常见化工容器的工艺设计与计算_王运波
5卷 第3期 石 油 化 工 设 备 Vol.45 No.3 第4016年5月 PETRO-CHEMICALEQUIPMENT Ma2016 2 y ()文章编号:10007466201603004305---
常见化工容器的工艺设计与计算
王运波1,柏海燕1,赵玉霞2
(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃兰州 71.30070;)新疆石油工程建设监理有限责任公司,新疆克拉玛依 82.34000
摘要:常见化工容器目前多从设备专业的角度进行设计,从工艺专业的角度,对常见化工容器的选型、设计与计算进行了探讨。选型方面,结合常见化工容器在化工过程中的功能特点,提供了容器按照结构的分类表,综合工艺介质类型、物性和存储状态特点,提供了选型对照表。设计方面,提供了容器的设计压力和设计温度选取原则,并对可能存在的问题进行了探讨。计算方面,提供了容器体积、直径、长度以及内构件等的计算公式,作为容器工艺设计确定尺寸时的参考。此外,还对化工容器附件的选型设计做了原则说明。关键词:化工容器;分类;选型;工艺设计;计算中图分类号:TQ050.2
:/.issn.1000oi10.39697466.2016.03.010 文献标志码:A d-j
ProcessDesinandCalculationofTicalChemicalVessel gyp
112
,B,ZanWANGYunboAIHaiHAOYuxia - - -y
(,L;1.LanecTechnoloiesLimitedanzhou730070,China pg
,K,C)2.XinianPetroleumEnineerinConstructionSuervisionCo.Ltd.arama834000hina jgggpy
:S,Abstractelectiondesinandcalculationofticalchemicalvesselarediscussedbasedona gypofchemicalenineerinandmaorinsteadofeuimentmaor.Forvesselteselecviewrocess -ggjqpjypp
,tion,twoclassificationtablesareavailablewithwhichavesselcanbedefinedaccordintoits g ,structurecharacteristicscombinedwithitsfunctioninachemicalrocessandthenbeselectedfor phsicalroerties.Formaterialsofcertainconditionsincludinexistinformsandvesselstorin ggpyppg
desin,adesinressureselectionrinciletableandadesintemeratureselectiontableisavail -ggpppgp,,ableandotentialroblemsarefurtherdiscussedaswell.Forvesselcalculationformulaforves -pp
,’,seldimensionsincludinvolumediameterandlenthareavailable.Whatsmorerincilein -ggpp ,structionofvesselattachmentteselectiondesinandcalculationforvesselattachmentsarede -ypgtailed.
:c;c;;pKewordshemicalvessellassificationteselectiondesin;calculationrocess ypgy 目前关于 化工容器是最基础的一种化工设备,]16-
,而讨论这类各类化工容器的设备设计资料很多[
化工设备的工艺设计和计算的资料却较少。很多单淡化了容位的容器设计由设备专业人员独立完成,器在化工过程中的作用,可能造成化工容器工艺功能方面的不足与局限。在化工生产中,容器不仅要
