液氨储罐设计说明书

内蒙古科技大学化学与化工学院

化工设备机械基础课程设计计算说明书

课程设计题目:

液氨储罐设计

专 学

业 ： 生 ：

08 级化学工程与工艺

指导老师： 设计时间:

张永强 2010.12.21-2010.12.27

液氨储罐设计说明书

前言

化工专业课程设计室掌握化工原理和化工设备机械基础相关内容后 进行的一门课程设计， 也是培养学生具备基本化工设计技能的实践性教学 环节。 此课程设计所进行的是化工单元设备或主要辅助设备的工艺设计及 选型，其性质属于技术设计范畴。 课程设计是对课程内容的应用性训练环节， 是学生应用所学知识进行 阶段性的单体设备或单元设计方面的专业训练过程， 也是对理论教学效果 的检验。通过这一环节使学生在查阅资料、理论计算、工程制图、调查研 究、数据处理等方面得到基本训练，培养学生综合运用理论知识分析、解 决实际问题的能力。 本设计是设计-卧式液氨储罐。液氨储罐是合成氨工业中必不可少的 储存容器。 为了解决容器设计中的各类问题， 本设计针对这方面相关问题 做了阐述。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，分别对储罐的筒体，封头，鞍座， 人孔，接管进行设计，然后用强度校核标准，最终形成合理的设计方案。 通过本次课程设计得到了化工设计基本技能的训练， 为毕业设计及今 后从事化工技术工作奠定了基础。 此次设计主要原理来自>一书及其他参考资料。

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目录

一、设计任务书......................................................................................................................1 二、液氨储罐设计参数的确定..............................................................................................2 1、罐体和封头的材料的选择........................................................................................2 2、设计温度与设计压力的确定....................................................................................2 3、其他设计参数........................................................................................................... 2 三、筒体和封头的计算...................................................................................... ...................3 1、筒体长度的计算........................................................................................................3 2、筒体壁厚的计算........................................................................................................3 3、封头壁厚的计算........................................................................................................4 4、水压试验...

.................................................................................................................5 4.1确定水压试验的试验压力值.................................................................................5 4.2计算水压试验时的器壁应力值.............................................................................5 4.3校核强度.................................................................................................................5 四、选择鞍座并核算承载能力..............................................................................................5 4.1罐体质量 m1...............................................................................................................6 4.2封头质量m2.................................................................................................................6 4.3水压试验时水的质量 m3...........................................................................................6 4.4其他附件质量m4........................................................................................................6 4.5设备总质量 m............................................................................................................6 五、选择人孔并核算开孔补强..............................................................................................6 5.1人孔的选择.................................................................................................................6 5.2人孔补强的计算.........................................................................................................7 六、选配工艺接管..................................................................................................................7 1、液氨进料管................................................................................................................7 2、液氨出料管................................................................................................................8

II

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3、排污管........................................................................................................................8 4、液面计接管................................................................................................................8 5、安全阀接口管............................................................................................................8 6、放空管接管................................................................................................................8 七、液氨贮罐技术要求..........................................................................................................9 八、接管表........................ .....................................................................................................9 九、设计结束语.......................... ............................

..............................................................10 十、参考文献.......................... ...............................................................................................11 十一、附录.......................... ...................................................................................................12

III

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一、课程设计任务书

学生组数：十九组 技术特性表： 公称容积( M )

3

40 液氨 1.6 16MnR

公称直径（ Di ） 筒体长度（L） 工作温度（℃）

2.8 5.8 40

介质 工作压力（Mpa） 材料 设计内容： （1）定钢号

（2）储罐内径 Di 和贮罐长度 L （3）体壁厚 （4）封头壁厚 （5）鞍座 （6）人孔 （7）人孔补强确定 （8）接口管 （9）设备总装配图 设计成果： 1、设计说明书一份，A4 纸； 2、设计图纸一张（A2 纸） 。

