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1、第第4 4章章化工容器绘制化工容器绘制 本章导引本章导引 化工容器的设计基础化工容器的设计基础 化工容器绘制化工容器绘制本章导引本章介绍的是一种较为狭义的化工容器，该容器主要是作为原料、中间产物、产品的储存的容器，如大型炼油厂的原油储罐、油制气厂的球形储气罐等，一般无化学反应。12345图4-1容器结构示意1封头；2接管；3筒体；4人孔；5支座主目录化工容器的设计基础化工容器的设计基础主目录化工容器的分类化工容器的分类方法很多，目前没有形成统一的硬性规定，通常可按容器的作用原理、形状、容器厚度、承压性质、工作温度、放置形式、制造材料及容器的技术管理规范等进行分类。按容器的作用原理分类按容器的作
2、用原理可分为换热容器、反应容器、分离容器、储存容器等。按容器形状分类按容器形状分主要有球形容器、圆筒形容器、方形和矩形容器。球形容器由数块弓形板拼焊而成，承压能力好，但由于安装内件不便和制造较难，一般多用作储罐，如大型的储气罐。圆筒形容器由圆柱形筒体和封头（椭球形、半球形、碟形、圆锥形、平板形）所组成。圆柱形筒体作为容器主体，其制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，是化工企业中应用最广的一类容器。方形和矩形容器由平板焊成，其制造过程简单，技术要求低，但承压能力差，一般只用作常压或低压小型储槽。按容器厚度分类压力容器按厚度可以分为薄壁容器和厚壁容器。通常，厚度与其最大截面圆内径的比值K（）0
3、.1的容器称为薄壁容器，K0.1的称为厚壁容器。本节目录化工容器的分类按容器承压性质和能力分类按承压性质可将容器分为常压容器与受压容器两类。受压容器又可以分为内压容器和外压容器两类。当容器内部介质压力大于外部压力时，称为内压容器；当容器内部压力小于外部压力时，称为外压容器，其中，内部压力小于一个绝对大气压（0.1MPa）的外压容器，又叫真空容器。内压容器按其所能承受的工作压力，又可分为低压、中压、高压和超高压容器等4类，其受压情况如下：低压：0.1MPap1.6MPa中压：1.6MPap10.0MPa高压：10.0MPap100MPa超高压：100MPap按容器的壁温分类可分为低温容器、常温容
4、器、中温容器和高温容器。低温容器指壁温低于-20条件下工作的容器。其中在-40-20条件下工作的容器为浅冷容器；在低于-40条件下工作的容器为深冷容器。常温容器指壁温在-20200条件下工作的容器。中温容器指壁温在常温和高温之间的容器。高温容器指壁温达到材料蠕变温度下工作的容器。对碳素钢或低合金钢容器，温度超过420，其他合金钢超过450，奥氏体不绣钢超过500，均属高温容器。化工容器的分类按容器的放置形式分类容器按放置形式可分为卧式容器和立式容器。按制造材料分类按制造材料来分，容器可分为金属制容器和非金属制容器两类。金属制容器中，目前应用最多的是低碳钢和普通低合金钢制的容器。在腐蚀严重或产品
5、纯度要求高的场合，可使用不锈钢、不锈复合钢板或铝、银、钛等制的容器。在深冷操作中，可用铜或铜合金。而承压不大的塔节或容器可用铸铁。非金属材料常用的有硬聚乙烯、玻璃钢不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷、砖、板、花岗岩、橡胶衬里等，它们既可用作容器的衬里，又可作独立的构件。化工容器的分类按管理分类国家劳动部门为了加强压力容器的安全技术管理和监督检查，根据容器的压力高低、介质的危害程度以及在生产过程中的重要作用，压力容器安全技术监察规程将压力容器（不包括核能容器、船舶上的专用容器和直接火焰加热的容器）分为3类。低压容器为第一类压力容器、规定的除外。下列情况之一的，为第二类压力容器规定的除外：a.中压容器
