管式反应器设计.doc
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本科毕业设计（论文）
管式反应器设计
DesignofTubularReactor
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、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
DesignofTubularReactor
Abstract:
ThisthesismainlyintroducesthedesignprocedureofTubularreactor,whichisrelatedtomechanicalcalculation.thedesignofthedevicethroughtherelevantnationalstandardsandindustrystandardsoflearning,independentdesignofthetubularreactor.Adevicethattubulartubularreactor,largeaspectratioofthecontinuousoperationofthereactor.Thetubularreactorisasuitablestrongexothermicreactionequipment.Themaincontentsofthedesignare:
accordingtothegivenparametersselecttheappropriatestructuretype,thenthetypehasbeenselectedinaccordancewithnationalstandardsandindustrystandardsforequipmenttubes,baffles,fixedpitchpipes,boxesandotherzeropartdesign,thedeviceismainlythecylinder,tubebox,bearings,tubes,bafflesandtubeplate,flangeandothercomponents.Throughthetubularreactordesign,andthusfamiliarwithandunderstandthegeneralchemicalequipmentdesignmethodsandprocedures,knowledgeandunderstandingofrelevantchemicalequipmentdesignstandardsandnorms,masterchemicalequipmentselectionmethodforgeneralparts,trainingintegrateduseofknowledgeanalyzeandsolvepracticalengineeringproblems.
Keywords:
Tubularreactor;tubeplate;Flange;Fixedtubesheet
目录
1绪论………………………………………………………………………………1
1.1管式反应器的特点……………………………………………………………1
1.2国内外研究现状、水平和发展趋势…………………………………………1
1.3毕业设计目的……………………………………………………………………1
1.4毕业设计内容和要求…………………………………………………………1
2确定换热管数目…………………………………………………………………23管子排列方式管间距的的确定…………………………………………………3
4管式反应器筒体直径的确定……………………………………………………3
5确定折流板形式和数目…………………………………………………………4
5.1折流板的形式及材料…………………………………………………………4
5.2折流板的主要几何参数………………………………………………………4
5.3折流板与壳体间隙……………………………………………………………4
5.4折流板厚度……………………………………………………………………4
5.5折流板数目……………………………………………………………………4
5.6折流板的管孔…………………………………………………………………5
6确定壳体（筒体和封头）壁厚………………………………………………5
6.1计算壳程筒体厚度…………………………………………………………5
6.2管箱的选择……………………………………………………………6
7选取标准件…………………………………………………………15
7.1选取接管…………………………………………………………………15
7.2选取接管法兰…………………………………………………………………15
7.3分布器的选择……………………………………………………………16
8选取拉杆和定距管……………………………………………………………17
8.1拉杆的结构形式………………………………………………………………17
8.2拉杆的直径与数量……………………………………………………………18
8.3拉杆的布置……………………………………………………………………18
8.4定距管…………………………………………………………………………18
9管板的设计计算……………………………………………………………18
9.1上管板的设计计算……………………………………………………………18
9.2下管板的设计计算……………………………………………………………23
10膨胀节的设计………………………………………………………27
10.1U形膨胀节的计算…………………………………………………………27
11开孔补强………………………………………………………………29
11.1进料口的开孔补强…………………………………………………………30
11.2测温口的开孔补强…………………………………………………………32
11.3安全阀口的开孔补强…………………………………………………………34
12支座的选择…………………………………………………………………37
结论…………………………………………………………………………………38
致谢…………………………………………………………………………………39
参考文献……………………………………………………………………………40
附录………………………………………………………………………………41
淮海工学院二○一三届毕业设计（论文）第39页共41页
1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UHDE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MPa
6.5
0.4
焊接接头系数
1.0
0.85
设计压力MPa
8.0
0.9
换热面积m2
~64.8
工作温度℃
>200/235-245
250/235-245
容器类别
III
设计温度℃
300
300
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
a
80
进料口
i
20
测压口
b
25
测温口
j
80
出料口
c
20
测压口
k
20
放净口
d
50
安全阀口
v
20
排气口
25
测温口
m
20
测压口
f
50
出料口
n
50
泄压口
g
40
导热油出口
o
25
测温口
h
40
导热油进口
p
25
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，由上知a＝57mm；
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
设计厚度：
mm
名义厚度：
mm
有效厚度：
mm
6.1.1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：
MPa
MPa>76.34MPa
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mm<6.4mm，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
（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）DHhRd
800111610328808681582636020305645
（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f<1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4f值图
剪应力
（a）剪切载荷
预紧状态的剪切载荷
KN
操作状态的剪切载荷
KN
（b）剪切面积
式中：
———
升级会员 