反应釜设计.doc

第1章 反应釜釜体与传热装置 搅拌设备常被称作搅拌釜（或搅拌槽），当搅拌设备用作反应器时，又被称为搅拌釜式反应器，有时简称反应釜。釜体的结构型式通常是立式圆筒形，其高径比值主要依据操作容器的装液高径比以及装料系数大小而定。传热方式有两种：夹套式壁外传热结构和釜体内部蛇管联合使用。根据工艺需要，釜体上还需要安装各种工艺接管。所以，反应釜釜体和传热装置设计的主要内容包括釜体的结构和部分尺寸、传热形式和结构、各种工艺接管的安设等。1.1反应釜釜体1.1.1确定反应釜釜体的直径和高度在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择筒体适宜的长径比（H/Di），以确定筒体直接和高度。选择筒体长径比主要考虑一下两方面因素：1 长径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，PD5(其中D：搅拌器直径；P：搅拌功率），P随釜体直径的增大而增大很多，减小长径比只能无谓的损耗一些搅拌功率。一次一般情况下，长径比应该大一点。2 长径比对传热的影响：当容积一定时H/Di越高越有利于传热。长径比的确定通常采用经验值。表1-1种类罐体物料类型H/Di一般搅拌罐液-固或液-液相物料1-1.3气-液相物料1-2发酵罐类1.7-2.5在确定反应釜直径和高度时，还应该根据反应釜操作时所允许的装料程度-装料系数等予以综合考虑，通常装料系数可取0.6-0.85.如果物料在反应过程中产生泡沫或沸腾状态，应取较低值，一般为0.6-0.7；若反应状态平稳，可取0.8-0.85（物料粘度大时可取最大值）。因此，釜体的容积V与操作溶积V0有如下关系：V=V0/（1.1）选取反应釜装料系数=0.8，由V=V0/可得设备容积：V0=V=10.8=0.8选取H/Di=1.0，由公式（1.2）将计算结果圆整至公称直径标准系列，选取筒体直径Di=1000mm，查化工设备机械基础表8-27，DN=1000mm时的标准封头曲面高度h=250mm，直边高度h2=25mm，封头容积Vh=0.151，由手册查得每一米高的筒体容积为。由公式可知筒体高度（1.3）筒体高度圆整为H=1000mm。 于是，复核结果符合原定范围。1.1.2确定反应釜夹套的直径和高度Dj可根据罐体内径按下表推荐的数据选取。表1.2夹套直径Dj与罐体直径Di的关系（mm）Di500600700180020003000DjDi+50Di+100Di+200对于筒体内径Di=7001800mm，夹套内径Dj=Di+100，因此Dj=1000+100=1100mm，符合压力容器公称直径系列。按式（1.4）取夹套高度Hj=800mm，则夹套顶部与釜体法兰间应留有足够的距离：这样便于筒体法兰拆装。验算夹套传热面积：（查 化工设备基础 16-5 16-6得 ）夹套传热面积符合传热要求。1.1.3夹套类型的选择U型整体夹套夹套的材料为Q345R，许用应力由GB150.2查得在135时许用应力选取夹套的设计压力为夹套筒体与内筒的环焊缝采用单面焊，局部无损检测，焊缝系数=0.8，=2mm C1=0.3mm夹套的壁厚的计算所以夹套圆筒的厚度圆整为。1.1.4夹套圆筒的应力计算夹套圆筒的有效厚度的计算圆筒的应力计算 所以应力强度符合要求。1.1.5夹套试验压力夹套的水压试验所以夹套水压试验压力为0.55。夹套压力试验前的应力校核压力试验前，应按下式校核夹套应力：液压试验时，满足所以夹套试验前得应力校核满足要求。当夹套充压时将使釜体受外压作用，因水压试验压力值大于设计压力，可能使釜体在夹套水压试验压力作用下外压失稳，因此应考虑在釜体内适当充压。由于夹套的水压试验压力为0.55MPa，小于釜体的许用外压0.61MPa，故不需要充压。夹套椭圆形封头的计算设计温度下标准椭圆封头的计算厚度的计算则夹套椭圆形封头厚度圆整为。有效厚度的计算所以夹套封头厚度符合要求。1.2确定反应釜内筒的材料和壁厚筒体材料的选用要根据所给相关数据来选取，材料Q345R，屈服极限内压圆筒壁厚的计算 设计压力内压圆筒的计算厚度 取名义厚度为6mm外压圆筒的计算与校核则筒体属于短圆筒，则此釜体的临界压力为筒体的许用应力因此厚度取为6不合适，现在取所以筒体，此时筒体在承受内压和外压时强度均能满足要求。