搅拌反应釜的机械设计.docx

四 搅拌反应釜的机械设计4.1 概述 反应釜的机械设计是在工艺设计之后进行的。工艺上给出的条件一般包括：釜体容积、最大工作压力、工作温度、介质腐蚀性、传热面积、搅拌形式、转速和功率、工艺接管尺寸方位等。这些条件通常都以表格和示意图的形式反映在机械设计任务书中。对于机械设计，设计者是依据工艺设计提出的要求和条件，对搅拌反应釜的容器、搅拌轴、传动装置和轴封装置等进行合理的选型、设计和计算。夹套反应釜的机械设计大体按以下内容和步骤进行： (l)总体结构设计根据工艺要求考虑制造、安装和使用维修方便等，确定各部分结构型式和尺寸，如封头、传热面、传动类型、轴封和各种附件的结构型式与连接形式等。 (2)选择材料根据压力、温度、介质情况经济合理选材。 (3)计算强度和稳定性对釜体封头、夹套、搅拌轴等进行强度计算和必要时的稳定性计算校核。 (4)零部件设计选用 包括电动机、减速机、联轴器、轴封类型以及机座、底座等有关零部件的选用和设计。 (5)绘制图样 包括总装图、零部件图。标准零部件有标准图纸的要查出标准施工图号，不必绘图。 (6)提出技术要求提出制造、装配、检验和试车等方面的要求。应用标准技术条件的可标注文件号。 (7)编写计算说明书 包括设备设计重要问题的论证，主要零部件的机械计算，主要零部件设计选用说明等。4.2 罐体的尺寸确定及结构选型 搅拌罐包括罐体和装焊在其上的各种附件。 常用的罐体是立式圆筒形容器，它有顶盖、筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。罐体在规定的操作温度和操作压力下，为物料完成其搅拌过程提供了一定的空间。 为了满足不同的工艺要求，或者因为搅拌罐本身自身结构上的需要，罐体上装有各种不同用途的附件。例如，由于物料在反应过程中常常伴自热效应，为了提供或取出反应热，需要在罐体的外侧安装夹套或在罐体的内部安装蛇管；为了与减速机和轴封相连接，顶盖上要焊装底座；为了便于检修内件及加料和排料，需要装焊人孔、手孔和各种接管；为了在操作过程中有效地监视和控制物料的温度、压力和料面高度，则要安装温度计、压力表、液而计、视镜和安全泄放装置；有时为了改变物料的流型、增加搅拌强度、强化传质和传热，还要在罐体的内部焊装挡板和导流筒。但是随着附件的增加，往往会给设备的制造和维修带来很多麻烦，增加设备的制造和维修费用。所以在确定搅拌罐结构的时候应全面地综合考虑，使设备既满足生产工艺要求又做到经济合理，实现最佳化设计。 搅拌罐零部件种类繁多，难以面面俱到地介绍，本节根据搅拌设备特点，着重介绍其中常用构件的结构型式及强度计算方法。这些构件般都是搅拌罐所固有的，而在通常使用的压力容器设计参考资料中又不常见的。 当进行搅拌罐设计时，凡是与一般压力容器内容相同的设计项目，均应按有关标准规范及压力容器设计参考资料去做。诸如，筒体和封头的内压和外压强度设计； 观测部件及接管、安全泄放装置、支座、开孔补强、管法兰和设备法兰的设计等等。一、罐体的长径比和装料量在知道搅拌罐操作时盛装物料的容积以后， 首先要选择适宜的长径比（h/d）和装料量确定筒体的直径和高度（见图4-1）。图4-1（一）罐体的长径比 选择罐体的长径比应考虑的主要因素有3个方面，即长径比对搅拌功率的影响、对传热的影响以及物料搅拌反应特性对长径比的要求。 1罐体长径比对搅拌功率的影响 一定结构型式搅拌器的桨叶直径同与其装配的搅拌罐罐件内径通常有一定的比例范围。随着罐体长径比的减小，即高度减小而直径放大，搅拌器桨叶直径也相应放大。在固定的搅拌轴转数下，搅拌器功率与搅拌器桨叶直径的5次方成正比。所以，随着罐体直径的放大，搅拌器功率增加很多，这对于需要较大搅拌作业功率的搅拌过程是适宜的，否则减小长径比只能无谓地损耗一些搅拌器功率，长径比则可以考虑选得大一些。 2罐体长径比对传热的影响罐体长径比对夹套传热有显著影响。容积一定时长径比越大则罐体盛料部分表面积越大，夹套的传热面积也就越大。同时长径比越大，则传热表面距离罐体中心越近，物料的温度梯度就越小，有利于提高传热效果。因此单从夹套传热角度考虑，一般希望长径比取得大一些。 3物料特性对罐体长径比的要求。 某些物料的搅拌反应过程对罐体长径比有着特殊要求，例如发酵罐之类，为了使通入罐内的空气与发酵液有充分的接触时间，需要有足够的液位高度，就希望长径比取得大一些。 根据实践经验，几种搅拌罐的长径比大致如表4-1所示。表4-1几种搅拌罐的h/d值 （二）搅拌罐装料量 选择了罐体长径比之后，还要根据搅拌罐操作时所允许的装满程度考虑选择装料系数r然后经过初步计算、数值圆整及核算，最终确定筒体的直径和高度。 