卧式液氨储罐课程设计

目录
一、前言 (3)
二、摘要 (4)
三、绪论 (5)
3.1 设计任务： (5)
3.2设计思想： (5)
3.3 设计特点： (5)
四、设备材料及结构的选择 (6)
4.1材料选择 (6)
4.2结构选择 (6)
4.2.1 封头的选择 (6)
4.2.2容器支座的选择 (6)
4.3法兰型式 (6)
4.4液面计的选择 (7)
4.4.1 (7)
4.4.2 (7)
4.4.3 (7)
五、结构计算 (8)
5.1罐体壁厚设计 (8)
5.2封头厚度设计 (9)
5.2.1计算封头厚度 (9)
5.2.2校核罐体与封头水压实验强度 (9)
5.3选择人孔并核算开孔补强 (10)
5.4储罐零部件的选取 (12)
5.4.1储罐支座 (12)
5.4.2罐体质量 (12)
5.4.3封头质量 (12)
5.4.4液氨质量 (13)
5.4.5附件质量 (13)
六、接管的选取 (14)
6.1液氨进料管 (14)
6.1.1接管的计算厚度为： (14)
6.1.2开孔有效补强宽度B，有效补强高度的确定 (14)
6.1.3需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积的计算 (14)
6.2 平衡口管 (14)
6.3 液位指示口管 (15)
6.4 放空口管 (15)
6.5 液体进口管 (15)
6.6 液体出口管 (15)
七、压力计选择 (16)
八、符号说明 (17)
九、致谢 (18)
十、参考文献 (19)
一、前言
压力容器是一种密闭的承压容器，通常是由板、壳组合而成的焊接结构。

其应用广泛且用量大，但又比较容易发生事故且事故往往是严重的。

压力容器的设计一般有筒体、封头、密封装置、支座、接口管、人孔及安全附件等组成。

与任何工程设计一样，压力容器的设计目标也是对新的或该进的工程系统和装置进行创新和优化，以满足人们的愿望与需要。

具体来说，压力容器的设计人员应根据设计任务的特定要求，遵循设计工作的基本规则或规范，以及材料控制﹑结构细节﹑制造工艺﹑检验及质量管理等方面的规则，并尽可能地采用标准。

液氨储罐是合成氨工业中必不可少的储存容器，所以本设计过程的内容包括容器的材质的选取、容器筒体结构和强度的设计，密封的设计、罐体壁厚设计、封头壁厚设计、确定支座，人孔及接管、开孔补强的情况以及焊接形式的设计与选取。

在设计过程中要综合考虑经济性、实用性和安全可靠性。

设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。

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。

此次设计主要原理来自《化工设备机械基础》一书以及其他参考资料。

本设计的液料为液氨，它是一种无色液体。

氨作为一种重要的化工原料，应用广泛。

分子式 NH3，分子7.03，相对密度0.7714g/L，熔点-77.7℃，沸点-33.35℃，自燃点651.11℃，蒸汽压1013.08kPa(25.7℃)。

蒸汽与空气混合物爆炸极限16～25%(最易引燃浓度17%)。

氨在20℃水中溶解度34%,25℃时，在无水乙醇中溶解度10%，在甲醇中溶解度16%，溶于氯仿、乙醚，它是许多元素和化合物的良好溶剂。

水溶液呈碱性。

液态氨将侵蚀某些塑料制品，橡胶和涂层。

遇热、明火，难以点燃而危险性较低；但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇明火会燃烧和爆炸,如有油类或其它可燃性物质存在，则危险性更高。

本次设计的所有参数都严格按照国家标准，让设计有章可循。

但由于知识水平有限，又是第一次做关于化工设备机械基础的设计，难免会有很多缺陷和不足，还请老师给予批评和指正，最后感谢老师能在百忙之中抽出时间进行评阅
兰亚军2014年1月5日
二、摘要
本说明书为《1.2m3液氨储罐设计说明书》。

