液氯储罐 - - 课程设计

西南科技大学城市学院 课程设计说明书

设计题目： 学院、系：专业班级：学 号：学生姓名：指导教师：成 绩： 压 力 容 器 课 程 设 计

（40m3）液氯储罐的设计

机电工程系 过控0901 200940258 秦 勇

王 忠

2011年10月15日

目录

第一章．《过程设备课程设计》指导书 ......................................................................................... 2

一．课程设计的性质、目的与任务 ....................................................................................... 2 二．程设计的主要内容与要求 ............................................................................................... 2

三、课程设计教学的基本要求 ....................................................................................... 2 四、课程设计进度与时间安排 ............................................................................................... 3 五、课程设计考核 ................................................................................................................... 4 第二章、课程设计任务书 ............................................................................................................... 5 第三章、设计计算说明书正文 ....................................................................................................... 6

3.1. 储存物料性质 ................................................................................................................... 6

3.1.1物料的物理及化学特性 .......................................................................................... 6 3.1.2 物料储存方式 ................................................................................................................. 6

3.2. 压力容器类别的确定 ............................................................................................... 6 3.3.液氯储罐构形的设计计算 ................................................................................................. 7

3.3.1储罐筒体公称直径和筒体长度的设计 .................................................................. 7 3.3.2封头结构型式尺寸的确定 ...................................................................................... 7 3.3.3 物料进出口管及人孔等各种管口的布置 ............................................................. 8 3.4.壳体厚度设计及其校核 ..................................................................................................... 8

3.4.1 设计温度T和设计压力P的确定 ........................................................................ 8 3.4.2 壳体材料的选择 ..................................................................................................... 8 3.4.3壳体A/B类焊接接头的设计 ................................................................................. 9 3.4.4壳体厚度设计及其校核 .......................................................................................... 9 3.4.5封头厚度设计及其校核 .......................................................................................... 9 3.4.6 压力试验种类和试验压力的确定 ....................................................................... 10 3.4.7 压力试验校核 ....................................................................................................... 10 3.4.8 卧式容器的应力校核 ........................................................................................... 11 3.4.8.1液氯储罐的质量计算 ................................................................................................. 11 3.4.8.2正常操作和液压试验时跨中截面处的弯矩 ............................................................. 12 3.4.8.3液氯储罐的应力校核 ................................................................................................. 13 3.5零部件设计 ....................................................................................................................... 14

3.5.1 支座的设计 ........................................................................................................... 14 3.5.2 人孔的设计及补强圈的计算 ............................................................................... 14 3.5.2.1人孔设计 ..................................................................................................................... 14 3.5.2.2补强圈计算 ................................................................................................................. 15

3.5.3接口管的设计 ........................................................................................................ 17 3.5.4. 液位计的设计 ...................................................................................................... 18 3.5.4.1 液位计选型 ................................................................................................................ 18 3.5.4.2 液位计接口设计 ........................................................................................................ 18

3.5.5法兰选择 ................................................................................................................ 19 3.5.5. C/D类焊接接头设计 ........................................................................................... 20

第四章、参考文献 ......................................................................................................................... 21 第五章、结束语 ............................................................................................................................. 22

第一章．《过程设备课程设计》指导书

适用专业：过程装备与控制工程 教学周数：2周 分数：2分

一．课程设计的性质、目的与任务

按过程装备与控制工程专业教学计划要求，在学完专业核心课《过程设备设计》后，进行《过程设备课程设计》教学环节，其主要目的是使学生在学习过程设备设计的基础上，进行一次工程设计训练，培养学生解决工程实际问题的能力。

