化工機械基礎化工設備課程設計液氨儲罐機械設計

本設計的液料為液氨。液氨，又稱為無水氨，是一種無色液體。氨作為一種重要的化工原料，應用廣泛，為運輸及儲存便利，通常將氣態(tài)的氨氣通過加壓或冷卻得到液態(tài)氨。液氨在工業(yè)上應用廣泛，而且具有腐蝕性，且容易揮發(fā)，所以其化學事故發(fā)生率相當高。液氨儲罐屬于化工常見的儲運設備，一般可分解為筒體，封頭，法蘭，人孔，手孔，支座及管口等幾種元件。儲罐的工藝尺寸可通過工藝計算及生產經驗決定。液氨儲罐是合成氨工業(yè)中必不可少的儲存容器，所以本設計過程的內容包括容器的材質的選取、容器筒體的性狀及厚度、封頭的性狀及厚度、確定支座，人孔及接管、開孔補強的情況以及其他接管的設計與選取。本設計綜合考慮環(huán)境條件、介質的理化性質等因素，結合給定的工藝參數(shù)，機械按容器的選材、壁厚計算、強度核算、附件選擇、焊縫標準的設計順序，分別對儲罐的筒體、封頭、人孔接管、人孔補強、接管、管法蘭、液位計、鞍座、焊接形式進行了設計和選擇。設備的選擇大都有相應的執(zhí)行標準，設計時可以直接選用符合設計條件的標準設備零部件，也有一些設備沒有相應標準，則選擇合適的非標設備。目錄第一部分設計緒論 （1）設計任務、設計思想、設計特點 （2）主要設計參數(shù)的確定及說明 第二部分材料及結構的選擇與論證 （1）材料的選擇與認證 （2）結構的選擇與認證 第三部分設計計算 （1）計算筒體的壁厚 （2）計算封頭的壁厚 （3）水壓試驗壓力及其強度校核 （4）選擇人孔并核算開孔補強 （5）選擇鞍座并核算承載能力 （6）選擇液位計 （7）選配工藝接管 第四部分設計心得 第一部分設計緒論設計任務、設計思想、設計特點1.1設計任務：根據(jù)儲罐筒體公稱直徑Di=2600mm，罐體公稱容積V=35m3,設計一液氨儲罐,通過設計儲罐的厚度，使其能滿足工藝要求。1.2設計思想：通過圖書館和上網查找有關的書籍與資料，獲取需要的數(shù)據(jù)，來完成所要求要設計的部分。液氨儲罐是我們平時運輸液氨的一個常用設備，在設計液氨儲罐時，要有利于成批生產，提高質量，便于互換，降低成本，提高勞動的生產率，要對容器的設計（如封頭、法蘭、支座、人孔、液面計等）進行標準化，除此之外還要盡量滿足工藝的要求，密封性能要好。1.3設計特點：為了滿足工藝過程的需要，必須做到如下要求：1）強度：液氨儲罐可以抵抗外力破壞能力，以保證生產安全。（2）剛度：零部件應有抵抗外力使其變形的能力，以防止容器在使用、運輸或安裝的過程中發(fā)生不允許的變形。（3）穩(wěn)定性：容器或其零部件在外力作用下有維持其原型的能力，防止容器被壓癟或出現(xiàn)皺折。（4）耐久性：容器有一定的抵抗介質及大氣的腐蝕能力，保持一的使用年限。（5）氣密性：容器在承受壓力或處理有毒介質時有可靠的氣密性，提供良好的勞動環(huán)境及維持正常的操作。（6）其他：節(jié)約材料、便于制造、運輸、安裝、操作、維修方便，符合有關的國家標準和行業(yè)標準等的規(guī)定。主要設計參數(shù)的確定及說明設計溫度蕪湖30年來最高氣溫為40C設計壓力在夏季液氨儲罐經太陽暴曬，隨著氣溫的變化，儲罐的操作壓力也在不變化。容器設計時必須考慮在工作情況下可能遇到的工作壓力和相對應的溫度兩者相結合中最苛刻工作壓力來確定設計壓力。一般是指容器頂部最高壓力與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。給定設計壓力為2.2MPa。