1

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二、液氨储罐设计参数的确定

1、罐体和封头的材料的选择 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、设计温度与设计压力的确定 液氨储罐通常置于室外，罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的 影响，在夏季液氨储罐经太阳暴晒，液氨温度可达 40℃以上，随着气 温的变化，储罐的操作压力也在不断变化。 通过查阅气相资料可知该地区夏季最高气温低于 40℃，因此液氨储罐 的操作温度通常最低可取夏季气温 40℃，通过查表可知，在 40℃ 时 液氨的饱和蒸汽压(绝对压力)为 1.55MPa，密度为 580kg/m3。 《压力容器安全监察规程》规定液化气体储罐必须安装安全阀，设计 压力可取最大操作压力的 1.05-1.10 倍。 所以设计压力 p = 1.10×(1.55− 0.1) = 1.595MPa 故取设计压力 p=1.6MPa。 3、其他设计参数 容器公称直径见技术特性表即公称直径 Di=2.8m； 罐体和封头的材料为 16MnR，查教材《化工设备机械基础》附录 9 可知其设计温度下的许用 应力[σ ]t = 170MPa。液氨储罐封头从受力方面分析来看，球形封头

2

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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。液氨

储罐筒体为板卷焊，焊接接头采 用双面对接焊 100%探伤,因此确定焊接接头系数 ϕ = 1。

三、筒体和封头的壁厚的计算

1、筒体长度的确定 由《化工设备机械基础》表 8-1（压力容器的公称直径）取贮罐内径

Di =2800mm，再由此查表 JB/T4337-95 得一个封头的体积 V封 =3.12 m 3 。

由 V  V筒  2V封 得：

D  40.0= L     i   2  3.12  2 

2

算得 L =5480 mm 因为 L/Di 在 2-9m 范围内 核算体积：

 2.8  3 3 V  V筒  2V封 = 5.8      2  3.12  41.9 m > 40.0 m ,符合条件。 2  

2

则令 L=5800mm

故：罐体长度 L=5800mm 2、筒体壁厚的计算

罐体内径 Di  2800 mm

腐蚀余量： 由于储存液体为液氨溶液,所以介质对材质的腐蚀为轻度腐 蚀,腐蚀速率在 0.05-0.13 mm / a ，同时储罐为单面腐蚀，则取腐蚀余

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量 C2  1.0mm 。应力腐蚀和其他形式的腐蚀为非均匀腐蚀,所以储罐材 质得以抵抗。 负偏差：查《化工设备机械基础》表 8-11（钢板厚度负偏差）得负偏 差 C1  0.8mm 。 贮罐的计算厚度、设计厚度、名义厚度及有效厚度 ①计算厚度



2    p

t

pDi

则计算厚度： ②设计厚度

d 



pDi

t

2    p

t

pDi

=

1.6  2800 =13.2 mm 2  170  1.0  1.6

2    p

 C2 pDi

t

C 2 ----腐蚀余量

则设计厚度： ③名义厚度

d 

2    p

 C 2 =13.2+1.0= 14.2mm

 n    C1  C 2  

则名义厚度：

 n  13.2  0.8  1.0   = (15  )mm

但由于名义厚度要求将符合标准厚度,则取  n  16.0mm 3、封头壁厚的计算 采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同。 ①计算厚度



2    0.5 p

t

pDi

则计算厚度： ②设计厚度

d 



2    0.5 p

t

pDi

=

1.6  2800 =13.2mm 2  170  1.0  0.5  1.6

pDi  C2 2    0.5 p

t

C 2 ---腐蚀余量

则设计厚度：

d 

pDi  C2 = 14.2mm 2    0.5 p

t

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③名义厚度

 n    C1  C 2  

则名义厚度：

 n  13.2  0.8  1.0    15mm

考虑钢板冲压减薄量，圆整后取  n  16 mm 厚的 16MnR 钢板制作封头 4、校核罐体与封头水压试验强度 4.1 确定水压试验的试验压力值 根据公式，试验压力 PT   P

[ ] [ ]t

其中， η—耐压试验压力系数， 查教材表 15-3 知η = 1.25， σ]= [σ]t 而[ 所以试验压力 Pt =1.25  1.6=2MPa

4.2 计算水压试验时的器壁应力值

T 

P ( Di   e ) 2.0  (2800  14.2) T =  198.2MPa 2 2 14.2

4.3 校核强度 查《化工设备机械基础》附录 9（钢板、钢管、锻件和螺栓的许用应 力）得  s  345 Mpa 则

：

T 

P ( Di   e ) T

故此液氨贮罐的水压试验满足强度要求。

四、选择鞍座并核算承载能力

先粗略计算鞍座负荷，贮罐总质量： m  m1  m2  m3  m4 式中 :

m1 -罐体质量； m 2 -封头质量；

m3 -液氨质量；

m 4 -附件质量。

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4.1 罐体质量 m1 根据筒节 DN  2800 mm ， n  16 mm 查《化工设备机械基础》表 8-24 （圆柱形筒体的容积、内表面积和质量）得 q1  1111kg / m 则： m1  q1  L  1111 5.8  6443.8kg 4.2 封头质量 m2 根据椭圆形封头 DN  2800 mm ，  n  16 mm ， h  40mm 查表 JB/T4337-95 得一个封头的质量为1120 kg 则： m2  2  1120  2240 kg 4.3 充水质量 m3

