CN105642189A - 一种高压有机玻璃反应釜及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压有机玻璃反应釜，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，所述端盖为不锈钢端盖，还提供了一种高压有机玻璃反应釜的设计方法，该方法根据实验的需求，确定反应釜的设计参数，再分别对筒体、端盖进行设计和分析计算，主要包括各设计参数、结构设计及强度校核计算，最后利用有限元软件对设计参数进行验证。本发明提供的这种高压有机玻璃反应釜，可用于天然气水合物合成与分解实验研究，为天然气水合物的合成与分解提供一种可视化实验装置。

Description

一种高压有机玻璃反应釜及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种用于天然气水合物合成与分解的实验装置，具体为一种高压有机玻璃反应釜及其设计方法。

背景技术

天然气水合物被公认为21世纪的重要后续能源，主要分布在海洋和冻土带，是一种洁净能源，是自然界中天然气存在的一种特殊形式，分布范围广、规模大、能量密度高、可燃烧。由于天然气水合物主要存在于海洋和冻土带，在开发和利用天然气水合物资源的过程中，海底的低温高压条件很适合水合物生成，出现水合物堵塞管道的问题，严重影响水合物的开发，甚至造成严重的事故。因此，研究天然气水合物的合成对开发和利用天然气水合物资源中的天然气有重要的意义。

天然气水合物合成与分解的实验研究，常采用不锈钢反应釜，不锈钢材料能承受水合物合成的介质条件和温压条件，但不能观察到水合物合成与分解的状态变化，不能实现实验的可视化。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种高压有机玻璃反应釜及其设计方法，可实现天然气水合物合成与分解过程的可视化研究，掌握水合物合成与分解的状态变化。

本发明采用技术方案如下：

本发明提供了一种高压有机玻璃反应釜，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。

进一步，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。

进一步，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。

进一步，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。

本发明还提供了一种高压有机玻璃反应釜的设计方法，该方法根据实验的需求，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，主要包括各设计参数、结构设计及强度校核计算。

进一步，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。

进一步，这种高压有机玻璃反应釜的设计方法，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。端盖的强度校核同步骤2。

步骤4，确定端盖的底部厚度δ_p及强度校核

计算公式为： ${\mathrm{\δ}}_p=D_c\sqrt{\frac{{\mathrm{Kp}}_c}{{\[\mathrm{\σ}\]}^t\mathrm{\φ}\mathrm{\η}}},$

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，

Σd_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， ${\mathrm{\σ}}_p=\frac{F_1}{A}=\frac{F/z}{{\mathrm{\πd}}_{2}h}\≤\[{\mathrm{\σ}}_p\];$

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， $\mathrm{\τ}=\frac{F_1}{A}=\frac{F/z}{{\mathrm{\πd}}_{1}b};$

内螺纹， $\mathrm{\τ}=\frac{F_1}{A}=\frac{F/z}{\mathrm{\π}DB};$

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， ${\mathrm{\σ}}_b=\frac{3Fh}{{\mathrm{\πDB}}^{2}z}$

外螺纹， ${\mathrm{\σ}}_b=\frac{3Fh}{{\mathrm{\πd}}_1{b}^{2}z}$

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 $f_v=\frac{f}{cos\mathrm{\β}};$

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：

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{{\mathrm{\πd}}_1^2/4-{\mathrm{\πd}}_0^2/4}\≤\[\mathrm{\σ}\]$

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。

本发明的有益效果：

本发明提供一种高压有机玻璃反应釜，可实现天然气水合物合成与分解过程的可视化研究，掌握水合物合成与分解的状态变化，为天然气水合物实验研究提供一种新方法；而一般高压反应釜由于反应釜材料为不锈钢材料，不透明，不能实现过程的可视化，因而不能观察到过程中的状态变化。能够实现过程的可视化是此高压有机玻璃反应釜优于一般高压反应釜之处。另外，本设计选用有机玻璃材料设计反应釜，属于非标准件的设计，无标准可查。此外，利用有限元软件对反应釜进行分析验证，得到本设计得到的高压有机玻璃反应釜满足实验要求，从而验证了本设计的可行性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明筒体结构示意图；

