1、荆楚理工学院课程设计成果学院: 化工与药学院 班 级: 12 级过程装备与控制工程一班 学生姓名: 刁勇超 学 号: 2012402020111 设计地点（单位） 化工实验楼 A411 设计题目: 10m乙烯储罐设计 完成日期： 2015 年 12 月 23 日指导教师评语: _ _ _ _ 成绩(五级记分制):_ _ _ 教师签名:_ _目录前言第一章 设计参数的确定1.1 任务说明1.2 介质特性分析1.3 设计题目1.4 原始数据第二章 设计方案的确定2.1 储罐的选型2.2 主体材料的选择2.3 封头型式的确定第三章 结构尺寸的确定3.1 筒体尺寸的确定3.2 液柱静压力计算第四章 设
2、备结构设计4.1 筒体厚度的计算4.2 封头壁厚的计算4.3 筒体、封头的水压试验第五章 法兰、接管及其零部件的确定5.1 法兰尺寸型号的选择5.2 接管尺寸的确定5.3 垫片的选择5.4 螺栓的选择5.5 液位计的选型5.6 人孔的选型第六章 开孔补强设计6.1 确定需要补强的开孔及接管6.2 补强面积的计算6.2.1 接管 M 处补强面积计算6.2.2 接管 D 处补强面积计算6.3 补强圈的设计6.3.1 接管 M 处补强圈6.3.2 接管 D 处补强圈第七章 鞍座的选型7.1 鞍座初步选型7.2 估算鞍座负荷7.3 鞍座位置的确定第八章 焊接结构设计8.1 回转壳体的焊接结构设计8.2
3、 接管与带补强圈的焊接结构设计8.3 焊接方法和焊接材料选择总结附录参考文献前言近年来，我国乙烯工业取得了快速发展，已成为国民经济重要产业，国家在十一五期间提出了乙烯工业“基地化、大型化、一体化、园区化”的发展模式。乙烯的大型化发展，必然要求乙烯的储存也往大型化发面发展。然而，随着储罐的大型化，相应的安全要求也将更高，而且乙烯作为一种易燃易爆物质，一旦泄露发生燃烧与爆炸，引起的事故后果难以估量。因而保证乙烯储存的安全就显得尤为的重要。乙烯储罐的安全和环保是我国乙烯工业发展的强大的后盾。本设计对乙烯储罐自身的特点和存在的危险进行分析，在基于危险源辨识的基础上，划分工艺单元，对具体的工艺单元进行分
4、析、设计。第一章 设计参数的确定1.1 任务说明本课程任务是设计一个公称容积为 10m的乙烯储罐，采用常规设计方法，综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分别对储罐的筒体、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。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。然后采用 SW6-1998 对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。1.2 介质特性分析乙烯是由两个碳原子和四个氢原子组成的化合
5、物。两个碳原子之间以双键连接。乙烯是合成纤维、合成橡胶、合成塑料（聚乙烯及聚氯乙烯） 、合成乙醇（酒精）的基本化工原料，也用于制造氯乙烯、苯乙烯、环氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸药等外观与性状：无色气体，略具烃类特有的臭味。少量乙烯具有淡淡的甜味。pH：水溶液是中性熔点()：-169.4 沸点()：-103.9 相对密度(水=1)：0.61 相对蒸气密度(空气=1)：0.98 饱和蒸气压(kPa)：4083.40(0) 燃烧热(kJ/mol)：1411.0 临界温度()：9.2 临界压力(MPa)：5.04 引燃温度()：425 爆炸上限%(V/V) ：36.0 爆炸下限%(V/V) ：2.7
6、溶解性：不溶于水，微溶于乙醇、酮、苯，溶于醚。溶于四氯化碳等有机溶剂。其它理化性质：可以和酸性高锰酸钾发生氧化还原反应，乙烯作为还原剂，被氧化成二氧化碳。酸性高锰酸钾被还原而褪色。侵入途径：吸入 健康危害：具有较强的麻醉作用。急性中毒：吸入高浓度乙烯可立即引起意识丧失，无明显的兴奋期，但吸入新鲜空气后，可很快苏醒。对眼及呼吸道粘膜有轻微刺激性。液态乙烯可致皮肤冻伤。慢性影响：长期接触，可引起头昏、全身不适、乏力、思维不集中。个别人有胃肠道功能紊乱。环境危害：对环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染。燃爆危险：本品易燃。1.3 设计题目：10m乙烯储罐设计1.4 原始数据：设计压力：2.1 M
