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1、设计任务书设计题目： 液氨储罐设计综合运用所学的机械基础课程知识设计一个常温下储存液氨的储罐设计任务： 试设计一液氨储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计。包括筒体、封头、零部件的材料的选择及结构的设计；罐的制造施工及焊接形式等；设计计算及相关校核；各设计的参考标准；附CAD图。设计特点： 容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的的筒体、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。目录
2、第一章 前言1第二章 材料及结构的选择与结构2（1）材料选择2（2）筒体的选材及结构2（3）封头的结构及选材2（4）人孔的选择3（5）支座的选择3（6）法兰型式3（7）液面计的选择3（8）压力计选择4第三章 设计计算4（1）筒体厚度设计5（2）封头壁厚设计5（3）人孔并核算开孔补强6（4）核算承载能力并选择鞍座6第四章 容器焊缝标准7（1）压力容器焊接结构设计要求7（2）筒体与椭圆封头的焊接接头7（3）管法兰与接管焊接接头7（4）接管与壳体的焊接接头7第五章 总结8参考文献9第一章 前言储存设备又称储罐，主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、轻工、环保、制
3、药及食品等行业得到广泛应用，如氢气储罐、液化石油气储罐、石油储罐、液氨储罐等。储罐内的压力直接受温度影响，且介质往往易燃、易爆或有毒。储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式储罐和球形储罐。饱和蒸汽压是指在一定温度下的密闭容器中，当达到气液两相平衡时气液分界面上的蒸汽压，它随温度而变化，但与容积的大小有关。对于液化石油气和液化天然气之类，都不是纯净物，而是一种混合物，此时的饱和蒸汽压与混合比例有关，可根据道尔顿定律和拉乌尔定律进行计算。当储存的介质为具有高粘度或高冰点的液体时，为保持其流动性，就需要对储存设备进行加热或保温，使其保持便于输送的状态。储存液体的密度，直接影响制造工艺和设备造价。而介质的
4、毒性程度则直接影响设备制造与管理的等级和安全附件的配置。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。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，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。它的分子式NH3，分子量17.03，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
5、)。蒸汽与空气混合物爆炸极限1625%(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。第二章 材料及结构的选择与结构（1）材料选择纯液氨腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材,但由于压力较大,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钢板的价格虽比20R贵，但
6、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。（2）筒体的选材及结构根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1/年以下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材。如果纯粹从技术角度看，建议选用20R类的低碳钢板， 16MnR钢板的价格虽比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。钢板标准号为GB6654-1996。筒体结构设计为圆筒形。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，这类
7、容器应用最广1，5。（3）封头的结构及选材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。表2.1 椭圆封头标准公称直径DN曲面高度h1直边高度h2内表面积Fi/m2容积V/m330007505010.23.89封头取与筒体相同材料1,5。（4）人孔的选择压力容器人孔是为了检查设备的内
8、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。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径(人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其简节的公称直径)、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有较大的灵活性。通常可以根据操作需要,在这考虑到人孔盖直径较大较重,故选用碳钢水平吊盖人孔，人孔筒节轴线垂直安装。（5）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
9、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（DN1600，L5m）。综上考虑在此
10、选择双个鞍式支座作为储罐的支座。（6）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 MPa 1.0 MPa1.6 MPa，在较小范围内（DN300 mm -2000 mm）适用温度范围为-20-300。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-20-350。 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 MP
11、a-6.4MPa）适用温度范围为-20-45。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HG20592HG20635的规定。（7）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0250。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0250的范围。液面计与容器的
12、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：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。2.板式液面计承压能力强，但是比较笨重、成本较高。3.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.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。（8）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153倍，最好
