课程设计任务书25M3液化石油气储罐设计.docx

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课程设计任务书25M3液化石油气储罐设计

中北大学

课程设计说明书

学生姓名：

学号：

学院：

机械工程与自动化学院

专业：

过程装备与控制工程

题目：

（25）M3液化石油气储罐设计

指导教师：

职称:

2013年06月22日

中北大学

课程设计任务书

2012/2013学年第二学期

学院：

机械工程与自动化学院

专业：

过程装备与控制工程

学生姓名：

学号：

课程设计题目：

（25）M3液化石油气储罐设计

起迄日期：

06月08日～06月22日

课程设计地点：

校内

指导教师：

系主任：

下达任务书日期:

2013年06月08日

课程设计任务书

1．设计目的：

1）使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。

2）掌握查阅、综合分析文献资料的能力，进行设计方法和方案的可行性研究和论证。

3）掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。

4）掌握工程图纸的计算机绘图。

2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

1．原始数据

设计条件表

序号

项目

数值

单位

备注

1

名称

液化石油气储罐

2

用途

液化石油气储配站

3

最高工作压力

1.9

MPa

由介质温度确定

4

工作温度

-20～48

℃

5

公称容积（Vg）

10/20/25/40/50

M3

6

工作压力波动情况

可不考虑

7

装量系数（φV）

0.9

8

工作介质

液化石油气（易燃）

9

使用地点

室外

10

安装与地基要求

储罐底壁坡度0.01～0.02

11

其它要求

管口表

接管代号

公称尺寸

连接尺寸标准

连接面形式

用途或名称

a

32

HG22592-1997

MFM

液位计接口

b

80

HG22592-1997

MFM

放气管

c

500

HG/T21514-2005

MFM

人孔

d

80

HG22592-1997

MFM

安全阀接口

e

80

HG22592-1997

MFM

排污管

f

80

HG22592-1997

MFM

液相出口管

g

80

HG22592-1997

MFM

液相回流管

h

80

HG22592-1997

MFM

液相进口管

i

80

HG22592-1997

MFM

气相管

j

20

HG22592-1997

MFM

压力表接口

k

20

HG22592-1997

MFM

温度计接口

课程设计任务书

2．设计内容

1）设备工艺、结构设计；

2）设备强度计算与校核；

3）技术条件编制；

4）绘制设备总装配图；

5）编制设计说明书。

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：

1）设计说明书：

主要内容包括：

封面、设计任务书、目录、设计方案的分析和拟定、各部分结构尺寸的设计计算和确定、设计总结、参考文献等；

2）总装配图

设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定，图面布置要合理，结构表达要清楚、正确，图面要整洁，文字书写采用仿宋体、内容要详尽，图纸采用计算机绘制。

课程设计任务书

4．主要参考文献：

[1]国家质量技术监督局，GB150-1998《钢制压力容器》，中国标准出版社，1998

[2]国家质量技术监督局，《压力容器安全技术监察规程》，中国劳动社会保障出版社，1999

[3]全国化工设备设计技术中心站，《化工设备图样技术要求》，2000，11

[4]郑津洋、董其伍、桑芝富，《过程设备设计》，化学工业出版社，2001

[5]黄振仁、魏新利，《过程装备成套技术设计指南》，化学工业出版社，2002

[6]国家医药管理局上海医药设计院，《化工工艺设计手册》，化学工业出版社，1996

[7]蔡纪宁主编，《化工设备机械基础课程设计指导书》，化学工业出版社，2003年

5．设计成果形式及要求：

1）完成课程设计说明书一份；

2）草图一张（A1图纸一张）

3）总装配图一张（A1图纸一张）；

6．工作计划及进度：

2013年06月08日：

布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤

06月11日～06月15日：

机械设计计算（强度计算与校核）及技术条件编制

06月15日～06月20日：

设计图纸绘制（草图和装配图）

06月20日～06月22日：

撰写设计说明书

06月23日：

答辩及成绩评定

系主任审查意见：

签字：

年月日

一．工艺设计

1．液化石油气成分确定及其分析

液化石油气是在开采和炼制石油的过程中产生的一部分气态，经液化后分离出干气而得到的可燃液体。

它的主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯；其中丙烯、丁烯是重要的化工原料，经把丙烯、丁烯提炼出去，作为城市原料使用的液化石油气是丙烷、丁烷。

目前我国城市液化石油气系统供应的一般为丙烷、丁烷，丙烯、丁烯为主要成分的液化烃类化合物。

由于石油产地的不同，各地区液化石油气成分也各不相同。

本次设计的储罐在太原某储配站，经走访了解到，太原市地区的液化石油气大部分来自延安炼油厂，少部分来自石家庄地区，故此次设计关于石油气的成分采用延安炼油厂生产的石油气成分含量见下表1.1