腐蝕余量查《腐蝕數(shù)據(jù)手冊》16MnR耐氨腐蝕，其0.1mm/y，若設計壽命為15年，則C2150.11.5mm焊縫系數(shù)該容器屬中壓貯存容器，技《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，氨屬中度毒性介質，容器筒體的縱向焊接接頭和封頭基本上都采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，所以取1.0或0.85常見。此儲罐采用100%無損探傷，故取1.0容器直徑考慮到壓制封頭胎具的規(guī)格及標準件配套選用的需要，容器的筒體和封頭的直徑都有規(guī)定。此儲罐設計的公稱直徑（內徑）選擇Di=2600mm。許用應力40oC溫度時，16MnR鋼材的許用應力表，知t170.0MPa400C溫度時，16MnR鋼材的許用應力表鋼材厚度nmm許用應力tMPa屈服極限sMPa<1617034516?3616332536?60157305、材料選擇根據(jù)液氨貯罐的工作壓力（P=2.2MPa作為設計壓力）、工作溫度（最高工作溫度為40C）和介質的性質可知該設備為一中壓常溫設備，介質對碳鋼的腐蝕作用很小，主要考慮的強度指標（指s和b）和塑性指標適合的材料有：A3R、20g、16MnR、15MnVR、20%為了節(jié)省金屬，高壓設備應優(yōu)先選取普通低合金鋼、中強度。凡屬強度計算為主要的中壓設備亦以采用普通低合金鋼為宜。因為屈服強度分別為345MPa和392MPa的普通低合金鋼，其材料價格與碳素鋼差不多，但強度比碳素鋼約高30%-60%，采用該類鋼材制造壓力容器，可以有效地減少設備質量，降低成本，給設備的制造、運輸、安裝帶來很大的方便。所以主要考慮16MnR和20R這兩種。如果純粹從技術角度看，建議選用20R類的低碳鋼板，16MnR鋼板的價格比20R貴，但在制造費用方面，同等重量設備的計價，16MnR鋼板為比較經濟。所以在此選擇16MnR鋼板作為制造筒體和封頭材料。技術特性公稱容積(m3)35公稱直徑Dg(mm)2600介質液氨筒體長度L(mm)7980 C—工作壓力(MPa)2.1工作溫度(0C)40℃廠址蕪湖推薦材料16MnR管口表編號名稱公稱直徑(mm)編號名稱公稱直徑(mm)九2液位計15e安全閥25b進料管40f放空管25c出料管20g人孔450d 壓力表一,25一一h排污管40第二部分材料及結構的選擇與論證1.材料的選擇與認證純液氨腐蝕性很小，貯罐可選用一般鋼材，但由于壓力較大，可以考慮16MnR這種鋼種。16MnR鋼板： PDit2 tiC2式中P—設計壓力2.2MPa;2Di=2600mm;2]=170MPa;①=1.0（雙面對接焊，100%無損探傷）；C2=1.5mm那么，代入數(shù)據(jù) =18.43mm取C28mm，圓整后取6n=20mm因此，選擇16MnR鋼板作為制造筒體和封頭材料2.結構的選擇與認證（1）封頭形式的確定本液氨儲罐的封頭選用標準型橢圓形封頭從應力分布情況考慮：在直徑、壁厚、設計壓力相同的條件下各種封頭應力分布由好到壞的順序是：半球形、橢圓形、蝶形、錐形、球冠形、平板形。橢圓型封頭的最大應力值和與其相連接的圓筒體中的最大應力值相等，便于筒體強度設計；碟心封頭有兩處連接邊界，受力不及橢圓形。從金屬消耗量考慮：在相同設計條件下，各種封頭的金屬消耗量按下列順序依次增大：半球形，橢圓形，蝶形，平板形。球形封頭用量最少，比橢圓形封頭節(jié)約25.8％，平板封頭的用量最多，是橢圓形封頭的4倍多。從制造考慮：橢圓形封頭制造方便，平板封頭則因直徑和厚度較大，坯材的獲得、車削加工、焊接等方面都遇到不少困難，且封頭與筒體厚度相差懸殊，結構也不合理。所以，從強度、結構和制造等方面綜合考慮，采用橢圓形封頭最為合理。 （2）人孔的選擇人孔的作用：檢查設備和便于安裝與拆除設備內部構件。