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1、Revised as of 23 November 2020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:张錶金分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
2、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。5工艺设计5一、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讣标准、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 设计条件表序号项LI数值备注1名称液氨储罐2用途液氨储存3最高工作压力MPa曲介质温度确定4工作温度。C-20505公称容积M36工作压力波动情况可不考虑7装置系数f8工作介质液氨（中度危害）9使用地点太原市，室外一、设计任务书
3、2二、课程设计内、设计压力的确定5二、设计温度的确定6机械设计6、结构设计6 设计条件6 结构设计71、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 82、封头壁厚的计算8容器的水压试验103、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135、液面计的设计156、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208. 开孔补强计
4、算四、参考文献18二、课程设计内容课程设讣内容包括工艺设计和机械设计两部分工艺设计工艺设讣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： W = JVp,式中 f = v =20m3由表 2 得:p、=563 kg/m3=m3故 ir=X20X =表二液化气体饱和蒸汽圧及饱和液密度温度C-15103050饱和蒸汽压MPa （绝压）氨饱和液密度Kg/m3氨658625595563一、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50C。下液
5、氨饱和蒸汽压（绝压）为。工作压力久（一）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一倍，所以设计压力P二液柱静压力为:Ac 二 Q/gh < p，氐 xgx/A = 2. 2x 9. 8x 563Pa 二 12138. 28Pa=0. 5780% < 5%于是忽略了液柱静压力的影响,得到巧=P = 2. U/Pa二、设计温度的确定根据液氨储罐工作温度为20 5OC0选择设
6、计温度t=50C°机械设计机械设计包括结构设计和强度计算两部分、结构设计设计条件表3结构设计条件表项目内容备注工作介质液氨工作压力MPa由介质温度决定设计压力MPa工作温度C°-20-50设计温度C°50公称容积(Vg) m320计算容积(V计)m320工作容积(Vi) m3装量系数/介质密度(pt) t/m3材质Q345R. 16MnR, 16Mn II保温要求无其他要求无表4 管口表接管代号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称ADN80HG/T20592-2009FM进口BDN100HG/T20592-2009FM备用口CDN7OHG/T20592-200
7、9FM排气口DDN7OHG/T20592-2009M放净口EDN80HG/T20592-2009M出口PIDN25HG/T20592-2009FM压力计口SVDN7OHG/T20592-2009FM安全阀接口MDN150HG/T20592-2009MFM人孔LGDN20HG/T20592-2009FM液位计接口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
8、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，乂称为无水氨，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圉内的压力
9、容器划分为三类，分别为第 一类压力容器、笫二类压力容器和笫三类压力容器。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，所以将其划分为笫二类压力容器。（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
10、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-20C°50C°，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 II2、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。公称体积匕=20m3, Z = 4600/22®, Dz = 2200磁 二、强度计算容器的筒体和封头壁
11、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, 50C°下其许用应力【刃 二185MPao计算厚度：式中，Pc计算压力，MPa；5圆筒内直径,mm ；<7，容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa；0圆筒的焊接接头系数双面对接焊缝,100%无损检测则°二计算厚度d =2. 1 x 22002 x 185 x 1 - 2. 1nun = 12. 678/zzzz?取腐蚀裕量C?二2mm,查表得负偏差CP所以取久二16mm,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)=o式中0T°根据公式，封头的
