4000 m3醋酸储罐的选型及计算.docx
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4000m3醋酸储罐的选型及计算
化工安全设计课程设计任务书
设计题目
某化工储运公司安全设计
（4000m3醋酸储罐选型及计算）
学院
专业
安全工程
班级
起讫日期
指导教师
2015年6月18日
摘要
8只4000m3醋酸储罐，建设地点位于南京贮运码头罐区的预留地，当地全年最小频率风向为西北风。
查相关规范得知，设计压力为常压，设计温度为55℃，储存介质为醋酸，属于乙A类液体（由《石油化工企业防火设计规范》GB50160-2008查得）。
相关规范：
《石油化工企业防火设计规范》GB50160-2008；《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T3007-2014；《立式圆筒钢制焊接油罐设计规范》GB50341-2014；《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》SH3046-1992；《建筑结构荷载规范》；《化工设备设计全书》等。
第1章醋酸的理化性质1
第2章醋酸储罐的选型和选材2
储罐的选型2
2
2
储罐的选材2
第3章醋酸储罐经济尺寸的选择4
储罐的储存液位4
储罐的罐壁设计5
5
6
8
9
储罐的罐底设计9
9
11
储罐的罐顶设计11
第4章醋酸储罐的安全附件13
储罐的一般附件13
13
14
14
15
15
15
15
安全仪表16
16
16
17
17
17
第5章其他安全措施18
放空处理18
气封装置18
防冻和保温18
防爆措施19
第1章醋酸的理化性质
无水醋酸在温度低于16．7℃时就会凝固成冰状，俗称冰醋酸，凝固时体积膨胀，能使容器破裂。
表1
基基本信息
[中文名]：
乙酸；
冰醋酸
[英文名]：
Aceticacid
[CAS号]：
64-19-7
[分子式]：
C2H4O2
[分子量]：
[RTECS号]：
AF1225000
[UN编号]：
2789
[危险货物编号]：
81601
[IMDG规则页码]：
8100
[外观与性状]：
无色透明液体，有刺激性酸臭。
[危险货物包装标志]：
20
[危险性类别]：
第类酸性腐蚀品
[包装类别]：
Ⅱ
[溶解性]：
溶于水、醚、甘油，不溶于二硫化碳。
[主要用途]：
用于制造醋酸盐、醋酸纤维素、医药、颜料、酯类、塑料、香料等。
理理化特性
[临界温度（℃）]：
[临界压力（MPa）]：
[饱和蒸汽压（kPa）]：
／20℃
[燃烧热（kj/mol）]：
[熔点（℃）]：
[沸点（℃）]：
[闪点（℃）]：
43、（闭口杯）
[相对密度（水=1）]：
[相对密度（空气=1）]：
[自燃温度（℃）]：
463
[爆炸下限（V%）]：
[爆炸上限（V%）]：
[比重]：
1．049
[粘度]：
1．22cP（20℃）
危危险特性
[危险特性]：
其蒸气与空气形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。
与强氧化剂可发生反应。
[燃烧性]：
易燃
[稳定性]：
稳定
[聚合危害]：
不能出现
[毒性]：
属低毒类。
LD50：
3530mg／kg（大鼠经口）；1060mg／kg（兔经皮）；LC50：
5620ppm1小时（小鼠吸入）
[火灾危险性]：
乙A类
[建筑火险分级]：
乙
[燃烧（分解）产物]：
一氧化碳、二氧化碳。
[禁忌物]：
碱类、强氧化剂。
