课程设计---液溴储罐的设计.doc

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1.6 MPa密度：3.119克每立方厘米 熔点：-7.2 沸点：58.78 目录设计题目3第一章 总论11.1 概述11.2 设计依据和原则1第二章 工艺参数的确定22.1 设计温度的确定22.2 设计压力的确定22.3 筒体和封头的选材及机构22.3.1 液溴的性质22.3.2 筒体、封头的选材32.3.3 筒体、封头的结构3第三章 设计计算43.1 筒体的计算43.2 封头的计算43.3 水压试验及强度校核4第四章 附件的选择及计算64.1 法兰的选择64.1.1 法兰类型的选择64.1.2 法兰密封面的选择64.1.3 垫片、螺栓的选择64.1.4 法兰最终选择74.2 人孔的选择计算74.2.1 人孔的选择74.2.2 人孔补强的确定84.3 卧式容器支座的选择及计算84.3.1 支座的选择84.2.2 鞍座的选用原则84.2.3 鞍座负荷计算84.4 液面计的选择104.5接口管的选择104.5.1 液溴进出料管104.5.2 排污管104.5.3 安全阀接口管10第五章 设备的校核计算115.1筒体和封头切向应力校核115.1.1筒体切向应力计算115.1.2封头切向应力计算115.2筒体轴向应力校核115.2.1 由设计压力引起的轴向应力115.2.2 轴向应力组合与校核11参考文献13总结14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 GB 150-2011（3）压力容器用钢板 GB 6654-1996（4）椭圆形封头 JB/T 4737-95（5）乙型平焊法兰 NB/T 47022-2012（6）长颈对焊法兰 NB/T 47023-2012（7）非金属垫片 NB/T 47024-2012（8）石棉橡胶板 GB/T 3985（9）压力容器法兰分类与技术条件 NB/T 47020-2012（10）鞍式支座 JB/T 4712.1-2007（11）钢制人孔和手孔的类型与技术条件 HG/T 21514-2005（12）回旋盖带颈对焊法兰人孔 HG/T 21518-2005 （13）补强圈 JB/T4736-2002 （14）反射式玻璃板液位计 HG/T 21590-95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-3045。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：液溴密度，3.119g/cm3g ：重力加速度，9.8kg/s2h ：卧式容器液柱最大高度，估值为筒体公称直径，2.2m2.3 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3.119 g/cm3分子量159.832颜色深红棕色熔点-7.2溶解度4.162.3.2 筒体、封头的选材根据液溴的物性和设计温度在-3045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。20R20G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-3045，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=1.00。估计钢板厚度在825之间，所以钢板负偏差由钢板厚度负偏差表查得C1=0.8 mm；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n=18mm3.2 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n=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/kg220060040186.54534.9905911.313.3 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0.251.6-203003002000乙型0.254.0-203503003000长颈对焊法兰0.66.4-20453003000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/T 47022-2012，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PN2.5MPa，介质无毒凹凸面压力较高场合/DN800，PN6.4MPa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/T 47020-2012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30CrMoA4.1.4 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/T 47023-2012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DD1D2D3D4Hh112Rd规格数量最小厚度u/mm22002720262025292509250619032086262334501852M427226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/kg2200平面凸面凹面榫面槽面平面凸面凹面榫面槽面2021.52057.92043.52047.12053.720.142.827.232.037.5则，选用法兰的标准标记为：法兰C-T 2200-2.5/52-320 NB/T47020-20124.2 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RF4502.516R普通石棉橡胶表4-6 所选人孔尺寸表dDD1H1H2bb1b2ABLdo螺柱螺母螺柱质量(kg)数量456670600250126424446375175250242040246则人孔标记为：人孔RFS-35CM(NM-XB350)A 450-2.5 HG/T21518-20054.2.2 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m1DN=2200mm，=18mm的筒节，每米质量为q1=1000kg/m，故（2） 封头质量m2DN=2200mm，=18mm，直边高度为40mm，每米质量为q2=900kg/m，故（3） 液氨质量m3式中：为装料系数，取0.7；V为储罐容积，m2；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A120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l1b112l3b2b33435KN250172024014102652082908垫板螺栓配置鞍座质量弧长b44e间距l2螺孔d螺纹孔长l234kg280050010100152024M2040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/T 4712.1-2007，支座 A2400-F4.4 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L114mm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51450260141460142053.751.7则液面计标记：液面计A R4.0-1450V(P) 接口管尺寸为：18mm3mm，管法兰HG20592 法兰SO20-2.5 RF 16MnR4.5接口管的选择4.5.1 液溴进出料管采用57mm6mm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PL50-2.5 RF 16MnR。4.5.2 排污管储罐右侧底部设置排污管一个，管子规格：57mm6mm，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PL50-2.5 RF 16MnR。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。