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氧化 反应器 设计 PDF 图纸 CAD 制图 文档

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摘 要化学反应器是化工生产过程中一系列设备中的核心设备。化工技术过程开发的成功与否很大程度上取决于反应器内流体的温度、浓度、停留时间及温度分布、停留时间分布的控制水平和控制能力。化工生产的工艺过程决定了反应器的结构型式，反应器的结构型式对工艺过程又有一个促进和完善的作用，同时反应器的结构型式在某种程度上也决定着产品的质量和性能。因此，化学反应器的选型、设计计算和选择最优化的操作条件是化工生产中极为重要的课题。本课题根据已知的均四甲苯催化氧化法制取均酐的最佳工艺参数，对其核心设备氧化反应器进行了结构选型和较为详细的结构设计计算，并对反应器的制造工艺进行了详细的说明，对反应器的制造、组装、检验及使用进行了说明。最终确定的反应器设备在满足结构合理性的基础上，实现了温度分布、浓度分布及反应时间等化工工艺参数的控制要求，使得产品质量和性能得以保证。关键词：反应器；结构设计；列管式固定床反应器；均酐装置AbstractChemical Reactors is the core equipment of a series of equipment in the course of chemical production. Chemical technology process development depends largely on the success of the fluid reactor temperature, concentration, residence time and temperature distribution, residence time distribution of the control level and control The chemical production process determines the structure of the reactor, the structure of the reactor also have a role of promoting and improving the process,at the same time the structure of the reactor to some extent also determines the quality and performance of products. Therefore, the selection of chemical reactors, design calculations and choosing the most optimal operating conditions are extremely important subject in chemical production. This topic made a selection and a more detailed design calculation for the Oxide reactor according to the known technical parameters, which is the core equipment for sym-Tetramethyl benzene catalyzed oxidated to Pyromellitic Dianhydride, and made a detailed description about the manufacturing process of the reactor，Of the reactor for the manufacture, assembly, testing and use are described。On the basis of the rational structure, the reactor meets the control requirements of chemical processing parameters including the distribution of temperature, the distribution of concentration and the reaction time, that makes the quality and performance of products be ensured.Key words: Reactor; Structural design; Tube fixed-bed reactor ; Equipments for Pyromellitic Dianhy65目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论.11.1 前言21.2反应器简介21.3反应器的分类21.4设计定义41.5相关工艺参数.41.6反应器型式的选择.51.7列管式反应器的概述.51.8操作考虑.7第二章反应器的工艺计算.82.1工艺流程概述82.2反应器的物料衡算及反应管的选择92.2.1物料衡算92.2.2 床层体积的确定102.2.3 反应列管管长、管径、管数的确定102.4.4 反应管排列方式及管间距的确定112.4 床层压降的计算122.5反应器的热量衡算122.6反应器壳层流体对壁给热系数的计算132.7壳程压降的计算142.8反应器管程进出口接管公称直径的确定15第三章 反应器的结构设计及强度计算173.1 概述173.2 壳体、管箱、封头厚度的确定及强度校核173.2.1壳体壁厚计算及强度校核173.2.2管箱壁厚的计算183.2.3管箱封头的厚度计算193.3管程水压试验强度校核203.4壳程水压试验强度校核213.5管箱法兰设计213.6 管板与壳体、管箱、反应管的连接结构设计222.6.1 壳体与管板的连接结构222.6.2 管箱与管板的连接结构222.6.3 反应管与管板的连接结构223.7管板法兰及管板的结构设计233.7.1垫片的选型与校核233.7.2 等头双头螺栓的选型253.7.3管板法兰的强度校核252.7.2管板的强度校核303.8膨胀节的结构设计423.8.1膨胀节结构选型423.8.2 