夹套反应釜课程设计Word文档格式.docx

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传热面积，m³

7

腐蚀情况

微弱

推荐材料

不锈钢

搅拌器型式

桨式

搅拌速度，r/min

轴功率，kW

1.4~1.5，防爆

1.1.1.设计方案的分析和拟定

设计依据是工艺提出的要求和条件，一个夹套反应釜主要由罐体、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、法兰、支座、人孔手孔、设备接口等一些附件构成。

根据任务说明书的要求本次设计搅拌器为浆式搅拌器；

由于填料轴封结构简单，易于制造的特点，应用较为广泛，所以轴封采用填料轴封。

按照以下内容及步骤进行夹套反应釜的机械设计。

（1）总体结构设计根据工艺要求并考虑制造、安装和维护检修的方便来确定各部分结构形式。

（2）容器的设计主要内容有：

①根据工艺参数确定各部分几何尺寸；

②考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体和夹套材料；

③对罐体、夹套等进行强度和稳定性计算、校核。

（3）搅拌器的设计根据搅拌器类型确定相关位置和尺寸。

（4）传动系统设计包括选择电机、确定传动类型、选择联轴器等。

（5）选择轴封决定并选择轴封类型及有关零部件。

（6）绘图包括装配图、部件图和零件图。

（7）编制技术要求提出制造、装配、检验和试车等方面的要求。

2.罐体和夹套的设计

夹套式反应釜是由罐体和夹套两大部分组成。

罐体为物料的搅拌过程提供了一定的空间，夹套传热是一种应用最普遍的外部传热方式。

2.1.罐体和夹套的结构设计

罐体采用立式圆筒形容器，有顶盖、筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。

顶盖在受压状态下操作常选用椭圆形封头，顶盖与罐体分别于筒体相连。

罐底与筒体的连接采用焊接连接，为了方便拆卸，做成法兰连接顶盖和筒体，夹套的型式与罐体相同。

2.2.罐体几何尺寸计算

2.2.1.确定筒体内径

根据D1≈

估算内径；

式中V——工艺条件给定容积，m3;

i——长径比，

（按物料类型选取，见表2-1）

表2-1几种搅拌釜的长径比i值

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

依题意，可取i=1.1，已知全容积V=2.5m3，则D1=1.425m,圆整到公称直径为D1=1400mm。

2.2.2.确定封头尺寸

标准椭圆封头其内径与筒体内径相同，即DN=D1=1400mm.

查筒体和封头数据表得到：

曲边高度h1=350mm，直边高度h2=25mm，容积V封=0.3977m3，1m高筒体容积V1m=1.539m3/m。

2.2.3.确定筒体高度H1

筒体高度H1可按式子H1=（V-V封）/V1m计算，即H1=（2.5-0.3977）/1.539=1.366m，经圆整后得H1=1400mm。

当筒体高度确定后，应按圆整后的筒体高度修正实际容积，则实际容积V=V1mH1+V封，即V=1.4×

1.539+0.3977=2.5523m3。

2.3.夹套几何尺寸计算

夹套的结构尺寸根据安装和工艺两方面的要求而定，夹套和筒体常焊接成封闭结构。

2.3.1.确定夹套内径

夹套内径D2可根据筒体内径D1选取，见表2-2。

表2-2夹套直径D2/mm

D1

500~600

700~1800

2000~3000

D2

D1+50

D1+100

D1+200

故夹套内径D2=1400+100=1500mm，夹套下封头型式同罐体封头，其直径D2与夹套筒体相同。

2.3.2.确定夹套高度

夹套高H2由传热面积决定，不能低于料液高，通常由工艺给定装料系数η，或根据已知操作容积和全容积进行计算，即η=操作容积/全容积。

装料系数η=2.0/2.5=0.8,夹套高H2=（ηV-V封）/V1m=（0.8×

2.5523-0.3977）/1.539=1.07m，圆整后得H2=1100mm。

2.3.3.校核传热面积

封头表面积F封=2.2346m2，1m高筒体内表面积F1m=4.40m2/m。

筒体表面积F筒=H2F1m=1.1×

4.40=4.84m2，故夹套包围的罐体表面积为F筒+F封=4.84+2.2346=7.0746m2>

7m2，所以夹套换热满足要求。

2.4.夹套反应釜的强度计算

夹套反应釜几何尺寸确定后，要根据已知的公称直径、设计压力和设计温度进行强度计算，确定罐体及夹套的筒体和封头的厚度。

2.4.1.强度计算的原则及依据

强度计算中各参数的选取及计算，均应符合GB150钢制压力容器的规定。

根据任务书的条件，反应釜罐体内为正压外带夹套，依据如下：

当圆筒的公称直径DN≥600㎜时，被夹套包围部分的圆筒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。

