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1、本 科 毕 业 设 计 (论 文)管式反应器设计Design of Tubular Reactor学 院： 机械工程学院 专业班级： 过程装备与控制工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2013年 6月毕业设计（论文）中文摘要管式反应器设计摘 要：这篇论文主要介绍管式反应器机械计算等相关的设计过程。本毕业设计中，通过对该设备设计的相关的国家标准和行业标准的学习，独立的设计了管式反应器。管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。管式反应器是一种适用于强放热反应的反应设备。设计的内容主要是：根据给出的工艺参数选择合适的结构类型，然后根据已经选定的型式按照国家标准和行业标准对设备的换热管、
2、折流板、定距管、管箱等零部件进行设计，该设备主要由筒体、管箱、支座、换热管、折流板、管板及接管、法兰等组成。通过对该管式反应器的设计，进而熟悉和了解化工设备设计的一般方法和步骤，熟悉和了解化工设备相关设计标准和规范，掌握化工设备通用零部件的选用方法，培养综合运用所学知识分析、解决工程实际问题的能力。关键词：管式反应器；管板；法兰；固定管板式毕业设计（论文）外文摘要Design of Tubular ReactorAbstract: This thesis mainly introduces the design procedure of Tubular reactor ,which is re
3、lated to mechanical calculation. the design of the device through the relevant national standards and industry standards of learning, independent design of the tubular reactor. A device that tubular tubular reactor, large aspect ratio of the continuous operation of the reactor. The tubular reactor i
4、s a suitable strong exothermic reaction equipment. The main contents of the design are: according to the given parameters select the appropriate structure type, then the type has been selected in accordance with national standards and industry standards for equipment tubes, baffles, fixed pitch pipe
5、s, boxes and other zero part design, the device is mainly the cylinder, tube box, bearings, tubes, baffles and tube plate, flange and other components. Through the tubular reactor design, and thus familiar with and understand the general chemical equipment design methods and procedures, knowledge an
6、d understanding of relevant chemical equipment design standards and norms, master chemical equipment selection method for general parts, training integrated use of knowledge analyze and solve practical engineering problems.Keywords: Tubular reactor; tube plate; Flange;Fixed tube sheet目 录1 绪论11.1 管式反
7、应器的特点 11.2 国内外研究现状、水平和发展趋势11.3 毕业设计目的11.4 毕业设计内容和要求 12 确定换热管数目2 3 管子排列方式管间距的的确定34 管式反应器筒体直径的确定35 确定折流板形式和数目45.1 折流板的形式及材料45.2 折流板的主要几何参数45.3 折流板与壳体间隙45.4 折流板厚度45.5 折流板数目45.6 折流板的管孔56 确定壳体（筒体和封头）壁厚56.1 计算壳程筒体厚度56.2 管箱的选择67 选取标准件157.1 选取接管157.2 选取接管法兰157.3 分布器的选择168 选取拉杆和定距管178.1 拉杆的结构形式178.2 拉杆的直径与数量