膨胀节的设计计算及强度校核443.9安全防爆口设计483.10 催化剂支撑件的设计483.10.1支撑件的结构介绍482.10.2 复合弹簧的强度校核493.11支座的选用及强度校核.49 2.11.1 支座的选用及其载荷计算492.11.2 支座强度校核.503.12 其他零部件结构设计513.12.1反应器壳程熔盐通道的设计513.12.2 上、下分布板的结构设计52第四章 反应器的制造、组装、检验及使用534.1 材料选择说明534.1.1 主要受压元件534.1.2 焊接材料534.2 主要制造工艺534.2.1 主要零部件的制造534.2.2反应器的组装554.3 焊接工艺说明554.3.1材料的可焊性评价.564.3.2焊接材料的选择.57设计小结58致谢62参考文献.63附录. .65第一章 绪 论1.1前言本设计书是在均四甲苯空气气相氧化法制取PMDA的工艺基础上，根据毕业设计课题“氧化反应器结构设计”的整体设计过程编写而来的。全设计书共分为四章：第一章为前言部分对反应器作了简单的介绍。第二章为反应器的工艺计算。第三章为反应器的结构设计，主要对反应器内各受压元件进行了详细的强度设计及校核。第四章为反应器各部件的制造工艺及组装程序介绍。本设计中各部分严格按照各种规范及标准进行，在保证反应器结构合理的基础上，进一步确保产品的质量和性能。1.2 反应器简介反应器是一个在其中发生化学反应的容器或罐。它是化工生产过程中一系列设备中的核心设备，反应器的型式、尺寸大小等，在很大程度上决定着产量和质量，因此化学反应器的选型，设计计算和选择最优化的操作条件是化工生产中极为重要的课题。反应器可由各种材料制成，材料的选择取决于反应发生时的温度和压力以及所要求的抗腐蚀性.反应器也可能有多种类型，这取决于所用反应所需催化剂的种类以及反应物和产物的物理特性。反应器的简图如图1-1。图1-1反应器简图1.3 反应器的分类19反应器的化学反应多数都是伴随有催化剂的，按照催化作用则反应器可分为均相反应器和非均相反应器。 均相催化反应器可以与非催化作用的反应器相似地进行分类。一种标准是存在的相数，另一种标准是返混程度。因此，可有均相气相反应器、均相液相反应器和均相气一掖相反应器。也可以有均相塞流管式反应器和均相连续搅拌罐式反应器。 对装有非均相固体催化剂的反应器，一种分类标准是根据在反应器中的催化剂颗粒是否移动，以此为根据，可以规定有下列类型: 1.如果颗粒固定在位置上成为密相固定床，则为固定床反应器.2.如果颗粒堆积在缓慢移动的密相床中，排出某些结垢的颗粒并加入某些新鲜的颗粒，则为移动床反应器。本书不讨论这种类型的反应器，因为它们在许多方面与固定床反应器类似。但是，移动床反应器在催化剂结垢和再生方式方面与固定床反应器有根本的区别。3.如果催化剂颗粒被向上流动的气体托住如流化床那样，则为流化床反应器。如前言中举出的理由，这类反应器在本书中不加讨论.4.如果催化剂颗粒悬浮在液体中，则为悬浮床反应器。 悬浮床反应器可再细分为下列几类: （1）.如果催化剂悬浮在机械搅拌的液体中，则为连续搅拌罐式反应器。（2）.如果催化剂是用上升的气泡维持悬浮在液体中，则为鼓泡反应器或淤浆反应器。 （3）.如果催化剂是悬浮在向上流动的液体中，则为沸腾床反应器。 （4）.如果催化剂悬浮在液流或气流中，而液流和气流强大到足以在反应系统中携带这些催化剂，则为三相传递式反应器，划分均相和非均相反应器的另外一个标准是它们的操作方式，即是间断、半连续或连续式操作。但是，大多数重要的工业操作都为连续运转，而仅仅在间断式操作有特别充足的理由时才设计间断操作的反应器。 另外一种普遍适用的反应器分类标准是反应器内部的温度分布。假如反应器内部各点温度都是不变的，而且不随时间而变化，则反应器称为恒温的.但如反应器各部分温度是变化的，则反应器称为非恒温的。 还有另外一种反应器分类标准是反应器和器外部之间的换热程度。如果不换热，反应器称为绝热反应器，而如果有某种程度的换热，则称为非绝热反应器。 还有另一种反应器分类标准是反应中包括的相数。当然，相计算相数时，固体催化剂不应算为一相。只处理气体的反应器叫做气相反应器，而那些处理两相反应的叫做气一液相反应器， 我们可用上述几种分类标准把非均相反应器划分为下列几类:固定床反应器固定床气相反应器恒温反应器绝热反应器非恒温非绝热固定床反应器 固定床气-液相反应器 滴流床反应器 固定床鼓泡反应器悬浮床反应器. 连续搅拌罐式反应器 淤浆反应器沸腾床反应器 三相传递式反应器1.4 设计定义反应器的设计包括:1.确定反应器的类型和型式并计算从给定的原料产生所要求数量的一种或几种产物的反应器尺寸(工艺设计)。2.确保计算的反应器是热稳定的和安全的，并且不会导致反应失去控制(稳定性研究).3.选择适当的结构材料、壁厚和内件，以便反应器的结构强度能经得住反应条件以及反应混合物的腐蚀作用(机械设计)。1.5 相关工艺参数设计参数：名 称管程操作压力MPa管程操作温度壳程操作压力MPa壳程操作温度 换热面积 m氧化反应器二酐空气0.04250-375熔盐1.5380-385165设计压力一般取值为最高工作压力的1.051.10倍；设计温度是反应器的设计的最高温度，工作温度一定小于设计温度。所以取管程的设计压力为MPa，设计温度400；壳程的设计压力为 MPa，设计温度400。1.6 反应器型式的选择本次设计的反应器主要用于均四甲苯催化氧化制取均苯四甲酸二酐，生产能力为100T/a。由于该反应在反应过程中大量放热，反应的热点温度为435445，为了保证反应在最适宜的温度下进行，在保证床层温度的同时还需要将氧化反应产生的多余的热量及时地移走，因此需要带有传热的反应器，应为这个反应大量放热，为了避开完全氧化作用成为占统治的温度范围，所以必须仔细加以控制。因此需本设计采用列管式固定床反应器。1.7列管式反应器的概述26对于反应热效率大、收率对温度敏感、又要求高转化率和高选择性的反应过程，列管式固定床反应器是可供选用的比较理想的反应设备，目前在苯醉、顺瞥、乙二醇、醋酸乙烯、异丁醛氧化等生产过程中都有应用。我国已有的和在建的大型列管式固定床反应器基本上都是引进的，它们都采用全焊结构，从国外制造后整体运进现场，无法了解反应器内部结构及其设计方法。与国外相比，我国自行设计的列管式固定床反应器在工艺水平和规模上都有较大的差距，其问题之一是:规模较小且存在着径向温差。