80m3聚乙烯聚合反應釜設計

1、學生畢業(yè)設計（論文）題 目80m3聚乙烯聚合反應釜設計作 者院 (系)專 業(yè)指導教師答辯日期榆 林 學 院畢業(yè)設計（論文）誠信責任書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果。畢業(yè)設計（論文）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人畢業(yè)設計（論文）與資料若有不實，愿意承擔一切相關的法律責任。 論文作者簽名: 年 月 日摘 要聚合反應釜是化學工程和生物工程中最常

2、見也是最重要的設備之一，主要用于制造有機聚合物球體，制備高分子化合物。因此結構合理，反應迅速，低投入高產(chǎn)率的聚合反應釜是各個企業(yè)競相需求的必要生產(chǎn)設備。本文采用傳統(tǒng)設計方法，對80m3聚乙烯聚合反應釜進行設計。主要包括：釜體結構型式的確定、傳熱系統(tǒng)的設計、傳動裝置的設計、攪拌裝置的設計、附屬部件的選型、壓力試驗及開孔補強。設計的聚合釜其釜體內(nèi)徑為3600mm，高度為7860mm，壁厚為36mm；封頭采用標準橢圓形封頭；傳熱方式采用夾套、蛇管和冷凝器相結合的傳熱方式；攪拌裝置選擇帶有二層葉輪的直葉槳式攪拌器；在傳動裝置中選用型號為YD225S4/6、額定功率為33 kW的電機，減速機選擇直聯(lián)型立

3、式二級擺線針輪減速機。設計中的參數(shù)選取合理，不僅滿足了設備的設計要求，而且使運行質(zhì)量得到了保證。關鍵詞：聚合釜；壁厚；電機；參數(shù)選取The Design of a 80m3 Polyethylene Polymerization Reaction KettleABSTRACTPolymerization reaction kettle is one of the most common and important equipment in the chemical engineering and biological engineering, which is mainly used to m

4、ake the organic polymer spheroid and prepare the macromolecular compound. Therefore, reasonable structure, rapid response, low investment and high yield rate of polymerization reaction kettle is the necessary production equipment for every company. This paper uses the traditional design method to de

5、sign a 80m3 polyethylene polymerization reaction kettle. Mainly includes: the determination of body structure, the design of heat-transfer system, transmission system, the mixing device, the selection of accessory parts, pressure test and opening reinforcement. The inner diameter, height and thickne

6、ss of the designed polymerization reactor is respectively 3600mm, 7860mm and 36mm; the head is adopted by standard ellipsoidal head; the heat transfer method is adopted by, coil and condenser; the stirring device is adopted by the straight oar mixers of two impellers; the transmission device is adop

7、ted by the YD225S-4/6 motor which power rating is 33 kW, the speed reducer is adopted by straight type vertical secondary cycloidal reducer. Parameters selected in the design is reasonable, not only meets the design requirements of the equipment, but also quality is obtained in the operation.Keyword

8、s: polymerization kettle；Heat-transfer system；the mixing device；parameter selection目錄摘 要3ABSTRACT41 緒論81.1聚乙烯（PE）聚合反應釜國內(nèi)外發(fā)展趨勢81.1.1聚乙烯（PE）國內(nèi)外發(fā)展趨勢81.1.2反應釜的介紹81.1.3反應釜常見類型91.1.4聚合反應釜介紹101.2本課題研究的目的、意義和內(nèi)容112 PE聚合反應釜體結構的設計和計算122.1釜體DN，PN和材料的確定122.1.1釜體PN和材料的確定122.1.2釜體DN的確定122.2釜體筒體壁厚的設計132.2.1設計參數(shù)的確定1

9、32.2.2筒體壁厚的設計132.3釜體封頭的設計142.3.1封頭的選型142.3.2設計參數(shù)的確定142.3.3封頭壁厚的設計14封頭的壁厚142.4筒體長度H的設計152.4.1筒體長度H的設計152.4.2筒體長徑比L/Di的復核152.5外壓筒體壁厚的設計152.5.1設計外壓的確定152.5.2試差法設計外壓筒體的壁厚162.6外壓封頭壁厚的設計162.6.1設計外壓的確定162.6.2封頭壁厚的計算163 PE聚合反應釜傳熱設計183.1聚合釜夾套的設計183.1.1夾套釜體DN，PN的確定183.1.2夾套筒體的設計183.2夾套封頭的設計193.2.1封頭的選型193.2.2

10、設計參數(shù)的確定193.2.3封頭壁厚的設計193.2.4夾套與筒體的連接方式203.2.5 傳熱面積的校核203.3蛇管傳熱213.3.1蛇管作用和型式選用213.3.2蛇管參數(shù)設計223.3.3蛇管傳熱設計223.4冷凝器換熱233.5反應釜釜體及夾套的壓力試驗233.5.1釜體的液壓試驗233.5.2 釜體的氣壓試驗243.5.3夾套的液壓試驗244 反應釜零部件設計264.1釜體容器法蘭的聯(lián)接結構264.1.1法蘭的設計264.1.2密封面的型式264.1.3墊片的設計274.2螺栓、螺母設計284.2.1螺栓設計設計思路和設計內(nèi)容284.2.2墊片壓緊力294.2.3螺栓載荷計算294

