过控专业课程设计夹套反应釜设计

目 录第1章 绪论11.1概述11.2搅拌器研究状况11.3搅拌设备研究中的主要难点以及解决方法11.4搅拌设备在工程技术上的特点1第2章 罐体几何尺寸计算12.1 确定筒体内径12.2 确定封头尺寸12.3 确定筒体高度12.4 夹套几何尺寸计算12.5 传热面积计算12.6 夹套反应釜的强度计算12.6.1 强度计算的原则及依据12.6.2 内筒及夹套的受力分析12.6.3 强度计算(按内压计算厚度)12.6.4 稳定性校核（按外压校核罐体厚度）12.6.6 水压试验校核1第3章 反应釜的搅拌装置13.1 选择搅拌器13.2 电动机额定功率的确定13.3 搅拌轴设计13.4 搅拌器强度设计1第4章 反应釜的传动装置14.1 选用电动机14.2 选用减速器14.3 凸缘法兰的选用14.4 选用安装底盖14.5 机架的选用14.6 联轴器的选用14.7 轴封装置1第5章 工艺接管及附件选用15.1 工艺接管15.2 人孔和手孔15.3 设备接口15.3.1 接管与管法兰15.3.2 补强圈15.4 视镜15.5 支座15.6 挡板1第6章 焊缝结构的设计16.1 釜体上的主要焊缝结构16.2 夹套上的焊缝结构的设计1参考文献1鸣谢错误！未定义书签。 第1章 绪论1.1概述搅拌反应器是化学工程和生物工程中最常见也是最重要的单元设备之一，适用于各种物性（如粘度、密度）和各种操作条件（温度、压力）的反应过程，广泛应用于合成塑料、合成纤维、合成橡胶等聚合反应，此外，也大量应用于医药、化工、食品、冶金、采矿、造纸废水处理等行业。一台夹套搅拌反应釜主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。 1.2搅拌器研究状况由于每一种搅拌器都不是万能的，都只在一特定的应用范围内才是高效的。近年来，许多国际混合设备公司竞相开发高效节能、造价低廉的搅拌器。通常在轴封、传动装置、传质传热搅拌方面有所突破，例如搅拌装置中典型的有A310、A315叶轮等。以美国莱宁（LIGHTNIN）公司开发A310搅拌器为例，其叶片由钢板按一定规律弯曲制成，不必使用铣或精密浇铸等成型工艺，三叶片可用螺栓固定或焊接在轮毂上，这样有利于大型搅拌器的制造和安装。尺寸较小时也可以铸造成型。这些搅拌器非常适合于均相混合、固液悬浮等操作。当用于固-液悬浮时，达到同样悬浮效果，A310叶轮比传统上使用的45斜叶涡轮要节能50%。其他还有A315，适合气液搅拌的发酵体系。1.3搅拌设备研究中的主要难点以及解决方法各种生产过程对搅拌往往有不同要求，有的过程要求通过搅拌起到混合和搅动作用。有的要求在搅拌作用下，使固体或液体中保持悬浮状态，这就要求搅拌器具有一定的技术特性，如一定的泵型式、尺寸、转速和功率等。还需要从经济的角度，考虑搅拌器及减速装置的设备投资费用和日常动力消耗的操作费用。对搅拌釜来说，依据物料的相态，可分为均相和非均相两类，非均相反应过程如悬浮聚合、乳液聚合，以及一些有固体催化剂的聚合体系。均相体系对搅拌的要求主要是使物料搅动，以提高传热和传质速率，并使物料混合均匀。非均相体系，除了上述的这些要求之外，还要求“分散相”在“连续相”中能保持稳定的均匀的分布。这就要求对搅拌装置进行不同的设计。在流体粘度较低，搅拌转速较高的情况下，容易产生漩涡流况。在漩涡存在时，轴向的循环速率常低于径向的循环速率，影响搅拌效果。还有一种情况值得注意，剧烈打旋的流体常引起往复冲动的浪涛，结合漩涡作用，对搅拌轴将造成起伏的冲击力。为了消除漩涡，通常采用在容器内安装挡板的办法。1.4搅拌设备在工程技术上的特点搅拌设备的设计依赖经验和实验、放大困难，并且它是机械与过程装备专业知识的集成，属于非标设备，随着工业的发展，根据工艺过程的要求，搅拌设备的研究朝着以下几个方向发展：材料耐腐蚀化、设备大型化、 设计智能化、控制自动化、制造工艺合理化。