16m3液氯储罐设计说明书-毕业论文.doc

过程设备设计课程 设计课 程 设 计 说 明 书 设计题目： 16m³液氯储罐设计 学 校： 太原理工大学 学 院： 化学化工学院 专业班级： 过程装备与控制工程1202班 1、课程设计任务书16m3液氯储罐设计1.1课程设计要求及原始数据（资料）：1.1.1课程设计要求：1、 按照国家压力容器设计标准、规范进行设计，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。1.1.2原始数据：表1-1 设计条件表序号项目数值 备注1名称液氯储罐2用途液氯储存站3最高工作压力 MPa1.430由介质温度确定4工作温度 -20505工称容积 M3166工作压力波动情况可不考虑7装量系数 f0.98工作介质液氯（高度危害）9使用地点太原市，室内1.2 课程设计主要内容：1、 设备工艺设计 2、设备结构设计3、 设备强度计算 4、技术条件编制5、 绘制设备总装配图 6、编制设备说明书1.3 学生应交出的设计文件（论文）：1、 设计说明书一份 2、总装配图一张（折合A1图纸一张）1 摘要 本设计是在完成课程过程装备基础的学习后，针对该课程所安排的一次课程设计，其目的是在过程装备课程的基础上加强对知识的学习和应用，更好的学习和体会在实际化工生产中知识的重要性，培养学生解决工程实际问题的能力，为我们以后的学习和工作打下牢固的实践基础。 本课程设计要求设计一个容积为16m3的液氯储罐，采用常规设计标准，设备型号及相关设计参数的设计和使用均采用国家/行业规定标准，本着可靠、经济、实用的原则选取。液氯储罐是盛装液氯的常用设备，因为液氯属于剧毒品，如果泄漏将对环境和人会造成重大危害，因此在设计时该储罐时要注意安全及制造、安装方面的特点。而液氯作为一种液化气体必须考虑它的膨胀性和压缩性，液化气体的体积会因温度的改变而变化，所以必须严格控制储罐的充装量。 目前我国普通采用常温压力储罐，常温储罐一般具有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐。球形储罐和圆筒形储罐相比：前者具有投资少，金属耗量少，占地面积少等优点，但加工制造及安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高，一般储存总量大于500m3时选用球形储罐比较经济；而圆筒形储罐具有加工制造简单，安装费用少等优点，但金属耗量大，占地面积大，所以在总储量小于500 m3时选用卧式容器比较经济。本设计主要针对的是卧式圆筒形液氯储罐的设计。卧式液氯储罐是一种储存压力容器，应按GB150钢制压力容器进行制造、试验和验收，并接受固定式压力容器安全技术监察规程的监督。液氯储罐主要由筒体、封头、法兰、人孔、支座以及各种接管组成。通过合理选择储罐各个部分的材料，合适的设计温度和压力，保证储罐能在要求的工作条件下正常工作。22课程设计内容课程设计内容包括工艺设计和机械设计两部分。2.1工艺设计工艺设计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。其中设计存储量 W=fVt式中，W 储存量，t； f 装量系数； V 压力容器容积，m3 t 设计温度下饱和液体密度，t/m3设备的选型及轮廓尺寸依据容器的容积按钢制液化石油气卧式储罐型式与基本参数NB/T47001-2009及卧式椭圆型封头容器基本参数JB1428-74查取。工艺计算时应注意：2.1.1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中条例3.9.3来确定：常用存储液化气体压力容器规定温度下的工作压力按表2-1确定： 表2-1 常温储存液化气体压力容器规定温度下的工作压力液化气体临界温度规定温度下的工作压力无保冷措施有冷保设施无试验实测温度有试验实测最高工作温度并且能保证低于临界温度5050饱和蒸汽压力可能达到的最高工作温度下的饱和蒸汽压力50在设计所规定的最大充装量下为50的气体压力试验实测最高工作温度下的饱和蒸汽压力选用液氯在最高使用温度下的饱和蒸汽压作为工作压力，即取工作温度为50时的饱和蒸汽压为1.430MPa，则表压Pw=0.9192Pa。