 2.8  3 V  V筒  2V封 = 5.8      2  3.12  41.9 m  2 

2

则： m3  V  水  41.9m3 1000kg / m3  41900kg 4.4 附件质量 m4 人孔约 200 kg ，其它接管总和按 300 kg 计 则： m4  500 kg 4.5 设备总重量

m  m1  m2  m3  m4 =6443.8+2248+41900+500=51.1t

每个鞍座承承受的负荷

Q

m  g 51.1 9.8   250.4 KN 2 2

选用轻型 A 带垫板，包角为 120°的鞍座。即 JB／T4712-1992 鞍座 A2800 一 F JB／T4712-1992 鞍座 A2800 一 S

五、选择人孔并核算开孔补强

5.1 人孔的选择

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常温及最高工作压力 1.6Mpa ，按公称压力1.6Mpa 的等级选取。考虑人 孔直径较大较重，故采用水平吊盖人孔。 其标记为：HG21523-95 人孔 RFIV(A  G)450-1.6 其中：RF 指突面密封 IV 指接管与法兰的材料为 20R A  G 是指用普通石棉橡胶板垫片 450-1.6 是指公称直径为 450mm，公称压力为 1.6 MPa 5.2 人孔补强确定 由于筒节不是无缝钢管不能直接用补强圈标准， 人孔筒节的公称直径

d  450 mm ，壁厚  n  10 mm ；补强圈外径取 D2  760 mm ，内径取

D1  484 mm ，要求补强金属面积应大于等于开孔减少的截面积

补强圈的厚度用公式 补强圈的厚度：

补 

补 

di  2C  计算

D2  D1

d i  2C 

D2  D1



(450  2  1.8)  16  1.8  23.3mm 760  484

故圆整后取补强圈的厚度  补  24 mm

六、选配工艺接管

1、液氨进料管 采用无缝钢管φ 88×4mm ,管的一端伸入罐切成 45°,管长 400 mm。 配用具有突面密封的平焊管法兰，壳体名义壁厚  n  16 mm >12mm，接 管公称直径小于 80mm，不用补强。 法兰标记：HG20592 法兰 SO50-1.6 RF 16MnR

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2、液氨出料管 采用可拆的压出管φ 88×4mm,伸入到罐内离罐底约 200 mm, 外套无 缝钢管φ 100×6mm(管壁加厚，具有补强作用) 罐体接口管法兰：HG20592 法兰 SO32-1.6 RF 16MnR，与接管法兰 配对的连接法兰的连接尺寸和厚度 与 HG20592 法

兰 SO32-1.6 RF 16MnR 相同，但内径 80mm。 液氨压出管端部法兰(与氨输送管相连)用 HG20592 法兰 SO20-1.6 RF 16MnR。都不必补强，压出管伸入贮罐 2.9m。 3、排污管 在罐的右端最底部设个排污管， 规格是φ 70×2.5mm， 管端焊有一与 截止阀 J41W-16 相配的管法兰：HG20592 法兰 SO50-1.6 RF 16MnR， 排污管与罐体联接处焊有一厚度为 10mm 的补强圈（由于液氨的腐蚀 性） 。 4、液面计接管 本贮罐采用两支玻璃管液面计 BIW PN1.6，L＝1000mm， HG5-227-80 ，与液面计相配的接管φ18×3mm 管法兰为 HG20592 法兰 SO15-1.6 RF 16MnR 5、安全阀接口管 安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用φ 88×4mm 的 无缝钢管 法兰：HG20592 法兰 SO25-1.6 RF 16MnR 6、放空管接管

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采用φ 70×2.5mm 无缝钢管 法兰：HG20592 法兰 SO25-1.6 RF 16MnR。

