化工機械課程設計---液氨貯罐的設計

1、<p>　　化學材料與科學系 化學工程與工藝專業(yè)</p><p>　　化工設備機械基礎 課程設計</p><p>　　題目 10.0m3液氨貯罐的設計</p><p>　　說明書 </p><p>　　圖 紙 </p><p>　

2、　指導教師 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　液氨貯罐設計任務書</b></p><p>　　專業(yè)：化學工程與工藝 班級：08化工<2>班</p>&l

3、t;p>　　姓名： 學號：</p><p>　　指導教師： 設計日期： 2011年6月20日</p><p>　　一、設計題目： 10.0m3液氨貯罐的設計</p><p>　　二、設計參數(shù)及要求1、設計參數(shù)</p><p>　　液氨壓力:16Kgf/cm2;</p><p>

4、　　溫度：40℃；公稱容積：10.0m3</p><p>　　操作容積：9.0m3</p><p><b>　　介質: 液氨</b></p><p>　　設計使用年限:10年</p><p>　　建議使用材料:16MnR </p><p>　　2、設計要求根據(jù)設計參數(shù), 對液氨貯

5、罐的主要元件(筒體、封頭)進行正確的強度、剛度和穩(wěn)定性計算和結構設計；對貯罐的附件進行選型；熟悉貯罐質量的檢驗方法；繪制出貯罐的裝配圖；</p><p>　　三、設計內容1、概述</p><p><b>　　2、罐體的設計</b></p><p>　　(1)罐體的PN、DN確定</p><p>　　(2)筒體壁厚的設計

6、</p><p>　　(3)封頭壁厚的設計</p><p>　　(4)筒體長度的設計</p><p><b>　　3、罐體的壓力試驗</b></p><p>　　(1)罐體的水壓試驗</p><p>　　(2)罐體的氣壓試驗</p><p>　　4、罐體附件的選型及尺寸設計

7、</p><p>　　(1)工藝接管的設計</p><p><b>　　(2)支座的設計</b></p><p><b>　　(3)人孔的設計</b></p><p><b>　　(4)液面計的設計</b></p><p>　　5、罐體的開孔及補強的計算

8、</p><p>　　(1)容許開孔的范圍</p><p>　　(2)開孔補強的設計計算</p><p><b>　　(3)補強圈的設計</b></p><p><b>　　5、設計結果匯總</b></p><p>　　6、10.0m3液氨貯罐裝配圖7、設計評述</p

9、><p><b>　　四、圖紙要求</b></p><p>　　10.0m3液氨貯罐裝配圖，A2號圖紙</p><p>　　五、參考資料[1] 湯善甫、朱思明等編.化工設備機械基礎[M] . 上海 ：華東理工大學出版</p><p><b>　　社.1991.12</b></p>&l

10、t;p>　　[2] 化工設備設計手冊.材料與零部件（上）. 上?？茖W技術出版社 .1981</p><p>　　[3] 廣西大學《實用機械零部件手冊》編寫組 . 實用機械零件手冊.廣西科學技術出版社</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　1.設計任務</b></p>

11、<p>　　綜合運用所學的機械基礎課程知識設計一個常溫下儲存液氨的儲罐</p><p><b>　　2．設計思想</b></p><p>　　綜合運用所學的機械基礎課程知識，本著認真負責的態(tài)度，對儲罐進行設計。在設計過程中綜合考慮了經濟性，實用性，安全可靠性。各項設計參數(shù)都正確參考了行業(yè)使用標準或國家標準，這樣讓設計有章可循，并考慮到結構方面的要求，合理地進

12、行設計。</p><p><b>　　3．設計特點</b></p><p>　　容器的設計一般由筒體、封頭、法蘭、支座、接口管及人孔等組成。常、低壓化工設備通用零部件大都有標準，設計時可直接選用。本設計書主要介紹了液罐的的筒體、封頭的設計計算，低壓通用零部件的選用。</p><p>　　各項設計參數(shù)都正確參考了行業(yè)使用標準或國家標準，這樣讓設計

