液氯的物理性质-密度和饱和蒸汽压

温度 ℃ -20 20 40 50 饱和液密度kg/m3 1528 1406 1342 1307

图1 液氯密度随温度变化图

图2 液氯温度与饱和蒸汽压图

1atm=1.0133*10^5Pa

表1-1 全国各地区重力加速度表

序号 1 2 3

地区 包头 北京 长春 长沙 成都 重庆 大连 广州 贵阳 哈尔滨 杭州

重力加速度

序号 12 13 14

地区 海口 合肥 吉林 济南 昆明 拉萨 南昌 南京 南宁 青岛 上海

重力加速度 序号

地区 沈阳 石家庄 太原 天津

重力加速度 9.8035 9.7997 9.7970

9.7863 23

9.7947 24 9.8048 25

4 15 9.7988 26 9.8011

5 16 9.7830 27

6 7 8 9 10 11

17 18 19

9.7799 28

9.7920 29 9.7949 30

9.7877 31 9.7985 9.7964

乌鲁木齐 西安 西宁 张家口 郑州

9.8015

9.7944 9.7911 9.8000 9.7966

9.7968 20

21

9.7936 22

地球各点重力加速度近似计算公式: g=g0(1-0.00265cos&)/1+(2h/R)

g0:地球标准重力加速度9.80665(m/平方秒) &:测量点的地球纬度 h:测量点的海拔高度

R:地球的平均半径(R=6370km)

30m的液氯储罐的设计

3

2011133152

目录

1 引言 .................................................................................................................... 4 2设计任务书 ......................................................................................................... 5 3设计参数及材料的选择 ..................................................................................... 5 3.1 设备的选型与轮廓尺寸 ................................................................................. 5 3.2 设计压力 ......................................................................................................... 5 3.2 筒体及封头材料的选择 ................................................................................. 8 3.3 许用应力 ......................................................................................................... 8 4结构设计 ............................................................................................................. 8 ................................................................................................................................ 8 4.2 封头设计 ......................................................................................................... 9 4.2.1 半球形封头 .................................................................................................. 9 4.2.2 标准椭圆形封头 ........................................................................................ 10 4.2.3 标准蝶形封头 ............................................................................................ 10 4.2.4 圆形平板封头 ............................................................................................ 11 4.2.5 不同形状封头比较 .................................................................................... 12 4.3 压力试验 ....................................................................................................... 12 .............................................................................................................................. 13 .............................................................................................................................. 13 4.4.2 鞍座的位置 ................................................................................................ 14 5 结 果 ................................................................................................................ 16 参考文献 .............................................................................................................. 18

1 引言

液氯化学名称液态氯，为黄绿色液体，沸点-34.6℃，溶点-103℃，在常压下即气化成气体，吸入人体能严重中毒，有剧烈刺激作用和腐蚀性，在日光下与其它易燃气体混合时发生燃烧和爆炸，氯是很活泼的元素，可以和大多数元素〔或化合物〕起反应。分子式：Cl2， 相对分子量：70.906，性能：液氯为黄绿色的油状液体，有毒，在15℃时比重为1.4256，在标准状况下，沸点为-34.6℃，凝固点为-101.5℃。在水分存在下对钢铁有强烈腐蚀性。液氯为基本化工原料，可用于冶金、纺织、造纸等工业，并且是合成盐酸、聚氯乙烯、塑料、农药的原料。危害特性：液氯不会燃烧，但可助燃。一般可燃物大都能在氯气中燃烧，一般易燃气体或蒸汽也都能与氯气形成爆炸性混合物。氯气能与许多化学品如乙炔、松节油、乙醚、氯、燃料气、烃类、氢气、金属粉末等猛烈反应发生爆炸或生成爆炸性物质。它几乎对金属和非金属都有腐蚀作用。健康危害：对眼、呼吸系统粘膜有刺激作用。可引起迷走神经兴奋、反射性心跳骤停。急性中毒：轻度者出现粘膜刺激症状：眼红、流泪、咳嗽，肺部无特殊所见；中度者出现支气管炎和支气管肺炎表现，病人胸痛，头痛、恶心、较重干咳、呼吸及脉搏增快，可有轻度紫绀等；重度者出现肺水肿，可发生昏迷和休克。有时发生喉头痉挛和水肿。造成窒息。还可引起反射性呼吸抑制，发生呼吸骤停死亡。慢性中毒：长期低浓度接触，可引起慢性支气管炎、支气管哮喘和肺水肿；可引起职业性痤疮及牙齿酸蚀症。泄漏处置 迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并隔离直至气体散尽，建议应急处理人员戴正压自给式呼吸器，穿厂商特别推荐的化学防护服(完全隔离)。防止与乙炔、松节油、乙醚、氯等物质接触。切断气源，喷雾状水稀释、溶解，然后抽排(室内)或强力通风(室外)。如有可能，用管道将泄漏物导至复原剂(酸式硫酸钠或酸式碳酸钠)溶液。漏气容器不能再用，且要经过技术处理以清除可能剩下的气体。

