版反應器設計說明書

1、中學1. 反應器概述化學反應過程和反應器是化工生產(chǎn)流程中的中心環(huán)節(jié)，反應器的設計往往占有重要的地位。由于反應器單元涉及很多復雜的過程，如：熱量的傳遞、溫度的變化、反應速率的不穩(wěn)定等，這都將影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量。所以反應器一直以來都是化工設計的一個難題。在反應器設計時，除了通常說的要符合“合理、先進、安全、經(jīng)濟”的原則，在到具體問題時，要考慮到下列的設計要點：保證物料轉化率和反應時間；滿足物料和反應的熱傳遞要求；注意材質選用和機械加工要求。2.反應器設計目標反應器為工藝流程中反應進行的場所，主要需要滿足：反應器有良好的傳熱能力；反應器內溫度分布均勻；反應器有足夠的壁厚，能承受反應壓力；反應器結構

2、滿足反應發(fā)生的要求，保證反應充分；反應器材料滿足反應物腐蝕要求；保證原料有較高的轉化率，反應降低反應過程中副反應發(fā)生的水平。的收率；3.反應器類型反應器按結構大致可分為管式、釜式、塔式、固定床和流化床等。表 1 部分反應器特性2形式適用的反應優(yōu)缺點管式氣相；液相返混小，所需反應器容積較小，比傳熱面大；但對慢速反應，管要很長，壓降大中學下面主要介紹固定床反應器和流化床反應器。3.1固定床反應器固定床反應器又稱填充床反應器，催化劑顆粒裝填在反應器中，呈狀態(tài)，215是化工生產(chǎn)中最重要的氣固反應器之一。固體催化劑通常呈顆粒狀，粒徑mm，堆積成一定高度（或厚度）的床層，床層不動，流體通過床層進行反應。目

3、前我國的固定床反應器技術比較成熟，主要用于氣固相催化反應，反應器包括氨塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉化爐等設備。固定床反應器可分類為三種基本形式：（1）軸向絕熱式固定床反應器(見圖 3.1)。流體沿軸向自上而經(jīng)床層，床層同外界無熱交換。（2）徑向絕熱式固定床反應器（見圖 3.2）。流體沿徑向流過床層，可采用離心或向心，床層同外界無熱交換。徑向反應器與軸向反應器相比，流體的距離較短，流道截面積較大，流體的壓力降較小。但徑向反應器的結構較軸向反應器復雜。以上兩種形式都屬絕熱反應器，適用于反應熱效應不大，或反應系統(tǒng)能承受絕熱條件下由反應熱效應引起的溫度變化的場合。（3）列管式固定床反應器（見圖

4、3.3）。反應器由反應管并聯(lián)。管內或管間置催化劑，載熱體流經(jīng)管間或管內進行加熱或冷卻，管徑通常在 2550mm 之間，管數(shù)可多達上萬根。列管式固定床反應器適用于反應熱效應較大的3釜式液相；液-液相；液-固相適用性大，操作彈性大，連續(xù)操作時溫度、濃度容易控制，產(chǎn)品質量均一，但高轉化率時，反應容積大固定床氣-固（催化或非催化）相返混小，高轉化率時催化劑用量少，催化劑不易磨損；傳熱控溫不易，催化劑裝卸麻煩流化床氣-固（催化或非催化）相；特別是催化劑失活很快的反應傳熱好，溫度均勻，易控制，催化劑有效系數(shù)大；粒子輸送容易，但磨耗大；床內返混大，對高轉化率不利，操作條件限制較大中學反應。此外，尚有由上述基

5、本形式串聯(lián)組合而成的反應器，稱為多級固定床反應器。例如：當反應熱效應大或需分段控制溫度時，可將多個絕熱反應器串聯(lián)成多級絕熱式固定床反應器(見圖 3.4)，反應器之間設換熱器或補充物料以調節(jié)溫度，以便在接近于最佳溫度條件下操作。圖3.1 軸向絕熱式固定床反應器圖3.2 徑向絕熱式固定床反應器圖3.3 列管式固定床反應器圖3.4 多級絕熱式固定床反應器固定床反應器有如下優(yōu)點：可以嚴格控制停留時間，溫度分布可以適當調節(jié)，流體同催化劑可進行有效4中學接觸，當反應伴有串聯(lián)副反應時較高選擇性。反應速率較快，可用較少量的催化劑和較小的反應器容積來獲得較大的生產(chǎn)能力。催化劑機械損耗小。結構簡單。但另一方面，固

6、定床反應器有如下缺點：傳熱差，反應放熱量很大時，即使是列管式反應器也可能出現(xiàn)飛溫（反應溫度失去控制，急劇上升，超過允許范圍）。操作過程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應一般不宜使用，常代之以流化床反應器或移動床反應器。3.2 流化床反應器流化床反應器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態(tài)，并進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。在用于氣固系統(tǒng)時，又稱沸騰床反應器。按流化床的運用狀況主要分為以下兩類：（1）一類是有固體物料連續(xù)進料和出料的裝置，主要用于固相加工過程或催化劑迅速失活的流體相加工過程。例如催化裂化過程，催化劑在幾分鐘內即顯著失活，須用上述裝置不

7、斷予以分離后進行再生。（2）另一類是無固體物料連續(xù)進料和出料裝置，主要用于固體顆粒性狀在相當長時間（如半年或一年）內，不發(fā)生明顯變化的反應過程，如石油催化裂化、酶反應過程等催化反應過程，稱為流體相加工過程。常見的兩類流化床如圖 3-5所示：圖 3.5 流化床反應器工作示意圖5中學與固定床相比，流化床反應器的特點主要有以下幾點：可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；流體和顆粒的運動使床層具有良好的傳熱性能，床層溫度均勻，而且易于控制，特別適用放熱反應。流化床適合使用細粒子催化劑，易消除內擴散阻力，能充分發(fā)揮催化劑的效能。由于返混嚴重，可對反應器的效率和反應的選擇性帶來一定影響。再加上氣固流化床中氣泡