开启压力Pb=（1.05-1.10）Pw=（1.3965-1.463）MPa，P取Pb=1.40MPa、设计压力P=1.472MPa。液柱静压力为P=1307×9.81×2Pa=25643.34 5%P，所以忽略液体静压力的影响，计算压力Pw=P=1.472MPa。2.1.2 设计温度的确定设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属界面的平均温度值）。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。设计温度不低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。表2-2给出了几种液化气的饱和蒸汽压及密J度的数据，供设计计算时查取。选用液氯的设计温度为50。并采用50的数据对于16m3的储罐，根据卧式椭圆形封头容器基本参数（JB1428-74），选用Q345R为筒体材料，相应筒体直径为2000mm，筒体长度为4400mm。计算容积为筒体容积与两封头容积之和。表2-2 液化气体饱和蒸汽压及饱和液密度温度-15103050饱和蒸汽压Mpa(绝压)氨0.2690.6031.1562.030氯0.2170.4860.8431.430液化石油气0.1830.3190.7221.182丙烷0.2790.6161.0581.710饱和液密度Kg/m3氨658625595563氯1511144113771307液化石油气5715435124852.2机械设计机械设计包括结构设计和强度计算两部分。2.2.1结构设计一、设计条件（以结构设计条件表和管口表的形式列出，见表2-3表2-4） 表2-3 结构设计条件表项 目内 容备 注工作介质液氯无工作压力Mpa1.432无设计压力Mpa1.472无工作温度-2050无设计温度50无公称容积（ Vg） m316无计算容积（V计） m316.1无工作容积（V工） m314.5无装量系数f0.9无介质密度（t）t/ m31.307无材 质Q345R无保温要求无无其无要求无无 表2-4 管口表公称规格密封面用途或名称PN25 DN80凹凸密封面进液口PN25 DN100凹凸密封面备用口PN25 DN80凹凸密封面排气口PN25 DN80凹凸密封面出口PN25 DN450凹凸密封面人孔PN25 DN25凹凸密封面液面计口PN25 DN80凹凸密封面放净口PN25 DN80凹凸密封面安全阀口PN25 DN25凹凸密封面压力计口二、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）及其零件部件的设计。设备零部件包括支座、接管和法兰、人孔和手孔、液面计等。我国已经制定了化工设备通用零部件的系列标准，设计时可根据具体条件按照附录给出的相关标准进行选用。（一）材料选择正确选择材料对于保证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受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），所用材料设计钢板、钢管、锻件、型钢及钢棒等。压力容器受压元件用钢应符合压力容器GB150中的有关规定。对于非受压元件与受压元件焊接时，也应是焊接性能良好的钢材。压力容器壳体通常采用钢板经过成形焊接而成，法兰视具体情况可采用钢板或锻件，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（视具体情况而定）。常见用压力容器用碳素钢和低合金钢钢板有Q246R、Q345R、Q370R等；无缝钢管常用材料有10、20、16Mn等。一般来说，以强度设计为主的中压设备常采用低合金钢为宜。因为低合金钢如Q345R的屈服极限比碳素钢的屈服极限高出很多。采用其制作压力容器可显著减少设备质量，降低制造成本，同时给设备的运输和安装带来了方便。而设计压力P=1.472MPa,设计温度为-2050°C，故Q345R满足设计要求。综上，采用Q345R为储罐的筒体材料，采用20 GB8163为钢管材料，其中人孔材料采用20 GB9948的钢管材料，鞍座为Q235A。（二）筒体和封头结构设计筒体直径一般由工艺条件决定，但要注意符合压力容器的工称直径标准。封头的公称直径必须与筒体的公称直径相一致。