结构合理、坚固耐用,更要能与出入口物流的类型、温度、压力、流量、物化性质以及存储状态等相匹配。只有将化工容器的工艺设计与计算贯穿到设备设计才能使容器在化工生产中的作用得到充分过程中,
发挥。文中从常见化工容器的分类选型、设计过程、需要进行的工艺设计与计算等方面进行探讨。
20151208① 收稿日期:--
,男,陕西咸阳人,高级工程师,学士,现主要从事工艺系统设计和专利设备的研发。1974 作者简介:王运波(-)
·44·016年 第45卷 石 油 化 工 设 备 2
1 化工容器分类与选型
广义上的化工容器包括塔器(浮阀塔、筛板塔、、填料塔等)反应器(釜式反应器、固定床反应器和流化床反应器等)和容器(贮槽、储罐、分离器、带搅拌的混合器和沉降槽等)塔器和3大类。一般情况下,反应器属于专利商的设计范畴,而容器中以各类储
化工容器类型卧式容器立式容器
类型定义
容器筒体轴向和地面平行安装 容器筒体轴向垂直安装在地面上
立式容器的一种。罐顶与筒体多是焊接连接,也有少量的采用法兰连接
用密 立式容器的一种。罐顶是一个浮盘,
外浮顶容器
封圈与筒体密封,浮盘随罐内液面的改变能上下移动,保持罐内压力趋于恒定
内浮顶容器
罐最为常见。
容器的分类方法很多,例如,按照压力分为低压、中压、高压和超高压容器,按照储存介质危害等、、高度危害(中度危害级分为极度危害(I级)II级)
3]
(、。轻度危害(容器等[III级)IV级)
工艺专业通常按照结构形式对化工容器进行分类,具体见表1。
用途、特点和适用介质
表1 化工容器分类与选型
中间罐、产品罐、缓冲罐等,一般体积较小 用作化工过程中的回流罐、
分水罐和分离罐,常用于小体积容器,大体积 用作化工过程中的计量罐、容器使用较少
原料罐和产品罐等需要储存 用于常温下不易挥发的液体物料的中间罐、较多液体的工况。可制作成大体积容器,多在罐区使用
但容易对环境造成污染,目前已很少使用 用于储存易挥发介质,
固定顶容器
原料罐和产品罐等需要储存较多液体的工 立式容器的一种。功能上和外浮顶一致, 用于易挥发介质的中间罐、但在罐内顶部的浮盘上方还有一个固定顶 由若干块足球瓣式或桔瓣式钢板焊接而
况,是最常用的浮顶罐。可制作成大体积容器,多在罐区使用
制造比较困难,造价高,但能耐较高的压力,在同样的直径下 结构特殊,较高的物料的储存
液化天然气等的较长时间储存 用于较大量的液体乙烯、
球形容器常用于乙烯、丙烯、液化石油气、氧气等常温下饱和压力成的储存物料的球形容器或者椭球形容器,储存的体积最大,化工容器采用球形容器
内 大型低温容器一般为双层外拱顶形式,罐顶是活动的吊顶,悬挂在外罐顶部
低温容器
2 化工容器工艺设计与计算2.1 结构形式选择
工艺设计中,选择化工容器的结构形式时主要
介质类型气体气体液化气体液化气体液化气体石油产品石油产品其他化工
液体物料
低压储存 带压储存
高压法) 常温加压(低压法) 常压低温(
中压法) 合并加压低温法( 易挥发轻质油品
高沸点石油品
常压下为液体的化工物料(包括易燃、可 常温、燃物)
储存方式或介质特性
见考虑化工过程中常用的介质类型和储存方式,表2。
确定化工容器结构形式时还需综 在此基础上,
合考虑化工装置的整体平面布置以及容器的经济性
容器结构形式
低压湿式气柜系列 圆筒形容器或球形容器
地上、地下、半地下)或球形容器 圆筒形容器(
配套制冷系统 低温储罐,
,温度较常规低温储罐高)配套制冷系统 低温储罐(
圆筒形容器或球形容器) 浮顶罐或压力罐(
固定顶罐
立式罐、卧式罐;大型容器:固定顶罐、浮顶罐、球形罐 小型容器:
表2 储存介质类型与容器结构形式
7]
。以考虑容器的经济性为例,等[当按照储存体积
大小划分压力罐(圆筒形容器或球形容器)形式时,
3
一般体积小于1采用圆筒形压力罐为宜,而体50m3积大于1则采用球形罐较为经济50m
[8]
2.2 设计参数确定
2.2.1 设计压力
化工容器的设计压力是设备专业进行强度计算时的主要依据,应在满足安全要求的基础上做到既经济又合理。不可仅静止、单独地考虑每台容器的最高工作压力,而需要将该容器置于整个化工过程中进行综合分析,考虑各种工况下可能出现的容器顶部最高压力以及系统附件条件(如系统压力变化、安全阀在系统中的相对位置、泵出口阀门的相对位
