第11章 夹套反应釜设计

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Se
2 1 L H h 计算出筒体的计算长度 L L H h i 由 或 i 3 3 将 L 与 Lcr 进行比较,若 L > Lcr ,筒体为长圆筒;

若 L < Lcr ,筒体为短圆筒
Se 3 长圆筒临界压力: pcr 2.2 E ( ) DO
t
(2)密封面的形式 容器法兰的密封面形式有平面密封面、凹凸密封面、榫槽密 封面、环密封面。密封面的形式可根据操作介质、法兰的公 称压力PN 、工作温度由教材中的压力容器法兰垫片选用表 确定。
(3)垫片的设计 根据材质的不同,垫片分为非金属垫片、组合式垫片和金属 垫片三种,垫片的形式可根据操作介质、法兰的公称压力 PN 、工作温度、法兰 Do 的型式由压力容器法 Di 兰垫片选用表确定。 垫片的尺寸由法兰的 压力容器法兰非金属软垫片 公称压力、公称直径 根据垫片的标准确定。 压力容器法兰非金属软垫片的结构见图、尺寸查压力容器法 兰非金属软垫片的标准。 (4)螺栓、螺母的设计 螺栓、螺母的规格和数量由法兰的结构和尺寸确定
Ro
(3)外压封头壁厚的设计
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若A在曲线的左侧,圆筒的许用外压[p]按下式计算:
Se 2 [ p] 0.0833E ( ) Do
t


将p与[ p]进行比较,若p ≤ [ p] ,则假设 S 合理;反之不合 n 理,需要重新设计 Sn ,直至满足p ≤ [ p]为止。 当按内压容器设计出的釜体壁厚与按外压容器的设计的釜体 壁厚不同时,取两者中的较大者。如上封头不包在夹套中, 则不受外压作用,只按内压计算,但常取与下封头相同的壁 厚。
L
L
在图10-15的 L / Do坐标中找到 L / Do 的值,将此点沿水平方向 右移与对应的 Do / Se线相交,当 L / Do >50时取50;L / Do < 0.05时取0.05。过此交点向下作垂直线与水平轴相交,找到
交点的系数A值。

根据圆筒的材料选用图10-16~图10-20,在图的下方找到系 数A值,若A在曲线的右侧,在此点作一垂直线与对应的材 料设计温度线相交,交点水平对应的值即为系数B。圆筒的 许用外压 [ p ]按下式计算: Se
三、外压釜体壁厚的设计

(1)外压圆筒壁厚的计算------简化公式设计法 ①设计外压的确定



根据设计条件单中釜体和夹套内介质的工作压力,确定设计 外压 p 。 ②圆筒壁厚的计算 假设圆筒的壁厚为Sn ,由 Se = Sn – C、Do Di 2Sn 分别计算 Do 出 Se 、 Do Lcr 1.17 D o 由公式 计算出临界长度 Lcr 值

一、釜体的结构型式
反应釜的釜体由圆筒形壳体、上封头和下封头组成。封 头型式多为椭球形,但对于含有固体颗粒或粘度较大物 料的釜体,其下封头常采用便于出料的锥型封头。


筒体与下封头一般采用焊接。上封头与筒体的连接方式由 釜体的直径确定。当釜体直径 Di<800时,人在釜内的活 动空间较小,故一般采用法兰联接。当釜体直径 Di >800 时,封头与筒体也可焊接。 内件的装拆可通过封头上的人孔进入釜内来完成,有时为 方便装拆和检修,既用法兰来连接封头和筒体,又在封头 上开设人孔。
(1)筒体的直径和高度 反应釜的外形尺寸如图所示。
Di Hj Dj H 反应釜的外形
①筒体直径 Di 的确定 立式反应釜釜体的容积通常是指圆柱形筒体和下封头包含 的容积,即: V VT VF 将釜体视为圆柱形筒体,初步估算釜体的内径 Di ,取
V

4
Di H
2
4V Di H 3 Di
4 Di

将估算出的 H j 稍加固整后再校核传热面积 ,即是否满足:
Fk Fs F


其中 Fk 为釜体下封头的内表面积,FS 为夹套包覆部分筒体的 内表面积,F 为工艺所需的传热面积。 在确定夹套高度时,还要考虑两个因素(1)当反应釜筒体与 上封头用法兰连接时,夹套上边缘与法兰下表面的间距应不 小于150—200mm ,以便装拆联接法兰的螺栓和螺母。(2)当 反应釜采用悬挂式支座时,要避免因夹套顶部的位置而影响 支座的焊接地位。夹套的顶部和底部开有供传热介质进出的 管口。加热蒸汽要从上端进入夹套,冷凝水从下端排出。如 用液体进行加热或冷却侧必须下进上出,以保证传热液体充 满夹套。