8、的存在使得氣固接觸變差，導致氣體反應得不完全。因此，通常不宜用于要求單程轉化率很高的反應。流化床反應器中顆粒的更接近全混流，氣體又容易發(fā)生“旁路”現(xiàn)象，所以與固定床反應器相比，其中反映物的轉化率比較低，對催化劑的選擇性也有影響，容易有反應物由于停留時間過長或過短而導致過度反應和反應不充分的現(xiàn)象。流化床反應器中，催化劑顆粒之間互相接觸碰撞，會對催化劑造成機械損失，加速催化劑老化失活。在生產(chǎn)中，還會有部分催化劑隨著氣相反應產(chǎn)物流出反應器，造成催化劑損失，同時還會對下游的分離工藝造成影響，增加分離設備投資。4. 反應原理本反應為超級工藝的典型反應硫化氫選擇性氧化反應。反應的主要過反應以及硫化氫和氧氣

9、在固體催化劑于一定溫度和壓力下，發(fā)生硫化氫選擇性氧化反應和反應，方程式如下所示：2H 2 S 2H 22 2 2O SH 2SCOS H 2O CO2 H 2 S4.1 反應條件經(jīng)過對文獻的詳細分析以及對工程的實際本反應的最優(yōu)反應溫度范圍為 210-230，最優(yōu)的反應壓強范圍為 0.013-0.016MPa。6中學反應器為列管式固定床反應器。管間可采用飽和低壓水強制外循環(huán)換熱，飽和中壓水120，飽和中壓水對管壁傳熱系數(shù) 2 ，根據(jù)本工藝實際換熱介質， 2 取溫度 K 。2000kJ2（3）在220 ， 0 11熱導率 0.032/MPa 下反應混合物有關物性數(shù)據(jù)如下： s K s粘度 1.5

10、Pa1本反應具體操作參數(shù)如下表以及轉換率如下表所示：4.2 催化劑本反應采用超級反應新型催化劑 CT6-8 鈦基催化劑和 CT6-9 選擇性氧化催化劑，采用總廠填料專利技術，進行雙層填料，即在同一反應器中裝填兩種催化劑，兩種催化劑具有相同的平均粒徑，堆密度以及空速。4.2.1CT6-8 鈦基催化劑（1）活性組分鉬、鈷：組分鉬的作用是防止活性組分鈀產(chǎn)生氧化凝聚，使鈷在載體上維持良好的分散狀態(tài)。（2）載體二氧化鈦：承載活性組分及助催化劑，使其在載體表面上呈高度分散狀態(tài)。（3）結構：CT6-8 鈦基催化劑催化劑為球形顆粒。7生產(chǎn)規(guī)模（針對此反應器）年處理硫化氫 3455 噸年處理二氧化硫 13.2

11、噸反應溫度（）220反應壓強（MPa）0.117硫化氫轉化率（%）99.95二氧化硫轉化率（%）91.87中學催化劑規(guī)格CT6-9 選擇性氧化催化劑活性組分鐵、鈷。載體氧化鋁：承載活性組分及助催化劑，使其在載體表面上呈高度分散狀態(tài)。（3）結構：CT6-9 鋁基催化劑催化劑為球形顆粒。催化劑規(guī)格4.3 物料每小時需要處理硫化氫的質量：2 S 3455 1000 431.9kg / hHm8000每小時需要處理二氧化硫的質量： 13.2 1000 1S2.65 g /8000為保證所設計的裝置能夠達到所要求的生產(chǎn)能力，并且考慮物料的損失等因素，實際進料情況如下：8反應溫度（）190-250反應壓強

12、（MPa）0.113-0.125空速/h-1500-1200鐵含量（%）不祥鈷含量（%）不祥當量直徑 dp/mm4反應溫度（）200-270反應壓強（MPa）0.115空速/h-1500-1500鉬含量（%）0.8鈷含量（%）1.1當量直徑 dp/mm4中學實際每小時硫化氫的質量為： m(H 2 ) 500k/ hO2 3k表實際每小時二氧化硫的質量為： m/ h物料4.4反應器的計算4.4.1 催化劑床層體積原料的體積流量16170劑床層體積的體積為：3 /，反應的空速為600h1 ，則每個反應器催化V 016170R 26.95mV316004.4.2 催化劑床層直徑根據(jù)文獻可取空床操作氣

13、速 1.1/ s ；3600 1.4V 0u床層直徑： D1 2 3 m9物流進口（kmol/h）出口(kmol/h)H20.0003720.000372O29.101.487N279.079.0CO210.612.01H2S12.70COS1.410SO20.002570.564H2O364376.5S0.004713.6Total Flow kmol/h477471中學1 .25??；4.4.3 催化床層高度催化劑，兩種催化劑平均粒徑 p 4m，t 40m。本反應采用超級新型選定管子 5 .5mm ，故管內徑dp4.01由dt40圖得床層孔隙率為 0 3 ，則床層高度為：查化工反應工程V床2

14、6.95L 8 8 m - 2 .25 1-.0362.）（244圓整后取 9。4.4.4 裝填催化劑的量催化劑床層孔隙率為 B 0 3， 孔徑為 p 4ma 52 / g ；堆積密度為500kg / m3 。則反應器所需催化劑總質量為：m總 s VR 500 26.95 13475kg4.4.5 反應器管數(shù)，比表面積為由于給定管子 5 .5mm ，故管內徑 t 40m，即為0 0 m ； 9為10m ，催化劑充填高度故：；VR26.95n 23853 1 0 0 2 92t44反應器管數(shù)為2385 根,呈正三角形排列。4.4.6 反應器殼體直徑10中學反應器管數(shù)為2385 根，每個反應器采用