液化石油气主要组织成分的的比例表1.1

组成成分

异辛烷

乙烷

丙烷

异丁烷

正丁烷

异戊烷

正戊烷

各种成分百分数（%）

0.0.1

2.27

47.3

23.48

21.96

3.79

1.19

各温度下各成分的饱和蒸气压力1.2

温度（℃）

饱和蒸气压力（MPa）

异辛烷

乙烷

丙烷

异丁烷

正丁烷

异戊烷

正戊烷

-25

0

1.3

0.2

0.06

0.04

0.025

0.007

-20

0

1.38

0.27

0.075

0.048

0.03

0.009

0

0

2.355

0.466

0.153

0.102

0.034

0.024

20

0

3.721

0.833

0.249

0.205

0.076

0.058

50

0

7

1.77

0.67

0.5

0.2

0.16

从表1.2中可以看出，温度从50℃降到-25℃时，各成分的饱和蒸气压力下降得厉害。

据此推断。

在低温状态下，由饱和蒸气压力引起的应力水平不会很高。

根据道尔顿分压定律，不难计算出各温度下液化石油气中各成分的饱和蒸气分压（表1.3）

各成分在相应温度下的饱和蒸气分压1.3

温度（℃）

饱和蒸气压力（MPa）

异辛烷

乙烷

丙烷

异丁烷

正丁烷

异戊烷

正戊烷

-25

0

0.02951

0.09460

0.01409

0.00878

0.00095

0.00008

-20

0

0.12771

0.01761

0.01054

0300114

0.00114

0.00011

0

0

0.05346

0.22042

0.03592

0.02240

0.00129

0.00029

20

0

0.08447

0.39401

0.05847

0.4502

0.00288

0.00069

50

0

0.15890

0.82491

0.15732

0.10980

0.00758

0.00190

根据表1.3可算出各温度下液化石油气饱和蒸气压力（表1.4）

液化石油气在各温度下饱和蒸气压力1.4

温度（℃）

-25

-20

0

20

50

压力（MPa）

014801

0.18844

0.33378

0.58554

1.26041

2.设计温度与设计压力

液化石油气储配站工作温度为-20-48℃,介质易燃易爆,为安全起见,设计温度应有一定富裕量,故,设计温度t=50℃

该储罐用于液化石油气储配供气站,属于常温压力储存,工作压力为相应温度下的饱和蒸气压,故不设保温层.当液化气50℃的饱和蒸气压力高于50℃异丁烷的饱和蒸气压力时,无保冷设施,取50℃时丙烷的饱和蒸气压力.而50℃时,有P异丁烷（0.67）