2.4.2.按内压对筒体和封头进行强度计算

2.4.2.1.选择设备材料

分析工艺要求和腐蚀因素，罐体决定选用0Cr18Ni9,其中150℃下的许用应力为[σ]t=103Mpa，夹套选用Q235-A，其中150℃下的许用应力为[σ]t=113Mpa。

2.4.2.2.确定计算压力

按工艺条件，罐体内设计压力p1=0.2Mpa，夹套内设计压力p2=0.3Mpa。

罐体液注静压力为p1H=ρgh10-6=1000×

10×

1.4×

10-6=0.014Mpa，计算压力为p1c=p1h+p1=0.014+0.2=0.214Mpa。

夹套计算压力等于设计压力，即p2c=p2h=0.3Mpa。

2.4.2.3.

罐体筒体及封头壁厚计算

罐体筒体壁厚的设计厚度为：

采用双面焊缝，进行局部无损探伤检查，按教材表10-9，取焊缝系数φ=0.85，不锈钢C2=0，则

查教材表10-10，取钢板负偏差C1=0.18mm，则名义厚度

，圆整后取

=2mm。

罐体封头壁厚的设计厚度为：

，名义厚度

2.4.2.4.

夹套筒体及封头壁厚计算

夹套筒体壁厚的设计厚度为：

采用双面焊缝，进行局部无损探伤检查，按教材表10-9，取焊缝系数φ=0.85，Q235-A以双面腐蚀计算C2=2mm，则

查教材表10-10，取钢板负偏差C1=0.5mm，则名义厚度

圆整后取

=6mm。

夹套封头壁厚的设计厚度为

名义厚度

.

2.4.3.按外压对筒体和封头进行稳定性校核

2.4.3.1.罐体筒体稳定性校核

罐体筒体名义厚度δn=2mm，厚度附加量C=C1+C2=0.18+0=0.18mm，

罐体筒体有效厚度δe=δn-C=2-0.18=1.82mm，罐体筒体外径D0=D1+2δn=1400+4=1404mm。

筒体计算长度L=H2+

h1+h2=1100+

350+25=1242mm。

根据筒体图算法强度校核计算，系数D0/δe=1404/1.82=771>

20,系数L/D0=1242/1408=0.882。

120℃时不锈钢板E=2.06×

105Mpa，查教材图10-15得系数A=0.00008，查图10-20得系数B在材料曲线左方，许用外压

，由于[p]<

p=0.3，故需增大δn。

假设δn=8mm,同理有C=C1+C2=0.8mm,

δe=δn-C=7.2mm,D0=1400+2×

8=1416mm,L=1242mm,

D0/δe=197,L/D0=0.877，系数A=0.00055,系数B=60Mpa,[p]=60/197=0.305Mpa>

0.3,所以筒体厚度取8mm。

2.4.3.2.罐体封头稳定性校核

假设封头厚度

=8mm,厚度附加量C=C1+C2=0.8mm,有效厚度δe=

-C=7.2mm,封头外径D0=1416mm,标准椭圆形封头当量球壳外半径R0=0.9D0=1274.4mm,系数

=0.00071，系数B=65Mpa，[p]=B/（R0/δe）=65/（1274.4/7.2）=0.367Mpa>

0.3,所以封头厚度取8mm。

2.4.4.水压试验校核

夹套反应釜应对罐体和夹套分别进行水压试验，并校核圆筒应力σT。

2.4.4.1.确定实验水压

常温下不锈钢许用应力[σ]=137Mpa,Q235-A许用应力[σ]=113MPa。

罐体试验压力

。

夹套试验压力

2.4.4.2.应力校核

查GBT4237-1992，得不锈钢屈服点应力σs=205Mpa，Q235-A屈服应力σs=235Mpa。

罐体圆筒应力

夹套内压试验压力

强度条件：

罐体，σ1T≤0.9ϕσs=156.825Mpa；

夹套，σ2T≤0.9ϕσs=180Mpa。

因为σ1T=32.54Mpa<

156.825Mpa,σ2T=82.9Mpa<

180Mpa，所以水压试验强度足够。

表2-3釜体夹套厚度计算结果

罐体

夹套

筒体

8mm

6mm

封头

3.反应釜的搅拌器

3.1.搅拌器的选用

根据任务说明书的要求，本次设计采用的是浆式搅拌器。

选用直叶双叶桨，D1为搅拌容器内径，H0为液面高度，DJ为搅拌器直径。

搅拌器直径与罐体内径之比常取DJ/D1=0.35~0.8,根据实际情况取DJ/D1=0.54，则：

搅拌器直径DJ=756mm，根据HG/T3796.3-2005圆整后得DJ=750mm，质量7.4kg。

3.2.挡板

挡板是常用的搅拌附件之一，搅拌器工作时挡板能够增加流体的剪切强度，把回转的切向流动改变为径向和轴向流动，改善搅拌效果。

挡板宽度常取容器内径的1/10~1/12，一般设置4~6个挡板沿罐壁均匀分布直立安装。

4.反应釜的传动装置

反应釜的传动装置是为搅拌器提供运动和动力的，传动装置一般包括电动机、变速器（减速器）、联轴器、搅拌轴（传动轴）、机架、安装底盖及凸缘法兰等，当搅拌轴较长时，常将搅拌轴分段制造，搅拌轴与传动轴采用刚性联轴器连接成一整体轴。