图3为本发明端盖结构示意图；

图中：1、筒体；2、上端盖；3、下端盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图3所示，为本发明的一种实施例，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，所述端盖为不锈钢端盖，筒体容积为300mL，取内径为60mm，筒体高度107mm，圆筒中部无螺纹部分，内径60mm、外径75.8mm，壁厚7.9mm，高度47mm，圆筒端部加螺纹部分，内径60mm，外径78mm，壁厚9mm，高度30×2，封头底部设计壁厚取12mm，平盖封头径向厚度取3mm，螺纹规格M78×2，即大径78mm，中径76.7mm，小径75.8mm，螺距2mm，工作高度1.1mm，外螺纹：牙底宽度1.5mm，牙顶宽度0.25mm；内螺纹牙底宽度1.75mm，牙顶宽度0.5mm。螺纹旋合长度N范围：9.5<N≤28mm，取有效旋合圈数13圈。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。

实施例各参数校验

以下皆按安全系数为1进行校验。

筒体强度校验：

内压圆筒厚度计算公式为：

公式适用条件：p≤0.4[σ]^tφ，K＝D_o/D_i≤1.5。

式中，[σ]^t——设计温度下材料的许用应力，有机玻璃，取[σ]^t＝55MPa；

D_i——圆筒内径，60mm；

p_c——计算压力，取设计压力12MPa；

φ——焊接接头系数，(此处无焊接接头，取φ＝1)；

代入数据得，圆筒的计算厚度设计厚度取7.9mm(对应圆筒端部的螺纹规格为M78×2：大径78mm，中径76.7mm，小径75.8mm)。

筒体中部尺寸：内径D_i＝60mm，外径D_o＝75.8mm，有效壁厚取δ_e＝7.9mm，筒体径比K＝D_o/D_i＝1.26(属厚壁圆筒)，计算压力p_c＝12MPa。

圆筒的计算应力为：

设计温度下的最大允许工作压力为：

代入数据得，σ^t＝51.57MPa，p_w＝12.80MPa。

圆筒上的计算应力为51.57MPa，小于材料许用应力55MPa，故筒体厚度设计符合要求。

封头强度校核：

按筒体外径78mm作为端盖的内径。可计算出端盖的径向厚度：

计算壁厚 $\mathrm{\&delta;}=\frac{p_c{D}_i}{2{\&lsqb;\mathrm{\&sigma;}\&rsqb;}^t\mathrm{\&phi;}-p_c}=\frac{12\&times;78}{2\&times;205-12}=2.35,$ 设计壁厚取3mm。

根据GB150-2011，查得平封头结构特征系数取K＝0.207。

根据GB150-2011，平盖开孔补强设计，最终确定圆形平盖的底部厚度δ_p计算公式为： ${\mathrm{\&delta;}}_p=D_c\sqrt{\frac{{\mathrm{Kp}}_c}{{\&lsqb;\mathrm{\&sigma;}\&rsqb;}^t\mathrm{\&phi;}\mathrm{\&eta;}}},$

其中，[σ]^t——设计温度下材料的许用应力，304不锈钢，取[σ]^t＝205MPa；

p_c——计算压力，取设计压力12MPa；

D_c——平盖计算直径，取反应釜筒体外径78mm；

φ——焊接接头系数，(此处无焊接接头，取φ＝1)；

η——开孔削弱系数，

Σd_i——沿径向截面上各开孔宽度总和，mm。

考虑上端盖实际应用中需要留有测温孔、进气孔、压力变送接孔，开孔内径最大值依次为12mm，8mm，12mm，计算得开孔削弱系数η＝0.59。

代入数据得， ${\mathrm{\&delta;}}_p=D_c\sqrt{\frac{{\mathrm{Kp}}_c}{{\&lsqb;\mathrm{\&sigma;}\&rsqb;}^t\mathrm{\&phi;}\mathrm{\&eta;}}}=78\&times;\sqrt{\frac{0.207\&times;12}{205\&times;1\&times;0.59}}=11.18mm,$ 设计厚度取12mm。

焊接系数为1时，强度校核公式：

代入数据得，端盖计算应力σ_eq＝177.88MPa，小于材料许用应力205MPa，故端盖厚度设计符合要求。

筒体与端盖螺纹连接强度校核：

螺纹参数：大径78mm，中径76.7mm，小径75.8mm，螺距2mm，工作高度1.1mm，牙底宽度：外螺纹1.5mm，内螺纹1.75mm，有效旋合圈数取13圈。

