V16m3反应釜设计毕业论文.doc

V16m3反应釜设计毕业论文目 录摘要ABSTRACT第一章 绪论11.1 前言11.2 搅拌设备的操作目的11.3 搅拌反应釜的结构11.4 搅拌设备设计与选用的基本方法4 1.4.1 搅拌设备的设计步骤41.4.2 搅拌设备设计与选用的基本原则5第二章 工艺计算和结构设计72.1 釜体的尺寸确定及结构选型7 2.1.1 反应釜直径和高度的计算72.1.2 釜体的厚度92.1.3 反应釜结构造型102.2 封头的结构计算11第三章 搅拌装置与传动装置123.1 搅拌器的选择123.1.1 搅拌器的结构类型12 3.1.2 搅拌器的标准及选用153.2 搅拌功率的计算163.3 搅拌轴设计18 3.3.1 强度及刚度计算18 3.3.2 临界转速203.4 传动装置的选择21 3.4.1 电动机的选用213.4.2 减速器的选用223.4.3 机架的选择233.4.4 传动轴的设计23 3.4.5 凸缘法兰的选择23 3.4.6 安装底座的选择243.5 联轴器装置26 3.5.1 联轴器的机构类型26 3.5.2 联轴器的选用28第四章 传热部件及附属结构294.1 传热部件的结构及热量计算29 4.1.1 传热部件的选择29 4.1.2 蛇管固定件及进出口结构29 4.1.3 蛇管的选择及热量计算304.2 工艺接管及观测部件30 4.2.1 加料管31 4.2.2 卸料管32 4.2.3 温度计及套管32 4.2.4 视镜32 4.2.5 压力表33 4.2.6 液位计334.3 人孔的选择334.4 反应釜密封选择37 4.4.1 反应釜常用的动密封类型37 4.4.2 密封的选择374.5 安全装置的选择394.6 支座的选择394.7 设备吊耳的选择424.8 管法兰的选择42第五章 结论44参考文献45致 谢4747四川理工学院毕业设计第一章 绪论1.1 前言反应釜是化工生产中使用的典型设备之一。由于化学工艺过程的种种化学变化，是以参加反应的介质的充分混合为前提的，对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，也往往采用搅拌操作，才能获得更好的效果。釜内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。反应釜一般可根据用途、操作方式、结构等进行分类。最常见的是按反应釜的结构来分类，可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。按操作方式可分为：间歇釜式反应器,或称间歇釜；连续釜式反应器,或称连续釜；半连续釜式反应器。反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器。反应釜由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等。其操作方式不仅可以间歇操作，而且还可以连续操作。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应釜壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。1.2 搅拌设备的操作目的以液体为主体的搅拌操作，常常将被搅物料分为液-液、气-液、固-液、气-液-固等四种情况。搅拌既可以是一种独立的流体力学范畴的单元操作，以促进混合为主要目的，如进行液-液混合、固-液悬浮、气-液分散、液-液分散和液-液乳化等；又往往是完成其他单元操作的必要手段。以促进传热、传质、化学反应为主要目的，如在搅拌设备内进行流体的加热与冷却、萃取、吸收、溶解、结晶、聚合等操作。概括起来，搅拌设备的操作目的主要表现为以下四个方面： 1) 使不互溶液体混合均匀，制备均匀混合液、乳化液，强化传质过程；2) 使气体在液体中充分分散，强化传质或化学反应；3) 制备均匀悬浮液，促使固体加速溶解，浸取或发生液-固化学反应；4) 强化传热，防止局部过热或过冷。1.3 搅拌反应釜的结构机械搅拌设备由搅拌容器和搅拌机两部分组成。搅拌容器包括釜体、外夹套、内构件以及各种用途开孔接管等；搅拌机则包括搅拌器、搅拌轴、轴封、机架及传动装置等部件。其结构构成如图1-1所示。搅拌设备搅拌机搅拌容器釜体外夹套内构件(挡板、盘管、导流筒、气体分布器等)接管、人孔、手孔、视镜传动装置搅拌轴搅拌器轴封(或磁力连轴器)电动机变速器机架连轴器机械搅拌设备的结构构成1. 搅拌容器图1-1反应釜的总体结构搅拌容器常被称作搅拌釜（或搅拌槽），当搅拌设备用作反应器，又被称为搅拌釜式反应器，有时简称反应釜。釜体的结构型式通常为立式圆筒形，其高径比值主要依据操作时容器装液高径比以及装料系数大小而定。