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摘 要
化學反應器是化工生產(chǎn)過程中一系列設備中的核心設備?；ぜ夹g過程開發(fā)的成功與否很大程度上取決于反應器內(nèi)流體的溫度、濃度、停留時間及溫度分布、停留時間分布的控制水平和控制能力?；どa(chǎn)的工藝過程決定了反應器的結構型式，反應器的結構型式對工藝過程又有一個促進和完善的作用，同時反應器的結構型式在某種程度上也決定著產(chǎn)品的質量和性能。因此，化學反應器的選型、設計計算和選擇最優(yōu)化的操作條件是化工生產(chǎn)中極為重要的課題。
本課題根據(jù)已知的均四甲苯催化氧化法制取均酐的最佳工藝參數(shù)，對其核心設備氧化反應器進行了結構選型和較為詳細的結構設計計算，并對反應器的制造工藝進行了詳細的說明，對反應器的制造、組裝、檢驗及使用進行了說明。最終確定的反應器設備在滿足結構合理性的基礎上，實現(xiàn)了溫度分布、濃度分布及反應時間等化工工藝參數(shù)的控制要求，使得產(chǎn)品質量和性能得以保證。
關鍵詞：反應器；結構設計；列管式固定床反應器；均酐裝置
Abstract
Chemical 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 Dianhy
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目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒 論 ………………………………..……………………..……………………….1
1.1 前言 2
1.2反應器簡介 2
1.3反應器的分類 2
1.4設計定義 4
1.5相關工藝參數(shù) ……………………………...………………………………….…...4
1.6反應器型式的選擇………………………………………...……………………........5
1.7列管式反應器的概述……………………………………...………………………....5
1.8操作考慮…………………………………………………….………………………..7
第二章反應器的工藝計算………………………………………………..…………………...8
2.1工藝流程概述 8
2.2反應器的物料衡算及反應管的選擇 9
2.2.1物料衡算 9
2.2.2 床層體積的確定 10
2.2.3 反應列管管長、管徑、管數(shù)的確定 10
2.4.4 反應管排列方式及管間距的確定 11
2.4 床層壓降的計算 12
2.5反應器的熱量衡算 12
2.6反應器殼層流體對壁給熱系數(shù)的計算 13
2.7殼程壓降的計算 14
2.8反應器管程進出口接管公稱直徑的確定 15
第三章 反應器的結構設計及強度計算 17
3.1 概述 17
3.2 殼體、管箱、封頭厚度的確定及強度校核 17
3.2.1殼體壁厚計算及強度校核 17
3.2.2管箱壁厚的計算 18
3.2.3管箱封頭的厚度計算 19
3.3管程水壓試驗強度校核 20
3.4殼程水壓試驗強度校核 21
3.5管箱法蘭設計 21
3.6 管板與殼體、管箱、反應管的連接結構設計 22
2.6.1 殼體與管板的連接結構 22
2.6.2 管箱與管板的連接結構 22
2.6.3 反應管與管板的連接結構 22
3.7管板法蘭及管板的結構設計 23
3.7.1墊片的選型與校核 23
3.7.2 等頭雙頭螺栓的選型 ………………………………………………………25
3.7.3管板法蘭的強度校核 25
2.7.2管板的強度校核 30
3.8膨脹節(jié)的結構設計 42
3.8.1膨脹節(jié)結構選型 42
3.8.2 膨脹節(jié)的設計計算及強度校核 44
3.9安全防爆口設計 48
3.10 催化劑支撐件的設計 48
3.10.1支撐件的結構介紹 48
2.10.2 復合彈簧的強度校核 49
3.11支座的選用及強度校核 ………………………………………….49
2.11.1 支座的選用及其載荷計算 49
2.11.2 支座強度校核……………………………………………………..……….50
3.12 其他零部件結構設計 51
3.12.1反應器殼程熔鹽通道的設計 51
3.12.2 上、下分布板的結構設計 52
第四章 反應器的制造、組裝、檢驗及使用 53
4.1 材料選擇說明 53
4.1.1 主要受壓元件 53
4.1.2 焊接材料 53
4.2 主要制造工藝 53
4.2.1 主要零部件的制造 53
4.2.2反應器的組裝 55
4.3 焊接工藝說明 55
