反应釜设计（毕业论文doc） .doc

辽宁石油化工大学继续教育学院论文 摘 要 本次设计的搅拌设备是 pp 聚合釜 聚合釜的结构采用夹套式 内筒介质为 pp 设计压 力为 1 5mpa 夹套内介质为导热油 设计压力为 0 3mpa 主体材质为 16mnr 搅拌速度为 130r min 操作时夹套内的油冷却内筒的物料 设计方法采用压力容器的常规设计方法 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 设计方案的选择 釜体 内筒和夹套 强度 结构的设计 校核和水压试验 搅拌装置设计 与校核 传热装置设计 传动装置设计以及反应釜其他零部件设计等 聚合釜作为反应容器的一种 其应用前景广泛 尤其是在石油与化工行业中更是得到了 广泛的应用 本次设计的聚合釜混合性能好 能耗低 结构简单 紧凑 占用空间及作业面 积较小 操作维修方便 易于使物料形成轴向流型并在彼此之间相互分散 能增大不同物相 间的接触面积 大大加快传热和传质过程 能保证石油化工行业连续不间断的生产要求 关键词关键词 反应釜 聚合釜 搅拌设备 传热装置 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 abstract the design involves the mixing equipment is naphthalene polymerization reactor polymerization reactor structure with jacket naphthalene medium within the tube the design pressure of 1 5mpa folder comprising a medium for the oil the design pressure is 0 3mpa the main material for the 16mnr stirring speed 130r min operation the oil cooling kit folder within the tube material pressure vessel design using conventional design methods follow the chemical device requirement according to gb150 98 steel pressure vessel and the implementation of technical regulations design mainly includes design of the program of choice kettle body inner tube and jacket strength structural design check and pressure test agitator design and verification heat transfer equipment design transmission design and reactor design of other components polymerization reactor as a reaction vessel its wide usage especially in the oil and chemical industry is widely applied the design of the polymerization reactor well mixed performance low energy consumption simple structure compact space and operating smaller easy maintenance easy to form axial flow of materials and with each other dispersed in can increase the the contact area between phases of different materials greatly speeding up the process of heat and mass transfer to ensure uninterrupted oil chemical industry production requirements key words reactor polymerization reactor mixing equipment heat transfer devices 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 目 录 第第 1 章章 绪论绪论 3 第第 2 章章 设计方案的选择及设计参数的确定设计方案的选择及设计参数的确定 7 2 1 搅拌反应釜类型的选择搅拌反应釜类型的选择 7 2 2 设计参数的确定设计参数的确定 8 2 2 1 设计压力的确定 8 2 2 2 设计温度的确定 9 2 2 3 釜体材料的选择 9 第第 3 章章 反应釜的结构设计反应釜的结构设计 11 3 1 釜体的选型及尺寸确定釜体的选型及尺寸确定 11 3 1 1 釜体材料及结构型式的选择 11 3 1 2 釜体直径及高度计算 11 3 1 3 釜体厚度计算 13 3 2 封头的选型及尺寸确定封头的选型及尺寸确定 14 3 2 1 封头材料及结构型式的选择 14 3 2 2 封头的厚度计算 16 第第 4 章章 反应釜的传热装置反应釜的传热装置 