设计基本思路：本设计综合考虑环境条件、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、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。

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。

2设计任务书

请设计一30m3的液氯储罐，具体要求： 1) 储罐设计参数及材料的选定 2) 压力容器结构设计 3) 压力试验及强度校核 4) 使用地点：成都 5) 编写储罐说明书

3设计参数及材料的选择

3.1 设备的选型与轮廓尺寸

筒体结构设计为圆筒形。因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。

筒体直径一般由工艺条件决定，但是要符合压力容器的公称直径。粗略计算内径：

Di3Lπ2L4，所以：36，得：DiL3015%，一般

DD4301.052157mm，圆整至Di2200mm，则L8800mm。

3.2 设计压力

本储罐在成都使用，夏季最高温度为38oC，冬季最低温度为-5 oC，工作温度在-5~38 oC，取最高工作温度为38oC。由图1-1可得，，38oC时，液氯密度为

-3.1400381466.41347.08kg/m3。

图1-1 液氯密度温度图

表1-1 全国各地区重力加速度表

序号 1 2 3

地区 包头 北京 长春 长沙 成都 重庆 大连 广州 贵阳 哈尔滨 杭州

重力加速

度

序号 12 13 14

地区 海口 合肥 吉林 济南 昆明 拉萨 南昌 南京 南宁 青岛 上海

重力加

速度 9.7863 9.7947 9.8048

序号 23 24 25

地区 沈阳 石家庄 太原 天津

重力加速度 9.8035 9.7997 9.7970

4 15 9.7988 26 9.8011

5 16 9.7830 27

乌鲁木齐 西安 西宁 张家口 郑州

9.8015

6 7 8 9 10 11

9.7968

9.7936

17 18 19 20 21 22

9.7799 9.7920 9.7949 9.7877 9.7985 9.7964

28 29 30 31

9.7944 9.7911 9.8000 9.7966

地球各点重力加速度近似计算公式: g=g0(1-0.00265cos&)/1+(2h/R)

g0:地球标准重力加速度9.80665(m/平方秒) &:测量点的地球纬度 h:测量点的海拔高度

R:地球的平均半径(R=6370km)

由表1-1，查得成都地区的重力加速度g9.7913m/s2，则液柱静压为：

p静tgDi1347.089.79132.229017.26Pa0.029MPa。

图1-2 液氯温度与饱和蒸汽压图

根据图1-1，查得38oC蒸汽压为P11atm111.0131051114.63kPa，可以判断设计的容器为内压容器，按《压力容器安全技术监察规程》规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气38oC时的饱和蒸汽压力1.11 MPa。当容器上装有安全阀时，取1.05～1.1倍的最高工作压力作为设

