【《某回路反应器的结构设计分析案例》4500字（论文）】

某回路反应器的结构设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15475某回路反应器的结构设计分析案例 17881.1设计思路 3152251.1.1设计任务 3235201.1.2设计方案 347621.2材料的选择 421901.3圆筒的设计 4293111.4封头的设计 7170741.5开孔和开孔补强 850451.5.1筒体开孔 8227311.5.2上椭圆形封头开孔 9108401.5.3下椭圆形封头开孔 9142621.5.4开孔补强原则 972291.5.5上椭圆圆形封头开孔补强设计 9206591.5.6筒体开孔补强设计 13136621.5.7下椭圆形封头开孔补强设计 18186041.6反应器的强度校核 22134451.6.1上封头强度校核 2268081.6.2筒体的强度校核 23145731.6.3下封头的强度校核 2480771.7文丘里混合喷射器结构设计 251.1设计思路1.1.1设计任务针对利用回路反应技术的连续化生产工艺的回路反应器进行结构设计，并设计或选取合适的压力容器附件，在此基础上绘制相关工程图纸。设计条件：三甲胺与氯乙酸钠，PH为6-11，操作介质中含有氯离子。回路反应器工作压力为200-300Kpa，工作温度60℃~80℃，物料反应时所需的反应釜容积为20m³。1.1.2设计方案依照上文的分析，初步选定的回路反应器有两种设计方案（如图3-1所示），主要是文丘里喷射器数目和位置不同。第一种是一个气液混合管[25]，位于椭圆形封头正中；第二种是三个气液混合管，在椭圆形封头上成正三角形均匀分布。该反应器的其他部位的结构等都是一样的，考虑到第二种反应器封头加工制造以及后期维修的复杂性，选定第一种设计方案[26]。图2-1回路反应器Figure2-1LoopReactor1.2材料的选择本回路反应器介质为介质为三甲胺与氯乙酸钠，PH为6-11，操作介质中含有氯离子。回路反应器工作压力为200-300Kpa，工作温度60℃~80℃。具有腐蚀性、有毒非易爆。基于上述条件[27],本反应器所选材料是316L不锈钢材质并内衬聚四氟乙烯，316L不锈钢的美国牌号是AISI316L，对应的中国数字代号是S31603，牌号022Cr17Ni12Mo2，钢衬聚四氟乙烯反应釜具有不老化、不泄露、耐高温、产品性能优异等特点。本章所用到的相关符号说明见表3-1：表2-1本章符号说明Tab.2-1Symbolicdescriptionofthischapter1.3圆筒的设计筒体高度确定、筒体直径以及厚度的确定是回路反应器筒体设计的三项内容。（1）筒体高度的确定回路反应器的筒体高度是由实际生产使用情况来确定的，筒体的直径和高度与物料的介质特性和反应时的状态有关[28]。该回路反应器采用了是文丘里喷射器，综和考虑筒体的高度暂确定为4600mm（2）筒体直径的确定由物料反应时所需的反应釜容积为20m³，物料的体积一般为反应器总容积的1/2～2/3可知，总的反应器容积为30m³-33m³，所以筒体的内径取2400mm。（3）筒体厚度计算该回路反应器设计压力为0.33Mpa，所以本文所设计反应器为低压容器，根据GB150-2011《压力容器》进行设计。筒体的计算厚度采用的是标准中所给公式（2-1）计算：（2-1）公式中内径已知，下面需要确定焊接接头系数ϕ，设计温度下材料的许用应力，还有计算压力的具体数值：焊接接头系数可按表3-2选取。表2-2焊接接头系数Tab.2-2Weldjointcoefficient此次反应器设计的焊接接头系数为1。设计温度下圆筒材料的许用应力的确定，因为筒体选择的材料是S31603，查表可得：316L不锈钢的许用应力可取材料的许用应力t≤100℃,〔σ〕=117MPa，即。筒体计算压力的确定，根据标准的要求，计算压力取0.33MPa，等于设计压力，由以上数据根据公式（2-1）可得出计算厚度：最小厚度：当设计压力较低时，内压强度计算公式计算出的计算厚度较小，只针对圆筒体才有最小厚度[29~32]，它是指不考虑腐蚀裕量的圆筒厚度，对于高合金钢，最小厚度取2mm，该反应器的材料为S31603，属于高合金钢，故。