而容器装液高径比又视容器内物料性质、搅拌特征和搅拌器层数而异，一般取11.3，最大时可达6，釜底形状有平底、椭圆底、锥形底等，有时亦可用方形釜。同时，根据工艺的传热要求，釜体外可加夹套，并通以蒸汽、冷却水等载热介质；当传热面积不足时，还可在釜体内部设置盘管等。2. 搅拌器与搅拌轴搅拌器又被称作叶轮或桨叶，它是搅拌设备的核心部件。根据搅拌器在搅拌釜内产生的流型，搅拌器基本上可以为轴向流和径向流两种。例如，推进式叶轮、新型翼型叶轮等属于轴向流搅拌器，而各种直叶、弯叶涡轮叶轮则属于径向流搅拌器。搅拌轴通常自搅拌釜顶部中心垂直插入釜内，有时也采用侧面插入、底部伸入或侧面伸入方式，应依据不同的搅拌要求选择不同的安装方式。搅拌设备中电动机输出的动力是通过搅拌轴传递给搅拌器的，因此搅拌轴必须有足够的强度。同时，搅拌轴既要与搅拌器连接，又要穿过轴封装置以及轴承、联轴器等零件，所以搅拌轴还应有合理的结构、较高的加工精度和配合公差。3. 挡板为了消除搅拌容器内液体的打旋现象，使被搅物料能够上下轴向流动，形成全釜的均匀混合，通常需要在搅拌容器内加入若干块挡板。挡板数一般在26块之间，视具体情况而定。加入挡板后，搅拌功耗将明显增加，且随着挡板数的增加而增加；但在满足全挡板条件后，再增加挡板数，搅拌功耗将不再增加。通常，挡板宽度约为容器内直径的1/121/10。在固定悬浮操作时，还可在釜底上安装底挡板，以促进固体的悬浮。搅拌容器中的传热盘管也可部分以至全部代替挡板；当装有垂直换热管后，一般也可不再设置挡板。4. 导流筒导流筒为上下开口的圆筒，置于加倍容器中心，在搅拌混合中起导流作用。通常导流筒的上端都低于静液面，且在筒身上开有槽或孔。当生产中液面降落时物料乃可从槽或孔进入。通常，推进式搅拌器可位于导流筒内或略低于导流筒的下端；涡轮式或桨式搅拌器常置于导流筒的下端。当搅拌器置于导流筒之下，且筒体直径又较大时，筒的下端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器直径。5. 轴封轴封是搅拌设备的一个重要组成部分。轴封属于动密封，其作用是保证搅拌设备内处于一定的正压或真空状态，防止被搅物料逸出和杂质的渗入，因而不是所有的转轴密封型式都能用于搅拌设备。在搅拌设备中，最常用的轴封有液封、填料密封和机械密封等。当搅拌介质为剧毒、易然、易爆，或较为昂贵的高纯度物料，或者需要在高真空状态下操作，对密封要求很高，且填料密封和机械密封均无法满足时，可选用全封闭的磁力传动装置。磁力传动装置又称为磁力联轴器，是全密闭密封中的一种。它是利用永久磁体异极相吸、同极相斥的原理，通过气隙和隔离膜（套）将机械运动传递密闭的空间内。与传统的填料密封和机械密封相比，磁力传动装置最主要的优点是能实现零泄漏，但制造成本较高，目前在中、小型搅拌设备中应用较多。6. 传动装置搅拌设备的传动装置包括电动机、变速器、联轴器、轴承及机架等。其中搅拌驱动机构通常采用电动机与变速器的组合或选用带变频器的电动机，使搅拌器达到需要的转速。传动装置的作用是使搅拌轴以所需的转速转动，并保证搅拌轴获得所需的扭矩。在绝大多数搅拌设备中，搅拌轴只有一根，且搅拌器以恒定的速度向一个方向旋转。然而也有一些特殊的搅拌设备，为获得更佳的混合效果，可以在一个搅拌设备内使用两根搅拌轴，并让搅拌器进行复杂的运动，如复动式、往复式、行星式等。1.4 搅拌设备设计与选用的基本方法1.4.1 搅拌设备的设计步骤搅拌设备设计包括工艺设计和机械设计两部分内容。工艺设计提出机械设计的原始条件，即给出处理量、操作方式、最大工作压力（或真空度）、最高工作温度（或最低工作温度）、被搅物料的物性和腐蚀情况等，同时还需提出传热面的型式和传热面积、搅拌器型式、搅拌转速与功率等。而机械设计则应对搅拌容器、传动装置、轴封以及内构件等进行合理的选型、强调（或刚度）计算和结构设计。1. 明确设计任务和目的设计的全部依据来源于搅拌的任务和目的，其基本内容应包括：1) 明确被搅物料体系；2) 搅拌操作所达到的目的；3) 被搅物料的处理量（间歇操作按一个周期的批量，连续操作按时班或年处理量）；4) 明确有无化学反应、有无热量传递等，考虑反应体系对搅拌效果的要求。2. 了解物料性质物料体系的性质是搅拌设备设计计算的基础。物系性质包括物料处理量，物料的停留时间、物料的黏度、体系在搅拌或反应过程中达到的最大黏度、物料的表面张力、粒状物料在悬浮介质中的沉降速度、固体粒子的含量和通气量等。3. 搅拌器选型搅拌器的结构型式和混合特性很大程度上决定了体系的混合效果。因此，搅拌器的选型好坏直接影响着整个搅拌设备的搅拌效果和操作费用。目前，对于给定的搅拌过程，搅拌器的选型还没有、完善的方法。往往在同一搅拌目的下，几种搅拌器均可适用。