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搅拌
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搅拌釜夹层釜体的优化设计,搅拌,夹层,优化,设计
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I搅拌反应釜设计搅拌反应釜设计摘摘 要要反应釜主要由筒体和夹套组成，多为中、低压压力容器；装置由器和轴组成；传动装置是为装置设置的，主要由电动机、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，构成完整的反应釜。设计方法采用压力容器常规设计方法，遵循化工设备要求，按照 GB150-98钢制压力容器等技术法规执行，设计内容主要包括釜体（内筒与夹套）强度、结构设计、校核和水压试验；装置设计与校核；传动装置设计以及反应釜其他零部件设计等。反应釜作为设备的一种，其应用前景广泛，尤其在石油与化工行业中更是得到了广泛的应用。关键词关键词 反应釜；釜体；装置；传动装置；附件 IIAbstractThis design of mixing equipment is stirred tank reactor with jacket. Inner tube is a dye and an organic solvent medium and the design pressure is 0.7Mpa.jacket cooling medium is water or steam and the design pressure ois 0.9MPa; The main material is Q345R, stirring speed is 50r/min, reactor volume is 2.4m3, operating volume is 2.0m3 and shaft power is 1.4KW。stirred tank reactor is mainly composedof the cylinder and the jacket ，mostly in medium and low-pressure vessels.The mixing device composed by a stirrer and agitator shaft.The gearing is set for the stirring device, mainly consists of motor, reducer, couplings and shafts and other components; seal device is dynamic seal, generally use mechanical seal or packing.All of them with support, manholes, and other accessories with the takeover process constitute a complete stirred tank reactor.Pressure vessel design using conventional design methods, follow the chemical equipment requirement, according to GB150-98 steel pressure vessel and other technical enforcement.The designed mainly includes kettle body (inner tube and jacket) strength, structural design, school nuclear and hydraulic test, stirring device design and checking, gear design and other reactor components design.Reactor as a stirring device has broad application prospects, especially in the oil and chemical industry it has been even more widely used.Keywords reactor；kettle；stirring device；gearing；attachmentIII目录目录引言.- 1 -第 1 章 绪论.- 3 -1.1 反应釜研究的背景及意义.- 3 -1.2 反应釜的研究现状.- 3 -第 2 章 反应釜釜体的设计.- 7 -2.1 釜体DN 、PN的确定.- 7 -2.2 釜体筒体壁厚的设计.- 7 -2.3 釜体封头的设计.- 8 -2.4 筒体长度H的设计.- 9 -2.5 外压筒体壁厚的设计.- 9 -2.6 外压封头壁厚的设计.- 10 -第 3 章 反应釜夹套的设计.- 10 -3.1 夹套的DN、PN的确定.- 10 -3.2 夹套筒体的设计.- 11 -3.3 夹套封头的设计.- 11 -3.4 传热面积的校核.- 12 -第 4 章 反应釜釜体及夹套的压力试验.- 14 -4.1 釜体的水压试验.- 14 -4.2 釜体的气压试验.- 15 -4.3 夹套的液压试验.- 15 -第 5 章 反应釜附件的选型及尺寸设计.- 17 -5.1 釜体法兰联接结构的设计.- 17 -5.2 工艺接管的设计.- 19 -5.4 人孔的设计.- 21 -5.5 视镜的选型.- 22 -5.6 支座的选型及设计.- 23 -第 6 章 装置的设计.- 26 -6.1 轴直径的初步计算.- 26 -6.2 抽临界转速校核计算.- 26 -6.3 联轴器的选择.- 27 -6.4 器的设计.- 27 -6.5 轴尺寸的设计.- 29 -第 7 章 传动装置的选型和尺寸计算.- 31 -7.1 电动机的选型.- 31 -7.2 减速器的选型.- 31 -7.3 机架的设计.- 31 -7.5 凸缘法兰的选型.