第11章-夹套反应釜设计

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、涂料等行业生产中常用的典型设备反应釜通常由釜体、传热、搅拌、传动、密封等装置及有关附件组成。搅拌轴夹套釜体机架减速器电动机密封装置搅拌桨温度计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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。立式带夹套的反应釜设计内容一、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。DiDjHHj反应釜的外形①筒体直径的确定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：将釜体视为圆柱形筒体，初步估算釜体的内径，取将选定的值代入上式，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筒体的长度的确定筒体的长度可由下式确定iDTFVVViD24iVDH34iiVDHD/iHDHHTFVVVTFVVV24iFDHVV24FiVVHD二、釜体壁厚的设计(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：无安全装置取＝1.1；装安全阀取＝(1.05～1.1)；装爆破膜取；计算压力：，＜5％，可以忽略；设计温度：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：＝0.25mm；取值见有关文献pp(1.151.3)WpppWpWpcpcLppp/LppLptC1C2C②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。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。三、外压釜体壁厚的设计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。(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。②圆筒壁厚的计算假设圆筒的壁厚为，由=–C、分别计算出、由公式计算出临界长度值由或计算出筒体的计算长度将与进行比较，若＞，筒体为长圆筒；若＜，筒体为短圆筒pnSeSnS2oinDDSeSoD1.17ooeDLcrDSLcrL13iLHh23iLHhLLLLcrLcrLcr长圆筒临界压力：短圆筒临界压力：由计算出[p]，对于圆筒m=3。将p与[p]进行比较，若p≤[p]，则假设合理；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：假设圆筒的壁厚为，由、，分别计算出、32.2()tecrOSpED22.6tecrOOeESpDLDS[]crppmnSnSenSSC2oinDDS/oLD/oeDSLL在图10-15的坐标中找到的值，将此点沿水平方向右移与对应的/线相交，当＞50时取50；＜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。圆筒的许用外压按下式计算：若A在曲线的左侧，圆筒的许用外压[p]按下式计算：/oLD/oLDoDeS[]p[]eoSpBD2[]()3teoSpEAD/oLD/oLD将p与[p]进行比较，若p≤[p]，则假设合理；反之不合理，需要重新设计，直至满足p≤[p]为止。(3)外压封头壁厚的设计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，令=–C，根据封头的形式确定当量半径，计算出/。用A=0.125计算出系数A值。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：nSnSnSeSeSnSoRoR()eoSR[]eoSpBR若A在曲线的左侧，圆筒的许用外压[p]按下式计算：将p与[p]进行比较，若p≤[p]，则假设合理；反之不合理，需要重新设计，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。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。2[]0.0833()teoSpEDnSnS五、反应釜夹套的设计(1)夹套的结构型式HHHHⅠⅡⅢⅣ夹套的结构型式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。Ⅱ型夹套的结构DiDj＞150-200DjDiSh45°不锈钢碳钢碳钢DjDiS45°不锈钢(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，夹套的内径一般可按下表确定。夹套的内径与筒体内径之间的关系采用导热油加热时。夹套内径常取+300，以增大夹套和釜体的间隙，减小流动阻力。夹套高度主要取决于传热面积的要求，但一般还应不低于釜内的料液高度以保持传热均匀。因此，可如下估算：jDiDjD/mm500—600700—18002000—3000/mm+50+100+200iDjDiDiDiDiDjHjH24TFjiVVHD将估算出的稍加固整后再校核传热面积，即是否满足：其中为釜体下封头的内表面积，为夹套包覆部分筒体的内表面积，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。jHksFFFkFSFF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DN10。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。(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、增大传热夹套进气（汽）管的结构六、传热装置的设计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。夹套内螺旋形导流板的结构DiDjhh0-3DjDih0-3δδh(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。蛇管结构D1常见的蛇管进出口结构见下图。（a）（b）（c）（d）（e）蛇管进出口结构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/T4702—2000）、长颈法兰（JB/T4703—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)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、法兰的型式由压力容器法兰垫片选用表确定。垫片的尺寸由法兰的公称压力、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压力容器法兰非金属软垫片DoDiδ八、管法兰的联接结构(1)钢制管法兰的设计管法兰是压力容器及设备与管道联接的标准件、通用件。将操作介质的工作压力圆整至符合规定的公称压力PN，即管法兰的公称压力，根据接管的DN和管法兰的公称压力PN，由管法兰标准确定法兰的类型。Wp(2)管法兰的密封面形式管法兰的密封面形式有突面密封面、凹凸密封面、榫槽密封面等。密封面的形式可根据法兰的公称压力和公称直径，由表进行确定。(3)垫片的设计非金属垫片缠绕式垫片垫片类型的确定与容器法兰垫片相同，类型确定后由公称压力PN、接管公称直径DN查管法兰垫片的标准设计出尺寸。管法兰非金属软垫片的结构与容器法兰非金属软垫片相似、尺寸查管法兰非金属软垫片的标准。金属包垫片金属垫片九、管口结构(1)进料管口进料管一般都从釜顶引入，液相进料管须伸进釜内，防止液料沿封头内壁流入法兰密封面，对密封面和釜壁产生局部腐蚀。液相