6-反应器设计说明书

中北大学 天津石化1.0104Nm3/h废气脱硫装置项目反应器设计说明书2017“东华科技陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛天津石化1.0104Nm3/h反应器设计说明书 团队成员：亓 天 夏智文 刘 东 李林洪 张娇娇指导老师：李同川 程 原 王艳红 马忠平 杨朝明知行NUC队中北大学废气脱硫装置项目1. 反应器概述化学反应过程和反应器是化工生产流程中的中心环节，反应器的设计往往占有重要的地位。由于反应器单元内部涉及很多复杂的过程，如：热量的传递、温度的变化、反应速率的不稳定等，这都将影响产品的产量和质量。所以反应器一直以来都是化工设计的一个难题。在反应器设计时，除了通常说的要符合“合理、先进、安全、经济”的原则，在落实到具体问题时，要考虑到下列的设计要点：（1）保证物料转化率和反应时间；（2）满足物料和反应的热传递要求；（3）注意材质选用和机械加工要求。2. 反应器设计目标反应器为工艺流程中反应进行的场所，主要需要满足：（1）反应器有良好的传热能力；（2）反应器内温度分布均匀；（3）反应器有足够的壁厚，能承受反应压力；（4）反应器结构满足反应发生的要求，保证反应充分；（5）反应器材料满足反应物腐蚀要求；（6）保证原料有较高的转化率，反应有理想的收率；（7）降低反应过程中副反应发生的水平。3. 反应器类型反应器按结构大致可分为管式、釜式、塔式、固定床和流化床等。表1 部分反应器特性形式适用的反应优缺点管式气相；液相返混小，所需反应器容积较小，比传热面大；但对慢速反应，管要很长，压降大釜式液相；液-液相；液-固相适用性大，操作弹性大，连续操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一，但高转化率时，反应容积大固定床气-固（催化或非催化）相返混小，高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损；传热控温不易，催化剂装卸麻烦流化床气-固（催化或非催化）相；特别是催化剂失活很快的反应传热好，温度均匀，易控制，催化剂有效系数大；粒子输送容易，但磨耗大；床内返混大，对高转化率不利，操作条件限制较大下面主要介绍固定床反应器和流化床反应器。3.1 固定床反应器固定床反应器又称填充床反应器，催化剂颗粒装填在反应器中，呈静止状态，是化工生产中最重要的气固反应器之一。固体催化剂通常呈颗粒状，粒径 215 mm，堆积成一定高度（或厚度）的床层，床层静止不动，流体通过床层进行反应。目前我国的固定床反应器技术比较成熟，主要用于气固相催化反应，反应器包括氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等设备。固定床反应器可分类为三种基本形式：（1）轴向绝热式固定床反应器(见图3.1)。流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。（2）径向绝热式固定床反应器（见图3.2）。流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小。但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。以上两种形式都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。（3）列管式固定床反应器（见图3.3）。反应器由多根反应管并联构成。管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在2550mm之间，管数可多达上万根。列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器(见图3.4)，反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。 图3.1 轴向绝热式固定床反应器 图3.2径向绝热式固定床反应器 图3.3列管式固定床反应器 图3.4多级绝热式固定床反应器固定床反应器有如下优点：可以严格控制停留时间，温度分布可以适当调节，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。反应速率较快，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。催化剂机械损耗小。结构简单。但另一方面，固定床反应器有如下缺点：传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。3.2 流化床反应器流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。按流化床的运用状况主要分为以下两类：（1）一类是有固体物料连续进料和出料的装置，主要用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生。（2）另一类是无固体物料连续进料和出料装置，主要用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程。常见的两类流化床如图3-5 所示： 图3.5流化床反应器工作示意图与固定床相比，流化床反应器的特点主要有以下几点：可以实现固体物料的连续输入和输出；流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应。