15、錯列正三角形排列。采用焊接法，則管心距為： 1.25 0 1.25 45 56.25mm管束排列方式如下圖所示：橫過管束中心線的管數(shù)為：c 1.1殼體直徑為： 1.12385 54根D t (nc 1) 2e其中e 為管束中心線最外層管的中心至殼體內壁的距離，考慮本工藝的實際情況，取： d 0則殼體直徑為：D t (nc 1) 2e 56.25圓整取 D 3600mm ；4.4.7 折流板設計54 -12 45 3585mm ；本工藝采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25% ，則切去的圓缺高度為： 0.25 0.25 3600 900mm折流板間距：11中學 0.3 0.3 36

16、00 1080mm折流板數(shù)量為：列10000B -1 -1 9塊N1080折流板間距折流板厚度為24mm 。4.4.8 流體力學計算反應器單管體積：41 t L0.04 9 0.0113m2234反應器單管橫截面積：1 t 0.04 1.256 10 m244反應器單管摩爾流量：0.117 106P0600Ft C 1 S1 S 0.0113 8.314 493.15RT36005.37102 m l /進料時混合氣體的平均分子量 M：M 0.0191 32 0.0222 44 0.760 18 0.166 28 0.0266 3464 21.20.00296600.00304/ mo進料的質

17、量通量：t1 5.37 102 21.2G 0.91 g /2 s1.256 103A14.4.9 反應總傳質系數(shù)總括給熱系數(shù)h0 和傳熱介質的給熱系數(shù)總括給熱系數(shù)h0 相對于空管傳熱過程中的管內壁的給熱系數(shù)，是床層內對流、傳熱和輻射三種傳熱的綜合，其數(shù)值比相同空管流速下的管內壁給熱系數(shù)大得多，關聯(lián)h0 值的經(jīng)驗公式有許多，其中比較簡單的是 Leva 公式：12中學當床層被加熱時（吸熱反應）：dp0tp 0.813 ()exp( 6)(1)d.09t當床層被冷卻時時（放熱反應）：h 0tp Gdp 3.5(exp( 4.6)(2)d).07t式中：dt 反應管內徑，G 氣體質量通量， 氣體粘度

18、， kgm 。kg。 氣體導熱系數(shù)1 K 1kJol 1，dp 顆粒直徑， m選擇性氧化反應器中的反應為放熱反應，采用2() 式進行計算總括給熱系。查水蒸汽的給熱系數(shù) 外為2000 K 。2J以管內床層某截面上平均溫度與同一截面上管外傳熱介質溫度之差定義的總傳熱系數(shù) K 可用下式計算： 1Kh0s由式外h 0 dt.35( dp G ).07 exp( .46 dp )dt.35 （ 0.004 0.91）.07exp(4.6 0.004 ) 128 .261. 150.04氣體平均導熱系數(shù)： 0.032/ s K ；13中學128.26 0.032所以 h0 102.61J / K ；20

19、0s K ；6 0wm查文獻資料 1 1 0.0025 1 0.0104hK0s外102.61162000所以 K 96.14 J / ms K 。2換熱面積校核：整個反應器床層可視為等溫，為 230，則傳熱推動力t 230210 20m由 AspenQ=3265200kJ/h。326520020 96 .14 1698 .15 m 2 ；需要傳熱面積： A需實際傳熱面積為d L 2385 0.045 10 3370 m 2 ；00實A 實A 需，故能滿足傳熱要求。4.4.10 氣體在均勻固體顆粒的固定床中時產(chǎn)生的壓降時產(chǎn)生的壓降由下式表示:氣體在均勻固體顆粒的固定床中Lu2 0 ( Bp f

20、 d 3150f1 7Re M dpu0 dpG (1 ) (1 )修正的雷諾數(shù): Re MBB（1） B 床層空隙率 B 0 3；（2） 氣體的密度； 4.55kg / m3；（3） 粘度： 1.1105-a；（4） L 床層高度： 9；14中學（5） G 氣體總質量通量： 0.91k/ m2 s ；（6） u0 空床平均流速； u0 G 0 9 0.20/4 5；（7） dp 面積當量直徑： dp 4mm ； dpu0 dpG0.004 0.91e M 600R( B( B.1110-51-.036150 150 1 7 2 0f1 7Re M600Lu2 0 ( B6 2 4 5 (1

21、0 3 )0 2 0.014MPa2 0d 0 0 0 333壓降在小于 51 范圍內,滿足設計要求。4.5反應器結構設計4.5.1 反應器殼體壁厚設計由于反應器為內壓容器，其厚壁的計算公式為：PD2 t S 0 C2式中：S 0 殼體厚度，mm ；P 操作時可能的最大壓力，內壓容器取 P 1(15.)PW，Pa ； 材料在操作溫度范圍內的許用應力， Pa ；t 焊接系數(shù)，單面焊取0 6 ，雙面焊取0 8 ；C1 偏差余量；C2 腐蝕裕量，根據(jù)材料和介質的腐蝕性質在D 為殼體內徑， mm ；mm mm 之間選擇；由于該反應操作在溫度為210 230 ，壓強在0 11 MPa 下進行操作，15中

22、學選用材料為 Q345R 低合金鋼，根據(jù) GB 6654壓力容器用鋼板和 GB 3531低溫壓力容器用低合金鋼板規(guī)定，腐蝕裕量 2 2m面焊接，所以焊接系數(shù) 0 8 ?？紤]到可能出現(xiàn)飛溫現(xiàn)象，設計壓力取0. MP 操作時可能的最大壓力為 P .15PW .15 .06 .09MPa ，最大操作溫度取T 230 ，Q345 的許 用壓力 t 125MPa(厚度3 20mm)；代入計算得：，焊接方式選0.9 3600 c 15.5mm2 Pc2 1250.850.9由查表得負偏差 1 .08mS 0 C C .15，08. 2 183.mm ；0 20m根據(jù) GB150-2011 中厚度要求，取名