此时多数依靠过去的经验，或相似工业实例分析以及对放大技术的掌握程度。有时对一些特殊的搅拌过程，还需进行中试甚至需要模型演示过程才能确定合适的搅拌器结构型式。在搅拌器结构型式选定之后，还应考虑搅拌器直径的大小与转速的高低。4. 确定操作参数操作参数包括搅拌设备的操作压力与温度、物料处置量与时间、连续或间歇操作方式、搅拌器直径与转速、物料的有关物性与运动状态等。而最基本的目的是要通过这些参数，计算出搅拌雷诺数，确定流速类型，进而计算搅拌功率。5. 搅拌设备结构设计在确定搅拌器结构型式和操作参数的基础上进行结构设计，主要内容是确定搅拌器构型的几何尺寸、搅拌容器的几何形状和尺寸。6. 搅拌特性计算搅拌特性包括搅拌功率、循环能力、切速率及分布等，根据搅拌任务及目的确定关键搅拌特性。搅拌功率计算又分两个步骤：第一步确定搅拌功率；第二步考虑轴封和传动装置中的功率损耗，确定适当的电动机额定功率，进而选用相应的电动机。7. 传热设计当加倍操作过程中存在热量传递时，应进行传热计算。其主要目的是核算搅拌设备提供的换热面积是否满足传热的要求。8. 机械设计根据操作环境和工艺要求，确定传动机构的类型；同时根据搅拌器转速和所选用的电动机转速，选择合适的变速器型号；并进行必要的强度计算，提供所有机械零部件的加工尺寸，绘制相应的零部件图和总体装配图。1.4.2 搅拌设备设计与选用的基本原则1搅拌器一般情况下，搅拌器结构型式的选用应满足下列基本要求：保证物料的有效混合，消耗最少的功率，所需费用最低，操作方便，易于制造和维修。同时，搅拌器的浆叶应该具有足够的强度。桨叶根部所受弯矩最大，该截面应有足够的抗弯截面模量。当桨叶部分工作面处可设置加强板，使截面成空心形状。这不仅能有效地增加截面抗弯摸量，还不过分的增加桨叶的质量。对于轴流搅拌器的加强板，其形状不应破坏流形，不宜在叶根部处加焊立筋。径向流搅拌器可以焊水平的筋板。桨叶的防腐包衬层不宜过大，以防止叶型偏离最佳形状，使流量及输入的功率减小，影响操作的效果。2搅拌容器应根据生产规模（即物料处理量）、搅拌操作目的和物料性确定搅拌容器的形状和尺寸。在确定搅拌容器的容积时应合理选择装料系数，尽量提高设备的利用率。如果没有特殊需要，釜体一般宜选用最常用的立式圆筒形容器，并选择适宜的筒体高径比（或容器装液高径比）。若有传热要求，则釜体外须设置夹套结构。夹套种类有整体夹套、螺旋挡板夹套、半管夹套、蜂窝夹套，传热效果依次提高但制造成本也相应增加。3搅拌轴搅拌轴应有足够的扭转强度和弯曲强度。通常，搅拌轴均应设计成刚性轴，要求具有足够的刚性。为防止轴发生共振，操作转速应控制在第一阶临界转速的75%以下。当操作转速较高（8001200r/min）时，搅拌轴也可设计成柔性的，但尽可能不用。搅拌轴的结构保证其质量较小，如轴径较大时尽量采用空心轴结构。4轴封在允许液体泄漏量较多、釜内压力较低的场合，可选用填料密封；在允许液体泄漏量小、釜内正压力或真空度较高，并且要求轴与轴套间摩擦动力消耗少的场合，则建议采用机械密封结构；而当搅拌介质为剧毒、易爆、易燃，或较为昂贵的高纯度物料，或者需要在高真空状态下操作，对密封要求很高，且填料密封和机械密封均无法满足时，可选用全密闭的磁力传动装置，但磁力传动装置可传递的功率一般较小。5变速器应根据工艺要求和操作环境，选配合适的变速器。所选用的变速器除应满足功率和输出转速的要求外，还应运转可靠，维修方便，并具有较高的机械效率和较低的噪声。6机架搅拌设备的机架应该使搅拌轴有足够的支架间距，以保证操作时搅拌轴下端的偏摆量不大。机架应保证变速器输出轴与搅拌轴对中，同时还应与轴封装置对中。机架轴承除承受径向载荷外，还应承受搅拌器所产生的轴向力。7搅拌设备内构件应根据搅拌器结构型式和物料操作特性确定容器内是否设置挡板和内冷管。安装有挡板的搅拌设备，大多在全挡板条件下操作。对于低黏度液体的搅拌，常在釜内安装四块挡板，宽度为D/12D/10即可满足全挡板条件。随着液体黏度的增加，挡板宽度可变窄。当液体黏度为20Pas时挡板宽度可取常用值的75%；当液体黏度超过50Pas后，就没有必要设置挡板。第二章 工艺计算和结构设计2.1釜体的尺寸确定及结构选型反应釜包括釜体和装焊在其上的各种附件。为了满足不同的工艺要求，或者因为反应釜本身结构上的需要，釜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有热效应，为了提供或取出反应热，需要在釜体的外侧安装夹套或在釜体的内部安装蛇管；为了与减速器和轴封相连接，顶盖上要焊装底座或凸缘法兰；为了便于检修内构件及加料和排料，需要装焊人孔、手孔和各种接管；为了在操作过程中有效的监视和控制物料的温度、压力和液面高度，则要安装温度计、压力表、液面计、视镜和安全泄放装置。