标准椭圆形封头是中低压容器中经常采用的封头型式，相关结构数据由压力容器封头GB/T251982010查取。标准封头的厚度应与筒体厚度相一致=1.472×2000/(2×189×1-1.472)=7.8mm 设计厚度d=+C2=7.8+4=11.8mm （取腐蚀裕量C2=4mm）名义厚度n=+C1 =11.8+0.3=12.1mm（厚度负偏差C1=0.3mm）有效厚度圆整到标准厚度后取=14mm 图2-1 标准椭圆形封头结构示意图已知筒体的内径为2000mm、长度为4400mm。由压力容器封头GB/T251982010查取表2-5 EHA椭圆形封头型式参数公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/ m2容积V/m320005254.49301.1257（三）法兰设计法兰设计可根据法兰标准进行选型设计，也可按GB150相关条款自行设计。根据法兰标准的选型设计，是效率和质量都高的设计，故为一般设计所采用。 法兰有压力容器法兰和管法兰，二者属于不同的标准体系。容器法兰按JB/T 470047072000压力容器法兰标准设计。管法兰可参照附录5给出的HG/T 205922009钢制管法兰标准进行设计，设计内容如下： 根据设计压力、操作温度和法兰材料的公称压力PNl 设计压力 设计压力为1.472MPal 操作温度 -2050l 法兰材料 16Mn公称压力应大于设计压力，又由于液氯为高度危害性介质，其公称压力应大于2MPa，设计压力为1.472MPa，故选PN25为公称压力。 根据公称直径DN、公称压力PN及介质特性决定决定法兰类型及密封面型式。l 公称直径 2000mm l 公称压力 PN25再根据氯气高度危害的特性要求，选择法兰类型为带颈对焊法兰（WN），密封面类型为凹凸面（MFM）。图2-2 法兰的连接尺寸示意图图2-3 带颈对焊法兰凹凸面表2-6 PN25带颈对焊钢制管法兰管口符号管口名称公称直径DN钢管外径法兰焊端外径A1法兰外径D法兰厚度C法兰高度H法兰理论质量Kge人孔45048067046110245a进料口808920024585b备用口10010823524656.5m压力计口253211518401c排气口808920024585h放净口808920024585d出液口808920024585f液面计口253211518401（四）人孔、手孔、液面计结构设计、人孔手孔的设计人孔和手孔统称检查孔。压力容器开设检查孔的目的是为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷以及拆卸设备的零部件。一般当设备的公称直径在900mm以下时可根据需要设置适当数量的手孔，超过900mm时应开设人孔。人孔有圆形和长圆形两种。人孔大小的设置原则是方便人的进出。因此，圆形人孔的公称直径规定为400600mm，可根据容器直径及所在地区的冷暖程度来选择。当人孔经常需要打开时，可选用快开人孔。 人孔和手孔都是组合件，包括承压零件筒节、法兰、法兰盖、密封垫片及紧固件，以及与人手孔启闭有关的非承压零件。 容器公称直径大于等于1000mm且筒体与封头为焊接连接时，容器应至少设计一个人孔。卧式容器筒体长度大于等于6000mm时，应考虑设计两个以上人孔。现行的人孔标准为HG/T21514215352005钢制人孔和手孔。该标准包括了碳钢、低合金钢及不锈钢材料制造的所有材料的人手孔的结构类型、技术条件及尺寸系列等。设计时可根据设计条件直接选用。图2-4回转盖带颈对焊法兰人孔表2-7 回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表密封面型式公称压力（MPa）公称直径（DN）dw×SdDD1H1凹凸面（MFM）2.5450480×12456670600250H2bb1b2ABLd012142414637517525024液面计的设计对于盛装易燃、易炸危险介质和毒性为中度、高度和极度危害介质的容器采用就地液面计时应慎重，一般不得选用玻璃管液面计，本储罐盛装液氯为高度危害介质，选用磁性液位计。液位计一般通过法兰、活接头或螺纹接头与设备连接在一起，设计时应根据所选的液位计配相应的接口。图2-5 磁性液位计结构图（五）补强圈设计根据JB/T4736-2002，查得补强圈外径D2=760mm，质量为25.4kg。