筒体椭圆形封头的计算釜体的水压试验釜体水压试验压力取为0.2。釜体压力试验前的应力校核压力试验前，应按下式校核夹套应力：液压试验时，满足所以釜体试验前得应力校核满足要求。第2章 反应釜附件的选型及尺寸设计2.1釜体法兰联接结构的设计设计内容包括：法兰的设计、密封面形式的选型、垫片设计、螺栓和螺母的设计。2.1.1法兰的设计根据DN1000mm、P0.1MPa，由JB/T 4700-2000表1选择甲型平焊法兰，查化工设备机械基础表10-2得D=1130mm D1=1090mm D2=1055mm D3=1045mm D4=1042mm d=23mm,法兰厚度为40mm，总质量65.1kg，螺栓M20,32个。2.1.2采用平面密封2.1.3垫片的选用GB/T 3985石棉橡胶板，根据法兰DN=1000mm PN=0.25MPa，查表10-12得D=1044mm d=1004mm。厚度取为3mm。2.1.4螺栓 、螺母的设计螺栓螺母的尺寸选用见画法几何与机械制图附录5，查F.2附表5 公称长度l=90mm，k=12.5mm垫圈采用标准弹簧垫圈h=5mm2.1.5垫片、螺栓、螺母材料的选用由化工设备机械基础表10-15确定甲型平焊法兰 Q345R石棉橡胶板 GB/T 3985螺栓 GB/T 699 35螺母 Q235-A2.2管口结构反应釜上设有各种工艺物料进出管口、温度计和压力表接口、用于观察釜内搅拌反应情况的视镜、直径较大的反应釜上封头，还设有检修所需的人孔。上述管口的结构和有关标准均与一般容器的管口相同，但对进出口管需要另加注意。2.2.1进料管口进料管一般都从釜顶引入，液相进料管需伸进釜内，防止液料沿封头内壁流入法兰密封面，对密封面和釜壁产生局部腐蚀。液相进料管下端管口呈45切口，可使小流量时液流集中，减少静电。2.2.2出料管口反应釜的出料有上出料和下出料两种方式。当需要将釜内液料输送到较高位置的设备中去或釜内液料有强腐蚀性或毒性而又无匹配的泵时，可利用压缩空气或氮气将液料经压料管从上部压出，这就是上出料。为减小因搅拌而引起的压料管晃动，可用管卡或擦板将其固定。下出料即在釜低中央开设一个卸料管口，适用于需将釜内物料放入另一个较低位置的设备2.3接管垫片尺寸及材质2.4人孔的设计为了安装、检修操作的方便，需在容器顶部封头上开一个人孔或手孔，根据文献知当Di1000mm时，需设一人孔2.5视镜的选择视镜主要用来观察设备内物料及其反应情况，也可以作为液面指示镜。常用的视镜有三种：视镜、带颈视镜和压力容器视镜（分别有带颈与不带颈两种）。在选择视镜时，应优先选择不带颈的视镜，因为该视镜结构简单，不易结料，窥视范围大；当视镜需要斜装或设备直径较小时，采用带颈视镜；压力容器视镜用于公称压力较大的场合（0.6MPa）。由于釜内介质压力较低，且考虑DN=1000mm，由反应釜设计条件单可知，本设计选用两个DN=125mm的不带颈视镜。该类视镜具有结构简单，不易结料，窥视范围大等优点.2.6支座的选型及设计2.6.1支座的选型及尺寸的初步设计夹套反应釜多为立式安装，最常用耳式支座。标准耳式支座分为A型和B型两种。当设备需要保温或直接支承在楼板上是选B型，否则选A型。2.6.2支座载荷的校核计算第3章 搅拌装置的设计3.1搅拌器的型式搅拌装置由搅拌器、搅拌轴及其支撑组成。电动机驱动搅拌轴上的搅拌器以一定的方向和转速旋转，使静止的流体形成对流循环，并维持一定的湍流强度，从而达到加强混合、提高传热和传质速率的目的。搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件，其功能是提供过程所需的能量和适宜的流动状态。其类型分为:推进式、浆式、涡轮式、锚式、框式、螺杆式、螺带式等，搅拌器选型时，主要考虑:1 具有显著的搅拌效果，特别是对多相反应。2 搅拌所消耗的能量应尽可能小。3 保证从反应器壁或侵入式热交换装置到反映混合物能有高的给热系数。由表18-47本设计的搅拌器选择不带挡板的直叶六叶开启式涡轮搅拌器。取标准值0.33，所以取取3.2搅拌轴直径的设计3.2.1搅拌功率的计算由化工原理课程设备设计式2-4查表2-5得：由2-2拉什顿关系图得，代入上式得3.2.2搅拌轴的强度设计反应釜的搅拌轴承受扭转和弯曲的联合作用，其中以扭转作用为主。