某回路反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15475某回路反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析案例 17881.1設(shè)計(jì)思路 3152251.1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 3235201.1.2設(shè)計(jì)方案 347621.2材料的選擇 421901.3圓筒的設(shè)計(jì) 4293111.4封頭的設(shè)計(jì) 7170741.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng) 850451.5.1筒體開孔 8227311.5.2上橢圓形封頭開孔 9108401.5.3下橢圓形封頭開孔 9142621.5.4開孔補(bǔ)強(qiáng)原則 972291.5.5上橢圓圓形封頭開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 9206591.5.6筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 13136621.5.7下橢圓形封頭開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 18186041.6反應(yīng)器的強(qiáng)度校核 22134451.6.1上封頭強(qiáng)度校核 2268081.6.2筒體的強(qiáng)度校核 23145731.6.3下封頭的強(qiáng)度校核 2480771.7文丘里混合噴射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 251.1設(shè)計(jì)思路1.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)針對(duì)利用回路反應(yīng)技術(shù)的連續(xù)化生產(chǎn)工藝的回路反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)或選取合適的壓力容器附件，在此基礎(chǔ)上繪制相關(guān)工程圖紙。設(shè)計(jì)條件：三甲胺與氯乙酸鈉，PH為6-11，操作介質(zhì)中含有氯離子?；芈贩磻?yīng)器工作壓力為200-300Kpa，工作溫度60℃~80℃，物料反應(yīng)時(shí)所需的反應(yīng)釜容積為20m3。1.1.2設(shè)計(jì)方案依照上文的分析，初步選定的回路反應(yīng)器有兩種設(shè)計(jì)方案（如圖3-1所示），主要是文丘里噴射器數(shù)目和位置不同。第一種是一個(gè)氣液混合管[25]，位于橢圓形封頭正中；第二種是三個(gè)氣液混合管，在橢圓形封頭上成正三角形均勻分布。該反應(yīng)器的其他部位的結(jié)構(gòu)等都是一樣的，考慮到第二種反應(yīng)器封頭加工制造以及后期維修的復(fù)雜性，選定第一種設(shè)計(jì)方案[26]。圖2-1回路反應(yīng)器Figure2-1LoopReactor1.2材料的選擇本回路反應(yīng)器介質(zhì)為介質(zhì)為三甲胺與氯乙酸鈉，PH為6-11，操作介質(zhì)中含有氯離子?；芈贩磻?yīng)器工作壓力為200-300Kpa，工作溫度60℃~80℃。具有腐蝕性、有毒非易爆。基于上述條件[27],本反應(yīng)器所選材料是316L不銹鋼材質(zhì)并內(nèi)襯聚四氟乙烯，316L不銹鋼的美國牌號(hào)是AISI316L，對(duì)應(yīng)的中國數(shù)字代號(hào)是S31603，牌號(hào)022Cr17Ni12Mo2，鋼襯聚四氟乙烯反應(yīng)釜具有不老化、不泄露、耐高溫、產(chǎn)品性能優(yōu)異等特點(diǎn)。本章所用到的相關(guān)符號(hào)說明見表3-1：表2-1本章符號(hào)說明Tab.2-1Symbolicdescriptionofthischapter1.3圓筒的設(shè)計(jì)筒體高度確定、筒體直徑以及厚度的確定是回路反應(yīng)器筒體設(shè)計(jì)的三項(xiàng)內(nèi)容。（1）筒體高度的確定回路反應(yīng)器的筒體高度是由實(shí)際生產(chǎn)使用情況來確定的，筒體的直徑和高度與物料的介質(zhì)特性和反應(yīng)時(shí)的狀態(tài)有關(guān)[28]。該回路反應(yīng)器采用了是文丘里噴射器，綜和考慮筒體的高度暫確定為4600mm（2）筒體直徑的確定由物料反應(yīng)時(shí)所需的反應(yīng)釜容積為20m3，物料的體積一般為反應(yīng)器總?cè)莘e的1/2～2/3可知，總的反應(yīng)器容積為30m3-33m3，所以筒體的內(nèi)徑取2400mm。（3）筒體厚度計(jì)算該回路反應(yīng)器設(shè)計(jì)壓力為0.33Mpa，所以本文所設(shè)計(jì)反應(yīng)器為低壓容器，根據(jù)GB150-2011《壓力容器》進(jìn)行設(shè)計(jì)。