1装料系数 罐体全容积v与罐体的公称容积（即操作时盛装物料的容积）vg。有如下关系vg=v(m3) (4-1) 设计时应合理地选用装料系数值，尽量提高设备利用率。通常可取0.6-0.80。如果物料在反应过程中要起泡沫或呈沸腾状态，应取低值，约为0.6-0.7；如果物料反应平稳，可取0.8-0 .85（物料粘度较大可取大值。） 2初步计算筒体直径 知道了筒体的长径比和装料系数之后，还不能直接算出筒体直径和高度，因为当筒体直径不知道时封头的容积就不知道，罐体全容积也就不能最后确定。为了便于计算，先忽略封头的容积，认为：(m3) 式中di及h单位是m。把罐体长径比代入上式为： (m3) (4-2)将式( 4-i)代入式(4-2)，并整理： (m) (4-3) 3确定筒体直径和高度将式( 4-3)计算出的结果圆整成标准直径，代入式(4-4)，算出筒体高度：(4-4)再将上式算出的筒体高度进行圆整，然后核算h/di及如大致符合要求便可。4.3 顶盖的结构及强度计算一、顶盖 搅拌罐顶盖在受压状态下操作常选用椭圆形封头。设计时一般先算出顶盖承受操作压力所需要的最小壁厚，然后根据顶盖上密集的开孔情况按整体补强的方法计算其壁厚，再加上壁厚附加量，经圆整即是采用的封头壁厚。一般搅拌器重量及工作载荷对封头稳定性影响不大时，不必将封头另行加强；如果搅拌器的工作状况对封头影响较大，则要把封头壁厚适当增加些。例如，封头直径较大而壁厚较薄刚性较差，不足以承受搅拌器操作载荷；因传动装置偏载而产生较大弯矩（如某些三角皮带传动）；搅拌操作时轴向推力较大或机械振动较大；由于搅拌轴安装位置偏离罐体几何中心线或者由于搅拌器几何形状的不对称而产生的弯矩等等。必要时也可在搅拌罐罐体之外另做个框架，将搅拌装置的轴承安装在框架上，由框架承担搅拌器的操作载荷。对于常压或者操作压力不大而直径较大的设备，顶盖常采用薄钢板制造的平盖，即在薄钢板上加设型钢（槽钢或工字钢）制的横梁，用以支承搅拌器及其传动装置。型钢应满足下列强度条件：a (kgf/cm2) (4-5)式中：mmax单根型钢承受的最大弯曲力距( kgfcm) w型钢的抗弯模量（从材料手册中查取）( cm3)。 l同时，型钢的挠度也不应忽略。对于载荷作用在型钢长度方向中间处的情况，最大挠度按下计式算：。 (4-6)式中：p一单根型钢所承受的载荷(kgf)。 l型钢的长度(cm)e材料的弹性模量（kgfmm2），j型钢的截向惯性矩（从材料手册中查取）(cm4)二、底座结构 底座焊接在罐体的顶盖上，用以连接减速机和轴的密封装置图4-2(a)(f)为整体式底座，图4-2 (g)、(h)为分装式底座。各种型式底座的特点如下： 图(a)：底座与封头接触处做成平面，加工方便简单。底座外周焊一圆环，与封头焊成一体。该结构在设计中采用较多。 图(b)：底座与封头接触处为平面，其间隙中间垫一适当直径的圆钢后，再焊成一体。 图(c)：在底座的底面车成一斜面约15度，使外周与封头吻合，然后焊成一体。 图(d)：底座底面的曲率做成与封头相应部分外表面的曲率相同，使底向全部与封头吻合。在加工中不易做到，一般很少采用。 图(g)：适用于衬里设备。衬里设备也可使用图(a)-(d)所示底座，亦可如图(e)那样用衬里层包覆。图(f)，适用于碳钢或小锈钢制设备。加工方便，设计中采用较多。 图(g)：加工方便。 图(h)：加工困难，设计中不宜采用。 为了保证既与减速机牢固连接又使穿过密封装置的搅拌轴运转顺利，要求轴的密封装置与减速机安装时有一定的同心度，为此常常采用整体式底座。如果减速机底座和轴封底座的直径相差差很多，做成一体不经济，则可采用分装式底座。 视搅拌罐内物料的腐蚀情况，底座有衬里和不衬里的两种。不衬里的底座材料可用q235b或q345r。要求衬里的，则在可能与物料接触的底座表面衬一层耐腐蚀材料，通常用不锈钢。为便于和底座焊接，车削应在衬里焊好后进行。4.4 传热部件的结构及强度计算4.4.1夹套 在罐体外侧，以焊接连接或法兰连接的方法装设各种形状的钢结构，使其与罐体的外表面形成密闭的空间，在此空间内通入载热流体，以加热或冷却物料，维持物料的温度在预定的范围内，这种钢结构件统称之为夹套。根据夹套结构型式的不同，可分为多种类型。图4-3是石油化工行业使用较多的几种结构型式。据资料设计全书推荐，各种类型夹套的适用范围见表4-2。图4-3表 4-2 各种类型夹套的适用范围夹套型式温度（）压力（kgf/cm2）整体夹套350300616半圆管夹套2801064型钢夹套225625蜂窝夹套2502540 (一)整体夹套 搅拌罐上采用最多的夹套型式是整体夹套，由于应用广泛，工程上习惯简称为夹套。