流化床适合使用细粒子催化剂，易消除内扩散阻力，能充分发挥催化剂的效能。由于返混严重，可对反应器的效率和反应的选择性带来一定影响。再加上气固流化床中气泡的存在使得气固接触变差，导致气体反应得不完全。因此，通常不宜用于要求单程转化率很高的反应。流化床反应器中颗粒的流动更接近全混流，气体又容易发生“旁路”现象，所以与固定床反应器相比，其中反映物的转化率比较低，对催化剂的选择性也有影响，容易有反应物由于停留时间过长或过短而导致过度反应和反应不充分的现象。流化床反应器中，催化剂颗粒之间互相接触碰撞，会对催化剂造成机械损失，加速催化剂老化失活。在生产中，还会有部分催化剂随着气相反应产物流出反应器，造成催化剂损失，同时还会对下游的分离工艺造成影响，增加分离设备投资。4. 反应原理本反应为超级克劳斯工艺的典型反应硫化氢选择性氧化反应。反应的主要过程为克劳斯反应以及硫化氢和氧气在固体催化剂于一定温度和压力下，发生硫化氢选择性氧化反应和克劳斯反应，方程式如下所示： 4.1 反应条件经过对文献的详细分析以及对工程的实际考察本反应的最优反应温度范围为210-230，最优的反应压强范围为0.013-0.016MPa。（1） 反应器为列管式固定床反应器。（2） 管间可采用饱和低压水强制外循环换热，饱和中压水进出口温度 120，饱和中压水对管壁传热系数，根据本工艺实际换热介质，取。（3）在，下反应混合物有关物性数据如下：热导率粘度本反应具体操作参数如下表以及转换率如下表所示：生产规模（针对此反应器）年处理硫化氢3455吨年处理二氧化硫13.2吨反应温度（）220反应压强（MPa）0.117硫化氢转化率（%）99.95二氧化硫转化率（%）91.874.2 催化剂本反应采用超级克劳斯反应新型专用催化剂CT6-8钛基催化剂和CT6-9选择性氧化催化剂，采用天津石化总厂填料专利技术，进行双层填料，即在同一反应器中装填两种催化剂，两种专用催化剂具有相同的平均粒径，堆密度以及空速。4.2.1 CT6-8钛基催化剂（1）活性组分钼、钴：组分钼的作用是防止活性组分钯产生氧化凝聚，使钴在载体上维持良好的分散状态。（2）载体二氧化钛：承载活性组分及助催化剂，使其在载体表面上呈高度分散状态。（3）结构：CT6-8钛基催化剂催化剂为球形颗粒。 催化剂规格反应温度（）200-270反应压强（MPa）0.115空速/h-1500-1500钼含量（%）0.8钴含量（%）1.1当量直径dp/mm44.2.2 CT6-9选择性氧化催化剂（1）活性组分铁、钴。（2）载体氧化铝：承载活性组分及助催化剂，使其在载体表面上呈高度分散状态。（3）结构：CT6-9铝基催化剂催化剂为球形颗粒。 催化剂规格反应温度（）190-250反应压强（MPa）0.113-0.125空速/h-1500-1200铁含量（%）不祥钴含量（%）不祥当量直径dp/mm44.3 物料衡算每小时需要处理硫化氢的质量：每小时需要处理二氧化硫的质量：为保证所设计的装置能够达到所要求的生产能力，并且考虑物料的损失等因素，实际进料情况如下：实际每小时硫化氢的质量为：实际每小时二氧化硫的质量为：物料衡算表物流进口（kmol/h）出口(kmol/h)H20.0003720.000372O29.101.487N279.079.0CO210.612.01H2S12.70COS1.410SO20.002570.564H2O364376.5S0.004713.6Total Flow kmol/h4774714.4 反应器的计算4.4.1 催化剂床层体积原料的体积流量，反应的空速为，则每个反应器催化剂床层体积的体积为：4.4.2 催化剂床层直径根据文献可取空床操作气速；床层直径：取；4.4.3 催化床层高度本反应采用超级克劳斯新型专用催化剂，两种催化剂平均粒径，选定管子，故管内径。由 查化工反应工程教材图得床层孔隙率为，则床层高度为：圆整后取 。4.4.4 装填催化剂的量催化剂床层孔隙率为，孔径为，比表面积为；堆积密度为。则反应器所需催化剂总质量为：4.4.5 反应器管数由于给定管子，故管内径，即为；管长为，催化剂充填高度； 故： 反应器管数为根,呈正三角形排列。 4.4.6 反应器壳体直径反应器管数为根，每个反应器采用错列正三角形排列。采用焊接法，则管心距为：管束排列方式如下图所示： 横过管束中心线的管数为： 壳体直径为： 其中为管束中心线最外层管的中心至壳体内壁的距离，考虑本工艺的实际情况，取： 则壳体直径为：；圆整取；4.4.7 折流板设计本工艺采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的，则切去的圆缺高度为：折流板间距：折流板数量为：折流板厚度为。4.4.8流体力学计算反应器单管体积： 反应器单管横截面积：反应器单管摩尔流量：进料时混合气体的平均分子量 ：进料的质量通量：4.4.9 反应总传质系数总括给热系数和传热介质的给热系数总括给热系数相对于空管传热过程中的管内壁的给热系数，是床层内对流、传热和辐射三种传热的综合，其数值比相同空管流速下的管内壁给热系数大得多，关联值的经验公式有许多，其中比较简单的是公式：当床层被加热时（吸热反应）：当床层被冷却时时（放热反应）：式中：反应管内径，单位 。气体质量通量，单位 。气体粘度，。气体导热系数，颗粒直径，选择性氧化反应器中的反应为放热反应，采用式进行计算总括给热系。查水蒸汽的给热系数外为。以管内床层某截面上平均温度与同一截面上管外传热介质温度之差定义的总传热系数可用下式计算：由式 气体平均导热系数：；所以 ；查文献资料可得 ；所以 。