国外的同类反应器直径可达6m以上，但径向温差小于3 0C。径向温差过大，会使反应选择性下降，增加单耗和能耗，催化剂局部结焦严重，影响产品质量。以苯醉生产过程为例，反应温度过低，反应不完全;反应温度过高，发生过氧化反应;两者均使产品收率降低。 列管式固定床反应器管外流体流动的主要要求是:反应器的综合性能要保持单管的水平，并且能迅速导出反应管内产生的反应热，以保证管间载热体沿径向的温差尽可能小，使各反应管处在相同的介质温度下运行。反应器按壳程流体流动方式可分为平行流和错流两种式型。见图1-2。图1-2列管式固定床反应器的流动型式示意图对15000根反应管以下的反应器一般采用平行流型，而对于15000-20000根以上的反应器采用传热效果较好的错流型，但熔盐泵的能耗相应也增大。如何保证管间充分均匀的热传递是列管式固定床反应器均布设计的关键，这也是一个与载热体流体力学密切相关的技术问题，为此，根据反应器管外流动特点和管内反应的要求，对反应器的设计采取以下几个方法:1、环形通道的开孔设计，给出环形通道等量分流或等量合流时侧壁开孔的规律和设计计算方法。2、平行流反应器管间流动设计，提出平行流固定床反应器管间载热体流动的数学模型，据此来设计工业反应器的分布板，在板上合理开设环隙孔或附加开孔，实现管间的均匀传热。3、错流型反应器管间流动分布设计，提出解决错流列管式固定床反应器传热不均的途径，并在此基础上给出圆盘一圆环形折流挡板环隙开孔设计计算方法。1.8 操作考虑工艺设计师和机械设计师都必须牢记反应器的操作方法。虽然设计总是以最佳稳态操作条件为目的，但也必须能够满足开工和停工条件，特别是意外情况下的开、停工。如果必须按反应器内再生来设计固定床反应器，则机械设计不仅必须满足一组而是要满足二组温度一压力条件.例如，一个芳烃预处理反应器，装满担体为氧化铝的钻铝催化剂，当物流处于稳态时，可在加200-250和40-60bar ( 4000-6000k Pa)压力下操作。但是，如果反应的催化剂必须在反应器内再生时，再生气体(含氧0., 5呱的氮气)在严密控制下烧焦后温度可上升到高达550,如果氮气中的氧允许超过5%，燃烧气体的高温可能有危险并使反应器强度变弱.因此，预处理器要设计得能抗住两组操作条件:1. 操作时，300 0C，70bar(7000kPa)2. 再生时，5000 C 5bar(500kPa)第二章 反应器的工艺计算工业反应器设计的任务是根据给定的生产能力以及工艺参数，确定反应器的型式和适宜的尺寸及其相应的操作条件，使反应过程有最大收益。本章在确定了反应器型式的基础上，进行了必要的工艺计算，最终确定了反应器的总体结构。2.1 工艺流程概述 均苯四甲酸二酐的化学名称为 1 ,2 ,4 ,5 苯甲酸二酐 ，简称 PMDA，是一种重要的化工原料，用途极其广泛。均苯四甲酸二酐的生产方法较多，由于采用原料不同，选择的工艺路线也不一样，即使同一中原料其生产工艺也有多种。本设计是根据南京紫金化工厂的生产工艺来设计的氧化反应器。该厂运用的也是我国目前主要的PMDA生产方法。即以均四甲苯为原料采用空气催化氧化法制得PMDA。其主要反应为：均四甲苯催化氧化法制取PMDA的工艺过程包括氧化，水解，精制及干燥四个工段，氧化反应器即是氧化工段的核心设备。在氧化工段固体原料均四甲苯经加热熔化、汽化后，与空气混合预热到一定温度后加入到氧化反应器中，催化氧化生成均酐及少量副产物，经换热冷却在捕集器中凝华捕集得到均酐的粗产品。2.2反应器的物料衡算及反应管的选择2.2.1物料衡算已确定本反应器的生产能力为100T/a，假设年工作7200h,根据文献23中关于均四甲苯催化氧化制取均酐的中试实验结果有如下数据：主反应的选择性为0.65；均四甲苯原料纯度0.98；均酐相对均四甲苯的收率为0.86；反应最适宜空速为37004200 h；熔盐温度为：380-3900C；催化剂复合：50-60g/(L.h)；一捕入口温度：210-2200C.由生产要求，每小时需生产的均酐量为：=14 kg/h （2-1）理论上每小时需加入均四甲苯的量为：=16.28 kg/h （2-2）考虑到反应的选择性以及原料的纯度，实际需加入均四甲苯的量为： kg/h （2-3） 则均四的摩尔流量为：n= Kmol/h （2-4）由理想气体状态方程：PV=nRT可求得均四体积流量为：V = （2-5） =24.16 m/h 根据中试的实验结果，取空气的体积流量 m/h 则由理想气体状态方程PV=nRT可求得空气的摩尔流量为： N = = = 17.3 Kmol/h （2-6） 2.2.2 床层体积的确定根据文献1表一取反应空速 =4000 h，已确定原料混合气总体积流量为Q = 3000m/h = 0.833 m/s 反应进行的时间 = = =0.00025 h (2-7）反应器所需的床层体积： = = = 0.75 m (2-8)2.2.3 反应列管管长、管径、管数的确定参考有关文献【26】，取反应气体在床层中的流动速度为=2.5 m/s ,则所需反应管长度 L= = 0.000263 2.5 3600 = 2.37 m,取标准管长为L= 2.5 m ,则反应气体在床层中实际流动速度为：= = = 2.64 m/s （2-9）根据设计要求反应器需要的传热面积为：F = ndL = 165 m 1 （2-10）反应器内气体实际的体积流量为 ：Q= n = 0.833 m （2-11）将已知数据L = 2.5 m ，= 2.78 m/s 分别代入 以上两式中，联立可求得：d =0.0203 m,圆整后取管径= 0.025 m。为满足要求实际取列管数为n =701根。参考文献，取302.5的标准钢管，材料为20号钢2.2.4 反应管排列方式及管间距的确定21考虑到反应器壳程介质干净，管外无需清洗，按照化工容器手册取管间距 a = 40 mm .列管采用正三角形的排列方式，根据作图实际排得管数为715根，除去测温管孔6个及拉杆管孔3个，实际装填催化剂的管数为706根，能满足生产要求。2.3 床层对壁给热系数的计算已知反应混合气的体积流量为 V = 3000 m/h，管数为n = 706 根，则每根管内气体流量为： V= = 4.25 m/h （2-12）则实际的空床气体流速为： = = = 1.79 m/s （2-13）则雷诺数 Re = = = 165.29 （2-14）反应过程中强放热，床层被壳层流体冷却，则根据有关文献床层对壁给热系数由以下公式求得： a= 3.5 （2-15） = 330.73 kJ/( mh) 2.4 床层压降的计算根据中试实验，本反应器采用的催化剂为，载体为粗孔不规则硅胶 ,活性组分为活性炭，采用喷涂法制备。