F22贮罐设计

第二章 参数的选择 过程设备设计 课程设计说明书 题目名称：F22贮罐设计 学 院 机电工程学院 专 业 过程装备与控制工程 姓 名 学 号 指导教师 第一章 绪论 F22制冷剂，主要用途是用作致冷剂及气溶杀虫药发射剂。毒性低，但用其制备四氟乙烯所发生的裂解气，毒性较大，可引起中毒。吸入高浓度裂解气，初期仅有轻咳、恶心、发冷、胸闷及乏力感，但经24-72小时潜伏期后出现明显症状，发生肺炎、肺水肿，呼吸窘迫综合征，后期有纤维增生征象。可引起聚合物烟热。 一．介绍 国标编号 22039 CAS号 75-45-6 中文名称： 氯二氟甲烷 英文名称：monochlorodifluoromethane；Freon-22 别 名 F22；一氯二氟甲烷；氟利昂22 分子式 CHClF2 外观与性状 无色气体，有轻微的发甜气味 分子量 86.47 蒸汽压 13.33kPa(-76.4℃) 熔 点 -146℃ 沸点：-40.8℃ 溶解性 溶于水 密 度 相对密度(水=1)1.18；相对密度(空气=1)3.0 稳定性 稳定 危险标记 5(不燃气体) 二．对环境的影响 　1、健康危害 　　 侵入途径：吸入。 2、毒理学资料及环境行为 　急性毒性：LD501000000mg/m3，2小时(大鼠吸入)。 　 亚急性和慢性毒性：兔、大鼠、小鼠吸入0.2%浓度，6小时/天，共10个月，均无毒性反应；1.4%浓度，体重减轻，血清蛋白降低，球蛋白升高。剖检肺见肺泡间质增厚、肺水肿，心肝、肾及神经系统退行性变。 　 致突变性：微生物致突变：鼠伤寒沙门氏菌33pph(24小时)，连续。微粒体诱变：鼠伤寒沙门氏菌33pph(24小时)(连续)。 　 生殖毒性：大鼠吸入最低中毒浓度(TCL0)：50000ppm(5小时，雄性56 天)，对前列腺、精囊、Cowper氏腺、附属腺体、尿道产生影响。 危险特性：若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。 燃烧(分解)产物：一氧化碳、二氧化碳、氟化氢。 三．现场应急监测方法: 仪器法 四．实验室监测方法 气相色谱法《空气中有害物质的测定方法》(第二版)，杭士平主编 五．环境标准 　　前苏联 车间空气中有害物质的最高容许浓度 3000mg/m3 前苏联(1975) 水体中有害物质的最大允许浓度 10mg/L 六．应急处理处置方法 　　1、泄漏应急处理 　　 迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并进行隔离，严格限制出入。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿一般作业工作服。尽可能切断泄漏源。合理通风，加速扩散。如有可能，即时使用。漏气容器要妥善处理，修复、检验后再用。 　 2、防护措施 　　 呼吸系统防护：一般不需特殊防护。高浓度接触时可佩戴自吸过滤式防毒面具(半面罩)。 　　 眼睛防护：一般不需特殊防护。 　　 身体防护：穿一般作业工作服。 　　 手防护：戴一般作业防护手套。 　　 其它：避免高浓度吸入。进入罐、限制性空间或其它高浓度区作业，须有人监护。 　　3、急救措施 　　 吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。 　　 灭火方法：本品不燃。切断气源。喷水冷却容器，可能的话将容器从火场移至空旷处。 第二章 设计参数的选择 1、设计题目：卧式F22储罐 2、原始数据：设计压力：1.1 3、设计温度45℃ 4、介质名称及特性：F22（不燃气体） 5、全容积：17 6、焊接接头系数：0.85 7、腐蚀裕量：2mm 8、容器类别：第二类 9、公称直径：根据筒体全容积，粗定筒体公称直径为2000mm。 10、主要元件材料的选择：根据GB150-1998[1]4-1，选用筒体材料为16MnR（钢材标准为GB6654）。根据JB/T4731[2],鞍座选用材料为Q235-B，其许用应力 。地脚螺栓选用符合GB/T 700规定的Q235，Q235的许用应力 。夹套材料选用Q235-A 第三章 容器的结构设计 3.1圆筒厚度的设计 假设圆筒的厚度在6~16mm范围内，查GB150-1998《钢制压力容器》中表4-1，可得： 疲劳极限强度 ，屈服极限强度 ， 下的许用应力为 ，利用中径公式 （3-1） 查标准HG20580-1998[3] 《钢制化工容器设计基础规定》表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm，而由[1]中3.5.5.1知，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 。 