11、.2.4螺栓設計304.3工藝接管的設計315 開孔和開孔補強設計345.1開孔345.2開孔補強345.2.1補強選擇345.2.2補強計算356 攪拌裝置的選型與尺寸設計386.1攪拌器的功能和流動特征386.2攪拌器的選擇386.3攪拌葉輪層數(shù)、深度406.4攪拌功率計算406.5 攪拌軸直徑的初步計算426.5.1 攪拌軸直徑的設計426.5.2攪拌軸剛度校核436.6攪拌軸臨界轉速校核計算436.7 攪拌軸的結構及尺寸的設計436.7.1攪拌軸長度的設計436.8聯(lián)軸器的型式及尺寸的設計446.8.1聯(lián)軸器型式的確定446.8.2聯(lián)軸節(jié)的零件及材料457 傳動裝置的選型與尺寸設計46

12、7.1電動機的選型467.2減速器的選型477.3機架的設計487.4機座的設計498 PE聚合反應釜密封型式的選定498.1反應釜的軸封裝置的選型498.2機械密封的結構選型499 聚合反應釜支座的選型及設計519.1懸掛式支座的選型519.2懸掛式支座的尺寸的初步設計52參考文獻53致謝541 緒論1.1聚乙烯（PE）聚合反應釜國內(nèi)外發(fā)展趨勢1.1.1聚乙烯（PE）國內(nèi)外發(fā)展趨勢1898年，聚乙烯最早由德國化學家Hans von Pechmann在一次試驗事故中合成。1933年，ICI Chemicals（英國帝國化學公司）公司的Eric Fawcett和Reginald Gibson在另

13、外一次試驗事故中使用乙烯在高壓狀態(tài)下合成了聚乙烯。1935年，ICI Chemicals公司的Michael Perrin發(fā)明了可控高壓聚乙烯合成方法。1939年，低密度聚乙烯開始使用高壓法工業(yè)化生產(chǎn)。用這種以自由基作引發(fā)劑的高壓工藝制得的聚乙烯的結晶度較低，密度為0.9150.925g/cm3，稱為低密度聚乙烯。50年代Phillips石油公司和Mobil石油公司分別用氧化鉻和氧化鉬催化劑，在相對較低的溫度、較低壓力下制得基本呈線型的聚乙烯，這就是密度為0.9400.970 g/cm3的高密度聚乙烯。50年代中期Ziegler發(fā)現(xiàn)TiCl4和烷基鋁組成的催化體系可使乙烯在較低溫度、較低壓力下

14、聚合，并實現(xiàn)了乙烯和丁烯等其他-烯烴的共聚，這一催化劑后經(jīng)發(fā)展形成著名的Ziegler-Natta催化劑。共聚形成的支鏈降低了聚合物的結晶度，也降低了聚合物的密度，但大分子鏈呈線型，無長支鏈或枝杈狀支鏈。用這種催化劑可以在低于4MPa的適中條件下生產(chǎn)線型低密度聚乙烯。1.1.2反應釜的介紹反應釜是一種廣泛應用于石油、化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、食品，用來完成硫化、硝化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過程的壓力容器。反應釜的廣義理解即有物理或化學反應的不銹鋼容器，通過對容器的結構設計與參數(shù)配置，實現(xiàn)工藝要求的加熱、蒸發(fā)、冷卻及低高速的混配功能。反應過程中的壓力要求對容器的設計要求也不盡相同，生產(chǎn)

15、必須嚴格按照相應的標準加工、檢測并試運行。同時某些不銹鋼反應釜根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝、操作條件等，反應釜的設計結構及參數(shù)與標準不同，即反應釜的結構樣式不同，屬于非標的容器設備。反應釜是綜合反應容器，根據(jù)反應條件對反應釜結構功能及配置附件的設計。從開始的進料反應出料均能夠以較高的自動化程度完成預先設定好的反應步驟，對反應過程中的溫度、壓力、力學控制（攪拌、鼓風等）、反應物/產(chǎn)物濃度等重要參數(shù)進行嚴格的調(diào)控。反應釜一般采用SUS304、SUS316L 等不銹鋼材料制造。攪拌器有錨式、框式、槳式、渦輪式，刮板式，組合式；轉動機構可采用擺線針輪減速機，可滿足各種物料的特殊反應要求；密封裝置可采用機械密封；

