第8章 化工设备机械设计应用

第8章化工设备机械设计应用8.1压力容器设计8.1.1概述1．压力容器设计的任务1）根据工作需要和承受压力能力，确定设计容器的结构型式。如矩形(箱形)、球形或圆筒形。2）确定容器的壁厚。3）选择容器的附件，如支座、接管等。2．容器所受裁荷1）压力：内压、外压。2）容器和物料净重。3）自支承高耸容器上的风载荷与地震载荷。4）管道和辅助设备所施加的载荷等。3．容器机械设计的基本要求1）强度：容器应有抵抗外力破坏的能力。2）刚度：零部件应有抵抗外力使其变形的能力。3）稳定性：容器或其零部件在外力作用下应有维持其原有形状的能力。4）耐久性：抵抗介质及大气腐蚀的能力。5）气密性：容器在承受压力或处理有毒介质时应密封防止泄漏。6）其他：节约材料，便于制造，运输、安装、操作、维修。8.1.2内压圆筒的强度计算1.壁厚计算壁厚附加量C包括钢板厚度负偏差C1，腐蚀裕度C2以及钢材在加工和热处理过程中损失的厚度C3。负偏差C1小于设计厚度6%、且小于0.25mm时可以不计。当腐蚀和磨蚀速度大于0.1mm/a时，腐蚀裕度C2由设计者决定，腐蚀速度在0.1～0.05mm/a范围内，单面腐蚀和磨蚀取C2＝2mm，双面腐蚀或磨蚀取C2＝4mm；腐蚀速度≤0.05mm/a时，单面腐蚀和磨蚀C2＝1mm，双面腐蚀和磨蚀C2＝2mm。焊缝系数参照下表例8-1液氨贮罐的筒体设计已知条件：设计压力p＝2.5MPa，操作温度—5～44℃，贮罐内径Di＝1200mm，设计要求；确定筒体厚度、钢材牌号。方案1：选用材料16MnR钢板,[σ]＝170MPa焊缝应为v型坡口双面焊接，焊缝系数查得：＝0.85；钢板负偏差C１＝0.8mm，腐蚀裕度由：C2=1mm，则壁厚附加量C＝0.8+1＝1.8mm。得方案2：Q245钢板[σ]＝133MPa焊缝系数0.85；壁厚附加量C=0.8+1=1.8mm。得:两种方案比较（1）钢板耗用量采用16MnR时，钢板相对重量比采用Q245时可减轻。（2）制造费用按设备重量计价，16MnR制造费用比较经济。8.1.3封头的厚度计算椭圆封头8.1.4外压容器的设计1．外压容器的失稳与临界压力当容器受外部受压时(如有压夹套内层、真空容器等)，器壁亦会突然被压瘪，这种现象叫失稳，发生失稳的最小外压叫临界压力(PK)，而设计压力应满足。2．外压圆筒的壁厚计算当圆筒足够长，两端封头的影响可忽略，称为长圆筒(L＞Lc）3．外压圆筒壁厚参考值。容器长径比公称直径4005006007008009001000120014001600180020002200筒体壁厚12345334443444.55444.55644.5566456884.5688568810688101068810128101012128101214148121414141012141616容器长径比公称直径60070080010001200夹套内压力（×0.1MPa），容器内压力≤1MPa2.5462.5462.5462.5462.546筒体壁厚123456688868810106810101266881068101012810101212681010108101012128101214148101012128101414141012141618810121414101212141610121616204．外压封头壁厚计算(1)椭圆形与碟形头按钢制石油化工压力容器设计规定，可用受内压(凹面受压)时的计算公式计算。但采用的计算压力为设计外压的1.25倍。CS0.5p-2kpDti例8-2苯乙烯精馏塔内径2m，筒体高度20m，封头总深度2.5m，在120℃及真空度9.07×104Pa(680mm汞柱)下操作。材料选用20g钢板，试确定其壁厚。解：(1)塔的计算长度L（封头长度取其深度的l/3）)(34.205.23120mL(2)设筒体计算厚度15mm，临界长度)(63.27015.003.203.218.1/18.10mSDDLwwcL(3)壁厚按短圆筒计算：查得在t=120℃时，E=1.94×105MPa，p取0.1MPa。因腐蚀性不大，C取2mm；按钢板厚度规格，取S=20mmCDLEpDSww4.0)6.23()(0185.0002.0)03.21094.16.234.201.03(03.24.05mScLLmLc)(3.2402.004.204.218.1S)(0186.0002.0)04.21094.16.234.201.03(04.24.05mS(4)复核复核：(5)封头厚度实际上取封头厚度与筒体相同S＝20mm。)(0032.0002.01.025.15.08.0132221.025.11.25p0.5-2Dp1.25tm　　CS　8.2塔设备设计示例8.2.1塔设备的机械设计塔设备在操作时，塔体及裙座可能受到以下几种载荷的作用：操作压力：对塔体形成轴向和环向载荷，但对裙座则不起作用。