17 4 1 传热装置的类型及选择传热装置的类型及选择 17 4 2 传热装置的尺寸计算传热装置的尺寸计算 18 4 2 1 夹套直径及高度的选择 18 4 2 2 夹套筒体厚度的计算 18 4 2 3 夹套封头厚度的计算 19 第第 5 章章 反应釜的传动装置反应釜的传动装置 20 5 1 传动方式传动方式 20 5 1 1 电机的选用 20 5 1 2 减速机的选用 21 5 2 传动方式的机座传动方式的机座 21 第第 6 章章 反应釜的搅拌装置反应釜的搅拌装置 23 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 6 1 搅拌器的类型及选择搅拌器的类型及选择 23 6 2 搅拌功率的计算搅拌功率的计算 24 6 3 搅拌轴的校核搅拌轴的校核 25 6 3 1 搅拌轴材料的选择 25 6 3 2 搅拌轴的强度校核 26 6 3 3 搅拌轴的刚度校核 26 第第 7 章章 反应釜的密封与其他附件反应釜的密封与其他附件 28 7 1 反应釜的密封装置反应釜的密封装置 28 7 2 设备的支座设备的支座 30 7 3 联轴器的选用联轴器的选用 30 7 4 法兰的选用及校核法兰的选用及校核 31 7 5 容器的开孔与补强容器的开孔与补强 33 7 5 1 开孔补强的设计与补强结构 34 7 5 2 开孔补强的计算 37 参考文献参考文献 41 致致 谢谢 42 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 第 1 章 绪论 在生产实践中 许多化工生产过程都需要反应设备 广泛应用于物料混合 溶解 传热 制备悬浮液 聚合反应和制备催化剂等生产过程 反应设备有反应 釜 反应器 分解塔 聚合釜 合成塔 高压塔 变换炉 煤气发生炉等 同时 本次设计的聚合釜也是搅拌反应器的一种 搅拌可以使两种或多种不同的物质在 彼此之间互相分散 从而达到均匀混合 也可以加速传热和传质过程 聚合釜是 常见的一种搅拌反应设备 搅拌反应设备的作用一般有如下几点 1 使物料混合均匀 2 使气体在液体中很好地分散 3 使固体颗粒 如催化剂 在液相中均匀地悬浮 4 使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化 5 加强相间传质 入吸收等 6 强化传热 维持反应或反应产生的热量 搅拌反应设备在工业生产中应用范围很广 尤其是石油化工中 很多的石油 化工生产中都应用搅拌操作 石油化工工艺过程中的很多化学变化是以参加反应 物的充分混合为前提的 对于加热 冷却 液体的萃取以及气体的吸收等物理变 化过程 也往往要采用搅拌操作才能得到良好的效果 减半反应设备在许多场合 时作为反应器来应用的 在化工生产中 制造乙烯 丙乙烯 高压聚乙烯 聚丙 烯 合成橡胶 苯胺染料等工艺过程 都采用各种型式的搅拌反应设备 其他如 染料 医药 农药 油漆等行业 搅拌反应设备的应用亦很广泛 主要用于物料 的混合 溶解 传热 制备悬浮液 制备催化剂等 搅拌反应器的结构常由搅拌器 罐体 夹套 搅拌轴 压出管 支座 人孔 轴封 传动装置等组成 其结构示意图如下 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 1 搅拌器 2 罐体 3 夹套 4 搅拌轴 5 压出管 6 支座 7 人孔 8 轴封 9 传动装置 图 1 结构示意图 搅拌设备设计的基本要求有 1 安全可靠要求 生产过程苛刻的操作条件决定了设备必须可靠运行 为了保证其安全运行 防止事故发生 化工设备应具有足够的能力来承受使用寿命内可能遇到的各种外 来载荷 要求所使用的设备具有足够的强度 韧性和刚度 以及良好的密封性和 耐腐蚀性 化工设备是由不同的材料制造而成的 气安全性与材料本身的强度密切相关 在相同的设计条件下 提高材料强度无疑可以保证设备具有较高的安全性 但满 足强度要求并非是选用材料的强度等级越高越好 而是要选择合适的材料 无原 则地选用高强度材料 结果只会导致材料和制造成本提高以及设备抗脆断性能力 降低 另外 除了保证所有零部件选用的材料具有足够的强度外 还要考虑设备 各零部件的连接结构形式 因为化工设备多数是以焊接方式进行连接的 其应力 集中现象比较严重 存在缺陷的可能性也比较大没事设备比较薄弱的环节 所以 化工设备的设计和制造必须足够重视 由于材料 焊接和使用等房名的原因 化工设备不可避免地会产生各种各样 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 的缺陷 如果在选材时充分考虑材料的破坏前吸收变性能量的能力水平 既材料 的韧性 并注意材料强度和韧性的合理搭配 最大限度地降低化工设备对缺陷的 敏感程度 对于保证设备的安全运行也是一个非常有效的措施 刚度是保证化工设备安全运行的另一个重要方面 因为 有时设备的失效不 是因为强度不够 二十由于设备在不发生破坏的情况下突然丧失其原有形状 致 使设备失去应有的功能 因此 失稳是化工设备常见的一种失效形式 对这一类 设备的设计应该确保具有足够抵抗过度变形的能力 即抗失稳能力 密封性是化工设备在正常操作条件下阻止介质泄漏的能力 根据化工生产对 安全所提出的要求 如果化工设备不具备良好的密封性能 那么 易燃 易爆 有毒介质就有可能在其内部的腔体间发生泄漏或直接泄漏到周围环境 这不仅使 生产及设备受到损失 污染环境 而且可能对操作人员的安全构成威胁 甚至可 能引起爆炸等事故 因此 良好的密封性是化工设备安全操作的必要条件 耐蚀性也是保证化工设备安全运行的一个基本要求 特别是处理化工生产中 的介质 