- 31 -7.6 密封形式的选择.- 32 -第 8 章 焊缝结构设计及开孔补强计算.- 33 -8.1 釜体上的主要焊缝结构.- 33 -8.2 夹套上的焊缝结构的设计.- 33 - IV8.3 封头开人孔后被削弱的金属面积的计算.- 33 -8.4 有效补强区内起补强作用的金属面积的计算.- 34 -8.5 判断是否需要补强的依据.- 35 -第 9 章 筒体内流场有限元仿真.- 35 -9.1 有限元分析.- 35 -9.1.1 模型的建立.- 35 -9.1.2 网格划分及前处理.- 36 -9.2 结构优化后再次分析.- 41 -9.3 分析结果比对及结论.- 47 -结论与展望.- 47 -致谢.- 49 -参考文献.- 50 -V- 1 -引言引言反应釜的广义理解即有物理或化学反应的容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。由于反应过程中的压力不同对容器的设计要求也不尽相同。不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等生产型用户和各种科研实验项目的研究，用来完成水解、中和、结晶、蒸馏、蒸发、储存、氢化、烃化、聚合、缩合、加热混配、恒温反应等工艺过程的容器。反应釜是综合反应容器，根据条件对反应釜结构功能及配置附件的设计。从开始的进料到出料均能够以较高的自动化程度完成预先设定好的步骤要求，对反应过程中的温度、压力等重要参数进行严格的调整。1.反应釜常见的类型反应釜根据材质可大致分为一下几种类型：不锈钢反应釜不锈钢反应釜由釜体、夹套、器、传动装置、轴封装置和其他附件等组成。材质一般有碳钢、不锈钢以及其他合金或复合材料；根据反应釜的制造机构可分为开式平盖式反应釜、开式对焊法兰是反应釜和闭式反应釜三大类。形式一般有锚式、浆式、涡轮式、推进式或框式等，装置在高径比较大时，可采用多层桨叶，也可根据用户要求任意匹配。密封形式可分为：填料密封、机械密封和磁力密封。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、外（内）盘管加热等；冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却。广泛应用于石油、化工、食品、医药、农药、科研等行业，是用业完成聚合、缩合、硫化、烃化、氢化等化学工艺过程，出及有机染料和中间体许多工艺过程的反应设备。搪玻璃反应釜搪玻璃反应釜是将含高二氧化硅的玻璃，衬于钢制容器的内表面，经高温的灼烧而牢固的密着于金属表面上成为复合材料制品。因此搪玻璃反应器具有玻璃的稳定性和金属强度的双层优点，是一种优良的耐腐蚀设备。技术规范：使用压力：0.2-0.8Mpa；耐酸性：对各种有机酸、无机酸、有机溶剂均有较好的抗蚀性；耐碱性：对碱性溶液抗蚀性较酸溶液差。操作温度：设备加热或冷却时，应缓慢进行。瓷层厚度：玻璃设备的瓷层厚度磁力反应釜 - 2 -磁力反应釜的关键部件磁力耦合传动器是一种利用永磁材料进行耦合传动的传动装置，改变了传统机械密封和填料密封的那种能过轴套或填料密封轴的动密封结构为静密封结构，釜内介质完全处于由釜体与密封罩体构成的密封腔内，彻底解决了填料密封和机械密封因动密封而造成的无法克服的泄露问题，使反应介质绝无任何泄露和污染。是国内目前进行高温、 高压下的化学反应最为理想的装置，特别是进行易燃、易爆、有毒介质的化学反应，更加显示出它的优越性。不饱和聚酯树脂全套设备不饱和聚酯树脂全套设备由立式冷凝器、卧式冷凝器、反应釜、储水器、分馏柱五部分组成，适用范围：用于生产不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、ABS 树脂、油漆的关键设备。研制成功的新型产品，广泛地应用于医药、化工、食品、天然调味品、食品添加剂、轻工等行业。- 3 -第第 1 章章 绪论绪论1.1 反应釜研究的背景及意义随着中国的发展越来越快，反应釜化工产品的出口量逐渐增加。全球对高效，高质化工产品的需求也日益增长，随着企业产生对科学研究技术的需求，强力渴望生产技术，生产设备的提高、进步和需求，进行国际间交流，将是中国成为全球化工制造业中心，为化工设备带来巨大的市场潜力。同时，随着科学技术的发展，人们对生活环境的要求逐渐提高， ，化工产业所制造出的产品在我们的日常生活当中也随处可见，为了能够制造出更好的化工产品，不仅对加工工艺提出了新的要求，也对其生产设备有了更新的要求，而反应釜作为精细化工当中必不可缺的设备，更是成为重中之重。鉴于反应釜是化工行业当中普遍使用的釜类设备，因此，如何能够将现有的反应釜类设备进行新的改进和加工，对于化工产业来说具有非常重要的意义，而且它可以应用到国民经济、科技活动、国防建设和人民生活的各个领域。同时还可以扩化工设备的出口，促进对外贸易和交流，因而对于振兴我国的化工机械工业具有重大的作用，对于推动我国科学技术的进步和国民经济的发展也具有极为深远的战略意义。1.2 反应釜的研究现状反应釜自 1912 年发明以来取得迅猛发展，至今全球仍以每年 35%的速度递增。我国也正处于快速发展当中，所以对其生产以及各类型的消费应用也保持在非常高的水平。但是由于科学技术的限制，我国研制的反应釜以及在应用上跟国外相比，还是有一定差距的。首先，国外所制造的反应釜，除了燃料行业 20000-40000L，其他的均可达到120m3；而我国多在 6000L 以下。因为反应釜的容积小大与产量，批量生产中的质量误差以及降低产品成本都有着密切相关的关系，所以这也限制了我国化工产品的质量，成本以及销量。其次，国外的自动化水平高，在大工厂当中已经实现了电脑自动化生产，而我国的设备操纵还是普遍存在手工操作，这影响了产品的产量以及质量，同时对人身体的健康也有一定的影响。再者，在反应釜的构成上，已经由单一器发展到双器或外加泵的强制循环，而国外更是除了装有器外，还使釜体沿水平线旋转，从而提高反应速度。 - 4 -虽然我国跟国外在反应釜的研制与应用上还有一定差距，但我国在这一领域上也一直处于高速增长期，反应釜生产和消费应用的已广泛应用于石油、化工、轻工、食品、酿酒、制药、家电、水电、机械、建筑、市政和各种民用器具中。