塔的重量：塔体(Q1)、内件(Q2)、保温材料(Q3)、平台及扶梯(Q4)、物料(Q5)、裙座(Q6)、水压试验时充水量(Q7)及其他附件(Q8)等重量形成，塔体及裙座的轴向载荷及可能有的偏心载荷。风力作用：主要对塔体及裙座形成弯矩和剪力。地震影响：其中水平地震力影响最大，对塔体与裙座构成弯矩与剪力。进行塔设备的机械设计，必须对以上几种因素形成的载荷逐一进行计算，求出需要计算的横截面上各种载荷引起的最大应力，然后应用叠加原理求出叠加后的最大组合应力，再据以确定塔体及裙座等结构的尺寸。8.3搅拌反应釜设计示例8.3.1搅拌反应釜机械设计依据搅拌反应釜的机械设计是建立在工艺设计的基础上，工艺要求是确定搅拌反应釜机械设计的主要依据。搅拌反应釜的工艺要求通常包括反应釜的容积、最大工作压力、工作温度、工作介质及腐蚀情况、传热面积、换热方式、转速及功率、接口管方位与尺寸地确定等。通常这些条件都以表格示意图的形式反映在设计任务书中。8.3.2搅拌反应釜机械设计内容搅拌反应釜机械设计包括：1）确定搅拌反应釜的结构型式和尺寸；2）选择材料；3）计算强度；4）选用主要零件；5）绘图图样；6）提出技术要求。8.3.3罐体和夹套的结构设计罐体一般为立式圆筒形容器，有顶盖、筒体和罐底。夹套的型式与罐体相同。1.罐体几何尺寸计算（1）确定筒体内径m式中：V工艺条件给定的容积，m3；I长径比，341iVD11DHi种类设备内物料类型i一般搅拌器液-固相或液-液相物料1-1.3气-液相物料1-2发酵罐类1.7-2.5几种搅拌釜的长径比i值（2）确定封头尺寸椭圆封头选标准件JB/T4746-2002《钢制压力容器封头》。（3）确定筒体高度H12114DVVHhV-釜体容积，m3；H1-筒体高度，m；D1-筒体内径，m；Vh-下封头所包含的容积，m3。（4）夹套尺寸计算容器夹套的常用结构如下图所示。夹套与筒体的连接常焊接成封闭结构。夹套内径D2可根据筒体内径D1决定，按下表选取。D1500～600700～18002000～3000D2D1+50D1+100D1+200夹套直径D2夹套高由传热面积决定，不能低于料液高。通常由工艺给定装料系数η，或根据已知容积和操作容积进行计算，即；η=操作容积/全容积。通常取η=0.6～0.85。如物料在反应过程中起泡沫或呈沸腾状态，η应取低值。夹套高度按下式估算。2124DVVHhV釜体容积，单位为m3；H2夹套高度，单位为m；D1筒体内径，单位为m；Vh下封头所包含的容积，单位为m3；η工艺给定装料系数。夹套所包围罐体的表面积（筒体表面积F筒+封头表面积F封）一定要大于工艺要求的传热面积F，即F筒+F封≥F2．筒体厚度和封头厚度的确定对于不带夹套的筒体及上、下封头，其厚度按内压容器壁厚计算式确定，设计压力可选取釜体内部的最高工作压力。如果釜体外壁有夹套，则筒体及下封头的厚度应分别按承受内压和外压进行计算。按内压计算时，最大压力差为釜体内的工作压力；当釜体内为真空操作时，需按外压计算，最大压力差为夹套内的工作压力或夹套内的工作压力加0.1MPa。若上下封头不被夹套包围，则不承受外压作用，只按内压设计，但通常取与下封头相同的壁厚。8.3.4搅拌装置设计搅拌装置选型通常是工艺设计任务，也可按下表选取JDD/1JDH/08.3.5搅拌轴设计1．搅拌轴的材料选用搅拌轴的材料常用45钢，有时还需要适当的热处理，以提高轴的强度和耐磨性。对于要求较低的搅拌轴可采用普通碳素钢制造。当耐磨性要求较高或釜内物料不允许被铁离子污染时，应当采用不锈钢或采取防腐措施。2．搅拌轴直径的计算搅拌轴的直径同时满足强度和刚度两个条件，取两者较大者。另外还要考虑到轴上键或孔对轴截面的局部削弱，介质腐蚀的影响。综合以上因素，搅拌轴直径应按计算直径给予适当增大，并圆整到适当轴径。（1）搅拌轴的强度计算轴的扭转强度条件为pTWMmaxnPMT61055.9163dWP3365nPd式中:d搅拌轴直径，单位为mm；P搅拌轴传递功率，单位为KW；N搅拌轴转速，单位为r/min。（2）轴的刚度计算搅拌轴如产生过大的扭转变形，将引起轴的振动，使轴封失效，影响搅拌釜正常运行，因此应把轴的扭转变形限制在一个允许的范围内，即规定一个设计的扭转刚度条件。作为扭转的刚度条件，即180103PTGIM41537nGPd（3）搅拌轴的支撑通常情况下，搅拌轴依靠减速机内的一对轴承支承。但是，由于搅拌轴往往较长而且悬伸在反应釜内进行搅拌操作，因此运转时容易发生振动，将轴扭弯，甚至完全破坏。为了保持悬臂搅拌轴的稳定，悬臂轴长度L1、搅拌轴直径d、两轴承之间的距离B之间的关系应满足一下条件：5~41BL50~401dL当轴的直径裕量较大、搅拌器经过平衡及低转速运转时，可取偏大值，高速运转时，取偏小的值。、3搅拌反应器设计示例