反应釜结构尺寸的计算机辅助设计

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 反应釜结构尺寸的计算机辅助设计 于　颖3 　史益强　关　琦　王志祥 (中国药科大学化工原理教研室) 　　　摘　要　运用VB 语言, 编制了反应釜结构设计中相关设计参数和系数的自动查取 程序, 以及反应釜结构尺寸的计算机辅助设计计算程序, 使反应釜的结构设计简单、 易行, 避免了设计过程中繁琐、重复的劳动。 　　　关键词　反应釜　结构尺寸　计算机辅助设计 　　搅拌设备广泛应用于化工、医药、农药及 染料等行业。由于其操作条件的可控范围较广, 又能适用多样化的生产, 应用越来越广泛。搅 拌式反应釜是一种典型的搅拌反应设备, 由于 过程换热的需要, 在一般情况下设备设有夹套 及蛇管, 以满足传热要求。 　　釜体的设计是结构设计的第一步, 其包括 反应釜的体积、直径及高度设计; 夹套的体积、 直径及高度设计; 釜体及夹套的壁厚设计。尽 管其结构设计本身并不复杂, 但当涉及到外压 计算时, 设计者要做大量的重复、繁琐的查取 数据、重复计算及反复试算的工作, 设计效率 较低。这种方法已不能适应设计及使用单位对 产品设计质量及设计周期的要求, 且相关报道 几乎没有。所以本文尝试用计算机对其进行辅 助设计计算。 1　设计方法 　　111　反应釜容积、内径及高度的设计 　　反应釜釜体的主要部分是容器, 其筒体部 分为圆柱形; 筒体的内径D i 和高度H 是首先 要设计的内容, 其值取决于工艺要求, 其中设 备容积V 为主要决定参数; 而设备的容积通常 是由生产能力、装料系数等工艺参数确定。通 常情况下, 可用式 (1)、式 (2)及式 (3)求得。 V = V 0öΓ (1) D i≈ 4VΠHD 13 (2) V = V - V h V 1 (3) 且 V = V b+ V h 式中　V 0——操作容积, m 3Γ——投料系数 V ——设备容积, m 3 V b——设备筒体部分的容积, m 3 V h——封头的容积, m 3 V 1——筒体每 1m 高的容积, m 3 　　112　反应釜釜体及夹套的壁厚设计 　　通常情况下反应釜都存在着换热的需要。 最常见的是夹套式反应釜, 其结构简单, 能起 到一定的换热效果。反应釜夹套的直径及高度 一般由筒体的直径及高度按经验而定。由 于夹套内流体往往具有一定的压力, 计算釜体 及其封头壁厚时, 需同时考虑承受内、外压力 的情况。通常是先按式 (4)进行釜体及夹套壁3 于　颖, 女, 1968 年 10 月生, 工学硕士, 讲师。南京市, 210009。 03 反应釜结构尺寸的计算机辅助设计 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 厚的内压计算, 再按外压进行校核。若[P ]> P (其中[P ]= B (∆eöD o) ) , 且二者相接近, 说明按 内压设计计算的壁厚合理; 否则, 需重新进行壁 厚的假设、试算, 直至满足要求为止。然后, 取 按内、外压设计所得壁厚大值为筒体的壁厚。∆n= PD i2 [Ρ] tΥ+ C + ∃ (4) 　　这个设计及校核的过程, 中间涉及了很多 相关参数的查取和反复试算, 较为繁琐。本软 件根据需要, 编制了相应的计算机程序进行相 关参数的数据处理, 实现参数自动查取及计算 机辅助设计计算。 2　解决 　　 (1) 建立了相应的数据文件, 例如: ①公 称直径为 300mm～ 4000mm 椭圆形、球形及碟 形封头高度、直边高度、内表面积及容积的数 据; ②不同材料的B 值曲线基点数据; ③不同 温度下的各材料的许用应力值及钢板的负偏差 值等; 并编制了相应的程序, 实现这些参数的 自动查取。 　　 (2) 对外压校核所需系数A 、B 的图表进 行数据采集及处理。 　　① A 值实质上是临界应变, 可由式 (5)、 (6)计算而得。 