。再如对
各类塔器顶部回流罐的选择,虽然从功能上来说立式容器应更有利于分离,但从装置整体布置的角度考虑,卧式容器往往是更好的选择,因为一般塔顶回流罐均被布置在二层框架上,如果选择立式容器,则其将在高度上受限而难以安装。
等:常见化工容器的工艺设计与计算 第3期 王运波,·45·
置等)对最高压力的影响。这一点为很多具备压力容器设计资质的单位所混淆,尤其是无工艺系统专业的容器设计单位。
以确定1台位于泵出口的容器的设计压力为(,例,已知泵出口的正常操作压力为1.那0MPaG)么这台容器的设计压力按照常规很有可能取为(,但是从整个装置工艺的角度考虑,该1.1MPaG)
容器类型常压容器
常压下工作 未装安全泄放装置 装有安全阀
内压容器
出口管线上装有安全阀
且无安全泄放装置时 容器位于泵进口侧,
且无安全泄放装置时 容器位于泵出口侧,
常温下储存烃类液化气体或混合丙烯液化石油气(或丙烷或丙烯与容器
丁烯、丁二烯时 介质为丁烷、
(时0℃时饱和蒸汽压小于1.57MPaG) 介质5
0℃时饱和蒸汽压大于 介质为液态丙烷或介质5
工作条件
值存在隐患,如果容器出口阀门误关闭,则该容器很可能发生危险。
选用标准化工容器系列时,需遵循该容器标准需中的设计压力要求。选用各类非标化工容器时,由化工工艺专业人员按照表3的原则确定容器的初
9]
,步设计压力[再对初步确定的设计压力进行系统
分析和调整,最终确定容器的设计压力。
设计压力
用常压加上系统附加条件校核 设计压力为常压,
表)00~1.10倍最高压力( 一般取1.
且不低于安全阀开启压力05~1.10倍最高工作压力, 1.
不低于安全阀开启压力加上流体从容器至安全阀处的压降
(且以0.外压10MPaG) 取无安全阀泄放装置时的设计压力,校核
取泵的关闭压力(79MPaG) 0.
(57MPaG) 1.
(77MPaG) 1.
(16MPaG) 2.
表3 化工容器设计压力选取原则
((而小于1.时1.57MPaG)62MPaG)
)丁烯等的混合物0℃时饱和蒸汽压大于 介质为液态丙烯或介质5
((而小于1.时1.62MPaG)94MPaG)
2.2.2 设计温度
设计温度是指容器在正常工作情况下设定的元件的金属温度(沿元件金属截面的温度平均,设计温度和设计压力一起作为设计载荷条值)
件。确定设计温度时,一般由工艺专业人员提出低)工作温度,由正常工作过程中的正常或最高(
设备专业人员按照所选用的材料等条件确定容器的设计温度。
当容器器壁与介质直接接触且有外保温时,设计温度可按照表4确定
[10]
表5 物料在常见化工容器中的停留时间或周转时间
容器名称原料罐及成品罐
接收罐中间储罐或缓冲罐
回流罐气-液分离罐液-液(易分层)分离罐汽油水洗、碱洗罐轻柴油水洗、碱洗罐
停留时间或周转时间/min
]依据具体规定或参考文献[11
20205~10
12]
3~5[
20
13]15~20[13]20~30[
2.2.4 容器直径或长度
当容器体积确定后,对于球形容器,实际上也就,确定了其基本尺寸。对于圆筒形容器(卧式、立式)一般按照经验数据,考虑长(切线长L)径(公称直径比的经济性进行选择,一般L∶D在2∶1~D)
4∶1。
,其中设计温度I只在最
高(低)工作温度不明确时采用。
表4 化工容器设计温度选取表
/℃介质温度t
设计温度I
设计温度II
t0<-2介质最低工作温度介质正常工作温度减0~10℃
-20≤t5介质最低工作温度介质正常工作温度减5~10℃<1
t5≥1介质最高工作温度介质正常工作温度加15~30℃
3 化工容器附件设计和选型3.1 进出口管线
容器进出口管线的管径一般与所连接的管线管径相同,有时为了减少进口管管口的压降或避免产生涡流,可适当增加管径,具体的管径、压降等数据需按照管线水力学计算参数和公式确定。
3
当体积大于1时,一般需设置2个进料口。00m
2.2.3 体积
常用容器的体积计算公式为:
/V=τqfV11
3;式中,V为容器的体积,mqV1为容器中物料的体积
3/流量,mh;h;τf为1为物料在容器中的停留时间,物料在容器中的充装系数,取0.7~0.9。
物料在常见化工容器中的停留时间或周转时间见表5。