16、加熱冷卻可采用夾套、半管、盤管、米勒板等結構；加熱方式有蒸汽、電加熱、導熱油，以滿足耐酸、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等不同工作環(huán)境的工藝需要。1.1.3反應釜常見類型反應釜根據(jù)制造結構可分為開式平蓋式反應釜、開式對焊法蘭式反應釜和閉式反應釜三大類，每一種結構都有其適用范圍和優(yōu)缺點。反應釜按材質(zhì)及用途可分為以下幾種：（1）不銹鋼反應釜不銹鋼反應釜由釜體、釜蓋、夾套、攪拌器、傳動裝置、軸封裝置、支承等組成，材質(zhì)一般有碳錳鋼、不銹鋼、鋯、鎳基（哈氏、蒙乃爾）合金及其它復合材料。根據(jù)反應釜的制造結構可分為開式平蓋式反應釜、開式對焊法蘭式反應釜和閉式反應釜三大類。不銹鋼反應釜攪拌形式一般有錨式、槳式、渦輪式

17、、推進式或框式等，攪拌裝置在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉，也可根據(jù)用戶的要求任意選配。不銹鋼反應釜的密封型式可分為：填料密封、機械密封和磁力密封；加熱方式有電加熱、熱水加熱、導熱油循環(huán)加熱、外(內(nèi))盤管加熱等；冷卻方式有夾套冷卻和釜內(nèi)盤管冷卻。不銹鋼反應釜廣泛應用于石油、化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、食品，用來完成硫化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過程。（2）搪玻璃反應釜搪玻璃反應釜是將含高二氧化硅的玻璃，襯在鋼制容器的內(nèi)表面，經(jīng)高溫灼燒而牢固地附著于金屬表面上成為復合材料制品。因此搪玻璃反應釜具有玻璃的穩(wěn)定性和金屬強度的雙重優(yōu)點，是一種優(yōu)良的耐腐蝕設備。搪玻璃反應釜使用壓力為0.20.8

18、MPa；對各種有機酸、無機酸、有機溶劑均有較好的抗蝕性；對堿性溶液抗蝕性較酸溶液差；玻璃設備的瓷層厚度為0.82.3 mm，搪玻璃設備附件的瓷層厚度0.61.8 mm；具有良好的絕緣性，當搪玻璃在規(guī)定厚度內(nèi)用200000 V高頻電火花檢查瓷層時，高頻電火花不能擊穿瓷層；具有良好的耐沖擊性，玻璃層的內(nèi)應力越小，彈性越好，硬度越大，抗彎抗壓強度越高，則耐沖擊就越好。（3）磁力攪拌反應釜采用靜密封結構，攪拌器與電機傳動間采用磁力偶合器聯(lián)接，由于其無接觸的傳遞力矩，以靜密封取代動密封，能徹底解決以前機械密封與填料密封無法解決的泄漏問題，使整個釜體的各攪拌部件完全處于絕對密封的狀態(tài)中進行工作，因此，更適

19、合用于各種易燃易爆、劇毒、貴重介質(zhì)及其它滲透力極強的化學介質(zhì)進行反應，是石油、化工、有機合成、高分子材料聚合、食品等工藝中進行硫化、氟化、氫化、氧化等反應最理想的無泄漏反應設備。 （4）不飽和聚酯樹脂全套設備不飽和聚脂樹脂設備由立式冷凝器、臥式冷凝器、反應釜、儲水器、分餾柱五部分組成，是用于生產(chǎn)不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、ABS樹脂、油漆的關鍵設備。根據(jù)反應釜的密封型式不同可分為：填料密封，機械密封和磁力密封。（5）電加熱反應釜電加熱反應釜具有加熱迅速、耐高溫、耐腐蝕、無環(huán)境污染等特點，廣泛應用于石油、化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、食品等行業(yè)，用來完成硫化、硝化、氫化、烴化、縮合、聚合

20、等工藝過程。電加熱反應釜材質(zhì)一般有碳錳鋼、不銹鋼、鋯、鎳基（哈氏、蒙乃爾、因康鎳）合金及其它復合材料。1.1.4聚合反應釜介紹聚合反應釜也稱聚合釜是用于制造有機聚合物球體，制備高分子化合物的主要設備。一般是立式圓柱形高壓釜，帶有夾套，以便通入蒸汽或冷水來加熱或冷卻。釜的外壁常用碳鋼制成，內(nèi)襯不銹鋼，也有襯搪瓷的。聚合時可以單釜間歇生產(chǎn)，也可以是多釜串聯(lián)連續(xù)生產(chǎn)，聚合反應物由一個釜的下部進入下一釜的上部。釜上裝有溫度、壓力等儀表，以及進出料口等。用于本體聚合的，則釜內(nèi)不裝攪拌器，且不串聯(lián)。此外，還有在長方形金屬箱的淺盤中，以一定的速度流入而進行聚合的。聚合反應釜具有一個軸線直立的圓筒形反應釜體，

