化工机械设备课程设计—反应釜

1、 湖北理工学院 大型作业 化工设备机械基础大型作业题 目： 反应釜 教 学 院： 化 学 与 材 料 工 程 专 业： 应 用 化 工 技 术 学 号： 19 20 21 22 学生姓名：马耀溪 亢新荣 王中磊 王高飞 指导教师： 夏 贤 友 胡燕辉 2014年6 月 15日21 湖北理工学院 大型作业 大型作业任务书5 20132014 学年第2学期学生姓名： 亢 新 荣 专业班级：应用化工技术（专）2012（1）指导教师： 夏贤友 工作部门： 化工教研室 一、大型作业题目：反应釜二、大型作业内容（含技术指标）1反应介质：25m3的水乳胶涂料；2. 容器内压：常压；3. 反应温度：80

2、77;10；4. 电机功率：10KW；5. 搅拌转速：50rpm。6. 作业成果：计算书1份，设备图1张（A2图纸手工绘制）。三、进度安排16月9日：分配任务；26月9日-6月12日：查询资料、初步设计；36月12日-6月20日：设计计算，完成报告。四、基本要求1设计方案：根据给定的条件合理选择设备的结构以及合适的材料，立式容器或卧式容器的筒体和封头、钢板卷制焊接结构接头、钢板材料的型号及热处理条件等；2设计计算：依据材料的性能，对选用设备的壁厚进行计算、稳定性进行校核；3辅助设备的选型：包括典型辅助设备的主要尺寸计算及型号规格：人孔或手孔设计、法兰的型号规格、接管开孔结构、视镜或液面镜以及容

3、器的支座选型等。 教研室主任签名： 2014年6月 15日目 录概 述5 0.1 设计说明书主要内容5 0.2 水乳胶51反应釜釜体设计61.1釜体的DN、PN的确定61.2 釜体筒体壁厚的设计71.3 釜体封头的设计7 1.4筒体长度的设计81.5 外压筒体壁厚的设计82反应釜夹套的设计92.1 夹套的、的确定92.2 夹套筒体的设计102.3 夹套封头的设计103反应釜釜体及夹套的压力试验113.1釜体的水压试验123.2夹套的液压试验134反应釜附件的选型及尺寸设计134.1釜体法兰联接结构的设计144.2工艺接管的设计145搅拌轴及浆的设计155.1搅拌轴直径的初步计算15 5.2直叶

4、桨式搅拌器尺寸的设计156传动装置的选型和尺寸计算166.1电动机的选型166.2减速机的选型166.3反应釜的轴封装置设计167焊缝结构的设计177.1 釜体上主要焊缝结构的设机177.2夹套上的焊缝结构的设计188设计评论299参考文献205概 述0.1设计内容介绍及内容分析由设计条件单可知，设计的反应釜体积为 （=0.85），圆整V=30m3；搅拌轴的转速为50r/min,电机功率10kW（1=0.9），轴的功率为P=P0×1=0.5kW;搅拌桨的形式为推进式；装置上设有3个工艺接管、2个视镜、4个耳式支座、1个温度计管口，1个人孔。0.2水乳胶由于水性涂料不用有机溶剂，对人体

5、无毒害，对环境无污染，固而近年来发展十分迅速。凡是用水作溶剂或者分散在水中的涂料部可称之为水性涂料。水性涂料包括水溶性涂料和水胶乳涂料两种，采用乳液聚合工艺制备成合成树脂水胶乳，胶粒径0.1-10。在合成树脂水胶乳中，加入颜料、体质 颜料、保护胶体、各种添加剂后，经过研磨或 分散处理，即成为水乳胶涂料。 目前，世界上使用较广的水胶乳涂料有聚醋酸乙烯水胶乳涂料、聚丙烯酸酯水胶乳涂料、醇酸树脂水胶乳涂料和偏氯乙烯共聚树脂水胶乳涂料。水乳胶可用：丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、 而烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸2乙基 己酯 2一甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯，苯乙 烯、氯乙烯和丙烯腈。以上这些单律在