[灭火方法]：
雾状水、泡沫、二氧化碳、砂土。
第2章醋酸储罐的选型和选材
储罐的选型
根据《石油化工储运系统罐区设计规范》（SH/T3007-2014），可燃液体储罐应采用钢制储罐。
储存温度下饱和蒸汽压大于或等于大气压的物料，应选用低压储罐或压力储罐。
酸类、碱类宜选用固定顶罐或卧罐。
立式圆筒形储罐按其顶盖结构形式，主要可分为固定顶储罐、浮顶储罐（铝制拱顶的浮顶储罐已有建造）及内浮顶储罐三大类。
考虑到冰醋酸是易燃易爆液体，设计选用钢制立式圆筒形固定顶储罐。
固定顶储罐分为：
支撑式锥顶储罐，支撑式拱顶储罐，自支撑式锥顶储罐，自支撑拱顶储罐，自支撑伞形顶罐。
根据钢制立式圆筒形储罐分类及结构特点，选用自支撑拱顶储罐，其特点为主材消耗小，能承受较高的剩余压力，有利于减少蒸发损失，现阶段化工行业采用最广泛的固定顶储罐。
物料管的设计
液体储罐特别是对于立式圆筒形储罐的物料管在设计上有一定的要求。
（1）进料管通常设在罐壁下部；若由上部进人，则应伸人到距罐底约200mm处，并有防止虹吸的措施。
（2）出料管应设在罐的下部。
（3）进出料管道上均应设双阀，还应采用相当长度的金属软管或其它柔性连接措施。
（4）进出料管的设置方位应避免物料短路。
（5）同种物料分罐储存时，应在进出口管道上设置倒罐副线。
储罐的选材
醋酸对钢铁的腐蚀严重，生产和使用醋酸的设备和管道材料一般需要采用价格较高的有色金属和合金。
含钼的超低碳铬镍不锈钢（316型）对醋酸的耐腐蚀最好，也能抗孑L蚀，适合于稀醋酸蒸气，以及高温和高于大气压力环境中，也适于一切浓度的醋酸溶液。
为综合考虑质量、投资和实施的可行性等因素，对于大容积的醋酸储罐应采用含钼不锈钢022Cr17Ni12Mo2（316L）（新标），旧标为00Cr17Ni14Mo2。
根据《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》SH3046-92，焊条牌号为E00-18-12Mo2-15。
第3章醋酸储罐经济尺寸的选择
表3-1贮罐经济尺寸
储罐经济尺寸
罐壁情况
储存形式
最省材料经济尺寸
最省费用经济尺寸
等壁厚
小型敞口储罐
小型封闭储罐
不等壁厚
大型封闭储罐
注：
λ=S1+S2,
。
其中。
H为贮罐高度；R为贮罐直径；D为贮罐直径（内径）；[σ]为材料许用应力；
为焊接接头系数；S1为储罐罐顶板厚度；S2为储罐罐底板厚度；C1为贮罐罐壁单位面积平均费用；C2为贮罐罐底单位面积平均费用：
C3为储罐罐顶单位面积平均费用。
从表1-1可以看出，对大型封闭贮罐，按材料最省的经济尺寸
。
这实际上把罐顶和罐底都看作同等费用来考虑，而在工程中往往罐顶比罐底费用多。
若把罐壁和罐顶费用看作相同的费用，并且分别为罐底费用两倍时，其经济尺寸为H=（1-1）较为合理。
在确定贮罐的设计容积时，贮罐安全高度还应考虑液位的极限波动及消防的要求（贮罐空气泡沫接管到液面之间应留有一定高度，以保证储液面上泡沫覆盖层能有足够厚度）。
内浮顶罐的体积公式为：
根据公式（1-1）和（1-2）及充装系数为，则醋酸罐罐高度与直径计算结果为：
×D2×H＝
××D3×=4000
D=，H=
储罐的储存液位
根据《石油化工储运系统罐区设计规范》（SH/T3007-2014）固定顶罐的设计储存液位宜按公式
（1）计算：
h=H1－（h1＋h2＋h3）·····························
（1）
式中：
h———————储罐的设计储存液位，m；
H1——————罐壁高度，m；