4.3.1材料的可焊性評價………………………………...……………….………..56
4.3.2焊接材料的選擇……………………………………...……….……………..57
設計小結 58
致謝 62
參考文獻……………………………………………………………….……………………..63
附錄……………………………………………………………………….………………… .65
第一章 緒 論
1.1前言
本設計書是在均四甲苯空氣氣相氧化法制取PMDA的工藝基礎上，根據(jù)畢業(yè)設計課題“氧化反應器結構設計”的整體設計過程編寫而來的。全設計書共分為四章：第一章為前言部分對反應器作了簡單的介紹。第二章為反應器的工藝計算。第三章為反應器的結構設計，主要對反應器內(nèi)各受壓元件進行了詳細的強度設計及校核。第四章為反應器各部件的制造工藝及組裝程序介紹。本設計中各部分嚴格按照各種規(guī)范及標準進行，在保證反應器結構合理的基礎上，進一步確保產(chǎn)品的質量和性能。
1.2 反應器簡介
反應器是一個在其中發(fā)生化學反應的容器或罐。它是化工生產(chǎn)過程中一系列設備中的核心設備，反應器的型式、尺寸大小等，在很大程度上決定著產(chǎn)量和質量，因此化學反應器的選型，設計計算和選擇最優(yōu)化的操作條件是化工生產(chǎn)中極為重要的課題。反應器可由各種材料制成，材料的選擇取決于反應發(fā)生時的溫度和壓力以及所要求的抗腐蝕性.反應器也可能有多種類型，這取決于所用反應所需催化劑的種類以及反應物和產(chǎn)物的物理特性。反應器的簡圖如圖1-1。
圖1-1反應器簡圖
1.3 反應器的分類[19]
反應器的化學反應多數(shù)都是伴隨有催化劑的，按照催化作用則反應器可分為均相反應器和非均相反應器。
均相催化反應器可以與非催化作用的反應器相似地進行分類。一種標準是存在的相數(shù)，另一種標準是返混程度。因此，可有均相氣相反應器、均相液相反應器和均相氣一掖相反應器。也可以有均相塞流管式反應器和均相連續(xù)攪拌罐式反應器。
對裝有非均相固體催化劑的反應器，一種分類標準是根據(jù)在反應器中的催化劑顆粒是否移動，以此為根據(jù)，可以規(guī)定有下列類型:
1.如果顆粒固定在位置上成為密相固定床，則為固定床反應器.
2.如果顆粒堆積在緩慢移動的密相床中，排出某些結垢的顆粒并加入某些新鮮的顆粒，則為移動床反應器。本書不討論這種類型的反應器，因為它們在許多方面與固定床反應器類似。但是，移動床反應器在催化劑結垢和再生方式方面與固定床反應器有根本的區(qū)別。
3.如果催化劑顆粒被向上流動的氣體托住如流化床那樣，則為流化床反應器。如前言中舉出的理由，，這類反應器在本書中不加討論.
4.如果催化劑顆粒懸浮在液體中，則為懸浮床反應器。 懸浮床反應器可再細分為下列幾類:
（1）..如果催化劑懸浮在機械攪拌的液體中，則為連續(xù)攪拌罐式反應器。
（2）.如果催化劑是用上升的氣泡維持懸浮在液體中，則為鼓泡反應器或淤漿反應器。。
（3）.如果催化劑是懸浮在向上流動的液體中，則為沸騰床反應器。
（4）.如果催化劑懸浮在液流或氣流中，而液流和氣流強大到足以在反應系統(tǒng)中攜帶這些催化劑，則為三相傳遞式反應器，劃分均相和非均相反應器的另外一個標準是它們的操作方式，即是間斷、半連續(xù)或連續(xù)式操作。但是，大多數(shù)重要的工業(yè)操作都為連續(xù)運轉，而僅僅在間斷式操作有特別充足的理由時才設計間斷操作的反應器。
另外一種普遍適用的反應器分類標準是反應器內(nèi)部的溫度分布。假如反應器內(nèi)部各點溫度都是不變的，而且不隨時間而變化，則反應器稱為恒溫的.但如反應器各部分溫度是變化的，則反應器稱為非恒溫的。
還有另外一種反應器分類標準是反應器和器外部之間的換熱程度。如果不換熱，反應器稱為絕熱反應器，而如果有某種程度的換熱，則稱為非絕熱反應器。
還有另一種反應器分類標準是反應中包括的相數(shù)。當然，相計算相數(shù)時，固體催化劑不應算為一相。只處理氣體的反應器叫做氣相反應器，而那些處理兩相反應的叫做氣一液相反應器，
我們可用上述幾種分類標準把非均相反應器劃分為下列幾類:
固定床反應器
固定床氣相反應器
恒溫反應器
絕熱反應器
非恒溫非絕熱固定床反應器
固定床氣-液相反應器
滴流床反應器
固定床鼓泡反應器
懸浮床反應器
. 連續(xù)攪拌罐式反應器
淤漿反應器
沸騰床反應器
三相傳遞式反應器
1.4 設計定義
反應器的設計包括:
1.確定反應器的類型和型式并計算從給定的原料產(chǎn)生所要求數(shù)量的一種或幾種產(chǎn)物的反應器尺寸(工藝設計)。
2.確保計算的反應器是熱穩(wěn)定的和安全的，并且不會導致反應失去控制(穩(wěn)定性研究).