催化剂的床层空隙率 = 0.54，床层压力降计算公式为： = = 5.6 KPa （2-16）5.6 KPa 15%设计压力= 6.6 KPa 合适其中为修正摩擦系数【20】，考虑到壁效应的影响，摩擦系数 = 2.952.5反应器的热量衡算 由本章第一节中的物料衡算，已求得反应器进出口的物料配比情况，热量衡算的基准温度取反应气体进口温度250，由手册【20】查得250400时，各物料气体的比热容数据如下表：组份ON平均热容2.060.9631.051.281.9680.983原料气带入热量Q = 0；反应后气体带走热量 Q= = 176579.4 kJ/h （2-17） 反应后放出热量Q = 137431.2 + 724437.3 = 861868.5 kJ/h (2-18)根据热量守衡定律，传给壳程熔盐的热量为：Q= Q- Q + Q = 685289.1 kJ/h (2-19)假设壳程熔盐质量流量为G kg/h , 已知熔盐进出口温度分别为380和385，熔盐比热为c= 0.32 kcal/(kg) = 1.34 kJ/kg故 G = = = 102281.96 kg/h (2-20)2.6 反应器壳层流体对壁给热系数的计算设计采用的熔盐组成为： = 3 2 （质量比），经计算熔盐混合物的平均物性数据【23】如下：密度= 1.85 g/ml = 1850 kg/ m ； 比热c = 0.32 kcal/kg= 1.34 KJ/kg； 粘度 =11.02 kg/mh； 热导率 = 0.45 kcal/ mh = 1.89 kJ/ mh 。则横过管束的最大流通截面积【15】为 ：A= = = 0.57 m (2-21)则壳程流体的给热系数为： a = 0.36 =1248.32 kJ/( mh) (2-22)2.7壳层压降的计算壳程压降可由寇恩公式【21】得出：P= P其中P，分别表示管束、导流筒、壳程进出口管嘴处的压降，为壳程压降结垢校正系数。壳程流体的质量流速 ： = = 1850 0.027 = 49.95 kg/msa）壳程导流筒入口处质量流速壳程导流筒入口处质量流速取 2230 kg/ms【25】来估算壳程进出口处的流速，将 = 1850 kg/ m代入上式得到 1.1 m/s,故取 = 1.1 m/s，于是 = 1.1 1850 = 2035 kg/msb）壳程流体的圆管摩擦系数 已知壳程当量直径 De = 0.036 ，则壳程进出口处的雷诺数 Re = = 3600 = 2.4 (2-23)根据Re查手册【21】可得= 0.1，近似取 8 ，则将所有已知数据代入压降计算公式【20】中有： P= = 6.74 Pa； = (2-24) = 8954 Pa = 1.5= 1.5 (2-25)= 1678.875 Pa =P+ + =10640.6 Pa1640mm） =1.65MPa=0.486则计算厚度:= 则反应器的设计厚度为：= =10.43+1.5=11.93 mm；取筒体名义厚度为12 mm。检查, 没有变化, 故名义厚度12mm合适c.筒体强度校核取C1=0筒体有效厚度： =- C1- =12-0-1.5=10.5 mm设计温度下圆筒的计算应力 = (3-2)= 8.9 MPa t=861=86 MPa 8.9 MPa86 MPa 故满足要求3.2.2 管箱壁厚的计算管箱材料选择选用任用20R（物质特殊要求，尿素腐蚀性）1筒体厚度计算式为： 根据钢管标准GB13296，GB/T14976：5 厚度18mm 取许用应力 =1 (3-3)= 管箱筒体的设计厚度为 = = 0.31+1.5=1.81 mm 取筒体名义厚度为10 mm.检查没有变化，故名义厚度10mm合适筒体有效厚度： =- = 1001.5=8.5 mm 设计温度下圆筒的计算应力： =5.69 MPa=861=86 MPa 5.69 MPa 水压试验安全3.4 壳程水压试验强度校核取试验温度为常温20，筒体水压试验压力3.19 MPa. （3-6） 则在试验压力下壳程圆筒的薄膜应力： MPa （3-7）壳程所用材料20R在常温时的屈服极限 245 MPa，故： Mpa （3-8） 水压试验安全3.5 管箱法兰设计换热器常采用的法兰结构形式有平焊法兰和对焊法兰，法兰的密封面形式分为平面、凹凸面和榫槽面。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，采用凹凸面连接，对于管箱法兰，我们选用凹面法兰见图3-2。图3-2 等径平焊钢制法兰根据反应器的结构需要，管箱法兰选择标准法兰。选择甲型平焊法兰JB/470192 A 12000.25，密封面形式为凹型。可选取的法兰标准见表3-1 由=0.044MPa，可选取的法兰标准见表3-1表3-1 法兰标准DND12001395134012981278127584hadR1854821301522323.6 管板与壳体、管箱、反应管的连接结构设计3.6.1 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。本设计根据反应器的结构需要选择可拆式的连接方式。3.6.2 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。本设计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要求以及加工制造方便性，法兰之间采用凹凸面密封形式。3.6.3反应管与管板的连接结构本设计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。3.7 管板法兰及管板的结构设计 根据反应器的初步结构确定，本设计采用固定式管板兼做法兰。如图3-3图3-3管板与壳体、管箱的连接方法管箱法兰与管板法兰通过螺栓连接，螺栓数目为36，螺栓材料为40MnB。3.7.1垫片的选型与校核根据反应器法兰的结构需要，选取缠绕垫与法兰、紧固件选配表见表3-2表3-2 垫片、法兰、紧固件选配表垫片型式使用压力密封面型式密封面表面粗糙度法兰型式最高使用温度紧固件型式紧固件材料牌号缠绕垫2.0-26凹面Rt3.2-6.3带颈平焊法兰， 650双头螺柱25Cr2MoNA垫片采用JB/470292 石棉缠绕片。