由于他们具有不同程度的腐蚀性 一方面 可能使设备的厚度渐薄 使 用寿命缩短 另一方面 还会在应力集中及两种材料或构件焊接处等区域造成更 为严重的腐蚀 结果引起泄漏或爆炸 为此 选择合理的耐蚀材料或采用相应的 防腐措施 将会大大提高化工设备的使用寿命和安全可靠性 2 工艺条件要求 化工设备是为工艺过程服务的 其功能要求是为满足一定的生产需要提出来 的 如果功能要求不能得到满足 会影响整个过程的生产效率 3 经济合理要求 在保证化工设备安全运行和满足工艺条件的前提下 要尽量做到经济合理 因为经济性是否合理是衡量化工设备优劣的一个重要指标 首先 从设计和使用 方面来讲 除了实现生产操作外 要尽量使化工设备的生产效率提高 消耗最低 在相同工艺条件下 未来获得较好的效果 设备可以使用不同的结构内件 并充 分利用材料性能 使用简单和易于保证质量的制造方法 减少加工量 降低制造 成本 除此之外 对于一些大型化工设备 还要考虑运输 安装等方面的难易程 度 最大限度地降低有关费用 4 便于操作和维护 化工设备出来要满足工艺条件和考虑经济性能外 使设备操作简单 便于维 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 护和控制也是一个非常重要的方面 5 环境保护要求 随着工艺条件要求的提高和人们环保意识的增强 对于化工设备失效的概念 有了新的认识 除通常所讲的破裂 过度塑性变形 失稳和泄漏等功能性失效外 现在提出 环境失效 有害物质泄漏到环境中 生产过程残留无法清除的有害物 质以及噪声等 化工设备在设计时应考虑这些因素的影响 必要时 应在结构上 增设有泄漏检测功能的装置 以满足环境保护的要求 在搅拌反应器中 为增快反应速率 强化传热效果以及加强混合作用 常装 有搅拌装置 搅拌装置由搅拌器及搅拌轴组成 搅拌器又称搅拌桨或叶轮 它的 功能是提供过程所需要的适宜的流动状态 以达到搅拌过程的目的 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 第 2 章 设计方案的选择及设计参数的确定 2 1 搅拌反应釜类型的选择 搅拌反应釜是化工生产中常用的典型设备 一台搅拌反应设备大致由釜体 换热元件 搅拌装置 传动装置以及密封装置等组成 搅拌容器的作用是为物料 反应提供合适的空间 搅拌容器筒体基本上是圆筒形 封头常采用椭圆形封头 锥形封头和平盖 其中以椭圆形封头应用最广 根据工艺要求容器上装有各种接 管 以满足进料 出料 排气等要求 为了加热或取走反应热量 长设置外夹套 或内盘管 上封头上焊有凸缘法兰 用于搅拌容器与机架的连接 为了在操作过 程中队反应物进行控制 必须测量反应物的温度 压力 成份以及其它参数 容 器上还设有温度 压力等传感器 搅拌反应设备可以从不同角度进行分类 其中按搅拌装置的安装型式可分为 以下几类 1 立式容器中心搅拌 立式容器中心搅拌设备 是将搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上 驱 动方式一般为皮带传动或齿轮传动 用普通电机直联或与减速器直联 功率为 0 1kw 在实际应用中 0 2 22kw 比较常见 由于设备的大型化 超过 400kw 的大 型设备也出现了 一般认为功率 3 7kw 以下为小型 5 5 22kw 为中型 转速低于 100r min 为低速 100 400r min 为中速 大于 400r min 为高速 中 小型立式容 器搅拌反应设备 转速为 300 360r min 电机功率大约为 0 4 15kw 的范围 用皮 带或齿轮一级减速 桨叶的形状 根据用途可以考虑各种各样的组合方式 以三 叶推进式 涡轮式为主体 2 偏心式搅拌 偏心式搅拌设备 这种设备中搅拌装置在立式容器上偏心安装 能防止液体 在搅拌器附近产生 圆柱状回转区 可以产生与加档板时相近似的效果 搅拌中心 偏离容器中心 会使液流在各点处压力不同 因而使液层间相对运动加强 增加 了液层间的湍动 使搅拌效果得到明显提高 但偏心搅拌容易引起震动 一般用 于小型设备 3 倾斜式搅拌 倾斜式搅拌设备 为了防止涡流的产生 对于简单的圆筒形或方形敞开的立 式设备可将搅拌器用夹板或卡盘安装在设备筒体上缘 搅拌轴倾斜插入筒体内 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 此种设备的搅拌器小型 轻便 结构简单 操作方便 应用广泛 一般采用功率 为 0 1 2 2kw 转速为 36 300r min 常用于药品的稀释 溶解 分散 调和及 ph 值的调整等 4 底搅拌 搅拌装置在设备的底部安装 称为底搅拌设备 优点是搅拌轴短 细 无中 间轴承 可用机械密封 易维护 检修 寿命长 底搅拌臂上搅拌的轴短儿细 轴的稳定性好 既节省材料又节省加工费用 而且降低了安全要求 所需的搅拌 空间比上搅拌小 避免了常轴吊装工作 有利于厂房的合理排列和充分利用 由 于把笨重的减速装置和动力装置安放在地面基础上 从而改善了封头的受力状态 同时也便于这些装置的维护和检修 底搅拌装置安装在下封头处 有利于上封头 接管的排列和安装 特别是上封头带夹套 冷却气相介质时更为有利 底搅拌有 利于底部出料 可使出料口处得到充分的搅动 使输料管路畅通 5 卧式容器搅拌 搅拌器安装在卧式容器的上面 可降低设备的安装高度 提高搅拌反应设备 的抗震性 改进悬浮液的状态等 可用于搅拌气 液非均相物系物料 例如充分 搅拌就是在利用卧式容器搅拌设备 搅拌器可以立装在卧式容器上 也可以倾斜 装在容器上 6 旁入式搅拌 旁入式搅拌反应设备室将搅拌装置安装在设备筒体的侧壁上 在小型设备中 可以抽取设备内的物料 