30M液氯储罐设计.doc

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1、第一章 课程设计任务书设计条件表序号项目数值单位备注1最高工作压力Mpa由介质温度确定2工作温度-20453公称容积304装量系数0.95工作介质液氯6使用地点太原市，室内管口条件：液氯进口管DN50；液氯出口管DN50；空气进口管DN50；空气出口管DN50；安全阀接口DN50；压力表接口DN25.液位计接口人孔按需设置。第二章 绪论（一）设计任务：综合运用所学的专业课知识，设计一个第一类压力容器中的高度危险性内压容器液氯储罐。（二）设计思想：综合运用所学的专业课知识，以课程设计指导书为根，以过程装备基础为本，结合所学的专业课知识，对储罐进行设计。在设计过程中综合考虑了经济效益，适用性，安全

2、可靠性。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准。第三章 材料及结构的选择与论证(一)材料选择纯液氯是高危害性的介质，但其腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材,有因为使用温度为，根据课程设计指导书中钢板的使用条件，应选用Q245R或Q345R。常用的有20R和16MnR两种。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。（二）结构选择与论证（1）封头的选择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

3、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。（2）人孔的选择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、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。本次设计在综合考虑公称压力、公称直径工作温度以及人孔的结构和材料等诸方面因素的情况下，选用回转盖带颈对焊法兰人孔。（3）容器支座的选择容器支座有鞍式支座、腿式支座、支撑式支座、耳式支座、裙

4、式支座等，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。因为本次设计的容器直径在以上，所以选用轻型鞍座，又因为容器有热胀冷缩的位移要求，所以应选两个轻型鞍座分别为固定式和滑动式。（4）法兰型式的选择法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。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。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。在考虑到本次储存的介质为高度毒性介质，所以应选用带颈对焊法兰。（5）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：玻璃管液面计、透光式玻璃板液

5、面计、反射式玻璃板式玻璃板液面计、浮标式玻璃板液面计、防霜液面计、磁性液位计等。应为本次设计要成装毒性为高度介质的容器，所以不能选用玻璃管液面计。又因为要储存的介质稍有色泽，所以不能选用透光式玻璃板液面计。本次设计的设计高度小于，因而不能选用浮标式玻璃板液面计。本次设计的工作温度为，所以不能用防霜液面计。综合上述的内容，结合经济效益，本次设计选用反射式玻璃板式玻璃板液面计。（6）保温层的选择本次设计中液氯的操作温度小于，工艺也没有要求限制热损失，保温层的价格比较贵，保温层岩棉还有致癌作用，再从经济效益方面综合考虑，本次设计决定不涉及保温层。（7）视镜的选择视镜用来观察设备内部物料的工作情况，本

6、次设计选用不带颈视镜，因为其结构简单，不易粘料，有比较宽的视察范围。（8）压力表的选择压力容器上的压力表的最大量程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倍，压力表的使用压力范围，应不超过刻度极限的又考虑到液氯是高毒性的介质，所以综合考虑应选用钽材料的压力表，测量范围为。（9）焊接结构设计及焊条的选择122综合考虑各种因素，针对本次设计储存的图1介质是高毒性介质，所以本次设计的壳体A、B类焊接接头应为X型的如图1。对应的焊条选用E5016. 而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头，如图2. 对应的焊条选用E5016. 对于人孔、补强圈与壳体的接头选用D类接头形式，

7、如图3. 对应的焊条选用E5016.212621210322122图2图3第四章 设计计算及结构设计（一） 筒体厚度设计1. 液氯储罐的工作压力（）所成装液氯的临界温度为14450，因为无保冷设施，所以该储的最高工作压力不得低于液氯在50时的饱和蒸汽压，即。（由液化气饱和蒸汽压及饱和液密度表查的）2设计压力（）液氯储罐的最高温度可达到45由液化气饱和蒸汽压及饱和液密度表查的，该温度下的饱和蒸汽压为。在本次设计中的液氯储罐上装有安全阀，通常认为安全阀的开启压力为倍的，所以。3.液柱静压力（）由某些无机物重要物理性质表查的，液氯的密度为，取内径由各地区重力加速度表查的太原地区的，则根据公式可得。4

8、.计算压力()因为，所以可忽略静压力的影响。即5.设计温度下材料的许用应力为，假设厚度为，由钢板许用应力表可得的6.焊接接头系数（）因为的取值是根据焊接接头的形式，及无损检测的长度比例来确定的。本次液氯储罐的设计采用双面对接接头和相当于双面对接焊的全焊透对接接头，100%无损检测，所以。7.内压容器的计算厚度内压容器的计算厚度公式为：式中：计算压力 筒体内径 设计温度下材料的许用应力 焊缝系数将以上数据代入公式得在之间，所以第5步的假设是成立的。8.内压圆筒的设计厚度取腐蚀裕量，根据内压圆筒的设计厚度计算公式的。9.通体名义厚度由常用钢板厚度负偏差表可查的，在的钢板标准下的负偏差。计算厚度加上