由已知，腐蚀裕量 。 则筒体的名义厚度 圆整后取为 3.2封头厚度的计算 查标准JB/T4746-2002[4] 《钢制压力容器用封头》中表1，得公称直径 选用标准椭圆形封头，长短轴比值为2，根据《钢制压力容器》中椭圆形封头计算中式（7-1） (3-2) 同上，取 ， 则封头的名义厚度为 圆整后取为 3.3筒体和封头的结构设计 由封头长短轴之比为2，即 ，得 查标准JB/T4746-2002[4] 《钢制压力容器用封头》中表B.1 EHA和B.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表3-1和图3-1。 取装料系数为0.9，则 即 算得 圆整后取为 表3-1 封头尺寸表 公称直径DN mm 总深度H mm 内表面积A 容积 质量 Kg 2000 525 4.4930 1.1257 345.3 图3-1 椭圆形封头 3.4夹套的选择与计算 3.4.1夹套形式的选择 由于已知给出夹套最高压力为常压，最高温度为50℃，查《过程设备设计》中表8-6可知，选用整体夹套形式中的圆筒形夹套。 因为内筒公称直径为 ，所以夹套长度L可取与公称直径相等的值，即L=3000mm，则夹套内径为2100mm。 3.4.2夹套壁厚的计算 利用中径公式计算夹套壁厚： 查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-2知，钢板厚度负偏差为0.85mm。已知给出数据中腐蚀裕量 。 查《过程设备设计》P115知,对碳素钢低合金钢制的容器, 不小于3mm,故取 =3。 夹套设计厚度： 夹套名义厚度: 由于钢板厚度范围，故圆整后取 。 夹套的有效厚度： ，圆整后取 。 3.5人孔的选择 根据HG/T 21517-2005[5] 《回转盖带颈平焊法兰人孔》，查表3-3，选用突面RF型的法兰，其明细尺寸见表3-2： 表3-2 人孔尺寸表 单位：mm 密封面型式 突面RF型 D 715 34 24 公称压力PN MPa 1.6 650 36 螺柱数量 20 公称直径DN 500 260 A 390 螺母数量 530×10 116 B 200 螺柱尺寸 M30x2 x 145 d 24 b 34 L 300 总质量kg 223 3.6接管、法兰、垫片和螺栓（柱） 3.6.1接管和法兰 该F22贮罐应设置液相口、气相口、压力表口、安全阀口、液面计口、放水阀口和人孔。初步确定各口方位如图3-2： 图3-2 各管口方位 查HG/T 20592-2009[6] 《钢制管法兰》中表8.2 3-12PN16带颈对焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。 查《钢制管法兰》中附录D中表D-3,得各法兰的质量。查《钢制管法兰》中表3.2.2，法兰的密封面均采用RF。 将查得的各参数整理如表3-3 名称 公称直径DN 钢管外径法兰焊端外径 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（个） 螺栓Th 法兰厚度C 法兰颈 法兰高度 法兰质量 N R 液相口 65 76.1 185 145 18 8 M16 18 92 2.9 10 6 45 3.0 液位计口 25 33.7 115 85 14 4 M12 18 46 2.6 6 4 40 1.0 冷却水出口 40 48.3 150 110 18 4 M16 18 64 2.6 7 6 45 2.0 安全阀口 80 88.9 200 160 18 8 M16 20 105 3.2 10 6 50 4.0 气相口 32 42.4 140 100 18 4 M16 18 56 2.6 6 6 28 2.0 人孔 500 冷却水进口 40 48.3 150 110 18 4 M16 18 64 2.6 7 6 45 2.0 表3-3 各管口法兰尺寸表 3.6.2垫片 查HG/T 20609-2009[7] 《钢制管法兰用金属包覆垫片》，得各管口的垫片尺寸如表3-4： 表3-4 垫片尺寸表 管口名称 公称直径 内径D1 外径D2 液相口 65 97.5 127 液位计 25 54 71 压力表口 20 45.5 61 安全阀口 80 109.5 142 气相口 32 61.5 82 人孔 500 561 624 冷却水进出口 40 68 92 注：1：包覆金属材料为纯铝板，标准为GB/T 3880，代号为L3。 