液氨储罐的设计

1、设计任务书

课题：

液氨储罐的设计（家乡衡水）

设计内容：

根据既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=40℃

罐体容积V=12mm3

此时氨的饱和蒸汽压P=

具体的内容包括：

1.筒体材料选择

2.罐的结构及尺寸（内径、长度）形状（卧式、球形、立式），罐体厚度，封头形状及厚度，支座的选择，人孔及接管，开孔补强

下达时间：2017年6月16日

完成时间：2017年6月30日

2、前言

本次课程设计是化工与材料工程学院，应用化学专业对化工设备机械基础这门课程进行的。课设题目为液氨储罐的课程设计。

液氨，又称为无水氨，是一种无色液体。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。液氨在工业上应用广泛，而且具有腐蚀性，且容易挥发，所以其化学事故发生率相当高。

NH3气氨相对密度(空气＝1)：，分子量为17．04.液氨的密度是L(50℃) 。

　　自燃点：651．11℃  饱和蒸汽压：

　　熔点(℃)：-77．7   爆炸极限：16％～25％ 

　　沸点(℃)：-33．4   1％水溶液PH值：11．7 

比热kJ(kg·K)： 氨（液体）   氨（气体） 

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。

液氨主要用于生产、和其他化学肥料，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。液氨还可用用于纺织品的丝光整理。

液氨通常采用钢瓶或灌装。灌装用钢瓶或槽车应符合国家劳动局颁发的 “气瓶安全监察规程”、“压力容器安全监察规程”等有关规定。

本设计是针对《化工设备机械基础》这门课程所安排的一次课程设计，是对这门课程的一次总结，要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。

设计基本思路：本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。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。

本设计过程的内容包括容器的材质的选取、容器筒体的性质及厚度、封头的形状及厚度、确定支座、人孔及接管、开孔补强的情况以及其他接管的设计与选取。

3.设计方案

设计依据及原则

本液氨贮罐属于中压容器，设计以“钢制压力容器”国家标准（GB150）为依据，严格按照部门对压力容器安全监督的法规“压力容器安全技术监督教程”的规定进行设计。以安全为前提，综合考虑质量保证的各个环节，尽可能做到经济合理，可靠的密封性，足够的安全寿命。

设计的步骤如下：

(1)根据设计中要用的各种参数进行计算及材料选择。

(2)对容器的筒体、封头鞍座及其他附件进行参数计算。

(3)对计算出来的数据进行校核。

、设计要求

技术特性表

、设计温度与设计压力的确定

（1）设计温度：T= 40℃

（2）设计压力:本贮罐在最高使用温度40℃下，氨的饱和蒸汽压为(绝对压强)，容器上装有安全阀，则取到倍的最高工作压力作为设计压力，这里取最高设计压力为倍。所以设计压力为P= ×（）=。

、罐体和封头材料的选择

（1）材料选择：由操作条件可知，该容器属于中压、常温范畴（化工设备机械基础 第六版P56表2-2）。考虑到机械性能、强度条件、腐蚀情况等要求，筒体和封头的材料选用可以考虑20R、16MnR这两种钢种。如果纯粹从技术角度看，建议选用20R类的低碳钢板， 16MnR钢板的价格比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价， 16MnR钢板为比较经济。所以在此选择16MnR 钢板作为制造筒体和封头材料。钢号为16MnR的钢板（适用温度范围-40-475℃，使用状态为热轧或正火，钢板标准为GB6654—1996）。接管材料选用钢号为16MnR的接管（许用应力：[σ]=[σ]t=163MPa）。法兰材料为16MnR，鞍座材料选用16MnR。

（2）钢板厚度负偏差：由《化工设备机械基础》第六版P97表4—9可知，钢板厚度在时钢板负偏差C1=。

（3）腐蚀裕量:腐蚀裕量由介质对材料的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命决定。腐蚀裕量C2=Ka，其中K为腐蚀速率；a容器的使用寿命。对于低合金钢的容器，其腐蚀程度若属于轻度腐蚀，腐蚀速度 （mm/a），腐蚀余量≥，（第六版P98 表4-11）故腐蚀余量取C2=.