卸下搅拌装置更换轴承部分 所以搅拌装置的结构要尽 量简单 这种搅拌装置一般用于防止原油储罐泥浆的堆积 用于重油 汽油等石 油制品的均匀搅拌 用于各种液体的混合和防止沉降等 特别是在大型贮槽中 投入少量的功率可以得到适当的搅拌效果 因而被广泛采用 本次设计为 pp 聚合釜 鉴于以上各种类型搅拌设备的优缺点 考虑到设备的 安全性 合理性和经济性 并遵循搅拌设备设计要求 本次设计选用立式搅拌设 备 2 2 设计参数的确定 2 2 1 设计压力的确定 设计压力是指设定的容器顶端部的最高压力 与相应的设计温度一起作为设 计载荷条件 其值不得低于工作压力 实际计算时可以按 压力容器安全技术监 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 察规程 等有关规定来确定相应的设计压力 本次设计为 pp 聚合釜 釜内和夹套的工作压力分别为 1 5mpa 和 0 3mpa 容 器上并未装设安全阀和爆破片等安全泄放装置 但是为了使设备能安全地进行工 作 本次釜内和夹套的设计压力都取 1 1 倍的工作压力 分别为 1 65mpa 和 0 33mpa 2 2 2 设计温度的确定 设计温度是指容器在正常工作情况下 在相应设计压力下 设定的受压元件 金属温度 对于 0 以上的金属温度 设计文帝不得低于元件金属在工作状态可能 达到的最高温度 对于 0 以下的金属温度 设计温度不得高于元件金属可能达到 的最低温度 设计温度与设计压力存在对应关系 当压力容器具有不同的操作工况时 应 按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件 而不能按其在不同工况各自 的最苛刻条件确定设计温度和设计压力 本次设计严格遵循 gb150 规定 并且考虑到设计压力 设计温度取工作温度 釜内的设计温度为 95 夹套的设计温度为 133 2 2 3 釜体材料的选择 压力容器常用的材料有如下几种 1 q235 a f 容器设计压力 p 0 6mpa 钢板使用温度为 0 250 用于壳体 时 钢板厚度不大于 12mm 不得用于易燃介质以及毒性程度为中度 高度或极度 危害介质的压力容器 2 q235 a 容器设计压力 p 1 0mpa 使用温度在 0 350 不得用于盛装 液化石油气介质以及毒性程度为高度或极度危害介质 3 q235 b 容器设计压力 p 1 6mpa 钢板使用温度在 0 350 不得用于 毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器 4 16mnr 它属于强度用钢 是 345mpa 级的低合金钢 具有良好的机械性能 焊接性能 工艺性能极低温冲击韧性 中低温时机械性能均优于 q235 a 15 20 等碳素钢 使用温度在 40 475 的场合 在石油化工设备 锅炉 压力容器中广 泛使用 5 0crl8ni9 它属于不锈耐酸钢 抗高温氧化性能好 有良好的塑性 韧性 冷加工性 在氧化性酸和大气 水 蒸汽等介质中耐酸性亦佳 此钢有较好的冷 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 变形性能 可以进行弯曲 卷边等工序 但冷作硬化能力很强 对冷变形量大的 工序 则需进行一次中间热处理 焊接性能良好 可以进行各种方法的焊接 是 在化工 原子能 食品设备中应用最广泛的不锈钢和耐热钢 除制作壳体外 还 可作设备衬里 容器法兰衬环 紧固件 金属密封垫等 鉴于 16mnr 能够满足材料的使用性能 工艺性能和经济性能 并且适合本次 设备设计 所以本次设计釜体的材料选用 16mnr 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 第 3 章 反应釜的结构设计 3 1 釜体的选型及尺寸确定 反应釜筒体的主体部分是容器 如图 a 所示 其筒体基本是圆筒形 封头 常采用椭圆形 锥形和平板形 其中以椭圆形应用最广泛 釜体结构与传热形式 有关 最常见的是夹套式壁外传热结构 如图 b 所示 也有釜体内设蛇管的传 热结构 如图 c 所示 必要时也可将夹套和蛇管联合使用 釜体上按工艺要求 还需要安装各种接管口 a 筒体 b 夹套 c 蛇管 3 1 1 釜体材料及结构型式的选择 釜体结构型式的选择 搅拌反应釜釜体的主要部分是容器 其筒体基本上圆柱形的 由于圆柱形筒 体是最常见的一种压力容器结构形式 具有结构简单 易于制造 便于在内部装 设内件等优点 被广泛应用于反应器 换热器 分离器和中小型容积储存容器 由于圆柱形筒体结构简单 易于在内部安装内件 所以本次设计选用圆柱形筒体 3 1 2 釜体直径及高度计算 1 釜体直径的计算 釜体的基本尺寸是内径 di和高度 h 它们的尺寸首先要满足工艺设计要求 对于反应釜 设备容积式主要决定参数 根据化工设备知识 搅拌功率与搅拌器 直径的五次方成正比 而搅拌器的直径往往需要随容器直径的增大而增加 因此 在同样的容积下 反应釜的直径太大时不适宜的 但某些有待定要求的反应釜如 发酵罐之类 为了使通入罐中的空气能与发酵液充分接触 需要一定的液体高度 故筒体的高度不宜太矮 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 根据实践经验 集中反应釜的 h d 如表 3 1 所示 i 表 3 1 反应釜的 h d 值 i 种类釜内物料类型h di 液 液相或液 固相物料1 1 3 一般反应釜 气 液相物料1 2 发酵罐类气 液相物料1 7 2 5 在确定反应釜直径及高度时 还根据反应釜操作时所允许的装料程度 装料 系数 等予以综合考虑 