化工设备机械基础课程设计题目：液氨贮罐的机械设计班级：学号：0708010213姓名：陈剑指导教师：崔岳峰沈阳理工大学环境与化学工程学院2010年11月设计任务书课题：液氨储罐的机械设计设计内容：根据给定的工艺参数设计一台液氨储罐。

已知工艺参数：最高使用温度：T=50℃公称直径：DN=3000mm筒体长度：L=4500mm具体内容包括：（1）筒体材料的选择（2）储罐的结构和尺寸（3）罐的制造施工（焊接焊缝）（4）零部件的型号、位置和接口（5）相关校核计算设计人：陈剑学号：0708010213下达时间：2010年11月19日完成时间：2010年12月24日目录前言 11液氨储罐的设计背景 22液氨储罐的分类和选型 32.1 储罐的分类 32.2 储罐的选型 33 材料用钢的选取 43.1容器用钢 43.2附件用钢 44工艺尺寸的确定 54.1储罐的体积 55工艺计算 65.1筒体壁厚的计算 65.2封头壁厚的计算65.3水压试验75.4支座75.4.1支座的选取75.4.2鞍座的计算75.4.3安装高度95.5人孔的选取95.6人孔补强95.6.1人孔补强的计算95.6.2 不需补强的最大开孔直径115.7接口管125.7.1液氨进料管125.7.2液氨出料管125.7.3排污管125.7.4液面计接管125.7.5放空接口管135.7.6安装阀接口管136参数校核146.1筒体轴向应力校核146.1.1 筒体轴向弯矩的计算146.1.2筒体轴向应力的计算146.2 筒体和封头切向应力的校核156.2.1筒体切向应力的计算156.2.2封头切向应力的计算166.3筒体环向应力的计算与校核166.3.1环向应力的计算166.3.2环向应力校核176.4鞍座有效断面平均压力177总结188设计结果一览表199液氨储罐化工设计图20参考文献21前言本学期在学习完化工设备机械基础理论课同时，老师下设了关于化工设备机械基础的课程设计-液氨储罐的机械设计，让我们学好理论知识的同时让我们懂得如何将学到的理论知识运用到实际生产中去，懂得如何综合考虑实际问题。

本次设计是关于液氨储罐的设计，在老师给定的相关条件下，充分利用课堂上学到的理论知识发散思维、扩宽视野使之能更好的联系实际的生产，在实际的操作中我们应考虑的问题非常多，比如说：液氨的一些性质、容器的受压情况、操作的压力、操作的温度等等。

充分考虑上述条件的同时设计出符合标准的液氨储罐。

这样不仅使我们所学的理论知识的到进一步的提高，也使我们可以了解到更多的实际生产中应该注意的问题，使我们收益匪浅。

通过这次课程设计是我深刻了解到理论知识与实际应用的差别，让我们学到了很多东西比如：如何联系实际考虑问题，分析问题，解决问题。

考虑到经济上的问题去解决问题。

使我们学到很多有用的东西。

1液氨储罐的设计背景化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。

所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。

然而化工容器又有其本身特点，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。

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，因此设计液氨贮罐是制造贮罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。

2液氨储罐的分类和选型2.1 储罐的分类储罐按其形式可分为方形和矩形容器、球形容器、圆筒形容器（立式、卧式）。

按其承压性质和能力可分为内压和外压，内压容器又可分为常压、低压、中压、高压、超高压等五类。

根据使用时候的壁温，可分为常温容器、高温容器、中温容器和低温容器。

按其结构材料分类，容器有金属制的和非金属制的两类。

按其反应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。

2.2 储罐的选型在本设计中经初步计算设计体积较小（约为35—40 m3）且工作压力较小（p0=2.125MPa），因此可采用卧式圆筒形容器（因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好），方形和矩形容器大多只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较强且节省材料，但制造较难和安装内件不方便，一般不使用。

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，综合上诉考虑本设计选用圆筒形卧式容器。

3 材料用钢的选取3.1 容器用钢压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。

一般的低压设备可采用屈服极限为245Mpa~345Mpa级别的钢材；直径较大、压力较高的设备，均可采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或者以上；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。

16MnR（GB 6654-1996）钢在板厚为16-36mm时候的屈服极限是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370、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16MnR钢昂贵。

因此，选用16MnR GB（6654-1996）钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值。

3.2 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。

优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，一般不宜用作接口管用钢。

由于接管要求焊接性能好且塑性应该较好，故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管（因为低碳钢的塑性和韧性较好。