设计内容一般包括：

电动机的选型、变速器的选型或设计、轴的支承条件的确定、轴上零件的选型及轴的设计、机架和底座选用或设计等。

4.1.电动机、减速机选型

防爆电动机应选择YB系列，电动机功率必须满足搅拌器运转及传动装置、轴封系统功率损失的要求，还要考虑到操作过程中的不利条件。

电动机功率可按下式确定：

其中Pd指电动机功率，P是搅拌器功率，Pm是轴封系统的摩擦损失功率，η是传动装置的机械效率。

P=1.4kW,设计采用填料轴封，功率消耗小，Pm=0.6KW，摆线针轮传动η=0.9，故Pd=2.22kW。

与防爆电动机配套使用的减速机可选XL系列摆线针轮减速机，选用根据：

轴转速n=60r/min电机功率Pd为2.22kW,查标准HG/T3139.2-2001,选取减速器型号为；

XL5，配套电动机功率4kW，转速1440r/min,传动比i=25，输出轴许用转矩1000N∙m，所以选用配套电动机型号为：

YB2-112M-4，其轴功率为4kW,转速为1440r/min,电流为8.8A,质量为62Kg,额定转矩26.5N∙m，直连供应。

4.2.凸缘法兰

凸缘法兰一般焊接于搅拌器封头上，用于连接搅拌传动装置。

采用R型突面凸缘法兰，其尺寸查表得：

DN=300mm，螺栓数量：

12，螺纹：

M20，质量：

33.5kg。

4.3.安装底盖

安装底盖采用螺栓等紧固件，上与机架连接，下与凸缘法兰连接，是整个搅拌传动装置与容器连接的主要连接件。

设计选取了RS型安装底盖，其尺寸查表得：

DN=300mm。

4.4.机架

机架是安装减速机用的，机架上端与减速机底座尺寸相匹配，下端采用螺柱与安装底盖连接。

根据轴的支撑条件，机架分为无支点机架、单支点机架、双支点机架。

本次选用单支点机架。

选用DJ55型单支点机架，D2=310mm，D5=400mm，质量为150kg。

4.5.联轴器

电机和减速器输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接，都是通过联轴器连接的，并传递运动和转矩。

常用的类型很多，选取刚性凸缘联轴器，选用GY7型，其质量为13.1kg。

4.6.搅拌轴设计

搅拌轴的设计包括材料的选用、结构确定、支承条件确定和强度计算的内容。

①搅拌轴的材料：

选用45钢

②搅拌轴的结构：

用空心直轴，因为连接的是桨式搅拌器，用螺栓对夹，故采用光轴即可。

③确定最小轴径：

轴功率P=1.4kW,搅拌轴转速n=60r/min，材料为45钢,许用扭转切应力[

]＝35Mpa。

轴的扭转强度条件为：

，

，对于空心轴

，联立三式得扭转强度条件：

；

其中d指搅拌轴直径，P指搅拌轴传递的功率，n指搅拌轴转速。

将P=1.4kW，n=60r/min，[τ]=35Mpa代入上式得

32442,取大值D=42.3mm。

由于轴开有键槽，故轴的直径应增大20%左右，所以42.3×

1.2=50.76mm，圆整外径D=60.0mm，内径d=53mm。

刚度校核：

，式中，θ为扭转角，

;

=222833N∙m

G为轴的切变模量,合金钢取8.1×

104MPa

一般取0.5~1.0（°

）/m；

代入数据得θ=0.317°

，故θ<

[θ],轴径符合要求。

由于转速小于200r/min，故不用校核临界转速。

④轴承选取：

轴承同时承受径向力及轴向力的作用，转速较高，载荷小，选用角接触球轴承，考虑其安装与调整，采用正装方式，轴承选取7208C，d×

D×

B=40×

80×

18。

轴与轴承内圈采用过渡配合，取其直径尺寸公差为k6或m6，轴承的轴向距离按搅拌釜支承条件确定。

⑤搅拌轴的形位公差和表面粗糙度的要求：

一般搅拌轴要求运转平稳，为防止轴的弯曲对轴封处的不利影响，因此轴安装和加工要控制轴的直度。

当转速n<

100r/min时直度允许误差：

1000：

0.15，轴的表面粗糙度和配合面的配合公差可按所配零件的标准要求选取。

⑥搅拌轴的支撑：

一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承，当搅拌轴较长时，轴的刚度条件变坏。

为保证搅拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂长L1、轴径d和两轴承间距B应满足以下关系：