夹套进气(汽)管的结构

流板系用扁钢沿筒体圆周方向螺旋绕制而成、且导流板与夹 套内壁的间隙越小越好。 0-3
0-3
Di
δ
Dj
Dj
夹套内螺旋形导流板的结构
h
h
h
Di
δ
(2)釜内蛇管的结构 当工艺所需的传热面积较大,夹套的传热面积不能满足要 求,或釜内衬里为导热性差的材料时,可采用蛇管传热。蛇 管一般用管子盘旋成圆柱弹簧状,故亦称盘管,其结构如图 所示。 蛇管的进出口最好尽量设置在同一端,这样可只与一个端盖 相连接而装拆方便。但蒸汽加热时要上进下出,以利冷却水 的排出、减少振动。有时出于工艺或结构需要。也可将进出 口安排在筒体上。
h
D1
蛇管结构

常见的蛇管进出口结构见下图。
(a)
( b)
(c) 蛇管进出口结构
( d)
(e)


七、釜体容器法兰的联接结构
法兰联接结构由一对法兰、一个垫片、若干个螺栓和螺母构 成。 其设计内容包括:法兰的设计、密封面形式的选型、垫片设 计、螺栓和螺母的设计等。

(1)法兰的设计 容器法兰有甲型平焊法兰(JB/T4701—2000)、乙型平焊法 兰(JB/T 4702—2000)、长颈法兰(JB/T 4703—2000)三 种,设计时首先由法兰的公称压力PN、公称直径DN由教材 中的压力容器法兰分类及参数表确定确定其型式,然后根据 法兰型式及其PN 、 DN ,由对应的容器法兰标准设计出法 兰的结构和尺寸。
②筒体壁厚的设计 碳钢、低合金制筒体壁厚的设计采用试差法; 高合金制筒体的壁厚由壁厚计算公式确定。 ③筒体的强度校核 (2)内压封头壁厚的设计

①封头的选型 釜体的上下封头一般采用椭球型或碟型,且尽可能选用标准 封头。当釜内有固体物料或物料粘度较大,下封头可选用锥 形封头,以便卸料。


四、釜体的压力试验 压力试验的目的是检验釜体的宏观强度(是否有异常变形)和 致密性(有无泄漏)。是化工设备出厂时必须进行的工序。
五、反应釜夹套的设计
(1)夹套的结构型式
H
H
H

Ⅱ 夹套的结构型式
H

H


采用夹套传热时,为防止热量散失,需要在夹套外设置保温 层。夹套的型式根据工艺设计要求和反应釜的具体结构进行 选择,如要求上封头与筒体采用可拆性联结,则不能选用图 中的Ⅳ型。图中的Ⅱ型应用最为广泛。其结构型式如下图。
Di +50
700—1800 2000—3000
Di +100 Di +200

采用导热油加热时。夹套内径常取 Di +300,以增大夹套和釜 体的间隙,减小流动阻力。 夹套高度 H j主要取决于传热面积的要求,但一般还应不低于 H j 可如下估算: 釜内的料液高度以保持传热均匀。因此, VT VF Hj 2
立式带夹套的反应釜设计


带有搅拌装置的釜式反应器是化工、医药、染料、涂料等 电动机 行业生产中常用的典型设备 减速器 机 架 反应釜通常由釜体、传热、 搅拌、传动、密封等装置及 密封装置 有关附件组成。
釜 体 搅拌轴 温度计
夹套 搅拌桨




釜体是物料进行反应的空间,由筒体及上、下封头组成。 传热装置是为了提供化学反应所需的热量或带走反应生成 的热量。除了图中所用的夹套传热外,还有蛇管形式的传 热装置。 搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成,其作用是迅速均匀地混 合物料,强化传质传热过程,从而加快反应速率。 为使搅拌器能够以一定的转速转动,需要设置与之配套的 由电动机和减速机等组成的传动装置。反应釜上除了 有设备法兰、管法兰等静密封结构外,还有保证转轴密封 的动密封装置。 附件
>150-200
不锈钢 不锈钢
h
45°
碳钢
45°
Di
Di Dj
S
Di Dj
S
碳钢
Dj
Ⅱ型夹套的结构
(2)夹套的尺寸 夹套壁与釜体壁间构成一个供传热介质流动的空间,夹套的 内径 D j 一般可按下表确定。 夹套的内径 D j 与筒体内径 Di 之间的关系
Di /mm
D j /mm