8、188.3 拉杆的布置188.4 定距管189 管板的设计计算189.1 上管板的设计计算189.2 下管板的设计计算2310 膨胀节的设计2710.1 U形膨胀节的计算2711 开孔补强2911.1 进料口的开孔补强3011.2 测温口的开孔补强3211.3 安全阀口的开孔补强3412 支座的选择37结论 38致谢 39参考文献40附录411 绪论1.1 管式反应器的特点管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。管式反应器在近40年里，由于其体积小，效率高的特点，在化工中的应用与发展十分迅速。因此，对管式反应器的研究具有深远的意义。 1.2国内外研究现状、水平和发展趋势我国自20世纪
9、80年代引进这一先进技术后，由上海化工研究院、南华集团设计院和郑州工业大学在“七五”期间承担了管式反应器的国家攻关项目，四川大学在“八五”、“九五”、“十五”期间也承担了管式反应器的国家攻关项目和有关基础研究工作。一些研究、设计院和高校大力协同，积极开展基础研究工作和承担工程项目，至今取得了很大的成绩，填补了这一领域的空白。随着现代高科技的发展，我国研制的新型管式反应器也必将赶上世界先进水平，在化工界占有一席之地！20世纪60年代美国TVA公司将管式反应器用于磷酸铵的气液固三项系统，省掉了传统的预中和工艺；70年代以来，许多国家在磷复合肥工业中相继开发了各种管式反应器以及相应的新流程，如德国U
10、HDE公司、西班牙CROS公司。目前世界上生产磷酸铵最简捷、能耗最低的流程是西班牙Aspindesa公司开发的生产粉状MAP的管式反应器喷雾流程。如今的管式反应器的开发已扩展到磷酸铵以外的许多化肥生产领域，如硫基复合肥的中和段采用了短管型管式反应器，并且在扩大段形成了一个内循环反应过程以延长停留时间。然而，随着科技的不断发展，新型的管式反应器将被不断地被研究出，为化工行业带来方便。1.3 毕业设计目的管式反应器是一种适用于强放热反应的反应设备。本次毕业设计将通过列管式反应器的设计：（1）、掌握管式反应器机械设计的一般方法和步骤；（2）、熟悉和了解化工设备相关设计标准和规范；（3）、掌握化工设备
11、通用零部件的选用方法；（4）、培养综合运用所学知识分析、解决工程实际问题的能力。1.4 毕业设计内容和要求1.4.1 原始数据见下表表1 设计数据表设 计 数 据 表名 称指 标名 称指 标管 程壳 程管 程壳 程工作压力 MPa6.50.4焊接接头系数1.00.85设计压力MPa8.00.9换热面积m264.8工作温度 200/235-245250/235-245容器类别III设计温度 300300物料名称烯类，液化气等导热油表2 管口表1.4.2 设计要求管 口 表符号公称尺寸mm用途符号公称尺寸mm用途a80进料口i20测压口b25测温口j80出料口c20测压口k20放净口d50安全阀口
12、v20排气口25测温口m20测压口f50出料口n50泄压口g40导热油出口o25测温口h40导热油进口p25测温口在给定条件下完成反应器的机械设计，具体要求包括：1、确定换热管根数；2、确定壳体直径；3、确定折流板形式及数目；4、管束设计；5、选择材料；6、确定壳体（筒体、封头）壁厚；7、法兰选择或设计；8、选取并核算标准件；9、开孔补强计算；10、绘制设备图纸；11、编写设计计算说明书。1.4.3 毕业设计成果1、设计说明书一份2、装配图一张3、零部件图若干张4、主要为手绘图时，用计算机绘制的图纸不少于0号图（折合成）一张；主要为计算机绘图时，手绘图纸不少于0号图（折合成）一张注：图纸总量折
13、合成0号图不少于2.5张。2 确定换热管根数结合介质性质及便于清洗换热管，于是采用，长为3.5m，材料为00Cr17Ni14Mo2，由换热面积可得：根考虑到安排6根拉杆和留有一定裕量，取n=145根。3 管子排列方式，管间距的确定换热管在管板上的排列有正三角形、正方形和同心圆排列三种方式，如下图所示。各自特点：正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高；正方形排列：易清洗，但给热效果较差；同心圆排列：可以提高给热系数。 图1 换热管排列方式采用正三角形排列，假设管板上管子排列的间距a，与管子与管板的连接方法有关。取mm。4 管式反应器筒体直径的确定筒体内径可由下式计算： 式中a换热器管间距，由
14、上知a57mm； b位于管束中心线上的管数，管子按正三角形排列时， 最外层管子的中心到壳壁边缘的距离， 取mm 所以 mm 取筒体内径mm。5 确定折流板形式和数目5.1 折流板的形式及材料该管式反应器的壳程流体流通截面积大，在壳程流体属对流传热条件时，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需要设置折流板。折流板有横向折流板和纵向折流板两类，单壳程的管式反应器仅需设置横向折流板，横向折流板同时兼有支承传热管，防止产生振动作用。常用的折流板有弓形和盘环形。在弓形折流板中，流体在板间错流冲刷管子，而流经折流板弓形缺口时是顺流经过管子后进入下一板间，改变方向，流动中死区较少，比较