23、義厚度；復驗 S 0 20 6% 1.2mm 0.8mm ，故最后取器可以用厚度為20mm 厚的 Q345R 低合金鋼制作。所以反應器直徑 D0 3500 20mm ；4.5.2 反應試驗及其強度校核Q345R 低合金鋼在設計溫度為230 下許用壓力 t驗溫度為230 ，則反應器的試驗壓力為：1 .08m，則反應 125MPa，設試T 1 2.125 .09 .1125MPa ；t壓力試驗的校核公式： T0 e 2eT ；式中：TD0試驗壓力下圓筒的應力， MPa；圓筒內直徑， mm ；16中學e圓筒的有效厚度； mms 圓筒材料在試驗溫度下的屈服點； MPa 圓筒的焊接接頭系數(shù)；有效壁厚：

24、S C1 C2 20 08. 2 172.mm ； 將數(shù)據(jù)代入校核公式得試驗條件下的計算壓力為： 1.125 (3600 17.2) T.118 3MPa1 .2查資料s 345MPa ，則：.09s可見 T .09.091 345s ，強度足夠。4.5.3 反應器接管設計（1）反應器進料管：選擇性氧化反應為氣固相催化反應，進料體積流量為161應器氣體流速取9.5/；所以接管內徑：703 /，進入反4 161704Vud 1 0.776mm ；3.1436009.5，公稱直徑 DN 788mm ；采用無縫校核：選擇 788 10mm 的，此時其管內的線速度為：16170u1 9.5/ 0.76

25、82 36004（2）反應器出料管：選擇性氧化反應為氣固相催化反應，出料體積流量為157203 /，流出反應器氣體流速同樣取9.5/；17中學4 157204Vud 2 0.586mm3.14 3600 9.5采用無縫，公稱直徑 DN 600mm ；校核：選擇 600 10mm 的，此時其管內的線速度為：15720u1 9.5/ 0.5802 360044.5.4 氣體分布板設計（1）氣體分布板的形式：工業(yè)應用的氣體分布板形式很多，主要有直流式、側流式、填充式、短管式，以及無分布板的漩流式。此反應器選用側縫式錐帽分布板。（2）分布的壓降分布板的壓降 d P可用下式表達：gu22 2Pd 式中：

26、 u -操作孔速，/； -分布板的開孔率； -分布板的阻力系數(shù)，一般為.15 .25 ，對于側縫帽分布板為2 。g -氣體密度， kg / m3 ；理想的氣體分布板壓降必然是同時滿足均勻布氣和具有良好穩(wěn)定性這兩個條件的最小壓降?！?】均勻布氣壓降Richardson 建議分布板的阻力至少應是氣流阻力的100 倍，即：Pd Pe ；【2】 穩(wěn)定性壓降Agarwal 等，穩(wěn)定性壓降應不小于列管式固定床層壓降的%01 ，即18中學并且在任何情況下，其最小約為3500Pa 。由此，分布板的最小壓降可表示為：Pd , min(0.1b，3500P ) ；這里，均勻布氣壓降就成為次要問題，只考慮穩(wěn)定性壓降

27、就可以了。所以： Pd , min床層壓力降Pb ；(0.1b，3500P ) ；Lu2 0 ( BdpBPbHf150f1 7Re Mdp 0 pGe M R式中： P -壓力，/；f -修正的抹摩擦系數(shù)；B -催化劑床層孔隙率； B 03 -氣體密度， kg / m3 ； 4.55kg / m3 0.91k/ m2 s ；G 氣體總質量通量：dp 顆粒直徑， m ； 氣體粘度，； 1.1kg pG105-adp 00.004 0.91e M 331R1. 1-5 150 150 1 7f1 72 2Re M331Lu2 0 ( BdpB9 .022 .455 (1 .036) b.22 1

28、602Pa0.004 0.3619中學所以 Pd , min 3500Pa16170u 0.0714360092u22 4.55 0.0712 32.52102Pd2 3600板厚：板厚取10mm ；孔數(shù)和孔徑的確定D 3600mm ，取孔徑 10m，則孔數(shù)為：N 0.00252 327dD(10 3600)22在分布板中心部分按等邊三角形排列，這樣，每一圈是正六邊形，最外 圈為同心圓排列，同心圓與正六邊形之間的大空隙處，適當補加一些孔。D設孔間距為 s,有公式 N 0.0907()， 則：2S 60mm ，取錐帽外徑40mm ，實際排孔數(shù)300 個，此時3600S 3270.090710 3

29、27 ()22.521033600核算：2 4 5 0 32Pd 9286Pa Pd , min ，所以設計滿足要求。2 (2.52 10 )4.5.4 反應器封頭設計本工段工藝采用列管式固定床反應器，選擇標準橢圓形封頭，形狀系數(shù)K 1，則有 Hf D 3600 900mm 。4420中學封頭的壁厚為反應器壁厚，材料為Q345R ，最終確定橢圓形封頭直徑為3600mm ，壁厚為20mm 。反應器的封頭選用標準橢圓型封頭，內徑與筒體相同，封頭采用不銹鋼材料制造。標準橢圓形封頭是中低壓容器中經(jīng)常采用的封頭形式,其的標準為JB/T4746-2002.該標準規(guī)定以內徑為公稱直徑的標準橢圓形封頭(代號