计压力，液氯储罐的设计压力p为1.22MPa。

则：

p静p100%0.029100%2.38%5%，所以可忽略静压强，即1.22pcp1.22MPa。

由于0.6MPap1.22MPa10MPa，故该储罐属于中压容器。

3.2 筒体及封头材料的选择

根据液氯的物性选择罐体材料，液氯对碳钢腐蚀率是0.5mm/a，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材。如果纯粹从技术角度看，建议选用20R类的低碳钢板， 16MnR钢板的价格虽比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板为比较经济。所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。钢板标准号为GB6654-1996。

3.3 许用应力

设计温度为38ºC，属于常温容器。查阅文献[1]，当16MnR钢板厚度δ＞6~16mm时，16MnR钢板的强度极限σb=510 MPa，屈服极限σs=345MPa。

常温下，当取强度极限作为16MnR 钢板的极限应力时，许用应力查阅文献[2]得nb23.5；ns1.52.0，取nb3，那么取屈服极限作为16MnR 钢板的极限应力时，许用应力bnb，

510=170MPa；当3sns，取ns1.6，

345=215MPa。则许用应力[σ]取两者这间的较小值，则[σ]t=170MPa。 1.64结构设计

计算壁厚δ按照〔4-1〕式计算。

式中：

pcDi2pct 〔4-1〕

pc————计算压力，MPa； Di————筒体内径，mm；

[σ]t————设计温度下的许用应力，MPa； φ————焊接接头系数

容器筒体的纵向焊接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数φ=1.00，全部无损探伤。把相关数据带入〔4-1〕式，得到圆柱形筒体的计算壁厚δ。

1.2222007.92mm

217011.22查材料腐蚀手册，38℃下液氯对钢板的腐蚀速率0.5mm/年，计划用10年，取腐蚀裕量C2=5 mm。所以，筒体的设计壁厚δd=δ+ C2=12.92mm。查阅钢板厚度负偏差表，钢板厚度在8.0~25mm范围内，负偏差C1=0.8 mm。

所以，筒体的名义壁厚δn=δd+ C1+圆整量=14mm。在6～16mm之间，故假设是成立的。

查GB9019-2001，得到圆柱形筒体的规格尺寸见表4-1。

表4-1 筒体标准

公称直径DN/mm

2200

1m高的容积V1/m3

1m高的内外表积F1/m2

1m高筒节质量/kg

714

4.2 封头设计

4.2.1 半球形封头

球形封头的计算壁厚δ按照〔4-2〕式计算。

式中：

pcDi4pct 〔4-2〕

pc————计算压力，MPa； Di————半球形封头的内径，mm； [σ]t————设计温度下的许用应力，MPa； φ————焊接接头系数

封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数φ=1.00，全部无损探伤。把相关数据带入〔4-2〕式，得到半球形封头的计算壁厚δ。

1.222200=3.95mm

417011.22查材料腐蚀手册，38ºC下液氯对钢板的腐蚀速率为0.5mm/年，取腐蚀裕量C2=5 mm。所以，筒体的设计壁厚δd=δ+ C2=8.95mm。查阅钢板厚度负偏差表，钢板厚度在8.0~25mm范围内，负偏差C1=0.8 mm。

所以，筒体的名义壁厚δn=δd+ C1+圆整量=10mm。 4.2.2 标准椭圆形封头

标准椭圆形封头的计算壁厚δ按照〔4-3〕式计算。

式中：

pcDi20.5pct 〔4-3〕

pc————计算压力，MPa； Di————椭圆形封头的内径，mm； [σ]t————设计温度下的许用应力，MPa； φ————焊接接头系数

封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数φ=1.00，全部无损探伤。把相关数据带入〔4-3〕式，得到标准椭圆形封头的计算壁厚δ。

1.222200=7.91mm

217010.51.22查材料腐蚀手册，38ºC下液氯对钢板的腐蚀速率为0.5mm/年，取腐蚀裕量C2=5mm。所以，筒体的设计壁厚δd=δ+ C2=12.91mm。查阅钢板厚度负偏差表，钢板厚度在8.0~25mm范围内，负偏差C1=0.8 mm。