反应釜设计压力p＝12MPa，端盖受压面积A₀＝π30²＝900πmm²，故轴向载荷F＝pA₀＝10800πN＝33929N。

(1)螺纹副抗挤压计算

螺纹抗挤压时，挤压面为与轴向垂直的面，为等效面，即挤压面积A等效为沿螺纹中径的周长πd₂(或πD₂)与螺纹工作高度h的乘积，由于内、外螺纹的中径相同，故A＝πd₂h＝πD₂h。本设计中，内螺纹为端盖螺纹，外螺纹为筒体螺纹。

螺纹挤压强度σ_p校核公式：

外螺纹， ${\mathrm{\&sigma;}}_p=\frac{F_1}{A}=\frac{F/z}{{\mathrm{\&pi;d}}_{2}h}\&le;\&lsqb;{\mathrm{\&sigma;}}_p\&rsqb;;$

内螺纹， ${\mathrm{\&sigma;}}_p=\frac{F_1}{A}=\frac{F/z}{{\mathrm{\&pi;D}}_{2}h}\&le;\&lsqb;{\mathrm{\&sigma;}}_p\&rsqb;.$

其中，F为轴向挤压力，F＝33929N；

z为有效螺纹圈数，z＝13圈；

F₁为一圈螺纹平均所受的轴向力，F₁＝F/z＝2610N；

A为挤压面积，A＝πd₂h＝πD₂h；

h为螺纹工作高度，h＝1.1mm；

d₂为外螺纹中径，d₂＝76.7mm；

D₂为内螺纹中径，D₂＝76.7mm；

[σ_p]为材料许用挤压应力，有机玻璃材料，[σ_p]＝55MPa；304不锈钢材料，[σ_p]＝205MPa。

代入数据得，内、外螺纹挤压强度均为

一圈内螺纹承受最大挤压力为F_max＝πD₂h·[σ_p]＝π·76.7·1.1·205＝54337N；

一圈外螺纹承受最大挤压力为F_max＝πd₂h·[σ_p]＝π·76.7·1.1·55＝14578N。

按照有机玻璃材料决定最大挤压力，即一圈螺纹能承受的最大挤压力为14578N，大于实际轴向力2610N；且实际螺纹挤压强度为9.85MPa，小于材料许用挤压应力55MPa。故有效螺纹取13圈时，螺纹抗挤压能力符合要求。(根据计算的螺纹最大挤压力，螺纹圈数需≥3圈)13圈螺纹能承受的最大挤压力为14578×13＝189514N。

(2)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。本设计选用普通螺纹P＝2mm，此时，外螺纹b＝1.5mm，内螺纹B＝1.75mm。

螺纹剪切强度τ校核公式：

外螺纹， $\mathrm{\&tau;}=\frac{F_1}{A}=\frac{F/z}{{\mathrm{\&pi;d}}_{1}b}\&le;\&lsqb;\mathrm{\&tau;}\&rsqb;;$

内螺纹， $\mathrm{\&tau;}=\frac{F_1}{A}=\frac{F/z}{\mathrm{\&pi;}DB}\&le;\&lsqb;\mathrm{\&tau;}\&rsqb;.$

其中，F为轴向剪切力，F＝33929N；

z为有效螺纹圈数，z＝13圈；

F₁为一圈螺纹平均所受的轴向力，F₁＝F/z＝2610N；

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＝1.5mm；

B为内螺纹螺纹牙底宽度，B＝1.75mm；

d₁为外螺纹小径，d₁＝75.8mm；

D为内螺纹大径，D＝78mm；

[τ]为材料许用剪切应力，有机玻璃材料，[τ]＝55MPa；304不锈钢材料，[τ]＝0.6[σ]＝123MPa。

代入数据得，筒体剪切强度

端盖剪切强度 $\mathrm{\&tau;}=\frac{10800\mathrm{\&pi;}/13}{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;78\&CenterDot;1.75}=6.09MPa.$

一圈内螺纹承受的最大剪力F_max＝πDB·[τ]＝π·78·1.75·123＝52746N；

一圈外螺纹承受的最大剪力F_max＝πd₁b·[τ]＝π·75.8·1.5·55＝19646N。

按照筒体有机玻璃材料决定轴向最大剪力，即一圈螺纹能承受的最大剪力为19646N，大于实际轴向力2610N；且实际剪切强度小于对应材料的许用剪切应力。故有效螺纹取13圈时，螺纹抗剪切能力符合要求。(根据计算的螺纹最大剪力，螺纹圈数需≥2圈)13圈螺纹能承受的最大剪切力为19646×13＝255398N。