13、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6070。 （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
14、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25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.) 公称直径：50 接头螺纹：1.5 G1 测量范围：0-2.4Mpa第三章 设计计算（1）筒体厚度设计p设计压力。储罐在夏季最高温度可达
15、到目的40，查常温下液体饱和蒸气压表,这时氨的饱和蒸气压为1.55MPa(绝对压力)。取此压强的1.05倍,故取P=1.6 MPa作为设计压力。=1600mm在操作温度-540的范围内,估计些筒体的厚度在10 mm 左右,为安全计=170 MPa(查教材钢制压力容器中使用的许用应力表5-3)焊接接头采用V坡口双面焊接,采用局部无损检测,其焊接接头系数由焊接接头系数表查得=0.85在钢制压力容器中，只考虑钢板腐蚀裕量，不计钢板的厚度负偏差C1，平面腐裕量取C2=1 mm。则设计厚度d筒体厚度根据钢板厚度规格表5-8（教材），圆整后选取厚度n=10mm的16MnR钢板。（2）封头壁厚设计采用标准椭
16、圆形封头，各参数与筒体相同考虑到钢板负偏差，所以筒体厚度应再加上C1圆整后取10mm厚的16MnR钢板来制造封头（3）人孔并核算开孔补强根据储罐是在常温下及最高工作压力为1.6 MPa的条件下工作,人孔的标准按公称压力为1.6 MPa等级选取，考虑到人孔盖直径较大较重,故选用碳钢水平吊盖人孔(JB583-79)，公称直径450mm,凹凸法兰密封面（C型），该人孔结构中有吊钩和销轴，检修时只须松开螺栓将盖板旋转一个角度，由吊钩吊住，不必将盖松取下。该人孔标记为：HG2152-95 人孔CPg1.6 Dg450,JB583-79（查表）另外,还要考虑人孔补强,确定补强圈尺寸,由于人孔的筒节不是采用
17、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为d=450mm,壁厚=10mm。故补强圈尺寸如下：（查表）人孔的筒体尺寸为48010，由标准查得补强强圈内公式D1=484mm,外径D2=760mm.（4）核算承载能力并选择鞍座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，kgM2封头质量，kgM3液氨质量，kgM4附件质量，kgA.罐体质量M1DN=2600 mm，=16 mm的筒节，由（材料与零部件上册）查得每米质量为1030kg/m, L=4800mm。所以故罐的自重为M1M1=10304.8=4944 kgB.封头质量M2椭圆形封头DN=
18、2600 mm，=16 mm，直边高度h=40mm，每米质量为1100kg/m(查表)，所以M2=21100=2200C.液氨质量M3M3=0.730.52665=14207kgD.其它附件质量M4人孔质量约为200 kg,其他接管质量和按300 kg计。故M4=500kg于是，设备总质量为M= M1+ M2+ M3+M4=4944+2200+14207+500=21851kgQ=Mg/2=9.821851/2=107069.9N=107KN每个鞍座至承受约107KN负荷，所以选用轻型带垫板、包角为120度的鞍座，即JB/T4712-92鞍座A2600-F，JB/T4712-92鞍座A2600
19、-S。第四章 容器焊缝标准（1）压力容器焊接结构设计要求焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。（2）筒体与椭圆封头的焊接接头压力容器受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，查得封头与圆筒连接的环向接头采用A类焊缝。焊接方法：采用手工电弧焊，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，
20、适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生产率低，劳动强度高。封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为I型坡口。根据16MnR的抗拉强度=490Mpa和屈服点=325Mpa选择E50系列（强度要求：490Mpa；400Mpa）的焊条，型号为E5014.该型号的焊条是铁粉钛型药皮（药皮成分：氧化钛30%，加铁粉），适用于全位置焊接，熔敷效率较高，脱渣性较好，焊缝表面光滑，焊波整齐，角焊缝略凸，能焊接一般的碳钢结构。（3）管法兰与接管焊接接头管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准HG20605-9
21、7,根据公称通经DN 80选择坡口宽度b=6mm，如附图中的局部放大图所示。（4）接管与壳体的焊接接头所设的接管都是不带补强圈的插入式接管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接接头均属T形或角接接头。选择HG20583-1998标准中代号为G2的接头形式，基本尺寸为；，且，它适用于，因为所选接管的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚度为24mm，所以符合要求。选择全焊透工艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。如附图中的局部放大图所示4,5。第五章 总结经过两周的紧张忙碌终于把这次设计做完了。这段时间的查阅文献和计算数据，化工设备机械基础课程设计的基本工作已经完
22、成，并得出了可行的设计方案，全部计算过程已在前面的章节中给以体现。两周以来虽然很累，尤其是画图，因为很久没有画图，所以感到特别生疏，但是在使用了一段时间后还是熟悉了，又整天对着电脑，眼睛感到特别的难受，不过凡事只要坚持就好了。通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。在这次设计中我要感谢我们的孔凡玉老师，他总是在我们感到困惑的时候给我们进行耐心的讲解，正是因为他的耐心与细心，才能够使我们的设计能够顺利的进行下去。还有要感谢我的同学，是他们一次次的
23、帮我发现问题，并且耐心的给我指正，谢谢你们了。参考文献1 赵军，张有忱等编. 化工设备机械基础. 第二版. 北京：化学工业出版社，2007.72 压力容器实用技术丛书编写委员会编. 压力容器设计知识. 北京：化学工业出版社，2005.73 刘湘秋编. 常用压力容器手册. 北京：机械工业出版社，2004.64 董大勤编. 化工设备机械基础. 北京：化学工业出版社，20035 贺匡国. 化工容器及设备简明设计手册，第二版. 2002.46 余国琮. 化工机械工程手册，上卷. 北京：化学工业出版社7 郑晓梅编. 化工制图. 北京：化学工业出版社，2001.118 林大军编著. 简明化工制图. 北京：化学工业出版社，2005.69 化工设备机械基础第五版 刁与玮 王立业 2003.3