三氯化磷氯化釜的设计.docx
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三氯化磷氯化釜的设计
三氯化磷氯化釜的设计
姓名:
彭媛媛
学号:
2014221106200135
指导老师:
王治国
前言
带搅拌的夹套反应釜是化学、医药及食品等工业中常用的典型反应设备之一。
它是一种在一定压力和温度下,借助搅拌器将一定容积的两种(或多种)液体以及液体与固体或气体物料混匀,促进其反应的设备。
一台带搅拌的夹套反应釜。
它主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。
搅拌容器分罐体和夹套两部分,主要由封头和筒体组成,多为中、低压压力容器;搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成,其形式通常由工艺设计而定;传动装置是为带动搅拌装置设置的,主要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成;封头装置为动密封;它们与支座、人孔、工艺接管等附件一起,构成完整的夹套反应釜。
磷化工业是70年代以来迅速发展起来的新兴化工产业,以三氯化磷为原材料的的磷系列产品成为我国农药开发和生产的主导工业,据统计,我国磷化合物农药的总产量分别占我国当年化学农药总产量的65.5%和73.7%。
由于有机磷农药具有高效低毒及广谱性等优点,经济效益和社会效益都比较明显,深受广大农民欢迎,其中以三氯化磷为原料的有机磷化物农药就站42种之多,如甲胺磷,敌敌畏和敌百虫等,由此可见,三氯化磷是合成有机磷化物农药的重要原材料,优化三氯化磷的生产工艺,生产出合格的三氯化磷具有重要意义。
夹套反应釜设计任务书
简图与说明
比例
设计参数及要求
容器内
夹套内
工作压力/MPa
0.3
0.4
设计压力/Mpa
0.6
0.7
工作温度/℃
85
85
设计温度/℃
≤100
≤100
介质
三氯化磷,磷混液和氯气
循环水
全容积/m3
1.83
操作容积/m3
1.1
传热容积/m3
4.5
腐蚀情况
中度腐蚀
推荐材料
Q235-B
搅拌器形式
框式
搅拌轴转速/﹙r/min﹚
960
轴功率/Kw
4
夹套反应釜各部分结构尺寸的确定和设计计算
罐体几何尺寸的计算
确定筒体内径
由工艺条件给出的条件有:
全容积V=1.83m3,操作面积V1=1.1m3,传热面积F=4.5㎡,常用的釜体形式为圆筒形,常用的封头形式为椭圆形
一般由工艺条件给定容积V、筒体内径D1按式1估算:
m式1
式中V——工艺条件给定容积,m3;
i——长径比,
,对气-液相类型选取i=1.4(见表1)
将D1估算值圆整到公称直径系列,参考文献二附表D-1,取D1=1200m。
表1
种类
设备内物料类型
I
一般搅拌釜
液-固相或液-液相物料
1~1.3
气-液相物料
1~2
发酵罐类
1.7~2.5
查文献二附表D-1可知,当D1=1200m时,反应釜一米高的容积V1m=1.131m3,罐体一米高内表面积F1m=3.77㎡,釜体封头容积V1封=0.2545m3,罐体封头表面积F1封=1.6552㎡,椭圆封头总深度H=325mm,直边高度h1=25mm
2.2.3确定筒体高度H1
反应釜容积V通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。
则筒体高度H1按下式计算并进行圆整。
式2
式中V1封——封头容积(见文献二附表D-2),m3;
V1m——1米高筒体容积(见文献二附表D-1),m2。
当筒体高度确定后,应按圆整后的筒体高度修正实际容积,则圆整后的釜体高度H1=1400mm
。
罐体的实际容积
式3
2.3夹套的几何尺寸计算
夹套和筒体的连接常焊接成封闭结构。
夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。
夹套的内径D2可根据筒体内径D1选取D2=D1+100=1300mm(见表2)
表2夹套直径D2mm
D1
500~600
700~1800
2000~3000
D2
D1+50
D1+100
D1+200
夹套下封头型式同罐体封头,其直径D2与夹套筒体相同。
夹套高H2由传热面积决定,不能低于料液高。
由于物料在反应过程中产生泡沫,呈沸腾状态,取装料系数
取0.6。
夹套高H2按下式估算:
式4
夹套所包围的罐体的表面积(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