本课程设计的先修课程为：《过程装备力学基础》，《过程装备制造技术》，《工程材料》

二．程设计的主要内容与要求

本课程设计以化工生产中的单元过程设备为主，包括：塔、换热器、反应器、储罐等设备的设计。设计条件由工艺人员提供工艺条件、设备的初步选型及轮廓尺寸。

1. 课程设计的主要内容

1.1设备的机械设计 1.1. 1设备的结构设计 1.1. 2设备的强度计算 1.2. 技术条件的编制 1.2.1 总装配图技术条件

1.2.2 零部件技术条件

1.3绘制设备总装配图及零部件图 1.4编制设计说明书 2. 课程设计要求

学生应交出的设计文件 2.1设计说明书一份

2.2总装配图一张（1号图纸）

三、课程设计教学的基本要求

（一）教学的基本要求

1． 课程设计是一次综合应用所学知识的实际训练环节，要求学生独立完成 2．课程设计实行指导教师负责制，指导教师根据本教学大纲制定课程设计

任务书、指导书；准备设计所需要的有关设计资料；安排设计进度及其答疑时间；指导学生完成设计任务。学生在教师指导下应独立、按时完成课程设计任务书所规定的全部内容和工作量； （二）课程设计的能力培养要求

1． 巩固、灵活运用本课程基础理论知识 2． 通过课程设计，培养学生 (1) 国家、专业标准及规范熟悉、使用能力； (2) 分析、综合解决实际工程问题能力； (3) 计算机综合应用能力；

(4) 对过程装备工程概念的理解能力； (5) 综合素质、创新意识及创新能力。 （三）课程设计的规范性要求

课程设计报告由设计说明书和设计图纸组成。

1．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。

2．设计说明书内容完整，言简意赅，书面整洁，字迹工整。

设计计算说明书文体包括：课程设计任务书、目录、摘要、正文、参考文献、附录等

说明书一般以前言开始，以下为正文，正文要分章、节。每一章要另起一页。章用1位数表示，节用2位数表示，小节用3位数，序数可用加括弧或半括弧的数字，也可用外文字母表示，两位以上的节号数字间要加点号，章节居中，序数后退2格开始。

四、课程设计进度与时间安排

序号 1 料 2 3 4 5 6

工艺设计/机械设计（结构设计） 机械设计（强度计算） 及技术条件编制 设计图纸绘制 撰写设计说明书 质疑及成绩评定 1.5 1.5 4 1 1 可安排参观 包括草图绘制 内 容 天数 布置任务、讲课和查阅有关资1 备 注

五、课程设计考核

（一）每个学生交一份课程设计报告，内容包括：设计图纸（折合A1图纸）1张、设计说明书一份。

（二）对学生设计内容质疑。质疑时间，每人10分钟左右。

（三）成绩评定，依据学生在课程设计阶段的基本能力、工作能力、工作态度、设计进度；完成设计任务的独立性、创新性；设计说明书与图纸（论文）的质量及答辩情况。其中平时表现（出勤率、工作态度、完成设计任务的独立性）占10%、设计说明书占30%、图纸占40%、质疑成绩占20%四部分组成。课程设计成绩按优、良、中、及格、不及格五级划分。 （四）学生应严格遵守纪律，设计期间一般不准请假，确因特殊情况，必须请假；凡随机抽查三次不到，评定成绩降低一级；累计缺勤时间达到或超过全过程的1/5者，取消质疑资格，按“不及格”处理，不记该实践环节的学分。

?封?2???-0.5pctpcDi

式中， pc――计算压力，MPa；

Di――封头公称直径，mm；

[?]t――封头材料在设计温度下的许用应力，MPa；

?――封头的焊接接头系数，?＝1.0。

故设计封头的计算厚度 ?封＝

1.5?2600=11.50mm,上述假设成立

2?170?0.5?1.5根据GB3531，负偏差C1＝0.3mm,腐蚀裕量C2＝1.5mm,厚度附加量故名义厚度 ?n 取16mm，有效厚度 ?e ＝?n-C＝14.2mm C?C1?C2＝1.8mm，