1990 年我国反应釜消费量为 26 万吨，1999 年为 153 万吨，2000 年为 173 万吨，2001 年为 225 万吨，2004 年反应釜消费量达到 447 万吨左右，居全世界第一位，2006年反应釜消费量达到 600 万吨以上，其中铬镍奥氏体反应釜的消费量占反应釜总消费量的 75%80%。反应釜结构调整和含镍生铁的使用也使人们看淡镍的需求前景。近年来，为降低镍消耗量，反应釜生产商从生产常规的奥氏反应釜（含 8%的镍）转向生产低镍（含 1-2%的镍及 8-10%的锰）或无镍反应釜，今年我国铁素体反应釜的产量有望达 200 万吨。此外，不锈钢反应釜含镍生铁的应用替代了金属镍的部分需求，今年我国从东南亚等地进口了大量镍矿，反应釜厂含镍生铁的使用量将达到 200 万吨左右，占反应釜行业镍用量的 35。从而可见中国在这一领域发展的快速。随着近年来全球气候变暖，在化工行业的发展的同时，对其产生的污染控制也越来越严格，所以，从大的趋势上来看，未来反应釜的发展，将从节能，环保以及更高的工艺操作，材料等方面着手，以满足市场与发展潮流的变化。1.3 反应釜的发展趋势对于反应釜的研究，除功率问题外，有关的流体力学研究具有重要意义。这方面已做了许多工作，但尚需扩大和深入。在液体中进行时，器的功能不仅引起液体的整个运功，而且要在液体中产生湍动，湍动程度与器使液体旋转而产生的旋涡现象有密切关系。这些旋涡因经常地互相撞击和破裂，使液体受到剧烈的。由此可见在操作中，对于流体力学理论的研究是极其重要的。近代化学工业中，流动的物料不再只是一些低粘度的牛顿型流体，许多高粘度流体也常常遇到，尤其是各种各样的高分子溶液以及混有催化剂粒子的浆状流体等非牛顿型流体的应用日益广泛。它们与通常的牛顿型流体具有不同的流动特性，所以对于非牛顿型液体的研究是当今的一个重要课题。对高粘度液休，特别是非牛顿型流体的传热的研究，也是近年来的一个方向。聚合釜的传热特性与其中所用的器的型式关系甚大。对于各种常用器型式的反应釜之传热，前人给出了许多方程式，近年来在一些文章中也补充丁有关反应釜的传热系数的推算公式。- 5 -关于器，除非遇有特殊的任务，需要特殊设计之外，现有的各种器，尤其常用的框式、平浆式、推进式和涡轮式等已足够应用。而且这些器已有相应的标准，所以对已有器性能的深刻了解。应予以更多的注意，以便使它们在使用中能够充分发挥作用。涡轮式器现正被广泛使用，因为这种器在工业上适应性是很大的，它几乎能有效地完成所有的任务，并能处理那些特别是化学工业中经常遇到的各种粘度的物料。反应釜的轴封多是用填料密封和机械密封。一百多年前，初期的密封都是采用一些天然材料如皮革和浸油绳等作为轴封。以后油浸绳密封逐渐发展成为今天的软填料密封。由于石油化学工业的发展，易燃易爆物质比较多，对密封性能要求较严，19351945 年间在英美等国均开始研究和应用机械密封，并得到到较快发展。机械密封较填料密封有很多优点：泄漏量极少。机械密封的泄漏量是填料密封的 1%。摩擦功率损失相当小。由于接触面的摩擦系数很小，因此，机械密封的功率损失约为填料密封的 l015%。使用寿命长。一般质量好的机械密封可用 25 年，在正常工作条件下不需要维护调整。对轴的精度和光洁度的要求没有填料密封那样严格，耐振性能好。当轴摆动较大时，机械密封也能良好工作。同时，轴对密封腔孔的偏斜也不十分敏感，减少了轴或轴套的磨损。在轴有防腐蚀涂层时(喷，涂、衬、搪、包等)，能克服填料密封将防腐层磨损或破坏的缺点。机械密封的缺点是结构复杂，装拆不便，对动环和静环的表面光洁度及平直度要求高，不易加工，成本较高。但和优点相比只占次要地位。因而机械密封已日益得到广泛应用。随着科学技术的发展，设备有大型化发展的趋势，也要求设备大型化。如国外聚合釜的容积已由最初的 840m3 扩大到 60100m3，最大的已达到 140m3。采用大型聚合釜可大大减少操作和检修人员，有利于自动化，减少投资，提高生产率，稳定产品质量。随着容积的大型化，釜型逐渐由细长型向矮胖型发展，而且采用底部的方式越来越多。总的来说，随着设备行业的发展，反应釜要求越来越高。化工生产对反应釜的具体要求和发展趋势如下：1、大容积化，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；而其它行业可达 120 m。 - 6 -2、反应釜的器，已由单一器发展到用双器或外加泵强制循环。国外，除了装有器外，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的发展方向。- 7 -第第 2 章章 反应釜釜体的设计反应釜釜体的设计2.1 釜体 、的确定DNPN2.1.1 釜体的确定DN由文献过程设备设计表 8-5 可知几种设备筒体的高径比如表 2-1：表 2-1 几种设备筒体的高径比种类筒体内物料类型高径比反应釜、混合槽液-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发酵罐气-液体系1.7-2.5由给定参数：反应釜内介质为染料和有机溶剂，由表选取高径比 i=1.3将釜体视为筒体，由 V=(/4)，L=1.3则，2iD LiD （2-1）34iiDHVDDi=1330mm 圆整 Di=1400mm2.1.2 釜体 PN 的确定因设计压力 p0.7，故：1.0MPaPNMPa2.2 釜体筒体壁厚的设计2.2.1 设计参数的确定设计压力：0.7MPa；pp计算压力： = = 0.7；cpcppMPa设计温度 ： t110；t焊缝系数： 0.85（面焊全焊透对接接头，局部无损检测） ；材料选择：Q345R（热处理下高强度，韧性好，焊接性能与成型性能良好，耐腐蚀性能优良） ；许用应力：根据材料 Q345R、设计温度 55，由文献1表 D-1 知189 t t；MPa - 8 -钢板负偏差：由文献2 表 14-6 得0.25 （GB6654-96）1C1C腐蚀裕量：1.0（双面腐蚀） 。2C2Cmm2.2.2 筒体壁厚的设计由公式设计壁厚 得：22 cidtcp DSCpmmSd06. 417 . 085. 018924 . 17 . 