12、设计壁厚为：Q = -+ Q = 15.52mm20J - 0.查表：取钢板的负偏差C =0.30讪,则筒体的名义壁厚为：§ = 16她> 8d + C二15. 82/raz? o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：DNW2000mm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=2200mm2000mm,所以直边高度为/=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5 EHA椭圆形封头内表面积、
13、容积公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/m2容积V封/m322005901、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，Q1 容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa；容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPao所以Pt = 1.25 x 2.1 x = 2.625MPa185Pt(D + 3c)b t -而圆筒
14、的应力込式中 可试验压力下圆筒的应力，MPa ；Di圆筒内直径，mm ；*圆筒的有效厚度，mm；J圆筒材料在试验温度下的屈服点，MPa；0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,a料管伸进
15、设 备内部并将管口的一端切成45。，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。接口入口出口排气孔放净口人孔安全阀接口压力表接口液面计接口备用口DN80807070450702520100外径（B系列）89897676480763232102壁厚99992097710安装位置上部下部上部下部上部上部上部封头上部外伸尺寸200200200200375200200见图200内伸尺寸150000000000数量111111121伸出量质量Kg接管法兰型号HG/T20592WN80(B)FMS=616MnHG/T20592WN80(B)FMS=616MnHG/T20
16、592WN40(B)FMS=16MnHG/T20592WN25(B)FMS=16MnHG/T20592WN32(B)FMS=16MnHG/T 20592WN80(B)FMS=616MnHG/T20592WN25(B)FMS=16Mn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：L -+血）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
17、: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，岀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 E二,因此选择高一级别的公称压力，因此厂根据公称直径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HQ/720934
18、-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）公称钢管连接尺寸法兰法兰颈法兰尺寸外径厚度高度DNA1DKLnThCNSHlRH202510575144M12186406440253211585144M12184664408038200160184M16241051285810045235190228M201813412865450896706003620M33465222012110（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。人孔 主要由筒节、法
19、兰、盖板和手柄组成。一般的人孔有两个手柄。人孔选择回转焊带颈 法兰人孔，根据储罐在常温下及高温工作压力为的条件以及水压试验压力下工作，人 孔的标准公称压力为等级选取，公称直径为，凹凸面法兰密封面。由于此卧式容器筒体长度大于等于lOOOmmm时，应设置1个人孔表9回转盖带颈对焊法兰人孔明细表件号标准号名称数量材料1AA-W- 同P116MnR2HG20613等长双头螺柱20级 35CrMoA3螺母40级 35CrMo4HG20595法兰116MnII5HG20606垫片1非金属平垫6HG20601法兰盖116MnR7把手1Q235 -AF8轴销1Q235 -AF9GB/T91销2Q21510GB
20、/T95垫圈2100HV11盖轴耳(1) A1Q235 -AF12法兰轴耳(1)1Q235 -AF13法兰轴耳(2)1Q235 -AF14盖轴耳(2)1Q235 -AF查表得回转盖带颈平焊法兰人孔的各零件名称、材料及尺寸:表10回转盖带颈平焊法兰人孔的尺寸总质量480x12670600370175250424146250121456245 (kg)则人孔的标记为：(NM)T21518-2005故 A/=1000mm5、液位计的设计(1) 根据罐内水压试验压力尸=2.5MPa选取压力等级为。(2) 选普通型，外加保温层的液位计。(3) 中心距L的选择：液位：力=0. 85 x 2 = 0. 85