（六）支座结构设计容器支座有鞍式支座、腿式支座、支撑式支座、耳式支座和裙式支座。鞍式支座是卧式容器经常采用的支座型式，腿式支座和支撑式支座用于低矮立式设备的支撑，耳式支座用于中小型立式圆筒容器的悬挂式支撑，裙式支座用于大型高塔的支撑。JB/T4712-2007容器支座对除裙式支座外的四种规定了相应的结构型式、系列尺寸参数、允许载荷、材料及制造、检验和安装技术要求。设计时可根据具体情况通过附录鞍式支座第1部分：鞍式支座JB/T4712.1-2007确定。设计中，鞍式支座的地脚栓中心至封头切线位置的距离应不大于1/4筒体中径。若无法满足时，应尽量使该距离不大于0.2倍的两封头切线间距离。、估算鞍座负荷鞍座总负荷量等于各部分质量之和 m=m1+2m2+m3+m4m1为筒体的质量，对于Q345R的碳素钢，密度=7850kg/m3m1=DL=2×4.4×7850×3.14×0.014=3036.76kg m2为封头的质量，查压力容器封头GB/T25198-2010 中EHA椭圆形封头质量得 ：2 m2=971.6kg。m3为充氯质量m3=V=1528×16.1×0.9=22140.72kg充水质量为m水=V=1000×16.1=16100kg22140.72kg，所以选取充氯的质量。m4为附件质量，即人孔质量和补强圈质量，其他质量总和估计为100kgm4=245+29.6+100=374.6kg总质量m=3036.76+971.6+22140.72+374.6=26523.68kg则每个支座承受的重量为260kN支座型式的确定查容器支座 第一部分 鞍式支座JB/T4712.12007，根据支座的公称直径及允许载荷选定支座为轻型焊制A型，包角120。筋板数为4。公称直径（DN）允许载荷Q（kN）鞍座高度h底板腹板l1b112200030025014202201210筋板 垫板l3b2b33弧长b44E330190260823304301080图2-6 鞍座结构示意图图2-7 筒体结构示意图、支座位置的确定通常取尺寸A（A为鞍座中心线距封头切线间距离）不超过0.2L（两封头切线间距离）值，中国现行标准JB 4731钢制卧式容器规定）A0.2L=0.2（L+2h），（忽略两焊缝间距）A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。对于标准封头 Di/2(H-h)=2 Di=2000 H=525 h=25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A0.2L时，最好使A0.5R m（中径）A=0.5×1000=500mm，取A=500mm.综有：A=500mm。鞍座材料（除垫板外）为Q235A 垫板为Q345R。鞍座标记为： （七）焊接接头设计容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝和热影响区的总称。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。依据我国现行压力容器常规设计的标准GB150-1998钢制压力容器、GB/T4731-2005钢制卧式容器，JB/T470047072000压力容器法兰，JB/T4712-2007容器支座综合考虑各种因素，针对本次设计储存的介质是高度危害性介质，所以本次设计的壳体A、B类焊接接头应为X型的如图。而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头，进行全部无损检测，焊接接头系数取=1。如图 图2-8 全焊透接头示意图回转壳体的焊接结构设计 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，及A，B类接头，必须采用对接焊头，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。 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智能采用角焊和搭焊，具体的焊接结构还与安全的要求有关，涉及到是否开坡口，单面焊与双面焊，焊透与否等问题。 