21、釜體的內(nèi)壁對稱設有三根可向心調(diào)節(jié)移動的阻尼棒，釜體外壁自上而下設有三段夾套。 聚合釜采用1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti、TA2等優(yōu)質(zhì)材料，特殊要求可進行加襯處理，以提高材料的抗強腐蝕能力。連接結構采用螺栓式結構或快開式卡環(huán)連接，省力快開，同時釜蓋可提升，釜體可取下。攪拌方式采用強磁筒形回轉式耦合結構，攪拌速度為101000 r/min，并可根據(jù)用戶需要對攪拌能力進行調(diào)節(jié)。聚合反應釜配有安全閥，安全閥采用爆破膜片，爆破數(shù)值誤差小，瞬間排氣速度快，安全可靠。反應釜各閥采用針形閥，往復關閉型式，密封可靠經(jīng)久耐用，各類閥安裝合理，泄放暢通，無死角。加熱方式采用電加熱方式，也可根據(jù)客

22、戶需要提供電加熱型、液體加熱型、電、液兩用加熱型。冷卻方式采用夾套、蛇管、冷凝器等冷卻原件來構成冷卻系統(tǒng)，用來保證反應的恒溫進行?？刂葡到y(tǒng)配備相關智能控制儀，控制儀采用智能化數(shù)字控制儀表，提供對電機轉速、釜內(nèi)反應溫度及壓力等的數(shù)據(jù)采集和控制，具有精度高、操作簡便、抗干擾能力強等特點。1.2本課題研究的目的、意義和內(nèi)容聚乙烯(Polyethylene，PE)是由乙烯聚合而成的聚合物，依據(jù)聚合方法、分子量高低、鏈結構不同分為低密度聚乙烯（LDPE）、線性低密度聚乙烯（LLDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）以及具有一些特殊性能的產(chǎn)品，其中HDPE在強度和勁度方面比LDPE好，韌性比LDPE、PVC高

23、，HDPE吸水性極微小，無毒，化學穩(wěn)定性極佳，薄膜對水蒸氣、空氣的滲透性小。聚乙烯可用擠出、注射、模塑、吹塑和熔紡等方法成型，廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、包裝及日常工業(yè)中，在中國應用相當廣泛，薄膜是其最大的消費產(chǎn)品，約消耗低密度聚乙烯77%，高密度聚乙烯的18%。另外，注塑制品、電線電纜、中空制品等都在其消費結構中占有較大的比例，在塑料工業(yè)中占有舉足輕重的地位，也是衡量一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要指標。乙烯聚合需要的主要設備是反應釜，并且反應釜還是制藥生產(chǎn)中的重要設備，它具有非線性、時變、大滯后等特性，是一個涉及諸多因素的復雜系統(tǒng)2。它的結構型式和操作條件決定了生產(chǎn)的聚合物產(chǎn)品的質(zhì)量和品種。反應釜中通

24、常設有攪拌裝置，它可以保證釜內(nèi)單體及溶劑間的剪切分散、各種物料的循環(huán)混合、分散液滴滴徑大小、傳熱傳質(zhì)速率、固液懸浮程度及添加劑混合等要求。本課題設計的聚乙烯聚合反應釜的容積為80立方米，而之前多為小容積反應釜，隨著科學的發(fā)展反應釜的放大也得以實現(xiàn)。 本文的工作內(nèi)容為80 m3PE聚合反應釜的設計，主要內(nèi)容如下：（1）掌握國內(nèi)外PE聚合反應釜發(fā)展及建設現(xiàn)狀；掌握PE聚合反應釜的種類及設計的影響因素；（2）參照國家和各個行業(yè)的設計標準，確定設計參數(shù)，完成聚合反應釜主體結構尺寸的設計計算，并針對材質(zhì)、施工工藝等具體內(nèi)容做出正確的選擇；（3）完成反應釜傳熱系統(tǒng)的設計，對夾套結構，蛇管數(shù)量，冷凝器的選型

25、和整體換熱面積進行詳盡的設計和合理性的論證；（4）依據(jù)反應釜設計的國家標準和要求選擇合適的鋼材、攪拌器、電機等，完成硬件設施初步選擇，做到有理有據(jù)；（5）完成輔助裝置的設計和繪制反應釜主要部件的CAD圖。2 PE聚合反應釜體結構的設計和計算2.1釜體DN，PN和材料的確定2.1.1釜體PN和材料的確定釜體PN的確定：操作壓力為Pw=1.55 MPa，查標準得PN=1.6 MPa，再根據(jù)PE反應溫度（45 95 ）和介質(zhì)情況，重點考慮聚合反應釜的使用壽命，所以最終選定反應釜釜體材料為0Cr18Ni9(高合金鋼鋼板)。2.1.2釜體DN的確定在已知反應釜的操作容積后，首先要選擇釜體適宜的長徑比(H

26、/Di)，以確定釜體直徑和高度。選擇釜體長徑比主要考慮以下三方面因素：1、長徑比對攪拌功率的影響：在轉速不變的情況下，PµD5（其中D攪拌器直徑，P攪拌功率），P隨釜體直徑的增大而增加，減小長徑比只能無謂地損耗一些攪拌功率。因此一般情況下，長經(jīng)比應選擇大一些。 2、長徑比對傳熱的影響：當容積一定時，H/Di越大，越有利于傳熱。3、在實際中長徑比的確定通常采用經(jīng)驗值。表2-1筒體長徑比經(jīng)驗表種類釜體物料類型H/Di一般攪拌釜液固或液液相物料氣液相物料11.312發(fā)酵釜類1.72.5聚合釜懸浮液、乳化液2.083.85根據(jù)表2-1確定高徑比L/Di=2.3。 將釜體視為圓柱形筒體，可以初