七、液氨贮罐技术要求

1．本设备按 GBl50-1998《钢制压力容器》进行制造、试验和验收 2． 焊接材料， 对接焊接接头型式及尺寸可按 GB985-80 中规定(设计 焊接接头系数＝1．0) 3．焊接采用电弧焊，焊条型号为 E4303 4．壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为 100％ 5．设备制造完毕后，以 2MPa 表压进行水压试验 6．管口方位按接管表

八、接管表

符 号

连接法兰标准

密封面形式 突面 突面 突面 突面 突面 突面 突面 突面

用途 液面计接口管 液面计接口管 人孔 出料口 进料口 安全阀接口管 放空口 排污口

haoh HG20592 SO15-1.6 a1-2 ao号 HG20592 SO15-1.6 b1-2 符号 c 符号 d 号e f g h RF HG20592SO450-1.6 RF HG20592SO32-1.6.6 5010-58 Pg16Dg80 HG20592 SO50-1.6 HG20592 SO25-1.6 HG20592 SO25-1.6 HG20592 SO50-1.6

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九、设计结束语 “千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名 言的真正含义。说实话，课程设计真的有点累。然而，当我一着手清理自己 的设计成果，漫漫回味这一周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意 顿消． 通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致。课 程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱。有 2 次因为不小 心我计算出错，只能毫不情意地重来。短短的课程设计，使我发现了自己所 掌握的知识是真正如此的缺乏， 自己综合应用所学的专业知识能力是如此的 不足，几年来的学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会用。我不禁时 刻提示自己，一定要养成一种高度负责，认真对待的良好习惯．这次设计使 我在工作作风上得到了一次难得的磨练。 最后，我要感谢我的队友，我们在设计过程中也遇到了很多问题，是我 们的互相协作、鼓励，一步步耐心的进行修改，才使得我们的设

计顺利的完 成。

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十、参考文献： 1 董大勤编. 2 丁伯民编. 《化工设备机械基础》 化学工业出版社 《钢制压力容器》 华东化工学院出版社

3 董大勤, 袁凤隐编.《压力容器设计手册》 化学工业出版社 4 刁玉玮,王立业编. 《化工设备机械基础》 大连理工大学出版社 5 贺匡国编.《化工容器及设备简明设计手册》化学工业出版社 6 谭蔚编. 《化工设备设计基础》 天津大学出版社

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十一、附录

附录 1： 钢板的常用厚度（GB/T709-2001）(mm) 2.0 14 46 115 2.5 16 50 120 3.0 18 55 125 3.5 20 60 130 4.0 22 65 140 4.5 25 70 150 (5.0) 28 75 160 6.0 30 80 165 7.0 32 85 170 8.0 34 90 180 9.0 36 95 185 10 38 100 190 11 40 105 195 12 42 110 200

附录 2： 压力容器的公称直径 DN（GB/T9019-2001） 300 (650) (1300) 2000 2800 4000 5200 (350) 700 1400 (2100) 3000 4200 5400 400 800 (1500) 2200 3200 4400 5500 (450) 900 1600 (2300) 3400 4500 5600 500 1000 (1700) 2400 3500 4600 5800 (mm) (550) (1100) 1800 2500 3600 4800 6000 600 1200 (1900) 2600 3800 5000

附录 3： 钢板厚度负偏差（mm） 钢板厚度，mm 负偏差，mm 钢板厚度，mm 负偏差，mm 2 0.18 6~7 0.6 2.2 0.19 8~25 0.8 2.5 0.2 26~30 0.9 2.8~3.0 0.22 32~34 1.0 3.2~3.5 0.25 36~40 1.1 3.8~4.0 0.3 42~50 1.2 4.5~5.5 0.5 52~60 1.3

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液氨储罐设计说明书 附录 4： 摘录表 压力容器用低合金钢钢板的许用应力 钢号 钢板 标准 使用 状态 厚度（mm） 常温强度 指标 在下列温度（ ）下的许用应力/MPa 100 MPa 16MnR GB 6654 热 轧， 正火 6~16 510 490 MPa 345 325 170 163 170 163 170 163 170 159 156 147 144 134 134 125 125 119 150 200 250 300 350 400