h1——————泡沫管开孔下缘至罐壁顶端的高度，m；
h2——————10min~15min储罐最大进液量的折算高度，m；
h3——————安全裕量，可取（包括泡沫混合液层厚度和液体的膨胀高度），m。
储罐的罐壁设计
储罐的技术特性表
表3-2
储罐内径：
储罐高度：
容器类别：
第II类容器
几何容积：
4000m3
设计温度：
55℃
设计压力：
常压
相对密度：
许用应力：
117MPa
焊缝系数：
风载荷：
钢板的负偏差
=
钢板的腐蚀裕量
=0
设计参数的说明
1）设计压力
设计压力是指设定的容器顶部的最高压力。
由于醋酸的饱和蒸汽压20。
C小于常压，设计压力为（常压）。
常压储罐：
设计压力小于或等于（罐顶压力）的储罐。
低压储罐：
设计压力大于，小于（罐顶压力）的储罐。
该醋酸储罐为低压储罐。
2）设计温度
设计温度是指容器正常操作时，在相应设计压力下，设定的受压元件的金属温度，醋酸贮罐工作温度为常温。
南京地区气温一般在0到40℃之间，设计温度要大于其最高温度，取55℃。
3）腐蚀速率
醋酸在316L中能形成钝化膜，所以对合金的腐蚀性很小。
4）风载荷
P=μW=××==420Pa
μ——为风压高度变化系数,对于有密集建筑群的大城市，取
W——为建罐地区基本风压，根据《建筑结构荷载规范》，基本风压取值，南京50年一遇风压值为m3。
设计考虑储存液体静压力由上至下逐渐增加，且储罐容积>1000立方米，采用不等壁厚。
根据《立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》GB50341-2014，罐壁厚度的计算，当油罐直径小于或等于60m时，宜采用变设计点法。
罐壁设计厚度按下列公式计算，且取其中的较大值。
（1—3）
（1—4）
式中td—储存介质时的设计厚度（mm）
tt—储存水时的设计厚度（mm）
—储罐内直径（m）
—计算的罐壁板底边至罐壁顶端（当没有溢流口时，应至溢流口下沿）的垂直距离（m）
—储液密度（取储液与水密度之比）（kg/m3）
—设计温度下罐壁钢板的许用应力（
）
—常温下罐壁钢板的许用应力（MPa）
—焊缝系数，取
利用公式（1-3）及（1-4）带入设计参数可得醋酸罐壁壁厚（mm）：
计算壁厚分别加至各自附加壁厚的较大值。
设计每圈板宽米，共六块板。
取C1=，C2=0mm从底下开始计数，计算可得：
第一层：
=
=
mm
第二层：
=
mm
=
mm
第三层：
=
mm
=
mm
第四层：
=
mm
=
mm
第五层：
=
=
表3-3罐壁最小公称厚度
各层圈板厚度
表3-4
第一层
第二层
第三层
第四层
第五层
第六层
12
10
8
7
6
6
（注：
醋酸贮罐15<<36，根据表1-3，罐壁最小公称厚度仍不得小于6mm）
表3-5
风压高度系数
基本风压
（pa）
罐顶呼吸阀负压q（pa）
250
647
固定顶储罐罐壁筒体设计外压：
Pcr：
罐壁筒体的临界压力（Pa）
tmin：
顶层罐壁板的规格厚度（mm）
HE：
罐壁筒体的当量高度（m）
Hei：
第i圈罐壁板的当量高度（m）
hi：
第i圈罐壁板的实际高度（m）
ti：
第i圈罐壁板的规格厚度（mm）
D：
储罐内径（m）
Le：
设置加强圈后，每段筒体的当量高度（m）
表3-6
圈板分层
高度hi（m）
厚度ti（mm）
当量高度Hei（m）
第一层
12
第二层
10
第三层
8
第四层
7
第五层
6
第六层
6
罐壁的当量高度HE=
罐壁的临界压力Pcr=2056Pa
Pcr>P0，不需要设置加强圈。
