搅拌反应釜的设计(2).doc

一、设计（论文）题目1.2m3搅拌反应釜的设计二、设计（论文）参数及依据 设计参数： 技术特性工作压力釜内0.3Mpa夹套0.4Mpa工作温度釜内110夹套140介质釜内液体与液体均匀混合夹套饱和蒸汽腐蚀情况一般腐蚀搅拌型式圆盘涡轮式转速125r/min功率2.0Kw操作容积1.2m3夹套传热面积4.5 m2推荐材料Q345管口表编号名称公称直径DN()a蒸汽进口32b进料50c视镜80d温度计接口65e蒸汽进口32f出料65g冷凝液出口25h手孔150i安全阀40 设计依据：钢制压力容器（GB150-1998）、压力容器安全监察规程、化工机械基础课程设计 1.绪论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。在工业生产中，搅拌操作是从化学工业开始的，围绕食品、纤维、造纸、石油、水处理等，作为工艺过程的一部分而被广泛应用。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，或使气体群以密集状态上升借所谓气升作用促进液体产生对流循环。与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体所进行的搅拌是比较弱的，对于几千毫帕.秒以上的高黏度液体是难以适用的。但气流搅拌无运动部件，所以在处理腐蚀性液体，高温高压条件下的反应液体的搅拌是很便利的。在工业生产中，大多数的搅拌操作是机械搅拌。搅拌设备主要由搅拌装置、轴封和搅拌罐三大部分组成。从1-1图中可以看出，一台反应釜大致由：釜体部分、传热、搅拌、传动及密封等装置组成。釜体部分有包容物料反应的空间，由筒体及上下封头组成传热装置是为了送入或带走热量，图中的是夹套传热装置结构。搅拌装置由搅拌器与搅拌轴组成。为了给搅拌传动，就需要传动的装置，用电机经V带传动，蜗杆减速机减速 后，在经过联轴器带动搅拌器转动。反应釜上的密封装置有两种类型：静密封是指管法兰，设备法兰等处的密封；动密封是指转轴出口处的机械密封或填料密封等。反应釜上还根据工艺要求配有各种接管口、人孔、手孔、视镜及支座等部件。反应釜的机械设计是在工艺要求确定之后进行的。反应釜的工艺要求通常包括反应釜的容积，最大工作压力，工作温度，工作介质及腐蚀情况，传热面积，搅拌形式，转速及功率，配备哪些接管等几项内容。这些要求一般以表格及示意图形式反应在工艺人员提出的设备设计要求当中。搅拌设备在工业中的作用和地位:化工过程可分为传递过程(热量传递、质量传递的物理过程)和化学反应过程。通常，反应设备都是过程工业的核心设备。本课题之所以介绍搅拌设备，这是因为搅拌设备是一种典型的在静态容器的基础上加入动态机械的特殊设备。搅拌设备在工业生产中应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生产都或多或少地应用着搅拌操作。化学工艺过程的种种变化，是以化学反应物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，也往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备的作用如下：使物料混合均匀；使气体在液相中很好地分散；使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀地悬浮；使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化；强化相间的传质（如吸收等）强化传热。对于均相反应，主要是、两点。混合的快慢、均匀程度和传热情况好坏，都会影响反应结果。搅拌设备在石油化工生产中被应用于物料混合、溶解、传热、制备悬浮液、聚合反应、制备催化剂等。例如石油工业中，异种原油的混合调整和精制，汽油中添加四乙基铅等添加物而进行混合使原料液或产品均匀化。化工生产中，制造苯乙烯、乙烯、高压聚乙烯、聚丙烯、合成橡胶、苯胺染料和油漆颜料等工艺过程，都装着各种型式的搅拌设备。搅拌设备大量应用于化学纤维生产中，如聚酯、尼龙等生产装置。搅拌也可以在管路中进行采用在管路中安装装置的办法对气-液系和液-液系进行混合。在石油精制中，也采用使液体流过设置在管路中的锐孔板或挡板，以便使两种液体进行接触。还有在管道中放入搅拌器的，即所谓管道搅拌。2.釜体的选材与设计 釜体的材料要满足生产工艺的要求，例如耐压、耐温、耐介质腐蚀，以及保证产品清洁等。由于材料的不同，搅拌容器的制造工艺、结构也有所不同，因此可分为钢制搅拌设备、搪玻璃搅拌设备和带衬里的搅拌设备等。这里釜体材料为Q345，其力学性能热处理状态是固溶，屈服强度，抗拉强度，符合所设计的搅拌工艺要求，所以选用Q345作釜体的材料。 2.1确定筒体的型式 从技术特性表上所得到的工作压力及温度以及该设备的工艺性质，可以看出它是属于带搅拌的低压反应釜类型，一类低压容器，根据惯例选择圆柱形筒体。