21、 x 2200 = 1870zz2zz?液位计位置距筒体顶部为200mmL = 1870-200 = 1630川取厶=17OO/77 的液位计(4)材质选择:0Crl8Ni9 (304)。介质p = 0.658kg/厶。(6) 采用规格为D15的接管外伸600,内伸0。(7) 采用带颈对焊法兰，法兰规格为DN15,密封面型式采用突面。由工艺标准选择磁性液位计，标记为HG/T21584-956、鞍座的计算首先估算鞍座的负荷。储罐的总质量：匸叫式中：mi为筒体质量(kg) , m2为封头质量(kg) , nu为水质量(kg) , im为 附件质量(kg)。(a) 筒体的质量miDN=22OOmm,
22、戈=16"?的筒节，Q345R 的密度为 7.83 xlO'Kg/m'故厲=7830 x 0.846Kg = 6624.18Kg(b) 封头的质量m2DN=2200mm;= 16mm直边高度h=40mm的标准椭圆形封头，其质量为故叫=2x683.2kg = 1366.4kg(c) 液氨的质量m3, m3=W(d) 附件的质量：支座，接口管，法兰总的质量约为则：m4=668kg(e)经过上述计算得：血二地+地+加3 +加I = 21030. 5kg由于每个鞍座承受约104kN负荷，故选用轻型带垫板包角为120。的鞍座，即JB/ 鞍座 B2200-F,材料 Q235A 和
23、 JB/鞍座 B2200-S,材料 Q235A表11 B型支座系列参数尺寸(JB./)公称允许载荷咼 度底板腹 板筋板垫板螺栓配置直径DNkNH弧长L2质量22001230250158024016142452082902570510121001380314(f)鞍座安装位置确定双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外 伸长度A二时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上 保持等强度，所以通常取尺寸A不超过值，中国现行标准JB 4731钢制卧式容器规 定)AW二(L+2h+2和),A最大不超过否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的 应力过大
24、。由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，JB 4731还规定当满足AW时，最好使AWh (心=出+%)，即A <0.5/?,«= 0.5x(/?/+) = 604血,取 A二600mm2综上有：A-600mmo7、焊接接头设计容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝，熔合线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的主要部分。焊接接头的型式直接影响到焊接的质量与容器的安全。焊接接头的型式及焊接材料应在化工设备的装配图及零部件图中以适当的方式表示出来。(a) 回转壳体的
25、焊接结构设计回转壳体的拼接接头必须采用对接接头，壳体上的所有纵向及环向接头，凸形接头上的拼接接头，即A, B类接头，是容器要求最高的焊缝，对容器的安全至关重要. 必须采用对接焊，不允许采用搭接焊对接焊易于焊透，质量容易保证，易于作无损检 测，可获得最好的焊接接头质量。此采用V型对接接头。(b) 接管与壳体的焊接结构设计接管与壳体及补强圈之间的焊接一般只能采用角焊和搭焊，具体的焊接结构还与 对容器的强度与安全的要求有关，涉及到是否开坡口，单面焊与双面焊，焊透与否等 问题。中低压容器不需另作补强的小直径接管可直接插入壳体所开孔内，有平齐式和内 伸式两种。插入出接管与壳体总有一定间隙，但此间隙不大于
26、3 mm,过大的间隙在焊 接收缩时易产生裂纹或其他焊接缺陷。(c) 带补强圈的接管的焊接结构补强元件的补强圈，一方面要求尽量与补强出的壳体贴合紧密，另外与接管与壳 体之间的焊接结构设计也应力求完善合理。开孔补强计算根据GB150,当设计压力小于或等于时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距 大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径不大于89mm时，接管厚度满足要求，不 另行补强，故该储罐中只有DN=450mm的人孔和DN= 100mm的备用口需要补强。 补强要求为：补强厚度16mm,人孔补强圈的外径为760,备用口补强圈的外径为 200mm四、参考文献1.中国石化集团上海工程有限公司，化工工艺设计
27、手册.化工工业出版社，20092. GB 150-1998,钢制压力容器，国家技术监督局，19983. JB/T 4336-2002、JB/T 4746-2002,补强圈钢制压力容器用封头，国家经 济贸易委员会，20034. JB/T 4731-2005,钢制卧式容器，国家发展和改革委员会，20035. 贺匡国编，化工容器及设备简明设计手册，化学工业出版社，国家医药管理局上海医药设计院编，化工工艺设计手册，化学工业出版社，19896. JB/T 4700 4704-2000,压力容器法兰，国家机械工业局、国家石油和化 学工业局，20007. JB/T :容器支座，国家发展和改革委员会，2008& JB 4708-2000 JB/T 4709-2000 JB 4744-2000,钢制压力容器焊接工艺评定 钢制压力容器焊接规程钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验，国家机 械工业局，国家石油和化学工业局，20009.郑津洋等编，过程设备设计（第二版），化学工业出版社，