6、使用时不少于一种 使用量最好为单体总量的4-45%。在进行操作时可将水乳胶的密度近似于水的密度进行计算。1 反应釜釜体设计1.1釜体的DN、PN的确定1.1.1釜体DN的确定将釜体视为筒体，取L/D=1.4,V=30m3。由 V=(/4) （1-1）式中 V操作体积，m3; D釜体的直径，m； L釜体的长度，m。L=1.4，则 ，圆整得釜体的DN=5000mm。1.1.2釜体PN的确定由设计说明书知常压反应，所以釜体的设计压力0.2MPa。1.2 釜体筒体壁厚的设计1.2.1设计参数的确定设计压力P1： P10.2MPa；液柱静压力P1H：P1H=10(-6)×1.8×1.

7、4×103×10=0.0252MPa 计算压力P1c： P1c= P1+ P1H =0.2+0.0252=0.2252MPa；设计温度t1： t1 <100 ；焊缝系数： 0.85许用应力： 根据材料Q235-B、设计温度<100，由文献1,6知113；钢板负偏差： 0.6（GB6654-96）；腐蚀裕量： 2.0。1.2.2 筒体壁厚的设计由公式： （1-2）式中：受力物体的厚度，mm;Pc计算的压力，kPa; D釜体的直径，m；焊缝系数：许用应力，MPaC腐蚀裕量和偏差的和，mm。得：圆整 刚度校核：碳素钢的故筒体的壁厚取。1.3 釜体封头的设计1.3.1

8、封头的选型釜体的下封头选标准椭球型，代号EHA、标准JB/T47462002。1.3.2封头的直边尺寸、体积及重量的确定根据，由文献6 根据JB/T47462002知：直边高度h2： 25mm容 积V： 0.8270m3曲边高度h1： 450mm内表面积A： 13.6535m2质 量m: 225kg1.4筒体长度的设计1.4.1筒体长度H1的设计筒体高度： （1-3）式中 H1筒体高度，m;V操作体积，m3;V封封头体积，m3；S筒体截面积，m2。H1=(30-0.827)/2.543=2.033m圆整H1至2000mm。1.5 外压筒体壁厚的设计1.5.1设计外压的确定由设计条任务书可知，夹

9、套内介质的压力为常压，取设计外压=0.101MPa。 1.5.2试差法设计筒体的壁厚设筒体的壁厚n=12mm，则：有效厚度筒体外径：=1824mm， 由 （1-5）式中Lcr当量长度，mm； D0筒体外直径，mm； e有效厚度，mm。得：Lcr= 3182mm。筒体的计算长度=2050+ 150 + 25 = 2225mmLcr= 3182mm > ；该筒体为短圆筒。圆筒的临界压力为： (1-6)式中 Pcr临界压力，kPa； L筒体的计算长度，mm；D0筒体外径，mm； E设计温度下的弹性模量，MPae有效厚度，mm；m稳定系数。E=2.0×105MPa，Pcr对于圆筒m=3

10、 , P=0.5554/3=0.185MPa故 P=1.01 < P；所以假设n=8mm满足稳定性要求。 2 反应釜夹套的设计2.1 夹套的、的确定2.1.1夹套的确定由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可知：5000+100=5100（mm）考虑到5100mm一般不再取值范围，故取=5000mm。2.1.2 夹套PN的确定由设备设计条知，夹套内介质的工作压力为常压，取0.25MPa。2.2 夹套筒体的设计2.2.1夹套筒体壁厚的设计由公式（1-2） 得：圆整 刚度校核：碳素钢的，筒体的壁厚取。2.2.2夹套筒体长度H筒的初步设计由 H筒= （2-1）式中 H筒夹套的筒体长度，m;V