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。所以在确定反应釜的结构的时候应全面考虑，使设备既满足生产工艺要求又要做到经济合理，实现最佳化设计。2.1.1 反应器直径和高度的计算在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的长径比(H/Di)，以确定罐体直径和高度。选择罐体长径比主要考虑以下两方面因素： 1长径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，PD5（其中D-搅拌器直径，P搅拌功率），P随釜体直径的增大，而增加很多，减小长径比只能无谓地损耗一些搅拌功率。因此一般情况下，长径比应选择大一些。2长径比对传热的影响：当容积一定时，H/Di越高，越有利于传热。3物料特性对釜体长径比的要求 某些物料的搅拌反应过程对釜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。 长径比的确定通常采用经验值.即表2-1表2-1 罐体长径比经验表种类罐体物料类型H/Di一般搅拌罐液固或液液相物料1-1.3气液相物料1-2发酵罐类1.7-2.5反应釜装料量：选择了釜体长径比之后，还要根据反应釜操作时所允许的装满程度考虑选择装料系数，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。在确定反应釜直径和高度时，还应根据反应釜操作时所允许的装满程度装料系数等予以综合考虑，通常装料系数可取0.60.8.如反应易起泡沫或呈沸腾状态应取低值，如0.60.7；反应状态平稳，可取0.80.85（物料粘度较大时，可取最大值），因此设备容积V与操作容积应有如下关系：=。在生产中要合理选用装料系数，以尽量提高设备利用率。本次设计选择=0.8，长径比选择H/Di=1.3。4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，釜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 (2-1)把釜体长径比带入上式为： . (2-2)由于设备内物料类型是液-液相物料,则可取长径比为1.3;将式(2-1)代入式(2-2)，并整理： (2-3)=2.502 m5确定筒体直径和高度 将式(2-3)计算出的结果圆整成标准直径系列，故取 mm，由标准椭圆形封头容积7，代入式(2-4)，算出筒体高度： (2-4) =3.093m再将上式算出的筒体高度进行圆整，取mm4。6核算 将圆整后的值代入得符合要求。2.1.2 釜体的厚度1.根据设计压力和液柱静压力确定计算压力：液柱静压力为： 大于设计压力的5%即：P0.025MPa，故须记入计算压力中，则：。2.釜体的设计厚度的计算 设计壁厚按承受0.54MPa的内压时圆筒的厚度计算，根据公式(2-5)可求得筒体厚度 (2-5)式中：计算厚度，mm；计算压力，MPa；焊缝系数。采用16MnR作为设计材料，根据反应温度110，其许用应力=170MPa（厚度为616 mm时）5。焊接接头采用双面焊对接接头，无损检测比例采用用局部检测，即。腐蚀余量C2取2 mm。筒体的计算厚度按公式(2-5)可求得：=4.49mm设计厚度 =4.49+2=6.49mm对于16MnR，钢板负偏差，因而可取名义厚度=8 mm。检查=8 mm时，没有变化，故取名义厚度=8 mm合适。3.釜体的水压实验压力： (2-6) 式中 P釜体的设计压力，P=0.5MPa； 容器元件材料在试验温度下的许用应力，=170MPa； 容器元件材料在设计温度下的许用应力，=170MPa；釜体压力实验前的应力校核： (2-7) =135.34 MPa式中 PT实验压力，PT=0.675MPa Di圆筒内径，Di=2400mm； 圆筒的有效厚度，=6mm；根据试验压力下的圆筒应力5，其中为圆筒材料在实验温度下的屈服点（或0.2%的屈服强度），=0.90.85325=248.63MPa。小于故水压实验安全。2.1.3 反应釜结构造型根据搅拌器的系列可知，反应釜的结构形式主要有以下几种，如下表2-2。表2-2 常用反应釜结构形式6反应釜结构形式的选择，根据操作需要进行，考虑到便于反应釜内部的清洗和部件的更换，同时反应釜封头在受压状态下操作常选用椭圆形封头。所以采用焊接的椭圆形底和椭圆形盖。2.2 封头的结构计算反应釜封头在设计时一般先算出顶盖承受操作压力所需要的最小壁厚，然后跟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一些。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。