2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。 3：垫片厚度均为3mm。 3.6.3螺栓（螺柱）的选择 查HG/T 20613-2009[8] 《钢制管法兰用紧固件》中表5.0.7-11和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸如表3-5： 表3-5 螺栓及垫片 名称 紧固件用平垫圈 mm 公称直径 螺纹 螺柱长 H 液相口 65 M16 95 17 30 3 液位计口 25 M12 75 13 24 2.5 冷却水出口 40 M16 85 17 30 3 安全阀口 80 M16 95 17 30 3 气相口 32 M12 85 13 24 2.5 人孔 500 冷却水进口 40 M16 85 17 30 3 3.7鞍座选型和结构设计 3.7.1鞍座选型 该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座，材料选用Q235-B。 估算鞍座的负荷： 储罐总质量 （3-3） —筒体质量： —单个封头的质量， —充液质量：水压试验充满水，故取介质密度为 ， 则 —附件质量：人孔质量为 ，其他接管总和为200kg，即 综上所述， 则每个鞍座承受的质量为 ，即为 。 查JB4712.1-2007[9] 《鞍式支座》表1，优先选择轻型支座。查《鞍式支座》中表2，得出鞍座尺寸如表3-6： 表3-6 鞍座尺寸表 公称直径 DN 2000 腹板 10 垫板 430 允许载荷 Q kN 300 筋板 330 10 鞍座高度 h 250 190 e 80 底板 1420 260 螺栓间距 1260 220 8 鞍座质量 Kg 12 垫板 弧长 2330 增加100mm增加的高度 Kg 17 3.7.2鞍座的安装位置 根据[2]中6.1.1规定，应尽量使支座中心到封头切线的距离A小于等于 ，当无法满足A小于等于 时，A值不宜大于 。 为圆筒的平均内径。 即 L=0.2 5350=1070mm 取 鞍座的安装位置如图3-3所示： 图3-3 鞍座安装位置 第四章 开孔补强设计 根据《钢制压力容器》中式8.3，知该储罐中只有人孔需要补强。 4.1补强设计方法判别 人孔开孔直径为 故可采用等面积法进行补强计算 接管材料选用16MnR，其许用应力 根据GB150-1998《钢制压力容器》中式8-1： （4-1） 式中： 壳体开孔处的计算厚度 接管的有效厚度 强度削弱系数 所以 4.2有效补强范围 4.2.1有效宽度B 按《钢制压力容器》中式8-7，得： （4-2） 4.2.2外侧有效高度 根据《钢制压力容器》中式8-8，得： 4.2.3内侧有效高度 根据《钢制压力容器》中式8-9，得： 4.3有效补强面积 根据《钢制压力容器》中式8-10 至式8-13，分别计算如下： （4-3） —筒体多余面积 —接管多余面积 接管计算厚度 =1 = = =1.62 —焊缝金属截面积，焊脚去6mm，则 4.4补强面积 因为 ，所以开孔需另行补强 另行补强面积为 因接管公称直径DN500选补强圈，参照补强圈标准JB /T4736—2002《补强圈》取补强圈外径 =840，内径 =503.因B=1005 ，补强圈在有效补强圈内 圆整 ，便于制造时准备材料，补强圈名义厚度取封头的厚度。 即 第五章 强度计算 5.1水压试验应力校核 试验压力 圆筒的薄膜应力为 即 ，所以水压试验合格 5.2圆筒轴向弯矩计算 圆筒的平均半径为 鞍座反力为 5.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩 根据《钢制卧式压力容器》中式7-2，得： 5.2.2鞍座平面上的轴向弯矩 根据《钢制卧式压力容器》中式7-3，得： 图5-1（a）筒体受剪力图 图5-1（b）筒体受弯矩图 5.3圆筒轴向应力计算及校核 5.3.1圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 根据《钢制卧式压力容器》中式7-4至式7-7计算 最高点处： （5-1） 最低点处： （5-2） 5.3.2由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算及校核 鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，按下式计算： a).当圆筒在鞍座平面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强（即 ）时，轴向应力 位于横截面最高点处. 