垫片系数m=2,比压 y=11,按GB1501998表9-1压紧面形式1a，其标准尺寸为：，。如图3-4 垫片接触宽度为: （3-9）图3-4垫片的校核A垫片有效宽度: （3-10） 垫片有效密封宽度: （3-11） B垫片压紧力作用中心圆直径:由GB150-98图9-1所示活套法兰知，垫片压紧力作用中心圆直径即是法兰与翻边面的平均直径。当时，等于垫片接触的外径减去， （3-12） C垫片压紧力，由GB150-98知： 预紧状态需要的最小垫片压： （3-13） 操作状态需要的最小垫片压紧力： （3-14） 3.7.2 等头双头螺栓的选型由JB/T4707-2000取螺栓材料为35CrMoA，螺母材料为25CrMoA。且由JB/T4703-2000取螺栓规格为，伸出长度为，其具体尺寸按零件图中规定。如图3-5 图3-53.7.3 管板法兰的选型及校核3法兰的材料由JB4726知可选取锻件，其中， 1、法兰力矩预紧状态下的法兰力矩： （3-15） 式中： （3-16） （） （3-17） （3-18） （3-19） 而为作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力： （3-20） （3-21）为流体压力引起的总轴向力与作用于法兰截面上的流体压力引起的轴向力之差： （3-22） 故： （3-23） 法兰设计力矩 （3-24） （3-25） 法兰应力（整体法兰的应力） a. 轴向应力： 3-26 形状参数： （3-27） （3-28） 法兰内外径比值： （3-30） 由GB150-98图9-3得： 由GB150-98图9-4得： 由GB150-98图9-7得： 由，在GB150-98查表7-5，得表3-3：表3-3U1.866.7613.1514.45 （3-31） 3-32 （3-33） （3-34） （3-35） （3-36） （3-37）综上所得： （3-38）满足要求。b. 径向应力： 法兰有效厚度：， （3-39） 满足要求。c. 切向应力： （3-40） 66.08MPa满足要求。 综上所述，法兰校核满足要求。3.7.4 管板的强度校核按照GB151 管壳式换热器的管板计算程序，分别对只有管程压力作用的情况以及只有壳程压力作用的情况下分为考虑膨胀差和不考虑膨胀差等四种危险组合工况对管板的各种应力进行强度校核计算。 1、第一种计算工况（壳程压力作用下无温差的工况）：Ps=1.65MPa Pt=0.0MPa 不记入热膨胀差。 =0.0, =0.0当量组合压力 Pc=Ps-Pt(1+)=1.65MPa有效压力组合 Pa=-+Ett =4.411.65=7.27基本法兰力矩系数m=0.03 （3-41） 管板边缘力矩系数=m+0.03+1.090.003=0.033 管板边缘剪切系数=17.00.033=0.57管板总弯矩系数1.59 （3-42）=0.398 （3-43）=max(,),当m0时，按K和m查图5-5实线，得，=0.398管板布管区周边剪切应力系数0.063 （3-44）管板径向应力系数0.025 （3-45） 管板布管区周边处径向应力系数0.063 （3-46）壳体法兰力矩系数0.00351管板径向应力2=2 =160.4MPa管板材料在设计温度下的许用应力=142MPar1.5pt =1.5147=220.5MPa 合格管板布管区周边处径向应力2 =2=125.9MPar1.5pt =220.5MPa 合格管板布管区周边剪切应力p= （3-47）=15.25MPap0.5pt =0.5147=73.5MPa 合格壳体法兰应力2=2=107.8MPaf1.5ft=1.5147=220.5MPa 合格壳体圆筒轴向应力 （3-48）=20.6MPa cct=0.85159=135.15MPa 合格换热管轴向应力=-1.71MPat1.0=1.0111=111MPa 合格换热管与管板连接拉脱力q= q0.5tt =0.5111=55.5MPa 合格结论:第一种计算工况全部应力合格. 2、 第二种计算工况(壳程压力作用有温差工况)：Ps=1.8MPa,Pt=0.0MPa;记入热膨胀差.设定换热器组装温度为20换热管在金属温度下的热胀系数 t=1710-6mm/(mm)壳体在金属温度下的热胀系数 s=12.2010-6mm/(mm)换热管与壳程壳体的热膨胀变形差率： （3-49）=1710-6(105-20)- 12.2010-6(115-20) =0.0003=0.20370.0003206000=12.59 当量组合压力 Pc=Ps-Pt(1+)=1.65-0=1.65MPa有效压力组合 Pa=+Ett =4.411.65+12.59=19.86MPa基本法兰力矩系数=0.003 （3-50）管板边缘力矩系数=m+0.003+1.090.003=0.006管板边缘剪切系数0.102管板总弯矩系数 0.395 （3-51）G1e=0.1G1=max(G1e,),当m0时,按K和m查图5-5实线,得G1eG1=G1e=0.1管板布管区周边剪切应力系数0.0447 （3-52）管板径向应力系数0.00447 （3-53）管板布管区周边处径向应力系数 （3-54）= 0.01 壳体法兰力矩系数-0.00039管板径向应力2=2=256.7MPapt =3147=441MPa 合格管板布管区周边处径向应力2 =2 =70.2MPa3pt =3147=441MPa 合格管板布管区周边剪切应力 （3-55）=33.16 MPa 1.5pt =1.5147=220.5MPa 合格壳体法兰应力 2 =2=-24.93MPapt =441MPa 合格壳体圆筒轴向应力 （3-56）=39.44MPa ct=30.85159=405.5MPa 合格换热管轴向应力t= （3-57）=-61.3MPatcr=67.3MPa 合格换热管与管板连接拉脱力q= （3-58）q0.5tt =0.5111=55.5MPa 合格结论:第二种计算工况全部应力合格. 3、第三种计算工况（管程压力作用下无温差的工况）：Ps=0.0MPa Pt=1.65MPa 不记入热膨胀差。