必要时也可在反应釜釜体之外另做一个框架，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。16MnR钢应满足下列强度条件： (2-8) mm式中：d计算厚度，mm；P计算压力，；焊缝系数；C2腐蚀余量。圆整至封头标准后，可以与筒体取同样厚度=8 mm7。第三章 搅拌装置与传动装置3.1 搅拌器的选择搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从而达到均匀混合；也可以加速传热和传质过程。搅拌操作分为机械搅拌和气流搅拌。气流搅拌是利用气体鼓泡通过液体层，对液体产生搅拌作用，或使气泡群以密集状态上升借气升作用促进液体产生对流循环。由于气流搅拌无运动部件，所以气流搅拌在处理腐蚀性液体，高温高压条件下的反应液体是很便利的；但与机械搅拌相比，气流搅拌对液体的搅拌是比较弱的。在工业生产中，大多数的搅拌均系机械搅拌。搅拌装置是反应釜的关键部件。反应釜内的反应物借助搅拌器的搅拌，达到物料充分混合、增强物料分子碰撞、加快反应速率、强化传质与传热效果、促进化学反应的目的。所以设计和选择合理的搅拌装置是提高反应釜生产能力的重要手段。搅拌装置通常包括搅拌器、搅拌轴、支承结构以及挡板、导流筒等部件。我国对搅拌装置的主要零部件均已实行标准化生产，供使用时选用9。3.1.1 搅拌器的结构类型1桨式搅拌器图3-1桨式搅拌器桨式搅拌器是结构比较简单的一种搅拌器，一般以扁钢加工制成。材料可以采用碳钢、合金钢、有色金属或碳钢外包橡胶、环氧树酯、酚醛玻璃布等。其结构如图3-1所示，有平直叶式和折叶式两种型式。平直叶的叶片与旋转方向垂直，主要使物料产生切线方向的流动，若加设有挡板也可产生一定程度的轴向搅拌作用。折叶式除了能使液体作圆周运动外，还能使液体上下运动。起到充分搅拌作用。桨式搅拌器的直径D约取筒体内径的0.350.8倍，其中DB410。搅拌桨的转速比较慢，一般取20100r/min。最高黏度为20 Pas桨式搅拌器的边缘线速度范围为15m/s。在料液层比较高时，为了将物料搅拌均匀，常装有几层桨叶，相邻两层桨叶常交错成90安装。2.涡轮式搅拌器涡轮结构如同离心泵的翼轮，轮叶上的叶片有平直形、弯曲形等形状。涡轮搅拌器形式较多，可分为开启式和带圆盘两大类，如图3-2所示。涡轮式搅拌器的桨叶直径一般为筒体内径的0.250.5倍，且一般在700mm以下。涡轮的标准转速为210m/s,D/B=58。涡轮式搅拌器适用于各种粘度物料的搅拌操作。图3-2 涡轮式搅拌器3. 推进式搅拌器推进式搅拌器形状与船舶用螺旋桨相似。推进式搅拌器一般采用整体铸造方法制成，常用材料为铸铁或不锈钢，也可采用焊接成型。桨叶上表面为螺旋面，叶片数一般为三个。桨叶直径较小，一般为筒体内径的1/3左右，宽度较大，且从根部向外逐渐变宽，其结构形式如图3-3所示。推进式搅拌器结构简单、制造加工方便，工作时使液体产生轴向运动，液体剪切作用小，上下翻腾效果好。主要适用于粘度低、流量大的场合。4.锚式和框式及螺式搅拌器锚式搅拌器是由垂直桨叶和形状相同的水平桨叶所组成图3-4。整个旋转体可铸造而成，也可用扁钢或钢板煨制。搅拌器可先用键固定在轴上，然后从轴的下端拧上轴端盖帽即可。若在锚式搅拌器的桨叶上加固横梁即成为框式搅拌器，见图3-4（b）和（c）。其中（b）为单级式，（c）为多级式。锚式和框式搅拌器的共同特点是旋转部分的直径较大，可达筒体内径的0.9倍以上，一般取D/B=1014。由于直径较大，能使釜内整个液层形成湍动，减小沉淀或结块，故在反应釜中应用较多。 图3-3推进式搅拌器图3-4 锚式搅拌器5.螺式搅拌器由螺旋带、轴套和支撑杆所组成的螺带式搅拌器如图3-5所示。其桨叶是一定宽度和一定螺矩的螺旋带，通过横向拉杆与搅拌轴连接。螺旋带外直径接近筒体内直径，搅动时液体呈现复杂运动，混合和传质效果较好。3.1.2 搅拌器的标准及选用1.搅拌器标准图3-5螺式搅拌器由于搅拌过程种类繁多，操作条件各不相同，介质情况千差万别，所以使用的搅拌器形式多种多样。为了确保搅拌器的生产质量，降低制造成本，增加零部件的互换性，原化工部对几种常用搅拌器的结构形式制订了相应标准，并对标准搅拌器制订了技术条件。现行的搅拌器标准有：桨式搅拌器（HG 5-220-65）、涡轮式搅拌器（HG 5-221-65）、推进式搅拌器（HG 5-222-65）、钢制框架式搅拌器（HG 5-757-78）、中华人民共和国化工行业标准HG/T 2123-91。2、搅拌器类型选择搅拌器的选用根据设计的结构形式、基本参数和技术要求等三个方面来考虑，在满足需要时根据生产要求可选用标准搅拌器。这样能够降低制造成本，以及设备维护过程中更换的费用。