筒體的計(jì)算厚度采用的是標(biāo)準(zhǔn)中所給公式（2-1）計(jì)算：（2-1）公式中內(nèi)徑已知，下面需要確定焊接接頭系數(shù)?，設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，還有計(jì)算壓力的具體數(shù)值：焊接接頭系數(shù)可按表3-2選取。表2-2焊接接頭系數(shù)Tab.2-2Weldjointcoefficient此次反應(yīng)器設(shè)計(jì)的焊接接頭系數(shù)為1。設(shè)計(jì)溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力的確定，因?yàn)橥搀w選擇的材料是S31603，查表可得：316L不銹鋼的許用應(yīng)力可取材料的許用應(yīng)力t≤100℃,〔σ〕=117MPa，即。筒體計(jì)算壓力的確定，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，計(jì)算壓力取0.33MPa，等于設(shè)計(jì)壓力，由以上數(shù)據(jù)根據(jù)公式（2-1）可得出計(jì)算厚度：最小厚度：當(dāng)設(shè)計(jì)壓力較低時(shí)，內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算出的計(jì)算厚度較小，只針對(duì)圓筒體才有最小厚度[29~32]，它是指不考慮腐蝕裕量的圓筒厚度，對(duì)于高合金鋼，最小厚度取2mm，該反應(yīng)器的材料為S31603，屬于高合金鋼，故。設(shè)計(jì)厚度：是指計(jì)算厚度與最小厚度之間的較大值與腐蝕裕量之和。所盛裝介質(zhì)為腐蝕性介質(zhì)，又因鋼襯聚四氟乙烯反應(yīng)釜具有不老化、不泄露、耐高溫、產(chǎn)品性能優(yōu)異等特點(diǎn)，均勻腐蝕速率取0.1mm每年，設(shè)計(jì)壽命15年，即=1.5mm。則名義厚度：指加上鋼材厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在圖樣上的厚度。本文取。為了保證安全，將名義厚度向上圓整為6mm。檢查：有效厚度：有效厚度為名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材負(fù)偏差。由于鋼板負(fù)偏差為0.4mm，鋼材的腐蝕裕量為1.5mm，所以有效厚度校核筒體應(yīng)力，薄壁圓筒環(huán)向應(yīng)力是徑向應(yīng)力的兩倍，所以只需校核環(huán)向應(yīng)力。在設(shè)計(jì)溫度下圓筒的環(huán)向應(yīng)力按式（3-2）來計(jì)算： （2-2）根據(jù)上面計(jì)算得出的圓筒厚度數(shù)據(jù)，可知圓筒的有效厚度所以代入公式（3-2）可得：根據(jù)上文可知，很顯然，所以滿足要求。綜上所述，反應(yīng)器圓筒體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為：材料S31603、高度4600mm、內(nèi)徑2400mm、名義厚度6mm、鋼板負(fù)偏差0.4mm、腐蝕裕量1.5mm、設(shè)計(jì)壽命15年、有效厚度4.1mm、計(jì)算厚度3.39mm、設(shè)計(jì)厚度4.89mm。1.4封頭的設(shè)計(jì)壓力容器封頭的種類較多，考慮到該回路反應(yīng)器設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用工況和橢圓形封頭的眾多優(yōu)點(diǎn)，本文所設(shè)計(jì)的回路反應(yīng)器上下封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。對(duì)于受內(nèi)壓的橢圓形封頭，厚度計(jì)算按照GB150-2011《壓力容器》中規(guī)定的封頭設(shè)計(jì)方法。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)，橢圓形封頭所受內(nèi)壓，計(jì)算厚度根據(jù)公式（2-3）：（2-3）式中：K為橢圓形封頭形狀系數(shù)，其值可按公式（2-4）確定，也可由表2-3直接選取。（2-4）表2-3系數(shù)K值Tab.2-3ValuesoffactorK對(duì)于該反應(yīng)器來說，由于所采用的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，Di/(2hi)=2所以K=1，故根據(jù)公式（2-3）可以求得：設(shè)計(jì)厚度：設(shè)計(jì)厚度為計(jì)算厚度與最小厚度中的較大者與腐蝕裕量之和，。由上文圓筒體設(shè)計(jì)知C2=1.5，則：名義厚度：指加上鋼材厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在圖樣上的厚度取。為了保證安全，將名義厚度向上圓整為6mm。所以利用上述既得數(shù)據(jù)綜合進(jìn)行全面性檢查：有效厚度：有效厚度為名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材負(fù)偏差，腐蝕裕量C2=1.5mm,鋼材負(fù)偏差C1=0.4mm,。