15、优越，结构比较简单，一般标准换热器中只采用这种。盘环形折流板制造不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。而且要求介质必须是清洁的，否则沉淀物将会沉积在圆环后面，传热面积失效，一般用于压力比较高而又清洁的介质。此处的折流板采用单弓形折流板。为方便选材，可选折流板的材料为Q235-B。5.2 折流板的主要几何参数弓形折流板圆缺大小用切去弓弦高占圆筒内直径的百分比来确定，单弓形折流板缺口弦高h值，宜取0.20-0.45倍的圆筒内直径,取系数为0.2，切去圆缺高度mm。5.3 折流板与壳体间隙折流板外周与壳体内径之间的间隙越小，壳程流体介质在此处的泄漏越小，使传热效率提高，但间隙越小，给制造、安装带
16、来困难。选取折流板名义外直径mm。5.4 折流板的厚度折流板的厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关，选取折流板的厚度mm。5.5 折流板的数目取折流板间距B=200（） 折流板数目：，考虑到上下管箱和管板及排布的原因，取折流板数。5.6 折流板的管孔由国标151-1999规定，的换热管的折流板孔直径为45.40mm及允许偏差。6 确定壳体（筒体和封头）壁厚6.1 计算壳程筒体厚度因为壳程的流体是导热油，设计压力是0.9MPa，设计的温度是300，选用16MnR作为制造材料。由GB150-1998可以查得，16MnR在300时的许用应力=144MPa。焊接系数。取mm，mm。因为MPa所以 mm
17、设计厚度： mm名义厚度： mm有效厚度： mm6.1.1 水压试验校核筒体水压试验的压力 MPa因为水压试验的压力，为了防止容器产生过大的应力，要求在试验压力下圆筒产生的最大应力不超过圆筒材料在试验温度下屈服点的90%。 。所以 MPa式中：MPaMPa76.34MPa因为所以水压试验的应力校核满足要求。6.2 管箱的选择管箱由两部分组成：短节与封头；把由管道来的管程流体均匀分布到各传热管把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。管箱的结构形式主要根据换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。（1）、A型（平盖管箱）如图（a）装有管箱平盖（或称盲
18、板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大是得用锻件，耗费大量机加工时，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。（2）、B型封头管箱型 如图（b），用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况要比平端盖好的多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱。（3）、C型、D型管箱 这种形式是管箱一端与壳体及管板连成一体，或是用于可拆管束与管板制成一体的管箱，另一端可采用A型结构，减少了泄漏的可能性。一般用的较少，只在高压情况下采用。 A型管箱 B型管
19、箱 C型管箱 D型管箱图2 管箱形式6.2.1 设计计算上部管箱（1）根据已知条件，综合考虑上管箱选A型，材料为16MnR.由GB150-1998和GB151-1999有，管箱的圆筒厚度 mm 设计厚度： mm 名义厚度： mm 有效厚度： mm（2）容器法兰的设计法兰的基本结构形式按组成法兰的圆筒、法兰环及锥颈三部分的整体性程度可分为松式法兰、整体法兰、任意式法兰三种。松式法兰：指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。整体法兰：将法兰于壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰。任意式法兰：从结构来看，这种法兰与壳体连成一体，但刚性介于整体法兰和松式法兰之
20、间。性能从好到差：整体法兰任意式法兰松式法兰所以选整体法兰形式比较好，已知管程的设计压力为8.0MPa，设计温度为300，选用长颈对焊法兰，材料为16Mn，为了保护焊缝，采用衬环凹凸面密封，材料为00Cr17Ni14Mo2。 垫片选用不锈钢内填石棉缠绕式金属垫片，由GB150-1998有：m=3.00,y=69。垫片的有效密封厚度 垫片的接触宽度N=12mm，所以密封宽度mm 当mm时， 当mm时，所以，有效密封宽度mm垫片压紧力作用中心圆直径因为mm6.4mm，所以mm垫片压紧力预紧状态下需要的最小垫片压紧力 KN操作状态下需要的最小垫片压紧力 KN垫片宽度垫片在预紧状态下受到最大螺栓载荷作