27、步估算筒體內(nèi)徑。在確定反應釜的容積時，應考慮在容器內(nèi)充裝的比例即裝料系數(shù)，其值通常可取0.60.85。如物料在反應過程中呈泡沫或沸騰狀態(tài)，取0.60.7；如物料在反應過程中比較平穩(wěn)，取0.80.85，聚乙烯反應平穩(wěn)一般選取裝料系數(shù)為0.8。確定了長徑比和裝料系數(shù)之后，先忽略釜底容積，此時： VD2iLD3iH/Di （2.1） 由 L/Di=2.3且V=(D2i/4)L=80 m3， 計算得Di=3.539m=3539 mm ，圓整后Di=3600mm，故DN取3600 mm。2.2釜體筒體壁厚的設計2.2.1設計參數(shù)的確定設計壓力：無安全裝置取P1.1PW；裝安全閥取P(1.051.1)PW

28、；裝爆破膜取P(1.151.3)PW。本設計反應釜釜體上裝有安全閥，因而取P=1.1PW，則 P=1.11.55=1.705 MPa。 液柱靜壓：PL=1.0103102.3×3.610-6=0.0828 MPa （2.2） 由于PL/P=100%=4.86%<5%，因此可以忽略PL，取PC=P=1.705 MPa。根據(jù)表2-2確定材料焊接接頭系數(shù)=1.0（100%無損探傷）。表2-2 焊接接頭系數(shù)焊縫型式無損探傷要求雙面焊或著全焊透對接接頭100%1.00局部0.85帶墊板單面焊對接接頭100%0.90局部0.80取C1=0.25 mm，因釜體帶有夾套，是雙面腐蝕，故C2=1

29、 mm，則厚度附加總量為C= C1+ C2 。查GB1501998標準得0Cr18Ni9(高合金鋼鋼板)的許用應力為 MPa（20 100 ）。2.2.2筒體壁厚的設計由公式 tn=+C （2.3）計算得 =23.79 mm ， 圓整取tn=24 mm。2.3釜體封頭的設計2.3.1封頭的選型釜體的上下封頭一般采用橢圓型或碟型，且盡可能選用標準封頭。當釜內(nèi)有固體物料或物料粘度較大，下封頭可選用錐形封頭，以便卸料。本反應釜物料黏度不大，綜合考慮封頭采用標準橢圓形封頭，類型是EHA。2.3.2設計參數(shù)的確定因釜體設計壓力P=1.1Pw=1.11.55=1.705 MPa，而液柱靜壓PL=0.082

30、8 MPa（可忽略），故釜體操作壓力PC=P=1.705 MPa。查表2-2得=1（雙面焊，100%無損探傷），取C1=0.25 mm，C2=1 mm(雙面腐蝕)。 查GB1501998得0Cr18Ni9的 MPa（20 100 ）。因為是標準橢圓封頭，故應力增強系數(shù)K=1。2.3.3封頭壁厚的設計封頭的壁厚公式為： tn= （2.4）=23.72 mm，而 23.72 mm<23.79 mm。因為封頭壁厚小于筒體壁厚，需將封頭的壁厚調(diào)整至與筒體的壁厚一致，故取封頭tn與筒體一致，即tn=24 mm。2.4筒體長度H的設計2.4.1筒體長度H的設計 由表2-3得，當筒體DN=3600mm

31、時，VF=6.5144 m3。表2-3筒體封頭的結構與尺寸公稱直徑DN/mm總深H/mm內(nèi)表面A/m2容積V/m3360094014.50086.5144查封頭標準EMA得筒體每米高容積V1m=10.180 m3/m， 則： 筒高估算為H=(V-VF)/V1m=(80-6.5144)/10.180=7.22 m=7220 mm （2.5） 2.4.2筒體長徑比L/Di的復核計算各類封頭的直邊高度h時均按如下原則確定：當封頭公稱直徑DN2000 mm時h為25 mm；DN>2000 mm時，h為40 mm。因本設計中筒體DN=3600 mm，故取h=40 mm。則筒體長度為： L=H+h+

32、h1 （2.6） =7220+40+(940-40)=7860mm， 圓整后L=7800 mm。長徑比復核為 （2.7） 故所取長徑比合理。2.5外壓筒體壁厚的設計2.5.1設計外壓的確定 PC=0.6MPa （2.8） 2.5.2試差法設計外壓筒體的壁厚設筒體的壁厚為tn=24 mm， t=tnC=241.25=22.75 mm （2.9）D0=Di+2t=3600+224=3648 mm。計算臨界長度：由 Lcr=1.17 D0（D0/ t）1/2 （2.10） 計算得 =1.173648×(3648/22.75)1/2=54047.7 mm。因L=7860 mm Lcr =54