2.2确定筒体、封头和夹套的直径与高度 反映物料为液-固相类型，从表3-1中，H/Di为11.3.设备容积要求为1.0m3,考虑到容器的体积不大，可取H/Di=1，这样可以使直径不致太小，从工艺上反应状态无泡沫或沸腾情况，黏度也不大，故取装料系数=0.8。表3-1 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11.3气液相物料12发酵罐类1.72.5反应釜的直径估算如下： VN=V V=1.25 m3Di=1.14m圆整至公称直径标准系列，取Di=1100mm,封头取相同的内径，确定筒体的高度当DN=1100mm，查得标准椭圆形封头的容积Vh=0.198m3，则筒体的高度估算为 H=1.11m取H为1.1m，于是H/Di=1,确定夹套的直径搅拌反应釜上的夹套的类型有整体型、半圆管型、型钢型、蜂窝型，在现在采用最多的夹套型式是整体夹套，由于应用广泛，工程上习惯简称为夹套。这种夹套是在罐体的外面再套上一个直径稍大的容器。结构简单方便基本上不需要维修。缺点是换热面积受到罐体几何形状的限制而不能做得太大。整体夹套的结构类型按照对罐体的包覆程度夹套可分为4种类型。I型仅圆筒的一部分有夹套，用在需要加热面积不大的场合。II型为圆筒的一部分和下封头包有夹套。这种夹套是常用的典型结构。III型是为了减少罐体的外压计算长度（当按外计算罐体壁厚时）L，或者为了实现在罐体的轴线方向分段地控制温度、进行加热和冷却而采用的分段夹套，各段之间设置加强圈或采用能够起到加强圈作用的夹套封口件。此结构适用于罐体细长的场合。IV型为全包覆式夹套。与前3种夹套比较具有最大的换热面积。 I型 II型 III型 IV型考虑到本课题设计的要求，传热面要求不大，故使用II型圆筒的一部分和下封头包有夹套较为合适。夹套封头根据夹套直径及所选封头型式按标准选取,整体夹套与筒体的连接方式分为两种可拆卸式和不可拆卸式。不可拆卸式夹套（图3-1）的结构简单，密封可靠，主要适用于同一种材料支撑的搅拌设备。如果釜体与夹套用不同的材料制造，两者材料不能用焊接方法连接，或者因操作条件恶劣要求定期检查釜体表面时，应采用可拆连接（图3-2）。本课题设计搅拌反应釜釜体所用的材料Q345与夹套的材料Q345相同且是碳钢制的搅拌设备，所以整体夹套采用不可拆卸式,结构简单，密封可靠。图3-1 可拆卸整体夹套结构图3-2 不可拆卸整体夹套结构夹套的内径与釜体的内径有关，可按表32 夹套的内径为： ；表3-2 夹套直径与罐体直径DN的关系（mm）DN500600700180020003000DN+50DN+100DN+200夹套的高度夹套的尺寸为1200mm，夹套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同的直径。从文献查得筒体每一米的容积,则夹套筒体的高度估算如下: 取为900mm。2.3校核传热面积当为1100mm时从文献表16-5、16-3查得封头内表面积；筒体一米内表面积，则 计算所得传热面积4.512大于工艺要求的4.5，说明以上确定的夹套高度是可以的。2.4内筒及夹套的受力分析 工艺条件中：反应釜内的工作压力为0.2Mpa，夹套内工作压力为0.3Mpa，则夹套筒体和夹套封头为受0.3Mpa的内压而内筒的筒体和下封头为既承受0.2Mpa的内压同时又承受0.3Mpa的外压，其最恶劣的工作条件为停止操作时内筒无压力而夹套内仍有蒸汽压力，此时内筒承受0.3Mpa的外压。2.5计算夹套筒体的厚度夹套筒体与内筒的环焊缝，因检测困难，故取，从安全计夹套上所有的焊缝均取，封头采用由钢板压制的标准椭圆形封头，材料均为Q345.夹套的厚度计算如下： 夹套的厚度为4mm,圆整至钢板规格厚度并考虑封头的标准，夹套筒体的厚度为。2.6计算筒体的厚度承受0.2Mpa内压时筒体的厚度 承受0.3Mpa外压时筒体的厚度承受0.3Mpa外压时筒体的厚度为简化起见，首先假设，则，由于夹套顶部距离容器法兰面积实际定为150mm，因此内筒体承受外压部分的高度为H-150mm，并以此定及之值。 式中h标准椭圆封头之边高度，根据由文献表查得总深度，再由表推荐得。 标准椭圆封头曲面高度，。 则 = =因此由文献6图5-19查得A=0.00002，再据此查图3-4，B不存在。因此当名义厚度为4mm时，不能满足稳定要求。再假设，则=213.08由文献6图5-19，查得A=0.0005，据此查图3-4得B=64 Mpa0.3Mpa因此名义厚度为8mm时，筒体能满足0.3Mpa的外压要求。由于筒体既可承受内压，又可能承受外压，因此筒体壁厚应选取两者中最大值，即确定筒体厚度为8mm. 3.封头的选择凸形封头包括椭圆形封头、蝶形封头、球冠形封头（见图3-1、图3-2、图3-3）和半球形封头（图3-4）。椭圆形封头推荐采用长短轴比值为2的标准型。