3 计算有效补强金属截面积

1筒体多余金属截面积A1

筒体有效厚度：

②接管多余金属截面积A2

接管计算厚度

3补强区内焊缝截面积A3

4有效补强面积

，所以需要另加补强

4.4.4 所需补强截面积为

4.4.5补强圈设计

参考JB/T 4736-2002标准,取内径D1=484mm，外径D2=760mm

补强圈厚度

考虑到罐体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量，取故补强圈取12mm厚。

因补强圈厚度t