第2章 罐体几何尺寸计算 搅拌设备的罐体一般是立式圆筒形容器，由顶盖、筒体和罐底组成，罐底大多为椭圆形封头，必要时也可选锥形封头。顶盖选用椭圆形封头或平盖。罐底与筒体的连接常采用焊接连接。顶盖与筒体的连接形式分为可拆和不可拆两种，要求可拆时，采用法兰连接。2.1 确定筒体内径一般有工艺条件给定容积V、筒体内径按照式（2-1）估算： （2-1）式中 V工艺条件给定容积，： 高径比，（按物料的类型选取，见表2-1） 填料系数，取0.85表2-1 常用搅拌容器的高径比种类筒体内物料类型高径比i反应釜、混合槽、溶解槽液-液或液-固体系1-1.3反应釜、分散槽气-液体系1-2聚合釜悬浮液、乳化液2.08-3.85搅拌发酵罐气-液体系1.7-2.5由表2-1可取，根据式（2-1）得：圆整得： 2.2 确定封头尺寸椭圆封头选取标准件见图2-1，它的内径于筒体内径相同，标注椭圆封头尺寸查JB/T 4746-2002标准可知：曲边高度，直边高度，容积，内表面积。图 2-1 椭圆封头2.3 确定筒体高度反应釜容积通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度按照式（2-2）计算并进行圆整： （2-2）式中 封头容积，； -1米高筒体容积，/m。查表得：，再根据公式（2-2）得： 圆整得：2.4 夹套几何尺寸计算 夹套和筒体的连接长焊接成封闭结构，夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。夹套内径可根据筒体内径按表2-2选取得：表 2-2 夹套内径于筒体内径关系/mm500-600700-18002000-3000/mm+50+100+200夹套下封头型式同罐体封头，其直径与夹套筒体相同。夹套高由传热面积决定，不能低于液料高。夹套高按式（2-3）估算： （2-3）将值代入式（2-3）得：，圆整取。2.5 传热面积计算 夹套所包围的罐体表面积（筒体表面积+封头表面积）一定要大于工艺要求的传热面积,即： （2-4）式中，（1米高的筒体内表面积）查表得：，由式（2-4）求出：，所以满足换热要求。2.6 夹套反应釜的强度计算2.6.1 强度计算的原则及依据强度计算中各参数的选取及计算，均应符合钢制压力容器的规定，强度计算应考虑以下几种情况。（1）圆筒内为常压外带套时当圆筒公称直径时，被夹套包围部分的筒体按外压（指夹套压力）圆筒设计，其余部分按常压设计；（2）圆筒内为真空外带夹套时当圆筒公称直径时，被夹套包围部分的筒体按外压（指夹套压力）圆筒设计，其余部分按真空设计；当圆筒公称直径时，全部筒体按外压（指夹套压力）筒体设计；（3）圆筒内为正压外带夹套时当圆筒公称直径时，被夹套包围部分的筒体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。当圆筒公称直径时，全部筒体按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中最大值。2.6.2 内筒及夹套的受力分析 工艺提供的条件为：釜体内筒中工作压力为，夹套内工作压力为，则夹套筒体和夹套封头承受内压：而内筒的筒体和下封头既承受内压，同时又承受外压，其最恶劣的工作条件为：停止操作时，内筒无压而夹套内仍有蒸汽压力，此时内筒承受外压。2.6.3 强度计算(按内压计算厚度) 罐体和夹套材料选用,设计温度（容器内），（夹套内）；设计压力（容器内），（夹套内）。焊接接头系数取液柱静压力： 计算压力： 夹套内介质为谁蒸汽，故其液柱静压力可以忽略不计，则夹套的计算压力为：查表可知设计温度下，的需用应力为。