Εcr= 111 ∆eD o 2 (5)Εcr= 113 (∆eöD o) 115L öD o (6) 式中　Εcr——临界应变 D o——釜体外径, mm L ——釜体的计算长度, mm∆e——釜体的有效壁厚, mm 　　② B 值曲线是一组二维曲线。由图 1 可 知, 其值由温度参数及A 值查出。本文把B 值 曲线分两部分来处理: 　　a) 当B 处于直线段时, 先根据温度, 用差 值法计算出对应的弹性模量E , 然后由式 (7)计 算得B 值。 图 1　外压圆筒和球壳厚度计算图 (16M nR ) B = 2 3 EA (7) 　　b) 当B 值处于曲线段时, 建立不同温度下 的B 值基点数据文件, 利用文献[ 5 ]所介绍的 双差值法, 编制相应的程序, 来实现B 参数的 自动查取。在B 值曲线基点数据输入准确的情 况下, 其精确度明显高于人工查取。 　　 (3) 本设计使用VB 进行编程, 使用户具 有一个良好的操作界面。在输入必要的工艺设 计参数, 如釜体及夹套的设计温度、设计压力、 釜体及夹套内介质、筒体及封头材料、反应釜 的年生产能力、装料系数及封头型式选择后, 即 可进行相关参数及系数的自动查取, 并进行结 构尺寸设计, 显示并输出设计结果。设计计算 图如图 2 所示。 3　算例 　　为某厂设计环氧乙烷反应生成聚醚搅拌反 应釜。反应釜的生产能力为 4800 töa, 年开工天 数为 300d, 生产周期为间歇操作, 每 8h 投料一 次; 釜内最高工作压力为 115M Pa, 操作温度为 120℃; 在反应开始时, 通过夹套加入蒸汽将装 置加热到 120℃左右; 由于壁厚传热等因素, 拟 用 150℃的饱和蒸汽加热, 其饱和蒸汽压力约 为 015M Pa; 装料系数取 017。 13《化工装备技术》第 24 卷 第 4 期 2003 年 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　当输入以上工艺参数后, 封头型式选为椭 圆形, 釜体材料选用 16M nR , 夹套材料选用 Q 235。利用本软件进行结构设计计算的结果如 表 1 所示。 　表 1 　　结构设计计算结果 项目 计算结果 反应釜容积V öm 3 11 高度H ömm 釜体夹套 28002100 直径D ömm 釜体夹套 20002200 长径比H öD 114 釜体名义壁厚 ∆ömm 筒体: 内压　　　外压封头: 内压 　　　外压 13 21 14 16 夹套名义壁厚 ∆ömm 筒体封头 89 夹套的传热面积 F öm 2 17161 4　结论 　　 (1) 本文编制相应的计算程序, 能实现反 应釜设计参数的自动查取。如 (a) 常用材料不 同温度下的许用应力值的查取; (b) 直径在 300mm～ 4000mm 的椭球形封头、球形及碟形 封头的直边高度、封头高度、封头体积及表面 积查取; (c) 外压设计参数A 、B 值的查取等。 这些参数的自动查取保证了反应釜结构的计算 机辅助设计计算得以实现。此外, 本程序同样 适应于其它受压设备的相同参数的自动查取。 　　 (2) 本软件以VB 为手段, 实现了反应釜 釜体及夹套部分结构尺寸的计算机辅助设计计 算, 操作方法简单、明了、实用, 所得设计结 果经实践验证可行。 　　本程序稍加修改, 即可用于其它受压设备 结构的设计。 参　考　文　献 　1　朱思明, 汤善莆. 化工设备机械基础. 上海: 华东理工 大学出版社, 1994. 　2　李罡. V isual Basic 510 编程实例详解. 北京: 电子工业 出版社, 1998. 　3　陈允中, 汪霞倩. 搅拌设备的设计与计算. 石油化工设 备技术, 1997, 18 (6) : 13～ 21 　4　彭兰平, 段光复. 大功率高黏度搅拌设备换代设计. 石 油化工设备, 1998, 27 (4) : 33～ 36 　5　於孝春等. CAD 中三维线图的处理. 南京: 南京化工大 学学报, 1995, 17 (2) (收稿日期: 2002212228) 23 反应釜结构尺寸的计算机辅助设计