13、有章可循，并考慮到結構方面的要求，合理地進行設計。</p><p><b>　　材料及結構的選擇</b></p><p><b>　　(1)材料選擇</b></p><p>　　純液氨腐蝕性小,貯罐可選用一般鋼材,但由于壓力較大,可以考慮20R、16MnR.這兩種鋼種。如果純粹從技術角度看，建議選用20R類的低碳鋼板， 1

14、6MnR鋼板的價格雖比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。</p><p>　　筒體和封頭材料選擇： 純液氨腐蝕性小則液氨貯罐可選用一般鋼材但由于壓力較大可以考慮20R 、16MnR 這兩種鋼種。如果純粹從技術角度看， 建議選用16MnR 類的低碳鋼板， 16MnR 鋼板的價格雖比20R 貴，但在制造費用方面，同等重量設備的計

15、價，16MnR 鋼板為比較經濟，且16MnR 鋼是屈服強度350Mpa 級的普通低合金高強度鋼， 具有良好的綜合力學性， 能、焊接性能、工藝性能以及低溫沖擊韌性。在焊接壓力容器時采用堿性焊條（ J507 ） 16MnR 機械加工性能、強度和塑性指標都比較好， 所以在此選擇16MnR 鋼板作為制造筒體和封頭材料。</p><p>　　（2）結構選擇與論證</p><p><b>　

16、　封頭的選擇</b></p><p>　　從受力與制造方面分析來看，球形封頭是最理想的結構形式。但缺點是深度大，沖壓較為困難；橢圓封頭濃度比半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中低壓容器中應用較多的封頭之一。平板封頭因直徑各厚度都較大，加工與焊接方面都要遇到不少困難。從鋼材耗用量來年：球形封頭用材最少，比橢圓開封頭節(jié)約，平板封頭用材最多。因此，從強度、結構和制造方面綜合考慮，采用橢圓形封頭最為合理。

17、</p><p><b>　　人孔的選擇</b></p><p>　　壓力容器人孔是為了檢查設備的內部空間以及安裝和拆卸設備的內部構件。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。一般人孔有兩個手柄。選用時應綜合考慮公稱壓力、公稱直徑(人、手孔的公稱壓力與法蘭的公稱壓力概念類似。公稱直徑則指其簡節(jié)的公稱直徑)、工作溫度以及人、手孔的結構和材料等諸方面的因素。人孔的類型很多，

18、選擇使用上有較大的靈活性。通?？梢愿鶕?jù)操作需要,在這考慮到人孔蓋直徑較大較重,故選用碳鋼水平吊蓋人孔，人孔筒節(jié)軸線垂直安裝。</p><p><b>　　容器支座的選擇</b></p><p>　　容器支座有鞍座,圈座和支腿三種,用來支撐容器的重量。鞍式支座是應用最廣泛的一種臥式支座。從應力分析看，承受同樣載且具有同樣截面幾何形狀和尺寸的梁采用多個支承比采用兩個支承優(yōu)

19、越，因為多支承在粱內產生的應力較小。所以，從理論上說臥式容器的支座數(shù)目越多越好。但在是實際上臥式容器應盡可能設計成雙支座，這是因為當支點多于兩個時，各支承平面的影響如容器簡體的彎曲度和局部不圓度、支座的水平度、各支座基礎下沉的不均勻性、容器不同部位抗局部交形的相對剛性等等，均會影響支座反力的分市。因此采用多支座不僅體現(xiàn)不出理論上的優(yōu)越論反而會造成容器受力不均勻程度的增加，給容器的運行安全帶來不利的影響。所以一臺臥式容器支座一般情況不宜多

20、于二個。圈座一般對于大直徑薄壁容器和真空操作的容器。腿式支座簡稱支腿，因這種支座在與容器殼壁連接處會造成嚴重的局部應力，故只適合用于小型設備（DN≤1600，L≤5m）。綜上考慮在此選擇雙個鞍式支座作為儲罐的支座。</p><p><b>　?。ㄋ模┓ㄌm型式</b></p><p>　　法蘭連接主要優(yōu)點是密封可靠、強度足夠及應用廣泛。缺點是不能快速拆卸、制造成本較高。