设计厚度：是指计算厚度与最小厚度之间的较大值与腐蚀裕量之和。所盛装介质为腐蚀性介质，又因钢衬聚四氟乙烯反应釜具有不老化、不泄露、耐高温、产品性能优异等特点，均匀腐蚀速率取0.1mm每年，设计寿命15年，即=1.5mm。则名义厚度：指加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。本文取。为了保证安全，将名义厚度向上圆整为6mm。检查：有效厚度：有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。由于钢板负偏差为0.4mm，钢材的腐蚀裕量为1.5mm，所以有效厚度校核筒体应力，薄壁圆筒环向应力是径向应力的两倍，所以只需校核环向应力。在设计温度下圆筒的环向应力按式（3-2）来计算： （2-2）根据上面计算得出的圆筒厚度数据，可知圆筒的有效厚度所以代入公式（3-2）可得：根据上文可知，很显然，所以满足要求。综上所述，反应器圆筒体设计数据为：材料S31603、高度4600mm、内径2400mm、名义厚度6mm、钢板负偏差0.4mm、腐蚀裕量1.5mm、设计寿命15年、有效厚度4.1mm、计算厚度3.39mm、设计厚度4.89mm。1.4封头的设计压力容器封头的种类较多，考虑到该回路反应器设计实际应用工况和椭圆形封头的众多优点，本文所设计的回路反应器上下封头均选用标准椭圆形封头。对于受内压的椭圆形封头，厚度计算按照GB150-2011《压力容器》中规定的封头设计方法。根据相关设计标准和手册，椭圆形封头所受内压，计算厚度根据公式（2-3）：（2-3）式中：K为椭圆形封头形状系数，其值可按公式（2-4）确定，也可由表2-3直接选取。（2-4）表2-3系数K值Tab.2-3ValuesoffactorK对于该反应器来说，由于所采用的是标准椭圆形封头，Di/(2hi)=2所以K=1，故根据公式（2-3）可以求得：设计厚度：设计厚度为计算厚度与最小厚度中的较大者与腐蚀裕量之和，。由上文圆筒体设计知C2=1.5，则：名义厚度：指加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度取。为了保证安全，将名义厚度向上圆整为6mm。所以利用上述既得数据综合进行全面性检查：有效厚度：有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差，腐蚀裕量C2=1.5mm,钢材负偏差C1=0.4mm,。对于K≤1的椭圆形封头，有效厚度应不小于封头内直径的0.15%，而0.15%×2400=3.60mm<4.2mm，符合标准。本文所选用的标准椭圆封头最大许用工作压力由式（2-5）进行计算：（2-5）代入数据可得校验合格。综上所述，反应器封头设计数据为：材料S31603、标准椭圆形封头、名义厚度6mm、钢板负偏差0.4mm、腐蚀裕量1.5mm、设计寿命15年、有效厚度4.1mm、计算厚度3.39mm、设计厚度4.89mm。1.5开孔和开孔补强首先判别容器开孔部位，判断是否需要进行相关补强，如需要补强，则依据GB150-2011《压力容器》中开孔与开孔补强部分进行设计计算[36]。1.5.1筒体开孔根据标准GB/T150.3分析得到，本反应器在筒体上开的孔有：（1）一个人孔DN500；（2）一个液体入口开孔DN50；（3）液位计开孔两个；（4）温度计开孔。1.5.2上椭圆形封头开孔GB/T150.3规定，在等面积补强设计方法中，对于凸形封头或球壳上开孔最大直径d≤0.5Di，Di=2400mm，所以该椭圆形封头开孔直径d≤1200mm。封头上需要开的孔有：（1）气液混合管开孔DN400；（2）气体回路管开孔DN85；（3）压力表开孔；（4）安全阀开孔。1.5.3下椭圆形封头开孔下椭圆形封头开孔同上椭圆形封头开孔一样，需满足开孔直径d≤1200mm。下椭圆形封头上需要开的孔有：循环液出口DN100。1.5.4开孔补强原则根据GB/T150.3中对开孔补强原则的相关内容，可以确定该反应器开孔所需要进行补强计算的有：上椭圆形封头的气液混合管开孔DN400、筒体上的人孔DN500、下椭圆形封头的循环液出口孔DN100，且这些孔均满足等面积补强计算的条件[37]，所以下文按照等面积补强计算方法对这三个孔进行补强设计。