扼要介绍了卧式储罐的特点及在工业中的广泛应用，详细的阐述了卧式储罐的结构及强度设计计算及制造、检修和维护。

本文采用分析设计方法，综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关标
准，按工艺设计、设备结构设计、设备强度计算的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、鞍座、接管进行设计，然后采用1SW6-1998对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。

设计结果满足用户要求，安全性与经济性及环保要求均合格。

关键词：压力容器、卧式储罐、结构设计、材料选择、开孔补强
三、绪论
3.1 设计任务：
针对化工厂中常见的卧式液氨储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计，
=1000mm，罐体（不包绘制总装配图。

本次设计的卧式液氨储罐的工艺尺寸为：储罐内径D
i
括封头）长度L=1200mm，使用地点：新疆。

3.2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。

各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，综合的进行设计。

3.3 设计特点：
容器的设计一般由筒体,封头，法兰，支座，接管等组成。

常，低压化工设备通用零部件大都有标准，设计师可直接选用。

本设计书主要介绍了液罐的筒体，封头的设计计算，低压通用零部件的选用。

各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家使用标准，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。

四、设备材料及结构的选择
4.1材料选择
根据本次课程设计的安排和要求，本次设计采用Q235-C号钢。

所以在此选择Q235-C钢板作为制造筒体和封头材料。

4.2结构选择
4.2.1 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。

平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。

从钢材耗用量来年：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。

因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。

4.2.2容器支座的选择
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。

但在是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，各支承平面的影响如容器简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、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分市。

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（DN≤1600，L≤≤5m）。

综上考虑在此选择鞍式支座作为储罐的支座。

4.3法兰型式
法兰连接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。

压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。

平焊法兰又分为甲型与乙型两种。

甲型平焊法兰有PN0.25 MPa 0.6 MPa1.0 MPa1.6 MPa，在较小范围内（DN300 mm -2000 mm）适用温度范围为-20o C-30o C。

乙型平焊法兰用于PN0.25 MPa-1.6 MPa压力等级中较大的直
径范围，适用的全部直径范围为DN300 mm -3000 mm，适用温度范围为-20o C-350o C。

对焊法兰具有厚度更大的颈，进一步增大了刚性。

用于更高压力的范围（PN0.6 MPa-6.4MPa）适用温度范围为-20o C-45o C。

法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。

法兰设计时，须注意以下二点：管法兰钢制管法兰、垫片、紧固件设计参照
HG20592~HG20635的规定。

4.4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0~250o C。

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0~250o C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
4.4.1
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。

4.4.2
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。

4.4.3
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所以在此选用玻璃管液面计。

五、结构计算
5.1罐体壁厚设计
本储罐选用Q235-C 制作罐体和封头，壁厚δ根据式（12-5）计算： []c t i
c P D P -=φσδ2
本储罐在夏季最高温度（按46℃考虑）时氨的饱和蒸汽压为1.8a MP （绝对压力），储罐上需要安装安全阀，故取a c MP P 98.1=【《容规》规定液氨储罐设计温度为46℃，设计压力为a MP 98.1，mm D i 1000=，[]MPa t 125=σ，0.1=φ（双面焊接接头，100%无损检测，表12-8） 取22=C mm,于是：
98.798.10.11252100098.1≈-⨯⨯⨯=δ mm C d 98.9298.72=+=+=δδ
根据mm d 98.9=δ由表12-9查得25.01=C mm ，又该值小于名义厚度的6%，所以钢板负偏差可以忽略不计为0。

mm C n 98.9098.91=+=+δ
圆整后mm n 10=δ
因此确定选用mm n 10=δ厚的Q235-C 钢板制作的罐体。

注：计算压力c P 为饱和蒸压的1.05-1.1倍，本次计算按1.1计算。

5.2封头厚度设计
5.2.1计算封头厚度
厚度δ按（12-21）计算： []c
t i
c P D P 5.02-=φσδ 0.1=φ钢板最大厚度为3m ，该储罐直径为1.05m ，故封头需将钢板拼焊后冲压成型。