（4）焊接头系数：本次课程设计是液氨储罐的机械设计。氨属于中度毒性物质， 查（第六版P56 表2-2）可知该设备为中压储存容器，即为第三类压力容器。由于焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方，要保证设备密封性能良好，故筒体焊接结构采用双面焊的全焊透的对接接头，且全部无损探伤的，故取焊接头系数φ=。

（5）许用应力：对于本设计是用钢板卷焊的筒体以内径作为公称直径DN=Di=1600mm.假设16MnR钢的厚度在16-36mm之间，设计温度下钢板的许用应力[σ]t=163Mpa。

4、设计计算

、圆筒厚度设计

16MnR的密度为m3，熔点为1430℃，许用应力列于下表：

表   16MnR许用应力

式中  δd—设计厚度（mm）；

C2—腐蚀裕量（mm）；

Pc—圆筒的设计压力（MPa）；

DN—圆筒的公称直径（mm）；

φ—焊接接头系数；

[σ]t—钢板在设计温度下的许用应力（MPa）。

于是=×1600/（2×163×）+=.

将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整到钢板的标准规格的厚度，及圆筒的名义厚度：      =+=            

即=++△。圆整后取δn=后的16MnR钢板制作筒体。

、封头壁厚设计

由于椭圆封头厚度的计算公式和筒体厚度的计算公式几乎相同，说明筒体采用标准椭圆封头，其封头厚度近似等于筒体厚度，这样筒体和封头可采用相同厚度的钢板制作。因为Di/2hf=2时，定义为标准椭圆封头，所以封头的形状系数K=。

封头的设计厚度为：                           

即=×1600/（2×163×）+=。

考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，需圆整，封头的名义厚度由公式可得=+，圆整后取δn=11mm厚的16MnR钢板作封头。

、水压试验及强度校核

由《化工设备机械基础》（第六版P100）查得内压容器液压试验时应力校核公式为

式中pt—试验压力（MPa）； δe—有效厚度（mm）；σs—圆筒材料在试验温度下的屈服点（MPa）；Di—圆筒的内直径；σt— 圆筒壁在试验压力下的计算应力（MPa）；Φ—圆筒的焊接接头系数。

其中pt==×=   δe=  σs=325MPa

于是==≤=×325×=.

水压试验满足强度要求。

5、选择人孔并核算开孔补强

、人孔参数确定

为了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，此设备应至少开设一个人孔，人孔的形状有圆形和椭圆两种，当设备内径Di＞1000mm时，压力容器上的开孔最好是圆形的。椭圆形人孔的短轴与受压容器的轴线平行。圆形人孔的直径一般为450mm，受压容器的压力不高或有特殊需要时，直径可以大一些。圆形人孔的直径有DN400、DN450、DN500和DN600共4种。本设计根据储罐在常温工作压力为的条件下工作，人孔标准应按公称压力为的等级选取。受压设备的人孔盖较重，一般均选用吊盖式人孔或回转盖式人孔。吊盖式人孔使用方便，垫片压紧较好，回转盖式人孔结构简单，转动时所占空间平面较小，如布置在水平位置时，开启时较费力。故选水平吊盖带颈平焊法兰人孔，该人孔结构中有吊钩和销轴，检修时只须松开螺栓将盖板绕销轴旋转一个角度，由吊钩吊住，不必将盖板取下。人孔直径选择DN450.

