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1、第第8章章 化工设备机械设计应用化工设备机械设计应用 8.1 压力容器设计压力容器设计8.1.1 概述概述1压力容器设计的任务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）根据工作需要和承受压力能力，确定设计容器的结构型式。如矩形容器的结构型式。如矩形(箱形箱形)、球形或圆、球形或圆筒形。筒形。2）确定容器的壁厚。）确定容器的壁厚。3）选择容器的附件，如支座、接管等。）选择容器的附件，如支座、接管等。2容器所受裁荷容器所受裁荷1）压力：内压、外压。）压力：内压、外压。2）容器和物料净重。）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。）自支承高耸容器上的风载荷与地震载荷
2、。4）管道和辅助设备所施加的载荷等。）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。）强度：容器应有抵抗外力破坏的能力。2）刚度）刚度 ：零部件应有抵抗外力使其变形的能力。：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）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。持其原有形状的能力。4）耐久性）耐久性 ：抵抗介质及大气腐蚀的能力。：抵抗介质及大气腐蚀的能力。5）气密性）气密性 ：容器在承受压力或处理有毒介质时应：容器在承受压力或处理有毒介质时应 密封防止泄漏。密封防止泄漏。
3、6）其他）其他 ：节约材料，便于制造，运输、安装、操：节约材料，便于制造，运输、安装、操 作、维修。作、维修。8.1.2 内压圆筒的强度计算内压圆筒的强度计算1. 壁厚计算壁厚计算n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。n负偏差C1小于设计厚度6%、且小于时可以不计。 n当腐蚀和磨蚀速度大于时，腐蚀裕度C2由设计者决定，腐蚀速度在范围内，单面腐蚀和磨蚀取C22mm，双面腐蚀或磨蚀取C24mm；腐蚀速度时，单面腐蚀和磨蚀C21mm，双面腐蚀和磨蚀C22mm。 n焊缝系数参照下表例例8-1 液氨贮罐的筒体设计液氨贮罐的筒体设计已知条件：设计压力
4、已知条件：设计压力p，操作温度，操作温度544，贮罐内径贮罐内径Di1200mm，设计要求；确定筒体厚度、钢材牌号。设计要求；确定筒体厚度、钢材牌号。方案方案1：选用材料：选用材料16MnR钢板钢板,170MPan焊缝应为焊缝应为v型坡口双面焊接，焊缝系数查得：；型坡口双面焊接，焊缝系数查得：；钢板负偏差钢板负偏差C，腐蚀裕度由：，腐蚀裕度由：C2=1mm，则壁，则壁厚附加量厚附加量C 0.8+1。得。得方案方案2： Q245钢板钢板 133MPa焊缝系数；壁厚附加量。焊缝系数；壁厚附加量。得得:两种方案比两种方案比较（1）钢板耗用量板耗用量采用采用16MnR时，钢板相板相对重量比采用重量比采
5、用Q245时可减可减轻。（2）制造费用）制造费用按设备重量计价，按设备重量计价，16MnR制造费用比较经济。制造费用比较经济。 8.1.3 封头的厚度计算封头的厚度计算 椭圆封头椭圆封头 8.1.4 外压容器的设计外压容器的设计1外压容器的失稳与临界压力外压容器的失稳与临界压力 当容器受外部受压时当容器受外部受压时(如有压夹套内层、真如有压夹套内层、真空容器等空容器等)，器壁亦会突然被压瘪，这种现象，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。，而设计压力应满足。2外压圆筒的壁厚计算外压圆筒的壁厚计算 当圆筒足
6、够长，两端封头的影响可忽略，当圆筒足够长，两端封头的影响可忽略，称为长圆筒称为长圆筒(LLc）3外压圆筒壁厚参考值。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容器容器长径比径比公公 称称 直直 径径60070080010001200夹套内套内压力（力（0.1MPa），容器内），容器内压力力1M
7、Pa2.5462.5462.5462.5462.546筒筒 体体 壁壁 厚厚123456688868810106810101266881068101012810101212681010108101012128101214148101012128101414141012141618810121414101212141610121616204外压封头壁厚计算外压封头壁厚计算(1)椭圆形与碟形头椭圆形与碟形头n按钢制石油化工压力容器设计规定，可按钢制石油化工压力容器设计规定，可用受内压用受内压(凹面受压凹面受压)时的计算公式计算。时的计算公式计算。但采用的计算压力为设计外压的倍。但采用的计算压力为设