30、EHA)的直邊高度只與公稱直徑有關。DN 2000 時，直邊高度為 20mm 。DN 2000時，直邊高度為40mm。DN 3600 2000 ，由于所設計的筒體公稱直徑所以直邊高度為40mm ；高度為900mm ，其中直邊高度為40mm ，圓邊高度為860mm 。4.5.5 反應器支座設計如果反應器下部封頭材料為低合金鋼或高合金鋼時，在裙座頂部應增設與封頭材料相同的短節(jié)，操作溫度低于0 度或高于350 度時，短節(jié)長度按影響范圍確定。通常短節(jié)長度可定為保溫層厚度的4 倍，因為該反應器封頭采用的為低合金鋼，故在裙座頂部增設長400mm 的短節(jié)。選用圓筒形裙式支座，材質為 Q245R(正火)，裙座

31、與塔體的連接采用對接式焊接，裙座筒體內徑等于筒體外徑，座椅裙座筒體直徑為350mm ，筒體厚度20mm ，地腳螺栓座的結構選擇外螺栓座結構型式。4.5.6 反應器高度筒體高度： 1 10；裙座高度： H 2 3.2m ；封頭高度：3 0.反應器高度： H H 1 4.5.7 反應器拉桿設計； 10 3.22 15.0m 。0.9021中學由于反應器的管子規(guī)格為 5 .5mm ，經(jīng) B /2007 查得拉桿的直徑為16mm 。拉桿螺紋公稱直徑為12mm ，倒角為 4 ，拉桿數(shù)量為25 根。4.5.8 冷卻劑用量（1）熱負荷由 aspen 模擬數(shù)據(jù)知原料帶入的熱量為 Q1，產(chǎn)物帶出的熱量為 Q2，

32、反應熱為 Q3 如下：Q1=39000kJ/h， Q2=59000kJ/h， Q3=177466kJ/h.；當忽略熱損失時：Q1+Q3=Q2+Q4代入數(shù)據(jù)，冷卻水帶走的熱量 Q4 為：/ h14（2）冷卻劑用量該反應為放熱反應，而且反應溫度需要控制在 210-240，本工藝選用入口溫度為 124的加壓熱水做作為載熱體，出口溫度為 127。反應器需要冷卻劑量為：Q4m P1574664.187 127 -124 12536 .104 g /4.5.9 反應器接管法蘭設計反應器常采用的法蘭結構形式有整體法蘭、螺紋法蘭、承插焊法蘭、平焊法蘭、對焊法蘭和松套法蘭；法蘭的密封面形式分為平面、突面、環(huán)連接

33、面、凹凸面和榫槽面 5 種形式。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來確定。根據(jù) HG20583-1998鋼制化工容器結構設計規(guī)定，對于低壓管道，采用凹凸面密封連接，帶頸平焊法蘭，根據(jù)管徑和HG20616-1997 選用下面其中的合理的法蘭尺寸(mm)。22中學4.6反應器連接結構設計4.6.1 殼體與管板的連接結構23中學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。本工藝根據(jù)反應器的結構需要選擇可拆式的連接方式。4.6.2 管箱與管板的連接

34、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。本工藝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求以及加工制造方便性，法蘭之間采用平面密封形式。4.6.3 反應管與管板的連接結構本工藝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。4.6.4 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，本工藝采用固定式管板兼做法蘭。

35、管箱法蘭與管板法蘭通過螺栓連接，螺栓數(shù)目為 36 個。采用 SW6-2011校核如下所示：24固定管板換熱器設計計算計算中航一航空動力控制系統(tǒng)設 計 計 算 條 件殼程管程設 計 壓 力0.15MPa設計壓力p t0.15MPa設計溫度ts250C設計溫度tt250C殼程圓筒內徑Di3560mm管箱圓筒內徑 Di3560mm材料名稱Q345R材料名稱Q345R簡圖中學25前端管箱筒體計算計算中航一航空動力控制系統(tǒng)計算所依據(jù)的標準GB 150.3-2011計算條件筒體簡圖計算壓力 Pc1.00MPa設計溫度 t250.00C內徑 Di3560.00mm材料Q345R( 板材 )試驗溫度許用應力

36、185.00MPa設計溫度許用應力 t157.00MPa試驗溫度下屈服點 s325.00MPa鋼板負偏差 C10.30mm腐蝕裕量 C22.00mm焊接接頭系數(shù) 0.85厚度及重量計算計算厚度Pc Di = 2 t Pc= 13.39mm有效厚度e =n - C1- C2= 17.70mm名義厚度n =20.00mm重量17657.11Kg壓力試驗時應力校核壓力試驗類型試驗試驗壓力值PT = 1.25P =1.4729(或由用戶輸入) tMPa壓力試驗允許通過的應力水平 TT 0.90 s =292.50MPa計 算 內 容殼程圓筒校核計算前端管箱圓筒校核計算前端管箱封頭(平蓋)校核計算后端管

37、箱圓筒校核計算后端管箱封頭(平蓋)校核計算膨脹節(jié)校核計算管箱法蘭校核計算開孔補強設計計算管板校核計算筒體法蘭校核計算中學26前端管箱封頭計算計算中航一航空動力控制系統(tǒng)計算所依據(jù)的標準GB 150.3-2011計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力 Pc1.00MPa設計溫度 t250.00C內徑 Di3560.00mm曲面深度 hi860.00mm材料Q345R(板材)設計溫度許用應力 t157.00MPa試驗溫度許用應力 185.00MPa鋼板負偏差 C10.30mm腐蝕裕量 C22.00mm焊接接頭系數(shù) 0.85壓力試驗時應力校核壓力試驗類型試驗試驗壓力值PT = 1.25Pc = 1.4729(或

38、由用戶輸入) tMPa壓力試驗允許通過的應力tT 0.90 s =292.50MPa試驗壓力下封頭的應力T = (K .5e ) = 164.41e MPa校核條件T T校核結果合格厚度及重量計算形狀系數(shù)K = 1 D 2 = 1.04732 i 6 2h i 試驗壓力下圓筒的應力T = pT .( Di e ) = 175.132 e .MPa校核條件T T校核結果合格壓力及應力計算最大允許工作壓力2 e t Pw=( Di e ) = 1.32044MPa設計溫度下計算應力Pc ( Di e )t =2 e= 101.06MPat133.45MPa校核條件t t結論筒體名義厚度大于或等于