蝶形封头球面部分的内半径应不大于封头的内直径，通常取0.9倍的封头内直径，封头转角内半径应不小于封头内直径的10%，且不得小于3倍的名义厚度n。图 3-1图 3-2图 3-3图 3-4椭圆形封头是由半个椭球面和一圆筒直边段组成（图2-1），其结构设计充分吸取了半球形封头受力好和碟形封头深度浅的优点，其应用最为广泛。所以选择椭圆形封头。3. 符号Di-封头内直径,mm；Dn-封头外直径（Dn=Di+2n），mm;hi-封头曲面深度，mm;pc-计算压力，Mpa; pw-最大允许工作压力，Mpa；Ri-蝶形封头或球冠形封头球面部分内半径，mm;r-蝶形封头过渡段转角内半径，mm;-封头计算厚度，mm;e-封头的有效厚度，mm;n-封头的名义厚度，mm;t设计温度下封头材料的许用应力，Mpa;-焊接接头系数3.2 标准椭圆形封头的计算 3.3 夹套封头厚度计算根据工艺上的工作压力和工作温度以及工艺参数性质，可以确定搅拌反应釜为低压反应釜，一类低压容器。根据Q345的力学性能特性，标准椭圆形封头的选材： Q345根据钢板或钢管的厚度负偏差按钢材标准的规定,当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6时，负偏差可忽略不计 ，故钢制压力容器中规定凸型封头的壁厚附加量也是只考虑腐蚀裕量，不计钢板厚度负偏差和热压成型加工时的厚度减薄量,这个问题由封头制造厂来考虑，保证符合图纸数值要求，故也取2mm。计算椭圆形封头的壁厚为：+=取夹套封头的厚度为4mm。确定筒体封头的厚度承受0.2Mpa内压 承受0.3Mpa外压，设 ，查文献6图5-19得B=85则Mpa0.3Mpa。所以满足稳定要求。4.水压试验及强度校核水压试验是检验容器质量，保证安全操作的重要环节，釜体和夹套制成后应分别作水压试验，需要校核水压试验时的强度和稳定性。供试验用的液体一般为洁净的水，需要时也可采用不会导致发生危险的其他液体。试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。奥氏体不锈钢制容器用水进行液压试验后，应将水澄清除干净，当无法达到这一要求时，应控制水的氯离子含量不超过25mg/L 。碳素钢液压试验时，液体温度不得低于5；其他低合金钢容器，试验时液体温度不得低于15。如果由于板厚等因素造成材料无延性转变温度升高，则需相应提高试验液体温度；其他钢种容器液压试验温度按图样规定。4.1 试验方法（1）试验时容器顶部应设排气口，以便充液时将容器内的空气排尽。试验过程中，应保持容器观察表面干燥。（2）试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不小于30 min（在此期间容器上的压力表读数应保持不变）。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，应进行标记，卸压后修补，检修好后重新试验，直至合格为止。（3）对于夹套容器，应首先进行内筒液压试验，合格后再焊夹套，然后进行夹套的液压试验。（4）液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。4.2釜体水压试验压力，校核釜体强度。据标准文献1公式（35），确定水压试验的压力值，釜体试验压力： 或 为求方便读数，故取0.4Mpa。据标准文献1公式（37），计算釜体水压试验时筒体的应力为 在标准文献1中，钢材Q345的屈服极限为，则 所以 所以釜体水压试验安全。4.3夹套水压试验压力，校核夹套强度据文献标准5中公式（35） 或为求方便读数，故取0.45Mpa。 据文献标准1中（37）公式，夹套水压试验筒体应力为：所以P0.06MPa。为方便读数，取P=0.2Mp5.搅拌器的设计搅拌是一种广泛应用的单元操作，它的复杂性正在于它的原理要涉及流体力学、传热、传质及化学反应等多个过程。从本质上讲搅拌过程就是在流动场中进行单一的动量传递或者是包括动量、热量、质量传递及化学反应的过程，而搅拌器就是通过是搅拌介质获得适宜的流动场而向其输入机械能的装置。搅拌过程既然有依赖于搅拌器的正常运转，当然搅拌器的结构、强度、也是不容忽视的问题。由于搅拌操作的多种多样，也使搅拌器存在着许多型式。各种搅拌器在配合各种可控制流动状态的附件后，更能使流动状态以及供给能量的情况出现多种变化，更有利于强化不同的搅拌过程。典型的搅拌器的型式有桨式、涡轮式、推进式、布鲁马金式、齿片式、锚式、框式、螺带式、螺杆式等（如图5-1）。5.1搅拌器的选型搅拌的目的的多样性，物料性质的多样性，以及搅拌设备型式的多样性再加上物料在搅拌设备内流动的复杂性，使搅拌设备的选型、设计难以在一个严密的理论指导下完成，仍在很大程度上依赖于经验。设计的优劣可使搅拌设备的效益相差很大，此有必要在明确搅拌目的和无聊性质的基础上，搅拌设备的各个要素，例如叶轮的形状、叶轮直径、叶轮的层数、叶轮的安装位置、转速、设备形式、挡板的尺寸和个数等进行优化。