8、计外压的倍。例例8-2 苯乙烯精馏塔内径苯乙烯精馏塔内径2m，筒体高度，筒体高度20m，封头总深，封头总深度，在度，在120及真空度及真空度9.07104Pa(680mm汞柱汞柱)下操作。下操作。材料选用材料选用20g钢板，试确定其壁厚。钢板，试确定其壁厚。 解：解：(1)塔的塔的计算算长度度L（封（封头长度取其深度的度取其深度的l/3）(2)设筒体筒体计算厚度算厚度15mm，临界界长度度L(3)壁厚壁厚n按短圆筒计算：按短圆筒计算：n查得在查得在t=120时，时，E=1.94105MPa，p取。因腐蚀性不大，取。因腐蚀性不大，C取取2mm；n按钢板厚度规格，取按钢板厚度规格，取S=20mm(
9、4)复核复核 复核复核：(5)封头厚度封头厚度n实际上取封头厚度与筒体相同实际上取封头厚度与筒体相同S20mm。 8.2 塔设备设计示例塔设备设计示例8.2.1 塔设备的机械设计塔设备的机械设计 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：荷的作用：n操作压力：对塔体形成轴向和环向载荷，但对裙座则不操作压力：对塔体形成轴向和环向载荷，但对裙座则不起作用。起作用。n塔的重量塔的重量 ：塔体：塔体(Q1)、内件、内件(Q2)、保温材料、保温材料(Q3)、平台、平台及扶梯及扶梯(Q4)、物料、物料(Q5)、裙座、裙座(Q6)、水压试验时充水量、水
10、压试验时充水量(Q7)及其他附件及其他附件(Q8)等重量形成，塔体及裙座的轴向载等重量形成，塔体及裙座的轴向载荷及可能有的偏心载荷。荷及可能有的偏心载荷。n风力作用：主要对塔体及裙座形成弯矩和剪力。风力作用：主要对塔体及裙座形成弯矩和剪力。n地震影响地震影响 ：其中水平地震力影响最大，对塔体与裙座：其中水平地震力影响最大，对塔体与裙座构成弯矩与剪力。构成弯矩与剪力。 n进行塔设备的机械设计，必须对以上几种因素形成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种载荷引
11、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。构的尺寸。8.3 搅拌反应釜设计示例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机械设计依据n搅拌反应釜的机械设计是建立在工艺设计的基础上，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。工艺要求是确定搅拌反应釜机械设计的主要依据。n搅拌反应釜的工艺要求通常包括反应釜的容积、最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、传大工作压力、工作温度、工作介质及腐蚀情况
12、、传热面积、换热方式、转速及功率、接口管方位与尺热面积、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。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内容搅拌反应釜机械设计包括：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；）确定搅拌反应釜的结构型式和尺寸；2）选择材料；）选择材料；3）计算强度；）计算强度；4）选用主要零件；）选用主要零件；5）绘图图样；）绘图图样；6）提出技术要求。）提出技术要求。8.3.3 罐体和夹套的结构设计罐体和夹套的结构设计 罐体一
13、般为立式圆筒形容器，有顶盖、筒体和罐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。底。夹套的型式与罐体相同。1. 罐体几何尺寸计算罐体几何尺寸计算（1）确定筒体内径）确定筒体内径 m 式中：式中：nV工艺条件给定的容积，工艺条件给定的容积，m3；nI长径比，长径比， 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）确定封头尺寸n椭圆封头选标准件椭圆封头选标准件JB/T4746-2002钢制压力容器钢制压力容器封头封头。（3）确定筒体高度）确定筒体高度H1V-釜体容积，釜体容积