對(duì)于K≤1的橢圓形封頭，有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%，而0.15%×2400=3.60mm<4.2mm，符合標(biāo)準(zhǔn)。本文所選用的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭最大許用工作壓力由式（2-5）進(jìn)行計(jì)算：（2-5）代入數(shù)據(jù)可得校驗(yàn)合格。綜上所述，反應(yīng)器封頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為：材料S31603、標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭、名義厚度6mm、鋼板負(fù)偏差0.4mm、腐蝕裕量1.5mm、設(shè)計(jì)壽命15年、有效厚度4.1mm、計(jì)算厚度3.39mm、設(shè)計(jì)厚度4.89mm。1.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)首先判別容器開孔部位，判斷是否需要進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)強(qiáng)，如需要補(bǔ)強(qiáng)，則依據(jù)GB150-2011《壓力容器》中開孔與開孔補(bǔ)強(qiáng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[36]。1.5.1筒體開孔根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T150.3分析得到，本反應(yīng)器在筒體上開的孔有：（1）一個(gè)人孔DN500；（2）一個(gè)液體入口開孔DN50；（3）液位計(jì)開孔兩個(gè)；（4）溫度計(jì)開孔。1.5.2上橢圓形封頭開孔GB/T150.3規(guī)定，在等面積補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法中，對(duì)于凸形封頭或球殼上開孔最大直徑d≤0.5Di，Di=2400mm，所以該橢圓形封頭開孔直徑d≤1200mm。封頭上需要開的孔有：（1）氣液混合管開孔DN400；（2）氣體回路管開孔DN85；（3）壓力表開孔；（4）安全閥開孔。1.5.3下橢圓形封頭開孔下橢圓形封頭開孔同上橢圓形封頭開孔一樣，需滿足開孔直徑d≤1200mm。下橢圓形封頭上需要開的孔有：循環(huán)液出口DN100。1.5.4開孔補(bǔ)強(qiáng)原則根據(jù)GB/T150.3中對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)原則的相關(guān)內(nèi)容，可以確定該反應(yīng)器開孔所需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的有：上橢圓形封頭的氣液混合管開孔DN400、筒體上的人孔DN500、下橢圓形封頭的循環(huán)液出口孔DN100，且這些孔均滿足等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的條件[37]，所以下文按照等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法對(duì)這三個(gè)孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。1.5.5上橢圓圓形封頭開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)接管DN400，管件外徑426mm，壁厚10mm，接管材料同封頭，厚度附加量C跟封頭和筒體取一樣的值：。開孔直徑（1）開孔所需的補(bǔ)強(qiáng)面積封頭計(jì)算厚度由于在橢圓形封頭中心區(qū)域開孔，所以封頭計(jì)算厚度按式（2-6）計(jì)算：（2-6）所以式中K1查自表2-5：表2-5系數(shù)K1Table2-5CoefficientK1開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積由于接管材料和封頭材料一樣，所以強(qiáng)度削弱系數(shù)fr為1，接管有效厚度為開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按式（2-7）計(jì)算：（2-7）（2）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍有效寬度B按式（2-8）確定，取二者中較大值：（2-8）所以故B=859.6mm有效高度，外側(cè)有效高度h1按式（2-9）計(jì)算，內(nèi)側(cè)有效高度h2按式（2-10）計(jì)算，均取較小者：（2-9）（2-10）故h1=65.56mm故h2=0mm（3）有效補(bǔ)強(qiáng)面積封頭多余金屬面積A1，按式（2-11）計(jì)算：（2-11