课程设计液溴储罐的设计.docx

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课程设计液溴储罐的设计

课程设计

题目：

液溴储罐的设计

专业：

化学工程与工艺

班级：

学号：

姓名：

指导老师：

设计题目

液溴储罐的设计

工艺数据：

储罐内径：

2200mm

储罐长度（不包括封头）：

4400mm

地点：

德州

设夏季最高温度时物料的饱和蒸汽压为1.6MPa

密度：

3.119克每立方厘米

　　熔点：

-7.2℃

　　沸点：

58.78℃

第一章总论

1.1概述

本设计是为德州地区的工厂设计一液溴储罐。

综合考虑了德州的环境条件，液溴的物理化学性质等因素，结合给定的工艺参数，对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。

并用SW6软件进行了校核。

校核结果表明，所做设计结果正确、无误。

1.2设计依据和原则

（1）《化工设备设计基础》2007.3

（2）《压力容器》GB150-2011

（3）《压力容器用钢板》GB6654-1996

（4）《椭圆形封头》JB/T4737-95

（5）《乙型平焊法兰》NB/T47022-2012

（6）《长颈对焊法兰》NB/T47023-2012

（7）《非金属垫片》NB/T47024-2012

（8）《石棉橡胶板》GB/T3985

（9）《压力容器法兰分类与技术条件》NB/T47020-2012

（10）《鞍式支座》JB/T4712.1-2007

（11）《钢制人孔和手孔的类型与技术条件》HG/T21514-2005

（12）《回旋盖带颈对焊法兰人孔》HG/T21518-2005

（13）《补强圈》JB/T4736-2002

（14）《反射式玻璃板液位计》HG/T21590-95

第二章工艺参数的确定

2.1设计温度的确定

德州市基本气候特点是季风影响显著，四季分明、冷热干湿界限明显，春季干旱多风回暖快，夏季炎热多雨，秋季凉爽多晴天，冬季寒冷少雪多干燥，具有显著的大陆性气候特征。

光照资源丰富。

德州市年平均气温12.9℃。

极端最高气温43.4℃（1955年7月23日德城区），极端最低气温-27℃（1958年1月15日德城区）。

德州市平均无霜期长达208天，一般为3月29日到10月24日，各县之间相差较大，武城县最长为225天，东西相差近月余。

德州市年平均降水量为547.5毫米，东部多于西部，南部多于北部。

降水量的时间分配以7月最多，德州市平均降水量190毫米，1月最少只有3.5毫米。

按季节分，春季占有12.8%，夏季高达67.7%，秋季占16.9%，冬季只占2.6%。

根据德州的天气情况，确定储罐的设计温度为-30℃—45℃。

2.2设计压力的确定

已知夏季最高温度时物料的饱和蒸汽压为1.6MPa，所以设计取压力

液柱静压力估算为：

ρ：

液溴密度，3.119g/cm3

g：

重力加速度，9.8kg/s2

h：

卧式容器液柱最大高度，估值为筒体公称直径，2.2m

2.3筒体和封头的选材及机构

2.3.1液溴的性质

液溴是纯净物，常温下溴是唯一呈液态的非金属单质。

液溴是红棕色发烟液体，气温低时（20℃﹚能冻结成为带金属光泽暗红色针状晶体。

常温下蒸发很快，其蒸气有窒息性刺激气味，呈红棕色。

微溶于水；易溶于乙醇、乙醚、四氯化碳、煤油等多种有机溶剂；也溶于碱溶液、氢溴酸和溴化物等溶液。

液溴的化学性质很活泼，与氯气相似，但是稍弱，溴化物中的溴离子可以用游离态的氯来驱出；它是一种强氧化剂，遇砷、锑放出火花而化合；与氢的亲和力甚强；与有机物混合可引起燃烧；在有水存在时溴单质能把二氧化硫氧化为硫酸并生成溴化氢；在碱性介质中氨和尿素等氮化物被氧化而产生氮气；在气相中溴单质将氨氧化为氮气并产生白烟（溴化铵），生产上常以此检查设备和管道是否漏溴；溴在有次溴酸存在的情况下比较稳定；能与橡胶反应而使橡胶老化、龟裂，橡胶常用的是聚异戊二烯和聚丁二烯，其中都含有碳碳双键，溴单质能与之发生加成反应；溴单质具有极强烈的毒性和腐蚀性[1]。