3.選擇適當?shù)慕Y構材料、壁厚和內(nèi)件，以便反應器的結構強度能經(jīng)得住反應條件以及反應混合物的腐蝕作用(機械設計)。
1.5 相關工藝參數(shù)
設計參數(shù)：
名 稱
管程操作壓力MPa
管程操作溫度℃
殼程操作壓力MPa
殼程操作溫度
℃
換熱面積 m
氧化反應器
二酐空氣0.04
250-375
熔鹽1.5
380-385
165
設計壓力一般取值為最高工作壓力的1.05～1.10倍；設計溫度是反應器的設計的最高溫度，工作溫度一定小于設計溫度。
所以取管程的設計壓力為MPa，設計溫度400℃；
殼程的設計壓力為 MPa，設計溫度400℃。
1.6 反應器型式的選擇
本次設計的反應器主要用于均四甲苯催化氧化制取均苯四甲酸二酐，生產(chǎn)能力為100T/a。由于該反應在反應過程中大量放熱，反應的熱點溫度為435～445℃，為了保證反應在最適宜的溫度下進行，在保證床層溫度的同時還需要將氧化反應產(chǎn)生的多余的熱量及時地移走，因此需要帶有傳熱的反應器，應為這個反應大量放熱，為了避開完全氧化作用成為占統(tǒng)治的溫度范圍，所以必須仔細加以控制。因此需本設計采用列管式固定床反應器。
1.7列管式反應器的概述[26]
對于反應熱效率大、收率對溫度敏感、又要求高轉化率和高選擇性的反應過程，列管式固定床反應器是可供選用的比較理想的反應設備，目前在苯醉、順瞥、乙二醇、醋酸乙烯、異丁醛氧化等生產(chǎn)過程中都有應用。我國已有的和在建的大型列管式固定床反應器基本上都是引進的，它們都采用全焊結構，從國外制造后整體運進現(xiàn)場，無法了解反應器內(nèi)部結構及其設計方法。與國外相比，我國自行設計的列管式固定床反應器在工藝水平和規(guī)模上都有較大的差距，其問題之一是:規(guī)模較小且存在著徑向溫差。國外的同類反應器直徑可達6m以上，但徑向溫差小于3 0C。徑向溫差過大，會使反應選擇性下降，增加單耗和能耗，催化劑局部結焦嚴重，影響產(chǎn)品質量。以苯醉生產(chǎn)過程為例，反應溫度過低，反應不完全;反應溫度過高，發(fā)生過氧化反應;兩者均使產(chǎn)品收率降低。
列管式固定床反應器管外流體流動的主要要求是:反應器的綜合性能要保持單管的水平，并且能迅速導出反應管內(nèi)產(chǎn)生的反應熱，以保證管間載熱體沿徑向的溫差盡可能小，使各反應管處在相同的介質溫度下運行。反應器按殼程流體流動方式可分為平行流和錯流兩種式型。見圖1-2。
圖1-2列管式固定床反應器的流動型式示意圖
對15000根反應管以下的反應器一般采用平行流型，而對于15000-20000根以上的反應器采用傳熱效果較好的錯流型，但熔鹽泵的能耗相應也增大。
如何保證管間充分均勻的熱傳遞是列管式固定床反應器均布設計的關鍵，這也是一個與載熱體流體力學密切相關的技術問題，為此，根據(jù)反應器管外流動特點和管內(nèi)反應的要求，對反應器的設計采取以下幾個方法:
1、環(huán)形通道的開孔設計，給出環(huán)形通道等量分流或等量合流時側壁開孔的規(guī)律和設計計算方法。2、平行流反應器管間流動設計，提出平行流固定床反應器管間載熱體流動的數(shù)學模型，據(jù)此來設計工業(yè)反應器的分布板，在板上合理開設環(huán)隙孔或附加開孔，實現(xiàn)管間的均勻傳熱。3、錯流型反應器管間流動分布設計，提出解決錯流列管式固定床反應器傳熱不均的途徑，并在此基礎上給出圓盤一圓環(huán)形折流擋板環(huán)隙開孔設計計算方法。
1.8 操作考慮
工藝設計師和機械設計師都必須牢記反應器的操作方法。雖然設計總是以最佳穩(wěn)態(tài)操作條件為目的，但也必須能夠滿足開工和停工條件，特別是意外情況下的開、停工。如果必須按反應器內(nèi)再生來設計固定床反應器，則機械設計不僅必須滿足一組而是要滿足二組溫度一壓力條件.例如，一個芳烴預處理反應器，裝滿擔體為氧化鋁的鉆鋁催化劑，當物流處于穩(wěn)態(tài)時，可在加200--250℃和40--60bar ( 4000--6000k Pa)壓力下操作。但是，如果反應的催化劑必須在反應器內(nèi)再生時，再生氣體(含氧0., 5呱的氮氣)在嚴密控制下燒焦后溫度可上升到高達550℃,如果氮氣中的氧允許超過5%，燃燒氣體的高溫可能有危險并使反應器強度變?nèi)?因此，預處理器要設計得能抗住兩組操作條件:
1. 操作時，300 0C，70bar(7000kPa)
2. 再生時，5000 C 5bar(500kPa)
