中北大学60M3液化石油气储罐设计

中北大学

课程设计说明书

学生姓名：学号：1102034348

学院：机械与动力工程学院

专业：过程装备与控制工程

题目：（60）M3液化石油气储罐设计

指导教师：吕海峰王福杰职称: 副教授

2014年06月16日

中北大学

课程设计任务书

2013/2014 学年第二学期

学院：机械与动力工程学院

专业：过程装备与控制工程

学生姓名：学号：1102034348

课程设计题目：（60）M3液化石油气储罐设计

起迄日期：06 月16 日～06月27日

课程设计地点：校内

指导教师：吕海峰王福杰

基层教学组织负责人：黄晋英

下达任务书日期: 2013年06月08日

课程设计任务书

目录

第一章储罐设计介绍及介质特性 (7)

1.1 液化石油气储罐介绍 (7)

1.2 液化石油气的发展及应用 (7)

1.3 液化石油气的组成及物理特性 (7)

1.4 储罐设计的问题和难点 (7)

第二章储罐设计参数的确定 (8)

2.1 设计温度 (8)

2.2 设计压力 (8)

2.3 设计储量 (9)

第三章主体材料的确定 (9)

第四章工艺计算 (10)

4.1 筒体和封头的设计 (10)

4.2 筒体长度的确定 (10)

4.3 圆筒厚度的设计 (11)

4.4 椭圆封头厚度的设计 (11)

第五章结构设计 (12)

5.1 接管法兰垫片螺栓的选择 (12)

5.2 人孔的设计 (18)

5.3 人孔补强圈设计 (19)

5.4 鞍座选型和结构设计 (21)

5.5 视镜设计 (23)

5.6 液面设计与安全阀设计 (24)

5.7 焊接设计 (24)

第六章强度校核 (26)

第一章储罐设计介绍及介质特性

1、液化石油气储罐介绍

液化石油气储罐是盛放液化石油气的常用设备，常用储罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐。球形贮罐和圆筒形贮罐相比: 前者具有投资少, 金属耗量少, 占地面积少等优点, 但加工制造及安装复杂, 焊接工作量大, 故安装费用较高。一般贮存总量大于500m 3或单罐容积大于200m 3时选用球形贮罐比较经济; 而圆筒形贮罐具有加工制造安装简单, 安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总贮量小于500m 3, 单罐容积小于100m 3时选用卧式贮罐比较经济。圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形贮罐, 只有某些特殊情况下(站内地方受限制等) 才选用立式。本文主要进行卧式圆筒形贮罐的设计。

2、液化石油气的发展及应用

随着石油化学工业的发展，液化石油气作为一种化工基本原料和新型燃料，已愈来愈受到人们的重视。在化工生产方面，液化石油气经过分离得到乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等，用来生产合塑料、合成橡胶、合成纤维及生产医药、炸药、染料等产品。用液化石油气作燃料，由于其热值高、无烟尘、无炭渣，操作使用方便，已广泛地进入人们的生活领域。此外，液化石油气还用于切割金属，用于农产品的烘烤和工业窑炉的焙烧等。液化石油气具有污染少、发热量高、易于运输、压力稳定、储存设备简单、供应方式灵活等特点，所以被广泛用作工业、商业和民用燃料。但液化石油气中含有危害污染物质较多对人体、环境都有很大的伤害，所以对液化石油气储罐的要求也很严格。因而，提高液化石油气储罐的技术水平对安全储备液化石油气具有重要意义。

3、液化石油气的组成及物理特性

常温下对天然石油气或石油炼制过程中产生的石油气施加压力，使其以液体状态存在时称液化石油气。

液化石油气是以丙烷、丁烷为主要成分的多组分有机混合物，其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：

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：

体，体积将缩小200倍~300倍。气态液化石油气比空气重且易燃易爆，比重是空气的1.5倍，爆炸极限仅为2%。为方便运输、储存和分配，通常采用常温常压以保持体积较小的液化状态，所以液化石油储罐为压力容器。