于是: mm 95.798.15.011252100098.1≈⨯-⨯⨯⨯=δ 同上： mm C C C 22021=+=+= 故： 95.9295.7=+=+C δ 圆整后取mm n 10=δ确定选用mm 10=δ厚的Q235C 钢板制作封头。

5.2.2校核罐体与封头水压实验强度 根据公式（12-18）：s e e i t t D P φσδδσ9.02)(≤+= 式中 MPa P P T 475.298.125.125.1=⨯== mm C n e 8210=-=-=δδ MPa s 235=σ 则 MPa T 93.15582)81000(475.2=⨯+⨯=σ
而0.9MPa s 5.2112350.19.0=⨯⨯=φ因为s t φσσ9.0 ，所以水压强度足够
5.3选择人孔并核算开孔补强 设置人孔和手孔是为了检查设备和便于安装与拆卸设备内部构件。

为检查设备使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷，应开设检查孔；当设备内径mm D mm i 1000500≤ 时，至少开设1个Φ400的人孔或两个100φ的手孔。

本次设计的储罐设计压力为1.98MPa,根据下表，得出结论可采用帯颈对焊法法兰人孔。

人孔类型 公称压力MPa 公称直径mm
板式平焊法法兰人孔 0.6 400 450 500
600 板式平焊法兰人孔 或帯颈平焊法法兰 1.0
400 450 500
600 1.6 400 450 500
600 帯颈对焊法法兰 2.5 400 450 500 600 4.0 400 450 500
600 人孔公称直径选定为400mm 采用榫槽密封面（TG 型）和石棉橡胶垫片。

该帯颈对焊法法兰人孔的标记为:
人孔 RF (AG)450-2.5 GH21524-2004 （1）对于圆筒壳体开口的计算厚度： []mm P D P c
t i c 98.798.111252100098.12=-⨯⨯⨯=-=φσδ （2）计算开孔所需补强的面积A ：
开孔直径：mm C d d i 404224002=⨯==+= 补强的面积：292.322398.74047mm d A =⨯==δ （3）有效宽度： mm d B 80840422=⨯== mm d B m n 444410210240422=⨯+⨯+=++=δδ 取最大值：B=808 （4）有效高度： 外侧高度：mm d h m 56.63104041=⨯=∙=δ
或=1h 接管实际外伸高度=250mm 两者取较小值mm h 56.631=
内侧高度：mm d h m 56.63104042=⨯=∙=δ 或2h =接管实际內伸高度=0 两者取较小值mm h 02= （5）筒体多余面积1A ：
筒体有效厚度：mm C n e 8210=-=-=δδ
选择与筒体相同的材料Q235-C 进行补偿，故1=r f ，所以
)1)((2))((1r e m e f d B A -----=δδδδδ
208.8)11)(98.78(102)98.78_)(404808(mm =--⨯---=
（6）接管多余金属的截面积2A 接管计算厚度[]c
t
c P d
P -∙=
φσδ2
mm 23.398
.111252404
98.1=-⨯⨯⨯=
r et r t et f C h f h A )(2)(22212-+-=δδδ =1)232.3210(56.632⨯--⨯⨯
=2
36.606mm
（7）补强区内焊缝截面积3A
2310010102
1
2mm A =⨯⨯⨯=
（8）有效补强面积e A
232144.7141006.3.60608.8mm A A A A e =++=++=
因为 A A e < 所以需要补强
（9）所需要补强截面积A 4
2448.250944.71492.3223mm A A A e =-=-=
(10)补强圈厚度)650434(:0'==D D i 外径补强圈内径δ
204'6.11434
65048
.2509mm D D A i =-=-≥
δ 考虑钢板负偏差并圆整实取补强厚度12mm,补强材料与壳体材料相同，制造便于备材。

