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!