7、pa 设计温度：50 公称容积：10m表 1-1 原 始 数 据 表序号 项 目 数 值 单 位 备 注1 名称 乙烯储罐2 用途 乙烯储存5 公称容积（V g） 10 m36 工作压力波动情况 可不考虑7 装量系数（） 0.98 工作介质 乙烯9 使用地点 荆门市，室外10 安装与地基要求11 其他要求第二章 设计方案的确定2.1 储罐的选型首先储罐选用钢制卧式圆筒，筒体由钢板卷制而成。卧式圆筒受力均匀，对容器的底部压力较小不易泄漏，占地空间较小。其次选择封头为椭圆形（下文有详细论证说明） 。再计算筒体以及封头的壁厚，对水压及强度进行实验校核，核算开孔补强和承载能力。最后根据生产工艺，安装检
8、修等需要，在筒体、封头上选择安装人孔、进料管、排污管、压力计等等2.2 主体材料的选择乙烯腐蚀性小,可选用一般钢材,由于压力较大,可以考虑 20R、16MnR 这两种钢种。虽然 16MnR 比 20R 贵，但综合来看 16MnR 钢板还是比较经济，且16MnR 机械加工性能、强度和塑性都比较好，所以选择 16MnR 钢板作为制造筒体和封头材料。2.3 封头型式的确定从受力与制造方面分析来看，球形封头较为理想。但缺点是深度大，冲压困难；椭圆封头深度比半球形封头小得多，易于冲压成型；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，而且耗用量大，因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用
9、椭圆形封头最为合理。第三章 结构尺寸的确定3.1 筒体尺寸的确定卧式储罐的容积 V 是指筒体包含封头的容积，即: =+2式中 圆柱形筒体容积， m3封头容积， 。 m3将罐体视为圆柱形筒体，初步估算罐体的内径 Di：V L=10m(1+5%)4i2(长径比 L/Di 的一般取值范围为 3-6,初取 L/Di=4)将 L/Di=4 代入得：Di=1.4951m=1495mm考虑到储罐内径应符合压力容器公称直径的标准，且符合国家规定的公称直径，圆整后，取 Di=1500mm。因为采用的是标准椭圆封头，查标准 JB/T4746-2002化工设备课程设计指导中表 3-3，可知：Di=1500mm 时，
10、封头容积 V=0.4860m 总深度 H=400mm 内表面积 A=2.5568根据 =V1.05+2L+20.4860=101.054i2得 L=5.392m=5392mm, 圆整得：L=5400mm则有，L/Di=5400/1500=3.6 在 3-6 范围内，故长度和直径设计合理。 3.2 液柱静压力计算根据设计为卧式储罐，所以储存液体最大高度 hmaxi=1500mm=g =5699.811.5=0.00837MPa静 maxhmax因为 设 5%=2.15%=0.105静 =0.00837a故 可以忽略不计，即 =静 c设 =2.1MPa第四章 设备结构设计4.1 筒体厚度的计算内压
11、容器的计算厚度由中径公式确定 = cti2PD式中 -材料许用应力，MPat-设计压力，MPacPDi-罐体内径，mm-焊接接头系数（JB4732 标准中要求受压元件焊缝必须 100%无损检测，取焊接系数 =1.0）由于选用材料为 16MnR，假定厚度范围为 6 16mm，查表可得 =170MPa t则 =2.1150021702.1=9.32mm根据 GB/T709 中的要求取钢板的负偏差 ，则有 C1=0.3mm n= +C1+C2式中 -计算厚度，mm-厚度负偏差，mm C2 -腐蚀裕量，mm （取 mm） C2 C2=1代入数据得： n=9.32+0.3+1=10.62mm圆整后，取名
12、义厚度 n=12mm则有： 有效厚度 =121.3=10.7设计厚度 =9.32+1=10.324.2 封头壁厚的计算图 4-1 标 准 椭 圆 封 头因为选用的是标准椭圆形封头，其厚度有下式确定： h = ctic5.02PD则代入数据得封头的计算厚度 mm=2.11500217010.52.1=9.29则， n 封 = +C1+C2=9.23+0.3+1=10.59mm圆整后，取名义厚度 n 封 =12mm则有： 有效厚度 e 封= 12-1.3=10.7mm设计厚度 d 封 =9.29+1=10.294.3 筒体、封头的水压试验试验压力 ：PT = 1.25=1.252.1170170=