14、，m3；H1-筒体高度，筒体高度，m；D1-筒体内径，筒体内径，m；Vh-下封头所包含的容积，下封头所包含的容积，m3。（4）夹套尺寸计算）夹套尺寸计算n 容器夹套的常用结构如下图所示。夹套与筒体的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。连接常焊接成封闭结构。 夹套内径夹套内径D2可根据筒体内径可根据筒体内径D1决定，按下表选取。决定，按下表选取。D1500600700180020003000D2D1+50D1+100D1+200夹套直径夹套直径D2n夹套高由传热面积决定，不能低于料液高。通常由工艺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给定装料系数
15、，或根据已知容积和操作容积进行计算，或根据已知容积和操作容积进行计算，即；即；=操作容积操作容积/全容积。全容积。n通常取通常取。如物料在反应过程中起泡沫或呈沸腾状态，。如物料在反应过程中起泡沫或呈沸腾状态，应取低值。夹套高度按下式估算。应取低值。夹套高度按下式估算。V釜体容积，单位为釜体容积，单位为m3；H2夹套高度，单位为夹套高度，单位为m；D1筒体内径，单位为筒体内径，单位为m；Vh下封头所包含的容积，单位为下封头所包含的容积，单位为m3；工艺给定装料系数。工艺给定装料系数。n夹套所包围罐体的表面积（筒体表面积夹套所包围罐体的表面积（筒体表面积F筒筒+封头表封头表面积面积F封）一定要大于
16、工艺要求的传热面积封）一定要大于工艺要求的传热面积F ，即，即 F筒筒+F封封F2筒体厚度和封头厚度的确定筒体厚度和封头厚度的确定 n对于不带夹套的筒体及上、下封头，其厚度按内压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。最高工作压力。n如果釜体外壁有夹套，则筒体及下封头的厚度应分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；当釜体内为真空操大压力差为釜体内的工作压力；当釜体内为真
17、空操作时，需按外压计算，最大压力差为夹套内的工作作时，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。若上下封头不被夹套压力或夹套内的工作压力加。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。取与下封头相同的壁厚。8.3.4 搅拌装置设计搅拌装置设计n搅拌装置选型通常是工艺设计任务，也可按下表选取搅拌装置选型通常是工艺设计任务，也可按下表选取8.3.5 搅拌轴设计搅拌轴设计1搅拌轴的材料选用搅拌轴的材料选用n搅拌轴的材料常用搅拌轴的材料常用45钢，有时还需要适当的热处理，钢，有时还需要适当的热处理
18、，以提高轴的强度和耐磨性。对于要求较低的搅拌轴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。取防腐措施。2搅拌轴直径的计算搅拌轴直径的计算n搅拌轴的直径同时满足强度和刚度两个条件，取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。面的局部削弱，介质腐蚀的影响。n综合以上因素，搅拌轴直径应按计算直径给予适综
19、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。当增大，并圆整到适当轴径。（1）搅拌轴的强度计算）搅拌轴的强度计算n轴的扭转强度条件为轴的扭转强度条件为式中式中:d搅拌轴直径，单位为搅拌轴直径，单位为mm；P搅拌轴传递功率，单位为搅拌轴传递功率，单位为KW；N搅拌轴转速，单位为搅拌轴转速，单位为r/min。（2 2）轴的的刚度度计算算 搅拌拌轴如如产生生过大的扭大的扭转变形，将引起形，将引起轴的振的振动，使，使轴封失效，影响封失效，影响搅拌釜正常运行，因此拌釜正常运行，因此应把把轴的扭的扭转变形限制在形限制在一个允一个允许的范的范围内，即内，即规定一个定一个设计的扭的扭转刚度
20、条件。度条件。作作为扭扭转的的刚度条件，即度条件，即（3）搅拌轴的支撑）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。弯，甚至完全破坏。 为为了了保保持持悬悬臂臂搅搅拌拌轴轴的的稳稳定定，悬悬臂臂轴轴长长度度L1、搅搅拌拌轴轴直直径径d、两两轴轴承承之之间间的的距距离离B之之间间的的关关系系应应满满足足一一下条件：下条件： 当当轴的直径裕量的直径裕量较大、大、搅拌器拌器经过平衡及低平衡及低转速速运运转时，可取偏大，可取偏大值，高速运，高速运转时，取偏小的，取偏小的值。 、3搅搅拌拌反反应应器器设设计计示示例例