换热面积校核：整个反应器床层可视为等温，为230，则传热推动力由Aspen可得Q=3265200kJ/h。需要传热面积：；实际传热面积为；A实A需，故能满足传热要求。4.4.10 气体在均匀固体颗粒的固定床中流动时产生的压降气体在均匀固体颗粒的固定床中流动时产生的压降由下式表示:修正的雷诺数:（1） 床层空隙率 ；（2） 气体的密度；（3） 粘度：；（4） 床层高度：；（5） 气体总质量通量：；（6） 空床平均流速；（7） 面积当量直径：； 压降在小于范围内,满足设计要求。4.5 反应器结构设计4.5.1反应器壳体壁厚设计由于反应器为内压容器，其厚壁的计算公式为：式中：；操作时可能的最大压力，内压容器取；材料在操作温度范围内的许用应力，；焊接系数，单面焊取，双面焊取；偏差余量；腐蚀裕量，根据材料和介质的腐蚀性质在之间选择；为壳体内径，；由于该反应操作在温度为，压强在下进行操作，选用材料为 Q345R 低合金钢，根据 GB 6654压力容器用钢板和GB 3531低温压力容器用低合金钢板规定，腐蚀裕量，焊接方式选用双面焊接，所以焊接系数。考虑到可能出现飞温现象，设计压力取操作时可能的最大压力为，最大操作温度取，的许用压力(厚度)；代入计算得：由查表得负偏差，；根据GB150-2011中厚度要求，取名义厚度；复验，故最后取，则反应器可以用厚度为厚的Q345R低合金钢制作。所以反应器直径；4.5.2 反应试验及其强度校核Q345R低合金钢在设计温度为下许用压力，设试验温度为，则反应器的试验压力为： ；压力试验的校核公式：； 式中：试验压力下圆筒的应力，； 圆筒内直径，； 圆筒的有效厚度； 圆筒材料在试验温度下的屈服点； 圆筒的焊接接头系数；有效壁厚：；将数据代入校核公式得试验条件下的计算压力为：查资料可得，则： 可见，强度足够。4.5.3 反应器接管设计（1）反应器进料管：选择性氧化反应为气固相催化反应，进料体积流量为，进入反应器气体流速取；所以接管内径：；采用无缝钢管，公称直径；校核：选择的钢管，此时其管内的线速度为： （2） 反应器出料管：选择性氧化反应为气固相催化反应，出料体积流量为，流出反应器气体流速同样取；采用无缝钢管，公称直径；校核：选择的钢管，此时其管内的线速度为： 4.5.4 气体分布板设计（1）气体分布板的形式：工业应用的气体分布板形式很多，主要有直流式、侧流式、填充式、短管式，以及无分布板的漩流式。此反应器选用侧缝式锥帽分布板。（2） 分布的压降分布板的压降可用下式表达：式中：-操作孔速，；-分布板的开孔率；-分布板的阻力系数，一般为，对于侧缝帽分布板为。-气体密度，；理想的气体分布板压降必然是同时满足均匀布气和具有良好稳定性这两个条件的最小压降。【1】均匀布气压降Richardson 建议分布板的阻力至少应是气流阻力的倍，即：；【2】 稳定性压降Agarwal等指出，稳定性压降应不小于列管式固定床层压降的，即并且在任何情况下，其最小约为。由此，分布板的最小压降可表示为：；这里，均匀布气压降就成为次要问题，只考虑稳定性压降就可以了。所以： ；床层压力降；式中：-压力，；-修正的抹摩擦系数；-催化剂床层孔隙率；-气体密度，；气体总质量通量：；颗粒直径，； 气体粘度， ；所以板厚：板厚取；孔数和孔径的确定，取孔径，则孔数为：在分布板中心部分按等边三角形排列，这样，每一圈是正六边形，最外圈为同心圆排列，同心圆与正六边形之间的大空隙处，适当补加一些孔。设孔间距为s,有公式 ， 则：，取锥帽外径，实际排孔数个，此时核算：，所以设计满足要求。4.5.4 反应器封头设计本工段工艺采用列管式固定床反应器，选择标准椭圆形封头，形状系数，则有。封头的壁厚为反应器壁厚，材料为，最终确定椭圆形封头直径为，壁厚为。反应器的封头选用标准椭圆型封头，内径与筒体相同，封头采用不锈钢材料制造。标准椭圆形封头是中低压容器中经常采用的封头形式,其最新的标准为JB/T4746-2002.该标准规定以内径为公称直径的标准椭圆形封头(代号EHA)的直边高度只与公称直径有关。时，直边高度为 。 时，直边高度为 。由于所设计的筒体公称直径 ，所以直边高度为 ；高度为，其中直边高度为，圆边高度为。4.5.5 反应器支座设计 如果反应器下部封头材料为低合金钢或高合金钢时，在裙座顶部应增设与封头材料相同的短节，操作温度低于度或高于度时，短节长度按影响范围确定。通常短节长度可定为保温层厚度的倍，因为该反应器封头采用的为低合金钢，故在裙座顶部增设长的短节。 选用圆筒形裙式支座，材质为Q245R(正火)，裙座与塔体的连接采用对接式焊接，裙座筒体内径等于筒体外径，座椅裙座筒体直径为，筒体厚度，地脚螺栓座的结构选择外螺栓座结构型式。4.5.6 反应器高度筒体高度：；裙座高度：；封头高度：；反应器高度：。4.5.7 反应器拉杆设计由于反应器的管子规格为，经查得拉杆的直径为。拉杆螺纹公称直径为，倒角为，拉杆数量为根。4.5.8 冷却剂用量（1）热负荷由aspen模拟数据知原料带入的热量为Q1，产物带出的热量为Q2，反应热为Q3如下：Q1=39000kJ/h，Q2=59000kJ/h，Q3=177466kJ/h.；当忽略热损失时：Q1+Q3=Q2+Q4代入数据，冷却水带走的热量Q4为：（2）冷却剂用量该反应为放热反应，而且反应温度需要控制在210-240，本工艺选用入口温度为124的加压热水做作为载热体，出口温度为127。反应器需要冷却剂量为：4.5.9 反应器接管法兰设计反应器常采用的法兰结构形式有整体法兰、螺纹法兰、承插焊法兰、平焊法兰、对焊法兰和松套法兰；法兰的密封面形式分为平面、突面、环连接面、凹凸面和榫槽面5种形式。