过程装备与控制工程课程设计-35M3液化石油气储罐设计.docx
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过程装备与控制工程课程设计-35M3液化石油气储罐设计.docx
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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:
(35)M3液化石油气储罐设计
指导教师:
职称:
2011年06月13日
中北大学
课程设计任务书
2010/2011 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:
(35)M3液化石油气储罐设计
起迄日期:
06月13日~06月24日
课程设计地点:
校内
指导教师:
系 主 任:
下达任务书日期:
2011年06月12日
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
1.9184
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
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
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
HG20592-1997
MFM
液位计接口
b
80
HG20592-1997
MFM
放气管
c
500
HG/T21514-2005
MFM
人
孔
d
80
HG20592-1997
MFM
安全阀接口
e
80
HG20592-1997
MFM
排污管
f
80
HG20592-1997
MFM
液相出口管
g
80
HG20592-1997
MFM
液相回流管
h
80
HG20592-1997
MFM
液相进口管
i
80
HG20592-1997
MFM
气相管
j
20
HG20592-1997
MFM
压力表接口
k
20
HG20592-1997
MFM
温度计接口
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
、
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:
2011年06月13日:
布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤
06月13日~06月17日:
机械设计计算(强度计算与校核)及技术条件编制
06月17日~06月22日:
设计图纸绘制(草图和装配图)
06月22日~06月24日:
撰写设计说明书
06月24日:
答辩及成绩评定
系主任审查意见:
签字:
年 月 日
1、液化石油气参数的确定
第一章工艺设计
液化石油气的主要组成部分由于石油产地的不同,各地石油气组成成分也不同。
取其大致比例如下:
表1-1液化石油气组成成分
组成成分
异辛烷
乙烷
丙烷
异丁烷
正丁烷
异戊烷
正戊烷
乙炔
各成分百分比
0.01
2.25
49.3
23.48
21.96
3.79
1.19
0.02
对于设计温度下各成分的饱和蒸气压力如下:
表1-2各温度下各组分的饱和蒸气压力
温度,
℃
饱和蒸汽压力,MPa
异辛烷
乙烷
丙烷
异丁烷
正丁烷
异戊烷
正戊烷
乙炔
-25
0
1.3
0.2
0.06
0.04
0.025
0.007
0
-20
0
1.38
0.27
0.075
0.048
0.03
0.009
0
0
0
2.355
0.466
0.153
0.102
0.034
0.024
0
20
0
3.721
0.833
0.294
0.205
0.076
0.058
0
50
0
7
1.744
0.67
0.5
0.2
0.16
0.0011
2、设计温度
根据本设计工艺要求,使用地点为太原市的室外,用途为液化石油气储配站工作温度为-20—48℃,介质为易燃易爆的气体。
从表中我们可以明显看出,温度从50℃降到-25℃时,各种成分的饱和蒸气压力下降的很厉害,可以推断,在低温状态下,由饱和蒸气压力引起的应力水平不会很高。
由上述条件选择危险温度为设计温度。
为保证正常工作,对设计温度留一定的富裕量。
所以,取最高设计温度t=50℃,最低设计温度t=﹣25℃。
根据储罐所处环境,最高温度为危险温度,所以选t=50℃为设计温度。
3、设计压力
该储罐用于液化石油气储配供气站,因此属于常温压力储存。
工作压力为相应温度下的饱和蒸气压。
因此,不需要设保温层。
根据道尔顿分压定律,我们不难计算出各种温度下液化石油气中各种成分的饱和蒸气分压,如表:
表1-3各种成分在相应温度下的饱和蒸气分压
温度,℃
饱和蒸气分压,MPa
异辛烷
乙烷
丙烷
异丁烷
正丁烷
异戍烷
正戍烷
乙烯
-25
0
0.029
0.0946
0.014
0.0088
0.00095
0.000083
0
-20
0
0.031
0.127
0.0176
0.0105
0.00114
0.000109
0
0
0
0.053
0.2204
0.0359
0.0224
0.00129
0.000256
0
20
0
0.084
0.394
0.069
0.045
0.00288
0.00063
0
50
0
0.158
0.0825
0.1573
0.1098
0.00758
0.0019
0
有上述分压可计算再设计温度t=50℃时,总的高和蒸汽压力
n8
P=∑yipi=0.01%×0+2.25%×7+47.3%×1.744+23.48%×0.67+21.96%×0.5+3.79%×0.2+1.
