化工机械设备课程设计--夹套反应釜.doc

本科毕业生论文 教 学 院： 化学与材料工程学院 专 业： 化学工程与工艺（精细化工方向）学 号： 201040820115 学生姓名： 李生江 指导教师： 2012年6月13日大型作业任务书420112012 学年第2学期学生姓名： 专业班级：化学工程与工艺（精细化工方向）2009（1）指导教师： 工作部门： 化工教研室 一、大型作业题目：夹套反应釜二、大型作业内容（含技术指标）1. 容积：20m3；2. 反应温度：150，加热介质：水蒸气；3. 使用地点：黄石某地区。4. 作业成果：计算书1份，设备图1张（A1图纸手工绘制）。三、进度安排15月28日：分配任务；25月28日-6月03日：查询资料、初步设计；36月04日-6月08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器的支座选型等。 教研室主任签名： 2012 年 月 日目录1 绪论11.1反应釜的基本特点11.2反应釜的发展趋势22反应釜的设计参数及要求33 夹套反应釜设计43.1夹套反应釜的总体结构43.1.1釜体部分43.1.2传热装置43.2反应釜的罐体和夹套的设计53.2.1罐体和夹套的结构设计53.2.2筒体的几何尺寸计算53.2.2夹套几何尺寸计算53.2.3强度计算63.2.4稳定性校核73.2.5水压试验校核83.3反应釜搅拌装置设计83.3.1搅拌器选择83.3.2设计搅拌轴93.4传动装置设计103.4.1动力设计103.4.2轴封装置设计103.4.3联轴器113.4.4凸缘法兰选择114 反应釜附件选用124.1耳式支座选用124.2接管表134.3人孔选择135 参考文献141 绪论1.1反应釜的基本特点反应釜体普遍采用钢制(或衬里)、铸铁或搪玻璃。反应釜所用的材料、搅拌装置、加热方法、轴封结构、容积大小、温度、压力等各有异同、种类很多，它们的基本特点分述如下： （1）结构：反应釜结构基本相同，除有反应釜体外，还有传动装置、搅拌和加热(或冷却)装置等，可改善传热条件，使反应温度控制得比较均匀，并不强化传质过程。（2）操作压力：反应釜操作压力较高。釜内的压力是化学反应产生或由温度升高而形成，压力波动较大，有时操作不稳定，突然的压力升高可能超过正常压力的几倍，因此，大部分反应釜属于受压容器。（3）操作温度：反应釜操作温度较高，通常化学反应需要在一定的温度条件下才能进行，所以反应釜既承受压力又承受温度。获得高温的方法通常有以下几种： 水加温要求温度不高时可采用，其加热系统有敞开式和密闭式两种。敞开式较简单，它由循环泵、水槽、管道及控制阀门的调节器所组成，当采用高压水时，设备机械强度要求高，反应釜外表面焊上蛇管，蛇管与釜壁有间隙，使热阻增加，传热效果降低。 蒸汽加热加热温度在100以下时，可用一个大气压以下的蒸汽来加热；100180范围内，用饱和蒸汽；当温度更高时，可采用高压过热蒸汽。 用其它介质加热若工艺要求必须在高温下操作或欲避免采用高压的加热系统时，可用其它介质来代替水和蒸汽，如矿物油(275300)、联苯醚混合剂(沸点258)、熔盐(140540)、液态铅(熔点327)等。 电加热将电阻丝缠绕在反应釜筒体的绝缘层上，或安装在离反应釜若干距离的特设绝缘体上，因此，在电阻丝与反应釜体之间形成了不大的空间间隙。前三种方法获得高温均需在釜体上增设夹套，由于温度变化的幅度大，使釜的夹套及壳体承受温度变化而产生温差压力。采用电加热时，设备较轻便简单，温度较易调节，而且不用泵、炉子、烟囱等设施，开动也非常简单，危险性不高，成本费用较低，但操作费用较其它加热方法高，热效率在85%以下，因此适用于加热温度在400以下和电能价格较低的地方。（4）反应釜搅拌结构：在反应釜中通常要进行化学反应，为保证反应能均匀而较快的进行，提高效率，通常在反应釜中装有相应的搅拌装置，于是便带来传动轴的动密封及防止泄漏的问题。