人孔的結構：既有承受壓力的筒節(jié)、端蓋、法蘭、密封墊片、緊固件等受壓元件，也有安置與啟閉端蓋所需要的軸、銷、耳、把手等非受壓件。人孔類型：從是否承壓來看有常壓人孔和承壓人孔。從人孔所用法蘭類型來看，承壓人孔有板式平焊法蘭人孔、帶頸平焊法蘭人孔和帶頸對焊法蘭人孔，在人孔法蘭與人孔蓋之間的密封面，根據(jù)人孔承壓的高低、介質的性質，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或環(huán)連接面。從人孔蓋的開啟方式及開啟后人孔蓋的所處位置看，人孔又可分為回轉蓋人孔、垂直吊蓋人孔和水平吊蓋人孔三種。根據(jù)儲罐是在常溫及最高工作壓力為2.2MPa的條件下工作，人孔標準應按公稱壓力為2.2MPa的等級選取。從人孔類型標準可知，公稱壓力為2.2MPa的人孔類型很多，本設計考慮人孔蓋直徑較大較重，故選用水平吊蓋人孔。該人孔結構中有吊鉤和銷軸，檢修時只需松開螺栓將蓋板繞銷軸旋轉一個角度，由吊鉤吊住，不必將蓋板取下。該人孔標記為：HG21523-95人孔RFIV(A?G)450-2.2,其中RF面密封，V指接管與法蘭的材料為20R,A?G指用普通石棉橡膠板墊片，450-2.2是指公稱直徑為450mm、公稱壓力為2.2MPa。人孔選擇表人孔類型 Li—*上：1二.LnJ1 、/ I 公稱壓力MPa公稱直徑mm板式平焊法蘭人孔0.6400、450、500、600板式平焊法蘭人孔(限用凸面)或帶頸平焊法法蘭1.0400、450、500、6001.6400、450、500、600帶頸對焊法法蘭2.5400、450、500、6004.0400、450、500、600

第三部分設計計算設計一液氨儲罐，工藝尺寸為：儲罐的公稱直徑Di=2600mm,公稱容積V=35m3。使用地點：蕪湖；工作溫度：40℃。1、計算筒體的壁厚選取儲罐材料16MnR，制作罐體和封頭，查得16MnR材料在t40Ct170MPa時，焊縫為雙面對接焊，100%無損探傷，故中=1.00,設備內徑Di2600mm，P=2.2MPa。于是罐體計算厚度為：aPDi C由2。pC2其中C2=1.5mm，得：2.22200ad C2mm18.43mmd 21701.02.2 2圓整后取bn=20mm厚的16MnR鋼板制作罐體。2、計算封頭的壁厚采用標準橢圓形封頭，封頭厚度計算：PDi2t0.5P C21.518.38mm20mmn0.91.518.38mm20mmn0.9根據(jù)C10.8mm，向上圓整后取取標準校核罐體與封頭水壓試驗強度：PT（Die）-1 2e其中：PT1.25P1.252.22.75MPaenC202.317.7mms345MPa故T0.9s，水壓試驗時強度足夠

3、水壓試驗壓力及其強度校核液壓試驗時PT1.25PtT][]t設計溫度T40oC[][]Tl70MPaPT1.25P1.252.22.75MPa圓筒的應力PT(Die)T2e2.75(260017.7)丁203.35MPa因為T217.7因為s345MPa,0.9s0.9345310.5MPaT0.9所以，水壓校驗符合要求4、選擇人孔并核算開孔補強根據(jù)儲罐是在常溫及最高工作壓力為2.2MPa的條件下工作，人孔標準應按公稱壓力為2.2MPa的等級選取。從人孔類型系列標準可知，公稱壓力為2.2MPa的人孔類型很多。本設計考慮人孔蓋直徑較大較重，故選用水平吊蓋人孔。該人孔結構中有吊鉤和銷軸，檢修時只需松開螺栓將蓋板繞銷軸旋轉一個角度，由吊鉤吊住，不必將蓋板取下。該人孔標記為HG21523—95人孔RFIV（AG）450—2.2，其中RF指突面密封，IV指接管與法蘭的材料為20R，AG指用普通石棉橡膠板墊片，450—2.2指公稱直徑為450mm、公稱壓力為2.2MPa。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。本設計所選用的人孔筒節(jié)內徑D1450mm，壁厚10mm，故補強圈尺寸確定如下：補強圈內徑D1484mm，外徑D2760mm，根據(jù)補強圈的金屬表面積應大于或等于開孔減少的截面積，補強圈的厚度按下式計算：cc1c2c10.80mmc21.50mm