筒体计算厚度由公式： (2-5)得，； 夹套计算厚度由公式： （2-6）得，； 筒体封头计算厚度由公式: （2-7）得， ； 夹套封头计算厚度由公式： （2-8）得， 取钢板厚度负偏差，腐蚀裕量：罐体为0，夹套，则夹套厚度附加量由公式： （2-9）得，； 筒体设计厚度由公式： (2-10) 得，；夹套设计厚度由公式： (2-11)得，；筒体封头设计厚度由公式： （2-12）得，；夹套封头设计厚度有公式： （2-13）得，。 对低合金钢制的容器，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于，若加上的腐蚀裕量，名义厚度至少应取。由钢材标准规格，名义厚度取为。所以： 筒体名义厚度： 夹套名义厚度： 筒体封头名义厚度： 夹套封头名义厚度：2.6.4 稳定性校核（按外压校核罐体厚度）（1）筒体名义厚度的计算取厚度附加量，假设筒体名义厚度，则筒体有效厚度：，筒体外径，筒体计算长度由公式： （2-14）得，系数,系数，,，许用外压力由公式： （2-15）得，。因此，名义厚度时，筒体能满足要求。（2）筒体封头的厚度计算假设筒体封头的名义厚度为，则筒体封头的有效厚度，封头外径。而系数由公式： (2-16)得，查得，许用外压力由公式： （2-17）得，。该假设满足要求，筒体封头名义厚度为。2.6.6 水压试验校核材料屈服点应力， 罐体试验压力： （2-18）得，；夹套水压试验压力： （2-19）得，。罐体内筒水压试验时壁内应力： （2-20）得，；液压强度足够； 夹套内压试验应力： （2-21）得，液压强度足够。第3章 反应釜的搅拌装置3.1 选择搅拌器搅拌装置由搅拌器、轴及其支撑组成。搅拌器的形式主要有：桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。本釜选用折叶桨式搅拌器。根据表 3-1 选择搅拌器参数：表 3-1 搅拌器的重要参数桨型常用尺寸常用运转条件常用介质粘度范围桨式叶片数折叶角叶端线速度小于根据条件选取得；，得；选取折叶角。 桨式搅拌器与轴的连接常用螺栓对夹。当轴径时，应加紧定螺钉；当时，加穿孔螺栓或圆柱销固定。桨式搅拌器的主要尺寸见表 3-2。 表 3-2 桨式搅拌器的主要尺寸/mm螺栓螺钉E质量不大于数量数量35030M122110401208531.770.014001.935004012501401003.380.025503.62600601104.590.025700504169045410.420.0585012.110.075950M16M1615013.5711001207020.95注： 计算功率； 搅拌器每分钟转速，；搅拌器桨叶强度所允许的数值，其计算温度2003.2 电动机额定功率的确定填料密封功率损失约为搅拌器功率的10%或至少0.368KW，而机械密封的功率损失仅为填料密封的10%-15%。在此选用机械密封，其功率损失约为0.184KW。选用带传动，机械效率=0.95.则有0.184KW, =0.95,故电动机功率由公式： （3-1）得，式中 轴功率，。为了安全生产，选用。 3.3 搅拌轴设计 搅拌轴可用实心或空心直轴，碳钢材料常选45钢，有防腐或防污染要求的场合，应采用不锈耐酸刚。其结构形式根据轴上安装的搅拌器类型、支承的结构和数量以及与联轴器的连接而定。（1）按转矩计算时。轴材料选用45钢，则选，实心轴直径： （3-2）式中 搅拌传递功率，； 搅拌轴转速，； 搅拌轴的需用切应力，见表3-1。可由式（3-2）得，。表 3-1 常用轴材料的许用切应力轴的材料Q235/20275/3545（调质）（退火）（调质）/MPa12-2020-3030-4040-5218-2440-5015-25 注：表中是考虑了弯曲等影响后的许用应力。转动中弯矩较小的取较大值，弯矩大的取较小值；轴径大的取较小值，轴径小的取较大值；操作条件好的取教大值，操作条件差的取较小值；采用20、35钢时可取较大值。（2）按刚度计算时。