选题背景
1.3卧式液氨储罐简介
氨是生产含氮肥料及尿素的基木原料，一般以液态的形式从合成氨厂送到这些肥料厂。这就需要设置液氨贮存设施，以确保原料供应，为化肥厂连续生产创造必要条件。氨在常压下，冷却到-33.4℃就液化。故常压下液氨需在低于-33.4℃贮存，而在常温下应在压力容器内贮存。
按照不同地区的气温和贮存条件的变化，液氨的贮存原则上可在-33℃—43℃内，以控制其相应汽化压力确定工艺方案。一般采用压缩、低温或两者结合的方法，因此有三种贮存工艺，即加压常温、加压低温和常压低温。国内通常将液氨的这二种贮存工艺称为常温中压、降温低压和低温常压。
液氨储罐的设计温度为40℃，对应的设计压力为1.6MPa;而降温低压工艺是利用制冷系统将液氨适当冷冻贮存，相应降低了贮存设备的设计压力以减薄其壁，从而降低储罐的投资;至于低温常压工艺，则是将液氨冷冻至不高于它的沸点(低于-33℃，视当地大气压而定)，使得液氨对应的气相压力与大气压力相同或相近，从而可以采用常压容器盛装贮存，以最大限度降低储罐投资。
上述三种液氨贮存工艺对制造液氨储罐的钢材用量有很大影响，随着储罐的工作温度降低，储罐单位钢材用量可贮存的液氨量显著增大。常温储罐每吨钢材用量可贮存液氨2.07t;若温度降到0℃，则每吨钢材用量可贮存液氨lOt。储罐容量可达250—4000t液氨;若贮存在－33℃，则每吨钢材用量可贮存40t液氨，储罐容量可达4500t以上。
1.4液氨储罐的作用
液氨储罐主要用在化肥厂的合成氨的存储工序中，现以吉林化学工业股份有限责公司化肥厂，年产30万吨的合成氨工艺为例，来说明液氨储罐的作用。
其主要生产工序有:①原料气的制造。即通过重油气化或由原料焦在煤气发生炉中与空气、蒸汽进行反应，制取半水煤汽。②煤气鼓风及转化。即将半水煤气进行脱尘、脱硫，并将其中的CO在以氧化铁为主的触媒存在条件下，与水蒸气起反应生成C02和H2。③气体的压缩与精制。即通过压缩、水洗、铜洗等工序将水煤汽中的C02和CO除去。④氨的合成。合成是氨生产的最后一道工序，由铜洗工段送来H2、N2混合气与循环气在油过滤器混合，H2:N2为2.8-2.9进入合成塔，在(32MPa,460-520℃
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2.8m卧式液氨储罐的设计
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有铁触媒存在条件下合成氨。从合成工段送来的液氨进入入671液氨仓库，在液氨仓库中，液氨的主要贮藏设备为液氨贮槽，并在此分发给下游工厂或工段。671工号液氨系统收支示意图如下图1.1所示。
图1.1 671工号液氨系统收支示意图
1.5 卧式液氨储罐的设计要求及概况
设计原始数据：设计压力P=1.6Mpa，设计温度T=40℃，容积V=2.8m3，设备充装系数0.9。卧式液氨储罐图如下图1.2和1.3所示：
图1.2 液氨储罐 图1.3 液氨储罐
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卧式液氨储罐的结构设计
2 卧式液氨储罐的结构设计
2.1储罐主要结构的设计
2.1.1筒体和封头的结构选择
由于纯液氨具有一定的腐蚀性，但设计压力为中等压力，根据钢制压力容器中使用的钢板许用应力及其使用范围的说明，储罐的主要结构筒体和封头选材可以考虑使用20R、16MnR、15MnVR等钢。
氨属于中度危害介质(Ⅱ级)，且本设备为PV值小于10Mpa·m3的中压储存容器按[2]划分，本设备为第二类压力容器。储罐选用卧式，液体静柱压力很低，可不记入设计压力中。
筒体由钢板卷制而成，其公称直径等于内径，查阅压力容器的公称直径表，并结合储罐的容积，初步选择其公称直径DN=Di=1200mm。
筒体和封头的对接焊接，采用全焊透焊缝，并进行l00％无损探伤，查表取焊缝系数Φ=1.0。根据氨的腐蚀程度，取腐蚀裕量C2＝2mm。
封头可以选择球形、椭圆形、碟形、平板形、圆锥形等几种形式的封头，但从材料消耗、受力和加工制造的难易程度等几个方面的综合比较考虑，选用标准椭圆形封头（EHA型）最为理想，故选之。