(3)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， ${\mathrm{\&sigma;}}_b=\frac{3Fh}{{\mathrm{\&pi;DB}}^{2}z}\&le;\&lsqb;{\mathrm{\&sigma;}}_b\&rsqb;$

外螺纹， ${\mathrm{\&sigma;}}_b=\frac{3Fh}{{\mathrm{\&pi;d}}_1{b}^{2}z}\&le;\&lsqb;{\mathrm{\&sigma;}}_b\&rsqb;$

其中，F为轴向力，F＝33929N；

z为有效螺纹圈数，z＝13圈；

F₁为一圈螺纹平均所受的轴向力，F₁＝F/z＝2610N；

[σ_b]为材料许用弯曲应力，有机玻璃材料，[σ_b]＝90MPa；304不锈钢材料，[σ_b]＝1～1.2[σ]＝205～246MPa。

代入数据得，内螺纹弯曲强度

外螺纹弯曲强度 ${\mathrm{\&sigma;}}_b=\frac{3\&CenterDot;10800\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;1.1}{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;75.8\&CenterDot;{1.5}^2\&CenterDot;13}=16.07MPa.$

一圈内螺纹承受的最大轴向力F_max＝πDB²·[σ_b]/3h＝46619N；

一圈外螺纹承受的最大轴向力F_max＝πd₁b²·[σ_b]/3h＝14613N。

按照筒体有机玻璃材料决定最大轴向力，即一圈螺纹能承受的最大轴向力为14613N，大于实际轴向力2610N；且实际弯曲强度小于对应材料的许用弯曲应力。故有效螺纹取13圈时，螺纹抗弯曲能力符合要求。(根据计算的螺纹最大轴向力，螺纹圈数需≥3圈)13圈螺纹能承受的最大轴向力为14613×13＝189969N。

(4)螺纹自锁性能校核：

为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于连接的紧固螺纹必须满足自锁条件，非矩形螺纹的自锁条件

其中，螺旋升角

当量摩擦角当量摩擦系数 $f_v=\frac{f}{cos\mathrm{\&beta;}};$

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。

代入数据得，

螺纹升角；

当量摩擦角

即螺纹满足自锁要求。

(5)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：

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{F}{{\mathrm{\&pi;d}}_1^2/4-{\mathrm{\&pi;d}}_0^2/4}\&le;\&lsqb;\mathrm{\&sigma;}\&rsqb;$

其中，F为轴向载荷，F＝pA＝10800πN＝33929N；

d₁为外螺纹小径，取75.8mm；

d₀为筒体内径，取60mm。

[σ]为材料许用拉伸应力，取有机玻璃，55MPa；

代入数据得，筒体的拉应力σ＝20MPa。

筒体承受最大拉力 $F_{max}=\&lsqb;\mathrm{\&sigma;}\&rsqb;\&CenterDot;({\mathrm{\&pi;d}}_1^2-{\mathrm{\&pi;d}}_0^2)/4=55\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;({75.8}^2-{60}^2)/4=92685N.$

筒体能承受的最大拉力为92685N，大于轴向载荷33929N；且实际拉应力为20MPa，小于材料许用拉应力55MPa。故螺栓强度符合要求。

综上，对一圈螺纹，实际承受轴向载荷2610N，即2.6KN。理论能承受的最大挤压力14578N，最大剪切力19646N，最大轴向力14613N，三者取最小，故螺纹能承受的最大拉力为14578N，即15KN。

对13圈螺纹，实际承受轴向载荷33929N，即34KN。理论能承受的最大挤压力189514N，最大剪切力255398N，最大轴向力189969N，三者取最小，故螺纹能承受的最大拉力为189514N，即190KN。

对螺杆(筒体)，实际承受轴向载荷33929N，即34KN，理论最大承受拉力92685N，即螺杆(筒体)能承受的最大拉力为93KN。

综合螺纹和螺杆的最大承受拉力，取最小，即满足螺纹和螺杆正常工作，能承受的最大拉力为93KN。

3、有限元软件验证

采用ABAQUS有限元分析软件对上述设计得到的反应釜进行强度分析，得到反应釜各结构的强度满足要求。具体如下：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

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。

2.根据权利要求1所述的一种高压有机玻璃反应釜，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的一种高压有机玻璃反应釜，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的一种高压有机玻璃反应釜，其特征在于：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。

5.一种设计权利要求1～4任一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。

6.根据权利要求5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。

7.根据权利要求5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，

Σd_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。