表2-1液溴的物理性质

中文名

液溴

沸点

58.78℃

化学式

Br2

密度

3.119g/cm3

分子量

159.832

颜色

深红棕色

熔点

-7.2

溶解度

4.16

2.3.2筒体、封头的选材

根据液溴的物性和设计温度在-30℃—45℃之间、设计压力为1.76MPa，由于液溴具有强腐蚀性，采用内衬四氟乙烯的方式进行防腐处理。

因此，纯粹从技术角度考虑，20R和16MnR都可行。

但从经济角度来说，20R价格便宜，比较适合。

因此选用20R钢板作为制造筒体、封头的材料。

20R\20G是以前的工艺标准是：

GB6654、GB713-86；Q245R是现在的新牌号，标准是：

GB713-2008二者其实是一样的材质，仅仅是名称不一样。

2.3.3筒体、封头的结构

筒体结构设计为圆筒形。

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，因此这类容器应用最广。

封头又称端盖，按其形状又分为凸形封头、锥形封头和平板形封头3类。

其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。

锥形封头分为无折边与折边两种。

平板封头根据它与筒体连接方式不同也有多种结构[2]。

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。

第三章设计计算

3.1筒体的计算

已知的工艺参数为：

公称直径：

Di=2200mm

设计压力：

Pc=1.76MPa

选用20R，工作温度-30℃—45℃，查《钢板许用应力表》得

焊接接头采用V坡口双面焊接,采用全部无损检测,其焊接接头系数由焊接接头系数表查得φ=1.00。

估计钢板厚度在8~25之间，所以钢板负偏差由《钢板厚度负偏差表》查得C1=0.8mm；液溴为强腐蚀性，采用内衬四氟乙烯方法，内部腐蚀忽略不计，腐蚀裕量由（壳体、封头腐蚀裕量表）查得C2=1mm。

液溴储罐是内压薄壁容器，按公式计算筒体的设计厚度为：

.

根据钢板的厚度规格，查《钢板的常用厚度表》，圆整为δn=18mm

3.2封头的计算

采用标准椭圆形封头a:

b=2:

1，各参数与筒体相同。

封头的设计厚度：

.

根据钢板的厚度规格，查《钢板的常用厚度表》，圆整为δn=18mm，可见和筒体等厚。

查标准《椭圆形封头》JB/T4737-95，得下表：

表3-1椭圆封头各项参数

公称直径DN/mm

曲面高度h1/mm

直边高度h2/mm

厚度/mm

内表面积A/m2

容积V/m3

质量m/kg

2200

600

40

18

6.5453

4.9905

911.31

3.3水压试验及强度校核

先按公式确定水压试验时的压力Pt为：

水压

试验时的应力为

查表得厚度为16mm的16MnR钢板的钢材屈服极限

故在常温水压试验时的许用应力为：

故

因此筒体满足水压试验时的强度要求

第四章附件的选择及计算

4.1法兰的选择

4.1.1法兰类型的选择

法兰连接结构是一个组合件，是由一对法兰、若干螺栓、螺母和一个垫片组成。

法兰密封的原理是：

法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于压紧面之间的垫片压紧。

法兰按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意式法兰。

压力容器用法兰为整体法兰[3]。

下表为两种法兰的参数。

表4-1平焊法兰和对焊法兰标准

分类

适用压力/MPa

适用温度/℃

适用直径/mm

平焊法兰

甲型

0.25~1.6

-20~300

300~2000

乙型

0.25~4.0

-20~350

300~3000

长颈对焊法兰

0.6~6.4

-20~45

300~3000

由于储罐的设计压力为1.76MPa，公称直径为2200mm。

所以选用法兰的公称压力PN为2.5MPa。

根据上表，甲型平焊法兰的适用压力和适用直径不符合，而，查找乙型平焊法兰标准NB/T47022-2012，公称压力PN为2.5MPa的适用直径没有达到2200mm，所以，选用长颈对焊法兰。