L1/B≤4~5;

L1/d≤40~50。

搅拌轴的支承常采用滚动轴承，安装轴承处的公差带常采用m6或k6，外壳孔的公差带常采用H7。

安装轴承处轴的配合表面粗糙度Ra取0.8~1.6，外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra取1.6。

5.反应釜的轴封装置

轴封装置是搅拌设备的一个重要组成部分，其任务是保证搅拌设备内处于一定的正压和真空状态以及防止物料溢出和杂质的掺入。

反应釜搅拌轴处的密封，属于动密封，常用的有填料密封和机械密封两种形式，这次设计选用填料轴封。

填料轴封是搅拌设备最早采用的一种轴封结构，结构简单，易于制造，在搅拌设备上得到广泛应用。

主要用于常压、低压、低转速及允许定期维护的搅拌设备。

因为所选轴径为60mm，故查表得标准填料箱主要尺寸：

d=60mm,D1=240mm,D2=210mm,D3=176mm,H=176mm。

6.反应釜的其他附件

6.1.支座

夹套反应釜多为立式安装，最常用的支座为耳式支座。

标准耳式支座（JB/T4725-92）分为A型（短臂）和B型（长臂）两种。

当设备需要保温或直接支撑在楼板上时选用B型，否则选择A型。

6.1.1.确定耳式支座实际承受载荷Q

罐体DN=1400mm,δ=8mm的1米高筒节的质量q1=278kg,

夹套DN=1500mm,δ=6mm的1米高筒节的质量q2=223kg,

故Q1=H1q1+H2q2=1.4×

278+1.1×

223=634.5kg，Q1为釜体和夹套筒体总重载荷。

DN=1400mm,δ=8mm的封头的质量142kg，DN=1500mm,δ=6mm的封头的质量121kg,故Q2=142×

2+121=405kg，Q2为釜体和夹套封头重载荷。

Q3为料液重载荷，按水压试验时充满水计，ρ=1000kg/m3,现以罐体尺寸估计。

DN=1400mm的封头容积V封=0.398m3，1米筒节的容积V=1.69m3，故Q3=Vρ=（V封+VH1）=（0.398+1.69×

1.4）×

1000=2764kg。

Q4为其它附件重量估计为62+17.3+150+13.1+25.9+33.5+7.4+7.7=317kg。

总重m=634.5+405+2764+317=4120.5kg。

6.1.2.确定支座的型号及数量

容器总重量约4120.5kg，配置四个支座，按两个支座计算需要承担的负荷Q=20603N，选用B4型支座，允许载荷为60kN，支座质量为15.7kg,地脚螺栓是M24。

6.2.手孔

手孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。

手孔的直径一般为150~250mm，此次选择公称直径150mm的手孔，重25.9kg。

6.3.设备接口

化工容器及设备，往往由于工艺操作等原因，在筒体和封头上需要开一些各种用途的孔。

接管和法兰是用来与管道和其他设备连接的。

标准管法兰的主要参数是公称直径和公称压力。

法兰密封面应进行机械加工，通常表面粗糙度取Ra3.2~6.3μm，接管的伸出长度一般为从法兰密封面到壳体外径为150mm。

容器开孔后由于壳体材料的削弱，出现开孔应力集中现象，因此，要考虑补强，补强圈是常用的型式。

补强圈的厚度和材料一般均与设备壳体相同，补强圈上有一小螺纹孔（M10），焊后通入压缩空气，以检查焊缝的气密性。

因为手孔直径di=150mm,壁厚δn=8mm，补强圈内径D1=150mm,外径D2=300mm，则厚度δ=1.5δn=1.5×

8=12mm,故补强圈取12mm厚，重25.4kg。

液体进料管一般从顶盖引入，进料管应伸进罐体内且下端开口截成45°

角，开口方向朝着设备中心，以防止冲刷罐体，减少物料对壁面的腐蚀。

视镜主要用来观察设备内物料及其反应情况，也可作为料面指示镜，一般成对使用，当视镜需要斜装或设备直径较小时，采用带颈视镜。

由于釜内介质压力较低，且考虑DN=1500mm，本设计选用两个DN=100mm的带颈视镜，HG/T21575-1994。

参考文献

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化学工业出版社2006.1

[2]蔡继宁主编，化工设备机械基础课程设计指导书，北京：

化学工业出版社，2010.8

[3]冯开平，左宗义主编，画法几何与机械制图，广州：

华南理工大学出版社，2007.7

[4]张枫叶，覃国萍主编，化工制图，北京：

机械工业出版社，2007.8

[5]杨荣榛编著，化工制图，陕西师范大学出版社，2006