这种夹套是在罐体的外面再套上一个直径稍大的容器。结构简单方便，基本上不需要维修。缺点是换热面积受到罐体几何形状的限制而不能做得太大。1 整体夹套的结构类型 按照对罐体的包覆程度，夹套可分为4种类型(图4-4)。图4-4 1)型仅圆筒的。部分有夹套，用在需要加热面积不大的场合。 2)型为圆筒的一部分和下封头包有夹套。这种夹套是常用的典型结构。图4-5 3)型是为了减小罐体的外压计算长度（当按外压计算罐体壁厚时）l，或者为了实现在罐体的轴线方向分段地控制温度、进行加热和冷却而采用的分段夹套，各段之间设置加强圈或采用能够起到加强圈作用的夹套封口件。此结构适用于罐体细长的场合。 4)型为全包覆式夹套。与前3种夹套比较，具有最大的换热面积。 2整体夹套的尺寸及连接型式 整体夹套和罐体有2种连接型式，即不可拆卸式和可拆卸式，分别见图4-5及图4-6。图4-6不可拆卸式夹套的结构简单，密封可靠，主要适用于碳钢制的搅拌设备。如果罐体材质是不锈钢而夹套为普通碳钢时，应在结构的处理上避免不锈钢罐体直接与碳钢件焊接，以防止在焊缝处渗入过量碳元素使不锈钢产生局部腐蚀如图4-5 (a)、(b)、(h)等。 图4-5中的（a）、(g)、(h)是常见结构，设计中采用较多，(g)适用于椭圆封头和碟形封头，(i)适用于锥形封头。图（c）适用于图4-4中采用加强结构的3型夹套，夹套中的压力不能过高，只可用到0.8mpa，中间加强圈可如图中所示开孔，将两层夹套连通。此结构不能吸收温差应力。图(d)的封口环板对罐体有一定的加强作用，并且封口环板与夹套筒体的焊缝连接处应力集中较小。缺点是不便于加工。图(e)和(f)以设备法兰兼作封口环，用于顶盖要求能够拆卸的设备。图(i)的夹套下端封口件为一圆筒，也可以做成锥形筒，加工较方便，强度较图( g)稍差。图(k)的加工最为简单，但接管与罐体下封头的焊缝检修困难，不宜用于夹套内压力较高、夹套内与罐体中两种流体不容混淆及两者温度差较大的一些重要场合。图(l)的结构会使夹套上部封口环产生较人的弯曲应力，具体情况将在下面讨论。表4-3 表4-4可拆卸式夹套的连接结构，用在操作条件较差，以及要求定期检查罐体外部表面或者要求定期清洗夹套内污垢的场合。此外，对于用铸铁或其它金属制造的罐体不能与夹套直接焊接时，均可采用可拆卸式连接结构的夹套。 夹套直径di可根据罐体直径的大小按表4-3给出的数值选用。 图4-5 中(g)、(h)、(i)、(j)的尺寸dmin，根据接管尺寸的大小可按表4-4确定。 3整体夹套的应力 在长期生产实践的基础上，有关整体夹套强度理论的研究，国内外都做过大量工作，这里介绍文选27供设计者参考。由于夹套内流体压力的作用，夹套封口环处会产生局部应力，其数值的大小根据夹套的结构和安装方法而有所差异。按图4-7（a）所示的结构安装，作用于封口环处的轴向负荷较小；若按图4-7（b）所示结构安装，则夹套中的流体压力能将罐体沿轴线上推，在封口环处将产生很大的弯曲应力。在r=r/d=0.06 -0. 24t=t/d=0.002-0.03范围内，此应力的近似计算如下式：n p/s=10.7r-o.25(0.007) rt-1.34r+1.72 式中，r、d、t见表4-7中夹套的尺寸，n是塑性破坏的安全系数，s是夹套材料的屈服极极限。所以，np是表示此刻夹套的理论极限压力。据此所做的各种尺寸的夹套实验应力值列于表4-5中。表 4-5 夹套在实验值容器序号12345678尺寸（mm）drt250454250154250603250253250456250156300456400604材 质aipo-oaipo-oaipo-oaipo-oaipo-oaipo-oss41ss41材料的屈服极限极限压力的理论值极限压力的实际值弹性屈服压力(kgf/mm2)6.309.409.004.206.3011.310.05.106.105.705.002.076.106.706.102.466.2016.716.16.586.2021.918.09.9428.761.256.032.128.720.820.013.9(kgf/cm2) 整体夹套的结构及强度可按下述关系进行考虑。 (1)当夹套按图4-7(a)所示结构安装时，封口环的板厚可与夹套筒体的板厚相等 (2)当夹套按图4-7(b)所示结构安装时，罐体与夹套间可采用拉撑件（即选用蜂窝型夹套），由于夹套中流体压力产生的轴向载荷为罐体所支承，故封口环的板厚也可取与夹套简体的板厚相等。 (3)如果夹套按图4-7(b)所示结构安装，同时考虑由于搬运和安装有可能产牛外力或者其它理由而将夹套的筒体特别加厚了，在夹套筒体上产生的轴向应力只为许用应力的1/2以下时，封口环的板厚亦可与夹套筒体的板厚相等。 (4)当夹套按图4-7(b)所示结构安装，夹套筒体上产生的周向应力大于许用应力的l/2时，必须将封口环处的结构加强或将封口环板加厚。此时封口环板的厚度应力小于按许用应力1/2所算出的灾套筒体厚度。 同时应注意，封口环与罐体连接的焊缝必须给予特殊考虑。为了增大连接点的强度，必须规定焊缝完全焊透。 4 夹套封闭构件的设计计算5整体夹套附件 (1)进口接管 整体夹套的出口接管结构和一般容器一样， 不需要进行特殊处理。进口接管则因为夹套与罐体之间的距离较小，为了防止载热流体直接冲刷罐体外表面，影响罐体的局部强度，进口接管应采用侧开口或在夹套内安装挡板，如图4-8。其中图(a)为进水管，一般布置在夹套底部；图(b)为进气管，常布置在夹套的顶部。设计时应注意，进水管或蒸汽挡板的开口面积不得小于接符通道横截面秘。图(b)挡板的开口可按需要做成向下或向左右方向进气。图4-8为了全部放出夹套中的空气和惰性气体，使载热流体完满整个夹套套间，可以以安装排气口。排气口的结构如图4-9。图4-9(3)螺旋导流板 导流板采用扁钢在罐体圆周上按一定螺距绕制而成，采用与罐体双面交错焊。为了减少载热流体走短路，要求导流板与夹套内壁的间隙越小越好。如果夹套中用水蒸气作为热载体，导流板不能起到强化传热效果，故不必设此装置。导流板的结构如图4-10。 (4)喷嘴 喷嘴由铸铁制成，为了减少摩擦阻力，可在喷嘴内搪瓷。图4-11是dg50的喷嘴结构，图4-11是喷嘴的装配图。图4-10图4-11图4-12图4-13为了提高传热效果，装配时应注意将喷嘴的出水口方向（即法兰外缘箭头指示方向）与搅拌器的旋转方向相反。 （二）半圆管夹套 i半圆管夹套的结构半圆管夹套可以采用单头或双头螺旋线，其结构如图4-13。 图4-13(a）所示结构焊接可靠，焊缝易于检查，实际中采用较多。焊接的前半圆管上要开坡口，并且要求与罐体完全焊透。相邻半圆管之间外表而的距离不得小于2倍的半圆管壁厚。缺点是焊缝集中于罐体上，容易引起罐体变形 某厂采用图4-13(b)的结构在两个半圆管之间垫一圆钢或钢焊丝，用束避免半圆管与罐体直接焊接的焊缝太多而引起的罐体变形，但相邻半圆管有短路存在，所以每隔34圈要有1 圈直接与罐体焊接。这种结构夹套焊缝的焊接质量很难保证，发生渗漏时检修也根困难，设计中尽量不要采用。 图4-13(c)所示的结构是最近几年来采用的新型半圆管夹套，与前两种夹套比较，这种夹套与罐体焊接的焊缝较少，并且能够得到最大的换热面积。由图4-13看出，半圆管缠绕在筒体上的加工还比较方便，如果用同样的方法往封头上装焊就比较困难了。封头上宜采用整圆钢管盘绕在上面，与封头焊好。盘管结构如图4-14使用实例见表4-2中的插图。图4-14 2半圆管夹套及筒体的强度计算 半圆管夹套的壁厚按下式计算： (mm)(4-7) 式中半圆管夹套与筒体焊接的焊缝系数=0.8。 根据强度条件，在考虑半圆管夹套内有效压力的同时考虑弯曲应力，设备筒体的壁厚按下式计算： （mm）(4-8) 根据稳定性条件，筒体受外压作用的壁厚按下式计算：（mm）(4-9)式中：； b-焊在简体上半圆管的宽度(mm)，b=2(ri+sj)。 筒体的厚度取式（4-8）和式(4-9)中的较大值， 以上计算适用于图4-13 (a).（三）型钢夹套 图4-15是几种型钢夹套的结构，其中a）、(b)、(c)是用型钢在罐体外面缠绕并焊在罐体上。一般多采用角钢。这种夹套的刚件较大，但制造上比较麻烦。带有缠绕式型钢夹套的筒体壁厚按下式计算图4-15 （mm）(4-10)式中： t一焊在筒体上的型钢宽度(见图4-15)(mm)； a-常数，用于这种场合时推荐a=0.187。 图4-16(d）用于夹套中压力不高、罐体强度足够，且又能满足加热要求的场合。它的特点是加工简单方便。（四）蜂窝夹套 装有整体夹套的罐体，在夹套内流体压力的作用下有失稳的危险，无论从经济性或从可靠性的角度考虑，夹套内流体压力都不能过高。蜂窝夹套是以整体夹套为基础，采取某种加强措施来加强罐体的外压稳定性，以既节省材料又能提高夹套间的承压能力。常用的蜂窝夹套有两种型式：图4-16(a)为折边式，即把夹套向内折边，与罐体贴合并焊好，夹套及罐体的的尺寸可参照表4-8。图4-16（b）、(e)为拉撑式，分别用冲压的小锥体和钢管做拉撑体。蜂窝夹套的焊接点在简体上可按正三角形布置或按正方形布置；在封头上按同心圆布置。