4.1.2法兰密封面的选择

法兰连接的密封性能与密封面形式有直接关系，所以要合理选择密封面的形状。

下表为各种密封面比较

表4-2密封面比较

·

优点

缺点

适用范围

平面形

结构简单，加工方便，便于防腐衬里

不易压紧，密封性差

PN<2.5MPa，介质无毒

凹凸面

压力较高场合

/

DN≤800，PN≤6.4MPa

榫槽面

良好密封性

结构制造复杂，更换困难

/

其他

适合压力较高

不易加工

/

根据上表，由于介质有腐蚀性且公称直径和公称压力较高，因此榫槽面作为密封面。

4.1.3垫片、螺栓的选择

垫片是构成密封的重要元件，适当的垫片变形和回弹能力是形成密封的必要条件。

根据标准NB/T47020-2012中法兰、垫片、螺柱、螺母材料匹配表，选用垫片材料为橡胶石棉板。

螺栓材料为30CrMoA

4.1.4法兰最终选择

最终选择长颈对焊法兰为储罐的法兰，选用标准NB/T47023-2012中公称压力为2.5MPa，公称直径为2200mm的法兰

表4-3选用法兰的结构及尺寸（公称压力PN=2.5MPa）

公称直径DN/mm

法兰/mm

螺柱

对接筒体

D

D1

D2

D3

D4

δ

H

h

α

α1

δ1

δ2

R

d

规格

数量

最小厚度δu/mm

2200

2720

2620

2529

2509

2506

190

320

86

26

23

34

50

18

52

M42

72

26

表4-4选用法兰质量数据

公称直径DN/mm

法兰质量/kg

衬环质量/kg

2200

平面

凸面

凹面

榫面

槽面

平面

凸面

凹面

榫面

槽面

2021.5

2057.9

2043.5

2047.1

2053.7

20.1

42.8

27.2

32.0

37.5

则，选用法兰的标准标记为：

法兰C-T2200-2.5/52-320NB/T47020-2012

4.2人孔的选择计算

4.2.1人孔的选择

人孔是压力容器检修的重要入口，也是压力容器设计的重要组成部分[4]。

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。

综合考虑到公称压力2.5MPa，工作温度为45℃及手孔材结果和材料等因素，查找标准《钢制人孔和手孔的类型和技术条件》和《回旋盖带颈对焊法兰人孔》确定人孔。

选用等长双头螺柱，垫圈选用非金属垫片中的石棉橡胶板，其他数据如下表所示：

表4-5所选人孔的参数

名称

密封面形式及代号

公称直径DN/mm

公称压力PN/MPa

人孔材料

垫片材料

回旋盖带颈对焊法兰人孔

突面RF

450

2.5

16R

普通石棉橡胶

表4-6所选人孔尺寸表

d

D

D1

H1

H2

b

b1

b2

A

B

L

do

螺柱

螺母

螺柱

质量（kg）

数量

456

670

600

250

126

42

44

46

375

175

250

24

20

40

246

则人孔标记为：

人孔RFⅢS-35CM（NM-XB350）A450-2.5HG/T21518-2005

4.2.2人孔补强的确定

本设计选用人孔筒节内径为450mm，厚度为12mm。

故补强圈尺寸为：

补强圈内径484mm，外径为760mm，补强圈厚度按下式估算。

考虑到人孔筒节有一定的腐蚀余量，故补强圈厚度为26mm。

查标准JB/T4736-2002得补强圈质量为55.0kg。

4.3卧式容器支座的选择及计算

4.3.1支座的选择

卧式容器支座有鞍座、圈座和支腿三种。

鞍式支座是应用最广泛的一种卧式容器支座。

鞍座分为A型和B型两类。

对于大直径薄壁容器和真空操作的容器，因其自身重量可能严重挠曲；多于两个支撑的长容器。

腿式支座简称支腿，由于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。

因此，选用鞍式支座[5]作为储罐的支座。

4.2.2鞍座的选用原则

（1）双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取

，其中L取两封头切线距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。

（2）当鞍座临近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。

为了充分利用这一加强效应，在满足

下应尽量使

。

4.2.3鞍座负荷计算

储罐重质量计算式如下：

m=m1+m2+m3+m4

式中：

m1为罐体质量，kg；m2为封头质量，kg；m3为液溴质量，kg；m4为附件质量，kg。