39、GB151 中規(guī)定的最小厚度 15.00mm,合格中學27后端管箱筒體計算計算中航一航空動力控制系統(tǒng)計算所依據(jù)的標準GB 150.3-2011計算條件筒體簡圖計算壓力 Pc1.00MPa設計溫度 t250.00C內徑 Di3560.00mm材料Q345R( 板材 )試驗溫度許用應力 185.00MPa設計溫度許用應力 t157.00MPa試驗溫度下屈服點 s325.00MPa鋼板負偏差 C10.30mm腐蝕裕量 C22.00mm焊接接頭系數(shù) 0.85厚度及重量計算計算厚度Pc Di = 2 t Pc= 13.39mm有效厚度e =n - C1- C2= 17.70mm名義厚度n =20.00m

40、m重量17657.11Kg壓力試驗時應力校核壓力試驗類型試驗試驗壓力值PT = 1.25P =1.4729(或由用戶輸入) tMPa壓力試驗允許通過的應力水平 TT 0.90 s =292.50MPa試驗壓力下圓筒的應力T = pT .( Di e ) = 175.132 e .MPa計算厚度KPc Dih = 2 t 0. Pc= 14.00mm有效厚度eh =nh - C1- C2= 19.70mm最小厚度min = 10.68mm名義厚度nh = 22.00mm結論滿足最小厚度要求重量2366.42Kg壓 力 計 算最大允許工作壓力2 t ePw=KDi 0.5 e = 1.40650M

41、Pa結論合格中學28后端管箱封頭計算計算中航一航空動力控制系統(tǒng)計算所依據(jù)的標準GB 150.3-2011計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力 Pc1.00MPa設計溫度 t250.00C內徑 Di3560.00mm曲面深度 hi860.00mm材料Q345R(板材)設計溫度許用應力 t157.00MPa試驗溫度許用應力 185.00MPa鋼板負偏差 C10.30mm腐蝕裕量 C22.00mm焊接接頭系數(shù) 0.85壓力試驗時應力校核壓力試驗類型試驗試驗壓力值PT = 1.25Pc = 1.4729(或由用戶輸入) tMPa壓力試驗允許通過的應力tT 0.90 s =292.50MPa試驗壓力下封頭的應力

42、T = (K .5e ) = 182.94e MPa校核條件T T校核結果合格厚度及重量計算形狀系數(shù)K = 1 D 2 = 1.04732 i 6 2h i 計算厚度KPc Dih = 2 t 0. Pc= 14.00mm校核條件T T校核結果合格壓力及應力計算最大允許工作壓力2 e t Pw=( Di e ) = 1.32044MPa設計溫度下計算應力Pc ( Di e )t =2 e= 101.06MPat133.45MPa校核條件t t結論筒體名義厚度大于或等于 GB151 中規(guī)定的最小厚度 15.00mm,合格中學29殼程圓筒計算計算中航一航空動力控制系統(tǒng)計算所依據(jù)的標準GB 150.

43、3-2011計算條件筒體簡圖計算壓力 Pc0.60MPa設計溫度 t200.00C內徑 Di3560.00mm材料Q345R( 板材 )試驗溫度許用應力 185.00MPa設計溫度許用應力 t170.00MPa試驗溫度下屈服點 s325.00MPa鋼板負偏差 C10.30mm腐蝕裕量 C22.00mm焊接接頭系數(shù) 0.85厚度及重量計算計算厚度Pc Di = 2 t Pc= 7.41mm有效厚度e =n - C1- C2= 17.70mm名義厚度n =20.00mm重量17657.11Kg壓力試驗時應力校核壓力試驗類型試驗試驗壓力值PT = 1.25P =0.8162(或由用戶輸入) tMPa

44、壓力試驗允許通過的應力水平 TT 0.90 s =292.50MPa試驗壓力下圓筒的應力T = pT .( Di e ) = 97.052 e .MPa校核條件T T校核結果合格有效厚度eh =nh - C1- C2= 17.70mm最小厚度min = 10.68mm名義厚度nh = 20.00mm結論滿足最小厚度要求重量2148.31Kg壓 力 計 算最大允許工作壓力2 t ePw=KDi 0.5 e = 1.26404MPa結論合格中學30開孔補強計算計算中航一航空動力控制系統(tǒng)接 管:N1, 78822計算方法: GB150.3-2011 等面積補強法，單孔設計條件簡圖計算壓力 pc1MP

45、a設計溫度250殼體型式橢圓形封頭殼體材料 名稱及類型Q345R板材殼體開孔處焊接接頭系數(shù)0.85殼體內直徑 Di3560mm殼體開孔處名義厚度n22mm殼體厚度負偏差 C10.3mm殼體腐蝕裕量 C22mm殼體材料許用應力t157MPa橢圓形封頭長短軸之比2.0698凸形封頭上接管軸線與封頭軸線的夾角()0接管實際外伸長度600mm接管連接型式式接管接管實際內伸長度50mm接管材料Q345R接管焊接接頭系數(shù)1名稱及類型管材接管腐蝕裕量2mm補強圈材料名稱凸形封頭開孔中心至封頭軸線的距離349mm補強圈外徑mm補強圈厚度mm接管厚度負偏差 C1t0mm補強圈厚度負偏差 C1rmm接管材料許用應

46、力t120#MPa補強圈許用應力tMPa開孔補強計算非圓形開孔長直徑751.66mm開孔長徑與短徑之比1.0049殼體計算厚度12.402mm接管計算厚度t3.113mm壓力及應力計算最大允許工作壓力2 e t Pw=( Di e ) = 1.42977MPa設計溫度下計算應力Pc ( Di e )t =2 e= 60.64MPat144.50MPa校核條件t t結論筒體名義厚度大于或等于 GB151 中規(guī)定的最小厚度 15.00mm,合格中學注：帶#號的材料數(shù)據(jù)是設計者給定的。31開孔補強計算計算中航一航空動力控制系統(tǒng)接 管:N2, 60020計算方法: GB150.3-2011 等面積補強