液化石油气液体的密度以单位体积的质量表示，即kg/m3.它随着温度和压力的不同而发生变化。因此，在表示液化石油气气体的密度时，必须规定温度和压力的条件。它的密度受温度影响较大，温度上升密度变小,同时体积膨胀。由于液体压缩性很小，因此压力对密度的影响也很小，可以忽略不计。

4、储罐的设计问题以及设计难点

液化石油气作为一种化工基本原料和新型燃料，已愈来愈受到大家的重视。由于该气体具有易燃易爆的特点，因此在设计这种储罐时，要注意与一般气体储罐的不同点，尤其要注意安全问题，还要注意在制造、安装方面的特点。储罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。储罐上设有液相管、液相回液管、气相管、排污管以及安全阀、压力表、温度计、液面计等。所以对液化石油气的储罐要求也很严格。卧式液化石油气贮罐也是一个储存压力容器, 也应按GB150《钢制压力容器》进行制造、试验和验收; 并接受劳动部颁发《压力容器安全技术监察规程》(简称容规) 的监督。

本文主要讨论卧式圆筒形液化石油气贮罐的设计。在设计过程中，采用整体设计确定卧式液化石油气储罐的主要尺寸，同时要采用有效措施提高储罐的耐腐性和耐热性，并且要防止介质的泄漏。设计时，要注意安全与防火，还要注意在制造、安装等方面的特点。有效提高液化石油气储罐的技术水平对安全储备液化石油气具有重要意义。

第二章储罐设计参数的确定

1、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。

2、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：

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

P=i

n

i

i p

y

∑8

1

=

=

=0.01%×0+2.25%×7+47.3%×1.744+23.48%×0.67+21.96%×0.5+3.79%×

0.2+1.19%×0.16+0.02%×0.0011=1.25901 MPa

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。

根据HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》，对于在规定的充装系数范围内为，常温下盛装液化石油气容器设计压力的确定，确定此时设计压力为Pc=1.77 MPa。

由《过程设备设计》表4-11，可得出此时液化石油气法兰公称压力为2.5MPa。

3、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=?Vρt=0.9×15×580=7.83t

第三章主体材料的确定

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GB150-2011表4-1以及材料的经济性，选用筒体材料为低合金钢Q345R （钢材标准为GB713）[σ]t=189MPa。选用Q345R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。

第四章 工艺计算

1、筒体和封头的设计：

对于承受内压，且设计压力P c =1.77MPa<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： 1）、 筒体设计（筒体直径）：

查GB150-2011，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 。

所以 604

2=L

D π② 。

由 ① ② 连解得：D=2.673m=2673mm 。 圆整得D=2700mm 2）、封头设计：

查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.1 EHA 椭圆形封头内表面积、容积得：

表4-1，EHA 椭圆形封头内表面积、容积

公称直径DN /mm

总深度H /mm

内表面积A/2m

容积V 封/3m 2700

715

8.2415

2.8055

图2-1椭圆形封头 由

()

22=-h H D i

，得封头的直边高度h=40mm 。

2、筒体长度的确定

由2V 封 +2

D πL/4=（1+5%）v =630000000000 得L=10023mm 圆整得 L=10100mm 则L/D=3.707>3 符合要求

3、圆筒厚度的设计： 液柱静压力：

根据设计为卧式储罐，所以储存液体最大高度h max ≤D=2700mm 。 P 静（max ）=ρgh max ≤ρgD=580×9.8×2.7=15.346Kp a

%5%788.0%10010

947.110663.9/6

3

max <=???=c P P ）静 则P 静可以忽略不记。 选用筒体材料为低合金钢16MnR （钢材标准为GB6654）[σ]t =189MPa 。选用Q345R 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=