3.4.6 压力试验种类和试验压力的确定

由于液氯属于高度危害介质，对储罐的密封性有严格要求，故压力试验除

了采用以水为试验介质的液压试验外，还要进行气压实验。取试验温度为20 ℃。

[?]水压试验压力为pT＝1.25pt

[?][?]气压试验压力为pT＝1.15pt

[?]式中，[?]——壳体材料在试验温度下的许用应力，MPa； [?]t――壳体材料在设计温度下的许用应力，MPa。

170=1.875MPa 170170 PT'=1.15×1.5×=1.725 MPa

170故本次水压试验压力 pT＝1.25×1.5×

3.4.7 压力试验校核

压力试验前，校核圆筒应力 ?T?pT(Di??e)[1]?0.9??s

2?e

式中 ?T――试验压力下圆筒的应力，MPa； Di――圆筒内直径，mm； ?e ――圆筒的有效厚度，mm；

?s――圆筒材料在试验温度下的屈服点，MPa； ?――圆筒的焊接接头系数。 所以?T=

1.875?(2600?14.7)=166.75MPa<0.9??s＝310.5 MPa ，故水压校核符合

2?14.71.725?(2600?14.7),要求。?T==153.41 MPa<0.8??s=276 MPa,，故气压校

2?14.7核符合要求。

3.4.8 卧式容器的应力校核

3.4.8.1液氯储罐的质量计算

筒体质量：m筒体=?钢??4?Di??n?2-Di2?=7850×π?L-2?0.04??4×（6.68-2

×0.04）[(2.6?0.014)2-2.62]=2969kg

封头质量：m封头= 2?A??n??钢＝2×7.6547×0.014×7850=1682.5kg 充液氯的质量m液氯=?液氯×V×0.9＝1528×40×0.9=55008kg 充水的质量 m水=?水?V×0.9=1000×40×0.9=36000kg 结合后面的计算知，

支座质量：

由《课程设计指导书》表3-2知本次设计支座的总质量为m支座=2×

298=596 kg

接管质量：

液氯进口管的质量：m1=1.7×7850×（0.0572-0.0452）=12.835kg 液氯出口管的质量：m2=2.75×7.55=26.8kg 安全阀接管的质量：m3=0.17×7.55=1.3kg

压力表接管的质量：m4=0.17×7850×（0.0322-0.0252）=0.53kg

空气进口管的质量：m5=0.17×7.55=1.3kg 空气出口管的质量：m6=0.17×7.55=1.3kg

液位计接管的质量：m7=2×0.46×7850×（0.0252-0.0182）=2.2kg 接管总质量为m接管=m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7=46.5kg 管法兰总质量：m管法兰=18.5kg

人孔质量：

由《回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表》本次设计人孔总质量为

m人孔=475kg

补强圈质量：

由《JB/T 4736—2002规定的补强圈尺寸系列表（部分）》知本次设计加强圈的总质量为m加强圈=55.1kg

液位计质量、预焊件、梯子平台等的质量 本次设计假设为m=50kg

故本次设计空容器的总质量为m总=5893kg ,经查太原地区的重力加速度g=9.79m/s2

正常操作下储罐总重为F=(5893+55008) ×9.79=596221N 液压试验下储罐总重为F'=(5893+36000) ×9.79=410132.5N 3.4.8.2正常操作和液压试验时跨中截面处的弯矩

建立力学模型，把上述计算所得的质量产生的重力，简化为沿容器轴线

作用的均匀分布载荷，见图3-2

图3-2 沿容器轴线作用的均匀分布载荷

先求出A、B两点的支反力

FFA?FB?

2由次可画出对应的剪力图和弯矩图

图3-3剪力图和弯矩图

将容器重量简化为沿容器轴线作用的均布载荷，则力学模型为以受均布载荷作用的外伸梁。合理布置支座且考虑容器稳定性，取支座作用点距同侧梁端距离a=800mm。梁总长L=6600mm。

F(l?4a)计算得Mmax=

83.4.8.3液氯储罐的应力校核

A

在正常操作下，

其最大弯矩Mmax＝253394N?m 最大拉应力?max?MmaxpDt＝84MPa,强度条件＜＝170 MPa ??[?]max24?e0.785D?e最大压应力 ?min?B

在液压试验下

MmaxpD＝76MPa ?24?e0.785D?e其最大弯矩MT=174306.3N?m 最大拉应力?Tmax?MTpD=102.6MPa<0.9??s=276 MPa, ?24?e0.785D?eMT=—2.69MPa 20.785D?e最大压应力?Tmin=?则在正常操作下和液压试验下的应力校核均满足要求。 C