平。3(45022.3)10.02.3mm13mmD2D1760484故補強圈取13mm厚。5、選擇鞍座并核算承載能力首先粗略計算鞍座負荷，儲罐總質量：mm1m2m3m4kg；kg；kg；kg；kgm2— —封頭質m3——沖液質m4——附件質1）罐體質量:根據(jù)DN2600mm,n20mm的筒節(jié)，可得每米質量q11290kgm故：m故：m1q1L12905.87482kg2）封頭質量：查標準橢圓封頭可得附DN2600mm附n20mm附直邊高為h50mm，得q2=1230kg,橢圓封頭質量為 m2=2q2=2*1230=2460kg(3)沖液質量：m3V式中：V——儲罐容積——水的密度為1000kg/m3故：3VV封頭V筒體22.560.7852.62.65.835.9m3m3100035.935900kg4）附件質量： 4 ，其中人孔質量為200kg，其他接管總和按300kg計,故設備總質量：m500kgmm1m2m3m446342kg每個鞍座負荷： m46342981kNFg2.2227.3選取鞍座為：輕型帶墊板，包角為120°的鞍座。即JBT471292鞍座A2000FJBT471292鞍座A2000S6、選擇液位計液面計是用以指示容器內物料液面的裝置，其類型很多，大體上可分為四類，有玻璃板液面計、玻璃管液面計、浮子液面計和浮標液面計。在中低壓容器中常用前兩種。1．玻璃板液面計和玻璃管液面計均適用于物料內沒有結晶等堵塞固體的場合。板式液面計承壓能力強，但是比較笨重、成本較高。2．玻璃板液面計一般選易觀察的透光式，只有當物料很干凈時才選反射式。3．當容器高度大于3m時，玻璃板液面計和玻璃管液面計的液面觀察效果，應改用其它適用的液面計。液氨為較干凈的物料，易透光，不會出現(xiàn)嚴重的堵塞現(xiàn)象所以在此選用玻璃管液面計。玻璃板液面計有透光式玻璃板液面計（T型）、反射式玻璃板液面計（R型）和試鏡式玻璃板液面計（S型）三種結構，其適用溫度一般在0?250℃。但透光式適用工作壓力較反射式高，試鏡式工作壓力最小。玻璃管液面計適用工作壓力小于4.0MPa，介質溫度在02500C的范圍。對于承壓設備，一般都是將液面計通過法蘭、活接頭或螺紋接頭與設備連接在一起，分別用于不同型式的液面計?？紤]到本設備的設計壓力為2.2MPa,而且液氨為較干凈的物料，易透光，不會出現(xiàn)嚴重的堵塞現(xiàn)象，所以在此選用反射式玻璃板液面計（R型）。由筒體公稱直徑為2600mm，選擇長度為1400mm的液面計。已知其公稱直徑為15mm。液氨儲罐常用玻璃管液面計，由儲罐公稱直徑Di=2600mm根據(jù)HG/T21550-93,選擇玻璃管液面計AIWPN4.0,L=1000mm,HG5-227-80兩支。與其相配的接管尺寸為18*3m,管法蘭為法蘭PN4.0DN15GB9119.8-88。7、選配工藝接管本儲罐設有以下接口管（1）液氨進料管：采用45X2.5mm無縫鋼管。管的一端切成45°,伸入儲罐少許.配用具有突面密封的平焊管法蘭:法蘭PN4.0DN40GB9119.8-88因為殼體名義壁厚n=20mm接,管公稱直徑小于80mm故,不要補強.（2）液氨出料管：采用可拆的壓出管25X2.5mm,將它套入罐體的固定接口管38X3.5mm內，罐體的接口管法蘭采用法蘭PN4.0DN32GB9119.8-88。