）接管多余金屬面積接管計(jì)算厚度接管多余的金屬面積A2按式（2-12）計(jì)算：（2-12）所以多余金屬面積：焊縫金屬補(bǔ)強(qiáng)面積（焊腳取8mm）A3：有效補(bǔ)強(qiáng)面積（4）所需另行補(bǔ)強(qiáng)面積將計(jì)算結(jié)果整理成表格如下表2-6：表2-6上封頭開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)Table2-6Reinforcementdesignofupperheadopening1.5.6筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)人孔接管DN500，管件外徑530mm，壁厚10mm，接管材料同筒體，厚度附加量C跟筒體取一樣的值：。開孔直徑（1）開孔所需的補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算厚度開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積由于接管材料和封頭材料一樣，所以強(qiáng)度削弱系數(shù)fr為1，接管有效厚度為開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按式（2-7）計(jì)算：故（2）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍有效寬度B按式（2-8）確定，取二者中較大值：所以故B=1067.6mm有效高度，外側(cè)有效高度h1按式（2-9）計(jì)算，內(nèi)側(cè)有效高度h2按式（2-10）計(jì)算，均取較小者：故h1=73.06mm故h2=0mm（3）有效補(bǔ)強(qiáng)面積筒體多余金屬面積A1，按式（2-11）計(jì)算：=（1067.6-533.8）（4.1-3.39）=379.0接管多余金屬面積接管計(jì)算厚度接管多余金屬面積A2按式（2-12）計(jì)算：故接管取焊縫面積（焊腳取8mm）A3：有效補(bǔ)強(qiáng)面積（4）所需另行補(bǔ)強(qiáng)面積其另加補(bǔ)強(qiáng)面積公式按（2-13）進(jìn)行計(jì)算（額外補(bǔ)強(qiáng)寬度C3取1mm）（2-13）將計(jì)算結(jié)果整理成表格如下表2-7：表2-7筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)Table2-7Reinforcementdesignofcylinderopening1.5.7下橢圓形封頭開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)接管DN100，管件外徑108mm，壁厚6mm，接管材料同封頭，厚度附加量C跟封頭取一樣的值：。開孔直徑（1）開孔所需的補(bǔ)強(qiáng)面積封頭計(jì)算厚度由于在橢圓形封頭中心區(qū)域開孔，所以封頭計(jì)算厚度按式（2-6）計(jì)算，式中K1查自表2-5：開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積由于接管材料和封頭材料一樣，所以強(qiáng)度削弱系數(shù)fr為1，接管有效厚度為開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按式（2-7）計(jì)算：（2）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍有效寬度B按式（2-8）確定，取二者中較大值：所以故B=199.6mm有效高度，外側(cè)有效高度h1按式（2-9）計(jì)算，內(nèi)側(cè)有效高度h2按式（2-10）計(jì)算，均取較小者：故h1=24.47mm故h2=0mm（3）有效補(bǔ)強(qiáng)面積封頭多余金屬面積A1，按式（2-11）計(jì)算：接管多余金屬面積A2按式（3-12）計(jì)算：故接管區(qū)焊縫面積（焊腳取8mm）A3：有效補(bǔ)強(qiáng)面積、（4）所需另行補(bǔ)強(qiáng)面積所以需要補(bǔ)強(qiáng)按式(3-13)計(jì)算額外補(bǔ)強(qiáng)面積（額外補(bǔ)強(qiáng)寬度C3?。⒂?jì)算結(jié)果整理成表格如下表2-8：表2-8下封頭開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)Table2-8Reinforcementdesignoflowerheadopening1.6反應(yīng)器的強(qiáng)度校核對(duì)于設(shè)計(jì)出來的反應(yīng)器，其強(qiáng)度一定要滿足要求，所以要對(duì)所設(shè)計(jì)的反應(yīng)器各部分進(jìn)行強(qiáng)度校核，本文的校核依據(jù)的是GB150-2011《壓力容器》，對(duì)筒體及封頭進(jìn)行強(qiáng)度校核，并將計(jì)算的公式及結(jié)果繪制成表格，便于清晰的顯示計(jì)算過程1.6.1上封頭強(qiáng)度校核對(duì)于設(shè)計(jì)出來的橢圓形封頭，需要進(jìn)行