根据《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》SH3046-1992，固定顶罐的罐壁上端，应设置包边角钢。
表3-7固定顶罐的包边角钢最小尺寸
储罐内径D（m）
包边角钢最小尺寸（mm）
储罐的罐底设计
罐底的结构主要有正圆锥形罐底、倒圆锥形罐底、倒偏锥形罐底和单面倾斜形罐底。
根据《化工设备设计全书》查明，性能比较好的罐底为倒圆锥形罐底，因此我们也选用此罐底。
这种罐底及其基础呈倒圆锥形，中间低，四周高。
其罐底坡度按2％～5％；随排除污泥杂质，水分的要求高低而定。
在罐底中央焊有积液槽，沉降的污泥和存液集中于此，由弯管自上或由下引出排放。
其特点如下：
1）液体放净口处于罐底中央。
不管日后罐底如何变形，放净口总是处于罐底的最低点，这对排净沉降的杂质，水分，提高存储液体的质量十分有利。
2）因易于清洗，对于燃料储罐，可以不再设置清扫孔。
3）倒圆锥形罐底可以增加储罐容量，储罐直径越大、罐底坡度越陡，所增加的容量越大。
4）因较少形成凹凸变形和较少沉积，可以改善罐底腐蚀状况。
5）罐底受力比较复杂。
倒圆锥形罐底
罐底的排板：
罐底的排板形式根据储罐的大小、控制焊接变形等制造工艺因素决定。
对于直接小于的储罐，因罐底受力不大，宜按条形排板组焊，图a.对于直径大于或等于的储罐，罐底外缘受罐壁作用力及边缘力较大，故底板的外周需比中部厚，宜采用下图中的图b，对于5000立方米以上的储罐，宜采用图c
该醋酸储罐内径，所以选择图b罐底的排版。
根据《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》SH3046-1992
表3-1中幅板钢板规格厚度
储罐内径（m）
中幅板钢板规格厚度（mm）
碳素钢
不锈钢
D>20
6
表3-2边缘板钢板规格厚度
底圈罐壁板厚度（mm）
边缘板钢板规格厚度（mm）
碳素钢
不锈钢
11~20
8
7
所以，罐底中幅板厚7mm，底圈罐壁板厚度为12mm，则边缘板钢板厚7mm。
储罐的罐顶设计
根据《立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》GB50341-2014，自支撑式拱顶包括光面球壳、带肋球壳和单层球面网壳，拱顶球面的曲率半径宜为倍~倍罐直径。
设计醋酸储罐容量为4000立方米，所以采用加强肋拱顶。
带肋球壳的曲率半径不宜大于40m。
加强肋拱顶由4～6mm薄钢板和加强肋，以及由拱形架和薄钢版构成。
自支撑承拱顶的荷载靠拱顶板周边支撑与罐壁上。
拱顶R=～。
如图1-7所示：
球面拱顶是立式圆筒形储罐中使用很广泛的一种罐顶形式，常用的容积范围为100-5000
。
与锥形盖相比，拱顶结构简单，刚性好，能够承受较高的剩余压力（数兆帕），钢材耗量少，但气体空间较一般的锥形顶盖大，制造也比锥形顶盖麻烦一些。
第4章醋酸储罐的安全附件
储罐的一般附件
根据《石油化工储运系统罐区设计规范》（SH/T3007-2014）常压和低压储罐区储罐附件的选用：
固定顶罐宜设置通气管、量油孔、透光孔、人孔、排污孔（或清扫孔）和放水管。
根据《石油化工企业设计防火规范》（GB50160-2008）甲B、乙类液体的固定顶罐应设阻火器和呼吸阀。
可燃液体的储罐宜设自动脱水器，并应设液位计和高液位报警器，必要时可设自动联锁切断进料设施。
酸、碱等腐蚀性介质的储罐灌顶附件，应设置在平台附近。
通气管
1）采用气体密封的固定顶罐，所选用事故泄压设备的开启压力应高于通气管的排气压力并应小于储罐的设计正压力，事故泄压设备的吸气压力应低于通气管的进气压力并应高于储罐的设计负压力；