储罐稳定性校核 系数A＝

0.094＝0.000873。查《过程装备基础》图表14-4得， R0?e

??cr??B?110MPa 。

又稳定性条件max{ -?min，-?Tmin}???cr?， 故?min?2.69MPa???cr??110MPa符合稳定性条件。 综合上述知，本次设计的储罐应力校核合格。

3.5零部件设计

3.5.1 支座的设计

设计容器为卧式容器，采用鞍式支座。卧式容器一般采用双支座，一个固定式（F），一个滑动式（S）。

596.221由上述计算知在正常操作下，每个支座承受载荷Q＝=298kN<440 kN。

2故选取支座标记为 JB／T 4712.1－2007，支座 A 2600－S

JB／T 4712.1－2007，支座 A 2600－F

3.5.2 人孔的设计及补强圈的计算

3.5.2.1人孔设计

压力容器开设检查孔的目的是为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷以及拆装设备内部零部件。一般当设备的公称直径超过900mm时开设人孔。

由前面知，本次设计的储罐其最高工作压力为1.303MPa，考虑到人孔盖的直径较大、较重，结合本次设计的具体实际，并且根据现行的人孔设计标准HG/T21514～21535?2005《钢制人孔和手孔》，本次设计采用回转盖带颈对焊法兰人孔,设计储罐人孔开设在筒体右侧。

由于本次设计的介质是高度危害的，所以密封面应选择垫片容易装正，而且紧固螺栓时也不会向外挤出，密封性能还要好的密封面。又考虑到榫槽密封面的结构较为复杂，加工较为困难，更换垫片时要从榫槽中取出旧垫片比较费时，密封面上

的榫头容易破坏，而且成本较高，所以本次设计采用凹凸法兰密封面（MFM）.

为了防止法兰盖碰撞筒体，可选择B型盖轴耳。

结合前面，可选择人孔公称压力PN=2.5MPa，公称直径DN=600mm，MFM型密封面，Ⅲ型材料，其中等长双头螺柱采用35CrMoA,垫片材料采用缠绕式垫带内环型.

标记为：人孔 FMFⅢ s-35CM (W·B—0222 ) B 600—2.5 HG/T21518--2005 其中垫片材料：金属带材料为0Cr18Ni9、非金属带材料为柔性石墨带、内环材料为0Cr18Ni9

标记为HG/T20610 缠绕垫 B 600—2.5 0222

3.5.2.2补强圈计算

人孔外径为480mm，故需要补强。

由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准。本次设计所选用的人孔筒节的公称直径为480mm，查《回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表》得ds?S为530?12，H1?250mm。

1）圆通开孔所需的补强面积?A?

由《钢板许用应力表》可知厚度为厚度14mm的Q345在工作温度范围内的

????170MPa。由《钢管许用应力表》可知厚度为厚度12mm的Q345在工作温度

范围内的????163MPa,代入强度消弱系数计算公式得f??163?0.9588 170由钢管厚度负偏差C1?0.3mm腐蚀裕量厚度C2?1mm 代入接管有效厚度计算公式得?et??n?C?12?1.3?10.7mm 根据开孔直径计算公式d?dw?2S?2C，计算得 d?606.6mm 根据圆柱开孔所需补强面积计算公式：A?d??2??et?1?f?? 式中：开孔直径d?606.6mm 圆筒计算厚度??11.52mm 接管有效厚度?et?10.7mm 强度消弱系数f??0.9588

??6998.2mm2 A?d??2??et?1?f???606.6?11.52?2?11.52?10.7??1?0.95882）有效补强范围内的补强面积?Ae?

