[发明专利]一种高压有机玻璃反应釜及其设计方法

权利要求书

1.一种高压有机玻璃反应釜，其特征在于：包括筒体、通过螺纹连接在所述筒体上下两端的端盖，所述筒体为有机玻璃筒体，所述端盖包括一体设置的圆形平盖及平盖封头，所述圆形平盖的厚取为12mm，所述平盖封头厚度为3mm，所述端盖为不锈钢端盖，所述筒体与所述端盖连接处螺纹的高度均设置为30mm，所述筒体的内直径为60mm、高度为107mm，筒体中部无螺纹部分壁厚为7.9mm，筒体端部加螺纹部分壁厚为9mm，所述螺纹包括外螺纹和内螺纹，所述螺纹的外直径为78mm、中直径为76.7mm、内直径为75.8mm、螺距为2mm、工作高度为1.1mm，所述外螺纹牙底宽度为1.5mm、牙顶宽度为0.25mm，所述内螺纹牙底宽度为1.75mm、牙顶宽度为0.5mm，螺纹圈数为15圈，有效旋合圈数为13圈。

2.一种设计权利要求1所述的高压有机玻璃反应釜的方法，其特征在于：该方法根据实验的需求，首先确定反应釜的设计参数，再分别对筒体、端盖及筒体与端盖的螺纹连接进行设计和分析计算，包括设计参数、结构设计及强度校核计算。

3.根据权利要求2所述的一种高压有机玻璃反应釜的设计方法，其特征在于：反应釜的设计参数如下：

设计容积：300mL；

高径比：1～2；

设计温度：-5～50℃；

设计压力：12MPa；

工作压力：10MPa；

工作温度：0～30℃；

工作介质：去离子水、天然气；

主体材质：304不锈钢、PMMA。

4.根据权利要求2所述的一种高压有机玻璃反应釜的设计方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

步骤1，确定反应釜筒体内径和高度

根据高径比和容积，选取一初始内径D_i，根据V＝πD_i²H/4，得到高度H；

步骤2，确定筒体的厚度及强度校核

内压筒体厚度计算公式为：

式中，[σ]^t——设计温度下材料的许用应力；

D_i——圆筒内径；

p_c——计算压力，取12MPa；

φ——焊接接头系数，此处无焊接接头，取φ＝1；

代入数据得，得出筒体计算厚度δ；

将筒体计算厚度圆整，得到有效厚度δ_e；

圆筒的强度校核为：

步骤3，确定端盖的径向厚度及强度校核

端盖的厚度计算公式为：

式中，[σ]^t——设计温度下材料的许用应力；

D_c——圆筒外径，D_c＝D_i+2δ_e；

其他各参数指代同步骤1，带入数据，将结果圆整，得出端盖的径向厚度；

步骤4，确定端盖的底部厚度δ_p及强度校核

计算公式为：

其中，K——平封头结构特征系数，可查表得到；

D_c——筒体外径；

η——开孔削弱系数，

∑d_i——沿径向截面上各开孔宽度总和；

其他参数指代同步骤1，代入数据得端盖的底部厚度并将其圆整得δ_p；

端盖的强度校核为：

步骤5，螺纹挤压强度校核

螺纹挤压强度σ_p校核公式：

内外螺纹均为，

其中，F为轴向挤压力；

z为有效螺纹圈数；

F₁为一圈螺纹平均所受的轴向力，F₁＝F/z；＝

A为挤压面积，A＝πd₂h＝πD₂h；

h为螺纹工作高度；

d₂为外螺纹中径；

D₂为内螺纹中径；

步骤6，螺纹抗剪切强度校核

抗剪切部位为螺纹的根部，其中内螺纹为螺纹大径处，外螺纹为螺纹小径处； 内螺纹剪切面面积为πDB，外螺纹剪切面面积πd₁b，其中，B、b分别为内、外螺纹牙底宽度；

螺纹剪切强度τ校核公式：

外螺纹，

内螺纹，

其中，F为轴向剪切力；

z为有效螺纹圈数；

F₁为一圈螺纹平均所受的轴向力，F₁＝F/z；＝

A为剪切面积，内螺纹A＝πDB，外螺纹A＝πd₁b；

b为外螺纹螺纹牙底宽度；

B为内螺纹螺纹牙底宽度；

d₁为外螺纹小径；

D为内螺纹大径；

步骤7，螺纹抗弯曲强度校核

抗弯曲危险截面为螺纹牙根部，螺纹弯曲强度σ_b校核公式：

内螺纹，

外螺纹，

其中，F为轴向力；

z为有效螺纹圈数；

F₁为一圈螺纹平均所受的轴向力，F₁＝F/z；＝

步骤8，螺纹自锁性判定

自锁性要求：

螺旋升角

当量摩擦角当量摩擦系数

f——螺旋副的滑动摩擦系数，无量纲，定期润滑条件下，可取0.13～0.17；β——牙侧角，为牙型角α的一半，β＝α/2；

n——螺纹螺旋线数，为便于制造，一般n≤4，这里取n＝1；

步骤9，螺杆强度校核

筒体与端盖的连接不考虑预紧力，只考虑轴向载荷，对于只受轴向载荷的空心筒体螺栓连接，螺栓所受拉应力为：

其中，F为轴向载荷；

d₁为外螺纹小径；

d₀为筒体内径；

步骤10，基于步骤1-9计算的各类参数设计筒体和端盖，最后将筒体和端盖通过螺纹拧和到一起，得到高压有机玻璃反应釜；

步骤11，利用有限元软件对高压有机玻璃反应釜进行参数、强度验证。