0考虑，则=+=4.31，1CnSdS1Cmm经圆整并考虑钢板常用规格，取故筒体的壁厚取 Sn=6mm2.3 釜体封头的设计2.3.1 封头的选型由文献2316 页表 16-3 选釜体的封头选标准椭球型，代号 EHA、标准JB/T47462002。1.3.2 设计参数的确定Pc=0.7MPa1.0（整板冲压） ；0.25（GB6654-96） ；1.0。1Cmm2Cmm2.3.3 封头的壁厚的设计 由公式 215 . 02ccpDpcticn得mmn49. 40 . 125. 024. 3圆整得mmn6根据规定，封头壁厚与筒体壁厚一致，所以封头壁厚为 6mm。2.3.4 封头的直边尺寸、体积及重量的确定根据 DN=1400mm，由文献2318 页表 16- 5 知：直边高度： 25 体积： 0.3981hmmFV3m- 9 -曲边深度： 350 内表面积 A： 2.23462hmm2m 质 量 m: 102.9kg2.4 筒体长度的设计H2.4.1 筒体长度 H 的设计，TFVVVTFVVV24iFD HVV=1299mm24FiVVHD圆整得: H =1300mm2.4.2 釜体长径比的复核/iL D196. 1140035025130021iiDhhHDL 在 1.01.3 之间，满足要求。2.5 外压筒体壁厚的设计2.5.1 设计外压的确定 由设计条件可知，夹套内介质的压力为 0.9MPa，取设计外压=0.9。pMPa2.5.2 图算法设计筒体的壁厚设筒体的壁厚12，则：=12-2= 10，nSmmeSnSCmm2oinDDS=1420，4 .1421014240eSDmm筒体的计算长度： = H+2h1L=1300+225 =1350()mm948.0142413500DL 在文献2中图 15- 4 的坐标上找到 0.948 的值，由该点做水平线与对应的/oL D线相交，沿此点再做竖直线与横坐标相交，交点的对应值为：948. 00DL0.0001。A - 10 -由文献2中选取图 15-6，在水平坐标中找到=1.010-4点，由该点做竖直线与对A应的材料温度线相交，沿此点再做水平线与右方的纵坐标相交，得到系数的值为：B130。BMPa根据=得： =130/142.4=0.913（） p/oeBDS pMPa因为0.9 0.913，所以假设12合理，取筒体的壁厚pMPa pMPanSmm12。nSmm2.6 外压封头壁厚的设计2.6.1 设计外压的确定 封头的设计外压与筒体相同，即设计外压=0.9。pMPa2.6.2 封头壁厚的计算设封头的壁厚=12，则: = 12-2= 10（） ，对于标准椭球形封nSmmeSnSCmm头=0.9，0.91400=1260（） ， =1260/10= 126KiiRKDmm/eRi S计算系数：。41092. 9126125. 0125. 0SRAi由文献2中图 15- 6 中选取，在水平坐标中找到=9.9210-4点，由该点做竖直A线与对应的材料温度线相交，沿此点再做水平线与右方的纵坐标相交，得到系数的B值为值为：130。BMPa根据=得： =1.03（） p/ieBRS pMPa因为0.9 1.03，所以假设12合理， ，取封头的壁厚pMPa pMPanSmm为 12。mm由在文献2表 16-5 釜体封头的结构如图 1-1，封头质量：208.0（）kg - 11 -mVVVF04. 110第第 3 章章 反应釜夹套的设计反应釜夹套的设计3.1 夹套的、的确定DNPN3.1.1 夹套的确定DN 由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可知：1400+100=1500（）100jiDDmm 故取=1500mmDN3.1.2 夹套的确定PN由设备设计条件单知，夹套内介质的工作压力为 0.9，取1.0PNMPa3.2 夹套筒体的设计3.2.1 夹套筒体壁厚的设计由公式 （3-CpDpctjcn 21）得：mmn74. 525. 149. 425. 19 . 085. 0189215009 . 0经圆整及考虑标准规格，筒体壁厚取8。nSmm3.2.2 夹套筒体长度的初步设计jH根据筒体 DN=1400mm，由文献2表 16-3 可知单位高容积 V1=1.54m3由条件可知，操作容积 V0=2.0m3，总容积 V=2.4m3故装料系数83. 00VV故筒体长度的估算值Hj圆整后取 1.1m3.3 夹套封头的设计3.3.1 封头的选型夹套的下封头选标准椭球型，内径与筒体相同（Dj1500） 。代号 EHA，标准mmJB/T47462002。夹套的上部与筒体的连接选带折边锥形封头，且半锥角。 45 - 12 -3.3.2 椭球形封头壁厚的设计由公式 （3-CpDpctjcn5 . 0 22）mmn71. 525. 19 . 05 . 00 . 1189215009 . 0经圆整，并考虑焊接方便取 。mmn83.3.3 椭球形封头结构尺寸的确定由文献2表 165 可得封头尺寸，见表 3-1：表 3-1 封头尺寸直边高度 h1总深度 h2容积 Vjf质 量 m25mm400mm0.486m3157.4kg封头的下部结构如图 3-1： 图 3-1 夹套下封头的结构 3.3.4 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8。结构及尺寸如图 2-2。nSmm 图 3-2 夹套上封头的结构- 13 -3.4 传热面积的校核由文献2表 16-3 可得：DN=1400mm 釜体下封头的内表面积 Fh=2.23462mDN=1400mm 筒体（1高）的内表面积 F1= 4.3962mm夹套包围筒体的表面积= =4.3961.1=4.8356（2）SF1FjHm+=2.2346 + 4.8356=7.0702 hFSF)(2m本设计要求的传热面积为 A=7m2，所以经核算夹套的高度符合要求。 - 14 -第第 4 章章 反应釜釜体及夹套的压力试验反应釜釜体及夹套的压力试验4.1 釜体的水压试验4.1.1 水压试验压力的确定水压试验压力： （4-1） tTpp25. 1 （4-2）MPappT) 1 . 0(取两者较大值作为最终水压试验压力。由公式（4-1）得875. 017 . 