带补偿圈的接管的焊接结构 作为开孔补强元件的补强圈，一方面要求就尽量与补强前的壳体贴合紧密，另一方面与接管，壳体之间的焊接接头设计也应力求完善合理。但只能采用搭接和角接，难于保证全融透，也无法进行无损检测，因而焊接质量易保证（根据JBT47362002中附录A，表A1，如下图） 焊接方法和材料选择 一般压力容器的设计中，都是按电弧焊的要求来进行焊接结构设计，并选择用相应的焊接材料。 手工电弧焊设备简单，便于操作，适用于各种焊接，在压力容器制造中应用十分广泛，钢板对接，接管与筒体，封头的连接等都可以采用手工电弧焊。 焊条电弧焊的焊接材料是焊条。 表2-9 焊条的选用 XX与XX焊接 焊条型号 焊条牌号示例 Q345R与Q345R E5015 J507 Q345R与Q235A E4303 J422Q345R与16Mn E5016 J5062.2.2 强度校核一、水压实验应力计算并校核PT = 1.25P = 1.25×1.472×1=1.84Mpa 有效厚度de =9.7mm=1.84×（2000+9.7）/(2×9.7)=132.6MPaT0.9Rel=0.9×345=310.5Mpa132.6MPa<310.5Mpa校核合格二、气密性校核因为液氯为高度危害介质，所以必须进行气密性试验，气密性试验压力为1.472Mpa。设计技术条件及数据监察规程TSGR0004-2009工作压力MPa1.43设计技术条件GB150-2011设计压力MPa1.472设计规范GB150-2011水压试验压力MPa1.84介质液氯焊接接头系数1介质特性高度危害全容积16容器类别保温层/防火层厚度 mm无腐蚀裕量mm4设备净质量 kg 4383工作温度-2050设备空质量 kg4383设计温度50操作质量 kg26523焊接规程JB/T4708-2009充水后质量 kg20483无损检测标准JB/T4730-2009主体材料与供货状态Q345R参考文献 1 、过程设备设计课程指导书 .太原理工大学.2015.06 2、TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程.国家质量监督 检验检疫总局颁布，2009.8.31 3、HG 20660-2000 压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类 北京：全国化工工程建设标准编辑中心，20114、GB150-1998钢制压力容器北京：中国标准出版社，19985、JB/T4736-2002,JB/T4746-2002.补强圈 钢制压力容器用封头 国家经济贸易委员会，20026、HG2059220635-2009钢制管法兰 中华人民共和国工业和信息化部，20097、JB/T5117-1995碳钢焊条和JB/T51181995低合金钢焊条8、HG/T2151421535-2005钢制人孔和手孔.北京:中国计划出版社,2005结束语两个星期的课程设计已经过去了，这个过程中我收获了很多，对知识也有了更加深入地理解。课程设计与之前课程的最大的不同就在于其对知识的运用性，它体现在每一个细小的细节上，通过这次学习我也深深地认识到作为一名工程师身上所肩负的任务之重，任何一个细节都必须非常严密，容不得一丝的错误。课设期间，同学们之间一起讨论，不仅增强了大家对知识的理解和运用，也增强了同学们之间的感情。对于化工设备机械基础这门课，我觉得不仅要掌握大量的知识，还要时刻关注一些标准的变化，更需要大量的工作经验。总之，课程设计让我最最深的感受到了学习理论知识的重要性。18目录1、课程设计任务书11.1课程设计要求及原始数据（资料）：11.1.1课程设计要求：11.1.2原始数据：11.2 课程设计主要内容：11.3 学生应交出的设计文件（论文）：1摘要22课程设计内容32.1工艺设计32.1.1设计压力的确定32.1.2 设计温度的确定32.2机械设计42.2.1结构设计4一、设计条件（以结构设计条件表和管口表的形式列出，见表2-3表2-4）4二、结构设计5（一）材料选择5（二）筒体和封头结构设计5（三）法兰设计6（四）人孔、手孔、液面计结构设计8（五）补强圈设计10（六）支座结构设计10（七）焊接接头设计132.2.2 强度校核14一、水压实验应力计算并校核14二、气密性校核15设计技术条件及数据15参考文献16结束语1720