5.4储罐零部件的选取 5.4.1储罐支座
此容器为卧式储罐压力容器，本次设计采用鞍式支座 首先粗略计算鞍座的负荷 储罐总质量m
4321m m m m m +++= 1m ----罐体质量 2m ----封头质量
3m ----液氨质量 4m ----附件质量
5.4.2罐体质量1m
mm D i 1000=，mm 10=δ，1200=L 的筒节
kg L D m i 2997850120010)101000(14.31=⨯⨯⨯+⨯==ρδπ
5.4.3封头质量2m
mm D i 1000=，mm n 10=δ，直边高度h=25mm 的标准椭圆形封头，其质量：
ρδπn i D m 2
,
235.0=
785010100014.335.02⨯⨯⨯⨯=
=86kg （JB/T4746-2002），
注：
《容规》规定:介质为液化气体的固定式压力容器，装量系数一般取0.9
注： V
封
参照244P
表12-24
所以：kg m m 1728622,
22=⨯==
5.4.4液氨质量3m
ρϕv m =3，
其中，装量系数为0.9
封头体积：3
3313.0100024
14.324m D V i =⨯==π封 筒体体积：3
22i 942.0120010004
14.3L D 4m V =⨯⨯=
=π筒 储罐容积：3
2.1942.01
3.022m V V V =+⨯=+=筒封储 液氨在-20℃时的密度为665kg/m 3则：
kg m 41.7192.16659.0V 3=⨯⨯==ϕρ氨氨
5.4.5附件质量4m
人孔质量约200kg ，其他接管等质量总和按150kg 计。

于是，
3504=m kg 。

储罐总质量：
4321m m m m m +++=
=299+172+719.4+350
=1540.4（kg ）
)(6.72
81
.94.15402KN mg F =⨯== 每个鞍座只承受7.6KN 负荷，根据附录12，可以选用轻型带垫板，包角为1200的鞍座，即
JB/T 4712-92 鞍座 A2600-F
JB/T 4712-92 鞍座 A2600-S
六、接管的选取
6.1液氨进料管
6.1.1接管的计算厚度为：
[]mm P D P c
t
c t 75.398
.111252478
98.120
=+⨯⨯⨯=
+=
φσδ
开孔直径为：
mm C d d 45822)212478(21=⨯+⨯-=+=
6.1.2开孔有效补强宽度B ，有效补强高度的确定
接管有效补强宽度为： mm d B 91645822=⨯== 接管外侧有效补强高度为：
mm d h nt 68104581=⨯==δ
6.1.3需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积的
计算
需要补强的金属面积为
)(364195.74582mm d A =⨯==δ： 可以作为补强的金属面积为：
3687)95.716)(458916())((1=--=--=δδe d B A
2
1216660.1)75.316(682)(2mm h A t et =⨯-⨯⨯=-=φδδ 2
21535316663687mm A A A e =+=+=
比较)3641()5353
A A 22mm A mm A e e == （，与，同时考虑接管与壳体焊缝面积3A 之后，该开孔接管补强的强度足够。

6.2 平衡口管
平衡口采用mm 5.245⨯φ无缝钢管，配以管式平焊管法兰不需要补强 SD-RF45-1.6 HG20594
6.3 液位指示口管
φ无缝钢管，配以管式平焊管法兰不需要液位指示口采用mm
5.3
57⨯
补强
SD-RF57-1.6 HG20594
6.4 放空口管
φ无缝钢管，配以管式平焊管法兰不需要补强放空口采用mm
5.3
32⨯
SD-RF32-1.6 HG20594
6.5 液体进口管
φ无缝钢管，配以管式平焊管法兰不需要补液体进口采用mm
5.2
45⨯
强
SD-RF45-1.6 HG20594
6.6 液体出口管
φ⨯无缝钢管，配以管式平焊管法兰不需要补液体出口采用45 2.5mm
强
SD-RF45-1.6 HG20594
七、压力计选择
（1）量程装在锅炉、压力容器上的压力表，其最大量程（表盘上刻度极限值）应与设备的工作压力相适应。