通常装料系数 可取 0 6 0 85 如果物料在反应过程中产 生泡沫或成沸腾状态 应取较低值 一般为 0 6 0 7 若反应状态平稳 可取 0 8 0 85 物料粘度大时 可取最大值 因此 釜体容积 v 与操作容积 v 应有如 0 下关系 v v 工程实际中 要合理选用装料系数 以尽量提高设备利用率 0 对于直立反应釜来说 釜体容积通常是指圆柱形筒体及下封头所包含的容积 之和 根据釜体容积 v 和物料性质 h d 由表 3 1 得 并根据实际情况取 i h d 1 2 i v 3 1 i 3 i 2 i d h d 4 hd 4 3 2 3 3 i 1 2 44 d h 4v i d 可得 d 1619mm i 式中 v 釜体容积 m 本次设计的釜体容积为 4m h 筒体高度 m d 筒体内径 m i 将计算结果圆整为标准直径 的 d 1600mm i 2 釜体高度的计算 对于直立式反应釜 其圆柱部分筒体的高度 h 可由公式 3 3 计算 3 3 h 1 v vv h 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 hmm v vv h 1800 97 2 617 0 4 1 式中 v 釜体容积 m 本次设计的釜体容积为 4m vk 下封头所包含的容积 vk 0 617m v 筒体每一米高的容积 v1 2 97m 1 校核 125 1 1600 1800 i d h 式中 h 釜体的高 mm di 釜体的内径 mm 经校核 h di与本次设计所选择的 h di相近 所以本次设计选择的 h di的值 合理 3 装料量 k vvv 3 027 2 617 0 407 1 m 式中 装料系数 本次设计取 0 7 v 釜体容积 m3 vk 封头的容积 m3 4 釜体厚度计算 由于釜内承受 1 5mpa 压力 而夹套承受 0 3mpa 压力 所以筒体的厚度有以 下几种情况 1 只受 1 5mpa 内压 1 确定壁厚由公式 3 4 计算 3 4 c t ic p dp 2 mm p dp c t ic 2 9 65 1 85 0 1702 160065 1 2 mmc d 7 105 12 9 2 mmc dn 125 08 0 7 10 1 mmc ne 7 9 8 05 1 12 c c c 1 5 0 8 2 3 mm 12 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 将计算结果圆整 取 mm n 12 式中 pc 计算压力 mpa di 釜体内径 mm 设计温度下的许用应力 mpa t 焊缝系数 取 0 85 c1 负偏差 mm 查表 3 2 c2 腐蚀欲量 mm 查表 3 3 计算厚度 mm d 设计厚度 mm n 名义厚度 mm e 有效厚度 mm 表 3 2 钢板的厚度负偏差 mm 钢板厚 度 2 0 2 52 8 4 04 5 5 56 0 7 08 0 2526 3032 3436 40 负偏差 c1 0 20 30 50 60 80 91 01 1 表 3 3 腐蚀欲量选取 mm 容器类别碳素钢 低合金钢 铬钼钢不锈钢容器类别碳素钢 低合金钢 铬钼钢不锈钢备注 塔器及反 应壳体 320不可拆内 件 310 容器壳体1 510可拆内件210 换热器壳 体 1 510群座110 包括 双面 热衬里容 器壳体 1 510 2 验算最小壁厚 min 对于压力较低的容器 按强度计算出来的壁厚很薄 常因刚度不足 在制 造和运输 吊装和安装过程中易发生变形 如此薄的钢板显然不能满足实际的 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 需要 因此 gb150 1998 规定 对壳体加工成型后具有不包括腐蚀裕量的最 小厚度进行如下限制 min 对于碳素钢 低合金钢制的容器 不小于 3mm 对于高合金钢 min 不小于 2mm min 对标准椭圆形封头和 ri 0 9di r 0 17di 的碟形封头 其有效厚度不应 小于封头内径的 0 15 对于其他椭圆形封头和碟形封头 其有效厚度应不小 于封头内直径的 0 30 mmc5 45 133 2min 将计算结果圆整 取mm5 min 而 min n 所以 取壁厚 mm n 12 3 校核水压试验强度 p 1 25p tc mpa t 06 2 170 170 65 1 25 1 mpa dp e eit 93 170 0097 0 2 0097 0 6 1 06 2 2 0 9mpa s 925 26334585 0 9 0 显然 故水压试验强度足够 s 9 0 3 2 封头的选型及尺寸确定 3 2 1 封头材料及结构型式的选择 1 封头材料的选择 封头与筒体一般采用焊接相连接 为了便于焊接封头的材料采用与筒体相同 的材料 此次封头材料采用 16mnr 2 封头结构型式的选择 压力容器封头的种类较多 封头又称端盖 按其形状可分为三类 凸形封头 锥形封头 平板形封头 其中凸形封头包括半球形封头 椭圆形封头 蝶形封头 和球冠形封头 1 半球形封头 半球形封头 如图所示 是由半个球壳构成的 在均匀的内压作用下 薄壁球形容器的薄膜应力为相同 直径圆筒的一半 故从受力分析来看 球形挂头是最理 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 想的结构形式 但缺点是深度大 直径小时 整体冲压困难 它常用在高压容器 上 2 椭圆形封头 椭圆形封头 如图所示 是由半个椭球面和一段 直边短圆筒组成 直边的作用是避免筒体与封头间的环 向连接焊缝处出现边缘应力与热应力叠加 以改善焊缝 的受力情况 