在设计圆轴直径时，假定轴发生纯扭转变形，用强度条件进行初步计算，然后用增加安全系数，降低材料的许用应力以弥补由于忽略弯曲等作用引起的误差。选择搅拌轴的材料为45钢。查化工设备设计表3-6知45钢的许用轴向应力由强度条件得 由表18-33取d=50mm3.2.3搅拌轴的刚度校核搅拌轴在运转过程中不能产生过大的扭转变形，否则会引起振动，造成轴封失效，因此要将轴的扭转变形限制在一定的许可范围内。为此，需要对搅拌轴进行刚度校核。3.2.4搅拌轴的支承条件3.2.5挡板和导流筒由于雷诺数较小，搅拌时处于层流区，不需要设置挡板和导流筒第4章 反应釜的传动装置反应釜的传动装置包括电动机、减速机、机架、传动轴、传动轴联轴器、搅拌釜内联轴器、活套法兰、安装底盖、搅拌轴轴封等。反应釜的传动装置通常设置在反应釜的顶盖（上封头）上，一般采用立式布置，电动机经减速机将转速减至工艺要求的搅拌转速，再通过联轴器带动搅拌轴转速，从而带动搅拌器转动。电动机与减速机配套使用，减速机下设置一机架，安装在反应釜的封头上。考虑到传动装置与轴封装置安装时要求保持一定的同心度以及装卸检修的方便，常在机架下安装一个安装底盖，还在上封头的开口处安装一个凸缘法兰。4.1电动机的选用电动机功率电机选用Y80M1，功率为0.55kw n=1500r/min由JB/T 10391-2002表5 机座不带底脚，端盖上有凸缘D=19mm E=40mm F=6mm N=130mm L=290mm 4.2减速机的选用 减速机主要形式： 目前我国已颁布的标准釜用立式减速机，有摆线针齿行星减速机、两级齿轮减速机、三角皮带减速机和谐波减速机四种。a. 摆线针齿星减速机：减速比879，转速16160r/min,功率0.630kw。特点是传动效率高，结构紧凑，拆装方便，寿命长，承载能力高，工作平稳，允许正反转。b. 两级齿轮减速机：为两级同中心距并流式斜齿轮减速传动装置。减速比11.65.63，转速125250r/min，功率0.630Kw。体积小，效率高，制造成本低，结构简单，装配检修方便，可以正反转。c. 三角皮带减速机：单级三角皮带传动的减速装置。减速比4.532.9，转速320550r/min，功率0.65.5Kw。结构简单，过载打滑，起保护作用，允许反转。d. 谐波减速机：减速比35990，转速416r/min，功率0.613Kw。结构简单，重量轻，承载能力高，运转平稳，封闭性好，可用于有防爆要求的场合。表4.1釜用立式减速机的基本特性特性减速机类型摆线针齿行星减速机两级齿轮减速机三角皮带减速机谐波减速机减速比范围87-911-64.5-3360-90输出轴转速范围r/min，(配用四级电动机)16-100125-250320-5004-16功率范围kw0.6-300.6-300.6-5.50.6-13效率0.9-0.950.930.91大于0.83主要特点本机为利用少齿内啮合行星传动的减速装置，减速比大，寿命长，故障少，装拆方便，结构紧凑，重量轻，与同功率的涡轮减速机相比，效率高而体积可小一半左右:有取代涡轮减速机的趋向。本机为两级同中心距斜齿轮传动的减速装置，传动比准确，寿命长。本机为单级三角皮带传动的减速装置，结构简单，过载时会产生打滑现象，因此能起安全保护作用，但由于皮带滑动不能保持精确的传动比。本NL为利用行星轮为柔轮的少齿差内啮合行星传动的减速装置 ,减速比可很大。特性参数功率、按输出轴轴颈面分的机型号、减速比中心距三角皮带型号、根数柔轮分度圆直径应用条件对过载和冲击载荷有较强承受能力，可短期过载75%，允许正反旋转，可用于有防爆要求的车间，与电动机直联供应允许正反旋转，应采用夹壳联轴器或弹性块式联轴器与搅抖轴连接，不允许承受外加轴向载荷，适用于连续搅拌的化工设备，可用于有防爆要求的车间.与电动机直联供应允许正反旋转，一般以夹壳联轴器与搅拌轴连接，搅拌器重量可由本机承受，不能用于有防爆要求的车问，适用于连纯搅拌的化工设备可不需多级传动而用十转速低级的搅拌传动装置，可用于有防爆要求的车间标定符号BLD功率-机型号-减速比BLY机型号-减速比-功率LC-中心距-顺序号P三角皮带型弓根数-顺序号XB柔轮分度圆直径-顺序号标准图号HG5-744-78HG5-745-78HG5-746-78HG5-747-78根据要求选用两级齿轮减速器，LC系列圆柱齿轮减速机，标号为LC 75中心距