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丙烯腈储罐设计

10万吨丙烯腈厂丙烯腈储罐的设计

一、 设计背景
此储罐设计针对工艺末端的丙烯腈产品的存储。该丙烯腈厂生产的产品定位是高纯度丙烯腈。纯丙烯腈沸点77.3℃，常温下为无色的有刺激性气味液体。对于丙烯腈的储罐国家和行业并无专门的设计规范，本设计参照《中华人民共和国国家标准工业用丙烯腈》以及其他工业的设计案例，并结合此工业自身特点进行设计。
二、 安全要求
1. 丙烯腈属高度危险品，具有燃烧、爆炸性质，闪点-5℃，自燃点481℃，蒸气密度1.83（相对于空气），与空气的爆炸极限3.05%~17.5%（V/V），遇明火、高热能一起燃烧爆炸，因此，在储罐设计中需要考虑如何避免形成燃烧、爆炸气氛。
2. 丙烯腈剧毒而且易挥发，能通过皮肤及呼吸道为人体吸收，应尽可能减少丙烯腈的挥发。
3. 工作区域空气中丙烯腈最大允许浓度不超过2mg/m3。
三、 整体设计
1. 工厂生产能力为10万吨/年，每年开车时间按8000h计，则每小时体积流量为：

考虑到丙烯腈产品作为中间产品，后续还会增加其他产品的生产工艺，以及产品的输出、市场价格的波动，设计丙烯腈在储罐中的停留时间为72h，于是储罐的体积为：

为方便计算，取丙烯腈储罐的体积为1200m3进行设计。
2. 储罐种类选择
丙烯腈储罐设计要求有：储存容量1200m3，工作压力：常压，工作温度：0~30℃。丙烯腈产品理化性质有：密度：765.021kg/m3,纯度：>99.9%。
根据设计的储罐体积，以及介质易燃、易挥发、剧毒的涂点，结合现运行的《石油化工储运系统罐区设计规范》（SH/T 3007），设计采用常压立式圆筒形拱顶储罐。
3. 储罐材料选择
储罐材料的选取根据储罐的使用工况、储存介质特性，以及材料的机械性能等因素决定。参考《碳素结构钢和低合金结构钢热轧钢钣和钢带》(GB／T3274)以及丙烯腈属于高毒介质，罐体选择Q345R材质。
4. 储罐高度和直径
本储罐容积大于1000m3，应采用不等壁厚设计。
储罐的最省材料的经济尺寸：
H＝(( [s]f (S1+S2))/ g)1/2
D＝((4V)/ (p H))1/2
其中 罐壁板厚度－S
贮罐高度－H
贮罐的计算容积－V
罐顶板厚度－S1
罐底板厚度－S2
材料许用压力-[s]
焊缝系数-f
储液比重-g
查得对于Q345R，材料许用压力为189MPa,焊缝系数为0.9，储液比重为0.765021。
根据规格标准，对于V=1200<2000m3的储罐，罐顶板厚度取8mm，对于1000 m3<V≤1500m3的储罐，选取罐底板厚度为6mm。
则计算得
H=(( [s]f (S1+S2))/ g)1/2=((1890*0.9*(0.8+0.6))/0.765021*10-3) 1/2=17.64m
D＝((4V)/ (p H))1/2=((4*1200)/ (p *17.64))1/2=10.22m
考虑到实际储存容积与设计容量间有一定差距，最终确定储罐的直径为10.5m，高度为18m。
5. 储罐壁及上下底设计
储罐罐壁是由一圈一圈的壁板焊接组成的，根据钢板规格及储罐高度要求，可确定罐壁由9圈壁板组成，每圈高度2000mm。
（1） 罐壁厚度
内层为 2mm 厚的不锈钢板Q345R，四周壁板随外载荷储液静压力变化由下而上逐层减薄，罐壁的壁厚计算如下：
d＝(g(H-0.3) D/(2[s]f))+c1
式中 d 该圈罐壁的最小计算壁厚 cm
g 贮液重度(g ＜1时取1， g ＞1 时取实际值)tf/m3
H 顶端到计算圈板下端的距离 m
D 贮罐直径 m
[s] 许用应力 kgf/ m2
f 焊缝系数
c1 腐蚀余量 m
其中，D=10.5m，H=18,16,14,12,10,8,6,4,2m，[s]=189MPa,焊缝系数为0.9，C=1mm。同时，根据储罐刚性要求，D<16m时，要求罐壁最小厚度为4.5mm，另考虑钢板的负偏差和腐蚀余量，当厚度不到要求时取5mm，代入计算得：
表 1. 计算壁厚及设计壁厚 mm
壁厚编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
计算值
6.01
5.44
4.88
4.31
3.74
3.18
2.62
2.04
1.48
设计值
7
6
5
5
5
5
5
5
5