47、法，單孔設計條件簡圖計算壓力 pc0.6MPa設計溫度200殼體型式圓形筒體殼體材料 名稱及類型Q345R板材殼體開孔處焊接接頭系數(shù)0.85殼體內直徑 Di3560mm殼體開孔處名義厚度n20mm殼體厚度負偏差 C10.3mm殼體腐蝕裕量 C22mm殼體材料許用應力t170MPa筒體周向斜接管偏心距離(mm)300凸形封頭上接管軸線與封頭軸線的夾角()接管實際外伸長度600mm接管連接型式式接管接管實際內伸長度50mm接管材料Q345R接管焊接接頭系數(shù)1名稱及類型管材接管腐蝕裕量2mm補強圈材料名稱凸形封頭開孔中心至封頭軸線的距離mm補強圈外徑mm補強圈厚度mm接管厚度負偏差 C1t0mm補強

48、圈厚度負偏差 C1rmm接管材料許用應力t120#MPa補強圈許用應力tMPa開孔補強計算非圓形開孔長直徑572.3mm開孔長徑與短徑之比1.0147殼體計算厚度7.4064mm接管計算厚度t1.4035mm補強圈強度削弱系數(shù) frr0接管材料強度削弱系數(shù) fr0.7643開孔補強計算直徑 d751.66mm補強區(qū)有效寬度 B1503.3mm接管有效外伸長度 h1128.59mm接管有效內伸長度 h248mm開孔削弱所需的補強面積A9439mm2殼體多余金屬面積 A15417mm2接管多余金屬面積 A24640mm2補強區(qū)內的焊縫面積 A350mm2A1+A2+A3= 10107mm2 ，大于

49、 A，不需另加補強。補強圈面積 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2結論: 合格中學注：帶#號的材料數(shù)據(jù)是設計者給定的。32膨脹節(jié)計算和校核計算中航一航空動力控制系統(tǒng)計算條件膨脹節(jié)結構示意圖設計壓力 Pc0.6MPa設計溫度 t200C膨脹節(jié)結構與殼體搭接膨脹節(jié)管子外直徑 do15mm膨脹節(jié)管子名義厚度5mm膨脹節(jié)管子腐蝕裕量 C22mm膨脹節(jié)短節(jié)名義厚度215mm膨脹節(jié)短節(jié)腐蝕裕量 C222mm殼體外直徑 Do3600mm殼體名義厚度 120mm殼體腐蝕裕量 C212mm膨脹節(jié)開槽間距 L230mm殼體端部間距 L325mm1膨脹節(jié)與殼體搭接膨脹節(jié)開槽處高度 h10mm膨脹節(jié)的半波數(shù) N

50、d2膨脹節(jié)材料13MnNiMoR膨脹節(jié)材料在設計溫度下許用應力 t180MPa膨脹節(jié)材料在設計溫度下彈性模量 Et120MPa膨脹節(jié)所受到的軸向力12.3572N膨脹節(jié)設計疲勞次數(shù)N5殼體材料Q345R殼體材料在設計溫度下170MPa補強圈強度削弱系數(shù) frr0接管材料強度削弱系數(shù) fr0.7059開孔補強計算直徑 d564mm補強區(qū)有效寬度 B1128mm接管有效外伸長度 h1106.21mm接管有效內伸長度 h248mm開孔削弱所需的補強面積A4256mm2殼體多余金屬面積 A15697mm2接管多余金屬面積 A23573mm2補強區(qū)內的焊縫面積 A35mm2A1+A2+A3= 9274m

51、m2 ，大于 A，不需另加補強。補強圈面積 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2結論: 合格中學33不帶法蘭固定式管板計算(c)設 計中航一航空動力控制系統(tǒng)設 計 計 算 條 件簡圖殼程設計壓力 Ps0.6MPa設計溫度 t200C平均金屬溫度 ts0C裝配溫度 t015C殼體、膨脹節(jié)短節(jié)和膨脹節(jié)管子組合截面上的環(huán)向薄膜應力：膨脹節(jié)與殼體搭接pD L o23 1i 4 22 LL om=105.709MPa膨脹節(jié)與殼體對接pDh d 2 o 12 2i 422L 2120m o=MPa2tmin =170 ,合格軸向位移產(chǎn)生的應力： .15E t =24.71453d 2 NdoMPa內壓

52、和軸向位移同時作用時的應力：R =25.8256MPa允許疲勞循壞次數(shù)：奧氏體不銹鋼 5835.5 53N =R碳鋼或低合金鋼 6187 92N =R NN,結論： 合格許用應力 t膨脹節(jié)剛度 Kex1N/mm膨脹節(jié)的軸向位移mm2膨脹節(jié)與殼體對接計算結果殼體有效厚度 1017.7mm膨脹節(jié)短節(jié)有效厚度2012.7mm膨脹節(jié)管子平均直徑 dm10mm膨脹節(jié)管子有效厚度02.7mm殼體有效長度 L1 = 120L .11 Do 20(與殼體搭接)1 1 D (與殼體對接).1o 10mm膨脹節(jié)管子徑向薄膜應力 m 1.11111120MPa1t,合格中學34圓筒材料名稱Q345R設計溫度下許用應