由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连 续 故应力分布比较均匀 且椭圆形封头深度较半球形封 头小得多 易于冲压和成型 因此是目前中 低压容器 中应用较多的封头之一 3 碟形封头 碟形封头 如图所示 是带折边的球面封 头 由半径为 ri 球面体 半径为 r 的过渡环壳和短 圆筒等三部分组成 碟形封头的过渡环壳的存在 降低了封头的深度 方便了成型加工 且压制碟 形封头的钢模加工简单 使碟形封头的应用 范围较广 4 球冠形封头 碟形封头当 r 0 时 即成为球冠形封头 它是部分球面与圆筒直接相连 因而 结构简单 制造方便 常用于容器中两独立受压室的中间封头 也可用作端盖 由于球面与圆筒连接部分没有转角过渡 所以在连接处附近的封头和圆筒上都存 在相当大的不连续应力 考虑到封头的成型 焊接 性能等原因 综合考虑后 本次设计采用椭圆形 封头 3 2 2 封头的厚度计算 1 上封头厚度的计算 1 确定壁厚 釜体的上封头只承受 1 5mpa 的内压时 mm p dp c t ic e 2 9 55 0 5 085 0 1702 160065 1 5 02 mmc d 7 105 12 9 2 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 mmc dn 125 08 0 7 10 1 mmc ne 7 9 8 05 1 12 c c c 1 5 0 8 2 3 mm 12 将计算结果圆整 取mm n 12 式中 pc 计算压力 mpa di 釜体内径 mm 设计温度下的许用应力 mpa t 焊缝系数 取 0 85 c1 负偏差 mm 查表 3 2 c2 腐蚀欲量 mm 查表 3 3 计算厚度 mm d 设计厚度 mm n 名义厚度 mm e 有效厚度 mm 2 验算最小壁厚 min 对于压力较低的容器 按强度计算出来的壁厚很薄 往往会给制造和运输 吊装带来困难 为此对壳体元件规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度 对于碳素 min 钢 低合金钢制的容器 不小于 3mm 对于高合金钢制的容器不小于 2mm min mmc5 45 133 2min 将计算结果圆整 取mm5 min 而 min 大于 n 所以 取壁厚 mm n 12 3 校核水压试验强度 1 25pp tc mpa t 0625 2 170 170 65 1 25 1 mpa dp e eit 93 170 0097 0 2 0097 0 6 1 0625 2 2 0 9mpa s 925 26334585 0 9 0 显然 故水压试验强度足够 s 9 0 所以 上封头厚度 mm n 12 2 下封头厚度的计算 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 1 当只受 1 5mpa 内压时与上封头相同 2 当只承受外压时与筒体厚度计算方法相同 3 当同时承受内压和外压时与筒体厚度计算方法相同 所以 封头厚度取 mm n 12 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 第 4 章 反应釜的传热装置 4 1 传热装置的类型及选择 换热装置可以传递化学反应所需的热量或带走反应产生的热量 保持一定的 操作温度 常用的换热结构元件有夹套和蛇管 另外还有电感应加热 直接蒸汽 加热或外部换热器加热等 1 夹套结构 夹套就是用焊接或法兰连接的方式在容器的外侧装设各种形状的结构 使其 与容器外壁形成密闭的空间 在此空间内通入载热流体 加热或冷却容器内的物 料 以维持物料的温度在预定的范围 夹套的主要结构形式有整体夹套 型钢夹套 半圆管夹套和蜂窝夹套等 各种夹套适用的温度和压力范围表见表 4 1 表 4 1 各种夹套适用的温度和压力范围 夹套形式最高温度 最高压力 mpa u 形3500 6整体 夹套圆筒形3001 6 短管支撑式2002 5蜂窝 夹套折边锥体式2504 0 半圆管夹套3506 4 型钢夹套2002 5 夹套直径一般按公称直径系列选取 这样有利与按标准选择夹套封头 2 蛇管夹套 当反应釜所需传热面积较大 而夹套传热不能满足要求时 可增加蛇热 蛇管 可分为螺旋式盘管和竖式蛇管 蛇管沉浸在物料中 热量损失小 传热效果好 同时还能起到导流筒的作用 但检修较麻烦 蛇管不易太长 一是因为凝液积聚会降低传热效果 二是因为要 从很长的蛇管中排出蒸汽中夹带的惰性气体也是很困难的 表 4 2 蛇管长与管径的最大比值 蒸汽压力 mpa0 0450 1250 200 300 50 管长与管径的最大比值100150200225275 如果蛇管要求传热面积很大时 可做成几个并联的同心圆蛇管管组 蛇管的 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 固定形式较多 如果蛇管中心园直径较小或圈数不多 质量不大时 可以利用蛇 管进出口接管固定在顶盖上 不再另设支架固定 当蛇管中心园直径较大 比较 笨重或搅拌有振动时 则需要支架以增加蛇管的刚性 鉴于以上各种夹套的特点 本次设计采用整体 u 型夹套 并且按照过程设 备材料的选用原则 此次设计的夹套材料选用 q235 a 4 2 传热装置的尺寸计算 4 2 1 夹套直径及高度的选择 夹套的内直径 dj一般按表 4 3 工程尺寸系列选取 以利于按标准选择夹套和 封头 表 4 2 夹套直径与筒体直径关系 di 500 600700 8002000 3000 djdi 50di 100di 200 