（5）反应釜的工作：反应釜多属间隙操作，有时为保证产品质量，每批出料后都需进行清洗；釜顶装有快开人孔及手孔，便于取样、测体积、观察反应情况和进入设备内部检修。1.2反应釜的发展趋势（1）大容积积化，这是增加产量、减少批量生产之间的质量误差、降低产品成本的有效途径和发展趋势。染料生产用反应釜国内多为6000L以下，其它行业有的达30m；国外在染料行业有2000040000L，而其它行业可达120 m。 （2）反应釜的搅拌器，已由单一搅拌器发展到用双搅拌器或外加泵强制循环。反应釜发展趋势除了装有搅拌器外，尚使釜体沿水平线旋转，从而提高反应速度。（3）以生产自动化和连续化代替笨重的间隙手工操作，如采用程序控制，既可保证稳定生产，提高产品质量，增加收益，减轻体力劳动，又可消除对环境的污染。 （4）合理地利用热能，选择最佳的工艺操作条件，加强保温措施，提高传热效率，使热损失降至最低限度，余热或反应后产生的热能充分地综合利用。热管技术的应用，将是今后反应釜发展趋势。2反应釜的设计参数及要求反应釜的设计参数如表 1-1表 11设计参数及要求容器内夹套内设计压力（MPa）常压1设计温度() 180 210介质有机物，水水蒸气焊接街头系数0.85/1.00.85/1.0全容积（）20充装系数0.85腐蚀情况(mm)11推荐材料 Q235-C传热面积(m2)303 夹套反应釜设计3.1夹套反应釜的总体结构带搅拌的夹套反应釜是化学、医药及食品等工业中常用的典型反应设备之一。它是一种在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种（或多种）液体以及液体与固体或气体物料混匀，促进其反应的设备。一台带搅拌的夹套反应釜主要有搅拌容器、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。 夹套反应釜分罐体和夹套两部分，主要有封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置有搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺而定；传动装置是为带动搅拌装置设置的，主要有电动机、减速器、联轴器和传动轴等组成；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座、人孔、工艺接管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。3.1.1釜体部分(1) 釜体部分由圆筒和上、下封头组成，提供物料化学反应的空间，其容积由生产能力和产品的化学反应要求决定。(2) 中、低压筒体通常采用不锈钢板卷焊，也可采用碳钢或铸钢制造，为防止物料腐蚀，可在碳钢或铸钢内表面衬耐蚀材料。(3) 釜体壳能同时承受内部介质压力和夹套压力，必须分别按内、外压单独作用时的情况考虑，分别计算其强度和稳定性。(4) 对于承受较大外压的薄壁筒体，在筒体外表面影设置加强圈。3.1.2传热装置为及时送入化学放应所需热量或传出化学放应放出的热量，在釜体外部或内部可设置传热装置，使温度控制在需要的范围之内。 常用的传热装置是在釜体外部设置夹套或在釜体内部设置蛇管。(1) 反应釜的搅拌装置由搅拌轴和搅拌器组成，可使物料混合均匀、良好接触，加速化学反应的进行。 搅拌过程中，物料的湍动程度增大，反应物分子之间、反应物分子与容器器壁之间的接触不断更新，既强化了传质和传热，又有利于化学反应的进行。搅拌器采用推进式搅拌器。(2) 反应釜的传动装置主要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成。(3) 反应釜的轴封装置：为维持设备内的压力或阻止釜内介质泄漏，在搅拌轴伸出封料抖出必须进行密封（动密封）。轴封装置通常有填料密封和机械密封。(4) 反应釜的其他附件，包括支座、人孔、工艺接管等。