6、；b.低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；c.低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；d.低压管壳式余热锅炉；e.低压搪玻璃压力容器。下列情况之一的，为第三类压力容器：a.高压容器；b.中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；c.中压存储容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质,且pV10MPam）；d.中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质,且pV0.5MPam）；e.低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pV0.2MPam）；f.高压、中压管壳式余热锅炉；g.中压搪玻璃压力容器，使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限540
7、MPa）的材料制造的压力容器；h.移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车和罐式集装箱（介质为液化气体、体温液体）等；i.球形储罐（容积）；j.低温液体储存容器（容积）。化工容器的分类化工容器关键尺寸的计算工艺尺寸的计算工艺尺寸主要是指为了满足工艺的需要，容器应该具有的一些基本尺寸。如容器的长度、直径（指内径）、封头的类型及其尺寸，接管的大小、人孔的大小等工艺需求的尺寸。容器的体积尺寸一般在设计容器前，就已经知道该容器能够装下的物料的体积（如果已知的是质量，也可通过密度换算得到体积）V工艺，由此体积
8、，再结合具体的容器结构就可以算出具体的尺寸。对于用于物料停留的中间储罐的容积V工艺，可按下式计算：式中G物料流量，m3/s；物料在容器中的停留时间，s。液体在容器内的停留时间可以用公式计算，也可以用实际测定得到的数据，表4-1提供了一般情况下容器内液体平均停留时间的参考值。本节目录化工容器关键尺寸的计算储罐名称停留时间或周转时间原料罐及成品罐根据具体情况而定，一般为20天接受罐20min中间储罐或缓冲罐20min气-液分离器35min回流罐510min液-液分离罐（已分层）20min表4-1 液体在容器中的平均停留时间参考值化工容器关键尺寸的计算球形容器的直径球形容器虽然制造并不容易，单计算其
9、大小是简单的一种，考虑到容器不能全部充满整个球形空间（气体除外），一般有一个充装系数 ，充装系数一般取0.850.95，则有下式：（4-2）则球形容器的直径Di可由下式得到：（4-3）化工容器关键尺寸的计算上下均采用平板封头的圆柱形容器假设容器的长径比为，一般尽可能按经济原则考虑长径比，可按经验数据选择，常用的数据为24，则（4-4）则圆柱形容器的尺寸如下：化工容器关键尺寸的计算上下均采用标准形椭圆封头的圆柱形容器假设容器的长径比，则（此h已包括了封头的直边高度），封头的长轴和筒体的直径相同，封头的短轴为长轴的一半，则整个容器的计算体积为：（4-6）则标准形椭圆封头的圆柱形容器的尺寸如下：（4
10、-7）化工容器关键尺寸的计算上下均采用半球形封头的圆柱形容器假设容器的长径比，则（此h不包括封头的高度），球形封头的直径长和筒体的直径相同，高度为筒体直径的一半，则整个容器的计算体积为：（4-8）则球形封头的圆柱形容器的尺寸如下：（4-9）根据容器的工艺体积计算得到的容器的直径、高度等尺寸，在实际选用时需对数据进行圆整，至于其它形状的容器直径、高度等尺寸的计算，读者只要按照前面介绍的方法就可以自己推导得到所需尺寸，在此不再介绍。化工容器关键尺寸的计算接管大小的计算及位置的确定容器中有许多接管，接管的直径和长度均要进行合理的选取或计算，对于接管的长度，如果是法兰连接的，一般需要100150mm以
11、上的长度，以便与法兰上螺栓的安装连接；如果采用螺纹连接，则其长度可以稍短一些。对于接管的直径的大小，我们可以通过选择一个适宜的流速，然后通过工艺处理量算出其直径，并将其圆整后查取标准得到最后的接管直径。一般管内为液体的适宜流速应小于3m/s，气体的适宜流速应小于100m/s，常见的流体在不同情况下的适宜流速见表4-2。对于接管上的法兰，我们应选用和接管配套的标准法兰，根据手册查得的数据即可作为我们制图时的依据。确定了接管的大小及配套法兰以后，还需确定接管的安装位置。安装位置的确定应根据物料进出的方便、设备安装的方便、物料最后排空的方便等诸多因素确定。比如物料的进料管一般在容器的上方，而出料管在