本次设计由于工程实际要求取 dj 1700mm 夹套筒体高度 hj主要由传热面积确定 一般不低于料液的高度 以保证充分 传热 根据装料系数 操作容积 v 夹套筒体的高度 hj可由下式估算 mm 3 1169 4 617 024 47 0 2 1 i h j dv vv h 所以本次设计 根据实际情况 取夹套高度 hj 1200mm 4 2 2 夹套筒体厚度的计算 由于夹套只承受 0 3mpa 的内压 所以夹套的壁厚采用内压容器壁厚的计算方 法进行计算 1 确定壁厚 pc 1 1pw mm 9 2 65 1 85 0 1132 170065 1 2 c t ic p dp mm9 429 2 2 c d mm68 03 09 4 1 c dn mm7 33 26 c ne 式中 pc 计算压力 mpa 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 di 釜体内径 mm 设计温度下的许用应力 mpa t 焊缝系数 取 0 85 c1 负偏差 mm 查表 3 2 c2 腐蚀欲量 mm 查表 3 3 计算厚度 mm d 设计厚度 mm n 名义厚度 mm e 有效厚度 mm 2 验算最小壁厚 min mm53 2min c 而 故最小壁厚能合格 min 6 n 3 校核水压试验强度 mpa 413 0 113 113 33 0 25 1 25 1 t ct pp mpa08 95 0037 0 2 0037 0 7 1 413 0 2 e eit dp 0 9 mpa775 17923585 0 9 0 s 显然 故水压试验强度足够 s 9 0 所以 此次设计夹套筒体厚度取 mm 6 n 4 2 3 夹套封头厚度的计算 夹套封头也只承受 0 3mpa 的内压 所以夹套封头厚度与筒体厚度计算方法相 同 夹套封头厚度也取 6mm 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 第 5 章 反应釜的传动装置 5 1 传动方式 搅拌反应器中的搅拌器是由传动装置来带动 传动装置一般包括电动机 减 速器 联轴器以及搅拌周等 传动装置通常设置在反应器的顶盖上 一般采用立 式布置 电动机经减速器至工艺要求的搅拌转速后 再通过联轴器带动搅拌轴旋 转 从而带动搅拌器转动 5 1 1 电机的选用 电动机功率主要根据搅拌所需的功率及传动装置的传动效率来确定 搅拌所 需的功率一般由工艺要求给出 传动效率与所选减速装置的结构有关 此外还应 考虑搅拌轴通过轴封装置时因摩擦而损耗的功率 电动机功率为 m e pp p 式中 pe 电动机的功率 kw p 工艺要求的搅拌功率 kw pm 轴封摩擦损失功率 kw 传动系统的机械效率 表 5 1 传动系统的机械效率 类型传动方式效率 圆柱齿轮传动开式传动 铸齿0 9 0 93 圆锥齿传动开式传动 铸齿0 88 0 92 圆弧蜗杆传动0 85 0 95 带传动 平带和 v 带 0 95 0 96 无级变速器0 92 0 95 滚动0 99 0 995 轴承 滑动0 98 0 995 因为带传动机在过载的时候能很好的保护设备 所以本次设计选用带传动电 动机 效率取 0 95 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 5 1 2 减速机的选用 减速器的作用是传递运动和改变转动速度 以满足工艺条件要求 目前中国 已颁布有摆线针齿轮星减速机 两级齿轮减速机 v 带减速机和谐波减速机等多 种便准反应器用立式减速机 摆线针齿轮星减速机是利用少齿差内啮合行星传动的减速装置 减速比 87 6 转速 16 160r min 功率 0 6 30kw 其特点是传动效率高 结构紧凑 拆 装方便 寿命长 承载能力高 工作平稳 质量小 体积小 对过载和冲击载荷 有较强的承受能力 允许反正转 可用于防爆的场合 与电动机直接供应 两级齿轮减速机为两级同中心距并流式斜齿轮式减速传动装置 减速比为 11 6 6 转速 125 250r min 功率 0 6 30kw 在相同减速比范围内 它具有体积 小 效率高 制造成本低 结构简单 装配检修方便等特点 可以反正转 不允 许承受外加轴向载荷 只允许使用在搅拌轴向力较小的场合 可达到防爆要求 与电动机直接供应 v 带减速机为单级 v 带传动的减速装置 减速比 4 53 2 9 转速 320 500r min 功 率 0 6 5 5 kw 结构简单 过载时能产生打滑 因此 对电动机能起到保护作用 但不能保持精确的传动比 允许反正转 搅拌器和轴的重力均由本机承受 不能 用于要求防爆的场合 谐波减速机为利用行星轮是柔轮的少齿差内啮合的新型机械传动装置 减速 比 359 90 转速为 4 16r min 功率 0 6 13kw 与其他啮合传动比 其有结构简单 体积小 质量小 承载能力高 运转平稳 封闭性好等特点 不许多级传动而达 到转速级低的要求 可用于有防爆要求的场合 本次设计要求轴转速 130r min 综合以上各种要求和各减速机本身的条件 本 次设计选用两级齿轮减速机 5 2 传动机的机座 1 机座 搅拌反应的传动装置是通过机座安装在反应器顶上 其结构要考虑安装联轴器 轴封装置以及与之配套的减速器输出轴径和定位结构尺寸的需要 搅拌反应专用 机座的常用结构有单支点和双只点两种 单支点机座 其适用于电动机或减速机可作为一个支点 或容器内可设置中间 轴承和底轴承的情况 搅拌轴的轴径应在 30 160mm 之间 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 当减速器中的轴承不能承受液体搅拌所产生的轴向力时 