（1）罐体质量m1

DN=2200mm，δ=18mm的筒节，每米质量为q1=1000kg/m，故

（2）封头质量m2

DN=2200mm，δ=18mm，直边高度为40mm，每米质量为q2=900kg/m，故

（3）液氨质量m3

式中：

α为装料系数，取0.7；V为储罐容积，m2；γ为液溴密度，3119kg/m3

（4）附件质量m4

人孔质量为246kg，其他接管综合按300kg计，故

设备总质量为：

m=m1+m2+m3+m4=4800+1800+56143+546=63289kg

每个鞍座只承受316KN负荷，所以选用轻型带垫板、包角为120o的鞍座。

表4-7型式特征

型式

包角

垫板

筋板数

轻型

焊制

A

120

有

6

表4-8支座尺寸（DN=2200mm）

允许载荷Q

鞍座高度

底板

腹板

筋板

l1

b1

δ1

δ2

l3

b2

b3

δ3

435KN

250

1720

240

14

10

265

208

290

8

垫板

螺栓配置

鞍座质量

弧长

b4

δ4

e

间距l2

螺孔d

螺纹

孔长l

234kg

2800

500

10

100

1520

24

M20

40

外伸长度

，L=2200mm，筒体长为4400mm，则：

则两鞍座间距为：

鞍座标记为：

JB/T4712.1-2007，支座A2400-F

4.4液面计的选择

对于承压容器，一般都是将液面计通过法兰、活接口或螺纹接口与设备连接在一起。

现有标准，有反射式玻璃板液面计、反射式防霜液面计、透光式板式液面计和磁性液面计。

根据选用表选用：

选用反射式玻璃板液面计，公称压力PN4.0MPa，具体参数如下表：

表4-9反射式玻璃板液面计基本参数及尺寸

液面计节数

公称长度L/mm

透光尺寸

L1×14mm

透光总长度L2/mm

加热蒸汽管接口间距/mm

重量

底部配阀门

底部配螺塞

5

1450

260×14

1460

1420

53.7

51.7

则液面计标记：

液面计AR4.0-Ⅰ-1450V（P）

接口管尺寸为：

ø18mm×3mm，管法兰HG20592法兰SO20-2.5RF16MnR

4.5接口管的选择

4.5.1液溴进出料管

采用ø57mm×6mm无缝钢管。

进料管的一端切成45°，伸入出罐内少许。

配用具有凸面的带颈平焊法兰，法兰标记为：

HG20592法兰PL50-2.5RF16MnR。

4.5.2排污管

储罐右侧底部设置排污管一个，管子规格：

ø57mm×6mm，采用密封面为氟材料的截止阀J41W-25和与之匹配的管法兰HG20592法兰PL50-2.5RF16MnR。

4.5.3安全阀接口管

安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。

本储罐采用ø32mm×4mm的无缝钢管，管法兰HG20592法兰PL25-2.5RF16MnR。

第五章设备的校核计算

5.1筒体和封头切向应力校核

5.1.1筒体切向应力计算

查得

、

则：

5.1.2封头切向应力计算

因为

，所以合格。

5.2筒体轴向应力校核

5.2.1由设计压力引起的轴向应力

5.2.2轴向应力组合与校核

最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处：

许用轴向拉应力

，而

合格。

最大轴向压应力出现在充满物料时，在筒体中间截面处

根据《化工设备设计基础》P93图3-15查得A=0.0013，进而查图3-18可得B=150MPa，取许用压缩应力

，

，合格。

参考文献

[1]代仁燕.液溴的性质用途保存和取用[J].科学教育前沿，2014，（3）：

32-33

[2]谭蔚.化工设备设计基础[M].天津：

天津大学出版社，2007：

100.

[3]谭蔚.化工设备设计基础[M].天津：

天津大学出版社，2007：

110.

[4]沈建萍.浅析压力容器人孔设计及标准化[J].中国石油和化工设计及标准化，2012,10:

137

[5]周波.鞍座卧式容器设计方法分析[J].化工工程与装备，2010，（10）：

93-94.

总结

经过了整整2个星期的奋斗，终于把本设计做完了，本以为很容易的一个实验，开学给了我们两个星期的时间，还以为只需要一个星期就可以做完，但事实却并不是如此。

做到后面，我就开始和同学一起边讨论边理清思路才下笔计算，但偶尔也遇到过一点小麻烦，比如后面的压力校核计算。

总的来说，做完这个设计，让我受益匪浅，不仅让我更加清楚的了解这个设计的流程，让我明白其流程的设计，也让我明白到，做每件事情都不要等到接近期限才去做，做之前认真做好充分的预习和准备，这样才能事倍功半！