2）通气管、呼吸阀宜设置在灌顶中央顶板范围内。
3）通气管（或呼吸阀）的通气量，不得小于下列各项的呼出量和吸入量之和；
液体储罐时的最大出液量所造成的空气吸入量，应按液体最大出液量考虑；
液体进罐时的最大进出液量所造成的罐内液体蒸汽呼出量，当液体闪点（闭口）低于或等于45℃时，应按最大进液量的倍考虑；
因大气最大温降导致罐内气体收缩造成储罐吸入的空气量和因大气最大温升导致罐内气体膨胀而呼出的气体，可按表7确定：
表7储罐热呼吸通气需要量
储罐容量
M3
吸入量（负压）
M3/h
呼出量（正压）
M3/h
闪点＞45℃
闪点≤45℃
4000
4）通气管或呼吸阀的规格应按确定的通气量和通气管或呼吸阀的通气量曲线来选定。
当缺乏通气管或呼吸阀的通气量曲线时，可根据以下原则按表8和表9确定：
表8设有阻火器的通气管（或呼吸阀）规定
储罐容量
M3
进（出）储罐的最大液体量
M3/h
通气管（或呼吸阀）
个数X公称直径，mm
4000
≤660
2X150（2X200）
当储罐容量所对应的通气管（或呼吸阀）与进（出）储罐的最大液体量所对应的通气管（或呼吸阀）规格不一致时，应选用两者中的较大者：
表9未设阻火器的通气管规定
储罐容量
M3
进（出）储罐的最大液体量
M3/h
通气管
个数X公称直径，mm
4000
≤1500
2X150
储罐容量所对应的通气管与进（出）储罐的最大液体量所对应的通气管规格不一致时，应选用两者中的较大者。
量油孔
量油孔应设置在灌顶梯子平台附近，距罐壁宜为800mm~1200mm。
从量油孔垂直向下至罐底板的罐内空间内，严禁安装其他附件。
透光孔
透光孔应设置在灌顶并距罐壁800mm~1000mm处。
当透光孔只设一个时，应安装在灌顶梯子及操作平台附近；当设两个或两个以上时，可沿罐圆周均匀布置，并宜与人孔=清扫孔或排污孔相对设置，并应有一个透光孔安装在灌顶梯子及操作平台附近。
从灌顶梯子平台至呼吸阀、通气管或透光孔的通道应设踏步。
梯子平台应设置在便于操作机检修的位置。
人孔
人孔应设置在进出罐方便的位置，并应避开罐内附件，人孔中心宜高出罐底750mm。
、排污孔
排污孔（或清扫孔）和放水管应安装在距有关进出油结合管较近的位置。
若设有两个排污孔和放水管时，宜沿罐圆周均匀布置。
放水管可单独设置亦可和排污孔（或清扫孔）结合在一起设置。
放水管
罐下部采样器宜安装在靠近放水管的位置。
储存甲B、乙、丙A类液体的固定顶储罐直接通向大气的通气管或呼吸阀上应安装阻火器。
当建罐区历年最冷月份平均温度的平均值低于或等于0℃时，呼吸阀及阻火器必须有防冻措施。
在环境温度下物料有结晶的可能时，呼吸阀及阻火器必须有防结晶措施。
量油孔、透光孔、人孔、排污孔（或清扫孔）和放水管应按表10确定。
储存甲B、乙类液体的储罐，宜选用排污孔；储存丙类液体的储罐宜选用清扫孔：
储罐容量
M3
量油孔
个
透光孔
个
人孔
个
排污孔（或清扫孔）
个
放水管
个X公称直径，mm
3000~5000
1
2
2
1
（1）
1X100
表10量油孔、透光孔、人孔、排污孔（或清扫孔）和放水管
安全仪表
常压和低压储罐应设置液位计、温度计和高液位报警器。
低压储罐还应设置压力表。
重要设备的液位、温度、压力检测信号，应传送至控制室集中显示。
考虑到生产的需要，对冰醋酸储罐采取了较高的仪表控制设计要求。
液位控制方面设置就地、远传液位指示。
液位报警器
高液位报警器的设定高度，应为储罐的设计储存液位。
高液位报警的设定高度，宜按公式（4）计算：