i1
19%×0.16+0.02%×0.0011=1.25901MPa
因为:
P异丁烷(0.2)
当液化石油气在50℃时的饱和蒸汽压力高于异丁烷在50℃时的饱和蒸汽压力时,若无保冷设施,则取50℃时丙烷的饱和蒸汽压力作为最高工作压力。
对于设置有安全泄放装置的储罐,设计压力应为1.05~1.1倍的最高工作压力。
所以有
Pc=1.1×1.744=1.9184MPa。
4、设计储量
参考相关资料,石油液化气密度一般为500-600Kg/m3,取石油液化气的密度为580Kg/m3,盛装液化石油气体的压力容器设计储存量为:
W=øVρt=0.9×35.094×580=18319.068t
第二章机械设计
1、筒体和封头的设计:
对于承受内压,且设计压力Pc=1.9184MPa<4MPa的压力容器,根据化工工艺设计手册
(下)常用设备系列,采用卧式椭圆形封头容器。
筒体和封头的选形
a、筒体设计:
查GB150-1998,为了有效的提高筒体的刚性,一般取L/D=3~6,为方便设计,此处取L/D=4 ①。
=
pD2L
35
所以 4 ②。
由①②连解得:
D=2.233m=2233mm。
圆整得D=2300mm
b、封头设计:
公称直径DN/mm
总深度H/mm
内表面积A/m2
容积V/m3
封
2300
615
6.0233
1.7588
查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.1EHA椭圆形封头内表面积、容积得:
表2-1,EHA椭圆形封头内表面积、容积
由2V封
图2-1椭圆形封头
+pD2L/4=35 得L=7577mm
圆整得L=7600mm 则L/D=3.304 符合要求.
则V计
=2V +pD2L/4=35.094m3>35m3且比较接近,所以结构设计合理。
封
第三章结构设计
1、液柱静压力:
根据设计为卧式储罐,所以储存液体最大高度hmax≤D=2300mm。
P静(max)=ρghmax≤ρgD=580×9.8×2.3=13.073Kpa
13.073´103
Pmax/Pc=1.9184´106´100%=0.6815%<5% 则P静可以忽略不记。
2、圆筒厚度的设计:
根据介质的易燃易爆、有毒、有一定的腐蚀性等特性,存放温度为-20~48℃,最高工作压力等条件。
根据GB150-1998表4-1,选用筒体材料为低合金钢16MnR(钢材标准为
GB6654)[σ]t=170MPa。
选用16MnR为筒体材料,适用于介质含有少量硫化物,具有一定腐蚀性,壁厚较大(≥8mm)的压力容器。
根据GB150,初选厚度为6~25mm,最低冲击试验温度为-20℃,热轧处理。
∴δ=
PcDi
c
2[σ]tΦ-P
= 1.9184´2300
2´170´0.9-1.9184
=14.51mm
∵对于低碳钢和低合金钢,需满足腐蚀裕度C2≥1mm,取C2=2mm
查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-1知,钢板厚度负偏差
C1=0.25mm。
而当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm,且不超过名义厚度的6%时,负偏差可以忽略不计,故取C1=0。
∴δd=δ+C2=14.51+2=16.51mm ,δn=δd+C1=16.51+0=16.51mm
圆整后取名义厚度δn=18mm ,[σ]t没有变化,故取名义厚度18mm合适。
3、椭圆封头厚度的设计:
为了得到良好的焊接工艺,封头材料的选择同筒体设计,同样采用16MnR。
∴δ=
PcDi
c
2[s]tF-0.5P
= 1.9184´2300
2´170´0.9-0.5´1.9184
=14.465mm
同理,选取C2=2mm,C1=0mm。
∴δn=δ+C1+C2=14.465+2+0=16.465mm 圆整后取名义厚度为δn=18mm跟筒体一样,选择厚度为18mm的16MnR材料合适。
4、接管,法兰,垫片和螺栓的选择
4.1、接管和法兰
液化石油气储罐应设置排污口,气相平衡口,气相口,出液口,进液口,人孔,液位计口,温度计口,压力表口,安全阀口,排空口。
根据《压力容器与化工设备实用手册》PN=2.5MPa时,可选接管公称通径
DN=80mm。
根据设计压力PN=1.9184MPa,查HG/T20592-97《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。
选择密封面型式为凹凸面(MFM),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。
图3-1筒体整体、接管、人孔分布图
图3-2带颈平焊钢制管法兰
法兰尺寸如表:
表3-1法兰尺寸
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
32
38
140
100
18
8
M16
18
30
60
39
5
2.02
计口
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
