立方米液氨储罐设计

《过程设备设计》课程设计说明书设计项目： 20M3液氨储罐设计所属院系：化学化工学院专业班级：化学工程与工艺1304班学号：学生姓名：指导教师：张铱鈖2016年01月20日摘要本次课程设计任务为设计一个容积为20m3的液氨储罐，采用常规设计方法，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、人孔、接管等进行设计，然后对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。

设计说明书的正文部分包括工艺设计和机械设计，其中机械设计包括结构设计和强度计算两部分内容，结构设计中包括设备一系列零部件的数据，强度计算包括厚度计算、水压试验、气密性试验等。

一、设计任务书20M3液氨储罐设计课程设计要求及原始数据（资料）一、课程设计基本要求1、按照国家压力容器设计标准、规范设计要求，掌握典型过程设备设计的过程。

2、设计计算采用手算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠。

3、工程图纸要求计算机绘图。

4、独立完成。

二、原始数据表1 设计条件表目录一、设计任务书 (2)二、课程设计内容 (5)工艺设计 (5)一、设计压力的确定 (5)二、设计温度的确定 (6)机械设计 (6)一、结构设计 (6)①设计条件 (6)②结构设计 (7)1、压力容器选择 (7)物料的物理化学性质压力容器的类型压力容器的用材2、筒体和封头的结构设计 (8)容器的筒体和封头壁厚的设计 (8)三·设备的设计计算1、筒体名义厚度的初步确定 (8)2、封头壁厚的计算 (8)容器的水压试验 (10)3、各个接管的位置及法兰的选择 (11)接管的设计法兰的设计垫片的选择4、人孔的选取 (13)5、液面计的设计 (15)6、鞍座的计算 (16)筒体的质量封头的质量液氨的质量附件的质量确定鞍座类型鞍座安装位置确定7、焊接接头设计 (17)回转壳体的焊接结构设计接管与壳体的焊接结构设计带补强圈的接管的焊接8.开孔补强计算 (18)四、参考文献 (20)二、课程设计内容课程设计内容包括工艺设计和机械设计两部分工艺设计工艺设计的内容是根据设计任务提供的原始数据和生产工艺要求，通过计算和选型确定设备的轮廓尺寸。

其中设计储量： tρfV W =式中 f = V =20m3 由表2得：t ρ =563㎏/m3=m3 故 W=×20×=表二 液化气体饱和蒸汽压及饱和液密度一、设计压力的确定设计压力应根据最高工作压力来确定。

对于盛装液化气体的压力容器，可根据《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG R0004-2009 经查表2得50℃下液氨饱和蒸汽压（绝压）为。

工作压力W p =（－）MPa=设计压力为容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力，而最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。

装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不得低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的—倍，所以设计压力P= 液柱静压力为：Pa28.12138563Pa 9.82.2g gh i 氨氨氨=⨯⨯=⨯⨯≤=D P ρρ ％5％5780.0a1.2a28.12138氨<==∴MP P P P ,于是忽略了液柱静压力的影响，得到MPa P P c 1.2== 二、设计温度的确定根据液氨储罐工作温度为-20～50℃ 选择设计温度t=50℃机械设计机械设计包括结构设计和强度计算两部分 一、结构设计 ① 设计条件表3 结构设计条件表表4 管口表②结构设计化工设备的结构设计包括设备承压壳体（一般为筒体和封头）及其零部件的设计。

设备零部件包括支座、接管和法兰、人孔和手孔、液面计、视镜等。

我国已经制订了化工设备通用零部件的系列标准，设计时可根据具体设计条件按照附录中给出的相关标准进行选用。

1、压力容器选择（a）物料的物理化学性质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。

（b）压力容器的类型化工设备的主体是压力容器，容器的强度决定着设备的安全性，为了加强压力容器的安全监察，保护任命生命和财产的安全，国家质量监督局颁布了压力容器安全技术监察规程这是一部对压力容器安全技术监督提出基本要求的法规，压力容器设计、安装、使用、检验、修理和改造等单位必须遵守的法规，为了有利于安全技术监督和管理，压力容器安全技术监察规程将其管辖范围内的压力容器划分为三类，分别为第一类压力容器、第二类压力容器和第三类压力容器。

本次设计压力容器中的介质为液态氨，属于中度危害，是第二组介质且设计压力为中压，所以将其划分为第二类压力容器。

（c）压力容器的用材正确选择材料对于保护设备的安全使用和降低成本是至关重要的。

压力容器用材料包括容器及压壳体用钢和设备零部件用材料，零部件有受压元件（如接管、法兰）和非受压元件（如支座），所用材料涉及钢板、钢管、锻件、型钢及钢棒等。

压力容器受元件用钢应符合GB150《钢制压力容器》中的有关规定，对于非受压元件用钢，当与受压元件焊接时，也应是焊接性能良好的钢材。

压力容器通常采用钢板经过成型焊接而成，法兰视具体情况可采用钢板或锻件，螺栓和螺柱应采用钢棒，接管一般应采用无缝钢管，支座所用材料涉及钢板，型钢及钢管，因为使用温度在-20℃～50℃，设计压力为，所以选用Q345R ，封头采用标准椭圆形封头，同样采用Q345R 。