式5
式中F筒——筒体表面积,F筒=H2×F1m=0.8×3.77=3.016㎡
F封——封头表面积(见附表2),F封=1.6552㎡
F1m——1m高内表面积(见附表1),㎡/m,F=F封+F筒=3.016+1.6552=4.6712≥4.5满足要求。
当筒体与上封头用法兰连接时,常采用甲型平焊法兰连接,这是压力容器法兰中的一种,甲型平焊法兰密封面结构常用平密封面和凹凸密封面两种。
2.4夹套反应釜的强度计算
2.4.1强度计算的原则及依据
强度计算应考虑以下几种情况。
(1)圆筒内为常压外带夹套时:
当圆筒的公称直径DN≥600㎜时,被夹套包围部分的筒体按外压(指夹套压力)圆筒设计,其余部分按常压设计;
(2)圆筒内为真空外带夹套时:
当圆筒的公称直径DN≥600㎜时,被夹套包围部分的筒体按外压(指夹套压力+0.1MPa)圆筒设计,其余部分按真空设计;
当圆筒的公称直径DN≤600㎜时,全部筒体按外压(指夹套压力+0.1MPa)圆筒设计;
(3)圆筒内为正压外带夹套时:
当圆筒体的公称直径DN≥600㎜时,被夹套包围部分的筒体分别按内压圆筒和外压圆筒计算,取其中较大值;其余部分按内压圆筒设计。
当圆筒的公称直径DN≤600㎜时,全部筒体按内压圆筒和外压圆筒计算,取其中最大值。
2.4.2按内压对筒体和封头进行强度计算
由工艺条件给定罐体内设计压力p1=0.6MPa,夹套内设计压力p2=0.7MPa,罐体内设计温度t1=100℃,夹套内设计温度t2=100℃,由于夹套内的介质是冷却水,对材料只有轻微腐蚀,故推荐使用的设备材料为Q235-B,根据文献一表9-4或9-5选取得Q235-B在设计温度为100℃时的许用应力
=113MPa,从安全上考虑,夹套上所有焊缝均取焊缝系数
=0.85,取壁厚附加量中的钢板厚度负偏差C1=0.6mm,单面腐蚀取腐蚀裕量C2=1mm。
液柱静压力p1H=10-6ρgh=10-6×9.8×1000×1.4=0.0137MPa
计算压力p1c=p1+p1h=0.3+0.0147=0.6137MPa
计算压力p2c=p2=0.7
罐体筒体计算厚度
夹套筒体计算厚
罐体封头计算厚度
夹套封头计算厚度
厚度附加量C=C1+C2=0.6+1.0=1.6
最小厚度δmin需满足:
δmin-δ1>C1,δmin-δ1’>C1,δmin-δ2>C1,δmin-δ2’>C1,故取δmin=6
罐体筒体设计厚度δ1d=δ+C2=6+1=7mm
夹套筒体设计厚度δ2d=δ+C2=6+1=7mm
罐体封头设计厚度δ/1d=δ+C2=6+1=7mm
夹套封头设计厚度δ/2d=δ+C2=6+1=7mm
罐体筒体名义厚度δ1n=δ1d=7mm
夹套筒体名义厚度δ/1n=δ/1d=7mm
罐体筒体名义厚度δ2n=δ2d=7mm
罐体筒体名义厚度δ/2n=δ/2d=7mm
2.4.3按外压对筒体和封头进行强度校核
罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C=7-1.6=5.4mm
罐体筒体外径D1O=D1+2δ1n=1200+2×7=1214mm
筒体计算长度L=H2+1/3(H-h)=800+1/3×(325-25)=900mm
系数L/D1O=900/1214=0.741
系数D1O/δ1e=1214/5.4=224.8
根据这两个系数查考文献一第十一章图11-5得系数A≈0.00055,再根据系数A和反应釜设计温度查考文献一第十一章图11-8得系数B≈78MPa
许用外压力
<0.7MPa,故需重新假设罐体筒体名义厚度
罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C=12-1.8=10.2mm
罐体筒体外径D1O=D1+2δ1n=1200+2×12=1224mm
筒体计算长度L=H2+1/3(H-h)=1100+1/3×(325-25)=900mm
系数L/D1O=900/1224=0.735
系数D1O/δ1e=1224/10.2=120
根据这两个系数查考文献一第十一章图11-5得系数A≈0.0015,再根据系数A和反应釜设计温度查考文献一第十一章图11-8得系数B≈130MPa
许用外压力
>0.7MPa,故罐体筒体名义厚度确定为δ1n=12mm
罐体封头有效厚度δ/1e=δ/1n-C=12-1.8=10.2mm
罐体封头外径D/1O=D/1+2δ/1n=1200+2×12=1224mm
标准椭圆封头当量球壳外半径R/1O=0.9D/1O=0.9×1224=1101.6mm
系数