=0.0 ； =0.0当量组合压力Pc=Ps-Pt(1+)=-1.65（1+0.2307）=-2.03MPa有效压力组合Pa=-Ett =-6.461.65 =-10.7MPa基本法兰力矩系数= -0.006 （3-59）管板边缘力矩系数-0.006管板边缘剪切系数-0.102 （3-60）管板总弯矩系数-0.451 （3-61）系数当m0时=系数当m1.3=+=31.09/4.789+2.1/=0.775=0.775管板布管区周边剪切应力系数0.041 （3-62）管板径向应力系数-0.03 （3-63）管板布管区周边处径向应力0.01 （3-64）壳体法兰力矩系数-0.007管板径向应力2=2=209.3MPa （3-65）1.5 pt =1.5147=220.5MPa 合格管板布管区周边处径向应力 2=2=197.1MPa1.5pt =220.5MPa 合格管板布管区周边剪切应力-9.54MPa （3-66）0.5pt =0.5147=73.5MPa 合格壳体法兰应力2 =2=203.6MPapt =220.5MPa 合格壳体圆筒轴向应力 （3-67）=32.13MPa =49.91 MPact=0.85159=135.15MPa 合格换热管轴向应力t= （3-68）=36.6 MPat1.0111=111MPa 合格换热管与管板连接拉脱力q= （3-69）q0.5tt =0.5111=55.5MPa 合格结论:第三种计算工况全部应力合格.4、 第四种计算工况（管程压力作用有温差的工况）：Ps=0.0MPa Pt=1.65MPa 记入热膨胀差。设定换热器组装温度为20换热管在金属温度下的热胀系数 t=1710-6mm/(mm)壳体在金属温度下的热胀系数 s=12.2010-6mm/(mm)换热管与壳程壳体的热膨胀变形差率： （3-70） =1710-6(105-20)- 12.2010-6(115-20)=0.0003=0.20370.0003206000=12.59 当量组合压力 Pc=-Pt(1+) （3-71）=-1.65（1+0.2307）=2.03MPa有效压力组合 Pa=-+ （3-72）=-6.461.65+12.59=1.93MPa基本法兰力矩系数-0.04 （3-73）管板边缘力矩系数-0.04管板边缘剪切系数 管板总弯矩系数-5.07 （3-74）G1e=-1.27 （3-75）G1=max(G1e,G1l),当m0时,按K和m查数据图实线,得G1lG1eG1=G1e=0.86管板布管区周边剪切应力系数-0.01 （3-76）管板径向应力系数-0.016 （3-77）管板布管区周边处径向应力系数-0.04 （3-78）壳体法兰力矩系数-0.051管板径向应力 2=2=-24.95MPa （3-79）3 pt =3147=441MPa 合格管板布管区周边处径向应力2=72.9MP3pt =441MPa 合格管板布管区周边剪切应力-0.65MPa （3-80）1.5pt =0.5147=73.5MPa 合格壳体法兰应力2 =2=-273.88MPapt =441MPa 合格壳体圆筒轴向应力 （3-81）=39.89 MPact=0.85159=135.15MPa 合格换热管轴向应力t=（3-82）=-0.017MPat3=333MPa 合格换热管与管板连接拉脱力q= （3-83）q0.5 =0.5111=55.5MPa 合格结论:第四种计算工况全部应力合格.综述以上计算,四种计算工况的应力全部合格,计算结果显示管板的各种应力均小于相应条件的许用应力值，管板校核通过。3.8 膨胀节的结构设计3.8.1 膨胀节的结构选型在固定管板式反应器中，因壳程流体与管程床层之间具有温差，而壳体和反应管均与管板固定连接，在使用中会引起壳体和换热管之间的膨胀差，造成壳体和反应管受到轴向载荷，为避免壳体和列管拉伸破坏、列管失稳、列管从管板上拉脱等现象，必须在壳体中间设置一个良好的变形补偿元件膨胀节，以降低轴向载荷的作用。膨胀节结构图如图3-61-端板 2-波纹管 3-拉杆或定位螺杆4-螺母 5-内衬套 6-端管图3-6 膨胀节各部分名称根据GB16749 1997，本设计选用的波形膨胀节为：ZDL（1200）0.6161（N）（见图3-7），即膨胀节层数m=1；波数n=4;膨胀节厚度S=6 mm；材料为0Cr18Ni10Ti。图3-7 ZDL型（立式膨胀节）根据GB1511999对所选用的膨胀节进行强度校核，由计算结果可知所选用的膨胀节能够满足强度要求。见表3-4表3-4膨胀节的许用工作压力要求公称压力 PN(MPa)波纹管材料工作温度 0C100150200250300350400450许用工作压力MPa1.60Cr18Ni10Ti1.921.921.801.691.601.541.481.433.8.2 膨胀节的设计计算及校核1波形管有关符号见图3-8所示图3-8 U型波纹管波形管长度L为： （3-84） =335.2mm系数k=1 波纹管直边段平均直径D0 mm直边段加强圈的有效厚度Scmm直边段加强圈平均直径Dc=1216mm波纹管平均直径Dm考虑成型过程中厚度减薄时，波纹管一层材料的有效厚度Sp (3-85)查表取系数Cp=0.4,Cf=0.7,Cd=1.15取单薄波段长度为W=50mm取单波段的轴向位移e1=2.4取波纹管材料在室温下的弹性模量Eb= 取波纹管材料在设计温度下的弹性模量取加强圈材料在设计温度下的弹性模量其它各参数数值见表3-5 表3-5所选膨胀节各参数值公称直径DNmm波段外径Dn（mm）波高Hmm圆弧半径 Rmm直边长度L4mm膨胀节长度L(mm)平均截面积A(mm) 材料1200DN+2mS6014.2300Cr19Ni9，0Cr18Ni11Ti层数m单层厚度S（mm）单波最大位移量e1 (mm)单波轴向刚度k1N/mm单波重量Gkg1/2/36/3/2.52.4/4.8/5.9214897.4/55613.7/49464.240.5/40.5/51.1内压引起的波纹管直边段的周向薄膜应力： (3-86) = =97.59MPa内压引起的直边段加强圈周向薄膜应力为： (3-87) = =103.2 MPa内压引起的波纹管周向薄膜应力为：= (3-88) =59.71 MPa内压引起的波纹管径向薄膜应力为：= (3-89) =8.45MPa内压引起的波纹管径向弯曲应力为：= (3-90) =34.59MPa轴向位移引起的波纹管径向薄膜应力为： (3-91) = = MPa轴向位移引起的波纹管径向弯曲应力为： = = MPa组合应力=8.45+34.59=43.04MPa应力校核波纹管所各项应力应满足以下条件：a）、应分别小于或等于=108MPa20 b) 1.5= 合格 c) 对于奥氏体不锈钢材料波纹管当2=216MPa时，所以可不考虑低周疲劳问题。