采用16Mn 为钢管的材料。

法兰采用16Mn Ⅱ 2、筒体和封头的结构设计（a ）筒体公称直径和筒体长度的确定：筒体直径一般由工艺条件决定，但是要符合压力容器的公称直径。

标准椭圆型封头是中低压容器经常采用的封头形式。

封头公称直径必须与筒体的公称直径相一致。

公称体积mm D mm L V i 2200,4600,m 203g === 二、强度计算① 容器的筒体和封头壁厚的设计 1、筒体名义厚度的初步确定：筒体设计选用6～16 mm 厚度的Q345R ，50℃下其许用应力][tσ＝185MPa 。

计算厚度 ： 式中，cp ――计算压力，MPa ；i D ――圆筒内直径，mm ；t ][σ――容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa ；φ――圆筒的焊接接头系数 双面对接焊缝，100%无损检测则φ＝ 计算厚度 []mm mm P D P CtiC 678.121.21185222001.22=-⨯⨯⨯=-Φ⨯=σδ取腐蚀裕量2C =mm 2，查表得负偏差1C =， 所以取n δ=16mm ，则 2、封头壁厚的计算本设计采用标准椭圆封头（2:1）即：K （形状系数）=。

式中0.1=ϕ 根据公式，封头的设计壁厚为： []mm 52.155.022ctic d =+-Φ=C PD P σδ查表：取钢板的负偏差mm C 30.01=，则筒体的名义壁厚为：mm C mm d 82.15161=+>=δδ。

标准规定以内径为公称直径的标准椭圆形封头(代号EHA)的直边高度只与公称直径有关：DN ≤2000mm 时,直边高度为25mm ； DN>2000mm 时,直边高度为40mm 。

由于所设计的筒体公称直径DN=2200mm ≥2000mm ， 所以直边高度为h=40mm ， （b ） 椭圆形封头内表面积、容积：查GB/T25198-2010《压力容器用封头》中EHA 椭圆形封头内表面积、容积，如下表：表5 EHA 椭圆形封头内表面积、容积1、容器的水压试验所谓压力试验，就是用液体或气体作为工作介质，在容器内施加比它的设计压力还要高的试验压力，以检查容器在试验压力下是否有渗漏、明显的塑性变形以及其他缺陷。

压力试验分为液压试验和气压试验两种，一般采用液压试验，而且普遍采用水为液压试验介质，故本次设计采用水压试验。

根据GB150标准的规定，液压试验时式中，][σ——容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa ；t][σ――容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa 。

所以MPa 625.21851851.225.1=⨯⨯=T P而圆筒的应力ee T T D P δδσ2)(+=式中 T σ――试验压力下圆筒的应力，MPa ； i D ――圆筒内直径，mm ；δ――圆筒的有效厚度，mm；eσ――圆筒材料在试验温度下的屈服点，MPa；sφ――圆筒的焊接接头系数。

设计容器：所以，厚度校核合格。

3、各个接管的位置及法兰的选择（a）接管的设计：各物料进出管及检测仪表等接管内伸形式为插入式。

开孔：入口DN80，出口DN80，放净口DN70，排气孔DN70，备用口DN100，安全阀口DN70，压力表接口DN25,液位计口DN20，人孔DN450。

由《输送流体用无缝钢管》查得各管的外径以及壁厚；外伸的尺寸由实际工程决定；对于液氨的入口管，其伸进的管长应大于筒体中心线的100-200mm,进料管伸进设备内部并将管口的一端切成450，为了是避免物料沿设备内壁流动,减少磨蚀和腐蚀并且为了在短时间内将物料注满容器。

表6 各接管设计表两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍，其他管口如液相出口管，安全阀接口，压力表接口，气相管，放气管，排污管等管间的间距均由下述来设计并计算：)(2m n d d L +≥上部：人孔，进料口，备用口，压力计口，排气口，安全阀接口， 人孔中心线与筒体左间距：800mm 人孔中心线与进料口心线间距:600mm 进料口中心线与备用口中心线的间距:400mm 备用口中心线与压力表接口中心线的间距:400mm 安全阀口中心线与筒体右间距:400mm 排气口中心线与安全阀口中心线间距：40mm 下部：净放口，出口出口中心线与筒体间距：200mm 净放口中心线与筒体间距：200mm（b ）法兰的设计：法兰设计可根据法兰标准进行选型设计，也可按GB150相关条款进行设计。

法兰有压力容器法兰和管法兰，二者属不同的标准体系。

设计内容如下：根据设计压力、操作温度和法兰材料决定法兰的公称压力PN ；水压实验的压力P T =，因此选择高一级别的公称压力，因此PN=根据公称直径DN 、公称压力PN 及介质特性决定法兰类型及密封面型式，法兰选带颈对焊法兰（标准HG/T20954-2009）带颈对焊钢制凹凸面法兰表7 PN25带颈对焊钢制管法兰及密封面尺寸（mm ）（c）垫片的选择：根据温度、压力及介质腐蚀性选择垫片材料选用柔性石墨复合垫4、人孔的选取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。