法兰的结构形式和密封面形式可根据使用介质，设计压力，设计温度和公称直径等因素来确定。根据 HG20583-1998钢制化工容器结构设计规定，对于低压管道，采用凹凸面密封连接，带颈平焊法兰，根据管径和HG20616-1997 选用下面其中的合理的法兰尺寸(mm)。 4.6 反应器连接结构设计4.6.1 壳体与管板的连接结构壳体与管板的连接形式，分为两类：一是不可拆式，如固定式管板换热器管板与壳体是用焊接连接；一是可拆式，管板本身与壳体不直接焊接，而通过壳体上法兰和管箱法兰夹持固定。本工艺根据反应器的结构需要选择可拆式的连接方式。4.6.2 管箱与管板的连接结构管箱与管板的连接结构形式较多，随着压力的大小、温度的高低以及物料性质、耐腐蚀情况不同，连接处的密封要求，法兰形式也不同。本工艺所用的固定式管板与管箱的连接结构较简单，采用螺栓法兰结构连接，考虑的管程介质的密封求以及加工制造方便性，法兰之间采用平面密封形式。4.6.3 反应管与管板的连接结构本工艺考虑到反应器的密封性能要求较高且管板要承受管束振动及疲劳载荷的作用，因此采用胀焊结合的连接结构，先进行强度焊后加贴胀。强度焊是保证列管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度，贴胀是消除列管与管孔之间缝隙的轻度胀接。4.6.4 管板法兰及管板的结构设计根据反应器的初步结构确定，本工艺采用固定式管板兼做法兰。管箱法兰与管板法兰通过螺栓连接，螺栓数目为36个。采用SW6-2011软件校核如下所示：固定管板换热器设计计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所设 计 计 算 条 件壳 程管 程设计压力 0.15MPa设计压力 0.15MPa设计温度 250设计温度 250壳程圆筒内径Di3560mm管箱圆筒内径Di3560mm材料名称Q345R材料名称Q345R简 图计 算 内 容壳程圆筒校核计算前端管箱圆筒校核计算前端管箱封头(平盖)校核计算后端管箱圆筒校核计算后端管箱封头(平盖)校核计算膨胀节校核计算管箱法兰校核计算开孔补强设计计算管板校核计算筒体法兰校核计算前端管箱筒体计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件筒体简图计算压力 Pc1.00MPa设计温度 t250.00 C内径 Di3560.00mm材料Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s185.00MPa设计温度许用应力 st157.00MPa试验温度下屈服点 ss325.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f0.85厚度及重量计算计算厚度d = = 13.39mm有效厚度de =dn - C1- C2= 17.70mm名义厚度dn = 20.00mm重量17657.11Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 1.4729 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下圆筒的应力sT = = 175.13MPa校核条件sT sT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力Pw= = 1.32044MPa设计温度下计算应力st = = 101.06MPastf133.45MPa校核条件stf st结论筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度15.00mm,合格前端管箱封头计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc1.00MPa设计温度 t250.00 C内径 Di3560.00mm曲面深度 hi860.00mm材料Q345R (板材)设计温度许用应力 st157.00MPa试验温度许用应力 s185.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25Pc= 1.4729 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 164.41MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = = 1.0473计算厚度dh = = 14.00mm有效厚度deh =dnh - C1- C2= 19.70mm最小厚度dmin = 10.68mm名义厚度dnh = 22.00mm结论满足最小厚度要求重量2366.42Kg压 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 1.40650MPa结论合格后端管箱筒体计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件筒体简图计算压力 Pc1.00MPa设计温度 t250.00 C内径 Di3560.00mm材料Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s185.00MPa设计温度许用应力 st157.00MPa试验温度下屈服点 ss325.