所以，筒体的名义壁厚δn=δd+ C1+圆整量=14mm。 4.2.3 标准蝶形封头

标准蝶形封头的计算壁厚δ按照〔4-4〕式计算。

式中：

1.2pcDi20.5pct 〔4-4〕

pc————计算压力，MPa；

Di————标准蝶形封头的内径，mm； [σ]t————设计温度下的许用应力，MPa； φ————焊接接头系数

封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数φ=1.00，全部无损探伤。把相关数据带入〔4-4〕式，得到标准蝶形封头的计算壁厚δ。

1.21.222200=9.49mm

217010.51.22查材料腐蚀手册，38ºC下液氯对钢板的腐蚀速率为0.5mm/年，取腐蚀裕量C2=5 mm。所以，筒体的设计壁厚δd=δ+ C2=14.49mm。查阅钢板厚度负偏差表，钢板厚度在8.0~25mm范围内，负偏差C1=0.8 mm。

所以，筒体的名义壁厚δn=δd+ C1+圆整量=16mm。 4.2.4 圆形平板封头

圆形平板封头的计算壁厚δ按照〔4-5〕式计算。

Dc式中：

Kpct 〔4-5〕

pc————计算压力，MPa；

Di————标准蝶形封头的内径，mm； [σ]t————设计温度下的许用应力，MPa； φ————焊接接头系数

圆形平板封头的计算直径Dc 等于压力容器内径Di ,则Dc =2200mm。封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数φ=1.00，全部无损探伤。对于圆形平板封头，取K值等于0.25。把相关数据带入〔4-5〕式，得到圆形平板封头的计算壁厚δ。

22000.251.22=93.18mm

1701查材料腐蚀手册，38ºC下液氯对钢板的腐蚀速率为0.5mm/年，取腐蚀裕量C2=5mm。所以，筒体的设计壁厚δd=δ+ C2=98.18mm。查阅钢板厚度负偏差表，负偏差C1=2 .2mm。

所以，筒体的名义壁厚δn=δd+ C1+圆整量=102mm。 4.2.5 不同形状封头比较

不同形状封头壁厚见表4-2[1]。从表4-2可以看出，标准椭圆形封头[1]的壁厚与筒体的壁厚相同。标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以到达与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以，选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。因为封头壁厚≥20mm则标准椭圆形封头的直边高度h0=40mm。

表4-2 不同形状封头的壁厚

封头 名义壁厚/mm

半球形 10

标准椭圆形

14

标准蝶形 16

圆形平板 102

查椭圆形封头标准〔JB/T4737-95〕，得到椭圆形封头规格尺寸见表3-3。

表4-3 标准椭圆封头

公称直DN/mm

2200

曲面高度h1/mm

550

直边高度h0/mm

40

内外表积Fi/m2

容积V/m3

4.3 压力试验

水压试验，液体的温度不得低于5℃；

试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外外表的干燥。试验时压力应缓慢上升，到达规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。

水压试验时的压力：

PT1.25pt1.251.221701.53MPa (4-6) 170筒体的有效壁厚δe=δn-(C1+C2 σs=345MPa

水压试验时的计算应力：

TpTDie1.53(22008.2)206.01MPa (4-7)

2e28.21水压试验时的许用应力为

0.9s0.9345310.5MPa

T＜0.9S，故筒体满足水压试验时的强度要求。 鞍座

储罐总质量m按照〔4-8〕式计算。

mm1m2m3 〔4-8〕

式中：

m1————罐体质量，kg； m2————封头质量，kg； m3————充液质量，kg 1) 罐体质量

根据DN=2200mm，δn=14mm的筒节，每米质量为q1=714kg/m，则

m1=q1L7148.86283kg 〔4-9〕

2) 封头质量

根据DN=2200mm，δn=14mm，直边高度h0=40mm的椭圆形封头，其质量为q2=705kg，则

m2=2q227051410kg 〔4-10〕

3) 充液质量

储罐容积V按照〔4-11式〕计算：

V=8.8V12V2 〔4-11〕

式中：

V————储罐容积，m3； V1————1m高的筒体容积，m3； V2————封头容积，m3

根据DN=2200mm，1米高的筒体容积V11.1213.799m3。根据DN=2200mm，直边高度h0=40mm的椭圆形封头的容积V21.54m3。把相关数据带入式〔4-11〕，得：

