加热蒸汽反应釜设计说明书

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沈阳理工大学课程设计

焊接结构课程设计任务书

学院学生姓名设计题目专业学号蒸汽加热反应釜焊接专业设计要求及技术参数：全容积18m 工作压力0.5MPa 工作温度80℃ 容器材料1Cr18Ni9T. 技术要求： 1.写出该结构的几种设计方案 2.强度计算及尺寸选择 3.绘制结构设计图 4.撰写主要工艺过程 5.撰写设计说明书进度安排： 1熟悉零件：讲授课程，熟悉零件 2天 2查阅相关资料，提出可行方案 2天 3上机画图 3天 4书写说明书 4天 5图纸及工艺的检测 2天 6答辩 2天指导教师（签字）：年月日学院院长（签字）：年月日 3 - 1 -

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蒸汽加热反应釜课程设计前言蒸汽加热反应釜广泛的应用于医药、化工、塑料、橡胶、建材、食品等行业，具有加热迅速、耐高温、耐腐蚀、无环境污染、无需锅炉自动加温、使用方便等特点。不锈钢反应釜由锅体、锅盖、搅拌器、加热夹套、支承及传动装置、轴封装置等组成。锅体、锅盖、搅拌器、轴封等均由 1cr18Ni9Ti 不锈钢制作。锅体与锅盖由法兰密封联接，锅体下部有放料孔，锅内有搅拌器，锅盖上开进料、搅拌观察、测温测压、蒸汽引出分馏、安全放空等工艺管孔。锅盖上部焊接支架上，装置减速机与电机，由传动轴驱动锅内搅拌器，轴封装置在锅盖顶部。加热夹套上开有进、排油（汽）测温，放空蒸汽阀门、电热棒等接管孔。由于用户因生产工艺、操作条件不尽相同，对锅盖工艺开孔、搅拌型式（有桨式、锚式、框式、螺旋式等）、支承型式（悬挂式或支支座式）以及填料密封装置等不同要求，另行设计。 - 2 -

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目录第一章反应釜釜体的设计 1.1 釜体DN 、PN的确定………………………………………………………………4 1.2 釜体筒体壁厚的设计…… ………… ……………………………………………4 1.3 封头的设计 ………………… …………………………………………………5 1.4筒体长度H的设计…………………………………………………………………5 第二章反应釜夹套的设计 2.1夹套的Dj、PN的确定……………………………………………………………6 2.2夹套筒体的设计……………………………………………………………………6 2.3夹套封头的设计……………………………………………………………………6 第三章反应釜釜体及夹套的压力试验 3.1釜体的水压试验……………………………………………………………………9 3.2釜体的气压试验……………………………………………………………………9 3.3夹套的液压试验……………………………………………………………………10 第四章反应釜附件的选型及尺寸设计 4.1人孔的设计…………………………………………………………………………12 4.2视镜的设计…………………………………………………………………………13 4.3支座的选型及设计…………………………………………………………………14 4.4工艺接管的设计……………………………………………………………………15 第五章固体物料进口的开孔及补强计算 5.1封头开人孔后被削弱的金属面积A的计算………………………………………18 第六章焊缝结构的设计………………………………………………………………19 第七章第七章反应釜的装配图及零件图 7.1 反应釜的装配图…………………………………………………………………22 7.1 反应釜的零件图…………………………………………………………………22 参考文献 ………………………………………………………………………………23

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第一章反应釜釜体的设计 1.1 釜体 DN、PN的确定 1.1.1 釜体DN的确定将釜体视为筒体，取L/D=1.1 由V=(π/4)DiL，L=1.1Di 则 Di=318??????????2 DN=2800mm PN，Di?2.75m，圆整Di=2.8m 由文献?1?4-1页表4-1-1查得釜体的DN=2800mm 1.1.2釜体PN的确定因工作压力PW＝0.5MPa，故：PN＝0.6MPa 1.2 釜体筒体壁厚的设计 1.2.1设计参数的确定设计压力P：P＝（1.05～1.1）PW，取P＝1.1PW=1.1×0.5=0.55MPa；液体静压`PL：PL≈1.1?1810＝0.6MPa (kgf/cm2)≈0.2MPa PL/P=0.2/0.55=36.36％>5％，不可以忽略PL；计算压力PC：PC=P+PL= 0.75MPa；设计温度t： 80℃ ；焊缝系数?： ?＝1.0（双面埋弧焊，100%无损探伤）；许用应力[?]：根据材料1Cr18Ni10Ti、设计温度50℃，由文献[1]4-46页续表4-2-8知[?]＝131MPa；钢板负偏差C1：C1＝0.8mm 腐蚀裕量C2：C2＝0mm（不锈钢腐蚀极微）厚度附加量C：C=C1+C2=0.8mm 1.2.2 筒体壁厚的设计由公式Sn=PCDi2????-PCttt+C 得： Sn=10mm Sn?0.75?28002?131?1-0.75+0.8=8.84mm，圆整Sn=9mm，实际取Sn=10mm 刚度校核：不锈钢的Smin?3mm 1.3 封头的设计