管
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
接管外径的选用以B国内沿用系列(公制管)为准,对于公称压力0.25≤PN≤25MPa的接管,查《压力容器与化工设备实用手册》普通无缝钢管,选材料为16MnR。
对应的管子尺寸如下如表:
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)
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
排污口
80
89
1
150
4
1.26
f
液相出口
80
89
1
150
4
1.26
g
液相回流
管
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
4.2垫片的选择
查《钢制管法兰、垫片、紧固件》,表4.0.2-3凹凸面法兰用MFM型垫片尺寸,根据设计压力为Pc=1.9184MPa,采用金属包覆垫片,选择法兰的密封面均采用MFM(凹凸面密封)。
金属材料为纯铝板L3,标准为GB/T3880,最高工作温度200℃,最大硬度
40HB。
填充材料为非石棉纤维橡胶板,代号为NAS,最高工作温度为290℃。
得对应垫片尺寸如表:
图3-3凹凸面型垫片
表3-3垫片尺寸
符号
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
80
120
142
3
e
排污口
80
120
142
3
f
液相出口
80
120
142
3
g
液相回流管
80
120
142
3
h
液相进口
80
120
142
3
i
气相管
20
45.5
61
3
j
压力表口
20
45.5
61
3
k
温度计口
20
45.5
61
3
4.3螺栓(螺柱)的选择
根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷,选择合适的螺柱材料。
计算螺栓直径与个数,按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。
选择螺栓材料为Q345。
查《钢制管法兰、垫片、紧固件》中表5.0..07-9和附录中标A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸:
图3-4双头螺柱
图3-5螺母
表3-4螺栓及垫圈尺寸
名称
管口名
称
公称直径
螺纹
螺柱长
紧固件用平垫圈 mm
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
排污口
80
M16
100
17
30
3
f
液相出口
80
M16
100
17
30
3
g
液相回流
管
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
5、人孔的设计
5.1人孔的选取
查《压力容器与化工设备实用手册》,因筒体长度7600mm>6000mm,需开两个人孔,可选回转盖带颈对焊法兰人孔,。
由使用地为太原市室外,确定人孔的公称直径DN=500mm,以方便工作人员的进入检修。
配套法兰与上面的法兰类型相同,根据HG/T21518-2005《回转盖带颈对焊法兰人孔》,查表3-1,由PN=2.5MPa选用凹凸面的密封形式MFM,采用8.8级35CrMoA等长双头螺柱连接。
其明细尺寸见下表:
图3-6回转盖带颈对焊法兰人孔
表3-5人孔尺寸表
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
凹凸
面
2.5
MPa
500
530
×12
500
730
660
270
134
48
54
55
405
200
300
30
20
40
M36
×18
0
331
5.2人孔补强圈设计:
图3-7补强圈
查《压力容器与化工设备实用手册》,人孔接管直径为500mm,选取补强圈外径840mm,内径510mm,补强圈厚度为16mm,质量41.5kg。
查《钢制管法兰、垫片、紧固件》表4-2,得人孔法兰
6、视镜设计
查HG/T21619-1986《压力容器视镜》,所选视镜玻璃用钢化硼硅玻璃,衬垫为石棉橡胶板,压紧环、接缘、螺栓、螺母所用材料为A3,视镜的尺寸如下表:
表3-6视镜尺寸
公称直
径
公称压
力
D
D1
b1
b2
≈H
螺柱
重量
标准图图
号
数
量
直
径
不锈钢
50
2.45
130
100
34
26
84
6
M12
5.1
HGJ501-86-13
图3-8视镜
7、液面计设计
图3-9磁性液面计
由于储罐工作温度为-20~48℃,查《压力容器与化工设备实用手册》,选取磁性液面计。
8、安全阀设计
图3-10安全阀
由操作压力P=1.9184MPa,工作温度为-20~48℃,盛放介质为液化石油气体。
选择安全阀的公称压力
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