9、负偏差为，查钢板厚度的常用规格表，将其圆整为，即名义厚度的钢板.(二)封头壁厚的设计采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同。1. 标准椭圆形封头的计算厚度标准椭圆形封头的计算厚度公式为式中：计算压力 筒体内径 设计温度下材料的许用应力 焊缝系数 将以上数据代入公式得2. 标准椭圆形封头的名义厚度由公式代入具体数据得查钢板厚度的常用规格表，将其圆整为，即名义厚度，可见标准椭圆形封头与筒体等厚。（三）厚度的校核计算1.筒体的长度及鞍座的位置由EHA椭圆形封头内表面积及容积表可得公称直径的椭圆形封头容积。本次设计的液氯储罐的公称容积，所以代入公式的。因为鞍座位置的要求为，并尽量使，综合考虑选择。2容器

10、的质量（1）容器的自重及附件的质量a)EHA的质量由EHA椭圆形封头内表面积及容积表可知本次设计的EHA内表面积，所以其质量b）筒体的质量根据公式，代入具体数据得c)人孔的质量由回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表得本次设计所用人孔的总质量为。d)接管的质量由热轧钢管品种表得本次设计所用钢管的理论质量：液氯进口管： 液氯出口管：空气进口管：空气出口管：安全阀接口：压力表接口.：液位计接口：所以e)补强圈质量由JB/T 4736-2002规定的补强圈尺寸系列表得，本次设计所用补强圈的质量为。f)预焊件、梯子平台、防腐层等的质量本次设计假定则容器的自重为2）充满试验液体（水）的质量由EHA椭圆形封头内表面

11、积及容积表得本次设计的EHA容积为，又因为筒体的容积为，由水的重要物理性质表得时水的密度为，所以。3）正常操作时的液氯质量由某些无机物重要物理性质表查的，液氯的密度为，由EHA椭圆形封头内表面积及容积表得本次设计的EHA容积为，又因为筒体的容积为，所以3.正常操作和液压试验时跨中截面处的弯矩q建立力学模型，把上述计算所得的质量产生AB的重力，B简化为沿容器轴线作用的分布载荷，ba即图4.先求出A、B两点的支反力图4由次可画出对应的剪力图和弯矩图，即图5MQ+-+-图5 由弯矩图可知最大弯矩 （1）正常操作时跨中截面处的弯矩 正常操作时由各地区重力加速度表查的太原地区的，代入具体数值得，再代入求

12、出的跨中截面处弯矩方程得。（2）液压试验时跨中截面处的弯矩液压试验时由各地区重力加速度表查的太原地区的，代入具体数值得，再代入求出的跨中截面处弯矩方程得。4计算圆筒跨中截面的最大拉应力和最大压应力（1）正常操作状态下最大拉应力由介质压力及弯矩引起，位于截面的最低点，其计算公式为：式中：计算压力 有效厚度 圆筒跨中截面的最大弯矩 公称直径将以上数据代入公式得最大压应力位于截面的最高点，其计算公式为：，带入具体数据得，说明整个跨中截面不会出现压应力。由钢板许用应力表可得的，又因为，所以。即正常操作时可以满足强度条件。（2）液压试验状态下液压试验状态下最大应力由试验压力及弯矩引起，位于该截面的最低点

13、，其计算公式为：，带入具体数据得。最大压应力在盛满液体而未升压时有最大值，故压力试验时压应力的最大值公式为：。很明显，所以液压试验也满足强度条件。（5）稳定性判断由公式确定计算系数 式中：圆筒外径 有效厚度将以上数据代入公式得根据圆筒的材料选择相应的系数图，值位于曲线的左方，则根据公式，由常用材料的弹性模量表得，带入具体数据得。因为稳定许用压缩应力,所以很明显，即圆筒符合强度条件。综合上面的强度条件和稳定性条件圆筒都符合，因此这个储罐可以安全使用。（四）人孔并核算开孔补强1.密封面的选择由于本次设计的介质是高度危害的，所以密封面应选择垫片容易装正，而且紧固螺栓时也不会向外挤出，密封性能还要好的

14、密封面。又考虑到榫槽密封面的结构较为复杂，加工较为困难，更换垫片时要从榫槽中取出旧垫片比较费时，密封面上的榫头容易破坏，而且成本较高，所以本次设计采用凹凸法兰密封面（MFM）.2.人孔的设计由前面的设计部分可知，本次设计的储罐其最高工作压力为，考虑到人孔盖的直径较大、较重，结合本次设计的具体实际，并且根据现行的人孔设计标准钢制人孔和手孔，本次设计采用回转盖带颈对焊法兰人孔。该人孔标记为： 3.核算开孔补强（1）判断是否需要开孔补强按GB150规定，壳体开孔接管公称直径小于或等于可不另行补强，但本次设计人孔的公称外径为，所以进行补强圈补强。（2）判断本次设计是否符合 补强圈本次设计：a)容器设计