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上下封头都取标准椭圆形封头，内径与筒体相同，标准JB1154-73 由公式 Sn'=PCDi2????-0.5PCt+C得： Sn=10mm ' Sn'=0.75?28002?131?1?0.5?0.75+0.8=8.83mm 圆整得Sn'=9mm 根据规定，取封头壁厚与筒体壁厚一致Sn'=10mm 、封头的直边尺寸、体积及重量的确定根据DN=2800mm，由文献[1]4-12页续表4-1-4知：曲面高度h1：700mm 体积VF：3.12m 直边高度h2：40mm 内表面积F：8.82m2 质量m: 842kg 结构如图1-1所示 3曲面高度h1：700mm 体积VF：3.12m3 直边高度h2：40mm 内表面积2F：8.82m 质图1-1 外径为公称直径的椭圆形封头 1.4 筒体长度H的设计 1.4.1筒体长度H的设计 V?VT?2VF，VT?V?2VF， H?V?2VF量m: 842kg H =1920mm ??4Di244?（18-2?3.12）==1.911mm 23.14?2.8DiH?V?2VF 2圆整得: H =1920mm 1.4.2釜体长径比L/Di的复核 L/Di=（H+2h1）/Di= （1920+2×700）/2800=1.18；在1.0~1.3之间，满足要求。

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第二章反应釜夹套的设计 2.1 夹套的Dj、PN的确定 2.1.1夹套Dj的确定由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可知： Dj=Di+100＝2800+100=2900mm Dj=3000mm 考虑到2900一般不在取值范围，故取Dj=3000mm 2.1.2 夹套PN的确定由设备设计条件单知，夹套内介质的工作压力为常压，取PN＝0.25MPa 2.2 夹套筒体的设计 2.2.1 夹套筒体壁厚的设计因为PN为常压＜0.3MPa，所以需要根据刚度条件设计筒体的最小壁厚。 ∵ Dj＝3000mm＜3800mm，取SC， ∴Sminmin PN＝0.25MPa Sn＝8mm ＝2Dj /1000且不小于3 mm 另加＝6+0.8=6.8（mm），圆整Sn=7mm。对于不锈钢制造的筒体壁厚取Sn＝8mm。 2.2.2 夹套筒体长度Hj的初步设计公式Hj=?V-VFV1 ，由文献[1]4-2页表4-1-3知V1=7.030mm2 =1.604m 圆整后Hj =1610mm 所以，Hj=0.8?18-3.127.030Hj =1610mm 2.3 夹套封头的设计 2.3.1 封头的选型夹套的下封头选标准椭球型，内径与筒体相同。标准JB/1154-73。夹套的上封头选90折边锥形封头 2.3.2 椭球形封头壁厚的设计 ? 因为PN为常压＜0.3MPa，所以需要根据刚度条件设计封头的最小壁厚。 - 6 -

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∵ Dj＝3000mm＜3800mm，取S ∴Sminmin＝2Di/1000且不小于3 mm 另加C，＝6+0.8=6.8mm Sn＝8mm 对于不锈钢制造的封头壁厚取Sn＝8mm。 2.3.3椭球形封头结构尺寸的确定曲面高度h1=750m 图2-1 外径为公称直径的椭圆形封头下封头的结构如图2-1所示由文献[1]4-12页续表4-1-4得封头的尺寸如下：曲面高度h1=750mm 直边高度h2=40mm 容积VF=3.18mm3 内表面积A=10.01mm2 封头的下部结构如图2-1 封头下部结构的主要结构尺寸Dmin＝300mm。 m 直边高度h2=40mm 容积VF=3.18 mm 3 图 2-2封头的下部结构 2.3.490折边锥形封头壁厚的设计考虑到封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取封头的壁厚与夹套筒体的壁厚一致，即Sn＝8mm。结构如图2-3所示 ?内表面积A=10.01mm 2Sn＝8mm - 7 -