几种常见的进出口管线结构示意图见图1,结构描述见表6。
·46·016年 第45卷 石 油 化 工 设 备 2
图1 几种常见化工容器进出口管线结构示图
表6 几种常见化工容器进出口管线结构描述
进出口管线 容器进口物料为气-液两相
容器进口物料为液相
对容器进口易燃而不导电的物料 常压平底容器出料口
容器出料口
结构描述
并以标准弯头指向 进料口在液面之上,
)罐壁,设置防冲板(图1a
并以标准 进料管线口设置在液面之下,)设置防冲板(图1弯头指向罐壁,b进料口成4截5° 为防止电位差的形成,
为防止虹吸,在进料口面深入液面以下,
)上部开 图15mm小孔(c
再引入接管排出物料 在容器底部开孔,
(),图1更易使容器内物料放净d
引入接管至容器内, 在容器侧面开孔,
),设置向上弯头排出物料(图1防止容器e底部沉积物被排出
3.3 集液包
集液包又称为水包、分水斗、集水罐等,一般用于卧式容器,当工艺要求连续分离出液-液两相物料密度较大)时,可在容器底部设置集液包。中的一相(
集液包的直径通常不小于3在不影响00mm,容器设计条件的情况下尽可能取大一些,但是需要考虑和容器本体直径的关系。如果容器本体的直径/则集液包直径Dg≤D且Dg≤D≤1500mm时,2,
当容器本体直径D>1集液包520mm;500mm时, /直径Dg≤D且Dg≤13,000mm。否则可能需要
15]
。采用分析法进行容器开孔补强设计[
3.2 防涡流挡板
液体由容器出料管口流出时,无论流出方向是在出料管口处均有水平方向还是垂直向上或向下,
可能产生漩涡流,造成容器内气液相或者分层的液液相混合、管道阻力增加。为避免或者减弱这种情况,可通过在出料管口设置防涡流挡板(或称为破涡器、消涡器等)加以解决。
是否安装防涡流挡板可以通过式(进行初步1)判断,若实际最低液面小于计算值A,则应考虑安装防涡流挡板:
(()A≤0.051+12DN/6-3.28w)1
式中,A为实际最低液面至出料管口之间的距离,
集液包内最高液位和最低液位的距离一般大于或取5m按出料口流率为基350mm,in累积液量(
进行选择或计算,并以该值为基准计算集液包高准)
度。当采用液位仪表控制液(界)面时,集液包内高液位和低液位的距离不小于1m。
集液包直径和高度也可按照下面的公式计算:
Dg=.785vqV2/(Hg=0.785Dg2)τqV22
式中,Dg为集液包直径,Hg为集液包最高液面和最
3
/;低液面间的距离,m;msvqV2为液体的体积流量,
/;为液体在集液包中的流速,可取0.03msτ2为集。液包中液体的停留时间,min
16]
人孔[3.4 手孔、
DN为出料管口的公称直径,m;w为出料管口液体
/。流速,ms
一般出料管口直径小于50mm或对液体流动要求不高时,可以不设防涡流挡板。具体防涡流挡]板的形式和尺寸,可参考文献[进行设计。14
容器直径在3设计2个手孔;00~500mm时,容器直径在5设计1个人孔或者00~1000mm时, 容器直径大于1设计1个以2个手孔;000mm时,
上人孔。
等:常见化工容器的工艺设计与计算 第3期 王运波,·47·
对于容器内部安装有内件的情况,例如分离器,其人孔或手孔的数量依据内件要求设置。
[])TechnoloforStationarPressureVesselS. gyy []方书起,马晓建.化工容器经济结构尺寸的确7 刘利平,
]():定[炼油设计,J.2002,32102528.-
(,,iniian.DetermiLIULiFANGShuMA Xiao -p ---gqjnationofEconomicStructureSizeofChemicalContain -[],:ersJ.Petroleum RefinerDesin2002,32(10)25-yg )28.
[]/钢制液化石油气卧式储罐型式与8BT47001—2009, N
]基本参数[S.
(/NBT47001—2009,SteelLiuefiedPetroleum Gas q[])HorizontalTankTesandBaseDataS. yp
][石油化工设计手册.第4卷.工艺和系统设计9 王松汉.
[北京:化学工业出版社,M].2001.