假设标准椭圆形封头封头厚度在8—16mm之间，封头的公称直径应该与筒体相等，取DN=1200mm，按有关标准JB4746-2002，查得封头的容积Vh=0.2545 m3，总深度H=325 mm。由于采用的是标准椭圆形封头，由h/DN=0.25，得出封头的直边高度h=25mm，而封头的曲面深度h1=325－25=300mm。 筒体长度：
L0?4?Di2(V?2Vh)?4?(2.8?2?0.2545)?2.0257m 2?1.2取 L0=2030 mm
两封头切线之间的距离L=L0?2h=2030+2×25=2080mm
现选用16MnR和20R两个钢种，对储罐的主要结构——筒体和封头进行两个方案的设计，然后对这两个方案进行比较和选择。
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2.1.2用方案一计算筒体和封头的厚度
首先选用16MnR钢为材料，来计算筒体和封头的厚度。
16MnR钢板在40℃时的许用应力查表，根据筒体厚度计算公式初步估计此筒体的设计厚度在8—16mm之间，[σ]＝[σ]t =170 Mpa，屈服强度σs=345 Mpa。 （1）筒体厚度 δ=
pdi1.6?1200??5.67mm t2[?]??p2?170?1.6设计厚度δd＝δ十C2＝5.67十2＝7.67mm 按GS709，取钢板负偏差C1=0.8mm 考虑钢板厚度系列取名义厚度δn＝10mm
因δn＝10mm，查此情况下16MnR钢的许用应力没有变化，[σ]= 170 Mpa，所以上述计算成立。 （2）封头厚度
由于选用标准椭圆形封头，所以其封头形状系数k=1.0 计算厚度
δ=
kpdi1.0?1.6?1200??5.66mm t2[?]??0.5p2?170?0.5?1.6设计厚度δd＝δ＋C2＝5.66＋2＝7.66mm
取C2＝0.8mm，故名义厚度δn＝10mm，且许用应力也没有发生变化，所以上计算成立。
（3）水压试验校核
[?]?1.25p?1.25?1.6?2.0MPa?t1．试验压力：PT＝?○ [?]??p?0.1?1.6?0.1?1.7MPa取水压试验压力PT＝2. 0MPa
2．筒体应力校核；筒体有效厚度δe＝δn－C1－C2＝10－2.8＝7.2mm ○
所以试验时应力：
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卧式液氨储罐的结构设计
pr(Di??e)2.0?(1200?7.2)?T???167.7MPa?0.9?s?0.9?345?310.5MPa
2?e?2?7.2?1.01○2 筒体水压试验应力校核满足要求。○
3．封头应力校核：有效厚度δe＝δn－C1－C2＝l0－0.8－2＝7.2mm ○
?T?pT(Di?0.5?e)2.0?(1200?7.2?0.5)??167.7MPa?0.9?s?0.9?345?310.5MPa2?e?2?7.2?1.0 所以封头水压试验应力校核满足要求 2.1.3用第二种方案计算筒体和封头的厚度
选用20R钢作为第二种方案，来计算筒体和封头的厚度。
20R钢板在40℃时的许用应力查表，根据筒体厚度计算公式初步估计此筒体的设计厚度在8—16mm之间，取此时20R钢的许用应力[σ]＝[σ]t =133 Mpa，屈服强度δs=245 Mpa。
筒体和封头的结构和尺寸与第一种方案的设计相同（厚度除外），选用标准椭圆形封头（EHA型），其它尺寸和参数如上所叙。 （1）筒体厚度 δ=
pdi1.6?1200??7.26mm t2[?]??p2?170?1.6设计厚度δd＝δ十C2＝7.26十2＝9.26mm
按GS709，取钢板负偏差C1=0.8mm。考虑钢板厚度系列取名义厚度δn＝12mm 因δn＝12mm，查此情况下20R钢的许用应力没有变化，[σ]= 133 Mpa，所以上计算成立。 （2）封头厚度
由于选用标准椭圆形封头，所以其封头形状系数k=1.0。 计算厚度
δ=
kpdi1.0?1.6?1200??7.24mm t2[?]??0.5p2?133?0.5?1.6设计厚度δd＝δ＋C2＝7.24＋2＝9.24mm
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