025. 1TpMPa由公式（4-2）得MPapT8 . 0所以应取 PT=0.875MPa4.1.2 液压试验的强度校核由 得：max()2()TinnpDSCSC775.61)212(2)2121400(875. 0max0.9 =0.91890.85=144.58（）sMPa由61.775 (+0.1)， 取=1.125TppTpMPa4.3.2 液压试验的强度校核 - 16 -由 得：max()2()TinnpDSCSC = 79.3（）maxMPa79.3 0.9 =0.91890.85=263.925（）maxMPasMPa液压强度足够4.3.3 压力表的量程的要求压力表的量程： = 2=21.125=2.25P表TpMPa或 1.5PT 4PT 即 1.875MPa 4.5MPaP表P表4.3.4 液压试验的操作过程 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空，再将- 17 -第第 5 章章 反应釜附件的选型及尺寸设计反应釜附件的选型及尺寸设计5.1 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。5.1.1 法兰的设计(1)根据1400mm、1.0，由文献2327 页表 16-9 确定法兰的类型DNPNMPa为乙型平焊法兰。标记：法兰 FF1400-1.0 JB/T4702-2000材料由：16MnR(2)由 JB/T4702-2000 可得法兰的结构如图 51 和主要尺寸如表 51。 图 5-1 乙型平焊法兰结构表 5-1 法兰结构尺寸法兰/mm公称直径DN/mmDD1D2D3D414001560151514761456145372法兰/mm螺栓Htaa1d规格数量27012211827M24405.1.2 密封面形式的选型 - 18 -根据01.01.6、介质温度小于 110和介质的性质，由文献2表PNMPaMPa1614 知密封面形式为光滑面由文献【2】表 16-14 得垫片选用耐油橡胶石棉垫片，材料为耐油橡胶石棉板（GB/T539） ，结构见图 52 ，尺寸见表 5-2 。图 5-2 垫片的结构表 5-2 垫片的尺寸D0/mmDi/mm/mm1405145535.1.3 螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格本设计选用六角头螺栓（C 级、GB/T5780-2000） 、型六角螺母（C 级、GB/T41-2000） 、平垫圈（100HV、GB/T95-2002）螺栓长度的计算：L螺栓的长度由法兰的厚度（） 、垫片的厚度（） 、螺母的厚度（） 、垫圈SH厚度（） 、螺栓伸出长度确定h5 . 03 . 0d其中=72、=3、=18.7、=4.0、螺栓伸出长度取mmSmmHmmhmm0.4d=0.524.8=9.92mm（其中 H，h，d 分别由文献3附表 1-13，附表 1-14，附表 1-5查得） 螺栓的长度为：L220.4LSHhd 8 .244 . 0427 .183742=185.62（）mm取190Lmm螺栓标记： GB/T5780-2000 M24190螺母标记： GB/T41-2000 M24垫圈标记： GB/T95-2002 24-100HV 5.1.4 法兰、垫片、螺栓、螺母、垫圈的材料- 19 -根据乙型平焊法兰、工作温度 110的条件，由文献4附录 8 法兰、垫片、螺t栓、螺母材料匹配表进行选材，结果如表 53 所示。表 5-3 法兰、垫片、螺栓、螺母材料法兰垫片螺栓螺母垫圈16MnR耐油橡胶石棉40MnB35100HV5.2 工艺接管的设计5.2.1 工艺接管尺寸的确定设备由于工艺操作的原因，需要进行开孔或设有接管。管法兰标准应参见HG/T20592，主要参数是公称直径（DN）和公称压力（PN） 。接管的外伸长度一般取150mm，如果设备需要保温，则外伸长度为 200mm。如果接管公称直径，mmDN50则外伸长度可取 100mm。本设计外伸接管长度取 150mm。因为夹套内为蒸汽，所以蒸汽从夹套上部进入，由底部出口排出冷凝水。当夹套设进气管时，为防止气体直接冲罐壁，可采取如图 5-3 所示的结构 图 5-3 蒸汽入口结构 （1）蒸汽入口接管采用452.5 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：HG20592 法兰 PL40-1.0 RF 20。（2）安全阀接管采用383 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： - 20 -HG20592 法兰 PL32-1.0 RF 0Cr18Ni10Ti。（3）温度计接口采用252.5 无缝钢管，伸入釜体内一定长度。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL20-1.0 RF 0Cr18Ni10Ti。（4）加料口与放料口接管采用1084.0 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：HG20592 法兰 PL100-1.0 RF 0Cr18Ni10Ti。（5）视镜接管采用4133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：HG20592 法兰 PL125-1.0 RF 0Cr18Ni10Ti。 （6）蒸汽出口接管 采用无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：5 . 245HG20592 法兰 PL65-1.0 RF 20。工艺接管配用的标准突面板式平焊钢制管法兰的结构如图 4-6 所示，由文献5 310页得其结构如下图 5-4，由表 10-26 和表 10-33 查得各工艺接管的尺寸如表 5-4 所示。