该人孔标记为：HG21523—1995人孔RFⅣ（A·G）450—

其中RF指凸面封闭，Ⅳ指材料为20R，A·G是指用普通石棉橡胶板垫片，450—是指公称直径为450mm、公称压力为。

、人孔补强设计

开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。

补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。但必须满足规定的条件。

压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料采用16MnR。

公称

压力

由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准。本设计所选用的人孔筒节内径d=450mm，壁厚δm=10mm。故补强圈尺寸如下：查表 （《化工设备机械基础》 董大勤 P302 表11-2）得人孔的筒体尺寸480×10，由标准查的补强圈内公式D1=484mm，外径D2=760mm。

开孔补强的有关计算参数如下

1、不计焊缝系数的筒体计算壁厚      

mm

2、开孔所需补强的面积A：

开孔直径：d=di+2C=450+2×（+2）=

补强的面积：A=d×δ=×=

3、有效地宽度B：

 B=2×d=2×=

 B=d+2×δn+δm=+2×11+10=

 取最大值B=

4、有效高度h：

 外侧高度h1=mm或h1=接管实际外伸高度=250mm

 两者取较小值h1=

 内侧高度h2= 或  h2=接管实际内伸高

=0mm

两者取较小值h2=0mm

5、筒体多余面积A1

 筒体有效厚度：δe=δn-C==

选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故fr=1，所以

A1=（B-d）（δe-δ）-2δm（δe-δ）（1-fr）

  =（）（）-0

  =

6、接管多余金属的截面积A2：

  接管计算厚度δt=Pc×d/（2[]t  -Pc）=×（2×163×）=  

A2=2h1(δm-C-δt)fr+0=2××（）=

7、补强区内焊缝截面积A3

  A3=2××10×10=100mm2

8、有效补强面积Ae

 Ae=A1+A2+A3=++100=

比较得  

满足以下条件的可选用补强圈补强：刚材的标准常温抗拉强度Mpa

补强圈厚度应小于或等于壳体壁厚的倍；壳体名义厚度㎜；设计压力；设计温度℃。可知本设计满足要求，则采用补强圈补强。

所需补强圈的面积为：

㎜2

补强圈的结构及尺寸：为检验焊缝的紧密型，补强圈上钻M10的螺孔一个，以通入压缩空气检验焊缝质量。按照根据焊接接头分类，接管、人孔等与壳体连接的接头，补强圈与壳体连接的接头取D类焊缝。根据补强圈焊缝要求，并查得结构图为带补强圈焊缝T型接头，补强圈坡口取B型，标准HG 21506-92 得补强圈外径mm,内径则取484㎜。

计算补强圈厚度：

㎜                 

 考虑到钢板负偏差并圆整，补强材料与壳体材料相同，制造时为便于备材，且查标准补强圈厚度取7㎜，计算的补强圈厚度也满足补强圈补强的条件。

6、接口管设计 

、进料管

进料管采用φ65×5mm的无缝钢管，钢管一端切成45°,伸入储罐少许，管长400mm，配用突面板式平焊法兰 HG 20593法兰 PL  RF Q345R,不需补强。

、出料管

在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。故采用可拆的压出管φ65×5mm，将它用法兰固定在接口管φ75×5mm内。

、液位计接口管

液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型大体上可以分为四类：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，其适用温度在0-200℃。玻璃管液面计适用于工作压力小于，介质温度在0-200℃情况下。玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料没有结晶等堵塞固体的场合。板式5液面计承压能力强但比较笨重，成本较高。

液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重堵塞现象，所以在此选用玻璃管液面计。选用玻璃管液面计，记作，L=1200mm两支。与液面计相配的接口管尺寸为φ18mm×3mm，管法兰为HG20595-97法兰SO15— 16MnR。

、放空阀接口管

采用φ32mm×无缝钢管，法兰为HG20595-97法兰SO25— 16MnR。

、安全阀接口管

采用φ32mm×无缝钢管，法兰为HG20595-97法兰 SO25— RF 16MnR（尺寸有安全阀泄露放量决定）。

、排污管

储罐右端最底部安设排污管一个，管子规格为φ76mm×5mm，管端焊有一与截止阀J41W—16相配的管法兰HG20595-97法兰SO65— 16MnR。排污管一罐体连接处焊有一厚度为10mm的补强圈。