根据系数A和反应釜设计温度查考文献一第十一章图11-8得系数B≈120MPa
许用外压力
﹥0.7MPa,故罐体封头名义厚度确定为δ/1n=12mm
罐体封头最小厚度δmin=0.15%D1=0.15%×1200=1.8≤δ1e成立,满足要求
2.4.4水压实验校核计算
由文献一可知当设计温度<200℃时,
≈
,已知材料的屈服点应力σs值为235MPa,σt≤0.9Φσs,故σt=179.8MPa
罐体实验压力
夹套水压实验压力
罐体圆筒应力
<179.8MPa成立
夹套内压实验应力
<179.8MPa成立
计算参数一览表
确定几何尺寸
步骤
项目及代号
参数及结果
备注
1-1
1-2
1-3
1-4
1-5
1-6
1-7
1-8
1-9
1-10
1-11
1-12
1-13
1-14
1-15
1-16
1-17
1-18
1-19
1-20
全容积V,m3
操作面积V1,m3
传热面积F,㎡
釜体形式
封头形式
长径比
初算筒体内径,m
圆整筒体内径D1,㎜
一米高的容积V1m,m3
釜体封头容积V1封,m3
釜体高度H1=(V—V1封)/V1m,m
圆整釜体高度H1,mm
实际容积V=V1m×H1+V1封,m3
夹套筒体内径D2,mm
装料系数η=V操/V或按η=0.6~0.85选取
夹套筒体高度H2≥(ηV-V1封)/V1m,m
圆整夹套筒体高度H2,mm
罐体封头表面积F1封,m2
一米高筒体内表面积F1m,m2
实际总传热面积F=F1m×H2+F1封,m2
1.83
1.1
4.5
圆筒形
椭圆形
1.4
1.185
1200
1.131
0.2545
1.393
1400
1.8379
1300
0.6
0.746
800
1.6552
3.77
4.6712>4.5
由工艺条件决定
由工艺条件决定
由工艺条件决定
常用结构
常用结构
按表1选取
按式1选取
按附表1选取
按附表1选取
按附表2选取
按式2计算
选取
按式3计算
按表2选取
计算或选取
按式4计算
选取
按附表2选取
按附表1选取
按式5校核
强度计算(按内压计算罐体及夹套厚度)
步骤
项目及代号
参数及结果
备注
2-1
2-2
2-3
2-4
2-5
2-6
2-7
2-8
2-9
2-10
2-11
2-12
2-13
2-14
2-15
2-16
2-17
2-18
2-19
2-20
2-21
2-22
2-23
2-24
2-25
2-26
2-27
设备材料
设计压力(罐体内)p1,MPa
设计压力(夹套内)p2,MPa
设计温度(罐体内)t1,℃
设计温度(夹套内)t2,℃
液柱静压力p1H=10-6ρgh,MPa
计算压力p1c=p1+p1h,MPa
液柱静压力p2H,MPa
计算压力p2c=p2
罐体及夹套焊接接头系数φ
设计温度下材料许用应力[σ]t,MPa
罐体筒体计算厚度δ₁,mm
夹套筒体计算厚δ₂,mm
罐体封头计算厚度δ₁',mm
夹套封头计算厚度δ₂',mm
钢板厚度负偏差C1,mm
腐蚀裕量C2,mm
厚度附加量C=C1+C2
取最小厚度δmin作为计算厚度δ,mm
罐体筒体设计厚度δ1d=δ+C₂,mm
夹套筒体设计厚度δ2d=δ+C₂,mm
罐体封头设计厚度δ'1d=δ+C₂,mm
夹套封头设计厚度δ'2d=δ+C₂,mm
罐体筒体名义厚度δ1n=δ1d,mm
夹套筒体名义厚度δ2n,mm
罐体封头名义厚度δ'1n,mm
夹套封头名义厚度δ'2n,mm
Q235-B
0.6
0.7
≤100
≤100
0.0137
0.6137
0
0.7
0.85
113
3.846
4.754
3.840
4.746
0.6
1.0
1.6
6
7
7
7
7
7
7
7
7
据工艺条件或腐蚀情况确定
由工艺条件给定
由工艺条件给定
由工艺条件给定
由工艺条件给定
按参考文献1第八章计算
计算
忽略
计算
那参考文献1表9-6选取
按参考文献1表9-4或9-5选取
按参考文献1第九章计算
按参考文献1第九章计算
按参考文献1第十章计算
按参考文献1第十章计算
按钢板厚度7mm选取
按单面腐蚀
计算
选取
按参考文献1第九章计算
按参考文献1第九章计算
按参考文献1第十章计算
按参考文献1第十章计算
圆整选取
圆整选取
圆整选取
圆整选取
稳定性校核(按外压校核罐体厚度)
序号
项目及代号
参数及结果
备注
3-1
3-2
3-3
3-4
3-5
3-6
3-7
3-8
3-9
3-10
3-11
3-12
3-13
3-14
3-15
3-16
3-17
3-18
3-19
3-20
3-21
3-22
3-23
3-24
3-25
3-26