表 5-5 各法兰垫片尺寸明细表接管名称公称通径 DN垫片内径 D1垫片外径 D2垫片厚度 T蒸汽入口4049921.5加料口50611071.5安全阀接口3243821.5温度计口2027611.5放料口1001151621.5冷凝水出口4049921.5视镜251251411.5- 21 -5.4 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5表 11-1 知当 Di1000mm 时，需设一人孔，根据表 11-3 选择了 PN1.1DN400 的回转盖带颈平焊法兰人孔，密封面为突面。由文献6知其结构及尺寸，如图 5-6，材料见表 5-6。1-人孔接管；2-螺母；3-螺栓；4-法兰；5-垫片；6-手柄；7-法兰盖；8-销轴；9-开口销；10-垫圈图 5-6 人孔表 5-6 回转盖带颈平焊法兰人孔的尺寸公称压力密封面形式公称直径/DNSdw/Dmm/1DA/mmB/mm螺栓 - 22 -（MPa）mm/mmmmmm规格数量400426856551532012524120M16L/mm/1Hmm/2Hmm/bmm/1bmm/2bmm/dmm质量/kg1.0突面2002201082624282488.9表 5-7 P N1.0DN400 人孔的明细表件号名称数量材料1人孔接管10Cr18Ni10Ti2螺母16253螺栓16354法兰11Cr18Ni9Ti5垫片1中压石棉橡胶板6法兰盖11Cr18Ni9Ti7手柄1Q235-A8销轴1459开口销23510垫圈2100HV5.5 视镜的选型由于釜内介质压力较低（0.3）且考虑，由反应釜设计条WpMPa1200DNmm件单可知，本设计选用两个=125mm 的不带颈视镜。该类视镜具有结构简单，不易DN结料，窥视范围大等优点，其结构根据文献6表 23-4-2 可确定见图 5-7。标记：视镜0.6，125PNMPaDNmm标准图号：HGJ501-86-14质量：14.7kg- 23 -1-视镜玻璃；2-接缘；3-衬垫；4-压紧环；5-螺母；6-双头螺柱 图 5-7 视镜表 5-8 视镜材料材料件号名称数量不锈钢1视镜玻璃1钢化硼硅玻璃（HGJ 501-86-0）2接缘11Cr18Ni9Ti3衬垫2石棉橡胶板（GB3985-83）4压紧环1Q235-A5螺柱6356螺母6255.6 支座的选型及设计5.6.1 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（JB/T4735-92）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。其主要尺寸见表 5-7。文献2342 页表 16-23 所以选耳式 B 型支座，支座数量为 4 个。反应釜总质量的估算：+1234Fmmmmm5m - 24 -式中：釜体的质量（） ；夹套的质量（） ；装置的质量（）1mKg2mKg3mKg附件的质量（） ；保温层的的质量（）4mKg5mKg物料总质量的估算：Wjdmmm式中：釜体介质的质量（） ；水的质量（）jmKgdmKg 反应釜的总质量估算为 1800，物料的质量为 1200（以水装满釜体计算） ，KgKg夹套的质量 和水 1500Kg。装置的总质量：m=1800+1200+1500 =4500（）Kg 每个支座承受的重量约为：45009.81/222（） QKN根据 DN1500 由文献2表 16-23 初选 B 型耳式支座，支座号为 4KNQ26标记： JB/T4725-92 耳座 B4 材料：Q235-AF系列参数尺寸如表 5-9：表 5-9 B 型耳式支座的尺寸底板筋板垫板地脚螺栓支座重量H1l1b11S2l2b23l3b3ed规格kg2502001401470290160103152508403024M15.75.6.2 支座载荷的校核计算耳式支座实际承受的载荷按下式近似计算：34() 10oeeem gGphG SQknnD式中 D=1833.8，9.81)50205(2)82125()82621500(22mmg，2/sm，=5300，=4，=0，1500 9.8114715()eGNomKg0.83k np500()eSmm- 25 -将已知值代入得Q3108 .18334500147154483. 01471581. 95300 KN89.22因为Q=60KN 以选用的耳式支座满足要求。QKN89.22 - 26 -第第 6 章章 装置的设计装置的设计6.1 轴直径的初步计算6.1.1 轴直径的设计电机的功率1.5 ，轴的转速50，文献2 表 11-1 取用材料为PKWn/minr45， 40，剪切弹性模量8104，许用单位扭转角1.0/m。MPaGMPanPT610553. 9 （6-1）由公式（6-1）得：NmmT286500利用截面法得：NmmTMT286500max （6- pTWMmax2）由公式（6-2）得：5 .7162pW因为轴为实心轴 （6-3)32 . 0 dWp由公式（6-3）得mmd21.32 取mmd50。6.1.2 轴刚度的校核 （6-4）3maxmax10180pTGJM由公式（6-4）得)/(0328. 010180501 . 0108286500344maxm因为最大单位扭转角 mm/1/0328. 0max所以圆轴的刚度足够。6.2 抽临界转速校核计算由于反应釜的轴转速=50r/min200r/min，故无需作临界转速校核计算n- 27 -6.3 联轴器的选择参照参考文献6，由于轴的直径为 50mm,选择联轴器的形式为 C 型凸缘联轴器。标记：DN40HG21570-95结构如图 6-1 和 6-2 所示：图 6-1 联轴器结构形式及尺寸图 6-2 C 型凸缘联轴器轴头6.4 器的设计由参数可知器的形式为浆式器，本文选用平直叶可拆浆式，由文献2表 18-5 可知 - 28 -浆式器的型式如图 6-3： 图 6-3 器形式h=（0.2-1）DN=900mm，Dj=（0.25-0.75）DN=900mm由文献2图 18-11 可知器具体结构如图 6-4：700Dj1100图 6-4 桨式桨的结构由文献7表 5-15 可确定桨式桨的尺寸，如表 6-1 所示。 查文献4表 3-1-5 可确定零件明细表，如表 6-1 所示。 