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图2-3 90?折边锥形封头由文献[1]4-31页续表4-1-13得直边高度h=25mm 圆弧半径=50mm - 8 -

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第三章反应釜釜体及夹套的压力试验 3.1釜体的水压试验 3.1.1水压试验压力的确定水压试验的压力：pT?1.25p[?][?]t ??????t?1.0 且不小于(p+0.1) MPa，查 pT pT=1.25×0.55×1=0.69MPa，（p+0.1）= 0.65 MPa，取pT=0.69MPa 3.1.2液压试验的强度校核由?max?pT(Di?Sn?C)2(Sn?C)=0.69MPa 得： ?max＝0.69（2800?10-0.8）=105.3MPa 2(10?0.8) 0.9 ?s? =0.9×131×1.0=117.9MPa 由?max＝105.3MPa < 0.9 ?s? 故液压强度足够 3.1.3压力表的量程、水温及水中Cl?浓度的要求压力表的最大量程：P表 =2pT=2×0.69=1.38MPa 或1.5PT?P表 ?4PT 即1.03MPa? P表?2.76MPa 水温≥15℃ 水中Cl浓度≤25mg/L 3.1.4水压试验的操作过程 ?操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.69MPa，保压不低于30min，然后将压力缓慢降至 0.55MPa，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。 3.2釜体的气压试验 3.2.1气压试验压力的确定气压试验的压力：pT?1.15p[?][?]t - 9 -

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pT=1.15×0.55×1.0=0.6325（MPa）取pT=0.65MPa 3.2.2气压试验的强度校核由?max?pT(Di?Sn?C)2(Sn?C) pT=0.65得： MPa ?max = 99.23MPa ∵ ?max＜0.8?S? =0.8×131×1.0=104.8MPa ∴ 气压强度足够 3.2.3气压试验的操作过程做气压试验时，将压缩空气的压力缓慢将升至0.06MPa，保持5min并进行初检。合格后继续升压至0.325MPa，其后按每级的0.065MPa级差，逐级升至试验压力0.65MPa，保持10min，然后再降至0.55MPa，保压足够长时间同时进行检查，如有泄露，修补后再按上述规定重新进行试验。釜体试压合格后，再焊上夹套进行压力试验。 3.3夹套的液压试验 3.3.1液压试验压力的确定液压试验的压力：pT?1.25p[?][?]t 且不小于(p+0.1) MPa，查[?][?]t=1.0 pT=1.25×0.25×1.0=0.3125MPa，(p+0.1)= 0.35MPa pT＜(p+0.1)，取pT=0.35MPa pT=0.353.3.2液压试验的强度校核由?max?pT(Di?Sn?C)2(Sn?C) 得： MPa ?max = 73.09MPa ∵ ?max＝73.09MPa ＜0.9 ?s?=0.9×131×1.0=117.9（MPa） ∴ 液压强度足够 - 10 -

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3.3.3压力表的量程、水温的要求压力表的量程：P表 = 2pT=2×0.35=0.7MPa 或1.5PT? P表?4PT 即 0.525MPa? P表?1.4MPa 水温≥5℃。 3.3.4液压试验的操作过程在保持夹套表面干燥的条件下，首先用水将夹套内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.35MPa，保压不低于30min，然后将压力缓慢降至0.25MPa，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将夹套内的水排净，用压缩空气吹干。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。 - 11 -

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第四章反应釜附件的选型及尺寸设计 4.1人孔的设计由于釜体的内径Di=2800mm，因此需要在釜体的封头上设置人孔，本设计选用500-0.6RF回转盖不锈钢人孔。由HG21596-1999回转盖不锈钢人孔得其结构如图4-1。图4-1 回转盖不锈钢人孔尺寸见表4-1 密封面形式公称压力（MPa）突面（RF） 0.6 公称直径dw（mm） ×s 645 600 355 175 250 D D1 A 尺寸（mm） B L b B1 H1 H2 d 500 530×5 36 30 230 110 20 螺栓/螺柱直径×长度数量 M20×100 20 螺母数量 20 材料见表4-2