取鞍座包角 ，查JB/T4731-2005《钢制卧式压力容器》表7-1得， .则 b).在横截面最低点处的轴向应力 ： 5.3.3圆筒轴向应力校核 （5-3） 查《过程设备设计》P121图4-8[10]得， ,则 满足条件 5.4切向剪应力的计算及校核 5.4.1圆筒切向剪应力的计算 根据《钢制卧式压力容器》中式7-9计算，查《钢制卧式压力容器》中表7-2，得： （5-4） 5.4.2圆筒被封头加强（ ）时，其最大剪应力 根据《钢制卧式压力容器》中式7-10，计算得： （5-5） 5.4.3切向剪应力的校核 圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料许用应力的0.8倍，即 。封头的切向剪应力，应满足 而 故圆筒满足强度要求。 根据《钢制卧式压力容器》中式7-12 （5-6） （5-7） 故封头满足强度要求 5.5圆筒周向应力的计算和校核 根据鞍座尺寸表知： 即 ，所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座。 5.5.1在横截面的最低点处： 根据《钢制卧式压力容器》中式7—18 其中 （容器焊在支座上） （5-8） 查《钢制卧式压力容器》中表7-3知， 则 5.5.2在鞍座边角处 由于 根据《钢制卧式压力容器》中式7—20: 由于 查《钢制卧式压力容器》中表7-3知， 则 （5-9） 5.5.3鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力 由于 ，根据《钢制卧式压力容器》中式7—22 5.5.4周向应力校核 根据《钢制卧式压力容器》中式7.3.4.3 故圆筒周向应力强度满足要求。 5.6鞍座应力计算及校核 5.6.1腹板水平分力及强度校核 根据《钢制卧式压力容器》中表7—7 鞍座包角 ，查[2]中表7—5得： 。则 垫板起加强作用，则： 其中 ， ， 则 则 查《钢制卧式压力容器》中表5—1，得： ，则 由于 ，所以其强度满足要求。 5.6.2鞍座压缩应力及强度校核 根据《钢制卧式压力容器》中表7—6，取 则 ，钢底板对水泥基础的 则 所以压应力应按《钢制卧式压力容器》中式7—29计算： （5-9） 其中 ，筋板面积 腹板面积： 形心： 腹板与筋板组合截面断面系数： 代入公式 得 取 则 根据《钢制卧式压力容器》中式7—32进行校核 即满足强度要求。 5.7地震引起的地脚螺栓应力 5.7.1倾覆力矩计算 5.7.2由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力 根据《钢制卧式压力容器》中式7-34计算 （5-10） 其中n为承受倾覆力矩的地脚螺栓个数， ； 为筒体轴线两侧的螺栓间距 ； 为每个地脚螺栓的横截面面积， ；则 取载荷系数 ， ，则 由于 ，所以强度符合要求。 5.7.3由地震引起的地脚螺栓剪应力 根据《钢制卧式压力容器》中式7-35计算 （5-11） 其中 为承受剪应力的地脚螺栓个数， ； 则 由于 故符合强度要求。 第六章 结论 综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责的态度，对储罐进行设计。在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。 容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了储罐的的筒体、封头的设计计算，低压通用零部件的选用。 各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。 参考文献 [1] GB150-1998,《钢制压力容器》 [2] JB/T 4731-2005,《钢制卧式压力容器》 [3] HG20580-1998,《钢制化工容器设计基础规定》 [4] JB/T4746-2002,《钢制压力容器用封头》 [5] HG/T 21517-2005,《回转盖带颈平焊法兰人孔》 [6] HG/T 20592-2009,《钢制管法兰》 [7] HG/T 20609-2009,《钢制管法兰用金属包覆垫片》 [8] HG/T 20613-2009,《钢制管法兰用紧固件》 [9] JB4712.1-2007,《鞍式支座》 [10] 郑津洋等.《过程设备设计》.北京:化学工业出版社, 2010 [11] JB /T4736—2002, 《补强圈》