表 6-1 浆式器的尺寸(mm)（HG/T212391）Dd螺栓穿轴螺栓销BCmfe质量- 29 -0d数量1d数量2d数量/kg90050M164M161-169014011045512.116.5 轴尺寸的设计轴的长度近似由釜外长度、釜内未浸入液体的长度、浸入液体的长L1L2L 三部分构成。即：=+3LL1L3L2L其中=（机架高；减速机输出轴长度）1LHMHM=500-67=433（）1Lmm=+（釜体筒体的长度；封头深度；液体装填高度）2LTHFHiHTHFHiH 液体装填高度的确定：iH釜体筒体的装填高度124cFiVVHD式中操作容积（） ；釜体封头容积（） ；筒体的内径（）cV3mFV3miDmmmH04. 14 . 14398. 00 . 221液体的总装填高度=104+25+375 =1440（）iH112Hhhmm=1300+2(25+375）-1440=660（）2Lmm浸入液体轴的长度的确定：3L桨的效果和效率与其在釜体的位置和液柱高度有关。桨浸入体内的最佳深度为：。2233iiSDH当时为最佳装填高度；当时，需要设置两层桨。iiDHiDiH由于=1440=1400，本设计设置两层桨。iHmmiDmm桨浸入液体内的最佳深度为：S=2Hi/3=21440/3=960（）mm故浸入液体的长度：=960（）3Lmm - 30 -轴轴的长度为：=433+660+960=2053（） ，取=2200（）LLmmLmm- 31 -第第 7 章章 传动装置的选型和尺寸计算传动装置的选型和尺寸计算7.1 电动机的选型由于反应釜里的物料无易燃性和一定的腐蚀性，选用 Y 系列三相异步电机。根据轴的功率1.4、转速50，由文献8表19-1选用电机型号为 Y90L-PKWnmin/r4（JB/T10391-2002）7.2 减速器的选型根据电机的功率2.2、轴的转速100、传动比 为1400/ 5028。PKWnmin/ri根据文献61045页摆线针齿行星减速器适用范围和代号可知，本设计选用摆线针齿行星减速器（HG5-745-78） ，标记 BLD1.4-2-8。由文献61049页确定其安装尺寸，摆线针齿行星减速器的外形和尺寸见图7-1：图7-1电动机结构及安装尺寸7.3 机架的设计机架是用来支承减速器和传动轴的，轴承箱也归属于机架。由于轴的直径为 50mm，且此反应釜体积小，压强小，轴的载荷不会太大，所以由文献7表 9-77 选择 LWJ45A 型无支点机架。其结构如图 7-2 所示：图7-3 底座型式及尺寸7.5 凸缘法兰的选型凸缘法兰焊在釜体上，通过安装底盖将整个传动装置安装在它的上面，检修时移去传动装置，它就变成了釜体的检查孔。根据 HG21564-95 选择凸缘法兰的形式为上装式突面安装底盖（R 型） ，公称直径 DN=250mm。结构及尺寸如图 7-4 所示： - 32 -图7-4 凸缘法兰结构型式及尺寸7.6 密封形式的选择由于本釜的压力较低，介质为染料及有机溶剂、腐蚀性微弱、轴转速为200r/min、密封要求不高，综合考虑经济性能，本文选用填料密封的形式。填料密封箱由填料箱体、填料、压盖、螺栓等基本零件组成，置于箱体与转轴之间的填料在螺栓力及压盖的轴向挤压下，产生径向延伸，使填料紧贴在转轴的四周，轴旋转时在填料与转轴的接触面间存在一层极薄的油膜，这层油膜既可起到润滑作用，又可阻止釜内介质的外逸或釜外气体的渗入。因为轴径直径=50mm，且容器内压力=0.7MPa，所以根据文献7326 页选择碳钢填料箱（PN1.6） （HG21537.7-92） 。- 33 -第第 8 章章 焊缝结构设计及开孔补强计算焊缝结构设计及开孔补强计算8.1 釜体上的主要焊缝结构釜体上的主要焊缝结构及尺寸如图8.2 夹套上的焊缝结构的设计夹（d）水出口接管与夹套的焊缝 （f）夹套与釜体焊缝8.3 封头开人孔后被削弱的金属面积的计算由于人孔的开孔直径较大，因此需要进行补强计算，本设计采用等面积补强的设计方法。 釜体上封头开人孔后被削弱的金属面积为：A (8-1)2(1)ooetAdSS Sfr 式中：=426+22=430（）2iddCmm )(18. 17 . 05 . 085. 0189214007 . 05 . 02mmpDpSctico=1 etrtf=4301.18=506.35（）2(1)ooetAdSS Sfr2mm - 34 -7 . 085. 018924107 . 08.4 有效补强区内起补强作用的金属面积的计算8.4.1 封头起补强作用金属面积的计算1A (8-2)roeetoefSSSSSdBA121式中：)(470821224302286043022mmSSdBmmdBmn取两者中较大值，则860。Bmm=12-2=10（）enSSCmm = 81.25=6.75（）etSCSmmm=1 137 137etrtf1118. 11075. 62)18. 110()430860(1A = 3784（）2mm8.4.2 接管起补强作用金属面积的计算2A (8-3)21222 ()2()ettretrAh SSfh SCf其中：8430=58.6mdSh1mm )(2001mmh 取其中的较小值58.6（）1hmm ctictpdpS2= =0.896（）mm=0 2h0 . 12C01896. 275. 66 .5821A =451.68（）2mm8.4.2 焊缝起补强作用金属面积的计算3A- 35 - 18（） 22311622AK2mm8.5 判断是否需要补强的依据=3784+451.68+18=4253.68（mm2）321AAA=506.85（mm2）A第第 9 章章 筒体内流场有限元仿真筒体内流场有限元仿真采用ansys有限元分析法，对原模型进行受力分析，得到电机外壳出的最大应力，最大形变。然后对模型进行优化设计，本方案中，对电机的筋板进行去除优化，对优化后的结构再次进行有限元分析，得到另外一组应力值，形变值，将这两组数据进行比对，并且与材料的许用有应力尽心比对，以验证改进后的结构是否满足材料力学要求，从而达到最终优化的目的。9.1 有限元分析9.1.1 模型的建立模型的建立基于WorkBench软件对电机机身模型进行建立，模型如下图所示：完整电机图机身模型图使用WorkBench对结构进行分析，首先需要建立几何模型。