33、047.7 mm，則該筒體為短圓筒。短圓筒的臨界壓力： （2.11） 查合金鋼材料彈性模量表得E=1.86105代入式（2.11）中，得Pcr=2.591.8610522.752/78603648(3648/22.75)1/2=0.687 MPa。 對于圓筒m=3，由P=Pcr/m計算出P=0.687/3=0.229 MPa。由于PP，所以假設不合理。再取tn=36 mm，te=tnC=361.25=34.75 mm，D0=Di+2tn=3600+236=3672 mm。則由式（2.11）得：MPa （2.12） 而MPaPC，故假設Sn=36 mm合理。2.6外壓封頭壁厚的設計2.6.1設計

34、外壓的確定 PC=0.6 MPa （2.13） 2.6.2封頭壁厚的計算設封頭的壁厚為tn =30 mm， te=tnC=28.75 mm，則： MPa （2.14）>PC，設計合理。綜上所述，取內(nèi)壓和外壓兩者中最大壁厚，即筒體與封頭Sn=36 mm。3 PE聚合反應釜傳熱設計3.1聚合釜夾套的設計3.1.1夾套釜體DN，PN的確定優(yōu)先采用夾套，可減少容器內(nèi)構件，便于清洗，不占有效容積。夾套壁與釜體壁間構成一個供傳熱介質(zhì)流動的空間，夾套的內(nèi)徑Dj按表3-1確定。表3-1夾套的內(nèi)徑Dj與筒體Di內(nèi)徑之間的關系Di/mm50060070018002000300030004000Dj/mmDi

35、 +50Di +100Di +200Di +300 由表3-1得， Dj=Di+400=3600+300=3900 mm （3.1） 則DN=3900 mm。由操作壓力Pw=0.6 MPa查標準得PN=0.6 MPa。3.1.2夾套筒體的設計設計壓力P=1.1PW=1.10.6=0.66 MPa （3.2） 裝料系數(shù)取0.80。夾套高H2按下式估算：= （3.3） 因為高密度聚乙烯的密度為0.9400.970 g/cm3，其密度與水相近，故按水計算反應物靜壓，即： =1.0103×103.910-6=0.039 MPa （3.4） （3.5） 所以不能忽略。 PC=P+=0.66+0

36、.039=0.699 MPa （3.6）取 =0.85（由于檢測不便，作局部檢測），C1=0.25 mm，C2=1 mm，查得t=80時16MnR的t=153 MPa。夾套筒體壁厚的計算： 由公式tn=得 （3.7） tn= mm圓整tn =12 mm。 3.2夾套封頭的設計3.2.1封頭的選型 由所設計要求可得封頭采用橢圓形封頭，材料為16MnR，類型是EHA。3.2.2設計參數(shù)的確定因為釜內(nèi)反應物濃度和水相近，故按水來計算反應物的靜壓，即： =1.0103×103.910-6=0.039MPa （3.8） ，所以不能忽略， 即，PC=P+=0.66+0.039=0.699 MPa

37、。3.2.3封頭壁厚的設計查GB1501998鋼制壓力容器材料的許用應力表中16MnR得，t=170 MPa， 取C1=0.25 mm ,C2=1 mm。由公式（2.4）：tn= ，得tn= mm。圓整為12 mm。大封頭直邊尺寸h=40 mm，查表3-2得DN=3900 mm的封頭體積為8.2427 m3，重量為1599.3 kg。表3-2 夾套封頭的結構與尺寸公稱直徑DN/mm總深H/mm內(nèi)表面A/m2容積V/m33900101516.97758.24273.2.4夾套與筒體的連接方式根據(jù)夾套與筒體的連接方式不同，夾套可分為可拆卸式和不可拆卸式。本釜夾套內(nèi)采用水冷卻介質(zhì)不易結垢，不需要經(jīng)常

38、清洗，所以采用不可拆卸式夾套裝在與筒體的連接處，做成封口錐型式。下封頭底部有接管，夾套底部與容器封頭連接方式也采用封口錐型式。其結構如圖3-1：圖3-1 封口錐連接方式3.2.5 傳熱面積的校核DN=3900 mm釜體下封頭的內(nèi)表面積Fh = 16.9775 m2，DN=3600 mm筒體1m高的內(nèi)表面積F1= 14.5008 m2，夾套高H2由傳熱面積決定，不能低于料液高度。H2由式（3.3）知為5.65 m。由于釜內(nèi)進行的反應是放熱反應，產(chǎn)生的熱量不僅能夠維持反應的不斷進行，且會引起釜內(nèi)溫度的升高。為防止釜內(nèi)溫度過高，需要進行傳熱面積的校核，夾套所包圍的釜體的表面積（筒體表面積F筒 +封頭