21、用，可因压紧过度而失去密封性能。为此垫片可取宽度80mm。 螺栓螺栓的布置 法兰径向尺寸及螺栓间距的最小值，按GB150-1998表9-3选取有mm，mm ，mm，=90mm。螺栓的规格为M45，数量36个。 螺栓最大间距不宜超过下式计算值： mm式中：螺栓最大间距，mm 螺栓孔直径，mm 法兰有效厚度，mm M垫片系数 螺栓载荷 预紧状态下需要的最小螺栓载荷 KN 操作状态下需要的最小螺栓载荷 = =5009.13KN 螺栓面积 预紧状态下需要的最小螺栓面积 选用螺柱的材料为35CrMoA，在常温下的许用应力MPa。 操作状态下需要的最小螺栓面积 需要的螺栓面积取与之大值 =26503.33
22、 （d）实际螺栓面积 螺栓设计载荷（a） 预紧状态螺栓设计载荷 =10388.6KN（b） 操作状态螺栓设计载荷 KN 法兰 图3 长颈对焊法兰 初始设定如下尺寸：公称直径DN（mm） D H h R d800 1116 1032 880 868 158 263 60 20 30 56 45 (1)法兰力矩 （a）预紧状态的法兰力矩 Nmm 螺栓中心至作用位置处的径向距离，mm（b）操作状态的法兰力矩 = = Nmm式中：，按GB150-1998有： mm mm mm螺栓中心至法兰颈部（或焊接）与法兰背面交点的径向距离，mm螺栓中心圆直径，mm垫片压紧力作用中心圆直径，mm作用于法兰内径截面上
23、的流体压力引起的轴向力， N液体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力所引起的轴向力之差，N (2)法兰设计力矩 法兰设计力矩取以下大值： 所以 Nmm (3)法兰应力 整体法兰、带劲松式法兰以及按整体法兰计算的任意式法兰。(a)轴向应力 MPa (b)径向应力 =118.4MPa (c)环向应力 =80.4MPa 式中：f整体法兰颈部应力校正系数（法兰颈部小端应力与大端应力的比值），当f1时，取f=1 系数， k法兰外径与内径的比值， 查GB150-1998表9-5有：T=1.77,Z=3.30，Y=6.35,U=6.98 图4 f值图 剪应力(a) 剪切载荷预紧状态的剪切载荷
24、KN操作状态的剪切载荷 KN(b) 剪切面积 式中：剪切面积， 剪切面计算直径，取圆筒外径，mm l剪切面计算高度，mm(c)剪应力 预紧时的剪应力 MPa 操作时的剪应力 MPa应力校核(a) 轴向应力根据要求： 与之小值 MPa MPa ，所以符合要求。(b) 径向应力 MPa 所以满足要求。(c) 环向应力 MPa 所以满足要求。(d) 组合应力 所以满足要求。(e) 剪应力 预紧时： MPa 操作时： MPa符合要求。（3）平盖封头设计计算选用材料为16MnR，因为该封头为平盖封头，且管箱内无隔板，所以厚度按以下计算。操作时 mm预紧时 mm取两者中较大值，所以mm，取mm式中：平盖计
25、算厚度，mm 垫片压紧力作用中心圆直径（按GB150-1998第9章选），mm 管程计算压力，MPa设计温度下平盖材料的许用应力，MPa 试验温度下平盖材料的许用应力，MPa 焊接接头系数 k结构特征系数 操作时： = 预紧时： 6.2.2 设计计算下部管箱（1）下管箱封头材料仍选16MnR，因为介质需从设备中排出，且本设备为单壳程结构，所以采用D型管箱。根据GB150-1998有：16MnR在300时的许用应力为MPa因为 MPa所以 mm设计厚度：mm名义厚度： mm 有效厚度： mm考虑到耐磨、耐热、耐腐蚀等方面性能，用焊接方法在管箱内表面堆敷一层厚度为8的00Cr17Ni14Mo2。7
26、 选取标准件7.1 选取接管7.1.1 接管的一般要求（1）接管应与壳体内表面平齐；（2）必要是可设置温度计接口、压力表及液面计接口；（3）接管与外部管线可采用焊接连接；（4）设计温度在300以上时，必须采用整体法兰;（5）对于不能利用接管进行放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口，其最小公称直径为20mm；（6）接管应尽管沿径向或轴向布置;根据HG20592-97选取：测压口、放净口、排气口选用规格的接管，长为150mm,重量为0.16kg。测温口选用规格的接管，长度为150mm,重量为0.3kg；导热油进出口选用规格的接管，长度为150mm,重量为0.48k
27、g；安全阀口、出料口、泄压口选用规格的接管，长度为150mm,重量为0.61kg；进料口选用规格的接管，长度为150mm,重量为1.21kg；材料为20钢。7.2 选取接管法兰（1） 选取进料口接管（DN80）法兰选用带颈凹面对焊法兰，相关尺寸根据HG20592-97查得法兰外径（mm） 螺栓孔中心圆直径（mm） 螺栓孔直径（mm） 螺栓孔数量 190 150 18 4螺纹 法兰内径（mm） 法兰厚度（mm） 法兰重量（Kg）M16 94 18 2.88（2） 选取安全阀口、出料口、泄压口接管（DN50）法兰选用板式突面平焊法兰，相关尺寸根据HG20592-97查得法兰外径（mm） 螺栓孔中心