综上校核此膨胀节符合要求。3.9 安全防爆口设计20本反应设备采用爆破片作为安全泄放装置。防爆装置设置在管箱封头的两端，爆破片通过螺栓法兰结构夹持。根据GB1501998，确定容器的安全泄放量为反应气的进料量，= 1345.38 kg/h；则将已知数据代入得反应器进料口处爆破片排放面积为： (3-92)防爆口直径为： (3-93)取上防爆口公称直径为DN 250。采用同样的计算方法，根据计算结果且考虑到反应器出口处的静压较低，取下防爆口的公称直径为DN350。法兰形式表示为3：HG 2059297，PL2501.0 RF及HG 2059297，PL3501.0 RF。接管外伸长度取为200 mm，接管位置选择开在管箱封头中部。3.10 催化剂支撑件的设计3.10.1支撑件的结构介绍常见的支撑结构形式为了在实际应用中安全可靠，拆装方便，本设计针对302.5的反应管特采用了圆锥圆柱复合式弹簧，弹簧由两部分复合而成，下部为螺旋压缩弹簧，上部为截圆锥螺旋弹簧。弹簧的工作原理是圆柱段弹簧与反应管的内壁卡紧，圆锥段弹簧保持催化剂不泄露并使反应气体顺利通过。弹簧丝直径为2mm,弹簧外径28 mm，总圈数12，有效数为5，右旋，自由高度56 mm。弹簧材料为50CrVA 。3.10.2 复合弹簧的强度校核根据文献【14】，弹簧在试制成功后需以8倍单管催化剂重悬挂在弹簧上，实验弹簧不从反应管内脱落为合格。本反应器单管催化剂质量为1.62kg，使用130N的荷重进行实验。复合弹簧的圆锥段未受压缩时每圈轴向、径向空隙不大于1/2催化剂粒径。根据文献【14】，弹簧丝截面上的最大剪切应力应满足： 1.11= 145.95 MPa MPa 145.95 MPa MPa 故 合格3.11支座的选用及强度校核3.11.1支座承受的选用及其载荷计算 根据氧化反应器的一般结构要求，选择支座为耳型支座。选取型号为B型支座，查表3-6选取B2型支座。支座号支座允许载荷Q使用容器公称直径高度h底板钢管垫片地脚螺栓bd 2d 3d 4d 5规格21501200330160121084150818020M16表3-6 支座选取尺寸表支座材料选取Q235B，=113MPa设备总质量为6250Kg.偏心载荷Ge=2000W,偏心距Se=800mm，设反应器工作地区风压q0=500W/m2支座承受的实际载荷Pe为=14700N风载荷Pw为 (3-94) = N (3-95)安装尺寸为 (3-96) (3-97)Q 满足要求3.11其他零部件结构设计3.11.1反应器壳程熔盐通道根据参考文献中提供的公式及计算方法，确定需在熔盐进出口处的壳体上开等距离的条形孔28个，孔宽均为50mm，孔高需根据各孔的位置分别确定。经计算及合理调整，熔盐进出口处180范围内壳体的开孔尺寸如表3-7和表3-8所示 表3-7 熔盐进口处筒体开孔尺寸 （mm）序号12345678孔宽5050505050505050孔长70100949086848280序号91011121314孔宽505050505050孔长777575747272表3. 8 熔盐出口处筒体开孔尺寸 （mm）序号12345678孔宽5050505050505050孔长8070747680848688序号91011121314孔宽505050505050孔长90929496981003.11.2 上、下分布板的结构设计对于平行流列管式反应器，在冷却介质通过导流筒均匀流入壳程后，需要通过壳程内部的上下分布板来进一步调节，使得管外流体在整个截面内沿反应管均匀流动，这样就能保证管外传热均匀，也就能确保管外径向温差很小。根据有关文献计算确定上下分布板的开孔尺寸变化规律如表3-9和表3-10所示：表3-9 上分布板开孔尺寸 （mm）排管层01234567每层的孔径3636363635.535.535.535排管层891011121314每层的孔径3534.534.5343433.533.5表3-10 下分布板开孔尺寸 （mm）排管层01234567每层的孔径34.534.534.535353535.535.5排管层891011121314每层的孔径363635.535.5353534.5第四章 反应器的制造、组装、检验及使用本反应器的设计、制造、检验均按照GB 150 1998钢制压力容器、HG 20584 1998钢制化工容器制造技术规定及压力容器安全技术监察规程进行 ,设备的涂覆包装、运输应按照JB/T 47112003油漆 ,涂覆运输包装进行。4.1 材料选择说明压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质的相容性。各部件材料的选择主要由容器的使用条件（包括设计温度、设计压力，介质特性和操作特点）决定，同时应当考虑焊接性能，制造工艺以及经济合理性，符合相应的标准。4.1.1 主要受压元件受压元件用钢板应由平炉、电炉或氧化转炉冶炼。本反应器制造的主体材料为20R，壳程材料采用20R 热扎板，管程材料采用20R 钢板，管板材料20R 正火钢板，其中管板材料进厂板进厂须进行 100 %U T 超声检测 , 级合格。换热管选用GB 8163 1999输送流体用无缝钢管中的高精度冷拔管 20 。4.1.2 焊接材料20R板材之间及换热管20 和管板20R之间的焊条选用J422 （国标E4323）,该类焊条主要用于焊接较重要的低碳钢结构。不锈钢与碳钢之间的焊条用A302型低碳Cr23Ni13不锈钢焊条。4.2 主要制造工艺 4.2.1 主要零部件的制造1、筒体：（1）分段卷制壳程筒体并校圆，内径允许偏差可以用外周长加以控制,其外周长上偏差为10mm,下偏差为0mm。（2）组焊筒体A 类焊缝 ,清除焊缝表面焊渣 ,磨除焊瘤后进行焊工自检。（3）A类焊缝进行大于20 %的射线检验 ,级合格。1. 筒体 （4）筒体圆度。圆筒在同一断面上,最大内径与最小内径之差为0.5%DN,差值不大于5mm。 （5）筒体直线度 换热器的筒体直线度允许偏差为L/1000,偏差不大于4.5mm。 （6）筒体内壁要求 考虑管束的装配或维修,焊缝应磨至与母材内表面平齐，所有接管不应伸出筒体的内表面。2、管箱：管箱上有封头,物料进出口接管,分程隔板及管箱法兰,各元件之间均用全焊透焊缝结构连接,是一个焊缝比较密集的部件,会存在较大的焊接接头的残余应力。