第二章 反應器的工藝計算
工業(yè)反應器設計的任務是根據(jù)給定的生產(chǎn)能力以及工藝參數(shù)，確定反應器的型式和適宜的尺寸及其相應的操作條件，使反應過程有最大收益。本章在確定了反應器型式的基礎上，進行了必要的工藝計算，最終確定了反應器的總體結構。
2.1 工藝流程概述
均苯四甲酸二酐的化學名稱為 1 ,2 ,4 ,5 —苯甲酸二酐 ，簡稱 PMDA，是一種重要的化工原料，用途極其廣泛。均苯四甲酸二酐的生產(chǎn)方法較多，由于采用原料不同，選擇的工藝路線也不一樣，即使同一中原料其生產(chǎn)工藝也有多種。本設計是根據(jù)南京紫金化工廠的生產(chǎn)工藝來設計的氧化反應器。該廠運用的也是我國目前主要的PMDA生產(chǎn)方法。即以均四甲苯為原料采用空氣催化氧化法制得PMDA。
其主要反應為：
均四甲苯催化氧化法制取PMDA的工藝過程包括氧化，水解，精制及干燥四個工段，氧化反應器即是氧化工段的核心設備。在氧化工段固體原料均四甲苯經(jīng)加熱熔化、汽化后，與空氣混合預熱到一定溫度后加入到氧化反應器中，催化氧化生成均酐及少量副產(chǎn)物，經(jīng)換熱冷卻在捕集器中凝華捕集得到均酐的粗產(chǎn)品。
2.2反應器的物料衡算及反應管的選擇
2.2.1物料衡算
已確定本反應器的生產(chǎn)能力為100T/a，假設年工作7200h,根據(jù)文獻[23]中關于均四甲苯催化氧化制取均酐的中試實驗結果有如下數(shù)據(jù)：
主反應的選擇性為0.65；均四甲苯原料純度0.98；均酐相對均四甲苯的收率為0.86；反應最適宜空速為3700～4200 h；熔鹽溫度為：380-3900C；催化劑復合：50-60g/(L.h)；一捕入口溫度：210-2200C.
由生產(chǎn)要求，每小時需生產(chǎn)的均酐量為：
=14 kg/h （2-1）
理論上每小時需加入均四甲苯的量為：
=16.28 kg/h （2-2）
考慮到反應的選擇性以及原料的純度，實際需加入均四甲苯的量為： kg/h （2-3）
則均四的摩爾流量為：
n= Kmol/h （2-4）
由理想氣體狀態(tài)方程：PV=nRT可求得均四體積流量為：
V = （2-5）
=24.16 m/h
根據(jù)中試的實驗結果，取空氣的體積流量
m/h
則由理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT可求得空氣的摩爾流量為：
N = = = 17.3 Kmol/h （2-6）
2.2.2 床層體積的確定
根據(jù)文獻[1]表一取反應空速 =4000 h，已確定原料混合氣總體積流量為
Q = 3000m/h = 0.833 m/s
反應進行的時間
= = =0.00025 h (2-7）
反應器所需的床層體積：
= = = 0.75 m (2-8)
2.2.3 反應列管管長、管徑、管數(shù)的確定
參考有關文獻【26】，取反應氣體在床層中的流動速度為=2.5 m/s ,則所需反應管長度 L= = 0.000263 × 2.5 ×3600 = 2.37 m,取標準管長為L= 2.5 m ,則反應氣體在床層中實際流動速度為：
= = = 2.64 m/s （2-9）
根據(jù)設計要求反應器需要的傳熱面積為：
F = ndL = 165 m [1] （2-10）
反應器內(nèi)氣體實際的體積流量為 ：
Q= n = 0.833 m （2-11）
將已知數(shù)據(jù)L = 2.5 m ，= 2.78 m/s 分別代入 以上兩式中，聯(lián)立可求得：d =0.0203 m,圓整后取管徑= 0.025 m。為滿足要求實際取列管數(shù)為n =701根。參考文獻，取30×2.5的標準鋼管，材料為20號鋼
2.2.4 反應管排列方式及管間距的確定[21]
考慮到反應器殼程介質干凈，管外無需清洗，按照《化工容器手冊》取管間距 a = 40 mm .列管采用正三角形的排列方式，根據(jù)作圖實際排得管數(shù)為715根，除去測溫管孔6個及拉桿管孔3個，實際裝填催化劑的管數(shù)為706根，能滿足生產(chǎn)要求。
2.3 床層對壁給熱系數(shù)的計算
已知反應混合氣的體積流量為 V = 3000 m/h，管數(shù)為n = 706 根，則每根管內(nèi)氣體流量為：
V= == 4.25 m/h （2-12）
則實際的空床氣體流速為：