、压力表接口

压力表接口管尺寸的最大工作压力决定，因此选用无缝钢管，管法兰采用HG 5010-58 Pg16Dg65。各接外管外伸高度都是150mm。

7、鞍座负载设计

首先粗略计算鞍座负荷

储罐总质量： m=m1+ m2+ m3+ m4                               

式中： m1—罐体质量（kg）；

          m2—封头质量（kg）；

          m3—液氨质量（kg）；

          m4—附件质量（kg）。

、罐体质量m1

由公称直径Di=1600mm，壁厚δn=11mm条件下查表得每米质量是q1=390kg/m,故m1= q1L0                          

于是m1= q1L0= 390×=2184kg

、封头质量m2

由封头公称直径DN=1600mm,壁厚δn=11mm,h0=40mm条件下，根据《化工设备机械基础》（董大勤主编P198）的公式

 = [（+）2+（+）×]××103           求得  G =     

封头质量m2=2G=2×=                                                                                                              

、液氨质量m3

m3=V·ρ                          

式中V—主管容积（m3）；

ρ—水的密度（kg/ m3）。

其中，当DN=1600mm,壁厚δd=11mm,h0=40mm条件下，罐体的容积为12m3

液氨在0℃时的密度为kg/m3,小于水的密度，故充液氨质量按水考虑。即

ρ=1000kg/m3。

所以m3=V·ρ=12×1000=12000kg

、附件质量m4

人孔约重200kg,其他管的总和按300kg计，故m4=200+300=500kg

设备的总质量m=m1+m2+m3+m4=2184++12000+500=

各鞍座的支座反力为F=mg/2=×2=,.根据《化工设备机械基础》（第六版,P358 附表 16-5）查得由于筒体的公称直径DN=1600mm，所以可以选轻型（BI型）120°包角带垫板鞍座，鞍座高度250mm,底板长度l1=1120mm,螺栓连接尺寸l2=960mm,鞍座宽度为b=146mm,底板厚度δ1=16mm,腹板厚12mm，筋板厚度δ3=12mm,筋板长度l3=257mm,垫板宽=320mm，垫板厚。

鞍座标记为：

JB/T4712—92 鞍座A2800—F

JB/T4712—92 鞍座A2800—S

由《化工设备机械基础》第六版 P175 知：当同体的L/D较大，或在鞍座所在平面内有加强圈是，取A≤时；当筒体的L/D较大，且在鞍座所在平面内无加强圈时，取A≤D0/4,且A不宜大于；A最大不得大于。

因为>,所以取鞍座位置A==×1400=700mm

本设备按GB 150-1998《钢制压力容器》和HG 20584-1998《钢制化工容器制造技术要求》进行制造、检验和验收，并接受国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》；

焊接采用电弧焊，焊条牌号16MnR间为J507,16MnR与碳钢间为J427；焊接接头型式及尺寸除图中注明外，按HG 20583的规定，不带补强圈的接管与筒体的焊接接头为G2,角焊缝的焊角尺寸按较薄板的厚度，法兰的焊接按相应法兰标准中的规定；

设备筒体的A、B类焊接接头应进行无损检测，检测长度为100%，射线检测不低于JB 4730-94RTⅡ为合格，且射线照相质量不低于AB级；

设备制造完毕，以表压进行水压测试；

致谢

通过本次液氨储罐的机械设计，使我了解了很多关于化工容器的知识，如容器材料的选择、附件型号的选择、焊接方式、参数校核等。浏览了很多与此相关的书籍，感觉受益匪浅。

由于所学知识有限，时间有限，在本次课程设计中可能有很多方面还不够完善，部分设计可能不太合理或有更优选择，希望老师给予指正。

最后，感谢老师细致而耐心的讲解，使我更加清楚设计的步骤及关键环节，也要感谢同学的帮助，给我们指出设计过程中的不足使我们本次的课程设计更加完善。

参考文献

[1]董大勤 《化工设备机械基础》 北京化工工业出版社 

[2]喻建良 王立业 玉伟 《化工设备机械基础》 大连理工大学出版社 第六版

[3]潘永亮编 《化工设备机械基础》 科学出版社 第三版.

附录：

表1 系数K5 K6 值

表3 系数K9值