这种夹套的缺点是，夹套不能取标准直径，使封头的制造受加工条件的限制，同时这种夹套制造，上也较麻烦； 折边式蜂窝夹套设备的强度计算如下： 1罐体的筒体和封头壁厚按下式计算： (mm) (4-11)式中：t一一蜂窝的间距(mm)，见图4-17(a)图4-16表 4-6 折边式蜂窝夹套规格dgdjdvdmintmaxrkpg25pg32pg40ss1s2s3ss1s2s3ss1s2s3（mm）70080090010001200140016001800200022002400260028003000770870970107012701470167018802080228024802680288030807070701001001001001001251251251501501501601601602202202202202202602602603003003001201201201201201401401401401401401401401403030303030353535353535353535555555555565656565656565656510101010101212121212141414141212121212141414141414141416888888881010101010101010101010101010121212121416121212121214141414141416161612121214141616161616161616168888810101010101010101210101010101212121212121214161414141414161616161616161618141414141416161618181818181810101010101212121212121212121212121212121212121212121416 2夹套的壁厚按下式计算； sj=0.7(s-c2) +c (mm) (4-12)式中：c2罐体的腐蚀裕度(mm)； c-夹套的壁厚附加量(mm).4.4.2蛇管 （一）蛇管规格在搅拌设备中，经常使用蛇管作换热器。苏联现在已将蛇管的尺寸系列化。蛇管允许的操作温度范围是：- 30+250，公称操作压力系列为：4、6、10、16 kgf/cm2。 常用的蛇管结构有：无集管的单组单列蛇管(图4-17 (a)无集管的单组双列蛇管(图4-17(b)和有集管的八组蛇管(图4-19)图4-17 蛇管的尺寸列于表4-7中，此表分为3个区，其中：图4-18 (a)适用于公称容积为1-50m3的各种搅拌罐，图4-17(b)适用于公称容积3.2-10m3的各种搅拌罐，图4-18图4-18适用于公称容积1650m3的各种搅拌罐。 （二）蛇管固定件 如果蛇管的中心圆直径较小或圈数不多、重量不大时，就利用蛇管的进出口固定在顶盖上，不再另设支架固定蛇管。当蛇管比较笨重或搅拌时有振动，则需安装支架以增加蛇管的刚性。一般带有搅拌装置的设备均需安装蛇管固定件，常用的结构如图4-20。 (a)型制造方便，缺点是拧紧螺栓时易偏斜，故难以拧紧。可用于操作时蛇管振动不大及表 4-7 蛇管的规格尺寸vdgd1hd1d2d3h1h2d2d3(m3)（mm）1100080045057不制造2140010003.21600122054010206305751800138045011805406.31350108089108012158910220016709451400162400180015009905725280020008101900117032300021001440502250图4-19管径较小（推荐40 mm以下）的场合，弯曲圆钢的直径宜用810 mm。 (b)、(c)型都能很好地固定蛇管 (b)型较简单）。u型螺栓的直径在管径为事57mm以下时，可用810mm，在管径为6089mm时，可用io12 mm。如系小锈钢制螺栓，为了便于冷弯则应采用较小值（热弯则要求热处理）。 (a)、(b)、(c)型在每一个支柱上的弯钩或u型螺栓，一般可以隔一排蛇管设立一个。对于操作时振动根小或蛇管中心圆直径较小（如800 mm以下）的蛇管，可以隔两排或更多排设立一个。 (a)、（b）、(c)型的角钢支柱，根据拧紧螺母的方便及操作的要求可放在蛇管的内侧或外侧。一般情况下，蛇管直径3257mm的支柱尺寸推荐按表4-8选用。表4-8蛇管支柱尺寸表4-8蛇管支柱尺寸蛇管中心圆直径（mm）支柱数碳钢角钢规格180020001200170080011005007003333l758l656l505l405250可不设立支柱图4-20 (d)型适用于盘管密排的搅拌设备中兼作导流筒的情况。 (e)型常用于不锈钢设备中，可以不必弯制不锈钢角钢立架，搅拌时不会象角钢支架那样在角钢处产生局部阻力，影响物料流动及传热。 (f)型为不锈钢设备的一个设计实例，结构比较简单，流体阻力也不大，工作牢固可靠，适用于有剧烈振动的场合。 因为蛇管本身有一定的重量，且进出口与罐体相连，因此，除有强烈搅拌或剧烈振动之外，一般情况支柱不必与设备筒体或下封头固定连接，以便于装拆。 (三)蛇管进出口结构 蛇管进口一般都设置在顶盖上，有时考虑结构上方便也可设置在筒体上。常见的进出口结构如图4-20。 （a）型用于蛇管与封头可以一起抽出的情况。 (b)型用于蛇管需要经常拆卸，而罐体内空间又允许装拆管法兰的情况。但所川的法兰及螺栓材质应耐介质腐蚀。 (c)型结构简单，使用可靠。需拆卸接头时，可在罐体外面短节的焊缝处割断，装时再焊上。 (d)型为有衬里设备的蛇管进出口结构。 (e)型进出口与顶盖采用填料函式密封。一般设计中采用较多。法兰与蛇管管口的连接见节点图所示的两种结构型式。 (f)型适用丁常压设备。在接管出口端一段管上焊一节直径d1的小圆筒，d1要大于d2.接口法兰采用对开式，两层法兰的对接开口相互错开，将法兰拆开取下后，蛇管即可抽出。4.5 工艺接管及观测部件4.5.1加料管 搅拌设备的加料管一般都是从顶盖引入。加料管下端的开口截成45度角，开口方向朝着设备中心，以防止冲刷罐体根据需要可按图4-22选择加料管结构。 (a)型加料管伸进罐体内，可避免物料沿罐体内壁流下，使罐体或设备法兰的密封面受到局部腐蚀。 (b)型加料管能够抽出，用于易磨蚀、易堵塞的物料，清洗和检修比较方便。图4-21 (c)型加料管的内管为不锈钢制造，适用于物料有腐蚀性的情况。 (d)型加料管下端浸没在物料中，町减少进料冲iii液面而产生汽池，有利于稳定液面，并起液封作用，气液吸收效粜较好。管上开小孔是为了防止虹吸现象。4.5.2压出管 由于化学反应的物料时常是强腐蚀性和有毒性的物质，反应后物料输送需要用特殊结构和村质的泵这种泵一般不容易取得，所以物料的输送往往采用气体输送法，即采用压缩空气或其它压缩气体（常用氮气），把反应后的物料压送到下一道工序的设备中去，或者利用承受设备抽真空，靠搅拌设备里的大气压力把物料压送到与其并列或高于它的设备中去，此时宜采用压出管。压出管穿过顶盖要进行密封，密封处的结构可参照图4-21的蛇管进出口结构。为了减少搅拌时引起晃动，在罐体内要用管卡或挡板将压出管进行固定。当罐体的顶盖与筒体焊在一起时，压出管可采用图4-23(a)所示结构，罐体内使用活动管卡。为了检修压出管，必须留有人孔。如果压出管小镒婴检修，则可将其直接焊在顶盖上，在罐体内使用固定管卡。当罐体的顶盖采用可拆式连接，压出管可按图4-23（b）所示结构，拆卸顶盖时可将压出管切开，安装时装上顶盖后再焊上，并把短管焊死密封。压出管的下部应与封头内壁贴合，使它装入设备后，下端管口安置在罐体的最低处，以便全部压出罐内物料。为了加大压出管入口截而，下口可截成4560度角（见图4-23）。图4-224.5.3卸料管图4-23 搅拌设备的卸料管也和一般容器一样，应放在罐体的最低处。当罐体外面焊有不可拆卸的整体夹套时，卸料管的结构如图4-5(g)(k)。当罐体外面安装可拆卸的整体夹套时，卸料管的结构如图4-6(e)(g)。如果采用放料阀卸料时，罐体底部可直接焊接放料阀的凸缘，以代替卸料管。4.5.4温度计套管 搅拌设备里物料的温度主要利用放在套管中的长温度计或热电偶来进行测量。这类套管是用钢或铸铁做的一端封闭的管子。为了建立良好的传热条件，可在套管里注入一螋机油或其它高沸点液体，然后插入温度计或热电偶（其结构如图2-23）。 当设备搅拌粘度很高的物料时，温度计受到很大的弯曲力矩，为了防止管子被折断或弯曲，铸铁制的套管上都要做得厚一些，而钢制的套管则要在管外再套上几层短管并与套管焊接，以提高其抗弯能力。除最里层的套管外，其他各层套管都要钻平衡孔，使套管夹层中的气体与大气连通(图4-23)。4.5.5保温视镜 设备在高温操作时，由于内外温度差较大，容易在视镜镜片的内表而结露而妨碍视线，此时可采用图4-25所示结构，安装两块镜片，使中隔层中的空气图4-24被周围的蒸汽加热，减少每块镜片的内，外温度差，从而防止在镜片上结露。如果在操作过程中视镜容易挂泡沫或物料而影响观察时，可如图中右侧装设冲洗管。4.5.6保温接管有些物料冷却后易于凝结，要求进出设备的接管保持一定温度，这时接管的外面常焊装保温套。