3.2反应釜的罐体和夹套的设计3.2.1罐体和夹套的结构设计罐体一般是立式圆筒形容器，有顶盖、筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。根据反应釜的设计参数及要求可知，罐体采用立式圆筒形结构，上、下封头均采用标准椭圆形封头。下封头与筒体焊接，上封头与筒体采用法兰连接。夹套采用焊接式整体结构形式。3.2.2筒体的几何尺寸计算公称容积 V=20m3 取内径为 D1=2400mm 查JB/T4746-2002 DN=2400标准椭圆封头 总深度 h=625mm 内表面积 Fh=4.4530 容积 Vh=1.1257m3则直筒高度m将计算结果圆整到 H1=4000mm长径比 3.2.2夹套几何尺寸计算罐体直径D1=2000mm，则夹套内径D2=D1+200=2600mm 符合压力容器公称直径系列取反应釜的装填系数=0.85，则计算夹套高度为m=2991.4mm圆整取夹套高度H2=3000mm，H0=4000-3000=1000mm这样满足简单法兰螺栓的装拆要求夹套的传热面积为F=F1H2+Fh=2.43.143+4.4530=27.061m23.2.3强度计算 罐体和夹套选择Q235C ，设计温度：t1=180（罐体内） t2=210（夹套内），设计压力1：常压（罐体内），P2=1MPa（夹套内） 由于是高温水蒸汽加热，罐体按外压容器计算，夹套按内压容器计算。查表在设计温度下Q235C的许用应力2t=119.6MPa则筒体和夹套的计算厚度 取焊接接头系数3=0.85 筒体厚度计算：mm夹套厚度计算：mm筒体封头厚度计算（采用标准椭圆形封头）：mm夹套封头厚度计算：mm取钢板厚度负偏差4：C1=0.8mm，腐蚀裕量：罐体C2=2mm 夹套C2=1mm筒体设计厚度： 1d=1+ C1+ C2=11.862+0.8+2=14.662mm夹套设计厚度： 2d=2+ C1+ C2=12.851+0.8+1=14.651mm筒体封头设计厚度： 3d=3+ C1+ C2=11.833+0.8+2=14.633mm夹套封头设计厚度： 4d=4 +C1+ C2=12.819+0.8+1=14.619mm圆整后选取 筒体名义厚度 1n=15mm 夹套名义厚度 2n=15mm 筒体封头名义厚度 3n=15mm 夹套封头名义厚度 4n=15mm3.2.4稳定性校核 设计外压为1MPa，假设筒体名义厚度1n=28mm，有效厚度 1e=1n-2.8=25.2mm圆筒外径 D0=D1+2n=2400+228=2456mm筒体长度计算 L=H2+h1/3=3000+625/3=3208mmL/D0=3028/2456=1.31 D0/e=97.46 A=0.001 查得5 B=160MPa 许用外压力 MPaP=1.0MPa 故名义厚度1n=28mm，筒体能满足1MPa外压要求 假设筒体名义厚度3n=28mm 有效厚度e=3n-2.8=25.2mm标准椭圆封头当量球壳半径 R0=K1D0 K1=0.9R0=0.9（2400+282）=2210.4mm R0/e=2210.4/25.2=87.71系数 查表B=120MPa许用外压力 MPa1MPa封头3n=28mm满足要求。3.2.5水压试验校核对筒体进行水压试验校核由于t PT=1.25P=1.251=1.25MPa0.9s=0.90.85225=172.13MPaMPa0.9=172.13MPa所以筒体名义厚度1n=28mm符合要求对夹套进行水压试验假设夹套名义厚度为2n=16mm 有效厚度2e=16-1.8=14.2mm由于t 故PT=1.25P=1.251=1.25MPa0.9s=0.90.85235=179.75MPaMPa0.9=179.75MPa夹套名义厚度2n=16mm符合设计要求。