因此,在管箱的设计及制造过程中应十分注意保证管箱的刚度和法兰密封面的平整性。（1）管箱壁厚要达到相应的标准要求。（2）当管箱焊有分程隔板时,管箱部件组焊完后应进行消除残余应力热处理。（3）管箱法兰的密封面以及分程隔板的密封面,应在管箱部件整体消除应力热处理后同时精加工,以保证管箱法兰密封面的平整性。管箱及封头制造完成后进行如下检测：管程筒体 A 类焊缝进行20 %的射线检验,级合格。对拼接的封头焊缝进行 20 %超声探伤 ,级合格。3、换热管： 按照工艺卡的尺寸检查换热管的长度。检查换热管两端的硬度。换热管两端进行退火以保证管子与管板有一定的硬度差。换热管两端作除锈处理 ,除锈长度为管板厚度的2倍 ,除锈程度到露出金属光泽为止。4、 管板：（1）、 毛胚毛胚使用锻件,锻件应符合JB4726规定的的规定，不得低于级。（2）、 管孔加工 管孔加工是管板制造中的重要环节,其主要过程为管板下料、校平、管孔位置划线、钻孔、和管孔倒角。（3）、 管孔表面粗糙度换热管与管板进行焊接,管孔表面粗糙度不大于12.5。（4）、复验管板化学成分、拉伸和冷弯性能 ,并进行100 % U T 复 验 , 级 合 格。 （5）、管孔直径30.5mm ,允许偏差为 0.3 mm 。 5、 分布板 （1）、在六轴数控机床上加工分布板 ,根据图样要求利用微机编写钻孔程序 ,严格检查管孔排列 ,管桥宽度、管孔表面粗糙度和精度达到要求后方可继续钻通孔。各孔尺寸严格按照分布板部件图进行。（2）、机床加工分布板外圆，外圆表面粗糙度不大于25 m，外圆两侧的尖角倒钝。4.2.2反应器的组装(1)组装管束 (2)组装下筒体 (3)组装上筒体 (4)穿管(5)焊接管头 (6)组装熔盐进、出口导流筒(7) 管头热处理 (8)管头胀接 采用机械胀 (贴胀) (9) 壳程水压试验 (10)组焊上管箱 (11)组装下管箱和支座 (12)管程水压试验 (13)气密性试验 (14)油漆包装 4.3 焊接工艺说明根据GB1501998钢制压力容器规定，产品施焊前，对受压元件之间的对接接头和要求全焊透的T形焊接接头，受压元件与承载的非受压元件之间全焊透的T形或角接焊接接头，以及受压元件的耐腐蚀堆焊层都应进行焊接工艺评定。并应符合JB4708钢制压力容器焊接工艺评定的有关规定，其保存期不少于七年。4.3.1 材料的可焊性评价金属材料的可焊性是一项极其重要的工艺性能，可以按不同标准或不同的参考角度来衡量其可焊性。通常把金属材料在焊接时形成裂纹的倾向及焊接接头区脆化的倾向作为评价金属材料可焊性的主要指标。下面用碳当量CE来评定可焊性。影响金属材料可焊性的主要因素是化学成分。各种化学元素加入金属材料后，对焊缝组织与性能、夹杂物分布、焊接热影响区的淬硬程度等影响不同，产生裂缝的倾向也不同。在加入金属材料的各种元素中，碳的影响最明显，其它元素的影响可以折合成碳的影响，因此人们用碳当量方法来估算被焊金属材料的可焊性。磷和硫是金属材料的有害元素，对可焊性影响很大，因此，应严格控制。 碳素钢和低合金结构钢的碳当量经验公式为： 式中：C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu为钢中该元素含量的百分数。 CE0.4%时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，可焊性好。一般不会产生裂缝。 CE在0.40.6%之间，钢材塑性下降，强度增加，淬硬倾向明显，可焊性较差。工件应采取焊前预热，焊后缓冷等工艺防止裂缝。 CE0.6%，钢材塑性较低，强度较高，淬硬倾向很强，可焊性不好。工件焊前经预热 到较高温度，焊接时采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后还应进行热处理，确保焊接接头质量。 如 20R锻件C0.19 1.2 0.2 所以 =0.42的值和0.4相差不大，所20R锻件的可焊性比较优良。4.3.2焊接材料的选择根据标准GB/T51171995和焊接材料的设计原则，在保证焊接接头与母材相同的高温蠕复强度和抗淬化性的前提下改善其焊接性，即提高其抗裂性，应使用与母材成份基本相同的同类焊材，而且异种钢的焊接一般选用与较低强度等级钢材相匹配的焊条。（1） 筒体与管板的焊接采用焊条电弧焊的焊接方法，由于材料一致,根据GB/T5118-1995所以选择J507焊条。（2） 管箱与法兰的焊接采用焊条电弧焊的焊接方法， 由于管箱与法兰材料和筒体与管板的材料一致，根据GB/T5118-1995也选用J507焊条。设计小结毕业设计是大学生活的一个重要组成部分，是我们迈出校园的最后一次实习,是一次对我们综合能力的运用检验，对我们今后走向工作岗位后指导我们的工作有着很重要的作用。正是意识到其重要性，从一开始我就严格要求自己，要求自己尽量去把每个问题都弄明白。我的设计题目是氧化反应器的设计。首先进行选型，然后工艺设计，接着进行结构设计。设计计算是一项比较系统而烦琐的工作，在设计中必须注意每个细节的准确性，综合起来才是一个完整又正确的设计，决不能有丝毫的疏忽，否则就失去了设计的意义。为了保证它的准确性，每个步骤我都反复验算了多遍。在此过程中，和导师讨论对某些参数反复选取、探讨、查相关的资料。由于我们所用的介质是腐蚀性物质，所以很多性质都和设计参数选取有关，往往要选取一个参数，要翻阅多本资料才能找到合适的。通过努力的正确的结果往往让我们打心眼里感到满足。 在进行结构设计时，考虑到化工设备的危险性，首当其冲的是它的安全性，其次是它的经济性，安全性和经济性的综合考虑才是良好的选择，最后考虑到我们的设计可制造性、加工性，绘制设计图纸时，焊接等方面也要不能忽视。 总之，在此过程中，觉得学到了很多东西、深化了我们以往的理论知识，温习了大学里基础科目相关问题，增加了更多的实践经验，令我对今后走上工作岗位更有信心。这次毕业设计受益匪浅，在毕业设计后，我进行了总结，希望这些经验能给自己今后的工作提供借鉴。一、如何进行设计计划1.学习计划在设计前进行相关知识的系统学习设计时对此设计内容进行学习2.布图计划 （1）图层（便于整体修改）（2）颜色（要少）二、保证设计质量1. 缺乏经验和水平欠缺（1）学习相关基础知识在设计以前找出要学习的相关知识学习的主要内容为：结构布置、力学要求、水力学要求认真对待每一个问题：从方法到具体技术参考资料依次为设计手册、规范、以往工程、