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1.6 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........................................................................................................................................... 2 第一章 总论 ..................................................................................................................................... 1

1.1 概述 .................................................................................................................................... 1 1.2 设计依据和原则 ................................................................................................................ 1 第二章 工艺参数的确定 ................................................................................................................. 2

2。1 设计温度的确定 ............................................................................................................. 2 2.2 设计压力的确定 ................................................................................................................ 2 2.3 筒体和封头的选材及机构 ................................................................................................ 2

2.3.1 液溴的性质 ............................................................................................................. 2 2。3。2 筒体、封头的选材 ........................................................................................... 3 2。3.3 筒体、封头的结构 .............................................................................................. 3

第三章 设计计算 ............................................................................................................................. 4

3.1 筒体的计算 ........................................................................................................................ 4 3.2 封头的计算 ........................................................................................................................ 4 3。3 水压试验及强度校核 ..................................................................................................... 4 第四章 附件的选择及计算 ............................................................................................................. 6

4。1 法兰的选择 ..................................................................................................................... 6

4。1。1 法兰类型的选择 ............................................................................................... 6 4。1。2 法兰密封面的选择 ........................................................................................... 6 4.1.3 垫片、螺栓的选择 ................................................................................................. 6 4。1。4 法兰最终选择 ................................................................................................... 7 4。2 人孔的选择计算 ............................................................................................................. 7

4。2.1 人孔的选择 .......................................................................................................... 7 4.2。2 人孔补强的确定 .................................................................................................. 8 4.3 卧式容器支座的选择及计算 ............................................................................................ 8

4.3。1 支座的选择 .......................................................................................................... 8 4。2.2 鞍座的选用原则 .................................................................................................. 8 4。2。3 鞍座负荷计算 ................................................................................................... 8 4.4 液面计的选择 .................................................................................................................. 10 4。5接口管的选择 ................................................................................................................ 10

4。5。1 液溴进出料管 ................................................................................................. 10 4.5.2 排污管 ................................................................................................................... 10 4.5。3 安全阀接口管 .................................................................................................... 10

第五章 设备的校核计算 ............................................................................................................... 11

5.1筒体和封头切向应力校核 ............................................................................................... 11

5.1.1筒体切向应力计算 ................................................................................................ 11 5。1。2封头切向应力计算 .......................................................................................... 11 5.2筒体轴向应力校核 ........................................................................................................... 11

5。2.1 由设计压力引起的轴向应力 ............................................................................ 11 5.2.2 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

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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

p1.11.61.76MPa

液柱静压力估算为:p静gh31199.82.47.336104Pa 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

2

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 4.16

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.

3

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

[]t133MPa

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=0.8 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：

。 dPeDI2[]PetC17.11

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:

.

dPeDI2[]tPeC216.98

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

公称直径曲面高度直边高度内表面积容积质量

厚度/mm

DN/mm h1/mm h2/mm A/m2 V/m3 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：

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Pt1.25Pet1.251.762.2MPa

Pt1.25Pc[]1.251.762.2MPa[]t

水压

试验时的应力为

IPIDIE161.5 2ea 查表得厚度为16mm的16MnR钢板的钢材屈服极限s235MP故在常温水压试验时的许用应力为:

0.9s0.90.8235169.2MPa

故t0.9s 因此筒体满足水压试验时的强度要求

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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

甲型 0.25~1.6 —20～300 300~2000

平焊法兰

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/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

结构简单，加工方不易压紧，密封性PN<2.5MPa，介质

平面形

便，便于防腐衬里 差 无毒

DN≤800,PN≤

凹凸面 压力较高场合 /

6.4MPa

结构制造复杂，更

榫槽面 良好密封性 /

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

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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/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

α

1

螺柱

δ

2

D D1 D2 D3 D4 δ H h α δ1 R d

规格 数量

对接筒体 最小厚度δu/mm 26

2200

272620 20 2529 2509 2506

1

328215M923 34 50

0 6 6 8 2 42 0

表4—4 选用法兰质量数据

衬环质量/kg

平面

2053。20。7 1 槽面

凸

面 42.8

72

公称直径DN/mm

平面

2200

2021.5

法兰质量/kg

凸面 凹面 榫面

2057。2043。2047.9 5 1

凹榫

面 面 27.32。2 0 槽

面 37.5

则，选用法兰的标准标记为：

法兰C—T 2200-2。5/52-320 NB/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

密封面形式公称直径公称压力人孔垫片材

名称

及代号 DN/mm PN/MPa 材料 料

回旋盖带颈对突面RF 450 2。5 16R 普通石

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焊法兰人孔

表4—6 所选人孔尺寸表

棉橡胶

螺螺

质量

dws d D D1 H1 H2 b b1 b2 A B L do 柱 母 螺柱

(kg）

数量

48012 456 670 600 250 126 42 44 46 375 175 250 24 20 40 M332170 246

则人孔标记为:人孔RFⅢS—35CM（NM—XB350)A 450—2.5 HG/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。

补de450181.826.41mm D2D1760484 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。

［5］

因此,选用鞍式支座作为储罐的支座.

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，跨度的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取A0.2L,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A0.2L下应尽量使A0.5R0。

4。2。3 鞍座负荷计算

储罐重质量计算式如下：

8

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

m1q1L10004.84800kg

（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

m2q2290021800kg

（3）

液氨质量m3

m3V

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

VV封头V筒体22.004.84.52425.715m2

m30.725.715311956143kg

（4） 附件质量m4

人孔质量为246kg,其他接管综合按300kg计，故

m4246300546kg

设备总质量为：

m=m1+m2+m3+m4=4800+1800+56143+546=632kg

mg6329.8Q310116.1N310KN

22 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）

底板 腹板 筋板

允许载荷Q 鞍座高度

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A0.2L，L=2200mm，筒体长为4400mm，则：

A0.22200440mm

则两鞍座间距为:

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l440044023660mm

鞍座标记为：JB/T 4712.1-2007，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

重量 加热蒸汽

液面计公称长度透光尺寸 透光总长度

管接口间底部配底部配

节数 L/mm L1×14mm L2/mm

距/mm 阀门 螺塞

5 1450 260×14 1460 1420 53。7 51.7

则液面计标记：液面计A R4。0—Ⅰ—1450V（P) 接口管尺寸为：ø18mm×3mm，管法兰HG20592 法兰SO20—2.5 RF 16MnR

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PL50-2.5 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: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PL50-2.5 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。本储罐采用ø32mm×4mm的无缝钢管，管法兰HG20592 法兰PL25—2。5 RF 16MnR。

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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K30.880、K40.401 则： K3F0.88031000014.42MPa Rme116816.25。1。2封头切向应力计算

httK4F0.4013100006.56MPa Rme116816.2KPDN11.7622001.2516384.24MPa 2e216.21.25h1.25t因为\\h1.25h，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

ppRm1.76116863.44MPa 2e216.25.2。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:

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2p2,63.442.1665.6MPa

许用轴向拉应力t163MPa，而2t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

11,2.16MPa

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ac150MPa ，1ac,合格。

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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.

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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!

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