1、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
2、。 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0.10.05mm/a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0.05mm/a时，单面腐蚀和磨蚀C21mm，双面腐蚀和磨蚀C22mm。 焊缝系数参照下表,例8-1 液
3、氨贮罐的筒体设计 已知条件：设计压力p2.5MPa，操作温度544，贮罐内径Di1200mm， 设计要求；确定筒体厚度、钢材牌号。,方案1：选用材料16MnR钢板,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C0.8mm，腐蚀裕度由：C2=1mm，则壁厚附加量C 0.8+11.8mm。得,方案2： Q245钢板 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,
4、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(LLc）,3外压圆筒壁厚参考值。,4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。,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9.07104Pa(680mm汞柱)下操作。材料
5、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）,(2)设筒体计算厚度15mm，临界长度,L,(3)壁厚 按短圆筒计算： 查得在t=120时，E=1.94105MPa， p取0.1MPa。因腐蚀性不大，C取2mm；按钢板厚度规格，取S=20mm,(4)复核,复核,：,(5)封头厚度实际上取封头厚度与筒体相同S20mm。,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
6、)、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
7、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，,几种搅拌釜的长径比i值,（2
8、）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H1,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。,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，或根据已知容积和操作容积进行计算，即；=操作容积/全容积。 通常取=0.60.85。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。,V 釜体容积，单位为m3； H2
9、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； 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F,2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
10、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,8.3.5 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
11、度条件为,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,（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：,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,