3.设计储量

参考有关资料,石油液化气密度为500-600kg/m3,取其密度为580kg/m3,W=ΦVρt=0.9*25*580=13.05t

二、机械设计

1、筒体和封头的设计

所设计压力容器承受内压，且Pc=1.947MPa<4MPa,根据化学工艺设计手册常用设备系列，采用卧式椭圆封头容器

a．筒体设计

查GB150-2011，为使筒体有较好的刚性，一般L/D=3～6，为方便计算，取L/D=4，则由πD2L/4=25得D=1.996mm，圆整得D=2000mm

b．封头设计

查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.1EHA得下表2.1

椭圆封头内表面积、容积2.1

公称直径DN/mm

总深度H/mm

内表面积A/m2

容积V封/m3

2000

525

4.4930

1.1257

椭圆形封头

由2V封+πD2L/4=25得L=7421mm圆整得L=7300mm

则L/D=3.65,符合要求

V计=2V封+πD2L/4=25.185m3>25m3,而且比较接近,故结构设计合理

三、结构设计

1、液柱静压力

卧式容器的最高储存液体高度为筒体直径,故P（静）max≤ρgD=11.368kPa

而P（静）max/Pc=11.368/1947=0.06%<5%,静压力可忽略

2.筒体及封头厚度

介质液化石油气易燃易爆，有一定的腐蚀性，存放温度为-20℃-48℃，最大工作压力为P（丙烷0=1.77MPa。

依据GB150-2011表二，选用Q345R为筒体材料（16MnR归于Q345R）,材料标准仍采用16MnR。

钢材标准为GB713低合金钢，初选厚度为3-16mm，最低冲击试验温度为-20℃，热轧处理，[σ]t=170MPa

=12.81mm

对于低碳合金钢,腐蚀裕度C2≥1mm,取C2=2mm钢材厚度负偏差不大于0.25,且不超过名义厚度6%时C1=0

14.81mm

14.81mm圆整后δn=15mm,[σ]t不变

对于封头，为保证良好的焊接工艺，采用与筒体相同的材料，采用标准椭圆封头，其K=1，Φ取0.9，，

=12.76,mm，δn=C1+C2+δ=14.76mm

圆整后δn=15mm，与筒体厚度一样,选材Q345R合适

3,接管、法兰、垫片以及螺栓的选择

a、接管和法兰的选择

液化石油气储罐设置液位计口，空气进口，人孔，安全阀口，排污口，液相出口，液相回流口，液相进口，气相口，压力表口，温度计口。

Pc=1.947MPa<2.5MPa，查《压力容器与化工设备实用手册》知，可选接管公称通径DN=80mm，查标准HG/T200592-97表4-4，选用PN2.5MPa带颈平焊法兰（SO），查表3.0.2选择密封面形式为凹凸面（MFM），压力等级诶1.0-4.0MPa，接管法兰材料为Q345R（16MnR）根据各接管的通径，查表4-4得各法兰尺寸，见下表

法兰尺寸3.1

序号

名称

公称通径DN

钢管外径B

连接尺寸

法兰厚度C

法兰高度H

法兰颈

法兰内径B1

坡口宽度b

法兰理论质量kg

法兰外径D

螺栓孔中心圆直径K

螺栓孔直径L

螺栓孔数量n

螺栓Th

B系列

a

液位计口

32

38

140

100

18

8

M16

18

30

60

39

5

2.02

b

放气管

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

d

安全阀口

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

e

排污口

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

f

液相出口

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

g

液相回流

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

h

液相进口

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

i

气相管

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

j

压力表口

20

25

105

75

14

4

M12

16

26

45

26

4

1.03

k

温度计口

20

25

105

75

14

4

M12

16

26

45

26

4

1.03

77

接管外径的选用以B国内沿用系列为准，对于压力在0.25到25MPa之间的接管，查手册知，选材Q345R，对应的管子尺寸如下表

管子尺寸3.2

序号

名称

公称直径

管子外径

数量

管口伸出量

管子壁厚

伸长量质量（kg）

a

液位计管

32

38

2

100

3.5

0.447

b

放气管

80

89

1

150

4

1.26

d

安全阀

80

89

1

150

4

1.26

e

排污管

80

89

1

150

4

1.26

f

液相出口

80

89

1

150

4

1.26

g

液相回流

80

89

1

150

4

1.26

h

液相进口

80

89

1

150

4

1.26

i

气相管

80

89

1

150

4

1.26

j

压力表口

20

25

1

100

3

0.244

k

温度计口

20

25

1

100

3

0.244

c．垫片的选用

查HG20592-1997，表4.0.0-3凹凸面法兰用MFM型垫片尺寸，由Pc=1.947MPa知，采用金属包覆垫片。

法兰密封面为MFM，金属材料为纯铝板1.3，标准为GB/T3880，最高工作温度为200℃，得对应垫片尺寸如下表

垫片尺寸3.3

序号

管口名称

公称直径DN（mm）

内径D1（mm）

外径D2（mm）

厚度δ（mm）

a

液位计口

32

61.5

82

3

b

放气管

80

120

142

3

c

人孔

500

530

575

3

d

安全阀口

80

120

142

3

e

排污口

80

120

142

3

f

液相出口

80

120

142

3

g

液相回流

80

120

142

3

h

液相进口

80

120

142

3

i

气相管

80

120

142

3

j

压力表口

20

45.5

61

3

k

温度计口

20

45.5

61

3

c，螺栓螺柱的选择

螺栓选材需根据密封所需要的压紧力的大小来确定，计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸，螺栓选材Q345R

查HG20592-1997中表5.0.07-9和附录A.0.1得螺柱的长度和平垫圈尺寸如下表3-4

螺栓及垫圈尺寸

序号

名称

公称直

螺纹

螺柱长

紧固件用平垫圈mm

径

D1

D2

h

a

液位计管

32

M16

85

17

30

3

b

放气管

80

M16

100

17

30

3

d

安全阀

80

M16

100

17

30

3

e

排污管

80

M16

100

17

30

3

f

液相出口

80

M16

100

17

30

3

g

液相回流

80

M16

100

17

30

3

h

液相进口

80

M16

100

17

30

3

i

气相管

80

M16

100

17

30

3

j

压力表口

20

M12

75

13

24

2.5

k

温度计口

20

M12

75

13

24

2.5

4、人孔设计

a.选取人孔当筒体长度大于6000mm时，需开两个人孔，选用回转盖带脖颈对焊法兰人孔。

在本地区使用，确定人孔公称直径DN=500mm，配套法兰与上面一样，根据HG/T21518-2005表3-1，看Pc=2.5MPa，MFM密封形式，8.8级35CrMoA等长双头螺柱链接，尺寸如下表4.1