= = = 1.79 m/s （2-13）
則雷諾數(shù)
Re = = = 165.29 （2-14）
反應過程中強放熱，床層被殼層流體冷卻，則根據(jù)有關文獻床層對壁給熱系數(shù)由以下公式求得：
a= 3.5 （2-15）
= 330.73 kJ/( m·h·℃)
2.4 床層壓降的計算
根據(jù)中試實驗，本反應器采用的催化劑為，載體為粗孔不規(guī)則硅膠 ,活性組分為活性炭，采用噴涂法制備。催化劑的床層空隙率 = 0.54，床層壓力降計算公式為：
= = 5.6 KPa （2-16）
5.6 KPa < 15%設計壓力= 6.6 KPa 合適
其中為修正摩擦系數(shù)【20】，考慮到壁效應的影響，摩擦系數(shù) = 2.95
2.5反應器的熱量衡算
由本章第一節(jié)中的物料衡算，已求得反應器進出口的物料配比情況，熱量衡算的基準溫度取反應氣體進口溫度250℃，由手冊【20】查得250℃～400℃時，各物料氣體的比熱容數(shù)據(jù)如下表：
組份
O
N
平均熱容
2.06
0.963
1.05
1.28
1.968
0.983
原料氣帶入熱量
Q = 0；
反應后氣體帶走熱量
Q= = 176579.4 kJ/h （2-17）
反應后放出熱量
Q = 137431.2 + 724437.3 = 861868.5 kJ/h (2-18)
根據(jù)熱量守衡定律，傳給殼程熔鹽的熱量為：
Q= Q- Q + Q = 685289.1 kJ/h (2-19)
假設殼程熔鹽質量流量為G kg/h , 已知熔鹽進出口溫度分別為380℃和385℃，熔鹽比熱為c= 0.32 kcal/(kg·℃) = 1.34 kJ/kg·℃
故
G = = = 102281.96 kg/h (2-20)
2.6 反應器殼層流體對壁給熱系數(shù)的計算
設計采用的熔鹽組成為： ∶ = 3 ∶2 （質量比），經(jīng)計算熔鹽混合物的平均物性數(shù)據(jù)【23】如下：
密度= 1.85 g/ml = 1850 kg/ m ；
比熱c = 0.32 kcal/kg·℃= 1.34 KJ/kg·℃；
粘度 =11.02 kg/m·h；
熱導率 = 0.45 kcal/ m·h·℃ = 1.89 kJ/ m·h·℃ 。
則橫過管束的最大流通截面積【15】為 ：
A= = = 0.57 m (2-21)
則殼程流體的給熱系數(shù)為：
a = 0.36 =1248.32 kJ/( m·h·℃) (2-22)
2.7殼層壓降的計算
殼程壓降可由寇恩公式【21】得出：P= P
其中P，，分別表示管束、導流筒、殼程進出口管嘴處的壓降，為殼程壓降結垢校正系數(shù)。殼程流體的質量流速 ： = = 1850 × 0.027 = 49.95 kg/m·s
a）殼程導流筒入口處質量流速
殼程導流筒入口處質量流速取
2230 kg/m·s【25】
來估算殼程進出口處的流速，將 = 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/m·s
b）殼程流體的圓管摩擦系數(shù)
已知殼程當量直徑 De = 0.036 ，則殼程進出口處的雷諾數(shù)
Re = = ×3600 = 2.4 (2-23)
根據(jù)Re查手冊【21】可得= 0.1，近似取 8 ，則將所有已知數(shù)據(jù)代入壓降計算公式【20】中有：
P= = 6.74 Pa； = (2-24)
= 8954 Pa
= 1.5= 1.5 (2-25)
= 1678.875 Pa
=P+ +
=10640.6 Pa<< [] 合適
2.8 反應器管程進出口接管公稱直徑的確定
2.8.1管程進出口接管公稱直徑的確定
根據(jù)化工手冊中相關規(guī)定，取常壓一般氣體進口流速為20 m/s[20], 則進口接管直徑可由下式求得：
d = = = 238 mm (2-26)
故取管程進口接管的公稱直徑為DN250mm.考慮到管程進出口間的靜壓差異而引起的氣體流速差異，取管程氣體出口流速為15 m/s，則出口接管直徑為：
d = = = 275 mm (2-27)
取出口接管的公稱直徑為300mm。
2.8.2殼程流體進出口接管公稱直徑的確定
前面計算已確定殼程熔鹽的質量流速為 = 28.41 kg/s，進出口接管處的流速為1.1 m/s ,則殼程進出口接管直徑可由下式求得：
= = 134 mm (2-28)
故取殼程進出口接管公稱直徑為DN 125 mm .