13、2.625由公式 seiD9.02)(代入数据,得：= 2.625(1500+10.7)210.71.0=185.3540a熔透的结构形式。2.接管的腐蚀裕量为 1mm。由表 3-5 可知管 A、B、C、LG 1、LG 2 、 LT1、 LT2处开孔不需要补强，接管 D 和 M 处开孔需要补强。6.2 补强面积的计算6.2.1 接管 M 处补强面积计算所需最小补强面积 A：A=d+2 （1-f r） et式中 A-开孔削弱所需补强面积，mm 2d-开孔直径，mm- 壳体开孔处的计算厚度，mm et-接管有效厚度， et = nt-C，mmfr-强度削弱系数，等于许用应力下接管材料与壳体材料许用
14、应力之比因为 C=C 1+C2=0.3+1=1.3mm则 d=d i+2C=450+21.3=452.6mm et= nt-C=12-1.3=10.7mm 接管材料选用 20 号钢，50时，其许用应力为 137Mpa，则有 fr=137170=0.806所以， A=452.69.32+29.3210.7（1-0.806）=4179.54mm 2有效补强范围有效宽度 B 的确定B=2d=2452.6=905.2mmB=d+2 n+2 nt=452.6+29.32+212=495.24mm二者取较大值，故 B=905.2mm式中 B-补强有效宽度，mm n-壳体开孔处的名义厚度，mm nt-接管名
15、义厚度，mm内外侧有效高度，分别取式中较小值外侧高度：h1= = =73.70mmd n 452.612h1=接管实际外伸长度=250mm故 h1=73.81mm内侧高度：h2= = =73.70mmd nt452.612h2=接管实际内伸高度=0mm故 h2=0mm补强范围内补强金属面积 AeAe=A1+A2+A3式中 A 1-筒体多余面积，mm 2A2-接管有效厚度减去计算厚度之外多余面积，mm 2A3-焊缝金属截面积，mm 2，焊脚取 10mm则有 A 1 =(B-d)（ e- ）-2 et（ e- ） （1-f r）=（905.2-452.6）（10.7-9.32）-212（10.7-
16、9.32）（1-0.806）=618.2mm2接管计算厚度 t= = =2.80mmcti2PD2.145021701-2.1则有， A 2=2h1（ et- t）f r+2h2（ et-C2）f r=273.70（10.7-2.80）0.806+0=938.55mm2因为焊脚取 10cm，则有 A 3=20.51010=100mm2Ae=A1+A2+A3=618.2+938.55+100=1656.55mm2由于 Ae A=4179.54mm2D2，补强圈在有效补强范围内补强圈厚度为:1= = =9.01mm42-02522.99760480考虑钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为 10m
17、m。但为便于制造时准备材料补强圈名义厚度取筒体名义厚度：即 1=12mm6.3.2 接管 D 处补强圈根据接管 D 公称直径 DN100 选补强圈，参照补强圈标准 JB/T4736取补强圈外径 D2=200mm，内径 D1=114mm因 B=208D2，补强圈在有效补强范围内则补强圈厚度为1= = =8.65mm42-0 778.52200110考虑钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为 10mm。但为便于制造时准备材料补强圈名义厚度取筒体名义厚度：即 1=12mm补强圈结构尺寸见图 3-2 和表 3-6图 6-1 补 强 圈 的 结 构表 6-2 补 强 圈 尺 寸 （ MM）补强圈位置 D
18、1 D2 1D 开孔处补强圈 114 200 12M 开孔处补强圈 484 760 12第七章 鞍座的选型7.1 鞍座初步选型鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。从应力分析看，承受同样载且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分布。因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受
19、力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。所以一台卧式容器支座一般情况不宜多于二个。因此选择鞍式双支座，一个 S 型，一个 F 型。7.2 估算鞍座负荷储罐总质量 m=m 1+2m2+m3+m4式中 m 1-筒体质量，Kgm2-封头质量，Kgm3-充液质量，Kgm4-附件质量，Kg筒体质量 m1，对于 16MnR 普通碳素钢，取 ,则有=7.8510331 = n=3.1415001035400103121037.851032395.88Kg=封头质量 m2查化工设备机械基础表 8-27 中 EHA 椭圆封头标准，可知m2=238Kg充液质量 m3因为 ，故用水作为充液进行估算，则有