39、表面積F封）大于工藝要求的傳熱面積F則可不用加內(nèi)盤管，否則需另加內(nèi)盤管等使釜體內(nèi)的熱量傳出。 m2 （3.9）式中F筒筒體表面積，F(xiàn)筒=H2×F1m=5.65×10.585=59.8053 m2 F封封頭表面積，F(xiàn)封=14.5008 m2則F= F封+F筒=14.5008+59.8053=74.3061 m2<264.696 m2不滿足要求，故需要配套蛇管。3.3蛇管傳熱3.3.1蛇管作用和型式選用本釜工藝所需的傳熱面積較大，夾套的傳熱面積不能滿足要求，需另加蛇管傳熱。蛇管一般用管子盤旋成圓柱彈簧狀，故亦稱盤管，其結構如圖3-2所示。圖3-2 螺旋形盤管由于蛇管浸沒在

40、物料中，因此熱損失小、傳熱效果好，還可起到攪拌導流筒的作用，提高了攪拌效率，但檢修較麻煩。蛇管的傳熱面積與其管徑、管長有關。為了保證蛇管內(nèi)介質(zhì)的流速，蛇管管徑一般為DN=2570 mm。蛇管的進出口最好盡量設置在同一端，這樣可只與一個端蓋相連接而使得裝拆更為方便；但蒸汽加熱時要上進下出，因此要將蛇管的進出口安裝在同一端的一上一下位置，以利于冷卻水的排出、減少振動；有時出于工藝或結構需要，也可將進出口安裝在筒體上。蛇管允許的操作溫度為30 280 ，公稱壓力系列為0.4、0.5、0.6、1.0、1.6 MPa。蛇管不宜過長，否則會因凝液積聚而降低傳熱效果。3.3.2蛇管參數(shù)設計管內(nèi)蒸汽壓力選為0

41、.5 MPa，蛇管內(nèi)徑d0=50 mm，型號為50×3.5的無縫鋼管。因為聚合反應釜產(chǎn)生的聚合熱很大，應當采用若干并聯(lián)的同心圓固定型式，但由于需要考慮防粘釜，所以只設計單列蛇管，不采用并聯(lián)的同心圓型式。表3-3蛇管管長與管徑的比值壓力 MPa0.0450.1250.200.300.50L/ d0100150200225275由表3-3得，單圈蛇管標準長為275×50=13750 mm。各圈間垂直距離通常取1.52的d0但需要考慮防止粘釜，則兩圈蛇管間距離H=4d0=200 mm。所以聚合反應釜設置14層蛇管。由于蛇管中心直徑較大，需要另設支架以增加蛇管的剛性。3.3.3蛇管

42、傳熱設計因為蛇管傳熱管內(nèi)流速高，所以蛇管的傳熱系數(shù)K值比夾套的大，而且管內(nèi)可以采用較高壓力的傳熱介質(zhì)。當系統(tǒng)幾何特性一定時，具備有內(nèi)設管的攪拌設備，其攪拌液體的對流傳熱數(shù)關聯(lián)式是： （3.10） 式中Di釜內(nèi)徑，m； l管壁導熱系數(shù) ，W/m·k；N攪拌漿每秒鐘轉數(shù)，r/s； D攪拌漿直徑，m； m，ms流體的粘度及流體在側壁上的粘度，Pa·s； Cp熱容，J/kg·K。其中B是根據(jù)攪拌容器的幾何形狀、幾何尺寸及流動類型確定的常數(shù)，對于本釜取0.87。在工程中一般取0.65。=1.972 ，=，=1395.1 。蛇管能帶走的熱量為：Q1=KA=1.404×

43、;14×11.25×3.14×0.05×50=1735.9 kW，Q2=3176.3631735=1441.4 kW，Q3=KA=0.3×74.3061×40=891.7 kW，所以 Q3 <Q2 。3.4冷凝器換熱因為加上蛇管以后也不夠傳熱面積，故需要再增加釜頂冷凝器。釜頂冷凝器的型式采用固定管板式冷凝器，安裝在設備的封頭處，并在中心管口或者偏心安裝。其作用是熱的氣相介質(zhì)進入到冷凝器換熱管中后，經(jīng)換熱管進行熱交換，將氣相介質(zhì)冷凝為液相，沿換熱管壁回流到物料中，及時導出物料的反應熱。通過對冷卻水流量的控制，使物料的溫度保持在工藝

44、要求的范圍內(nèi)，以保證聚合反應的順利進行。本設計中選用的冷凝器規(guī)格為冷凝器直徑1538 mm，換熱管規(guī)格38×2 mm，冷凝器面積為108 m2。3.5反應釜釜體及夾套的壓力試驗3.5.1釜體的液壓試驗液壓試驗的壓力： PT=1.25P （3.11）并且PT不小于(P+0.1) MPa，當>1.8時，取1.8。在此，取1.0。則PT=1.251.705×1=2.13125 MPa>1.705+0.1=1.805 MPa，所以取PT=2.13125 MPa。 液壓試驗的強度校核：由 （3.12） 計算得 =111.46 MPa。對于高合金鋼，=310 MPa，得=1