对于碳钢及合金钢;一般传动和搅拌轴的计算可选为，在此选。则搅拌轴直径： （3-3）式中 剪切弹性模量，对于碳钢及合金钢在精密稳定的传动中，可取；一般传动和搅拌轴的计算可选；对精度要求低的传动可选。由式（3-3）得，。；因此选择轴径。轴的转速不大于，故不需要计算轴的临界转速。3.4 搅拌器强度设计 搅拌器强度计算中的计算功率： （3-4）式中，查得由式（3-4）求得.作用在折叶桨表面上的液体阻力在折叶片根部I-I断面对主惯性轴x-x所产生的弯矩为： （3-5）由式（3-5）求得：。该断面的抗弯断面模量为： （3-6）取桨叶厚度，由式（3-6）得，。搅拌器强度计算中的安全系数，则弯曲应力： （3-7）由式（3-7）得，。因此搅拌器强度足够。第4章 反应釜的传动装置 反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。传动装置设置在釜顶封头的上部，器设计内容一般包括：电机、减速机的选型、选择联轴器、选用和设计机架和底座等。4.1 选用电动机 根据设计任务书的要求，选用选用三相异步电动机Y132M2-6,转速960r/min，P=5.5KW.4.2 选用减速器常用减速装置有齿轮减速器、涡轮减速器、V带以及摆线针齿行星减速器等。根据，电动机功率为5.5KW.查表 4-1可选择二级齿轮减速器 表 4-1 标注减速器的性能参数减速器类型转速范围/(r/min)电动机功率范围/KW类型代号特性参数谐波减速器4-160.6-13XB柔轮分度圆直径摆线针轮行星减速器16-1600.6-30BLD电动机功率、机型、减速比二级齿轮减速器125-2500.6-30LC中心距V带传动减速器320-5000.6-5.5PV带型号和根数4.3 凸缘法兰的选用 凸缘法兰一般焊接在搅拌容器封头上，用于连接搅拌传动装置，也可兼作安装、维修、检查用孔。根据介绍的耐蚀性，凸缘法兰可选用整体结构或衬里结构，密封面形式有突面（R或LR）和凹面（M或LM）两种，其中LR和LM为衬里结构的密封面形式。凸缘法兰可按HG-21564选用。本釜选用R型凸缘法兰，见图4-1、图4-2。图 4-1 R型凸缘法兰图 4-2 R型凸缘法兰结构详图 凸缘法兰的连接尺寸和结构尺寸见表4-2；凸缘法兰的密封面尺寸见表4-3。表4-2 凸缘法兰的连接尺寸和结构尺寸（mm）凸缘法兰公称直径DN螺栓质量Kg数量螺纹碳钢或整体不锈钢不锈钢衬里2502453953502803003665412M2022422628 表4-3 凸缘法兰的密封面尺寸（mm）公称直径R型M型25032033044.54.4 选用安装底盖 安装底盖采用螺柱等紧固件与凸缘法兰连接，是整个搅拌传动装置与容器连接的主要连接件。安装底盖的常用类型为RS和LRS型，其他结构（整体或衬里）、密封面形式（突面或凸面）以及搅拌轴的安装形式（上装式或下装式），按HG-21565选用。本釜选用ML型，见图4-3。图4-3 ML和MLS型安装底盖 安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同，选取时应注意与凸缘法兰的密封面结合。类型确定后，安装底盖的结构尺寸由安装底盖公称直径、机架公称直径和搅拌轴轴径三者确定。安装底盖的主要外形尺寸见表4-4。表4-4 安装底盖外形尺寸/mm安装底盖DN机架DNK螺柱孔螺纹孔S传动轴轴径螺纹孔数量数量数量250250395350122229040401101454M16 图 4-4 安装底盖、机架、凸缘法兰、轴封的组配 安装底盖、机架、传动轴、搅拌容器的组配见图4-4，尺寸见表4-5。表 4-5 安装底盖、机架、传动轴、搅拌容器系列组配/mm安装底盖DN机架公称直径DN搅拌容器DN传动轴轴径3040506070809010011012013014016025025025025070080010004.5 机架的选用 立式搅拌设备传动装置是通过机架安装在搅拌设备封头上的，机架内应留有足够的位置，以容纳联轴器、轴封装置等部件，并保证安装操作所需要的空间。