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法蘭法蘭PN4.0DN32GB9119.8-88相同，但其內徑為25mm見（總裝圖的局部放大部大圖）.液氨壓出管的端部法蘭（與氨輸送管相連）采用法蘭PN4.0DN20GB9119.8-88。這些小管都不必補強。壓出管伸入貯罐2.5m。（3）排污管在罐的右端最底部設個排污管一個，規(guī)格是45X2.5mm,管端焊有與截止閥J41W-16相配的管法蘭PN4.0DN40GB9119.8-88。排污管與罐體連接處焊有一厚度為10mm的補強圈.4）放空管接口管采用32X3.5mm無縫鋼管，法蘭PN4.0DN25GB9119.8-885）液面計接管液氨儲罐常用玻璃管液面計，由儲罐公稱直徑Di=2600mm根據(jù)HG/T21550-93,選擇玻璃管液面計AIWPN4.0,L=1000mm,HG5-227-80兩支。與其相配的接管尺寸為20X2.5m,管法蘭為法蘭PN4.0DN15GB9119.8-88。（6）安全閥接口管安全閥接口管尺寸由安全閥泄放量決定。本貯罐選用32X2.5mm的無縫鋼管,法蘭PN4.0DN25GB9119.8-88。技術要求1）本設備按GB150-1998《鋼制壓力容器》進行制造、試驗和驗收2）焊接材料、對焊接接頭型式及尺寸可按GB985-80中規(guī)定（設計焊縫強度系數(shù)①=1.00）3）殼體焊縫應進行無損探傷檢查，探傷長度為100%4）設備制造完畢后，進行水壓實驗5）管口方位按本圖第四部分結束語經過了幾天的努力，終于完成了課程設計。在設計的過程中，給自己最大的體會是：辦法總比困難多，遇到了問題，不要氣，要努力去尋找答案。課程設計剛開始的時候，感覺很陌生，只知道要設計一個貯罐，而且還要畫圖，至于怎么開始，大家都很惘然。在畫圖時，因為一開始沒有查好資料，只知道筒體的公稱直徑，至于那些其它的數(shù)據(jù)，例如封頭高度，封頭直邊都沒有查好，所以無從著手，那時候只能一邊看書，一邊探索畫圖，以至于浪費了不少的時間。課程設計是另外一種學習課堂，通過我們動手，對掌握的理論知識進行補充與質疑。我們應該在注意書本知識的時候應該也要把所學到的知識應用到實踐生產中去，不僅僅滿足于書本的知識，要在實踐過程中吸收課本外的知識。盡管這次作業(yè)的時間是漫長的,過程是曲折的,但我的收獲還是很大的。不僅僅掌握了臥式儲罐的結構以及設計步驟與方法；也不僅僅對制圖有了更進一步的掌握；對我來說,收獲最大的是那些分析和解決問題、收集資源的方法與能力。而且，通過此次的課程設計，也為我們在今后的學習和工作奠定了基礎。在整個過程中,我發(fā)現(xiàn)像我們這些學生最最缺少的是經驗,沒有感性的認識；空有理論知識,動手能力不強，有些東西很可能與實際脫節(jié)?？傮w來說,我覺得做這種類型的作業(yè)對我們的幫助還是很大的,它需要我們將學過的相關知識都系統(tǒng)地聯(lián)系起來,從中暴露出自身的不足,以待改進。有時候個人的力量是有限的,合眾人智慧,我相信我們的作品會更完美！參考文獻《化工設備機械基礎》第五版刁與瑋，王立業(yè)2003.3《化工設備機械基礎課程設計指導書》北京化工學院1992.07《壓力容器優(yōu)化設計》梁基照2010.03《工程制圖新編教程》胡志勇，宇文研2009.07《化工設計》劉榮杰2010.09《管道及儲罐強度設計》帥鍵2006.06《化工機械基礎課程設計》韓葉象北京化工學院出版社《化工機械工程手冊》余國棕化學工業(yè)出版社2010《壓力過程設備設計》李福寶，李勤化學工業(yè)出版社2010附表總圖