一般，搅拌设备的设计顺序：搅拌条件的确认搅拌叶轮形式及内构件的选定确定叶轮的尺寸及转速计算搅拌功率搅拌装置机械设计。5.1.1搅拌器的型式目前由于搅拌过程种类繁多，介质情况千差万别，所以使用的搅拌器型式多种多样，在典型的搅拌器的基础上出现了许多改型。这些改型的适应性不一定很广，但是某种过程可能有针对性，搅拌效果较好。为了便于选型，现将主要的搅拌器的资料归纳在文献表5-1中。5.1.2搅拌器型式的选择l 桨式叶轮 桨式叶轮通常仅有两枚叶片，是搅拌叶轮中最简单的一种。与涡轮式叶轮一样，根据叶片垂直或倾斜安装可分成径向流型和轴向流型。浆式叶轮主要用于排出流是必要的场合，由于在同样的排量下，轴向流叶轮的功耗比径向流低，故轴向流叶轮使用较多。l 锚式叶轮锚式、框式叶轮属于同一类，这些叶轮的浆径对罐径之比d/D较大，通常在低速下运行，在搅拌低黏度液体时不产生大的剪切力，因此它不适用于液液和气液分散。另一方面，在这些叶轮在罐移动的流量大，水平回转流占支配地位，不具有良好的混合均一性，然而在罐壁附近的流速比其他叶轮大，能得到大的传热膜系数，故常用于传热、晶析操作。l 齿片式叶轮在所有叶轮中齿片式叶轮使用的是转速最高，通常其转速为5003000r/min，相当于叶端线速度1530m/s。在低黏度液体的场合，叶径与罐径之比为0.250.35，随黏度的增加，叶径增大，但d/D没有超过0.5的。l 推进式叶轮作为搅拌用的推进式叶轮,其叶片不像船舶推进器那样都由立体曲面组成,通常由钢板扭曲而制得。推进式叶轮在旋转时使液体向前方成轴向流排出，使之在罐内形成循环。然而，若将推进式叶轮安装在无挡板的圆筒形搅拌罐的中心，则在叶轮旋转的同时，罐内液体也旋转，与轴向流相比，还是水平回转流占主要地位，其混合效果就减弱，这是因为轴向循环流动才是促进宏观混合的真正动力。为防止水平回转流，可在罐内装挡板，也可将搅拌轴偏心或倾斜安装，若把推进式叶轮于导流筒配合，则能得到规整的轴向流。使用挡板以及使叶轮倾斜或偏心安装都将使叶轮排出流受到限制，增加的剪切的作用，故推进式叶轮仍将有相当部分的能量分配到剪切作用上。l 涡轮圆盘直叶式旋涡式叶轮随叶片形状和安装的角度不同其名称和用途也不同。从形式上看有两大类，一类是有有一个圆盘安装在轮毂上，叶片再安装在圆盘上，称圆盘涡轮式，根据根据工艺要求，本课题所设计的搅拌器为涡轮圆盘直叶式。对于圆盘涡轮直叶式搅拌器，由于它能在叶轮下一度保持气体进而使之分散，减少气体浪费，因此很多气液操作都用它。另一方面，轴向流涡轮使液体沿与轴平行的方向排出，使其进行有效的轴向循环。产生同样的排量，这种叶轮所需要的功率仅占径向流涡轮的一半，所以对罐内循环占重要地位的场合，它是有效的叶轮。这种叶轮主要用于液液系和固液系中需要强循环的场合，如均一混合、反应、传热等。涡轮式叶轮的叶径与罐径之比通常为0.250.5，转速为50300r/min，适应的最高黏度为30Pas左右。叶轮的尺寸参照文献8表10-10 图10-45.1.3搅拌附件搅拌附件通常指在搅拌罐内为了改善流动状态而增设的零件，如前面谈到的挡板、导流筒等。1. 挡板挡板一般是指长条形的竖向固定在罐璧上的板，主要是在湍流状态时为了消除罐中央的“圆柱状回转区”而增设的。显然这种挡板适用于径流形叶轮在湍流区的操作，而层流状态时不用这种挡板来改变流型。挡板还可提高叶轮的剪切性能，如有悬浮聚合的搅拌装置，在设有挡板时可以使颗粒细而均匀。挡板的数量及其大小以及安装方式都不是随意的，它们会影响流型和动力消耗。挡板的宽度。在高黏度液时也可减小到。挡板的数量视罐径的大小而异，在小直径罐时用24个，在大直径罐时用48个，以4个或6个居多。挡板的安装方式（如图5-2）。挡板的上缘一般可与静止液面齐平，当液面上有轻而易浮不宜湿润的固体物料时，则需在液面上造成漩涡，这时挡板上缘可低于液面100150mm。挡板的下缘可到罐底。有利于用挡板的高度来改变流型，如在罐底希望使较重物料易于沉降而分离出来时，就可将挡板下端取在叶轮之上，这样可使罐底出现水平回转流，有利于物料的沉降。2.导流筒导流筒主要用于推进式、螺杆式搅拌器的导流，涡轮式搅拌器有时也用导流筒。导流筒是一个圆筒形，紧包围着叶轮。可以使叶轮排出的液体在导流筒内部与外部形成上下的循环流动。推进式叶轮与导流筒的几何关系，如图5-3。其中，液面高度与搅拌罐高度的关系一般为。叶轮安装高度（离罐底）。导流筒总高为罐体圆通部分高度的一半。导流筒的内径（与桨叶相对的直段部分）。导流筒的上段高度，上段喇叭口的角度为。导流筒下段喇叭口角度为。导流筒下缘离罐底高度。导流筒直段高度一般可取为叶轮轮毂高度。5.2搅拌器与罐径的几何关系从搅拌器的功能可以知道，叶轮的大小不是任意决定的，它可以影响叶轮的排除流量。也可以影响动力消耗，也就是可以影响向液体中输入能量的大小，说明叶轮的大小直接影响搅拌过程的进行。