有效补强范围的宽度B应取2d和d?2??n??nt?二者中的较大值，其中

2d?1213.2mm、d?2??n??nt??658.6mm，显然2d＞d?2??n??nt?，所以B?2d?1213.2mm。

有效补强范围的外侧高度h1应取d?nt和接管实际外伸高度二者中的较小值，其中

d?nt?606.6?12mm?85.32mm，接管实际外伸高度为

H1?H2?423mm。

显然d?nt小于接管实际外伸高度，所以h1?d?nt?85.32mm。

有效补强范围的内侧高度h2应取d?nt和接管实际内伸高度二者中的较小值，其中d?nt?606.6?12mm?85.32mm，接管实际内伸高度本次设计为0mm，显然接管实际内伸高度小于d?nt，所以h2取接管实际内伸高度即h2?0mm。

根据公式A1??B?d???e????2?et??e????1?f?? 式中：有效补强范围内的宽度B?1213.2mm 壳体有效厚度?e??n?C?12.2mm 圆筒计算厚度??11.52mm 接管有效厚度?et?10.7mm 强度消弱系数f??0.9588

计算壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A1?412mm2 根据公式A2?2h1??et??t??2h2??et?C?f? 式中：有效补强范围的外侧高度h1?85.32mm

有效补强范围的内侧高度h2?0mm

接管有效厚度?et?10.7mm 接管计算厚度?t?2?????pctpcDi?1.5?600?2.77mm

2?163?1.0?1.5 强度消弱系数f??0.9588

计算接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A2?1353.2mm2

由于本次设计的储罐是存放有毒介质的，可选用D类接头形式进行焊接，对

111应的K1??n??12?4mm，所以焊缝金属面积A3??2?K1K1?16mm2。

233根据公式Ae?A1?A2?A3

计算有效补强范围内的补强面积Ae?1781.2mm2 3）补强圈的选取

因为Ae＜A，所以需要另加补强，其补强面积A4?A?Ae，代入具体数据得

A4?A?Ae?6998.2?1781.2?5217mm2

由于本次设计的储罐是存放有毒介质的，所以选用D类接头形式进行焊接，因而?c?A45217??15.1mm，查表《JB/T 4736?2002规定的补强圈D2?D1980?634尺寸系列》应选用的补强圈厚度为16mm，补强材料一般与壳材料相同,故补强材料选用Q345.

补强圈标记为： dN600×16-D-Q345 JB/T4736

3.5.3接口管的设计

本次设计的液氯储罐设有以下管接口。 1. 液氯进口管

采用无缝热轧钢管?57?6mm（管壁加厚，具有补强作用,下同），为方便液氯进入，管的一端伸入罐中并切成45。，接管外伸高度为170mm，内伸高度为

2500mm。

2. 液氯出口管

采用无缝热轧钢管?57?6mm，接管外伸长度750mm，内伸高度为0mm。 3. 安全阀接口

采用无缝热轧钢管?57?6mm，接管外伸高度为170mm，内伸高度为0mm。 4. 压力表接口

采用无缝热轧钢管?20?5mm，接管外伸高度为150mm，内伸高度为0mm。 5. 空气进口管

采用无缝热轧钢管?57?6mm，接管外伸高度为170mm，内伸高度为0mm。 6. 空气出口管

采用无缝热轧钢管?57?6mm，接管外伸高度为170mm，内伸高度为0mm。 7. 排污口

采用无缝热轧钢管?57?6mm，接管外伸长为500mm，内伸高度0mm。 8. 温度计口

采用无缝热轧钢管?20?5mm，接管外伸高度为150mm，内伸高度250mm。 9. 液位计口

采用无缝热轧钢管?20?5mm，接管外伸高度为150mm，内伸高度0mm。 10. 各接管相邻开孔中心的间距为80mm

3.5.4. 液位计的设计

3.5.4.1 液位计选型

采用磁性液位计

标记为：HG／T 21584－95 UZ 2.5M－2000－1.307 B H 321 B

磁性液位计的特点：1.适用范围广、安装形式多样，适合任何介质的液位、界面的测量；2.集现场指示、远传变送、报警控制开关于一体，功能齐全；3.被测介质与指示结构完全隔离，密封性能好，防泄露，不受高、低温度剧变的影响，不需多组液位计的组合，适应高压、高温、腐蚀条件下的液位测量，可靠性高；4.全过程测量无盲区，双色指示、连续直观、醒目、测量范围大，观察方向可任意改变；5.耐振动性能好，能适应液位波动大的情况下工作；6.结构简单，方便安装，维护费用低。 3.5.4.2 液位计接口设计