大多数情况下，机架中间轴承装置，以改善搅拌轴的支撑条件。 机架下端采用螺柱与安装底盖连接，机架的公称直径一般等于或小于安装底盖的公称直径。安装底盖与凸缘法兰、机架和轴封有关系。 单支点机架的选用条件a) 电动机或减速器有一个支点，经核算可承受搅拌轴的载荷；b) 搅拌容器内设置地轴承，作为一个支点；c) 轴封本体设有可以作为支点的轴承；d) 在搅拌容器内，轴中部设有导向轴承，可作为一个支点的。 当按上述条件选用单支点机架时，减速器输出轴与搅拌轴之间采用弹性联轴器连接；当不具备上述条件而选用单支点机架时，减速器输出轴与搅拌轴之间采用刚性联轴器连接。本釜选用单支点机架见图4-5，其相关数据见表4-6，表4-7。图4-5 公称直径为250mm的单支点机架表 4-6 单支点机架尺寸机架公称直径传动轴轴径轴承型号机架质量2505029035039542545512/22750995268388462128393表 4-7 单支点机架的支点轴承间距L 单支点机架单支点机架公称直径200250300400500700支点间距4054355606307508594856206907508809604.6 联轴器的选用 联轴器是用来连接轴与轴或轴与其他回转件。传递运动和转矩的，可分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。凸缘式联轴器、夹壳式联轴器、焊接式联轴器和整体式联轴器均为刚性联轴器。 常用的电动机和减速器输出轴与搅拌轴之间的连接、都是通过联轴器连接的。常用的类型很多.选用凸缘联轴器（C型）见图4-6。其主要尺寸见表4-8。图 4-6 凸缘联轴器（C型）表4-8 凸缘联轴器（C型）主要尺寸/mm轴径d许用扭矩()许用转速/()质量/451557081169355196015.05051514.0与凸缘联轴器相配的轴头见图4-7，与凸缘联轴器相配的轴头尺寸见表4-9。图 4-7 与凸缘联轴器（C型）相配的轴头 表 4-9 与凸缘联轴器（C型）相配的轴头尺寸/mm传动轴轴径d454816681439.55044.54.7 轴封装置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以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；而且搅拌色设备由于反应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。填料密封结构简单、易于制造，在搅拌设备上广泛应用，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、泄露率低，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高压和真空设备。根据已知工况，选用机械密封，见图4-8。图 4-8 单端面平衡型机械密封2001型、2002型（带内置轴承）机械密封是把转轴的密封面从轴向改为径向，通过动环和静环两个断面的相互贴合，并做相对运动达到密封的装置，也成为断面密封。工程上按式（4-1）或式（4-2）近似计算转轴在机械密封中摩擦损耗功率值：单断面机械密封所消耗的功率近似值： （4-1）得，式中 机械密封功率消耗近似值，； 实心轴轴径或空心轴外径，mm。有关机械密封的外形尺寸见表4-10。表 4-10 机械密封外形尺寸（HG 21531-1995）轴径d螺柱孔(2001,2003,2004,2006,2008)不大于（2002,2005,2007）不大于封液进出口A、B/(“)50240210176820150230第5章 工艺接管及附件选用5.1 工艺接管 当夹套用作冷却时，冷却水从夹套的底部进入，由夹套的上部排出；当夹套用蒸汽加热时，蒸汽从夹套上部进入，由底部出口排出冷凝水。