第三章 反應器的結構設計及強度計算
3.1 概 述
本章詳細介紹了反應器管殼程結構設計過程，以及各主要受力元件的強度校核情況，在滿足強度要求的條件下，力爭做到結構的最優(yōu)設計。
3.2 殼體、管箱、封頭厚度的確定及強度校核
3.2.1殼體壁厚計算及強度校核
1.筒體材料的確定
設計壓力為1.65MPa，屬中壓容器，筒體材料為20R，采用鋼板卷制而成，20R鋼板標準為GB6654在設計溫度t=400℃時，查取20R的許用應力為： = 86 MPa
2.筒體厚度的計算
筒體厚度計算式為：
（3-1）
查表4-1[1]
設(3,16),取=86MPa , =1
=86mm（厚度3~16mm）；
=92mm（厚度>16~40mm）
=1.65MPa=0.4×86
則計算厚度:=
則反應器的設計厚度為：
= =10.43+1.5=11.93 mm；
取筒體名義厚度為12 mm。
檢查, 沒有變化,
故名義厚度12mm合適
c.筒體強度校核
取C1=0
筒體有效厚度：
=- C1- =12-0-1.5=10.5 mm
設計溫度下圓筒的計算應力
= (3-2)
= 8.9 MPa
[]t=86×1=86 MPa
8.9 MPa<<86 MPa 故滿足要求
3.2.2 管箱壁厚的計算
管箱材料選擇
選用任用20R（物質特殊要求，尿素腐蝕性）[1]
筒體厚度計算式為：
根據(jù)鋼管標準GB13296，GB/T14976：[5]
厚度≤18mm
取許用應力
=1
(3-3)
=
管箱筒體的設計厚度為
= = 0.31+1.5=1.81 mm
取筒體名義厚度為10 mm.
檢查沒有變化，故名義厚度10mm合適
筒體有效厚度：
=-- = 10–0–1.5=8.5 mm
設計溫度下圓筒的計算應力：
==5.69 MPa
=86×1=86 MPa
5.69 MPa<86 MPa 故滿足要求
3.2.3 管箱封頭的厚度計算
封頭是壓力容器中主要承壓零部件，其質量對壓力容器的安全運行起著至關重要的作用。為了便于加工制造及節(jié)省材料消耗，本設計在滿足工藝條件要求的條件下選用平蓋封頭，其材料仍選用20R，封頭與筒體之間通過角焊連接，封頭的形狀見圖3-1
圖3-1
平蓋封頭的厚度計算公式[1]為：
(3-4)
雙面焊對接頭和相當于雙面焊的接頭透對接接頭 100% 無損檢測 取=1.0 為平蓋計算直徑，取1196 mm. 為 20R 在設計溫度4000C下的許用應力值由表3-1【3】， 取 = 86 Mpa，k 為結構特征系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取k = 0.20，為計算壓力，根據(jù)GB150—1999，取= 0.044 Mpa
表3-1 許用壓力表
鋼號
鋼板標準
使用狀態(tài)
厚度
下列溫度下的許用應力（MPa）
150
200
250
300
350
400
450
500
20R
GB6654
正火
6-16
132
123
110
101
92
86
83
61
平蓋封頭的厚度為
==12.09mm
名義厚度為：
mm；圓整后取14 mm 。
3.3 管程水壓試驗強度校
取試驗溫度為常溫20 ℃，由于管程屬真空容器，以內(nèi)壓代替外壓進行試驗，試驗壓力取 0.18 Mpa 。則在試驗壓力下，管程筒體的最大薄膜應力：
Mpa （3-5）
管箱材料20R 在常溫時的屈服極限 245 Mpa，
Mpa >
水壓試驗安全
3.4 殼程水壓試驗強度校核
取試驗溫度為常溫20℃，筒體水壓試驗壓力
3.19 MPa. （3-6）
則在試驗壓力下殼程圓筒的薄膜應力：
MPa （3-7）
殼程所用材料20R在常溫時的屈服極限 245 MPa，故：
Mpa > （3-8）
水壓試驗安全
3.5 管箱法蘭設計
換熱器常采用的法蘭結構形式有平焊法蘭和對焊法蘭，法蘭的密封面形式分為平面、凹凸面和榫槽面。法蘭的結構形式和密封面形式可根據(jù)使用介質，設計壓力，設計溫度和公稱直徑等因素來確定。根據(jù)HG20583-1998《鋼制化工容器結構設計規(guī)定》，采用凹凸面連接，對于管箱法蘭，我們選用凹面法蘭見圖3-2。
圖3-2 等徑平焊鋼制法蘭
根據(jù)反應器的結構需要，管箱法蘭選擇標準法蘭。選擇甲型平焊法蘭JB/4701—92 A 1200—0.25，密封面形式為凹型?？蛇x取的法蘭標準見表3-1
由=0.044MPa，，可選取的法蘭標準見表3-1
表3-1 法蘭標準
DN
D
1200
1395
1340
1298
1278
1275