由于影响搅拌过程与效果的因素极其复杂，涉及流体的流动、传质、传热等诸多方面。各种选型资料都是建立在各自实验重点的基础上，所得结论不尽相同，大多带有经验性。根据本设计的实际情况结合工程经验，进行搅拌器的选择。由于反应釜的筒体直径较大，因而所选择的搅拌器尺寸也较大，造成线速度较大，故选择时既要满足角速度要求，又要满足线速度要求。浆式搅拌器是搅拌器中结构最简单的一种搅拌器，主要应用在：液-液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固-液系中多用于防止固体沉降。浆式搅拌器主要用于流体的循环，在同样的排量下，折叶式比平直叶式的功耗少，操作费用低。故轴流桨叶使用较多。故选择折叶浆式搅拌器取DJ=1120mm，材料为45钢。桨叶宽度： =0.21120 =224 mm 搅拌器距釜底的高度： mm 搅拌器折叶角度：=45桨叶名义厚度：mm 搅拌器转速：n=90 r/min搅拌器在搅拌容器中的位置尺寸关系如图3-6图3-6搅拌器在搅拌容器中的位置3.2 搅拌功率的计算搅拌功率是指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功并使之发生流动所需的功率。计算搅拌功率的目的，一是用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度，二是用于选择电机和减速机等传动装置。影响搅拌功率的因素很多，主要有以下四个方面。搅拌器的几何尺寸与转速：搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶倾斜角、转速、单个搅拌器叶片数、搅拌器距离容器底部的距离等。搅拌容器的结构：容器内径、液面高度、挡板救、挡板高度、导流筒的尺寸等。搅拌介质的特性：液体的密度、粘废。重力加速度。上述影响因素可用下式关联（3-1）式中：B桨叶宽度，m；d搅拌器直径，m；D搅拌容器内直径，m；Fr弗劳德数,；h液面高度,m；K系数；n转速，s-1；功率准数P搅拌功率，W；r，q指数；Re雷诺数，；密度，kg/m3；粘度，Pas。一般情况下弗劳德数Fr的影响较小。容器内直径D、挡板宽度b等几何参数可归结到系数K；由式(3-1)得搅拌功率P为： (3-2)上式中、n、d为已知数，故计算搅拌功率的关键是求得功率准数。在特定的搅拌装置上，可以测得功率准数Np与雷诺数Re的关系。将此关系绘于双对数坐标图上即得功率曲线。图3-7为浆式搅拌器的功率曲线，由图3-7可知，功率准数Np随雷诺数Re变化。在低雷诺数(Re10)的层流区内，流体不会打漩，电力影响可忽略，功率曲线为斜率-1的直线；当10Re10000时为过渡流区，功率曲线为一下凹曲线；当Re10000时，流动进入充分湍流区。功率曲线呈一水平直线，即Np与Re无关，保持不变。根据已知题设，有机溶剂，粘度计算雷诺数Re (3-3) 图3-7浆式搅拌器搅拌功率准数查图3-7：折叶浆式功率准数为： 按式(3-2)计算搅拌功率：=17.01 KW搅拌器功率计算的修正桨叶直径的影响 (3-4) = =0.73 (3-5) =3.3 搅拌轴设计搅拌轴的计算主要是确定轴的最小截面尺寸，进行强度、刚度计算或校核、验算轴的临界转速和挠度，以便保证搅拌轴能安全平稳地运转。3.3.1强度及刚度计算按扭矩计算轴的强度及刚度 1、轴的强度计算：对搅拌轴而言，承受扭转和弯曲联合作用，其中以扭转作用为主，所以在工程应用中常用近似的方法进行强度计算。假定轴只承受扭矩的作用。然后用增加安全系数以降低材料的许用应力来弥补由于忽略受弯曲作用所引起的误差。轴受扭转时，其截面上产生剪应力。轴扭转的强度条件是： (3-6)式中：截面上最大剪应力； 轴所传递的扭矩； 抗扭截面系数； 增加安全系数后的扭转许用剪应力。轴扭转时材料的许用剪应力值是根据扭转试验所得的屈服极限或强度极限，再除以安全系数来决定的。根据实验数据，在静载荷作用下，钢材的扭转许用剪应力与拉伸许用应力有如下的关系： =0.50.6。在工程上常根据有关标准、规范选取。由于搅拌轴除受扭转作用外，也常受弯曲作用，而且所受的不是静载荷，所以许用应力，值常常规定得更低一些，例如对Q235-A钢取=120200。由上面可以看出，只要知道了搅拌轴上所传递的扭矩和轴材料的许用剪应力值后，就可通过式(3-7)求出轴的抗扭断面系数Wp。即 (3-7)（实心轴）式中：d搅拌轴的直径（cm）；N搅拌传递功率（KW）；n搅拌轴转速（r/m）。将、的值带入式(3-7)中整理得：取45号钢为搅拌轴材料，取=31MPa =128.95mm2、轴的刚度计算：为了防止转轴产生过大的扭转变形以免在运转中引起震动造成轴封失效，应该将轴的扭转变形限制在一个允许的范围内，这就是设计中的扭转刚度条件，为此，搅拌轴要进行刚度计算。