12、容器的下方，最后的排空管应在容器的最底部。下面通过两个具体的例子来说明接管大小的确定。化工容器关键尺寸的计算选定管子的适宜流速u（m/s）以后，根据管子的工艺处理量就可以按下式求出管子的直径：（4-10）其中Q为管子的工艺处理量，单位为m3/s。现有某输送气体的管道，工艺处理量为100m3/s，选择适宜的流速为50m/s，则利用式（4-10）计算可知其管子内直径为（4-11）经过圆整，可取管子的内直径为500mm。化工容器关键尺寸的计算另一个是输送液体的管子，已知其处理量为0.001m3/s，适宜的管内流速为2m/s，则利用式（4-10）计算可知其管子内直径为（4-12）经过圆整，可取管子的内
13、直径为25mm。化工容器关键尺寸的计算人孔大小及位置的确定人孔应根据具体设备的需要，开设人孔，人孔应尽量选用标准件，人孔位置的确定应在服从设备强度要求的前提下，以便于安装和人员进出容器为准。介质条件适宜流速，m/s过热蒸汽DN200204030504060饱和蒸汽DN200153025353040低压蒸汽1106PaDN100DN=125300DN=350600DN=7001200244668812化工容器关键尺寸的计算气体鼓风机吸入管鼓风机排出管压缩机吸入管压缩机排出管：p1106Pa1107Pa往复式真空泵吸入管往复式真空泵排出管101515201020810102013162530水及黏
14、度相似液体p=0.10.3MPap1MPa有压回水无压回水往复泵吸入管往复泵排出管离心泵吸入管离心泵排出管0.520.530.520.51.20.51.5121.021.53油及黏度相似液体黏度0.05Pas:DN=25DN=50DN=100黏度0.1Pas:DN=25DN=50DN=100DN=200黏度1Pas:DN=25DN=50DN=100DN=2000.50.90.71.01.01.60.30.60.50.70.71.02.01.60.10.20.160.250.250.350.350.55表4-2 流体在不同管道内的适宜流速化工容器关键尺寸的计算有关强度尺寸的计算 前面已经介绍了容
15、器的一些工艺尺寸的计算。容器的工艺尺寸确定了容器的大小，满足了储量的要求及充装物料的要求，而容器的一些强度尺寸，主要是容器的安全性来考虑的有关尺寸，我们主要介绍容器筒体厚度及封头厚度的求取方法。化工容器关键尺寸的计算内压容器容器在各种因素如容器中物料产生的静压、物料表面的气压（指储存液体的容器）、物料气体的压力、温差引起的应力等混合作用下，在不同的方向，产生不同的应力，对于内压薄壁容器的回转壳体一般产生3个主要应力，通常第一主应力（最大）为周向应力，第二主应力为径向应力，第三个主应力是周向应力，由于与和相比可忽略不计，按计。按照材料力学中的强度理论，在容器常规设计中常采用第一强度理论，即：（4
16、-13）式中是容器壁中三个主应力中最大一个主应力，是材料的抗拉、抗屈服、抗蠕变极限规定许用应力中最小的一种，一般情况下，我们查表得到的材料许用应力，就是三种许用应力中最小的一种，可直接拿来供设计计算使用。因此可以这样说，在对内压容器壳体各元件进行强度计算时，容器可能产生的应力选取最大的一种，容器材料的许用应力采用最小的一种，这样即使发生极端的情况，仍能在理论上保证容器设计的安全，这一点非常重要。容器强度的设计主要就是确定，并将其控制在许用应力范围内，进而求得容器的厚度。化工容器关键尺寸的计算圆筒壁厚的确定圆筒承受均匀内压作用时，其器壁中产生如下薄膜应力（设圆筒的平均直径为D，壁厚为t）：而，显然，故按照第一强度理论可得：（4-14）因工艺设计中一般给出内直径，将此代入式（4-14）得：（4-15）实际圆筒由钢板卷焊而成，焊缝区金属强度一般低于母材，所以上式中应乘以系数（具体数值见表4-3），即整理后得：（4-16）此式中的t定义为计算厚度，mm。化工容器关键尺寸的计算 式（4-16）中的焊缝系数可根据不同的焊接形式及探伤情况取不同的值，具体取值情况见下表：焊接形式探伤情况焊缝系数双面焊