20、乙 烯 Ra/2 =120K1=0.106611 K2=0.192348 K3=1.17069K4= K5=0.760258 K6=0.0528518K6=0.0434438 K7= K8=系数K9=0.203522 C4= C5=筒 体 轴 向 应 力 计 算 及 校 核操作工况= -5.67563e+07LAhRLFM31/2i2a1 Nmm圆筒中间横截面水压试验工况= -6.14536e+07LhT431/24i2a1Nmm操作工况-5.96983e+07hARFM2iia2 Nmm轴向弯矩鞍座平面水压试验工况-6.4639e+07LhT3412ia2Nmm圆筒中间横截面最低点处71.5
21、269e2a1C2RMpe MPa轴向应力操作工况 内压加压鞍座平面最高点处 103.644ea1e3KMPa圆筒中间横截面最高点处2.95568eRM2a1 MPa内压未加压鞍座平面最低点处 -16.1628ea24KMPa圆筒中间横截面最高点处 3.2003ea1T1MPa未加压鞍座平面最低点处 -17.5005e2a4RMPa圆筒中间横截面最低点处89.5333ea1TMpe MPa水压试验工况加压鞍座平面最高点处124.308e2a1e3KMPa外压应力系数 B 0.00131995oeRA/094.按 GB150.3 规定求取 B = 143.171 MPa，B 0=152.276
22、MPa。操作工况 143.171,minttacMPa许用压缩应力水压试验工况 152.276),(9.002.RpeL MPa内压加压 =103.644 189 合格 ,ax4321t操作工况 内压未加压 =16.1628 143.171 合格 |,min|tac加压 =124.308 = 310.5 合格,ax4321TT )(9.02.0peLR应力校核水压试验工况未加压 =17.5005 152.276 合格|,in| ac圆 筒 切 向 剪 应 力 及 封 头 应 力 计 算 及 校 核圆筒切向剪应力圆筒未被封头加强（ 时）2aRA1.739643/42iea3hLARFK MPa圆
23、筒切向剪应力 = 1.73964 0.8 t =151.2 合格 应力校核封头应力 椭圆形MPaheic2DKp其中2)(61ihDK碟形 MPahec2RMp其中rRMh341半球形 MPaheic4D h = t25.1圆 筒 周 向 应 力 计 算 及 校 核圆筒的有效宽度 348.585na26.Rb mm鞍座垫板包角 132 1 取 k=1横截面最低点处 -8.45734552kKFer MPa当 L/Ra8 时 626243bKFererMPa鞍座边角处当 L/Ra8 时-40.02571RLrmrMPa当 L/Ra8 时 2e6e634bFMPa垫板起加强作用时鞍座垫板边缘处 当
24、 L/Ra8 时 -47.141em21KMPa=8.45734 t = 189 合格5=40.0257 1.25 t = 236.25 合格6应力校核=47.141 1.25 t = 236.25 合格鞍 座 设 计 计 算鞍座计算高度=25031,minasRH mm结构参数鞍座垫板有效宽度 =348.5852br mm腹板水平拉应力计算及校核腹板水平力 13732.3FK9S N水平拉应力 垫板起加强作用 3.1673990FHbSreMPa应力校核 =3.16739 = 106.667 合格9sa32参考文献1 国家质量技术监督局，GB150-2010钢制压力容器 ，中国标准出版社，20102 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，19993 全国化工设备设计技术中心站， 化工设备图样技术要求 ，2000，114 郑津洋、董其伍、桑芝富， 过程设备设计 ，化学工业出版社，20105 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，20026 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，19967 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8 方书起主编， 化工设备课程设计指导 ，化学工业出版社，20109 董大勤主编， 化工设备机械基础 ，化学工业出版社，2002