因此，其冷成形性良好可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形。

这种钢翅具有良好的焊接性）。

由于法兰必须具有足够大的强度和刚度且能耐腐蚀，成本低廉等，综合上诉考虑选用Q235-A（强度极限400Mpa，屈服极限240Mpa）的普通低碳钢。

但是应注意容器法兰与管法兰不能互换。

4 工艺尺寸的确定4.1 储罐的体积筒体长度：L=4500mm 公称直径：DN=3000mm则圆柱形筒体的体积为：（4.1）筒体的总内表面积：（4.2）封头壁厚为22mm ，则取直边高度为50mm。

经查表的则封头的总容积为：单个封头的表面积：封头的总内表面积为：筒体的总体积为：V=筒体的总内表面积：长径比为： (4.35 工艺计算5.1筒体壁厚的计算根据公式： (5.1式中：——圆筒的计算压力，MPa；——圆筒的内径，mm；——钢板在设计温度t下的许用应力，MPa；——焊接接头系数，≤1;在设计温度为50℃时候，氨的饱和蒸汽压为（绝对压力），储罐的表压为：，在容器上有安全阀的时候取1.05 ~1.1为最高工作压力的设计压力。

即：P=1.116MnR在40℃的时候许用压力为：（见附表）公称直径Di=3000mm(双面对接焊缝，100%探伤，见表由于液氨有一定的腐蚀性，故属于单面腐蚀，取查表：取钢的负偏差则筒体的计算壁厚圆整后，圆筒的名义厚度为δ5.2 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）=1.0。

根据公式，封头的设计壁厚为： (5.2查表：取钢板的负偏差，则筒体的计算壁厚为：。

上式中（因钢板的最大宽度为3m，此储罐直径为3000mm故封头需焊后冲压），其他符号同前。

考虑冲压减薄量，圆整后取名义厚度的16MnR钢制作封头。

5.3 水压试验很据公式： (5.3其中：（查表得：）故符合工艺条件的要求。

5.4 支座5.4.1支座的选取支座用来支撑容器的重量，固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。

卧式圆筒形容器的支座分为鞍座、圈座和支腿三类。

常见的卧式容器和大型卧式储罐大多采用鞍座。

主要由于鞍座的承压能力较好且对筒体的局部阻力较小，故采用鞍座。

鞍座又分为轻型（A）和重型（B）两大类，每种形式的鞍座又分为固定支座（F）和滑动支座（S），在一台容器上F 型与S型总是配对使用。

本设计中由于储罐的体积较小且长径比较小，故采用A型双鞍座，在、其中一个为F型另一个为S型。

5.4.2 鞍座的计算首先估算鞍座的负荷。

储罐的总质量：（kg），m2为封头质量（kg），m3为液氨质量式中：m1为筒体质量（kg），m4为附件质量（kg）。

筒体的质量m1DN=3000mm，的筒节，每米的质量为1640kg（查表4得）故封头的质量m2DN=3000mm，直边高度h=50mm的标准椭圆形封头，其质量为1780kg（查表6），故液氨的质量m3上式中：为装料系数，取0.7; V为贮罐容积，V=39.58m3为液氨在-200C时候的密度为665kg/m3。

故：18424.5kg附件的质量：人孔约重200kg ，其他接口管的总重约为350kg。

则：m4=550kg经过上述计算得：由于每个鞍座承受约146kN负荷，故选用轻型带垫板包角为1200的鞍座，即JB/T4712-1992鞍座A3000-F, JB/4712-1992鞍座A3000-S。

表3.1 A型支座系列参数尺寸公称直径DN 许荷kN 高度H底板腹板筋板垫板地脚螺栓弧长规格3000 786 250 2180 360 14 10 341 316 406 3490 500 10 65 28 M245.4.3 安装高度储罐的总长我为：L=4500+（750+50）x2=6100mm=6.1m由公式：L＝2a＋l a＝0.208L得：a为鞍座离罐体一端的距离，l为两鞍座之间的距离。

计算的，a=1.27m=1270mm，l=3.56m=3560mm。

5.5 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。

人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。

一般的人孔有两个手柄。

人孔分为：板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔、带颈对焊法兰人孔。

根据储罐在常温下及高温工作压力为2.125Mpa的条件下工作，人孔的标准公称压力为2.125Mpa等级选取，考虑到人孔较大较重，故选用水平呆吊盖带颈对焊法兰人孔。