11、操作体积，m3;V封内径封头体积，m3；S筒体截面积，m2。圆整后 H筒=1600mm。2.3 夹套封头的设计2.3.1 封头的选型夹套的下封头选标准椭球型，内径与筒体相同（Dj5000mm）。代号EHA，标准JB/T47462002。夹套的上封头选带折边锥形封头，且半锥角。2.3.2 椭球形封头壁厚的设计因为PW为常压0.3MPa，所以需要根据刚度条件设计封头的最小壁厚。 取2 Di /1000且不小于3 mm 另加， 所以 min3+3=6（mm），圆整=10mm。对于碳钢制造的封头壁厚取=10mm。2.3.3椭球形封头结构尺寸的确定夹套封头的尺寸见图2-1 表 2-1 夹套封头的尺寸直边

12、高度h1曲面高度h2容 积VF质 量内表面积25mm500mm1.126m386.49kg4.493m2封头的下部结构如图 2-1 图 2-1 封头的下部结构图由设计条知：下料口的50mm，封头下部结构的主要结构尺寸146mm。2.3.4带折边锥形封头壁厚的设计考虑到封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取封头的壁厚与夹套筒体的壁厚一致，即8mm。2.3.5 封头结构的设计 表 2-2 封头结构的设计数据表公称直径DN/mm总深H/mm内表面积A/m2容积V/m350002001.22460.3232.3.6 带折边锥形封头壁厚的设计由于封头过渡部分与锥体部分受力情况不同，分两部分

13、计算过渡部分：， K=0.8181 ， f=0.645 ，选型为CHB，由式（1-2）： （2-2）式中 受力物体的厚度，mm；Pc计算的压力，KPa；K过渡区形状系数；焊缝系数；f椎体形状系数；Di釜体的直径，m；许用应力，MPaC腐蚀裕量，mm。 锥体部分： 考虑到与夹套筒体的焊接，故圆整。 3 反应釜釜体及夹套的压力试验3.1釜体的水压试验3.1.1水压试验压力的确定水压试验的压力： (3-1)式中 PT水中压力，MPa； P 设计压力，MPa； 水中应力，MPa；t许用应力，MPa。查.0， 。 3.1.2水压试验的操作过程操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排

14、空，再将水的压力缓慢升至0.25MPa，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.2MPa，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。3.2夹套的液压试验3.2.1液压试验的操作过程 在保持夹套表面干燥的条件下，首先用水将夹套内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.3125MPa，保压不低于30min，然后将压力缓慢降至0.3MPa，保压足够。长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将夹套内的水排净，用压缩空气吹干。

15、若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。4 反应釜附件的选型及尺寸设计4.1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。4.1.1密封面形式的选型根据0.6MPa1.6MPa、介质温度<100和介质的性质，由文献知密封面形式为光滑面。4.1.2螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格及材料的选择本设计选用六角头螺栓（双头螺柱B级、GB90188）、型六角螺母（A级和B级、GB/T61712000）。平垫圈（100HV、GB/T95-2002）。螺栓长度L的计算：螺栓4的长度由法兰的厚度（）、垫片的厚度（S）、螺母的厚度（H）、垫圈厚度（h）、螺栓伸出

16、长(0.30.5d)确定。其中=80mm、S=3mm、H=21.5mm、h=3.2mm、螺栓伸出长度取0.3d=0.3×33.7。螺栓的长度为： =201.01 mm取L200mm螺柱标记： 螺柱 M24×200 GB 90188螺母标记： 螺母 M24 GB/T61702000 垫圈标记： 垫片 24-100HV GB/T952002 根据乙型平焊法兰、工作温度t<100的条件，由文献1,3法兰、垫片、螺栓、螺母材料匹配表进行选材，结果如表4-1 表 4-1 法兰、垫片、螺栓、螺母材料表法 兰垫 片螺 栓螺 母垫 圈16Mn聚四氟乙烯3520100HV4.2工艺接管

17、的设计由文献6表6-4（HG2059297）查无缝钢管（1）进水口，出水口采用45×2.5无缝钢管，罐内的接管与夹套内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 PL400.6 RF HG2059397。（2）进、放料口采用57×3.5无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：法兰 PL500.6 RF HG2059397。（3）温度计接口采用25×2.5无缝钢管，伸入釜体内一定长度。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 PL200.6 RF HG2059297 （4）人孔采用480×15无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰： 法