如果叶轮的大小选择合理，就能供给搅拌过程所需要的动力，还能提供良好的流动状态，完成预期的操作。桨径与罐内径之比叫桨径罐径之比，一般桨式叶轮的=。涡轮式叶轮的一般为。桨式之所以将的范围取大些，是因为它的转速较低，还常用在黏度较高的条件下。考虑到具体的操作目的，还可将桨径尺寸选择更合理些，例如对于液-液分散操作时，为使轻相组分不致集中在轴的附近，要使罐的中心部分和四周部分的分散相能同时分散，取最合适。对于气-液分散操作，也取。据认为在这个条件下，当动力消耗一定时，传质速度较大。当固-液相悬浮操作时，为使罐底的固体颗粒易于搅起，对不同类型的罐底可取不同的桨径。桨径罐径比分别为：平底圆罐，椭圆形底圆罐，半球形底圆罐。对于特殊的液-液乳化搅拌，为取得高的剪切能力，叶轮要高速回转，其桨径罐径比更小，一般为。在液体黏度很大，大到使流体进入层流状态是，轴附近的“圆柱状回转区”几乎变小到零，但因液体黏滞力很大，罐内易出现死区，所以桨径要取得很大，如采用锚式、框式及螺带式等，其都在0.9以上。如图5-4的几何尺寸关系可称为涡轮式的标准型尺寸。只有尺寸选择合理，才有可能良好地发挥搅拌器的功能，特别是高黏度液体的搅拌，其叶轮尺寸、安装尺寸尤其重要，应当慎重选择。5.3搅拌器的结构与强度计算根据工艺要求，选择6叶折叶圆盘涡轮式。圆盘涡轮的叶片数量以6叶或8叶的多见。在强度计算时，以各叶片同样受力、各自做功相等来处理，这样，总的动力消耗除以叶片数即得一个叶片的动力消耗。6叶折叶的圆盘涡轮的设计如下：每个叶片的危险断面都是I-I，该断面的弯矩值为： （N.m）这个弯矩值对平直叶、弯叶都是适用的。对折叶圆盘涡轮应当求出对折叶断面主惯性轴的弯矩，其值为： （N.m）平直叶、弯叶的W值可用式计算，折叶的弯矩是对断面主惯性轴的，所以其值也用上式计算。应力为,也应满足校核公式。搅拌器的设计如下：叶轮强度计算中的计算功率圆盘涡轮式的强度计算； (N.M)设叶片的厚度为6mm；所以满足要求。6.搅拌轴的设计搅拌轴的设计主要是确定危险截面处轴的最小尺寸,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。一般情况下，搅拌轴径d必须满足强度和要求，当有特殊要求时，还应满足扭转或径向位移的要求。确定轴的实际直径时，通常还得考虑材料的腐蚀裕量，最后把直径圆整为标准轴径。表7.1搅拌轴轴径系列（摘自IBG92001-86）搅拌轴公称直径20253035405060 （65）708090（95）100110120130140160180200注：1.搅拌轴公称直径系指搅拌轴通过填料箱或机械密封部位的轴径；2. 带符号的为选用之值，括号内数值为不推荐之值。轴的直径计算如下：通过考虑设计的腐蚀，考虑到轴轴径系列圆整轴径为30mm。通过计算，搅拌轴的直径均小于圆整后的直径5毫米，所以搅拌轴的直径确定为50毫米。除了通常按正常条件确定搅拌轴的设计载荷外，不可忽略在一些特殊操作状况下引起设计载荷的变化和增大，设计必须充分注意这可能遇到的特殊情况，从而加大设计载荷或采取必要的防止措施。这些特殊情况主要是指一些影响流体作用力急剧变化的因素：（1）叶轮埋入固体沉淀层中的启动。（2）在叶轮转动中向搅拌器内进料或排放，会使流体作用力增大。（3）叶轮浸入液体的深度不够，譬如当叶轮离液面深度减小到等于或小于叶轮直径时，可能会使流体的流动形态发生变化，变得很不稳定并加大了流体作用力。特别是对于叶片端部打出液面的情况，将导致流体作用力的急剧增加，而且由于叶轮不完全浸没在流体之中，流体阻尼作用减小，因此还可能引起轴的强烈振动。旋涡也将使流体的作用力增大，因为旋涡会影响到叶轮与流体表面的距离，造成上述由于叶轮浸入深度不够而产生的不良影响。较理想的叶轮浸入也面深度大约为不小于两倍叶轮直径的距离。（4）进入液层中的流体进口位置应远离叶片。实验证明，一般对准叶轮径向的进入的相对很小的物流，尽管其流量只为叶轮泵送流量的1/10，但叶片上引起的径向流体作用力却大约要大一倍。（5）启动扭矩的影响：如果在正常运转条件下传动装置传递于搅拌轴的扭矩不超过完全载荷直接启动时的力矩（大多情况如此），那么在确定搅拌轴的设计载荷，应考虑计入启动过程中的较大超过正常运转的启动扭矩载荷搅拌轴常用金属材料，如轴是有塑性材料制成，应力情况为静应力时，则应力集中并不危险。因为轴上发生过载应力的地方常引起塑性变形，使应力的最高峰被削平，所以轴的静力强度并不因此降低。但如果应力情况为变应力，则轴的疲劳强度将因应力集中而大为降低。假如轴由脆性材料制成，则不论在变应力或静应力的情况下，凡在应力集中的地方，其强度都要降低。在轴的结构设计中，不可避免地有轴径的变化，因此应尽量使其圆滑过渡，过渡圆角半径取得要适当大些。键槽对于轴的疲劳强度影响也较大，键槽的圆角半径也尽可能取得大些。7.传动装置的选择7.1几种传动方式搅拌设备具有单独的传动机构，一般包括电动机、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器、涡轮减速器、三角皮带以及摆线针齿行星减速器等。