采用无缝热轧钢管?25?3.5mm（管壁加厚，具有补强作用），接管外伸高度为460mm，内伸高度为0mm，由于储存的介质为高毒性介质，所以 法兰标记为：HG20592 法兰 WN20?2.5 MF S?3.5mm 16MnⅡ

表3-2 管子尺寸

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） 1 液氯进口管 2 液氯出口管 3 4 安全阀 51 压力表接口 5 空气进口管 6 空气出口管 7 排污口 51 57

51 57 1 170 6 1.26 51 57 1 170 6 1.26 57 25 1 1 170 150 6 4 1.08 1.26 20 51 57 1 170 6 1.26 51 57 1 170 6 1.26 1 170 6 1.26

8 温度计口 20 25 1 150 4 0.244 3.5.5法兰选择

根据设计压力PN=1.5MPa，查HG/T 20592-97《钢制管法兰》表4-4，选用PN2.5MPa带颈平焊法兰（SO），由介质特性和使用工况，查密封面型式的选用，表3.0.2。选择密封面型式为突面（RF），压力等级为1.0~4.0MPa，接管法兰材料选用16MnR。根据各接管公称通径，查表4-4得各法兰的尺寸。 法兰尺寸如表：

表4-1法兰尺寸

公 称钢管 螺栓螺序名称 通外径 法兰孔中栓螺栓号 心圆孔孔数径 外径 B D 直径 直量 K 径 n DN L 液位a 20 25 105 75 14 8 M12 18 计口 液氯b 51 57 130 90 14 8 M12 24 进口 d e 液氯51 57 130 90 14 8 M12 24 出口 57 130 90 14 8 M12 24 57 130 90 14 8 M12 24 57 130 90 14 8 M12 24 87 130 90 14 8 M12 24 25 105 75 14 4 M10 16 连接尺寸 法兰内径 坡口 法兰B1 宽度 螺栓 厚度 C B系列 Th b 法兰理论质量 kg 39 91 91 91 91 91 91 26 26 2.02 4.86 6 5 6 6 6 6 6 4 4 4.86 4.86 4.86 4.86 4.86 1.03 1.03 安全51 阀 空气f 51 出口 空气g 51 出口 排污h 51 口 压力j 20 表口 k 温度20 25 105 75 14 4 M10 16 计口

3.5.5. C/D类焊接接头设计

接管与壳体连接属CD类焊缝，采用搭接焊焊接接头形式，100％无损检测，进行磁粉检测

第四章、参考文献

［1］刘俊明主编 课程设计指导书.太原:太原理工大学印刷厂，2011 ［2］朱孝钦主编 过程装备基础.北京：化学化工出版社，2008 [3] 国家质量技术监督局，GB150-2011《钢制压力容器》，中国标准出版社，2011

[4] 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

[5] 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 [6] 郑津洋、董其伍、桑芝富，《过程设备设计》，化学工业出版社，2001 [7] 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 [8] 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

第五章、结束语

这次的课程设计是对大学以来已修学科过程装备、工程制图等课程的复习，更是在实践中考察学习和掌握程度的机会。所以，从辅导课开始，我始终抱着检验自己、提高自己的目的和态度，在老师的指导下，不断汲取新的知识，充实自己。

为期两周的《过程装备》课程设计告一段落，不管将来在工作实践中是否有机会真正参与到压力容器的设计及相关事项中去，这十多天来的良多收获都会伴我一生。

经过这次的课程设计我的收获良多，这些收获不仅是在学习上的巩固，还有一些其他方面的如同学见得合作互助等等。

刚开始进行设计时我很兴奋，随着计算的繁琐，画图的严谨，电脑画图的困难我渐渐感到有点吃力，但正因如此我又巩固了以前的知识同时与同学间的讨论也增进了同学间的友谊。

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