84
h
a
d
R
185
48
21
30
15
22
32
3.6 管板與殼體、管箱、反應管的連接結構設計
3.6.1 殼體與管板的連接結構
殼體與管板的連接形式，分為兩類：一是不可拆式，如固定式管板換熱器，管板與殼體是用焊接連接；一是可拆式，管板本身與殼體不直接焊接，而通過殼體上法蘭和管箱法蘭夾持固定。本設計根據(jù)反應器的結構需要選擇可拆式的連接方式。
3.6.2 管箱與管板的連接結構
管箱與管板的連接結構形式較多，隨著壓力的大小、溫度的高低以及物料性質、耐腐蝕情況不同，連接處的密封要求，法蘭形式也不同。本設計所用的固定式管板與管箱的連接結構較簡單，采用螺栓法蘭結構連接，考慮的管程介質的密封要求以及加工制造方便性，法蘭之間采用凹凸面密封形式。
3.6.3反應管與管板的連接結構
本設計考慮到反應器的密封性能要求較高且管板要承受管束振動及疲勞載荷的作用，因此采用脹焊結合的連接結構，先進行強度焊后加貼脹。強度焊是保證列管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度，貼脹是消除列管與管孔之間縫隙的輕度脹接。
3.7 管板法蘭及管板的結構設計
根據(jù)反應器的初步結構確定，本設計采用固定式管板兼做法蘭。如圖3-3
圖3-3管板與殼體、管箱的連接方法
管箱法蘭與管板法蘭通過螺栓連接，螺栓數(shù)目為36，螺栓材料為40MnB。3.7.1墊片的選型與校核
根據(jù)反應器法蘭的結構需要，選取纏繞墊與法蘭、緊固件選配表見表3-2
表3-2 墊片、法蘭、緊固件選配表
墊片型式
使用壓力
密封面型式
密封面表面粗糙度
法蘭型式
最高使用溫度
緊固件型式
緊固件材料牌號
纏繞墊
2.0-26
凹面
Rt3.2-6.3
帶頸平焊法蘭，
650
雙頭螺柱
25Cr2MoNA
墊片采用JB/4702—92 石棉纏繞片。墊片系數(shù)m=2,比壓 y=11,按GB150—1998表9-1壓緊面形式1a，其標準尺寸為：，。如圖3-4
墊片接觸寬度為:
（3-9）
圖3-4
墊片的校核
A墊片有效寬度:
（3-10）
墊片有效密封寬度:
（3-11）
B墊片壓緊力作用中心圓直徑:
由GB150-98圖9-1所示活套法蘭知，墊片壓緊力作用中心圓直徑即是法蘭與
翻邊面的平均直徑。
當時，等于墊片接觸的外徑減去，
（3-12）
C墊片壓緊力，由GB150-98知：
① 預緊狀態(tài)需要的最小墊片壓：
（3-13）
② 操作狀態(tài)需要的最小墊片壓緊力：
（3-14）
3.7.2 等頭雙頭螺栓的選型
由JB/T4707-2000取螺栓材料為35CrMoA，螺母材料為25CrMoA。且由
JB/T4703-2000取螺栓規(guī)格為，伸出長度為，其具體尺寸按零件圖中規(guī)定。如圖3-5
圖3-5
3.7.3 管板法蘭的選型及校核[3]
法蘭的材料由JB4726知可選取鍛件，其中，
1、法蘭力矩
預緊狀態(tài)下的法蘭力矩：
（3-15）
式中：
（3-16）
（）
（3-17）
（3-18）
（3-19）
而為作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力：
（3-20）
（3-21）
為流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭截面上的流體壓力引起的軸向力之差：
（3-22）
故：
（3-23）
② 法蘭設計力矩
（3-24）
（3-25）
③ 法蘭應力（整體法蘭的應力）
a. 軸向應力：
3-26
形狀參數(shù)：
（3-27）
（3-28）
法蘭內(nèi)外徑比值：
（3-30）
由GB150-98圖9-3得：
由GB150-98圖9-4得：
由GB150-98圖9-7得：
由，在GB150-98查表7-5，得表3-3：
表3-3
U
1.86
6.76
13.15
14.45
（3-31）
3-32
（3-33）
（3-34）
（3-35）
（3-36）
（3-37）
綜上所得：
（3-38）
滿足要求。
b. 徑向應力：
法蘭有效厚度：
，
（3-39）
滿足要求。
c. 切向應力：
（3-40）
66.08MPa<
滿足要求。
綜上所述，法蘭校核滿足要求。
3.7.4 管板的強度校核
按照GB151 《管殼式換熱器》的管板計算程序，分別對只有管程壓力作用的情況以及只有殼程壓力作用的情況下分為考慮膨脹差和不考慮膨脹差等四種危險組合工況對管板的各種應力進行強度校核計算。