其中最常用的是固定和可移动的齿轮搅拌减速器，这是由于它们结构简单、装配检修方便。有时由于设备的条件的限制或其他情况必须采用卧式减速器时，也可利用一对伞齿轮来改变方向，但需注意由于只有一个轴承所以必须设置底轴承。这种结构因为伞齿轮不是浸在油箱内，故不能应用在有防火、防爆的场合。减速器价格较贵、制造困难，因此，如果速比不大，可采用三角皮带减速，但不要在有爆炸危险场合使用。当搅拌器快速转动并和电动机同步，可与电动机直接连用。也可制造可移动的搅拌器，对简单的圆筒形或方形敞口设备可将传动装置安装在筒体上，搅拌轴斜插入筒体内。对高黏度搅拌过程，有时为了提高搅拌效果，往往需要两种不同型式不同转速的搅拌器，使之能够同时达到搅拌、刮壁等要求。这时可采用双轴传动减速器，即利用 一台电动机驱动二根同心安装的搅拌轴。根据需要双轴旋转方向可设计成相同或者相反。随着工业的发展，反应釜有大型化的趋势，搅拌轴从设备底部伸入的底搅拌结构也逐渐增多。这是由于底搅拌轴短，不需要装设中间轴承和底轴承，而且轴承所承受的应力小，运转稳定，对密封也有利。底搅拌的传动装置可安放在地面基础上，便于维护检修，也有利于上封头接管的排列和安装，并且可在封头上加设夹套以冷却气相介质。轴承的布置问题是保证设备正常运转的关键。轴承的布置一般有三种情况：轴承设在支架内；轴承设在设备底部，主要承受径向载荷，轴向载荷有减速器或电动机的向心推力轴承承担，但所能承受的轴向力是有限的；轴承设在密封处并与密封紧密相连，主要控制密封处的摆动量，保证密封正常运行。7.2电动机的选择搅拌设备选用电动机的问题，主要是确定系列、功率、转速以及安装型式和防爆要求等几项内容。一般异步电动机的同步转速按电动机的极数而分成几档。如、及等，其中的电动机价格较低，供应也较普通，故应用得最广泛。电动机的安装型式一般有以下几种：B3型-卧式，机座带底脚，端盖上无凸缘；B5型-卧式，机座不带底脚，端盖上有凸缘；B35型-卧式，机座带底脚，端盖上有凸缘；V1型-立式，机座不带底脚，端盖上有凸缘；V15型-立式，机座带底脚，端盖上有凸缘等见文献6表9-19。选用时可根据所选减速器及机座对电动机安装位置的安排而定。反应釜用的电动机绝大部分与减速机配套使用，只有在搅拌转速很高时。才见到电动机部经减速机而直接驱动搅拌轴。因此电动机的选用一般应与减速机的选用互相配合考虑。很多场合下，电动机与减速机一并配套供应，设计时可根据选定的减速机而选用配套的电动机。反应釜常用的电动机系列：Y（异步电动机）、YB（隔爆型异步电动机）、YX（改进型异步电动机）等几种。分 类系列名称特 点用途及使用范围使用条件及工作方式安装型式一般异步电动机J2、JO2系列小型三相异步电动机J2型能防止水滴或其它杂物在垂直方向落入电机内部。JO2型能防止灰尘，铁屑或其他杂质侵入电机内部。运行可靠，寿命长，使用维护方便，性能优良，体积小，重量轻，转动惯量小，用料省适用于拖动在起动性能，调速性能及转差率均无特殊的一般机械，JO2可适用于灰尘较多，水土飞溅的地方1.环境温度不超过+402.海拔不超过1000米a.额定电压380V，3千伏以下为Y接法，其他均为D接法b.额定频率：50Hz c.工作方式：连续使用有D2，T2，D2/T2，L3等四种 JO3系列三相异步电动机其结构能阻止机座内外空气自由交换，但不完全密封.采用新兴电磁材料及优质绝缘材料，较JO2系列体积缩小37%，重量减轻22%适用于对转差率无特殊要求的机械拖动，也可用于起动静止负荷或惯性负荷比较大的机械上额定电压：4KW为220V(D接法)，4KW为220/520V(D/Y接法)有D2，T2，D2/T2，L3等四种JO2-F系列化工防腐用异步电动机 具有JO2特点，相宜采取了防腐密封措施 腐蚀气体含量：NH3200mg/m3SO2160mg/m3H2S50mg/m3CL2200mg/m3NH3200mg/m3HCL100mg/m3氮的氧化物40mg/m3在氮肥，氯碱系统中化工厂的腐蚀环境中使用空气温度不超过+40空气相对湿度95有酸雾，碱雾，腐蚀性粉尘，凝露等外型及安装尺寸与JO2同JO2-W系列户外用电动机对于潮气，霉菌，盐雾，雨水，雪，日辐射，风沙，严寒(-40)等气候有防护作用能在一般户外的环境下进行工作，不需加任何附加防护措施环境温度：-40+40有D2，T2，D2/T2，L3等四种防爆异步电动机AJO2、BJO2、BJO2Q系列防爆三相异步电动机结构与特点与JO2相似，适当加固以防爆。AJO2为防爆安全型，BJO2为隔爆型，BJO2Q为高启动转矩隔爆型适用于具有爆炸危险性混合物的场所与JO2系列相同，可连续使用有D2，T2，D2/T2，L3等四种电动机功率必须满足搅拌器运转功率与传动系统、密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。