应选用双支点机座 机座上的两个支点承受全部轴向载荷 对于大型设备 搅拌蜜蜂要求较高的场合 一般多采用双支点机座 单支点和双支点已有标准系列产品 标准对机座的用途和适应范围 结构形 式 基本参数和尺寸 主要技术要求都做了相应的规定 选用是可直接查取 2 底座 安装底座用于支托机座和轴封 轴封和机座定位于底座 有一定的同心度 从而保证搅拌轴即与减速器连接又穿过轴封还能顺利运转 视釜内物流的腐蚀情 况 底座有不衬里和衬里两种 安装方式上有上装式和下装式两种 本次设计搅拌轴的转速 130r min 符合单支点机座的要求 所以选用单支点 底座作为减速机 轴封装置与封头的连接装置 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 第 6 章 反应釜的搅拌装置 6 1 搅拌器的类型及选择 搅拌器的形式多种多样 采用平叶和折叶两种结构的桨式 涡轮式 框式和 锚式的桨叶 推进式 螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面 其中桨式 推进式 涡 旋式 锚式搅拌器在搅拌反应器中应用广泛 1 桨式搅拌器 桨式搅拌器是架构最简单的一种搅拌器 桨叶形状分为平直叶 和折直叶 平直叶是叶面与旋转方向互相垂直 折叶则是与旋转方向成一倾斜角 度 平直叶主要使物料产生切线方向的流动 加搅拌挡板后可产生一定的轴向搅 拌效果 折叶在结构上简单 桨叶一般以扁钢制造 当反应器内物流对碳钢有显 著腐蚀性时 可用合金钢或有色金属制成 也可采用钢制外包橡胶或环氧树脂 酚醛玻璃布等方法 a 平直叶式 b 折叶式 图 6 1 桨式搅拌器 2 推进式搅拌器 常用于粘度低 流量大的场合 推进式搅拌器常用整体铸造 加工方便 采用焊接时 需模锻后再与轴套焊接 加工较困难 3 涡轮式搅拌器 又称透平式搅拌器 是一种应用较广泛的搅拌器 能有效地 完成几乎所有的搅拌工作 并能处理粘度范围很广的流体 涡轮搅拌器的主要优 点是当能量消耗不大时 搅拌效率较高 4 框式和锚式搅拌器 这类搅拌器与上述三种搅拌器有明显区别 搅拌器的直 径与反应器直径非常接近 其间距一般自由 25 50mm 外缘形状也是根据釜内壁 的形状而定 5 螺旋式搅拌器 螺旋式搅拌器是由桨式搅拌器变化而来的 它的主要特点是 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 消耗功率较小 因此在化工生产中应用广泛 并主要适合在高粘度 低转速的情 况下使用 由于奖式混合设备结构简单 混合性能好 能耗低 同时所占用空间及作业 面积小 操作维修方便 而且应用很广泛 鉴于以上各种搅拌器的特点和此次设 计的基本条件 本次设计选用桨式搅拌器作为反应釜的搅拌装置 6 2 搅拌功率的计算 搅拌过程进行时需要动力 这动力也称搅拌功率 具有一定结构形状的设备 中装有一定物性的液体 其中用一定形式的搅拌器以一定的转速进行搅拌时 将 对液体做功并使之发生流动 这是使搅拌器连续运转所需要的功率即搅拌功率 显然 搅拌功率是搅拌器的几何参数 搅拌罐的几何参数 物料的物性参数和搅 拌器的运转参数的函数 搅拌功率准数 np是搅拌设备最基本得特征参数之一 搅拌功率可计算 p 53d nnp e 影响搅拌功率 p 的主要因素有以下四种 1 搅拌器的集合尺寸和转速 如叶轮的直径 d 叶宽 b 叶片倾角 转速 n 单个叶片数 np和叶轮离罐底宽度 e 等 2 搅拌容器的结构 如罐形 罐径 d 深度 h 挡板数 nb和挡板宽度 wb等 3 搅拌介质的特性 液体的密度 粘度等 4 重力加速度 g 等 上述影响因素可以用下式关联 n 53 d h d b d d ffrk dn p q r r e e p 式中 b 桨叶宽 m d 搅拌器直径 m d 搅拌容器内径 m fr 弗劳德数 f g dn r 2 h 液面深度 m k 系数 n 转速 s np 功率准数 1 p 搅拌功率 w r q 指数 e 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 r 雷诺数 粘度 pa s e 2 nd re 一般情况弗劳德数 f 的影响较小 容器的内直径 d 挡板的宽度 w 等几何 rib 参数可归结到系数 k 本次设计已知搅拌反应器筒体的直径为 1600mm 采用螺旋式搅拌器 搅拌器 直径为 1120mm 搅拌轴转速为 130r min 容器内液体粘度为 680 8kg m 粘度为 8 35mpa s 搅拌功率计算如下 7 5 2 2 102 2 1035 8 8 680 60 130 7 06 1 nd re 当 re大于 10000 的时候 np 与 re 无关 由图可查得的 np 1 7 按公式可计算搅拌功率 53d nnp pe kw81 9591 7 06 1 17 2 8 6807 1 52 e p 所以本次设计的搅拌功率为 9 59 千瓦 6 3 搅拌轴的设计 6 3 1 搅拌轴材料的选择 搅拌轴材料的选择主要根据轴的工作条件并考虑制造工艺等阴虚共同来确定 轴的材料应有较高的强度和刚度 同时还要考虑材料的来源 工艺性和经济性 通常轴的常用材料是碳素钢和合金钢 锻件的内部组织比较均匀 强度较好 故 重要的轴 或尺寸变化大的轴 应采用锻件 常用优质碳素钢有 35 45 50 钢 其中以 45 钢应用最多 有时还需要适当热处理 以提高轴的强度 刚度和耐磨性 这类钢板的强度 塑性与韧性等综合机械性好 一般经正火 调质处理 且材料 来源方便 加工方便 经济性好 可用于一般要求较高的轴 对于不重要或受载 荷较小的轴可采用 q235 a q275 等普通碳素