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不锈钢反应釜釜顶盖开孔的结构设计
发布时间:2018-05-07    点击次数:116次   

反应釜属于三类容器,其反应介质之一为环氧乙烷,工作压力可达0.7MPa,上限工作温度接近180℃。环氧乙烷无色有毒,极其易燃易爆(在空气中含3%~100%均可爆炸),属高度危害介质。如何保证安全,防止泄漏,是设备设计时需重点解决的问题。而密封难点集中反映在不锈钢反应釜的顶盖与筒体相连接的部位,主要是因为其密封面积大、密封不易保证造成的。

(一)反应釜的顶盖结构设计

从安全的角度考虑,如果把顶盖与筒体相连的部位设计成法兰螺栓连接,因其密封面大,工作温度高,介质具有腐蚀性,密封难以保证,会造成安全隐患;另一方面从经济的角度考虑,所使用的材料为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢,价格昂贵,如果增加一对容器大法兰则提高了容器的制造成本。所以决定筒体与顶盖采用焊接连接结构。由于入孔的直径较大,顶盖直径相对较小,且其上还开有其他接管,开入孔时,必须同时跨顶盖和筒体。

(二)顶盖厚度设计

1.按内压容器设计

反应釜上限工作压力为0.7MPa,设计压力取0.8MPa,腐蚀裕量取1mm,钢板负偏差取0.8mm,材料的许用应力为130MPa,按GB150—1998《钢制压力容器》设计出顶盖的厚度约为5mm。再按照设计方法,考虑到顶盖密集开孔的削弱和搅拌器等附件重量的影响,对顶盖进行整体补强设计,顶盖厚度圆整到8mm。

2.按外压容器设计

因为反应釜工作时可能出现负压,约为-0.077MPa,设计时必须考虑筒体的失稳现象,需按外压容器设计壁厚。夹套的上限工作压力为0.6MPa,设计外压取为0.7MPa。按外压容器设计出筒体的名义厚度为14mm,为取材一致和开孔补强,故将顶盖厚度取与筒体相同。同样,考虑顶盖密集开孔的削弱和搅拌器等附件重量的影响,顶盖厚度取16mm。根据分析,顶盖的名义厚度的设计值为16mm。

(三)顶盖的应力分析

由于顶盖所受的上限内压(0.7MPa)远大于其上限外压(0.1MPa),所以下面的分析只针对其承受上限高内压的工作状态进行分析。

1.盖的理论应力分析

顶盖为标准椭圆型封头,椭圆型封头的长轴a=500mm,短轴b=250mm,封头的名义厚度按照前面设计值Sn=16mm,按照无力矩理论给出顶盖的经向和环向应力分布曲线,如下图所示:

从上图可以看出,在距中心大约425mm处,环向应力等于0,该处是环向应力由拉应力改变为压应力的交界处,而顶盖开人孔位置正经此处。以上应力状况是针对不开孔的封头的。对此处曲率变化较大部位进行开孔,必使应力复杂化。为此对按常规设计得出的顶盖的壁厚提出了质疑。

(四)顶盖应力的有限元分析

1.模型的建立

由于搅拌器组件由多点支撑,而且在常规设计时考虑了机架、减速机和电机共同作用在顶盖上压力的影响和局部开孔的影响,对封头进行了整体补强设计,所以有限元建模时,为了简化分析,不考虑它们的影响,只考虑跨顶盖和筒体开人孔的复杂结构。由于结构具有对称性,所以取其1/2作为研究对象。筒体与接管长度的取值都大于2.5RT(R为接管与筒体半径,T为接管与筒体的厚度),筒体和封头的厚度取值为13.4mm(封头成型后的实际厚度减去腐蚀裕量),接管厚度为9mm。

2.材料特性

人孔接管、筒体和封头的材质均为0Cr18Ni9,上限设计压力为0.8MPa,上限工作压力为0.7MPa,设计温度为200℃,上限工作温度为180℃,腐蚀余量为1mm,其中设计温度下材料的弹性模量Et=1.84×105MPa,泊松比μ=0.27,许用应力[σ]t=130MPa。

3.载荷与边界条件的设置

在筒体底部的横截面上施加轴向固定约束,在对称面上施加对称约束,并在筒体底部横截面上一点(其坐标为(0,-475,513.4))约束X方向的位移,以防模型发生该方向的刚体运动。在封头、筒体及人孔筒节的内表面上施加内压载荷0.8MPa,在人孔筒节的外端面上施加等效应力9.1MPa。

不锈钢反应釜作为重要的化学反应容器。在新技术、新工艺、新设备和新材料的方面有着广泛的应用,同时又对化工设备的安装和使用提出了越来越高的要求,内层通过搅拌发生化学反应,能根据化学反应条件及对反应釜的结构和配置附件的设计,从反应开始进料到出料,并能根据不同工艺设计的要求,在各种压力(常压或负压)条件下进行搅拌反应。


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