电动机的功率可按下式确定： =Kw密封系统的摩擦造成的功率损失因密封系统的机构而异。填料密封的功率损失较大，机械密封则较小。作为粗略的估算，填料箱密封的功率损失约为搅拌器的10%，机械密封的功率损失一般为填料密封的。传动系数的效率也和其结构有关，一般为见文献5。电动机的型号为Y132s-67.3减速器的选择7.3.1搅拌常用减速器摆线针齿行星减速器；齿轮减速器；皮带减速器；谐波减速器；行星齿轮减速器；蜗轮蜗杆减速器；无极变速器。7.3.2减速器选型原则出轴旋转方向单向或双向；搅拌轴轴向力的方向，减速器是否能承受该轴向力；传动比、功率、进出轴的转速，两轴相对位置；防爆或非防爆；外形尺寸要满足安装及检修要求；工作平稳性，如振动和载荷变化情况；使用地区、工厂制造和检修能力；造价是否昂贵等进行综合考虑；其他特殊要求。说明如下：有防爆要求时，一般不能采用皮带传动，而应用闭式齿轮或蜗轮传动。传动功率较大并连续工作时，一般选择传动效率较高的齿轮传动等若电机已定，而所配用的减速器所得到的输出轴转速与工作要求的搅拌转速不一致时，可根据需要作相应的变化。对于同样大小的功率，可允许选择所得转速比要求转速稍低一些但不能偏高。这是由于搅拌器的转速增加而所需要搅拌功率将显著提高，一般搅拌功率与搅拌转速的三次方成正比。根据设计我选择的减速器的型号是LC-100-4-125，其安装及外形尺寸参照文献6图9-7和表9-35，它的传动比、输出转速、输入功率和输出轴许用转矩参照文献6表9-34。7.4凸缘法兰与安装底盖的选用安装底盖与凸缘法兰、机架和轴封的关系如文献6图9-3，凸缘法兰、安装底盖、机架、传动轴径d以及搅拌设备直径之间常用的搭配关系参照文献6表9-2。7.4.1凸缘法兰R型、M型、LR型、LM型凸缘法兰的结构型式和尺寸为标准型的，适用于设计压力、设计温度-20300的搅拌设备。用以连接搅拌设备传动装置安装底盖。凸缘法兰的型式参照文献6表9-70和图9-33。根据设计我选择的凸缘法兰的型号为HG21564 法兰 R250-16Mn。7.4.2安装底盖RS型和LRS型、RX型和LRX型、MS型和LMS型、MX型和LMX型的安装底盖的结构型式和尺寸为标准型的，适用于设计压力、设计温度-20300的搅拌设备，用以支承机架、填料箱、机械密封等部件。安装底盖的结构形式参照文献6表9-1和图9-34图9-37。根据设计我选择的安装底盖的型号为HG21565 底盖 RS250-250-50-16MnR-F4。7.4.3封垫片和紧固件1.安装底盖和凸缘法兰、轴封（机械密封和填料密封）之间的密封垫片选用石棉橡胶垫片（代号XB）、柔性石墨复合垫片（代号G），以及聚四氟乙烯包覆垫片（代号F4），并应分别符合HG20627、HG20629、HG20628标准规定。2.安装底盖、凸缘法兰、轴封的连接紧固件应符合HG20634的有关规定，螺柱材料选35钢，螺母选用25钢。如选用其他紧固件材料应在订货时注明。3.安装底盖与机架（两者公称直径不同）的连接紧固件按HG21566、HG21567标准的有关规定。7.5传动装置机架的选用反应釜立式传动装置是通过机架安装在反应釜封头的底座或安装在底盖上的，机架上端需与减速器装配，下端则与底座或底盖装配。如文献7图18-21和图18-22。在机架上一般还需要有容纳联轴器、轴封装置等部件及其安装操作所需的空间，有时机架中间还要安装内置轴承，以改善搅拌轴的支承条件。选用时，首先考虑上述需要，然后根据所选减速器的输出轴颈及其安装定位面的结构尺寸选配合适的机架。1.单支点机架（DJ型） CD130B786本类机架适用于反应釜传来的轴向力不大时。减速机输出轴联轴器型式为带短节联轴器，公称直径为200、250、300mm的组件结构参照文献7图18-28。公称直径为400、500、700mm时则不用压环，而以轴承座而于即架用螺栓、螺母连接。其中A型适用于不带内置轴承的机械密封，B型适用于填料密封和带内置轴承的机械密封。2.双支点机架（SJ）CD130B886本类机架适用于反应釜传来的轴向力较大时，减速机输出联轴器型式为带短节联轴器，其公称直径400、500、700mm的组件结构文献7图18-29。公称直径为300mm时的下轴承座与盖的连接形式类似于单支点机架DN为200mm时的轴承座与盖的结构。A型适用于不带内置轴承的机械密封，B型用于带内置轴承的机械密封和填料密封。根据设计需要选择的机架型号为XD2-50-A-40-C。7.6联轴器的选择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工作如有振动、冲击，尽量不要传给另一方。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节和弹性联轴器两类。根据机架的设计，所以联轴器的设计选择凸缘联轴器，其型号为HG-21569.2-1995 联轴器 30-HT。8. 