53、力 t170MPa平均金屬溫度下彈性模量 s2.023e+05MPa平均金屬溫度下熱膨脹系數(shù)s1.076e-05mm/mmC殼程圓筒內徑 Di3560mm殼程圓筒名義厚度 s20mm殼程圓筒有效厚度 e17.7mm殼程圓筒內直徑橫截面積 A=0.25 Di29.954e+06mm2殼程圓筒金屬橫截面積 As=s ( DI+n )1.989e+05mm2管箱圓筒設計壓力 Pt1MPa設計溫度 tt250C材料名稱Q345R設計溫度下彈性模量 Eh2.01e+05MPa管箱圓筒名義厚度h20mm管箱圓筒有效厚度he17.7mm換熱管材料名稱Q345R#管子平均溫度 t0C設計溫度下管子材料許用應力

54、 tt120MPa設計溫度下管子材料屈服應力 ts180MPa設計溫度下管子材料彈性模量 E tt1.975e+05MPa平均金屬溫度下管子材料彈性模量 Et1.985e+05MPa平均金屬溫度下管子材料熱膨脹系數(shù)t1.2e-07mm/mmC管子外徑 d45mm管子壁厚t2.5mm中學35換熱管管束模數(shù) Kt = Et na / LDi4484MPa管子回轉半徑 0. 52d2 ) 2t15.05mm管子受壓失穩(wěn)當量長度 lcr233mm系數(shù) Cr =2Et /tts147.2比值 lcr i15.48管子穩(wěn)定許用壓應力 ( C lcr ) = 2 E tricr2(li) 2 crMPa管子

55、穩(wěn)定許用壓應力(lcr ) = t li Cr crs 1 cri2 2Cr 85.27MPa管板材料名稱Q345R設計溫度 tp250C設計溫度下許用應力 tr147MPa設計溫度下彈性模量 Etp1.88e+05MPa管板腐蝕裕量 C24mm管板輸入厚度 n50mm管板計算厚度 24.7mm隔板槽面積 (包括拉桿和假管區(qū)面積)Ad500mm2管板強度削弱系數(shù)0.4管板剛度削弱系數(shù) 0.4管子加強系數(shù)K 2 1 31 DiE na / Et L ,K =tp23.6管板和管子連接型式強度脹加密封焊管子根數(shù) n2385換熱管中心 S69.25mm一根管子金屬橫截面積a t (d t )333.

56、8mm2換熱度 L11e+04mm換熱管有效長度(兩管板內側間距) L9900mm中學注：帶號的材料數(shù)據(jù)是設計者給定的36殼體法蘭材料名稱Q345R殼體法蘭厚度 f50mm管板延長部分凸緣外直徑 Df10mm管板延長部分凸緣寬度 bf ( Df Di ) / 2-1775mm比值 s / Di0.004972比值 / Dfi0.01404系數(shù)C (按s /Di ,”f /Di ) 查圖 25)0.003009系數(shù) (查圖 26)3.977e-05旋轉剛度1 2 2 3K f f f E f12 D i s-0.03107MPa系數(shù)計算旋轉剛度( c 型結構 K 0)KK f-0.03107MP

57、a旋轉剛度無量綱參數(shù) K f K f 4 Kt-5.443e-06膨脹節(jié)總體軸向剛度 Kex1N/mm管板第一彎矩系數(shù) m1,(按 K, Kf 查圖 27)-0.0799系數(shù) m 1 K K f623.5系數(shù)(按 Kt K f 查圖 29) G217.94管板和管子脹接(焊接)高度 l32mm脹接許用拉脫應力q4MPa焊接許用拉脫應力qMPa管箱法蘭材料名稱管箱法蘭厚度 fmm比值 h / Di比值 / Dfi系數(shù) (查圖 25) C系數(shù) (查圖 26) 旋轉剛度 K 1 E f12 hMPa中學37僅有殼程壓力 Ps 作用下的組合工況 (Pt = 0)不計溫差應力計溫差應力換熱管與殼程圓筒熱

58、膨脹變形差 = t (t t -t 0 )- s (t s -t 0 )0.00.0001596當量壓力組合 Pc Ps0.60.6MPa有效壓力組合 a sE3.1057.199MPa邊界效應壓力組合 Pb C Ps0.0018050.001805MPa邊界效應壓力組合系數(shù) Pb M b Pa 0.00093950.0004052管板邊緣力矩系數(shù) M M b0.00093950.0004052換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼體剛度之 Q E t nass3.926換熱管束與帶膨脹節(jié)殼體剛度之比 Q Et na(Es As Kex L)exE A K Ls s ex1.596e+07管板第二彎矩系數(shù) m

59、2,按 K,Q(或 Qex)查圖 28(a)或 (b)1.342e+06管板參數(shù)管板開孔后面積 A A- 0.25 n d 2l6.161e+06mm2管板布管區(qū)面積(三角形布管) At 0.866 S 2 d(正方形布管) At nS 2 Ad9.906e+06mm2管板布管區(qū)當量直徑 Dt 4 At / 3551mm系數(shù)計算系數(shù) Al / A0.6189系數(shù) na / Al0.1292系數(shù) 0 4 0.6 ( Q)s5.175系數(shù) (帶膨脹節(jié)時Qex 代替 Q) 0.4(1 ) 0.6 (1 Q)t2.579e+07管板布管區(qū)當量直徑與殼體內徑之比 t t / i0.9976管板周邊不布管

60、區(qū)無量綱寬度 k=K ( t0.05724中學38換熱管軸向應力 1 P G2 Q P t cQ Ga 2 t =t3 t =tMPa管板邊緣剪力系數(shù)M0.58580.2527管板總彎矩系數(shù) m 1 4.956e+052.706e+05系數(shù)G1e 僅用于 m 0 時 1e 3 K2.526e+041.379e+04系數(shù)G1i當 m 0 時, 按 K 和 m 查圖 31(a)實線當m 0 時,按 K 和 m 查圖 31(b)6.317e+043.449e+04系數(shù)G1m 0, G1 = max(G1e , G1i ) ,m 0, G = max(G , G ) ;11e1im 6.4mmb=2.