h6=h+h2···································（4）
式中：
h6——高液位报警器的设定高度，m；
h——储罐的设计储存液位，m；
h2——10min~15min储罐最大进液量的折算高度，m
低液位报警的设定高度，应满足从报警开始10min~15min内泵不会抽空的要求。
甲B、乙A类液体罐区内阀门集中处、排水井处应设可燃气体或有毒气体检测报警器。
仪表的安装位置与罐的进出口结合管和罐内附件的水平距离不应少于1000mm。
固定顶罐上的温度计，宜安装在罐底以上700mm~1500mm处。
罐内有加热器时，宜取上限，无加热器时，宜取下限。
温度控制方面设置就地、远传温度指示，与加热系统配套设置温度调节控制和温度高低限报警。
低压储罐上的压力表的安装位置，应保证在最高液位时能测量气相的压力并便于观察和维修。
当仪表或仪表原件必须安装在灌顶时，宜布置在灌顶梯子平台附近。
压力控制方面与蒸汽间接加热系统和氮封系统进行联锁调节。
进出物料管道上设置流量指示、记录和累积。
第5章其他安全措施
放空处理
冰醋酸储罐排放的醋酸气具有刺激性酸臭气味，对环境会造成污染，其尾气应采取无害化的吸收处理再排放。
设计的呼吸阀排气口应符合环境卫生和安全要求，不直接排气，而是集中进行处理后再排放。
尾气处理工艺为二塔串联的逆流吸收工艺。
根据醋酸易溶于水的特点，一塔对醋酸储罐排出的气体采用水吸收进行处理。
同时根据废气中的醋酸浓度和流量，得到吸收液中醋酸的最大浓度。
当吸收所得的醋酸达到一定的浓度时，再经净化回收得到副产稀醋酸。
水吸收塔采用波纹填料。
根据醋酸为酸性的特点，二塔采用碱液中和吸收尾气中的少量醋酸，达到治废的目的，吸收剂用NaOH溶液，吸收塔为填料塔。
气封装置
冰醋酸有易燃、闪点为43℃的特点，设计上采用以下气封措施。
（1）在醋酸储罐顶部设置了氮封系统，这样可以使储罐内维持一定的压力（正压），防止储罐内物料与外界气体接触。
（2）当储罐内的物料被泵抽出或由于外界温度降低，使储罐内气体冷凝或收缩时，该系统可以自动补入氮气，防止外界气体进人。
（3）当向储罐内送料或由于外界温度升高使储罐内压力高于气封氮气压力时，可以通过泄压阀自动排放。
防冻和保温
冰醋酸的熔点较低，当温度低于℃时就会凝固，因此醋酸储罐就要有加热保温措施。
对于高粘度和高凝固点液体的储罐应该设置加热器进行间接加热。
加热介质为蒸汽或热水。
加热介质进、出口均设在罐体下部（罐外壁盘管除外）。
（1）考虑到如在醋酸储罐内采用蒸汽盘管加热，会造成局部的过热，且冰醋酸的闪点为43℃，不利于储罐的正常操作和安全运行。
在设计上采用在冰醋酸储罐外设置加热器，通过蒸汽量的调节控制，将储罐内的醋酸温度维持在恒定的温度范围内。
冰醋酸加热器采用列管式换热器
（2）设计上对储罐采取了有效的保温措施，对管道采用伴管保温的方式。
防爆措施
在石油化工、化工等行业，很多工艺过程设备中都存在着易燃易爆气体，一旦由于某种原因与空气混合并遇明火、静电或高温，这些气体就有可能发生猛烈爆炸，使设备受到严重破坏。
为了防止可燃气体爆炸，通常采用以下3种措施。
（1）在设备中通入惰性气体以隔绝氧气或降低氧化剂浓度，严格禁止火源，安装抑制高压静电产生或阻止火焰传播速度的装置，以抑制可燃气体燃烧。
（2）考虑到介质爆炸的危险性，在设计时提高设备的设计压力，保证设备的强度。
（3）在设备上设置超压泄放装置，通过泄放装置来降低介质爆炸超压。
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