1.5.5上椭圆圆形封头开孔补强设计接管DN400，管件外径426mm，壁厚10mm，接管材料同封头，厚度附加量C跟封头和筒体取一样的值：。开孔直径（1）开孔所需的补强面积封头计算厚度由于在椭圆形封头中心区域开孔，所以封头计算厚度按式（2-6）计算：（2-6）所以式中K1查自表2-5：表2-5系数K1Table2-5CoefficientK1开孔所需补强面积由于接管材料和封头材料一样，所以强度削弱系数fr为1，接管有效厚度为开孔所需补强面积按式（2-7）计算：（2-7）（2）有效补强范围有效宽度B按式（2-8）确定，取二者中较大值：（2-8）所以故B=859.6mm有效高度，外侧有效高度h1按式（2-9）计算，内侧有效高度h2按式（2-10）计算，均取较小者：（2-9）（2-10）故h1=65.56mm故h2=0mm（3）有效补强面积封头多余金属面积A1，按式（2-11）计算：（2-11）接管多余金属面积接管计算厚度接管多余的金属面积A2按式（2-12）计算：（2-12）所以多余金属面积：焊缝金属补强面积（焊脚取8mm）A3：有效补强面积（4）所需另行补强面积将计算结果整理成表格如下表2-6：表2-6上封头开孔补强设计Table2-6Reinforcementdesignofupperheadopening1.5.6筒体开孔补强设计人孔接管DN500，管件外径530mm，壁厚10mm，接管材料同筒体，厚度附加量C跟筒体取一样的值：。开孔直径（1）开孔所需的补强面积计算厚度开孔所需补强面积由于接管材料和封头材料一样，所以强度削弱系数fr为1，接管有效厚度为开孔所需补强面积按式（2-7）计算：故（2）有效补强范围有效宽度B按式（2-8）确定，取二者中较大值：所以故B=1067.6mm有效高度，外侧有效高度h1按式（2-9）计算，内侧有效高度h2按式（2-10）计算，均取较小者：故h1=73.06mm故h2=0mm（3）有效补强面积筒体多余金属面积A1，按式（2-11）计算：=（1067.6-533.8）（4.1-3.39）=379.0接管多余金属面积接管计算厚度接管多余金属面积A2按式（2-12）计算：故接管取焊缝面积（焊脚取8mm）A3：有效补强面积（4）所需另行补强面积其另加补强面积公式按（2-13）进行计算（额外补强宽度C3取1mm）（2-13）将计算结果整理成表格如下表2-7：表2-7筒体开孔补强设计Table2-7Reinforcementdesignofcylinderopening1.5.7下椭圆形封头开孔补强设计接管DN100，管件外径108mm，壁厚6mm，接管材料同封头，厚度附加量C跟封头取一样的值：。开孔直径（1）开孔所需的补强面积封头计算厚度由于在椭圆形封头中心区域开孔，所以封头计算厚度按式（2-6）计算，式中K1查自表2-5：开孔所需补强面积由于接管材料和封头材料一样，所以强度削弱系数fr为1，接管有效厚度为开孔所需补强面积按式（2-7）计算：（2）有效补强范围有效宽度B按式（2-8）确定，取二者中较大值：所以故B=199.6mm有效高度，外侧有效高度h1按式（2-9）计算，内侧有效高度h2按式（2-10）计算，均取较小者：故h1=24.47mm故h2=0mm（3）有效补强面积封头多余金属面积A1，按式（2-11）计算：接管多余金属面积A2按式（3-12）计算：故接管区焊缝面积（焊脚取8mm）A3：有效补强面积、（4）所需另行补强面积所以需要补强按式(3-13)计算额外补强面积（额外补强宽度C3取）将计算结果整理成表格如下表2-8：表2-8下封头开孔补强设计Table2-8Reinforcementdesignoflowerheadopening1.6反应器的强度校核对于设计出来的反应器，其强度一定要满足要求，所以要对所设计的反应器各部分进行强度校核，本文的校核依据的是GB150-2011《压力容器》，对筒体及封头进行强度校核，并将计算的公式及结果绘制成表格，便于清晰的显示计算过程1.6.1上封头强度校核对于设计出来的椭圆形封头，需要进行