压力表的量程一般为设备工作压力的1．5～3倍，最好取2倍。

若选用的压力表量程过大，由于同样精度的压力表，量程越大，允许误差的绝对值和肉眼观察的偏差就越大，则会影响压力读数的准确性；反之，若选用的压力表量程过小，设备的工作压力等于或接近压力表的刻度极限，则会使压力表中的弹性元件长期处于最大的变形状态，易产生永久变形，引起压力表的误差增大和使用寿命降低。

另外，压力表的量程过小，万一超压运行，指针越过最大量程接近零位，而使操作人员产生错觉，造成更大的事故。

因此，压力表的使用压力范围，应不超过刻度极限的60～70％。

（2）测量精度压力表的精度是以允许误差占表盘刻度极限值的百分数来表示的。

精度等级一般都标在表盘上，选用压力表时，应根据设备的压力等级和实际工作需要来确定精度。

额定蒸汽压力小于2.45MPa的锅炉和低压容器所用的压力表，其精度不应低于2．5级；额定蒸汽压力大于2.45MPa的锅炉和中、高压容器的压力表，精度不应低于1.5级。

（3）表盘直径为了使操作人员能准确地看清压力值，压力表的表盘直径不应过小。

在一般情况下，锅炉和压力容器所用压力表的表盘直径不应小于100mm，如果压力表装得较高或离岗位较远，表盘直径还应增大。

又考虑到液氨有一定腐蚀性,所以综合考虑选用隔膜压力表,
技术指标为：精度等级：(1.6) 公称直径： 50
接头螺纹：1.5 G1 测量范围：0-2.4Mpa
八、符号说明
C 1 钢板负偏差mm φ 焊接接头系数
P 设计压力MPa V 体积m 3
P w 工作压力MPa ρ 密度g/cm 3
d δ 筒体设计厚度mm T P 实验压力MPa
δ 筒体计算厚度 mm e δ 筒体有效厚度 mm
n δ 筒体名义厚度 mm 2C 腐蚀裕量 mm
c P 计算压力 MPa
s δ 圆筒材料在试验温度下的屈服强度MPa
t δ 圆筒材料在试验温度下的许用应力MPa
[]δ 容器元件材料在试验温度下的许用应力MPa
[]t δ 设计温度下的许用应力 MPa
注：
由于部分符号在计算过程之前或者计算过程之后进行了说明，此外在另行说明
九、致谢
本次设计终于在紧张而又忙碌的一周中看到一点希望了，一周的时间过的很快但却也很充实。

回想本次设计的过程只能用一个累字来形容，尤其是计算和画图，由于很长时间没有接触CAD制图了，感觉很生疏，几次都是删了重新再做，每天盯着电脑屏幕，一坐就是好几个小时，看的眼睛很难受，坐的时间久了，腿也很疼。

不过在做了一段时间后，也就慢慢的熟悉并且掌握了。

本次设计让我从中体会到了坚持的喜悦，我很享受从中遇到困难然后解决困难和问题的过程，这让我很有成就感。

本次设计，并不是很顺利的，由于我自身的知识水平有限，计算过程出现了很多困难。

以及在做Word的时候，由于我的计算机水平并不是很高，在排版和公式编辑上都出现了很多的困难，但通过我不断的请教，这些困难都迎刃而解，在这里我要感谢我的舍友，感谢他们也在紧张忙碌的时间对我耐心，仔细的指导，是他们一次次的帮我发现问题，解决问题，很耐心的给我指正，正是他们无私的帮助，才使得我的设计能够顺利，按时的交上，由衷的感谢你们！
十、参考文献
《化工设备机械基础》喻健良大连理工大学出版社《化工机械基础课程设计》韩叶象北京化工学院出版社
20。