V=8.83.79921.5438.19m3

充液质量按照〔3-12〕式计算。

m3=V 〔3-12〕

式中：

m3————充液质量，kg； V————储罐容积，m3；

ρ————液氯在-5oC时的的密度，-3.1400-51466.41482.1kg/ m3

m3=38.191482.1=56601kg

设备总质量为：

m6283141056601=64294kg64.3t

每个支座需承受640kN的负荷。根据筒体DN=2200mm，支座负荷320kN,鞍式支座标准JB/T4712选取轻型带垫板、包角120°的鞍座, 即JB/T4712-92 鞍座A2600-F，JB/T4712-92 鞍座A2600-S。 4.4.2 鞍座的位置

卧式容器可以简化成受均布载荷的外伸梁。图4-1表示受均布载荷q作用的筒体总长L=8800mm。

q

C

D

RA RB a l a L

图4-1 卧式容器简化图

1) 求支反力 根据：

Fy0；

RARBq(l2a) mcF0；

Rq(l2a)2AaRB(al)2 得到Rq(l2a)ARB2 2) 写弯矩方程

截面1-1处的弯矩方程：

qx2M(x11)2,0x1a 当x1=a时，弯矩最大值为Mqa21max2

截面2-2处的弯矩方程：

2M(xq22a)(xqx22)(l2a2),ax2al 当xlq(l24a2)22a时，弯矩最大值为M2max8

截面3-3处的弯矩方程：

4-8〕 4-9〕 4-10〕4-11〕 〔 〔 〔

〔

q(l2ax3)2M(x3),lax3l2a 〔4-12〕

2当x3la时，弯矩最大值为M3maxqa2

2欲使设备受力情况最好，就必须适当选择a和L的比例,使得外伸段和中间段的最大弯矩的绝对值相等，即要M1maxM2max，由此得到

qa22q(l24a2)8 即 l28a2 则 al22 因为lL2a,带入〔4-15〕式，得

aL2(12)0.207L 因此，支座位置应满足a=0.2L=1.76m。

5 结 果

通过计算和核算得到筒体和封头的参数及主要尺寸： 〔1〕主要参数：

工作压力：Pw=1.11KPa； 设计压力：Pc=1.22MPa；

计算压力：Pc=1.22MPa；

许用应力：t170MPa； 焊接系数：1.0

〔2〕筒体类型及尺寸 筒体类型：圆筒形

筒体厚度 ：计算厚度 7.92mm；

设计厚度 d12.92mm；

(4-13) (4-14) (4-15)

4-16〕

〔

名义厚度 n14mm

圆筒体的规格尺寸见表3-1。

图4-1 圆筒体的规格

公称直径DN/mm

2200 1m高的容积V1/m3

1m高的内外表积F1/m2

1m高筒节质量/kg

714 〔3〕封头类型及尺寸

封头类型：标准椭圆形

封头厚度：计算厚度 7.91mm；

设计厚度 d12.91mm；

名义厚度 n14mm；

标准椭圆形封头的规格尺寸见表3-2。

图4-2 标准椭圆形封头的规格

公称直DN/mm

2200

曲面高度h1/mm

550

直边高度h0/mm

40

内外表积Fi/m2

容积V/m3

〔4〕鞍座类型及位置

鞍座类型：鞍座JB/T4712-92 鞍座A2600-F，JB/T4712-92 鞍座A2600-S； 鞍座位置：筒体外伸端到支座的距离a1.76m。

参考文献

[1] 陈国恒. 化工机械基础〔第二版〕. 北京: 化学工业出版社,2006:300-315. [2] 潘永亮. 化工设备机械基础〔第二版〕. 北京: 科学出版社, 2007:39.