保温套中的加热流体可以和设备夹套连通，也可以单独加热。例4-26是两个带保温套接管的设计实例。4-254.5.7 仪表开口仪表接管与釜体的安装都用插入式，处于常低压条件下采用单面或双面角接焊、否则采用开坡口的单面或双面焊。常用的几种仪表接口结构见表4-9温度计应深入料液中，由于受到料液的冲击，常采用多层套管加强保护，其结构见附表表4-9 常用典型仪表接口管结构尺寸类别压力计液面计温度计玻璃板型玻璃管型热电型玻璃管型开口尺寸15mm20mm20mm40mmm272联接形式pg1.6mpa,螺纹g12pg1.6mpa , 法兰法兰螺纹pg1.6mpa,平焊法兰pg2.5mpa,凹凸面对焊法兰螺纹4.5.8视镜、人孔、手孔及开孔补强为了观察釜内反应情况，常在釜顶设置两个视镜，一个供观察用，另一个供照明用。因为釜内有搅拌轴，两个视镜不安装在对角线上。视镜结构或尺寸见附表20，不宜把视镜直接焊于设备上或容器外部有保温层时应采用带颈视镜。釜体直径大于900mm可开设人孔，若直径较小则应开设手孔。釜顶上开孔很多，有的直径较大，它们的开设位置应合理地布置在以封头回转轴为中心的0.8di范围内以避开应力集中区。较大的开孔对顶盖强度的削弱较大，应作开孔补强验算。有关内容也可参阅钢制压力容器（gb1502012）4.5.9支座反应釜常用立式容器的悬挂式支座可选用标准jb116581，教材6p338表16-18表16-20为部分镜录。夹套外带有保温层时应采用b型（长脚）支座。支座型号按反应釜的总重量选择，其总重量还应包括釜内（夹套内）料液重量及保温层重量。每台釜常用4个支座，但作承重计算，考虑到安装误差造成的受力情况变坏，应按两个支座计算。4.5.10安全装置搅拌设备内往往进行化学反应等过程。如果操作反应过程可能产生压力增大时，则必须设置安全装置，一般安装安全阀。如果工作介质粘度高，腐蚀性强，是安全阀难以可靠地工作时，应安装防爆膜，或采用防爆膜与安全阀共用的重叠式结构。常用的弹簧式安全阀与防爆膜如图4-26、图4-27所示。（a）有提升把手 （b）无提升把手， 及上下调节圈 有反冲盘及下调节圈图4-26 弹簧式安全阀 图4-27 防爆膜装置安全阀与防爆膜的排放口必须装设放空导管，将易燃、有毒的介质排空或引送到安全地点。有关搅拌设备上的安全阀及防爆膜的计算和选用，可参阅国家劳动总局颁布的压力容器安全监察规程和遵循gb15089钢制压力容器要求。弹簧式安全阀可参阅化工设备标准手册或附表25。4.5.11 搅拌轴设计根据轴上安装零件及其他结构上的要求计算所得的周径还需适当增大5%15%，通常还的再增加24mm的腐蚀裕度，最后把确定的直径尺寸再圆整到搅拌轴的标准直径系列（见表4-10）。表4-10 搅拌轴的标准直径系列轴颈装滚动轴承：末位数为0或5装滑动轴承：20,22,25,28,30,35,38,40，递增5110轴头装夹壳联轴器、搅拌器、填料箱：30,40,50,65,80,95,110搅拌轴采用空心轴时，则须将实际传递的功率p除以b值后，得一较大的p值代入轴径估算式（da3pn）b值可按表4-11查取:表 4-11周内径/周外径1/41/31/21/1.61/1.41/1.25b0.99610.98770.93750.8470.730.59轴长的搅拌轴可分段制造后用联轴器联接起来，以便于加工和安装。与凸缘、夹壳式或弹性块等联轴器配合的轴头结构或者联接搅拌轴的轴头结构按相应的联接要求而定。搅拌轴有时可利用减速器内的一对轴承支承，但当搅拌轴较长时，轴的刚度较差，为保证搅拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂长度l1、轴径d和二轴承间距b（见图4-28图4-28）还需满足下述条件：l1/b45；l1/d4050若轴封处能起支承作用，上式中b算至轴封处，当d的裕量较大、搅拌器经过平衡的或者轴的转速较低时，l1/b及l1/d取偏大值，否则取偏小值。当不满足上述条件时，可增大d和b，或增设中间轴承或低轴承。但因釜内轴承的工作条件差，检修也困难，因此一般条件下不主 图46 搅拌轴支承尺寸 张在釜内设置轴承。4.5.12反应釜的传动装置反应釜传动装置的设计包括减速机的选型、选择联轴器、选用或设计机座和底座。常用的釜用立式减速机类型有谐波减速机、摆线针齿行星减速机、两级齿轮减速机和三角带减速机等并以标准化。按照教材6表188釜用立式减速机总系列，根据搅拌功率和转速选择电动机和减速机，使得减速机的输出功率不小于搅拌功率。搅拌机的输出功率等于电动机的额定乘以减速机的效率，常用的摆线针轮或圆柱齿轮减速机的传动效率大于0.9。