（2） 罐顶设计
罐顶按自支撑拱顶设计。拱顶球面半径R=(0.8~1.2)D =1.2×10.5 = 12.6m。
自支撑锥顶的厚度可按以下公式计算：

式中 D—储罐直径，m；
p—罐顶自重和附加载荷之和。取罐顶厚度为8mm，估算罐顶重为7500kg，折合成单位面积载荷为
（Pa）
罐顶附加载荷应按检修载荷取值，且不小于1200Pa，所以
P=773.4+1200=1973.4（Pa）
E—弹性模量，取E=200Gpa；
θ—母线与水平面夹角，取自支撑锥顶坡度为1/2，于是θ=300；
C—腐蚀裕量，mm。

园整至钢板规格厚度8mm。所以假设罐顶厚度8mm合理。
（3） 罐底设计
罐底由中幅板和边缘板搭接而成。根据D<12，中幅板钢材厚度选择5mm。根据低圈罐壁板厚度7～10mm之间，边缘板钢材厚度取6mm。
一般取底层罐壁中心线直径加上罐底边缘外部最小距离为60mm，此处取100mm。因而罐底板直径为10500+2×100=12500mm。
6. 开口设计
共设计两个开口，进料口在上边，出料口在下边。取进料和出料流量相
同，均为16.34 m3/h，液体流速为 0-3m/s,取最大流速 3m/s，则有孔径

四、 荷载计算
风载荷计算
（1） 倾覆
设风载荷为0.35kpa，取风载荷作用于贮罐重心位置，由风载荷使贮罐倾覆的力矩应小于由贮罐重量产生的抵抗力矩（取空罐时最危险的情况）。
倾覆力矩：

抵抗力矩：

式中 H—贮罐高度,H=18m；
—贮罐自重（包括附件及配件），=43735×1.01≈442200㎏；
—贮液自重,空罐时取=0；
Q—风载荷，Q=CKZW0A （kN）
其中：
C—形状系数，取C=0.7；
KZ—风压高度变化系数，取Kz=1.15
—设计风压值，=0.35kN/m2
A—受压面积，即储罐的最大垂直投影面积，A=HD=189m2
Q=C.KzW0A=34.13kN
M D =HQ=238.91KN.m
MR=D(W1+W2)=2382.4 kN .m
MD<MR 安全
（2） 滑移
由风载荷在罐底板下表面的滑移剪力应小于由底板和基础之间的摩擦抵抗力(取空罐时最危险的情况).
滑移剪力:
FD=Q
FR=μ(Wr +WL)
式中μ-静摩擦系数,取μ=0.7(钢板和沥青砂石之间的摩擦系数)。
FD=43.39 kN .m
FR=303.2 kN .m
FD<FR 安全
（3） 第一圈罐壁底部的最大压应力
（Pa）
式中 N1—第一圈罐壁底部的垂直荷载，按罐体自重的80%计算；
A1—第一圈罐壁的截面积，A1 =πD1δ1 （）
Z1—第一圈罐壁的截面抵抗距，Z1=0.785D1δ1（）
D1—第一圈罐壁的平均直径，10.5m；
δ1—第一圈罐壁的实际壁厚，。
N1=35360 Kg
A1=0.1797m2
Z1=A1=0.493922m3
σ=5.87×106Pa
（4） 第一圈罐壁的容许临界压力

H—基础顶面至罐壁顶面的高度，H=18m。
安全
通过以上载荷的计算,证明所设计的内浮顶甲醇储罐在0.35KPa的风载荷作用下,安全稳定。

五、 数据整理及设计示意图
表2 丙烯腈储罐的设计参数汇总
项目
设计值
操作压力
常压
操作温度
0~30℃
设计容积
1200m3
体积流量
16.34 m3/h
罐体高度
18m
罐体内径
10.5m
罐顶拱形直径
12.6m
罐底直径
12500mm
进出料孔直径
43.9mm
灌顶厚度
8mm
罐底中幅板
5mm
罐底边缘板
6mm
表3 设计壁厚
壁厚编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
设计值
7
6
5
5
5
5
5
5
5

六、 参考文献
王学生.化工设备设计.[M].上海.华东理工大学出版社.2011.