一般来说建模方法有两种，一是直接在WorkBench的建模模块里直接建模，二是通过其他专业的建模软件如Solidworks，UG等建立机身的几何模型，然后转换成中间格式导入到WorkBench，然后进行网格划分加载进行分析。本文采用第二种建模方法，步骤如下：打开Workbench软件，点选Static Structure，建立分析项，如图二所示。 - 36 -图二双击Engineering Data，进入材料设置，默认为结构钢，查看材料属性，确认无误，如图三所示，点击回到工程项。图三右击geometry找到模型路径选择，模型被加载到ansys软件9.1.2 网格划分及前处理网格划分及前处理 有限元网格划分是进行有限元数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。网格划分涉及单元的形状及其拓扑类型、单元类型、网格生成器的选择、网格的密度、单元的编号以及几何体素。在有限元数值求解中，单元的等效节点力、刚度矩阵、质量矩阵等均用数值积分生成，连续体单元以及壳、板、梁单元的面内均采用高斯（Gauss）积分，而壳、板、梁单元的厚度方向采用辛普生（Simpson）积分。 有限元方法的基本思想是将结构离散化,即对连续体进行离散化,利用简化几何单元来近似逼近连续体,然后根据变形协调条件综合求解。所以有限元网格的划分一方面要考虑对各物体几何形状的准确描述,另一方面也要考虑变形梯度的准确描述。为正确、合理地建立有限元模型,这里介绍划分网格时应考虑的一些基本原则。- 37 -为了适应应力等计算数据的分布特点,在结构不同部位需要采用大小不同的网格。在孔的附近有集中应力,因此网格需要加密;周边应力梯度相对较小,网格划分较稀。由此反映了疏密不同的网格划分原则:在计算数据变化梯度较大的部位,为了较好地反映数据变化规律,需要采用比较密集的网格;而在计算数据变化梯度较小的部位,为减小模型规模,网格则应相对稀疏。单元阶次与有限元的计算精度有着密切的关联,单元一般具有线性、二次和三次等形式,其中二次和三次形式的单元称为高阶单元。高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界,且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数,所以增加单元阶次可提高计算精度。但增加单元阶次的同时网格的节点数也会随之增加,在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模相对较大,因此在使用时应权衡考虑计算精度和时耗。网格单元形状的好坏对计算精度有着很大的影响,单元形状太差的网格甚至会中止计算。单元形状评价一般有以下几个指标: (1)单元的边长比、面积比或体积比以正三角形、正四面体、正六面体为参考基准。 (2)扭曲度:单元面内的扭转和面外的翘曲程度。 (3)节点编号:节点编号对于求解过程中总刚矩阵的带宽和波前因数有较大的影响,从而影响计算时耗和存储容量的大小 几何模型建立后，需要对机身模型进行网格划分。由于是体模型，所以单元类型为solid32单元。solid32单元为六面体单元，每个节点有UX、UY和UZ方向的平移自由度和ROTX，ROTY和ROTZ方向的旋转自由度。适用于对体模型的网格划分。回到工程页，可以看到几何建模已经完成，Geometry那行已打勾，代表模型无误，可以进行网格划分的操作，如图五所示。 - 38 -双击Model，进入网格划分模块点击Geometry子项，设定梁的曲面厚度均为为0.02m 设置接触面，由于梁的三个面并没有节点对齐，所以需要对连接处进行绑定约束。右击主菜单的Connectiong，插入Manual Contact Region。选择需要绑定的接触面，做如图九设置。求解设置，点击Analysis Setting，设定边界条件边界条件分为约束和载荷，将机身的四个螺丝孔设定为固定约束，模型实际中螺栓将机身固定的工况，在机身滚筒部位给予7000NM的转矩，这个是电机所能提供的最大转矩。- 39 -边界条件设定完毕（14）点击solve，进行求解。9.1.39.1.3查看结果查看结果求解结束后，点击相应结果项即可查看梁的变形和应力云图由上图可知机身的最大应力为0.61Mpa，远小于材料许用应力345Mpa，由此可知机身的安全系数非常高。 - 40 -由上图可知机身产生的变形为3x10-6mm，非常小。- 41 -9.2 结构优化后再次分析对模型进行结构更改，将底座部位的两个筋去掉，并且将筒身壁厚变薄1mm，优化以后的结构如下图所示： - 42 -对其施加与第一次相同的约束和载荷并且进行网格划分并且，通过此次设计过程中查找文献后对反应釜的了解，对于其的发展也有了些许看法。对于反应釜的研究，除功率问题外，有关的流体力学研究也具有重要意义。这方面已做了许多工作，但尚需扩大和深入。同时，对于反应釜的发展来说，大容积化、器最终进行分析，分析结果如下图所示：- 43 -并且，通过此次设计过程中查找文献后对反应釜的了解，对于其的发展也有了些许看法。对于反应釜的研究，除功率问题外，有关的流体力学研究也具有重要意义。这方面已做了许多工作，但尚需扩大和深入。同时，对于反应釜的发展来说，大容积化、器模型整体最大应力为0.5167Mpa，仍然小于材料许用应力，符合使用要求。 - 44 -并且，通过此次设计过程中查找文献后对反应釜的了解，对于其的发展也有了些许看法。对于反应釜的研究，除功率问题外，有关的流体力学研究也具有重要意义。这方面已做了许多工作，但尚需扩大和深入。同时，对于反应釜的发展来说，大容积化、器由此可知，本次优化结果合格。在减轻机身重量的前提下， 能够保证结构的强度要求。满足使用要求- 45 -。 - 46 -并且，通过此次设计过程中查找文献后对反应釜的了解，对于其的发展也有了些许看法。对于反应釜的研究，除功率问题外，有关的流体力学研究也具有重要意义。这方面已做了许多工作，但尚需扩大和深入。同时，对于反应釜的发展来说，大容积化、器- 47 -9.3 分析结果比对及结论按以上步骤，对不同结构机身进行建模分析，可得出
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