选择电动机和减速机的型号后，再由标准或手册查的各项尺寸。注意搅拌器轴径应与减速机输出轴的的直径相同，以便联轴器的选用，并验算联轴器的许可扭矩值。有关计算参阅本章设计举例。机座是安放减速机用的，它与减速机底座尺寸要匹配。三角带减速机自带机座，选其他类型标准釜用减速机要按标准选配机座。ja型（不带支承）机座适用于釜传来的轴向力不大的场合，减速机输出轴联轴器型式为夹壳式（hg21365），或刚性凸缘联输器（zb12173）。其结构尺寸见教材6图1828和表1810。当釜传来的轴向力较大时选jb型机座，减速机输出联轴器为弹性块式联轴器（hg574378hg574878）。搅拌轴必须在釜内或轴封的填料箱中设置支承，其结构尺寸见教材6图1829和表1810。上述标准系列机座如不适合使用时，也可自行设计，其结构可参照标准结构按实际需求设计。按机座下端尺寸配置的底座焊在反应釜的顶部封头上，因轴封装置的定位安装面可在底座上，所以底座的设置保证了机座与减速机轴、轴封装置的同心要求。底座的结构相当于设备的凸缘，底座与封头的焊接结构如图4-29所示。底座应另出件工作图。图4-294.5.13反应釜的轴封装置反应釜的轴封装置属于动密封装置，主要有填料箱密封和机械密封两种类型，他们都有标准系列，设计时直接选用即可。对无毒、非易燃、非易爆介质常选用结构简单的填料箱密封。填料箱标准系列可见hg521481hg521981，其主要类型如图48所示。对于搅拌轴较长，或搅拌轴虽短但上部支承不很稳定的，可选用带衬套的填料箱（可起支撑作用）。否则可选用油环填料箱。为防止润滑油漏入料液中，常在填料箱底部和搅拌轴上设置贮油杯，如图49所示，以承接顺轴漏下的润滑油，然后靠釜内压力把油排出釜外。对操作温度t100或轴速度v1m/s时，常采用带冷却水套的填料箱（图48（c）。而常压填料箱（图48（d）的工作温度由填料材质而定，一般不得超过300。图4-30 填料箱（a）带衬套 ；（b）带油杯；（c）带水套；（d）常压填料箱 图4-31 贮油杯机械密封被广泛应用于转轴动密封上，它的密封力是依靠弹簧压紧东动环和静环而产生的，因其密封力基本上可保持不变，密封效果要明显优于填料箱密封。但其加工要求较高，装拆不太方便。机械密封的类型也很多，化工部制定的釜用机械密封标准系列及有关产品型号标记可参见教材6表1814表1817及标记系列，对常低压情况可直接加工以选用，向厂家购货。4.6搅拌设备的传热 在容器中对被搅拌的液体进行加热或冷却是化工过程中一个经常遇到的操作，这对于在被搅拌的液体中进行化学反应尤为重要。化学反应过程常伴有放热和吸热反应，而且常常需要先加热促使化学反应的进行，一一_日反应开始往往义需要冷却，调节温度维持反应条件，直到反应完毕又需散热。因此，反应釜必须配备有加热和冷却的装置，以维持最佳的工艺条件，取得最好的反应效果。而混合的快慢，它的均匀程度和传热情况都会影响反应结果。4.6.1传热方式 反应器的加热和冷却有多种方式。可在容器的外部或内部设置供加热或冷却用的换热装置，例如在容器外部设置夹套，在容器内部设置蛇管、换热器等。 一般用得最普遍的是采用夹套传热的方式。一、夹套传热 传热夹套一般由普通碳钢制成。它是一个套在反应器简体外面能形成密封空间的容器，既简单又方便。夹套上设有水蒸气、冷却水或其他加热、冷却介质的进出口(如果加热介质是水蒸气，则进出口管应靠近夹套上端，冷凝液从底部排出；如果传热介质是液体，则进口管应安置在底部，液体从底部进入，上部流出，使传热介质能充满整个夹套的空间。有时，对于较大型的容器，为了得到较好的传热效果，在夹套空间装没螺旋导流板，以缩小夹套中流体的流通面积，提高流体的流动速度和避免短路，但结构较为复杂一些。当釜直径较大或采用的传热介质压力较高时，又常采用焊接半圆螺旋管或螺旋角钢结构，以代替夹套式结构。这样，不但能提高传热介质的流速，改善传热效果，而且能提高反应器抗外压的强度和刚度。 为了提高传热效率，在夹套的上端开有不凝性气体排出口。夹套同器身的间距视容器公称直径的大小采用不同的数值，一般取25-100mm。 夹套的高度决定于传热面积fj而传热面积f是由工艺要求确定。但须注意的是夹套高度一般应不低于料液的高度，应该比器内液面高出50100mm左右，以保证充分传热。 根据装料系数则物料容积为v因此，夹套高度h可由下式来估计：式中：f-筒体横截面积(m2)； d一一容器内直径(m)； 一一装料系数： v一一容器容积(m3)； v封头容积(m3)。 通常夹套内的压力不超过1.0kgf/cm2，否则会使受外压的筒体器壁和夹套