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f0.85厚度及重量计算计算厚度d = = 13.39mm有效厚度de =dn - C1- C2= 17.70mm名义厚度dn = 20.00mm重量17657.11Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 1.4729 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下圆筒的应力sT = = 175.13MPa校核条件sT sT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力Pw= = 1.32044MPa设计温度下计算应力st = = 101.06MPastf133.45MPa校核条件stf st结论筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度15.00mm,合格后端管箱封头计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc1.00MPa设计温度 t250.00 C内径 Di3560.00mm曲面深度 hi860.00mm材料Q345R (板材)设计温度许用应力 st157.00MPa试验温度许用应力 s185.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25Pc= 1.4729 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 182.94MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = = 1.0473计算厚度dh = = 14.00mm有效厚度deh =dnh - C1- C2= 17.70mm最小厚度dmin = 10.68mm名义厚度dnh = 20.00mm结论满足最小厚度要求重量2148.31Kg压 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 1.26404MPa结论合格壳程圆筒计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件筒体简图计算压力 Pc0.60MPa设计温度 t200.00 C内径 Di3560.00mm材料Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s185.00MPa设计温度许用应力 st170.00MPa试验温度下屈服点 ss325.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f0.85厚度及重量计算计算厚度d = = 7.41mm有效厚度de =dn - C1- C2= 17.70mm名义厚度dn = 20.00mm重量17657.11Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.8162 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下圆筒的应力sT = = 97.05MPa校核条件sT sT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力Pw= = 1.42977MPa设计温度下计算应力st = = 60.64MPastf144.50MPa校核条件stf st结论筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度15.00mm,合格开孔补强计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所接 管: N1, 78822计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔设 计 条 件简 图计算压力 pc1MPa设计温度250壳体型式椭圆形封头壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di3560mm壳体开孔处名义厚度n22mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t157MPa椭圆形封头长短轴之比2.0698凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角()0接管实际外伸长度600mm接管连接型式插入式接管接管实际内伸长度50mm接管材料Q345R接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离349mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t0mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力t120#MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算非圆形开孔长直径751.66mm开孔长径与短径之比1.0049壳体计算厚度12.402mm接管计算厚度t3.113mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr0.7643开孔补强计算直径 d751.66mm补强区有效宽度 B1503.3mm接管有效外伸长度 h1128.59mm接管有效内伸长度 h248mm开孔削弱所需的补强面积A9439mm2壳体多余金属面积 A15417mm2接管多余金属面积 A24640mm2补强区内的焊缝面积 A350mm2A1+A2+A3= 10107mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 合格注：带#号的材料数据是设计者给定的。