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表4-2 4. 2视镜的选型选用DN=125的带颈视镜。其结构见图4-2。由文献[1] 4-157页表4-5-4确定视镜的规定标记、标准图号标记：视镜ⅡPN1.0，DN125 标准图号：HG501-86-19。视镜的尺寸见表4-3及材料见表4-4。 - 13 -

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图4-2 视镜的结构型式表4-3 视镜的尺寸 DN 视镜玻璃dn×S D D1 b1 b2 H1 双头螺柱数量 225 190 40 28 105 8 直径 M16 125 145×15.2 表4-4 视镜的材料件号 1 名称数量 1 材料件号 1 名称数量 1 材料 Q235-A 视镜玻璃硼硅玻璃(SJ-6) 压紧环 2 衬垫 2 石棉橡胶板 2 双头螺柱 8 Q235-A 3 接缘 1 1Cr18Ni9Ti 3 螺母 16 Q235-A 4.3支座的选型及设计 4.3.1支座的选型及尺寸的初步设计： - 14 -

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反应釜加热方式是蒸汽加热，由文献?1?4-175页选耳式B型支座，支座数量为4个，粗略估计反应釜总质量为2t 标记：支座2 JB1165-81 材料：1Cr18Ni9Ti 图4-3 B型耳式支座尺寸如表4-5 表4-5 B型耳式支座的尺寸支座尺寸mm 支座允许载荷t L H b S 10 a 140 c 200 f 70 地脚螺栓尺寸 S孔直1 径d 径 10 30 M24 加强垫板尺寸宽长 315 厚度 10 2212.0 9560 5 0 4.4工艺接管的设计 240 4.4.1 由GB_T_17395-1998查无缝钢管（1）进料口、出料口接管采用?159×15.9无缝钢管，罐内的接管与夹套内表面磨平。配用突面带颈式平焊管法兰：HG20592 法兰 SO150-0.6 RF 1Cr18Ni10Ti （2）进气口、出气口、进水口、出水口接管采用?89×8.9无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL80-0.6 RF 1Cr18Ni10Ti。（3）温度计、压力计、液面计接口

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采用?57×5.7无缝钢管，伸入釜体内一定长度。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL50-1.6 RF 1Cr18Ni10Ti。 4.4.2 管法兰尺寸的设计工艺接管配用的突面板式（带颈）平焊管法兰的结构如图4-4、4-5。由GB_T_17395-1998并根据PN=0.6MPa、PN=1.6MPa和接管的DN确定法兰的尺寸。管法兰的尺寸见表4-6、4-7 图4-4 板式平焊法兰图4-5 带颈式平焊法兰

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表4-6 板式平焊管法兰的尺寸（HG20592）公称直径DN接管名称接管外径A D连接尺寸进水口、出水口、进气口、出气口温度计、压力计、液面计接管 K L n 法兰厚度C Th 法兰内径B 坡口宽度 b 80 89 250 200 210 160 18 8 M16 M16 22 91 6 50 57 18 8 20 59 5 表4-7 带颈式平焊管法兰的尺寸（HG20592）公称直径DN接管名称接管外径 A D连接尺寸 K L n Th 法兰厚度C 颈法兰 N R 坡法口兰宽内度径 B b 进料口、出料口接管 150 159 340 295 22 12 M20 24 246 10 166 1 第五章固体物料进口的开孔及补强计算

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5. 1封头开人孔后被削弱的金属面积A的计算由于人孔的开孔直径较大，因此需要进行补强计算，本设计采用等面积补强的设计方法。釜体上封头开人孔后被削弱的金属面积A为： A?dSo?2SoSet(1?fr) 式中：d?di?2C=530mm So?pcDi2??ett??t?0.5pc=0.75?28002?131?1-0.5?0.75=8.03mm fr?[?][?]=1 2A?dSo?2SoSet(1?fr)=530×8.03=4255.9mm - 18 -

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第六章焊缝结构的设计尺寸如图下图所示 - 19 -

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第七章反应釜的装配图及部件图 7.1反应釜装备图（见附图1） 7.2反应釜件图（见附图2） - 22 -

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参考文献 1. 化工机械手册——钢制压力容器设计 2. GB_T_17395-1998_无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差 3. HG／T_2059220635-2009_钢制管法兰、垫片、紧固件 4. HG21596-1999回转盖不锈钢人孔 5. HGT 21619-1986 视镜标准图 6. JB-T 4736-2002 补强圈 - 23 -

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