45、11.46MPa<0.9=0.93101.0=279 MPa，因此液壓強度足夠。3.5.2 釜體的氣壓試驗氣壓試驗壓力的確定：由公式 PT=1.15P （3.13） 計算得 =1.151.7051=1.96075 MPa。 氣壓試驗的強度校核：由公式 （3.14） 得 =MPa。所以=102.54 MPa <0.8=0.83101.0=248 MPa，因此氣壓強度足夠。3.5.3夾套的液壓試驗液壓試驗壓力的確定：且不小于(+0.1) ，當>1.8時取1.8。而PT=1.250.6=0.75 MPa >P+0.1=0.7 MPa，則PT=0.75 MPa。液壓試驗的強度校

46、核：由 （3.15） 計算得 =136.4 MPa。而16MnR的=345 MPa，故=136.4 MPa<0.9=0.93450.85=263.925 MPa，因此強度足夠。4 反應釜零部件設計4.1釜體容器法蘭的聯(lián)接結構容器法蘭聯(lián)接結構由一對法蘭、一個墊片、若干個螺栓和螺母構成，設計內(nèi)容包括：法蘭的設計、密封面型式的選型、墊片設計、螺栓和螺母的設計等。4.1.1法蘭的設計容器法蘭有甲型平焊法蘭（JB/T47012000）、乙型平焊法蘭（JB/T 47022000）、長頸法蘭（JB/T 47032000）三種，設計時首先由法蘭的公稱壓力PN、公稱直徑DN和壓力容器法蘭分類及參數(shù)表確定其

47、型式。根據(jù)乙型平焊法蘭的壓力適用范圍為0.254.0 MPa ，溫度適用范圍為20 350 得出乙型平焊法蘭適合本聚合釜。容器法蘭材料依據(jù)經(jīng)驗知國內(nèi)是以16MnR鋼板（200 ）為標準。綜上根據(jù)法蘭型式及其PN、DN，由JB/T47022000容器法蘭標準設計出法蘭的尺寸表4-1所示。表4-1容器法蘭尺寸表公稱直徑DN/ mm法蘭/ mm螺栓3600DD1D2D3D4SHstaa1d規(guī)格數(shù)量3760371536763656365331051016211827M20444.1.2密封面的型式容器法蘭的密封面型式有平面密封面、凸面、凹凸密封面、榫槽密封面、環(huán)密封面，其中以突面、凹凸面、榫槽面最為常

48、用。密封面的型式可根據(jù)操作介質(zhì)、法蘭的公稱壓力PN 、工作溫度由壓力容器法蘭墊片選用表確定。由PN1.6 MPa2.5 MPa、介質(zhì)溫度90 150 和介質(zhì)的性質(zhì)，得密封面型式為凸面。凸面密封面的特點有：（1）結構簡單，加工方便，裝卸容易，易于防腐襯里；（2）壓緊面可以是平滑的，適用于PN2.5 MPa場合。4.1.3墊片的設計墊片是螺栓法蘭的核心，密封效果的好壞主要取決于墊片的密封性能。（1）類型：根據(jù)材質(zhì)的不同，墊片分為金屬墊片、非金屬墊片和金屬-非金屬組合式墊片三種。（2）基本要求：a、墊片材料不污染工作介質(zhì)；b、耐腐蝕性；c、具有良好變形能力、回彈能力；d、在工作溫度下不易變硬、變軟，

49、可重復使用。（3）選擇：根據(jù)介質(zhì)的壓力、溫度、腐蝕性、壓緊面型式、兼顧價格、制造、更換是否方便選擇墊片的結構、材料、尺寸；根據(jù)操作介質(zhì)為有機物并帶有毒性，爆炸性；法蘭的公稱壓力PN=1.6 MPa；工作溫度T=45 95 。由表4-2確定墊片為四氟墊，材料為聚四氟乙烯板。表4-2墊片選用表介 質(zhì)法蘭公稱壓力/MPa工作溫度 /密封面墊 片型 式材 料油品、油氣，溶劑（丙烷、丙酮、苯、酚、糠醛、異丙醇），石油化工原料及產(chǎn)品1.6200突（凹凸）耐油墊、四氟墊耐油橡膠石棉板、聚四氟乙烯板201250突（凹凸）纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復合墊0Cr13鋼帶石棉板、石墨0Cr13等骨架2.5200突（凹凸）耐油墊、纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復合墊耐油橡膠石棉板、0Cr13鋼帶石棉板201450突（凹凸）纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復合墊0Cr13鋼帶石棉板、石墨0Cr13等骨架4.040凹凸纏繞墊、柔性石墨復合墊0Cr13鋼帶石棉板、石墨0Cr13等骨架41450凹凸纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復合墊0Cr13鋼帶石棉板、石墨0Cr13等骨架6.410.0450凹凸金屬齒形墊10、0Cr13、0Cr18Ni9451530環(huán)連接面金屬環(huán)墊0Cr130Cr18Ni90Cr17Ni12Mo2墊片的尺寸由JB47042000 非金屬軟墊片國家標準得出如表4-3