21、壓力容器法蘭分平焊法蘭與對焊法蘭。平焊法蘭又分為甲型與乙型兩種。甲型平焊法蘭有PN0.25 MPa 0.6 MPa 1.0 MPa1.6 MPa，在較小范圍內（DN300 mm -2000 mm）適用溫度范圍為-20℃-300℃。乙型平焊法蘭用于PN0.25 MPa-1.6 MPa壓力等級中較大的直徑范圍，適用的全部直徑范圍為DN300 mm -3000 mm，適用溫度范圍為-20℃-350℃。 對焊法蘭具有厚度更大的頸，進一步增大了剛

22、性。用于更高壓力的范圍（PN0.6 MPa-6.4MPa）適用溫度范圍為-20℃-45℃。法蘭設計優(yōu)化原則：法蘭設計應使各項應力分別接近材料許用應力值，即結構材料在各個方向的強度都得到較充分的發(fā)揮。</p><p>　　法蘭設計時，須注意以下二點：管法蘭鋼制管法蘭、墊片、緊固件設計參照HG20592~HG20635的規(guī)定。</p><p><b>　　液面計的選擇</b&g

23、t;</p><p>　　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。玻璃板液面計有透光式和反射式兩種結構，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。玻璃管液面計適用工作壓力小于1.6MPa，介質溫度在0~250℃的范圍。液面計與容器的連接型式有法蘭連接、頸部連接及嵌入連接，分別用于不同型式

24、的液面計。液面計的選用</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　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受到限制，應改用其它適用的液面

25、計。</p><p>　　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。</p><p>　　液氨貯罐槽的設計及計算</p><p>　　一、 貯罐筒體與封頭的設計</p><p>　　(一）、罐體DN、PN的確定</p><p>　　1、罐體DN 的確定</p><p

26、>　　液氨貯罐的長徑比L/Di一般取3～3.5，本設計取L/Di＝3.3，由V＝(πDi2/4) ·L＝10 </p><p>　　L/Di＝3.3得：Di =(40/ 3.3π)1/3 =1.568m＝ 1568mm</p><p>　　因圓筒的內徑已系列化，由Di＝1568mm可知： DN＝1600mm</p><p>　　2、釜體PN 的確定

27、</p><p>　　因操作壓力P＝16Kgf/cm2，由文獻 [1]可知：PN＝1.6MPa</p><p>　?。ǘ?、筒體壁厚的設計</p><p><b>　　1、設計參數(shù)的確定</b></p><p>　　根據(jù)文獻[1]可知：由于罐體裝有安全閥，則P=(1.05-1.1) Pw，取P=1.1Pw 則有：P＝1

28、.1×1.6MPa=1.76MPa，Pc＝P＋P液，</p><p>　　∵ P液＜ 5 ％ P </p><p>　　∴可以忽略P液 。Pc ＝P＝1.76MPa ， t ＝ 100 ℃ ，Ф＝1（雙面焊，100％無損探傷）， C2＝２mm（微弱腐蝕）</p><p><b>　　2、筒體壁厚的設計</b></p>&

29、lt;p>　　設筒體的壁厚S'＝12mm，[σ]t＝170MPa ，c1＝0.8mm,</p><p>　　由公式S＝Pc Di/(2 [σ]t Ф-Pc)+c </p><p>　　可得：S＝1.76×1600/(2×170×1-1. 76)＋ 2 ＋0.8＝11.12(mm) </p><p><b>

30、;　　圓整S ＝12mm</b></p><p>　　∵S ＝S'=12mm </p><p>　　∴ 假設S＝ 12mm是合理的. 故筒體壁厚取S ＝12mm</p><p>　　3、剛度條件設計筒體的最小壁厚</p><p>　　∵ Di＝1600mm ＜ 3800mm ，Smin＝2 Di /1000且不