3-27
-28
3-29
罐体筒体名义厚度δ1n,mm
厚度附加量C=C1+C2
罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C,mm
罐体筒体外径DO=D1+2δ1n,mm
筒体计算长度L=H2+1/3h1,mm
系数L/D1O
系数DO/δ1e
系数A
系数B
许用外压力
罐体筒体名义厚度δ1n,mm
厚度附加量C=C1+C2
罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C,mm
罐体筒体外径D1O=D1+2δ1n,mm
筒体计算长度L=H2+1/3h1,mm
系数L/D1O
系数D1O/δ1e
系数A
系数B
许用外压力
封头名义厚度δ/1n,mm
厚度附加量C=C1+C2
罐体封头有效厚度δ/1e=δ/1n-C,mm
罐体封头外径D/1O=D/1+2δ/1n,mm
标准椭圆封头当量球壳外半径R/1O=0.9D/1O,mm
系数
系数B
许用外压力
罐体封头名义厚度δ/1n,mm
7
1.6
5.4
1214
900
0.741
224.8
0.0008
110
0.49<0.7
12
1.8
10.2
1224
900
0.735
120
0.002
140
1.17>0.7
12
1.8
10.2
1224
1101.6
0.001
120
1.1
1.8
假设
按参考文献1表9-10选取
按参考文献1第十一章计算
按参考文献1第十一章计算
按参考文献1第十一章计算
按参考文献1第十一章计算
按参考文献1第十一章计算
查参考文献1图11-5
查参考文献1图11-8
按参考文献1第十一章计算,失稳,重设名义厚度δ
假设
按参考文献1表9-10选取
按参考文献1第十一章计算
按参考文献1第十一章计算
按参考文献1第十一章计算
按参考文献1第十一章计算
按参考文献1第十一章计算
查参考文献1图11-5
查参考文献1图11-8
按参考文献1第十一章计算,满足要求
假设
按参考文献1第九章计算
按参考文献1第九章计算
按参考文献1第十一章计算
按参考文献1第十一章计算
按参考文献1第十一章计算
查参考文献1图11-8选取
按参考文献1第十一章计算稳定
确定
水压实验校核
序号
项目及代号
参数及结果
备注
4-1
4-2
4-3
4-4
4-5
4-6
罐体实验压力
夹套水压实验压力
材料屈服点应力σS,MPa
σT≤0.9ΦσS,MPa
罐体圆筒应力
夹套内压实验应力
0.75
0.88
235
179.8
44.49<179.8
56.2<179.8
按参考文献1第九章计算
按参考文献1第九章计算
按参考文献1第九章计算
按参考文献1第九章计算
按参考文献1第九章计算
按参考文献1第九章计算
表14V带轮的设计计算内容和步骤
步骤
设计项目
单位
公式及数据
备注
1
传动的额定功率P
KW
4(8极电机Y132M1—6)
已知电机功率
2
小皮带轮转速n1
r/min
960
已知电机转速
3
大皮带轮转速n2
r/min
205
已知搅拌机转速
4
工况系数KA
1.3
由参考文献1表13-3选出
5
设计功率Pd
kW
Pd=KA×P=1.3×4=5.2
计算
6
选V带型号
根据Pd和n1选取A型带
根据参考文献1图13-11选取
7
速比I
计算
8
小皮带轮计算直径d1
mm
120
按参考文献1表13-2初选
9
验算带速v
m/s
10
滑动率ε
0.0033
选取
11
大皮带轮计算转速dz
mm
D2=iD1=561.6
圆整,取d2=560
计算后按参考文献1表13-4圆整
12
初定中心距a0
mm
0.7(d1+d2) 0.7(120+560) 476 可根据结构要求定 13 带的基准长度Ld0 mm 圆整取Ld=2500 计算后按参考文献1表13-1圆整 14 确定中心距a 确定安装V带时所需最小中 心距amin和最大中心距amax mm amin=a-0.015Ld=644.15 amax=a+0.03Ld=756.65 15 小皮带轮包角α1 (º) 16 单根V带额定功率P1 kW 1.3 由参考文献1表13-7选取 17 i≠1时,单根V带额定功率增量△P1 kW 0.11 由参考文献1表13-8选取 18 包角修正系数K0 0.91 由参考文献1表13-5选取 19 带长修正系数KL 1.09 由参考文献1表13-6选取 20 V带根数z 取z=4 计算后圆整
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