工程上以单位长度的扭转角，不得超过许用扭转角作为扭转角的刚度条件。即 (3-8)式中：轴扭转变形的扭转角（/m）；剪切弹性模数，对于碳钢及合金钢，；截面的极惯性矩（cm4）。从式(3-8)中可以看出，扭转变形的扭转角的大小是与扭矩成正比，与成反比。值越大，扭转变形越小。工程上将称为扭转刚度。关于扭转角的选择应按实际情况而定，一般有如下规定：在精密稳定的传动中，可选取 ；在般传动和搅拌轴的计算中可选取 ；对精度要求低的传动中可选取。本次设计取 为条件。将 和 (实心圆轴)代入式(3-8)，整理后得=66.3mm在选取轴径时应同时满足刚度和强度计算两个条件，一般按刚度条件计算的轴径较之强度条件计算者为大，所以通常对搅拌轴来说。主要以刚度条件确定轴径。根据轴标准选取轴径130mm。3.3.2 临界转速为了延长搅拌设备的寿命，避免轴和设备的损坏，我们需要从弹性操作方面验算转轴，尤其是高速转轴。所谓从弹性振动方面来验算转轴，系指求出转轴的临界速度，从而选定轴系的尺寸，使由转轴所产生的振动得以减少或消除。当轴的转速达到轴的自振频率时，轴会发生强烈的振动，并出现很大的弯曲现象，引起这种现象的转轴速度，叫做转轴的临界速度。对应于这个速度的轴的转数，就叫做临界转数，假如轴的转速保持在临界转数或相近于它的那个危险范围以内。则轴的挠度将迅速增大，以致达到使轴发生破坏的程度。因此，工程上要求搅拌轴的工作转速应避开临界转速。当搅拌轴转速时，应该进行临界转速的验算，当转速较低时为刚性轴，一般不会发生共振，可以不进行临界转速的校核。根据本设计的具体情况，本次设计取搅拌轴的转速为90r/min小于200r/min，所以可以不进行临界转速的校核。3.4传动装置的选择图3-8 传动装置搅拌设备具有单独的传动机构一股包括电动机，减速装置，联轴器及搅拌轴等。在比电动机速度低得多的搅拌器上常用的减速装置是装在设备上的齿轮减速机、蜗轮减速机、三角皮带以摆线针齿行星减速机等。传动装置通常设置在反应釜顶盖上，一般采用立式布置。反应釜传动装置包括电动机、减速器、支架、联轴器、搅拌轴等，如图3-8所示。传动装置的作用是将电动机的转速，通过减速器，调整至工艺要求所需的搅拌转速，再通过联轴器带动搅拌轴旋转，从而带动搅拌器工作。3.4.1 电动机的选用反应釜的电动机大多与减速器配套使用，因此电动机的选用一般可与减速器的选用配套进行。在许多场合下，电动机与减速器一并配套供应，设计时可根据选定的减速器选用配套的电动机。电动机型号应根据电动机功率和工作环境等因素选择。工作环境包括防爆、防护等级、腐蚀情况等。电动机选用主要是确定系列、功率、转速、安装方式等内容。电动机的功率是选用的主要参数，可由搅拌功率计算电动机的功。最常用的为Y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机当有防爆要求时，可选用YB系列。电机功率必须满足搅拌器运转功率与传动系统、轴封系统功率损失的要求，还要考虑到有时在搅拌操作中会出现不利条件造成功率过大，电机机功率按式(3-9)确定。 (3-9) = =14.9KW式中： p搅拌器功率，p=12.41KW； 轴封系统损失功率，=0.08KW； 传动系统的总机械效率，=0.9；圆整至标准，可选用Y160L-4作为搅拌电机。3.4.2减速器的选用减速器的作用是传递运动和改变转动速度，以满足工艺条件的要求。减速机是工业生产中应用很广的典型装置。为了提高产品质量，节约成本，适应大批量专业生产，已制订了相应的标准系列，并由有关厂家定点生产。需要时，可根据传动比、转速、载荷大小及性质，再结合效率、外廓尺寸、重量、价格和运转费用等各项参数与指标，进行综合分析比较，以选定合适的减速器类型与型号，外购即可。反应釜用减速器常用的有摆线针轮行星减速器、齿轮减速器、V带减速器以及圆柱蜗杆减速器，其特点见表3-1。表3-1四种常见减速器的基本特征特性参数减速器类型摆线针轮行星减速器齿轮减速器V形皮带减速器圆柱蜗杆减速器传动比i9871264.532.968015输出轴转速（r/m）171606525020050012100输入功率KW0.04550.553150.552000.5555传动效率0.90.950.950.960.950.960.80.93传动原理利用少齿差内啮合行星传动两级同中心距并流式斜齿轮传动单级V形皮带传动圆弧齿圆柱蜗杆传动主要特点传动效率高，传动比大，结构紧凑，拆装方便，寿命长，重量轻，体积小，承载能力高，工作平稳。对过载和冲击载荷有较强的承受能力，允许正反转。在相同传动比范围内具有体积小，传动效率高，制造成本低，结构简单，装配检修方便，可以正反转，不允许承受外加轴向载荷。结构简单，过载时能打滑，可起安全保护作用，但传动比不能保持精确。