31、小于3 mm 另加 C2 ， ∴ Sn＝5.2mm</p><p>　　按強度條件設計的筒體壁厚S＝12mm ＞Sn＝5.2mm，滿足剛度條件的要求．</p><p>　?。ㄈ?、罐體封頭壁厚的設計</p><p><b>　　1、設計參數(shù)的確定</b></p><p>　　根據(jù)文獻[1]可知：由于罐體裝有安全閥，則P=

32、(1.05-1.1) Pw，取P=1.1Pw 則有：P＝1.1×1.6MPa=1.76MPa，Pc＝P＋P液，</p><p>　　∵ P液＜ 5 ％ P </p><p>　　∴可以忽略P液 。Pc ＝P＝1.76MPa ， t ＝ 100 ℃ ，Ф＝1（雙面焊，100％無損探傷）， C2＝２mm（微弱腐蝕）</p><p>　　2、封頭的壁厚的設計&

33、lt;/p><p>　　采用標準橢圓形封頭，設封頭的壁厚S'＝12mm，[σ]t＝170MPa ，c1＝0.8mm,</p><p>　　由公式S＝Pc Di/(2 [σ]t Ф-Pc)+c </p><p>　　可得：S＝1.76×1600/(2×170×1-1. 76)＋ 2 ＋0.8＝11.12(mm) </p&

34、gt;<p><b>　　圓整S ＝12mm</b></p><p>　　∵S ＝S'=12mm </p><p>　　∴ 假設S＝ 12mm是合理的. 故筒體壁厚取S ＝12mm</p><p>　　3、封頭的直邊、體積及重量的確定</p><p>　　因為是標準橢球形封頭，由文獻［2

35、］可知：封頭的壁厚S＝12mm，直邊高度h＝40mm ，</p><p>　　由Di＝1600 mm 、 S＝12mm，由文獻［2］可知：</p><p>　　封頭的體積V封＝0.617m3 、封頭的深度h1=400mm</p><p>　　封頭的重量:285Kg</p><p>　?。ㄋ模?筒體的長度設計及重量的確定</p>

36、<p>　　由V＝2V封＋V筒 可得：V筒＝10－2×0.617＝8.766 m3</p><p>　　V筒＝πDi2L/4＝8.766 可得：L＝4362mm 圓整：L＝4360mm</p><p>　　筒體的重量: Di＝1600 mm 、S ＝12mm的筒體1m 高筒節(jié)的重量為0.476(T) </p><p>　　4.36

37、×0.467=2.075(T)=2075Kg </p><p>　　二、 貯罐的壓力試驗</p><p>　?。ㄒ唬?罐體的水壓試驗</p><p>　　1、液壓試驗壓力的確定</p><p>　　液壓試驗的壓力：PT=1.25P[σ]/[σ]t且不小于(P+0.1) MPa，當［σ]/[σ]t＞1.8時取1.8．</p&g

38、t;<p>　　∵[σ]/[σ]t=170/170=1 </p><p>　　∴ PT=1.25×1.76×1= 2.2 (MPa) </p><p><b>　　液壓試驗的強度校核</b></p><p>　　由σmax＝PT（Di＋S－c）/[2(S-c)]</p><p>　　＝2

39、.2（1600＋12－2.8）/[2(12-2.8)]=192.4(MPa)</p><p>　　∵ σmax＝192.4(MPa) ＜0.9 σs Ф =0.9×345 × 1=310.5MPa</p><p><b>　　∴ 液壓強度足夠</b></p><p>　　壓力表的量程、水溫的要求</p>&l

40、t;p>　　壓力表的量程：2PT=2×2.2=4.4 (MPa) 或3.3MPa－8.8MPa ，</p><p><b>　　水溫≥15℃ </b></p><p>　　4、液壓試驗的操作過程</p><p>　　在保持罐體表面干燥的條件下，首先用液體將罐體內的空氣排空，再將液體的壓力，緩慢升至22Kgf/cm2,保壓10-3