18、兰 PL4500.6 RF HG2059397 （5）视镜采用108×4.0无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 PL1000.6 RF HG2059397 4.3支座的选型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/T 4725-92）分为A型和B型两种。当设备需要保温或支承在楼板上时选B型，否则选A型。 5 搅拌轴及浆的设计5.1搅拌轴直径的初步计算5.1.1搅拌轴直径的设计 轴的功率0.5kW ，搅拌轴的转速50，材料为45 ，35MPa，系数C=112,剪切弹性模量G2×105MPa，许用单位扭转角0.35°

19、;/m。轴所传递的扭矩T=9.55×106P/n=（Nmm） =191×10³（Nmm）搅拌轴为实心轴，开一个键槽，轴径扩大5%，d=50.2×1.05=52.7mm搅拌轴的直径应同时满足强度和刚度两个条件故取两者中的较大值，圆整后得d=52mm,考虑到直叶桨式搅拌器的尺寸选择，可将轴端直径圆整至60mm。5.1.2搅拌抽临界转速校核计算由文献6知，搅拌轴的转速n>200r/min时，都应做临界转速校核。由于反应釜的搅拌轴转速=50，故不作临界转速校核计算。5.2直叶桨式搅拌器尺寸的设计由于搅拌轴转速=50，选择直叶桨式搅拌器。查工具书1,6可知直

20、叶桨式搅拌器的结构参数如下：DJ=(0.25-0.75)DN , b=(.01-0.25)DJ, h=(0.2-1)DJ, Z=2直叶桨的直径：DJ=0.5DN=900mm桨底距槽底： h=0.8DJ=720mm桨叶厚度： b=0.15DJ=135mm 6 传动装置的选型和尺寸计算6.1电动机的选型由于反应釜里的物料腐蚀情况微弱且没有防爆要求，所以可选择最常用的Y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机。电机功率必须满足搅拌器运转功率与传动系统、轴封系统功率损失的要求，还要考虑到有时在搅拌操作中会出现不利条件造成功率过大。6.2减速机的选型反应釜用的立式减速机，主要类型有谐波减速机、摆线针轮行星减速机

21、、二级齿轮减速机和V带传动减速机。根据电机的功率P=10kW、搅拌轴的转速n=50 r/min，查文献可选用BLD行星减速机，其型号尺寸从HG 574578标准中查得BLD5029。6.3反应釜的轴封装置设计轴封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及防止反应物料逸出和杂质的渗入。鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式搅拌为主，很少满釜操作，轴封的对象主要为气体；而且搅拌设备由于工况复杂，轴的偏摆振动大，运转稳定性差等特点，故不是所有形式的轴封都能用于搅拌设备上。反应釜搅拌处的轴封，属于动密封，常用的轴封结构主要有两大类，填料箱密封和机械密封。填料密封式搅拌设备

22、最早采用的一种轴封结构，它的基本结构是由填料、填料箱、压盖、压紧螺栓及油杯等组成。特点是结构简单、易于制造，在搅拌设备上曾得到广泛应用。一般用于常压、低压、低转速及允许定期维护的搅拌设备。机械密封是一种功耗小、泄漏率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。主要用于腐蚀、易燃、易爆、剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。由设计任务书知，釜内介质的腐蚀性微弱，釜内压力较低，所以可以选择应用广泛的填料密封。 7 焊缝结构的设计7.1 釜体上主要焊缝结构的设计 釜体的主要焊接结构图如下 图7-1 图7-2 图 7-3 图 7-4 图 7-5 图 7-6 图 7-1 筒体的纵向焊缝 图 7-2 筒体与下封头的环向焊缝 图 7-3 固体物料进口与封头的焊缝 图 7-4 进料管与封头的焊缝 图 7-5 温度计接管与封头的焊缝 图 7-6 出料口接管与封头的焊缝 7.2夹套上的焊缝结构的设计 焊缝结构如下 图7-7 图7-8 图7-8 图7