反应釜的密封装置密封装置按照密封面间有无相对运动。可分为静密封和动密封两大类型。对于反应釜来说。例如封头与釜身的压力容器法兰、法兰管口、人孔、视镜等附件上的密封处，它们密封面间是相对静止的，故称为静密封。静止的反应釜封头和转动的搅拌轴之间存在相对运动，为了防止介质的泄露也须采用密封装置，称为搅拌轴密封装置，或简称为“轴封”。由于转动轴和静止釜体零件之间存在一个相对运动的密封面，因此这种密封装置称为动密封。最常用的有填料密封、机械密封、迷宫密封、浮动环密封等。综合考虑价格和工艺要求，设计为填料密封。填料密封的结构大体上如图8-1所示，它是由衬套、填料箱体、填料环、压盖、压紧螺栓等组成。8.1填料密封的原理被装填在搅拌轴和填料函之间环形间隙中的填料，在压盖压力的作用下，对搅拌轴表面产生径向的压紧力。由于填料中含有润滑剂，因为，在对搅拌轴产生径向压紧力的同时也产生一层极薄的液膜。这层液膜一方面使搅拌轴得到润滑，另一方面起到阻止设备内流体漏出或外部流体渗入的作用，这就是填料密封的原理。8.2填料密封的材料为了适应搅拌设备在各种不同情况下操作的转轴密封的需要，密封填料所用的材料，种类是很多的。确定选用何种材料的主要依据是搅拌设备的搅拌轴转速、操作温度、操作压力以及物料的化学性质。用于制造密封填料的材料必须满足以下的要求：应有足够的塑性，在填料函压盖的压缩下能适应轴和填料函的形状而变形。应耐设备内介质及润滑剂的浸泡和腐蚀，且不含有被介质和润滑剂所溶胀及削弱的其他物质。应有足够的弹性，以吸收在设计上不能避免的轴的环动。在填料函压盖压得过紧的情况之下具有运转自如，不产生破坏性摩擦和热的性能。不会咬住或腐蚀轴。磨损缓慢，很少需要调整和更换。通常用来制造密封填料的材料有纤维、金属和润滑剂等。8.3填料的结构填料的横断面常常被加工成方形或圆柱形的，因为这种横断面有利于将填料加工成连续的条状，并使其能适应较大范围的轴径和填料尺寸。横断面也做成其他形状例如：楔形填料、杯锥形填料、锥形填料等。8.4填料的选择选择填料时，主考虑介质的物理和化学性质、工作温度和工作压力，以及转速等，其中尤以介质的腐蚀性（常用pH值表示）、pV值及使用温度最为重要，同时兼顾填料的价格与来源。参考文献6表10-3给出了填料的耐化学品性能。表10-4为常用填料的使用性能。对于搅拌设备用填料密封，可按照文献6 图10-4来选取填料的材质类型应用时，首先根据已知的轴径线和轴速度线得到它们的交点，再通过交点作垂直线（向上或向下）交已知的压力线，按此交点在曲线图上的范围即可确定填料的材质。一般情况下，当压力小于0.2Mpa而介质又无毒、非易燃易爆时，可选用一般石棉作填料；当压力较高或介质毒、易燃易爆时，常用浸渍石墨石棉作填料；当用于高真空条件时，可选用石棉绳浸渍聚四氟乙烯填料，但注意此时搅拌轴的转速不宜过高。8.5填料腔的结构设计填料腔除设有装填料的空间外，还应设计相应的冷却（包括散热）、润滑、液封或冲洗结构。设计原则：容易加工；散热有效，接通冷却液方便；留有液封孔口，其位置恰当，便于与高压封液相连通；转轴应与机械密封互换等。填料腔的尺寸主要依靠长期使用经验来决定，其中宽度尺寸还与轴径大小有关。填料腔的环数即填料圈数，其值与介质压力的关系见文献610-5。填料的宽度选择可参考文献6图10-9来选取。在填料的圈数和宽度确定后，就能确定填料腔的尺寸。如使用液封环，则填料腔深度应加上其宽度。总深度还应加上压盖填入填料腔的尺寸，一般取510mm。往复运动轴配合应深些，于是得填料腔尺寸轴径d；填料宽度；填料腔的内径；填料的总宽度（n为填料圈数）；填料腔总深度（无液封环时）；（有液封时）参照文献6图10-10。填料腔内壁的表面粗糙度取，与压盖的配合一般取，要求较高时，取已足够；填料腔的内端面可以是垂直于轴线的平面，也可以是斜面。8.6搅拌设备填料密封的选用原则优先选用标准填料密封，现行标准填料密封适用于操作压力，介质温度的使用条件。当填料无冷却效果、无润滑润滑时，转轴线速度不应超过。而当填料密封的结构和填料材质选择合理，并有良好润滑和冷却条件时，可在较高的工作压力、工作温度和转轴线速度下使用。搅拌设备内介质温度大于200时，应对密封填料进行有效地冷却。若需从填料箱油环中压注密封润滑液时，润滑液压力一般应略高于被密封介质的压力，以防止设备内介质的泄露。采用密封液时，还应考漏入的密封液对工艺性能的影响。填料箱一般不设支承衬套，应将搅拌轴的支承设置在机架上。9选择釜体法兰和容器支座9.1选择釜体法兰石油、化工上用的法兰标准有两类，一类是压力容器法兰标准，一类是管法兰标准。平焊法兰的两种类型的比较情况如下名 称压力等级 PN（MPa）直径范围DN（mm）温度范围备注平焊法兰甲型0.25，0.6，l.0，1.63002000-20300乙型法兰有一个壁厚不小于16mm的圆筒形短节，因而使乙型平焊法兰的刚性比甲型平焊法兰好；甲型的焊缝开V型坡口，乙型的焊缝开U型坡口，所以乙型也比甲型具有较高的强度和刚度乙