41、0分鐘，然后將壓力緩慢降至17.6Kgf/cm2,保壓足夠長時間（不低于30分鐘），檢查所有焊縫和連接部位，若無泄漏和明顯的殘留變形。則質量合格，緩慢降壓將罐體內的液體排凈，用壓縮空氣吹干罐體。若質量不合格，修補后重新試壓直至合格為止。</p><p>　?。ǘ?、 罐體的氣壓試驗．</p><p>　　1、氣壓試驗壓力的確定</p><p>　　氣壓試驗壓力： P

42、T=1.5P[σ]/[σ]t </p><p>　　∵[σ]/[σ]t=170/170=1 </p><p>　　∴ PT=1.15×1.76×1= 2.024(MPa) </p><p>　　2、氣壓試驗的強度校核</p><p>　　由σmax＝PT（Di＋S－c）/[2(S-c)]</p>&l

43、t;p>　?。?.024（1600＋12－2.8）/[2(12-2.8)]=177.01(MPa)</p><p>　　∵ σmax＝177.01(MPa) ＜0.8 σs Ф =0.8×345 ×1=276MPa</p><p><b>　　∴ 氣壓強度足夠</b></p><p>　　3、壓力表的量程、氣溫的要求

44、</p><p>　　壓力表的量程：2PT=2×2.024=4.048 (MPa) 或3.306MPa－8.096MPa ，</p><p><b>　　氣溫≥15℃ </b></p><p><b>　　氣壓試驗的操作過程</b></p><p>　　氣壓試驗時緩慢升壓至0.5Kgf/c

45、m2，保持10分鐘并進行初檢，合格后繼續(xù)升壓至10.12 Kgf/cm2 ， 然后按級差為2.024 Kgf/cm2逐級升20.24Kgf/cm2 ，保持10～30分鐘，然后再降至17.6 Kgf/cm2 ，至少保壓30分鐘，同時進行檢查。若無泄露和明顯的殘留變形。則質量合格，若質量不合格，修補后重新試壓直至合格為止。</p><p>　　三、 貯罐附件的選型及尺寸設計</p><p>　

46、?。ㄒ唬?、接管法蘭聯(lián)接結構的設計</p><p>　　1、接管法蘭密封面形式及墊片的設計</p><p>　　因為PN＝1.6MPa＜2.5MPa ，介質溫度為40℃ ，由文獻[1][2]可知：接管法蘭密封面形式為凹凸形密封面、墊片選用表知形式為光滑型密封面、墊片為石棉橡膠墊片、墊片的材料為中壓石棉橡膠板。根據(jù)文獻【2】有，接管法蘭密封墊片的尺寸如下表：</p><p

47、>　　表1 液氨出口 （DN80）</p><p>　　表2 液氨進口 （DN80) </p><p>　　表3 放空口 （DN50）</p><p>　　表4 安全閥接口 （DN50）</p><p>　　表5 壓力表接口 （DN40）</p><p>　　表6 人孔接口 （DN450）<

48、;/p><p>　　表7 排污接口 （DN100）</p><p><b>　　2、接管長度的設計</b></p><p>　　根據(jù)接管的DN及罐體無保溫層的條件，由文獻[1]接管的長度如下表：</p><p><b>　　、支座的選型及設計</b></p><p>　　首先粗

49、略計算鞍座負荷：儲罐質量m=m1+m2+m3+m4 式中m1—罐體質量 m2—封頭質量 m3—液氨質量 m4—附件質量</p><p><b>　?、?罐體質量m1</b></p><p>　　由V＝2V封＋V筒 可得：V筒＝10－2×0.617＝8.766 m3</p><p>　　V筒＝πDi2L/4＝8.766

50、 可得：L＝4362mm 圓整：L＝4360mm</p><p>　　筒體的重量: Di＝1600 mm 、S ＝12mm的筒體1m 高筒節(jié)的重量為0.476(T) </p><p>　　4.36×0.467=2.075(T)=2075Kg </p><p><b>　　② 封頭質量m2</b></p>&l

51、t;p>　　因為是標準橢球形封頭，由文獻［2］可知：封頭的壁厚S＝12mm，直邊高度h＝40mm ，</p><p>　　由Di＝1600 mm 、 S＝12mm，由文獻［2］可知：</p><p>　　封頭的體積V封＝0.617m3 、封頭的深度h1=400mm</p><p>　　封頭的重量:285Kg</p><p>　　m2=2