470

305

157

157

157

150

138

125

116

109

460

285

153

153

150

141

158

116

109

013

450

275

150

150

147

138

125

113

106

100

附录 5： 焊接接头系数

序号

焊接接头结构

焊接接头系数 全部无损探伤 局部无损探伤

1

双面焊或相当于双面焊的全焊透过对接 焊街头 单面焊的对接焊接接头，在焊接过程中 沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板

2

附录 6： 封头的直边高度/mm 封头公称直径 DN 封头直边高度 h0 2000 25

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2000 40

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附录 7： 摘录表 以内径为公称直径的椭圆形封头的尺寸、内表面积和容积（JB/T4337-95） 公 称 直 径 DN （mm） 300 350 曲面高度 （mm） 直边高度 (mm） 内表面积 (m 75 88 25 25 ） 0.00530 0.00802 容积 (m )

0.121 0.160

2400

600

25 40 50 25 40 50

6.41 6.52 6.60 7.50 7.63 7.71

1.93 2．00 2.05 2.43 2.51 2.56

2600

650

4000

1000

50

17.9

9.02

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附录 11： A 型鞍座标准系列（DN2 100~4000） （mm） 公称 直径 D N 允许 载荷 Q/Kn 鞍 座 高 度h 底 板 腹 板 筋 板 垫 板 螺 栓 连 接 尺 寸 鞍 座 质 量 kg 增 加 100nm 高

度 增 加 的 质 量/kg

弧长

e

间距

螺 孔 d 24

螺 纹 M M20

孔 长 l 40

2100 2200 2300 2400 2600 2800 3000 32 00 3400 3600 3800 4000

404 408 412 436 442 447 786 796 839 848 1332 1347

250

1500 1580 1660 1720 1880 2040 2180 2340 2480 2640 2780 2940

240

12

8

230 243 256

208

288

8

2450 2570 2680 2800

400

8

50

1300 1380 1460 1520

174 182 191 209 269 291

19 19 20 23 26 28 34 35 41 40 47 49

10 300 360 14

266 293 320 341 368 316 406 10 268 358

3030 3260 3490 3720

500 500 10

65

1640 1800 1940 2100 28 M24 60

405 432 503 535 588 621

380

12

391 418 440 467

335

425 12

3950 4180 4410 4640

600

80

2200 2360 2500 2660

15

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附录 12： 摘录 压力容器法兰、垫片、螺栓、螺母材料匹配表 匹 配 法 兰 类 型 甲 型 法 兰 非 金 属 软 垫 片 垫片 种类 适用温度范围/ 匹 配 法兰 材料 适用温 度范围 / 匹 配 螺柱与螺母 螺柱材料 螺母材料 适用温度范围/

GB/T 539 耐油 石棉 橡胶 板

可 选 配 右 列 法 兰 材 料

板材 GB/T 3274Q235B\C

0~350

GB/T 3985 石棉 橡胶 板

板材 GB6654 20R 16MnR

-20~450

可 选 配 右 列 螺 柱 螺 母 材 料

GB/T700 Q235-A

GB/T700 Q235-A

GB/T 699 35

Q235-A

GB/T 699 25

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液氨储罐设计说明书

附录 13： PN4.0MPa（bar）平面、突面带颈平焊钢制管法兰/mm 公 称 直 径 DN 钢管外径 A 法兰 外径 D 连接尺寸 螺栓 孔中 心圆 直径 K 60 65 75 85 100 110 125 螺 栓 孔 径L 14 14 14 14 18 18 18 螺栓 数 量 n 4 4 4 螺 纹 规 格 M12 M12 M12 M12 M16 M16 M16 41 46 56 65 76 84 99 2 2 2 2 2 2 2 密封 面 d f 法 兰 厚 度C 法 兰 高 度H 法兰颈 N 系 列 Ⅰ 30 35 45 52 60 70 84 系 列 Ⅱ 3 3 4 4 5 5 5 R 系列 Ⅰ 系 列 Ⅱ 15 19 26 33 39 46 59 法兰内径 B

系列Ⅰ

系 列 Ⅱ 14 18 25 32 38 45 57

10 15 20 25 32 40 50

17.2 21.3 26.9 33.732 42.4 48.3 60.3

90 95 105 115 140 150 165

14 14 16 16 18 18 20

22 22 26 28 30 32 34

18 22 27.5 34.5 43.5 49.5 61.5

4

4 4 4

液氨储罐装配图（见附图）

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