500—600
(1)内压筒体壁厚的设计 ①设计参数的确定



根据设备设计条件单中提供的 有关技术特性参数和要求,确定设计参数。 设计压力 p :无安全装置取 p =1.1 pW ;装安全阀取 p = (1.05~1.1) pW ;装爆破膜取 p (1.15 1.3) pW ; pc p pL , pL / p <5%,可以忽略 pL ; 计算压力 pc : 设计温度 t : 取操作介质的最高温度; 焊缝系数 : 根据筒体纵向焊缝的结构和无损探伤的要求 壁厚附加量 C :C1 =0.25mm; C2 取值见有关文献

②设计参数的确定 见筒体设计参数的确定。 ③封头壁厚的计算 设计方法与内压筒体壁厚的设计方法相同。 当封头壁厚小于筒体壁厚时,将封头的壁厚调整至与筒体的 壁厚一致;当封头壁厚大于筒体壁厚时,将封头的直边部分 进行加工,以便等壁厚焊接和降低边缘应力。 当夹套内介质的工作压力高于釜内压力时,被夹套包覆的釜 体为外压容器,为防止釜体发生失稳,需要对其进行稳定性 计算。

2.6 E t Se2 短圆筒临界压力:pcr DO LDO Se
由 [ p]
pcr 计算出[ p] ,对于圆筒m=3。 m



将p与[ p ]进行比较,若p ≤ [ p] ,则假设 Sn 合理;反之不合 理,重新设计,直至满足p ≤ [ p]为止。 (2)图算法 外压圆筒所需的壁厚可利用教材中外压容器设计一章中的图 10-15~10-20进行计算,过程如下: Do Di 2Sn,分别计算 假设圆筒的壁厚为Sn ,由Se Sn C 、 出 L / Do 、 Do / Se
为了尽量排去夹套中的空气或其它不凝性气体,还常在夹套 顶部另设排气管口,其直径不小于DN 10。 夹套封头的型式与釜体下封头相同。 (3)夹套圆筒壁厚的计算 夹套圆筒壁厚的计算参见釜体内压筒体壁厚的设计。 (4)夹套封头壁厚的设计 夹套封头壁厚的设计参见釜体内压封头壁厚的设计。

(5)夹套的压力试验

参见釜体的压力试验。注意:做夹套的压力试验时,先做 釜体的压力试验,待釜体合格后,才焊上夹套做压力试验。
六、传热装置的设计

(1)夹套进气(汽)管的结构 采用气(汽)体作传热介质时,若夹套进气(汽)管内的气 速较高,需考虑采取防止气体直接冲刷釜体外壁的措施。采 用下图所示的防冲挡板或 侧向开孔的进气管。 用液体作传热介质时,为了 提高传热效果,在釜体外壁上 焊接螺旋形导流板有利于 提高液体流速、增大传热
将选定的 H / Di 值代入上式,可初步估算出釜体的内径。 考虑到釜体的内径应符合压力容器公称直径的标准。 ②筒体的长度 H的确定 筒体的长度 H 可由下式确定

V VT VF
VT V VF

4
Di H V VF H
2
V VF

4
D 2i
二、釜体壁厚的设计
立式带夹套的反应釜设计内容


根据工艺设计所确定的操作容积、 工作压力、工作温度、 介质情况、传热面积、搅拌形式、转速和功率、以及管口 尺寸和方位等工艺条件,选择各零部件的材料,确定反应 釜釜体、夹套的结构型式和尺寸; 通过强度、刚度和稳定性计算确定反应釜壳体、夹套壳体 的壁厚和搅拌抽直径,并根据有关的标准对搅拌器、传动 装置、密封装置和各种附件进行选型; 绘出所需的装配图与必要的零部件图。
[ p] B Do

若A在曲线的左侧,圆筒的许用外压[ p]按下式计算: 2 t Se [ p] E A( ) 3 Do

将p与[ p]进行比较,若p ≤ [ p] ,则假设 S 合理;反之不合 n 理,需要重新设计 Sn ,直至满足p ≤ [ p]为止。 ①设计外压的确定 封头的设计外压与筒体相同。 ②封头壁厚的计算 设封头的壁厚为 Sn ,令 Se = Sn – C ,根据封头的形式确定当 Se ( R S R 量半径 o ,计算出 e / o 。用A=0.125 R ) 计算出系数A值。 o 根据圆筒的材料选用图10-51~图10-20,在图的下方找到系 数A值,若A在曲线的右侧,在此点作一垂直线与对应的材 料设计温度线相交,交点水平对应的值即为B系数。圆筒的 许用外压[p]按下式计算: [ p ] B Se
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