97.13947

.1118922700

947.1-Φ]σ[2=-???=c t i c P D P mm

∵ 对于低碳钢和低合金钢，需满足腐蚀裕度C 2≥1mm ，取C 2=2mm

由《常用钢板厚度负偏差表》可查的，在6654GB 的钢板标准下Q345R 的负偏差

m m 8.01=C 。

∴ δd =δ+C 2=15.97mm ， δn =δd +C 1=115.97+0.8=16.77mm

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。 水压试验校核压力的确定

取[δ]≈[σ]t

试验压力：PT=1.25P =1.25×1.947=2.433MPa 水压试验的应力

[][]Mpa D P e e i t t 30.21712.152)8.218(2700433.22=??-+?=+=φδδσ Q345R 钢制容器在常温水压实验时许可应力

Mpa s t 5.3103459.09.0=?==σσ

因为

][t t σσ<，故筒体厚度满足水压实验时强度要求。

4、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Q345R 。

∴ δ=mm 94.13947.15.0118922700947.15.0][2=?-???=-Φc t i c P D P σ 同理，选取C 2=2 mm ，C 1=0.8 mm 。

∴ δn =δ+C 1+C 2=13.94+2+0.8=16.74mm 圆整后取名义厚度为δn =18mm 跟筒体一样，选择厚度为18mm 的Q345R 材料合适。

第五章 结构设计

1、接管，法兰，垫片和螺栓的选择

1）、接管和法兰

查《化工工艺手册》表25-5液化石油气储罐的具体尺寸，选取开孔流速为u=20m/s ，流量Q=45L/s,根据公式

4

2u

d Q π=

，算出管子内径d=59mm,根据强度校核和管子外径规格，

可以选用管子的外径为89mm 。

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》P N =2.5MPa 时，确定选接管公称通径为D N =80mm 。 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≤P N ≤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20R 。对应的管子尺寸如下如表:

表5-1接管尺寸

由于除人孔外的所有接管均满足以上要求，所以其他接管无需补强。人孔补强计算将在下面给出。

根据法兰公称压力为P N=2.5MPa，查HG/T 20592-1997 《钢制管法兰、垫片、紧固件》标准表4-4，选用P N=2.5MPa带颈对焊法兰（WN），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1.0~16.0MPa，接管法兰材料选用Q345R。根据各接管公称通径，查表4-4得各法兰的尺寸。

根据工艺需要开有不同的孔，对应孔所选用的法兰详细参数及相关标准如下：

图3 接管法兰结构

法兰尺寸如表：

表5-2 接管法兰结构尺寸表【3】

序号名

称

公称

直径

DN

钢管

外径

1

A

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

法

兰

厚

度

C

法兰颈法兰

高度

H

法兰质量

(Kg)

N

S

1

H

R

B

B

a1、a2液位计口20 25 105 75 14 4 M12 16 40 3.2 6 4 40 1.05 f放气管80 89 200 160 18 8 M16 24 110 5.6 12 6 58 5.03 b安全阀口80 89 200 160 18 8 M16 24 110 5.6 12 6 58 5.03 e1、e2排污口50 57 165 125 18 4 M16 20 74 4 8 5 48 3.11 g液相出口80 89 200 160 18 8 M16 24 110 5.6 12 6 58 5.03 j液相回流管80 89 200 160 18 8 M16 24 110 5.6 12 6 58 5.03 h液相进口80 89 200 160 18 8 M16 24 110 5.6 12 6 58 5.03 k气相管80 89 200 160 18 8 M16 24 110 5.6 12 6 58 5.03 i压力表口20 25 105 75 14 4 M12 16 40 3.2 6 4 40 1.05 d温度计口20 25 105 75 14 4 M12 16 40 3.2 6 4 40 1.05

B 、垫片的选择

垫片选用查阅课本P143表4-11垫片选用表，根据介质液化石油气，公称压力PN=2.5MPa 及工作温度50C O

选用垫片形式为缠绕垫、柔性石墨复合垫，查《钢制管法兰、垫片、紧固件》，表4.0.2-1，根据设计压力为P c =2.5MPa ，采用金属缠绕式垫片带内环形（代号为B ），选择法兰的密封面均采用MFM （凹凸面密封）。缠绕金属为304不锈钢，填充材料为柔性石墨或石棉。

对应垫片尺寸如表：