人孔尺寸

密封面形式

公称压力

公称直径

dw×s

d

D

D1

H1

H2

b

b1

b2

A

B

L

d0

螺柱数量

螺母数量

螺柱尺寸

总质量kg

MFM

2.5MPa

500

530×12

506

730

660

280

123

44

43

48

405

200

300

30

20

40

M30×180

331

b.人孔补强人孔直径为500mm，查手册，选取补强圈外径840mm，内径510mm，补强圈厚度为16mm质量41.5kg；查HG20592-1997表4-2得人孔法兰

5.液面计选择

液化石油气储罐工作温度为-20-48℃，查手册知选磁性液面计

6鞍座选型和结构设计

a.鞍座选型

此次设计选用双鞍座式支座依其工作温度范围查JB/T4731-2005表5-1，选择鞍座材料为Q345R，使用温度为-20-250℃，许用应力[σ]t=170MPa.

估算鞍座的负荷，总负荷为m=筒体质量m1+2封头质量m2+液体质量m3+附件质量m4

m1=πDLδρ=π×2×7.3×0.015×7850=5401kg

查JB4712-2002得m2=485.8kg

m3为充水水质量，m3=1000×25.185kg=25185kg

m4为附件质量，人孔331kg，其它估算为400kg则

m=m1+2m2+m3+m4=32620kg

每个鞍座承受约163.1kN。

由以上数据查JB4712.1-2007，选取轻型，焊制A，包角120°，有垫板，筋板数6，鞍座尺寸如下表

公称直径DN

允许载荷Q/kN

鞍座高度h

底板

腹板δ2

螺栓间距l2

鞍座质量kg

l1

b1

δ1

2000

300

250

1420

220

12

10

1260

160

筋板

弧长

b4

δ4

e

23330

430

10

80

b．鞍座位置的确定

当无法满足外伸长度A不超过0.5R时，应满足外伸长度不超过0.2L,按照设计的尺寸，应有A≤0.2×7300=1460mm，取A=1250mm

6.焊接接头的设计

a．筒体与封头的焊接：

δ=6-20，a=60-70，b=0-2,p=2-3,它们时间采用Y型对接头和手工电弧焊，综合考虑选材Q345R，焊条类型E5018

b．接管与筒体之间的焊接：

β1=40°-50°；b，p=1.5-2.5；H1=δt=k1；k2=δc（δc≤8）；k3=0.7δc（δc>8）

四、强度校核

用水压进行容器强度的校核设最大应力为许用应力，用压力为2.2MPa的水进行强度校核，将上述设计好的数据输入强度校核软件，进行校核，从而得出容器设计是否合格,软件校核如下:

各部分应力校核

钢制卧式容器

计算单位

计算条件

简图

设计压力p

1.947

MPa

设计温度t

50

℃

筒体材料名称

16MnR（热轧）

封头材料名称

16MnR（热轧）

封头型式

椭圆形

筒体内直径

Di

2000

mm

筒体长度L

7300

mm

筒体名义厚度n

15

mm

支座垫板名义厚度rn

10

mm

筒体厚度附加量C

2

mm

腐蚀裕量C1

2

mm

筒体焊接接头系数

0.9

封头名义厚度hn

15

mm

封头厚度附加量Ch

2

mm

鞍座材料名称

Q345-A.F

鞍座宽度b

220

mm

鞍座包角θ

120

°

支座形心至封头切线距离A

1250

mm

鞍座高度H

250

mm

地震烈度

低于7

度

内压圆筒校核

计算单位

计算条件

筒体简图

计算压力Pc

1.947

MPa

设计温度t

50.00

C

内径Di

2000.00

mm

材料

16MnR（热轧）（板材）

试验温度许用应力

170.00

MPa

设计温度许用应力t

170.00

MPa

试验温度下屈服点s

345.00

MPa

钢板负偏差C1

0.00

mm

腐蚀裕量C2

2.00

mm

焊接接头系数

1.00

厚度及重量计算

计算厚度

=

=12.81

mm

有效厚度

e=n-C1-C2=13.00

mm

名义厚度

n=15.00

mm

重量

5041

Kg

压力试验时应力校核

压力试验类型

液压试验

试验压力值

PT=2.2

MPa

压力试验允许通过

的应力水平T

T0.90s=310.50

MPa

试验压力下

圆筒的应力

T=

=178.20

MPa

校核条件

TT

校核结果

合格

压力及应力计算

最大允许工作压力

[Pw]=

=1.957

MPa

设计温度下计算应力

t=

=171.5

MPa

t

170.00

MPa

校核条件

t≥t

结论

合格