开孔补强计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所接 管: N2, 60020计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.6MPa设计温度200壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di3560mm壳体开孔处名义厚度n20mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t170MPa筒体周向斜接管偏心距离(mm)300凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角()接管实际外伸长度600mm接管连接型式插入式接管接管实际内伸长度50mm接管材料Q345R接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t0mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力t120#MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算非圆形开孔长直径572.3mm开孔长径与短径之比1.0147壳体计算厚度7.4064mm接管计算厚度t1.4035mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr0.7059开孔补强计算直径 d564mm补强区有效宽度 B1128mm接管有效外伸长度 h1106.21mm接管有效内伸长度 h248mm开孔削弱所需的补强面积A4256mm2壳体多余金属面积 A15697mm2接管多余金属面积 A23573mm2补强区内的焊缝面积 A35mm2A1+A2+A3= 9274mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 合格注：带#号的材料数据是设计者给定的。膨胀节计算和校核计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算条件膨胀节结构示意图设计压力 Pc0.6MPa设计温度 t200 C膨胀节结构与壳体搭接膨胀节管子外直径do15mm膨胀节管子名义厚度d5mm膨胀节管子腐蚀裕量C22mm膨胀节短节名义厚度d215mm膨胀节短节腐蚀裕量C222mm壳体外直径 Do3600mm壳体名义厚度 d120mm壳体腐蚀裕量 C212mm膨胀节开槽间距 L230mm壳体端部间距 L325mm1膨胀节与壳体搭接膨胀节开槽处高度 h10mm膨胀节的半波数 Nd2膨胀节材料13MnNiMoR膨胀节材料在设计温度下许用应力 st180MPa膨胀节材料在设计温度下弹性模量 Et120MPa膨胀节所受到的轴向力12.3572N膨胀节设计疲劳次数N5壳体材料Q345R壳体材料在设计温度下许用应力 st170MPa膨胀节刚度 Kex1N/mm膨胀节的轴向位移mm2膨胀节与壳体对接计算结果壳体有效厚度 d1017.7mm膨胀节短节有效厚度d2012.7mm膨胀节管子平均直径 dm10mm膨胀节管子有效厚度d02.7mm壳体有效长度 L1 = 120mm膨胀节管子径向薄膜应力 1.11111MPas1 st , 合格壳体、膨胀节短节和膨胀节管子组合截面上的环向薄膜应力：膨胀节与壳体搭接= 105.709MPa膨胀节与壳体对接=MPas2 stmin = 170 , 合格轴向位移产生的应力：= 24.7145MPa内压和轴向位移同时作用时的合成应力： = 25.8256MPa允许疲劳循坏次数：奥氏体不锈钢=碳钢或低合金钢=N N,结论： 合格不带法兰固定式管板计算(c)设 计 单 位中航一集团航空动力控制系统研究所设 计 计 算 条 件简 图壳程圆筒设计压力Ps0.6MPa设计温度 t200平均金属温度 0装配温度 15材料名称Q345R设计温度下许用应力170MPa平均金属温度下弹性模量2.023e+05MPa平均金属温度下热膨胀系数1.076e-05mm/mm壳程圆筒内径 3560mm壳 程 圆 筒 名 义 厚 度 20mm壳 程 圆 筒 有 效 厚 度 17.7mm壳程圆筒内直径横截面积 A=0.25 p Di29.954e+06mm2壳程圆筒金属横截面积 As=pds ( DI+dn )1.989e+05mm2管箱圆筒设计压力1MPa设计温度 250材料名称Q345R设计温度下弹性模量2.01e+05MPa管箱圆筒名义厚度20mm管箱圆筒有效厚度17.7mm换热管材料名称Q345R#管子平均温度 t0设计温度下管子材料许用应力 120MPa设计温度下管子材料屈服应力 180MPa设计温度下管子材料弹性模量 1.975e+05MPa平均金属温度下管子材料弹性模量 1.985e+05MPa平均金属温度下管子材料热膨胀系数1.2e-07mm/mm管子外径 d45mm管子壁厚2.5mm管子根数 n2385换热管中心 S