3.3反应釜搅拌装置设计3.3.1搅拌器选择设计V=20m3 反应釜充料系数为0.85 装料最大高度约为3000mm 选用浆式折叶四叶搅拌器6，设置三排，折叶角度=45取DJ/D1=0.4搅拌器直径 DJ=0.4D1=0.42400=960mm 圆整到DJ=1000mm搅拌桨叶距釜底高度 h=500mm搅拌器宽度 b=0.15DJ=150mm浆端线速度 v=5.0m/s 以此计算出转速N=99.5r/min3.3.2设计搅拌轴7假设釜内介质： 粘度=10.00mPas =1200kg/m3三排四叶折流浆式搅拌器DJ=1000mm n=N/60=1.59r/s雷诺数查图8功率因数KN=0.5总功率 N0=3KNn3DJ5=30.512001.59315=7.24kW根据校正 轴材料选用45钢9 许用应力为=35MPa 轴满足扭转强度条件： =T/WT扭矩 T=9.55103P/nNmm p=N0=7.24kW抗扭截面系数 Fd3/160.2d3则 Pad46.9mm符合设计要求刚度校核45钢，单位许用扭转角 =1.0/m 剪切弹性模量G=8104MPa/mmax=1.09/m=1.0/m 不符合设计要求按刚度条件设计轴直径mm再次进行刚度校核/mmax=0.996/m=1.0/m符合设计要求考虑到物料对轴的腐蚀剂开键需要，轴径扩大11%d=48（1+0.11）=53.28mm圆整到d=55mm由于轴较长，故设计两段轴，轴间使用联轴器相连对轴上键槽开三个键槽 槽宽度b=15mm 长度l=108mm3.4传动装置设计3.4.1动力设计搅拌轴轴功率为7.24kW，考虑到电机经减速机等一些消耗，设搅拌装置效率为0.8则 7.24/0.8=9.05kW选择A BLD 10-4-17 Q减速机电机10kW，减速机出轴转速85r/min选择机型号4，电机型号524、功率10kW 、轴径38mm 、减速机出轴径55mm 3.4.2轴封装置设计由于设计反应釜为常压反应釜，对轴封装置密封性要求不高，对于常压、低转速设备允许定期维护。选用填料密封结构简单，易于制造。根据 HG 5-1412-81标准其主要尺寸 d=55mm H=209mm D1=150mm D2=104mm D3=200mm填料规格 10/10mm 法兰螺栓孔 8/f18mm M16 重量12.41kg密封装置见图3-1。图3-1 填料密封3.4.3联轴器根据HG21570-95选用D型夹壳联轴器轴径d=55mm D=150mm L=190mm L1=78mm L2=34mm质量10.8kg3.4.4凸缘法兰选择凸缘法兰一般焊接于罐体封头口，用于连接搅拌传动装置，亦可兼作安装、维护、检查用孔。凸缘法兰分整体和里衬两种形式，密封面分为凸面（R）和凹面（M）两种。查：JB/T 4701-2000 选用DN=300mm甲型平焊法兰。4 反应釜附件选用4.1耳式支座选用夹套反应釜多为立式安装，常用耳式支座。估算设备总质量 m=m1+m2+m3+m4其中m1：罐体和夹套质量 m2：传动装置总重 m3：物料质量 m4：冷却水重m1计算:查表 化工及设备简明设计手册 P123-51=28mm，每平方米质量219.8kg/m22=16mm, 每平方米质量125.6kg/m2单封头表面积估计值为6.41m2筒体面积为D1H1=3.142.44.00=30.144m2夹套筒体面积为D2H2=3.142.63=24.492m2m1=（30.144+6.412）219.8+（24.492+6.4112.6）=9549kgm2估算值m2=540kg装填系数0.85，=1.2103kg/m3m3=200.851200=20400kg冷却水重：m4=(2.6/2)2-(2.4/2)2H21000=2355kg则总质量：m=m1+m2+m3+m4=9549+540+20400+2355=32844kg由于筒体高，采用8耳式支座双层间隔排列。设计四个支座承载：Q=（328449.8）/4=80467.8kN根据JB/T 4725-92选用 耳式 A-6 材料Q235-A