28、圆直径（mm） 螺栓孔直径（mm） 螺栓孔数量 140 110 14 4螺纹 法兰内径（mm） 法兰厚度（mm） 法兰重量（Kg）M12 62 16 1.48（3） 选取导热油进出口接管（DN40mm）法兰选用板式突面平焊法兰，相关尺寸根据HG20592-97查得法兰外径（mm） 螺栓孔中心圆直径（mm） 螺栓孔直径（mm） 螺栓孔数量 130 100 14 4螺纹 法兰内径（mm） 法兰厚度（mm） 法兰重量（Kg）M12 50 16 1.34（4） 选取测温口接管（DN25mm）法兰选用板式突面平焊法兰，相关尺寸根据HG20592-97查得法兰外径（mm） 螺栓孔中心圆直径（mm） 螺栓孔
29、直径（mm） 螺栓孔数量 100 75 11 4螺纹 法兰内径（mm） 法兰厚度（mm） 法兰重量（Kg）M10 36 14 0.71（5） 选取测压口、放净口、排气口接管（DN20mm）法兰选用板式突面平焊法兰，相关尺寸根据HG20592-97查得法兰外径（mm） 螺栓孔中心圆直径（mm） 螺栓孔直径（mm） 螺栓孔数量 90 65 11 4螺纹 法兰内径（mm） 法兰厚度（mm） 法兰重量（Kg）M10 29 14 0.587.3 分布器的选择分布器安装于填料上部，它将加料均匀地分布到填料的表面上，形成初始分布。综合考虑，选择压力型排管式分布器，其最大的优点就是在受外界条件影响时，液体不会
30、溅出。此外，液体管中有一定高度的液位，故安装时水平误差不会对从小孔流出的液体有交大的影响，因而可达到较高的分布质量。选用丝网波纹填料，并用栅板型支撑装置。图5 压力型管式分布器8 拉杆与定距管的选择8.1 拉杆的结构形式常用拉杆的形式有两种：(a)拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束，（ 按GB151-1999表45规定）；(b)拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束，；(c)当管板比较薄时，也可采用其他的连接结构。图6 拉杆定距管结构图7 点焊结构因为换热管的外径为45，所以选择拉杆定距管结构。8.1 拉杆的直径与数量拉杆的直径和数量可以按表3和表
31、4选取表3 拉杆直径换热管外径d 14d25 拉杆直径 10 12 16表4 拉杆数量公称直径DN，mm 400 - - - = - - 拉杆直径，mm 700 900 1300 1500 1800 2100 230010 4 6 10 12 16 18 24 2812 4 4 8 10 12 14 18 2016 4 4 6 6 8 10 12 14所以拉杆直径d=16mm，拉杆数量为6。8.2 拉杆的布置拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。拉杆位置占据换热管的位置，对于大直径换热器，在布管区的中心部位或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。8.3定距管定距管的
32、规格同换热管，其长度同实际需要确定。9 管板的设计计算9.1 上管板的设计计算选用固定式换热器管板，材料选用16Mn，管板厚度的计算见GB15189钢制管壳式换热器表3-15，具体计算步骤如下：已知数据如下：管子壳体材质00Cr17Ni14Mo216MnR线膨胀系数弹性模量E（Mpa）尺寸 管子数 145根管间距57mm壳程圆筒内径面积:壳程圆筒金属横截面积:换热管金属总截面积 管板开孔面积 假定管板厚度 = 161mm换热管有效长度L=换热管总长-2-3=3500-2161-3=3175mm换热管束模数MPa管子回转半径mm管子受压失稳当量长度，查阅GB151-98,图3-21，可知其与折流
33、板间距有关，由于管长3500mm，取折流板间距为200mm,且等间距布置。则由图3-21，取 =400mm则系数 所以管子稳定许用压应力开孔后面积 管板布管区面积 (采用三角形排列) 管间距。查GB151-98 P18表3-7， 取=57mm隔板槽面积，此题中不分程 取所以 管板布管区当量直径：mm系数： 管板计算：管子加强系数： 所以K=3.5管箱厚度30mm查GB151-98图3-14 查图3-15 壳程圆筒查GB151-98图3-14 查图3-15 旋转刚度查图3-16有：查图3-18有：查图3-17有：壳程压力作用下的危险组合MPa壳程设计压力 =0.9MPa 管程压力=0y=at(t
34、t-to)-as(ts-to)yEt/MPa/MPa50.43 0.0090.00033=0.0000960.52 G10.53/MPa0.033/MPa0.0028/MPa0.063管板应力/MPa145.3/MPa26.7/MPa47.13壳体法兰应力/MPa178管子应力MPa-14.7814.78cr壳程圆筒轴向应力MPa62.2拉脱力MPa0.5769.2 下管板的有关计算法兰力矩基本法兰力矩 其计算见GB1501998第九章螺栓载荷计算 预紧状态下：查阅压力容器法兰标准，此处选长颈对焊法兰（PN1.0,DN800）,凹凸密封面则 m,y查 GB1501998表92 取y=15.2 ,m=2.25由表91 取垫片基本密封宽度因为 所以垫片有效密封宽度所以操作状态下： 螺栓面积计算：预紧状态下 螺栓材料取为