52、×285=570kg</p><p><b>　?、?液氨質量m3</b></p><p>　　m3=νρ ν=9.0m3 ρ=579Kg/m3</p><p>　　則： m3=9×579=5211kg</p><p><b>　　④ 附件質量m4</b></p&

53、gt;<p>　　人孔質量約200 kg，其他接管等質量總和按300 kg 計。于是m4 =500 kg</p><p>　　設備總質量m = ml + m2＋m3＋m4＝2057＋5211＋570＋500＝8338kg</p><p>　　而F=mg/2=40.85KNfxw.com</p><p>　　由于輕型鞍式支座A1600每個鞍座允許承受載荷

54、僅為2750Kg,低于工作載荷，所以選用重型支座，鞍座 BI 1600。 即</p><p>　　JB/T4712 一92 鞍座B1600 一F</p><p>　　JB/T4712 一92 鞍座B1600 一S</p><p><b>　?。ㄈ?、人孔的設計</b></p><p>　　根據(jù)貯罐的設計溫度、最高工作壓力

55、、材質、介質及使用要求等條件， 選用公稱壓PN=2.5 MPa 的水平吊蓋帶頸平焊法蘭人孔（HG21517- 95），人孔公稱直徑選定為DN=450 mm。采用凹凸面密封面（MFM 型）和石棉橡膠板墊片。</p><p><b>　　、液面計的選用</b></p><p>　　本貯罐采用玻璃管防霜液面計Al 2.5-1260-50 HG/T21550-93兩支。其標記

56、符號意義如下：第一項用AI 表示防霜液面計類型；第二項2.5 表示液面計公稱壓力等級，MPa;第三項1260 表示液面計的公稱長度，mm;第四項50 表示防霜翅片高度，mm;第五項HG/T21550-93 表示該液面計的標準圖號。</p><p>　　罐體的開孔及補強的計算</p><p><b>　　允許開孔的范圍</b></p><p>　

57、　對于在不同部位、不同尺寸的容器上開孔，其大小位置等要受到一定的限制，必要時要進行補強。國家標準的有關規(guī)定如下：</p><p>　　圓筒 當Di≤1500mm時，開孔最大直徑d≤1/2Di,且d≤500mm，當D≤1500mm時，開孔最大直徑d≤1/3Di,且d≤1000mm。</p><p>　　2、開孔補強的設計計算</p><p><b>　　人

58、孔補強 </b></p><p>　　、削弱金屬的面積：人孔DN=500 C2=2 筒體的計算壁厚S=8.32mm 接管直徑D=450+2C2=504mm。[σ]=170MPa, [σ]t＝170MPa 。?=[σ]/[σ]t =1 則：削弱的金屬面積A=DS+2S(Sn-C)（1－?）=8.32×454=3777.28mm2</p><p>　　、筒體超出計

59、算厚度多余金屬的截面積：接管厚度計算 S＝Pc Di/（2 [σ]Ф－Pc）=1.76×504／（2×170×1－1.76）=2.62mm 外側有效高度h= (Sn×D)1/2=(454×12)1/2=73.8mm A1=(B－d)(Sn－C－S)=(1008－454)(12－2－8)=1108mm2 接管多余截面積：A2=2h1(Sn－C－S）?=2×73.8(12－

60、2－2.05)×1=1173.63mm2 焊縫金屬截面積：A3=1/2×12×12×2=144mm2 則：需要金屬補強As A1+A2+A3=1108+1173.63+144=2425.42mm2</p><p>　　因為A1+A2+A3<A,所以需要補強。需要補強面積As=A－﹙A1﹢A2﹢A3﹚=3777.28－2425.42=1351.86mm2<

61、/p><p>　　﹙3﹚、補強圈的結構尺寸</p><p>　　取補強圈的厚度與筒體相同，設直徑為D，則有：</p><p>　　D=As/S+450+2×12=1351.86/12﹢450﹢12=574.65</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 湯善