凹凸面圆弧齿廓啮合，磨损小，发热低，效率高，承载能力高，体积小，重量轻，结构紧凑，广泛用于搪玻璃反应釜。根据各类减速机的特点，选用摆线针轮行星减速器，该减速器的传动效率高，传动比大，工作平稳，适合与本设计使用。减速器型号：XLY15-10，传动比i=17。3.4.3机架的选择图3-9 机架的结构搅拌反应釜的传动装置是通过机架安装在釜体顶盖上的。机架的结构形式要考虑安装联轴器、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。釜用机架的常用结构有单支点机架和双支点机架两种。如右图3-9。单支点支架用以支承减速器和搅拌轴，适合电动机或减速器可作为一个支点，或容器内可设置中间轴承和可设置底轴承的情况。搅拌轴的轴径应在30160mm范围。当减速器中的轴承不能承受液体搅拌所产生的轴向力时，应选用双支点机架，由机架上的两个支点承受全部的轴向载荷。对于大型设备，或对搅拌密封要求较高的场合，一般都采用双支点机架。单支点机架和双支点机架都已有标准系列产品。标准对机架的用途和适应范围、结构形式、基本参数和尺寸、主要技术要求等做出了相应规定。单支点机架标准为HG21566-95，双支点机架标准为HG21567-95。根据搅拌轴的转速条件，轴径选择公称直径为700 mm的单支点机架，材料Q235-B。3.4.4 传动轴的设计传动轴是连接减速机和搅拌轴的中间轴，传动轴的型式应根据机架型式、轴的安装形式及釜内轴头型式确定，根据HG 21568-95搅拌传动装置-传动轴选取ASE方式，传动轴轴径130 mm，伸入搅拌釜的长度L为800mm15。即ASE 700-130/800-45。传动轴的结构如图3-10所示：图3-10 传动轴及釜内轴头形式3.4.5凸缘法兰的选择凸缘法兰用于连接搅拌器传动装置的安装底盖。凸缘法兰下部与釜体顶盖焊接连接，上部与安装底盖法兰相连。标准凸缘法兰（HG21564-95）有四种结构形式，如表3-2和图3-11所示。标准凸缘法兰适应设计压力为0.11.6MPa，设计温度为-20300的反应釜。图3-11 凸缘法兰结构视反应釜内物料的腐蚀情况，凸缘法兰有衬里和不衬里的两种。不衬里的底座材料可用Q235-B。要求衬里的，则在可能与物料接触的凸缘法兰表面衬一层耐腐蚀材料，通常用不锈钢。为便于凸缘法兰焊接，车削应在衬里焊好后进行。凸缘法兰的选择根据机架的尺寸进行选择配套。根据机架公称直径为700 mm选择配套的凸缘法兰公称直径为700 mm，结构形式R16，材料Q235-B。表3-2 凸缘法兰形式15形式结构特征公称直径DN/mmR突面凸缘法兰200900M凹面凸缘法兰200900LR突面衬里凸缘法兰200900LM凹面衬里凸缘法兰2009003.4.6安装底盖的选择安装底盖用于支承支架和轴封，分为上装式（传动装置设立在釜体上部）和下装式（传动装置设立在釜体下部）两种形式，安装底盖、机架、凸缘法兰、轴封的装配关系，见图3-12。图3-12 上装式图3-11 上装式安装在釜体上的安装底盖的结构，上装式和下装式各有四种形式，见表3-3和图3-13。标准底盖的适应范围与凸缘法兰相同。表3-3 安装底盖形式16传动轴安装形式密封面形式凸面（R）凹凸面（M）整体衬里（L）整体衬里（L）上装式（S）RSLRSMSLMS下装式（X）RXLRXMXLMX图3-13 安装底盖结构根据标准底盖与适应范围与凸缘法兰相同的特点，选择公称直径为700 mm,材料Q235-B。3.5联轴器装置图3-14 立式夹壳联轴器联轴器的作用是将两个独立设备的轴牢固地联在一起，以进行传递运动和功率。联轴器除了将两轴联在一起回转外，为确保传动质量，要求被联接的轴要安装在同一轴心上即同心，另一方面要求传动中的一方工作如有振动、冲击，尽量不要传给另一方。3.5.1联轴器的机构类型联轴器随联接的不同要求而有各种不同的结构，基本上分为刚性联轴器和弹性联轴器两类。下面将搅拌设备常用的几种联轴器简介如下：1、立式夹壳联轴器(HG 21570-95)图3-14所示是由两个半圆筒形的夹壳组成。夹壳材料为HT200，并用一组螺栓锁紧，锁紧后，轴与夹壳接触，靠摩擦力传递扭矩。为了联接可靠，常加平键。夹壳中间由材料Q235-A制成的悬吊环，它由两个半环组成，用来固定轴的轴向位置。此联轴器适用于最高使用温度250，最高圆周速度为5m/s。优点是构造简单、拆装方便拆装时轴不需作轴向移动。缺点是只使用于低转速，并且不适用于有冲击的悄况。此系列适用于单件或小量生产，制造简单，焊后进行加工。2、纵向可拆联轴器图3-15纵向可拆联轴器和刚性联轴器适用于减速机出轴与搅拌釉的刚性联接，装拆方便(图3-15左图)。3、刚性联轴器（HG 21570-95）(图3-15右图)刚性联轴器又称为凸缘联轴器其结构是由两