15、压力b)容器设计温度c)容器钢材的标准抗拉强度下限d)壳体开孔处的名义厚度e)补强圈厚度 所以补强圈的设计标准可用 补强圈（3）开孔补强计算由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准。本次设计所选用的人孔筒节的公称直径为，查回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表得为，。1）圆通开孔所需的补强面积a)强度消弱系数由钢板许用应力表可知厚度为厚度的低合金钢在时的。由钢管许用应力表可知厚度为厚度的低合金钢在时的。代入强度消弱系数计算公式得b)接管的有效厚度由接管壁厚附加量公式式中：钢管厚度负偏差 腐蚀裕量厚度将以上数据代入公式得将以上数据代入接管有效厚度计算公式得c)开孔直径根据开孔直径计算公式，

16、代入具体数据的d)圆柱开孔所需补强面积根据圆柱开孔所需补强面积计算公式：式中：开孔直径 圆筒计算厚度 接管有效厚度 强度消弱系数将以上数据代入公式得： 2）有效补强范围内的补强面积a)有效补强范围内的宽度有效不强范围内的宽应取和二者中的较大值，其中、，显然，所以。b)有效补强范围的外侧高度有效补强范围的外侧高度应取和接管实际外伸高度二者中的较小值，其中，接管实际外伸高度为。显然小于接管实际外伸高度，所以。c) 有效补强范围的内侧高度有效补强范围的内侧高度应取和接管实际内伸高度二者中的较小值，其中，接管实际内伸高度本次设计为，显然接管实际内伸高度小于，所以接管实际内伸高度，及。d)壳体有效厚度减

17、去计算厚度之外的多余面积根据公式式中：有效补强范围内的宽度 壳体有效厚度 圆筒计算厚度 接管有效厚度 强度消弱系数 将以上数据代入公式得e) 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积根据公式式中：有效补强范围的外侧高度有效补强范围的内侧高度 接管有效厚度 接管计算厚度 强度消弱系数 将以上数据代入公式得f)焊缝金属面积由于本次设计的储罐是存放有毒介质的，所以选用D类接头形式进行焊接，因此对应的，所以。g) 有效补强范围内的补强面积根据公式代入具体数值的3）补强圈的选取因为，所以需要另加补强，其补强面积，代入具体数据得由于本次设计的储罐是存放有毒介质的，所以选用D类接头形式进行焊接，因而，查表 规

18、定的补强圈尺寸系列应选用的补强圈厚度为，再根据补强材料一般与壳材料相同，确定补强圈为：(五)鞍座选择由本设计书结构选择与论证部分的内容可知，本次设计的支座设计要用鞍式支座。储罐在正常操作时的重量为，单个鞍式支座的承载能力，所以根据容器支座表本次设计选用的鞍座为：支座 和支座 .(六)液面计的设计由本设计书结构选择与论证部分的内容可知，本次设计选用反射式玻璃板式玻璃板液面计。标准选用，长度为(七)接口管的设计本次设计的液氯储罐设有以下管接口。1. 液氯进口管采用无缝热轧钢管（管壁加厚，具有补强作用），为方便液氯进入，管的一端伸入罐中并切成，接管外伸高度为，内伸高度为，由于储存的介质为高毒性介质，

19、所以法兰应为： 法兰 2. 液氯出口管采用无缝热轧钢管（管壁加厚，具有补强作用），接管外伸高度为，内伸高度为，由于储存的介质为高毒性介质，所以法兰应为： 法兰 3. 安全阀接口采用无缝热轧钢管（管壁加厚，具有补强作用），接管外伸高度为，内伸高度为，由于储存的介质为高毒性介质，所以法兰应为： 法兰 4. 压力表接口采用无缝热轧钢管（管壁加厚，具有补强作用），接管外伸高度为，内伸高度为，由于储存的介质为高毒性介质，所以法兰应为： 法兰 5. 空气进口管采用无缝热轧钢管（管壁加厚，具有补强作用），接管外伸高度为，内伸高度为，由于储存的介质为高毒性介质，所以法兰应为： 法兰 6. 空气出口管采用无缝热

20、轧钢管（管壁加厚，具有补强作用），接管外伸高度为，内伸高度为，由于储存的介质为高毒性介质，所以法兰应为： 法兰 7. 液面计接口采用无缝热轧钢管（管壁加厚，具有补强作用），接管外伸高度为，内伸高度为，由于储存的介质为高毒性介质，所以法兰应为： 法兰 各接管相邻开孔中心的间距为第五章 参考资料 1刘俊明主编 课程设计指导书.太原:太原理工大学印刷厂，20092朱孝钦主编 过程装备基础.北京：化学化工出版社，20083谭天恩主编 化工原理.北京：化学化工出版社，20094天津大学物理化学教研室 物理化学.北京：高等教育出版社，20085陈钟秀等主编 化工热力学.北京：化学化工出版社，20096王云才主编 大学物理实验教程.北京：科学出版社，2008第六章 结束语时光飞逝，光阴荏苒。转眼间为期一周的课程设计结束了。这次的课程设计是对大学所学知识的综合考察，尤其是过程装备基础、工程制图等课程。更是在实践中考察我们学习和掌握的程度，以及大学生应具有的综合素质。所以，从课程设计开始，我始终抱着检验自己、提高自己的目的和态度，在老师的指导中、在与同组成员的讨论中、在上网查找的过程中，不断汲取新的知识，充实自己。