夹套接管结构见图4-9。 液体出料管a 液体出料管 b图4-9 过夹套的接管结构当夹套装设进气管时，为防止气体直接冲罐壁，可采取图示（图4-10）结构 a b c图4-10 夹套进气接管5.2 人孔和手孔手孔和人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。手孔直径一般为150-250mm，应使工人带上手套并握有工具的手能方便的通过。手孔和人孔的种类较多，且大部分有标准。当设备的直径大于900mm时，应开设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形两种。圆形手孔制造方便，应用较为广泛。人孔的大小及位置应以人进出设备方便为原则，对于反应釜，还有考虑搅拌器的直径，以便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入罐体内。本设计采用手孔，为带颈平焊法兰手孔，其主要尺寸见表5-1： 表 5-1 带颈平焊法兰手孔密封面形式公称压力MPa公称直径DN螺柱螺母螺柱数量直径长度突面（RF型）1.1150159285240222124160908165.3 设备接口化工容器及设备，往往由于工业操作等原因，在筒体和封头上需要开一些各种用途的孔。5.3.1 接管与管法兰接管与管法兰是用来与管道或其他设备连接的。标准管法兰的主要参数是公称直径（）和公称压力（）。管子的公称直径和钢管的外径关系见表5-2：表 5-2 管子的公称直径和钢管外径关系公称直径1015202540506580100125钢管外径1418256245577689108133公称直径150200250300350400450500600钢管外径1652192733253774264805306305.3.2 补强圈 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。补强圈就是用来弥补设备壳体因开孔过大而造成的强度损失的一种常用形式。补强圈形状应与被补强部分相符，使之与设备壳体密切贴合，焊接后能与壳体同时睡。补强圈上有一小孔，焊后同如压缩空气，以检查焊缝的气密性。补强圈的厚度和材料一般与设备壳体相同。5.4 视镜视镜主要用来观察内物料及其反应情况，也可作为料面指示镜，一般成对使用。其结构型式如图5-1。当视镜需要斜装或设备直径较小时，采用带颈视镜。本设计采用带灯颈视镜，主要尺寸见表5-3，材料见表5-4.图 5-1 视镜的结构形式表 5-3 主要尺寸/mm公称直径公称压力总质量，Kg防腐型防爆型防腐型防爆型1000.6180150842042645.77.7表 5-4 视镜材料件号名称数量材料件号名称数量材料1视镜玻璃1硼硅玻璃（）4压紧环12衬垫2石棉橡胶板5双头螺柱83接缘16螺母165.5 支座夹套反应釜多为立式安装，最常用耳式支座。标准耳式支座（）分为和型两种。当设备需要保温或直接支承在楼板上是选型，否则选型。本设计选B型。其主要尺寸见表5-5，其结构见图5-2。表 5-5 B型耳式支座主要尺寸支座本体允许载荷高度使用容器公称直径底板筋板垫板螺栓支座质量d螺纹30200700-14001601001050205110825020083030M248.3图 5-2 支座的结构形式每台反应釜常用4个支座，但承重计算时，考虑安装误差造成的受力情况变坏，应按照两个支座计算。（1）耳式支座实际承受载荷是近似算： (5-1) 式中 支座实际承受载荷，； 支座安装尺寸，； 重心加速度，取； 水平力作用点至底板高度，； 不均匀系数，安装3个支座时，取，安装3个以上时，取；