1、第一種計算工況（殼程壓力作用下無溫差的工況）：Ps=1.65MPa Pt=0.0MPa 不記入熱膨脹差。
γ=0.0, =0.0
當量組合壓力 Pc=Ps-Pt(1+β)=1.65MPa
有效壓力組合 Pa=-+βγEtt =4.41×1.65=7.27
基本法蘭力矩系數(shù)
m=0.03 （3-41）
管板邊緣力矩系數(shù)
=m+0.03+1.09×0.003=0.033
管板邊緣剪切系數(shù)
υ=ψ=17.0×0.033=0.57
管板總彎矩系數(shù)
1.59 （3-42）
=0.398 （3-43）
=max(,),當m＞0時，按K和m查圖5-5實線，
得<，==0.398
管板布管區(qū)周邊剪切應力系數(shù)
0.063 （3-44）
管板徑向應力系數(shù)
0.025 （3-45）
管板布管區(qū)周邊處徑向應力系數(shù)
0.063 （3-46）
殼體法蘭力矩系數(shù)
0.00351
管板徑向應力
2=2
=160.4MPa
管板材料在設計溫度下的許用應力=142MPa
σr≤1.5[σ]pt =1.5×147=220.5MPa 合格
管板布管區(qū)周邊處徑向應力
2
=2
=125.9MPa
σrˊ≤1.5[σ]pt =220.5MPa 合格
管板布管區(qū)周邊剪切應力
τp= （3-47）
=15.25MPa
τp≤0.5[σ]pt =0.5×147=73.5MPa 合格
殼體法蘭應力
2
=2
=107.8MPa
σf≤1.5[σ]ft=1.5×147=220.5MPa 合格
殼體圓筒軸向應力
（3-48）
=20.6MPa
σc≤φ[σ]ct=0.85×159=135.15MPa 合格
換熱管軸向應力
=
=-1.71MPa
σt≤1.0=1.0×111=111MPa 合格
換熱管與管板連接拉脫力
q=
q≤0.5[σ]tt =0.5×111=55.5MPa 合格
結論:第一種計算工況全部應力合格.
2、 第二種計算工況(殼程壓力作用有溫差工況)：Ps=1.8MPa,Pt=0.0MPa;記入熱膨脹差.
設定換熱器組裝溫度為20℃
換熱管在金屬溫度下的熱脹系數(shù) αt=17×10-6mm/(mm·℃)
殼體在金屬溫度下的熱脹系數(shù) αs=12.20×10-6mm/(mm·℃)
換熱管與殼程殼體的熱膨脹變形差率：
（3-49）
=17×10-6×(105-20)- 12.20×10-6×(115-20)
=0.0003
=0.2037×0.0003×206000=12.59
當量組合壓力 Pc=Ps-Pt(1+β)=1.65-0=1.65MPa
有效壓力組合 Pa=+βγEtt =4.41×1.65+12.59=19.86MPa
基本法蘭力矩系數(shù)
==0.003 （3-50）
管板邊緣力矩系數(shù)
=m+0.003+1.09×0.003=0.006
管板邊緣剪切系數(shù)
0.102
管板總彎矩系數(shù)
0.395 （3-51）
G1e=0.1
G1=max(G1e,),當m＞0時,按K和m查圖5-5實線,得＜G1e
G1=G1e=0.1
管板布管區(qū)周邊剪切應力系數(shù)
0.0447 （3-52）
管板徑向應力系數(shù)
0.00447 （3-53）
管板布管區(qū)周邊處徑向應力系數(shù)
（3-54）
= 0.01
殼體法蘭力矩系數(shù)
-0.00039
管板徑向應力
2
=2
=256.7MPa
[σ]pt =3×147=441MPa 合格
管板布管區(qū)周邊處徑向應力
2
=2
=70.2MPa
3[σ]pt =3147=441MPa 合格
管板布管區(qū)周邊剪切應力
（3-55）
=33.16 MPa
1.5[σ]pt =1.5×147=220.5MPa 合格
殼體法蘭應力
2
=2
=-24.93MPa
[σ]pt =441MPa 合格
殼體圓筒軸向應力
（3-56）
=39.44MPa
[σ]ct=3×0.85×159=405.5MPa 合格
換熱管軸向應力
σt= （3-57）
=-61.3MPa
σt≤[σ]cr=67.3MPa 合格
換熱管與管板連接拉脫力
q= （3-58）
q≤0.5[σ]tt =0.5×111=55.5MPa 合格
結論:第二種計算工況全部應力合格.
3、第三種計算工況（管程壓力作用下無溫差的工況）：Ps=0.0MPa Pt=1.65MPa 不記入熱膨脹差。
=0.0 ； =0.0
當量組合壓力
Pc=Ps-Pt(1+β)=-1.65（1+0