(WANGSonhan.PetroleumandChemicalIndustr - gyManual.The4thVolume.ProcessandSstemDesin yg[:,)DesinM].BeiinChemicalIndustrPress2001. gjgy
[]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册10
([下册)北京:化学工业出版社,M].2009.
(SINOPECShanhaiEnineerinCo.Ltd..Chemical ggg )[:ProcessDesinHandbook(VolumeIIM].Beiin gjg,)ChemicalIndustrPress2009. y
[]S石油化工储运系统罐区设计规范11H3007—2009,
[]S.
(SH3007—2009,CodefortheDesinofTankFarms ginPetrochemicalStoraeandTransortationsSstem gpy[])S.
[][美]弗兰克·埃文斯.炼油厂和化工厂设备设计手册12
[北京石油设计院,译.北京:烃加工出版社,M].1985.(FrankLEvans.EuimentDesinHandbookforRe -qpg[fineriesandChemicalPlantsM].BeiinPetrolDesin jgg ,:Translation.BeiinHdrocarbonProcessInstitute -jgy,)inPress1985.g
]石油工业部规划设计总院.[容器和液液混合器的工艺13
设计[北京:石油工业出版社,M].1979.
(,PetroleumPlanninandDesininInstituteMinistr gggy PetroleumIndustr.ProcessDesinofContainerof yg:andLiuidMixer[M].BeiinPetroleumIndustr qjgy,)1979.Press
[]丁伯民,黄正林.化工容器[北京:化学工业出版14M].
社,2002.
(,DINGBoinHUANGZhenlin.ChemicalVessel -m - g[:,)M].BeiinChemicalIndustrPress2002. jgy []G]压力容器[15B150.1~150.4—2011,S.
([])GB150.1~150.4—2011,PressureVesselS. ]HG/][钢制化工容器结构设计规定[16T20583—2011,S.
(/HGT20583—2011,SecificationofStructuralDe -p[])sinforSteelChemicalVesselsS. g
(张编)
3.5 其他附件
除了上述常用附件外,容器上一般还设有呼吸安全阀管口,这两类管口的选型计算涉及到容器阀、
的安全设计,需要按照专门的标准进行设计。另外,、化工容器上一般还需要设置压力表口(压力罐)液位仪表口、放空口、排污口及备用口等,这些已有国家标准或行业标准,设计时应予遵守,或依据系统、仪表等的专业要求进行选型或设计。
4 结语
常见化工容器的设计,不仅需要从设备设计的更需要工艺设计专业的配合,特别是在角度去考虑,
容器设计过程中结构形式、设计参数、内部构件等条更离不开工艺设计,只有相互配合才能设件的提出,
计出更好的满足化工过程要求的设备。
参考文献:
[]曹文辉.承压容器[北京:化学工业出版1M]. 丁伯民,
社,2009.
(,DINGBoinCAO Wenhui.PressureRetainin -m- g[:,)M].BeiinChemicalIndustrPress2009.Vessel jgy ][化工容器及设备简明设计手册[北京:化2M]. 贺匡国.
学工业出版社,2002.
(HEKuanuo.SimlifiedDesinManualofChemi - -ggpg:calVesselandEuiment[M].BeiinChemicalIn -qpjg,)dustrPress2002.y
][吴岩石.化工容器技术问答[北京:化学工3M]. 初志会,
业出版社,2008.
(,CHUZhihuiWU Yanshi.TechnicalQuestionsand -- [:ofChemicalContainersM].BeiinChemicalAnswers jg,)IndustrPress2008.y
]][压力容器的可靠性设计方法[石油化工设4J. 徐一凡.
():备,1991,2042124.-
(XU Yifan.DesinMethodofPressureVesselRelia- -g[],:bilitJ.PetrochemicalEuiment1991,20(4)21- -yqp)24.
[]洪起超.压力容器手册[北京:中国劳动社5M]. 张康达,
会保障出版社,1999.
(,ZHANGKandaHONG Qichao.PressureVessel -- g[:HandbookM].BeiinChinaLabour&SocialSecuri -jg,)tPublishinHouse1999.yg
[]固定式压力容器安全技术监察规6SGR0004—2009, T
]程[S.
(TSGR0004—2009,SuervisionReulationonSafet pgy