夹套式反应釜设计说明书.doc

.“过程装备课程设计”任务书设计者姓名： 班级：过程装备与控制工程11-2班指导老师： 日期：2014/6/23-2014/7/11简图设计参数及要求容器内夹套内工作压力，MPa0.250.35设计压力，MPa 0.3工作温度，设计温度，100100介质有机溶剂蒸汽全容积，m1.9操作容积，m1.52传热面积，3腐蚀情况微弱推荐材料Q345R搅拌器型式推进式搅拌轴转速，r/min250r/min轴功率，kW3接管表符号公称尺寸DN连接面形式用 途A25PL/RF蒸汽入口B65PL/RF加料口C100凸凹面视镜D25PL/RF温度计管口E25PL/RF压缩空气入口F40PL/RF放料口G25PL/RF冷凝水出口 过程装备课程设计 姓 名 学 院 机械与汽车工程 专业班级 过程装备与控制工程11-2班 指导老师 .目 录摘 要3Abstract4绪论51.1夹套反应釜的总体结构51.2反应釜基本特点51.3反应釜的发展趋势62、夹套反应釜设计72.1、罐体几何尺寸计算72.1.1确定筒体内径72.1.2确定封头尺寸82.1.3确定筒体高度82.1.4夹套几何尺寸计算82.2、夹套反应釜的强度与稳定性计算92.2.2 稳定性校核(按外压校核厚度)102.2.3水压测试校核112.3反应釜的搅拌器122.3.1搅拌器的选型：122.3.2搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计122.3.3 挡板的设计122.4反应釜的传动装置132.4.1常用电机及其连接尺寸132.4.2带传动减速机132.4.3凸缘法兰152.4.4安装底盖162.4.5机架162.4.6联轴器162.5搅拌轴的设计和校核172.5.1轴的和设计172.5.2轴的校核172.6键的校核182.7反应釜的轴封装置192.8 反应釜的其他附件202.8.1设备法兰202.8.2支座212.8.3设备接口21结束语22致谢23参考文献24摘 要：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。关键词：压力容器；反应釜；设计Abstract：Reactor is made up of tank and jacket. The main parts are end socket and barrel. The most reactor is middle and low pressure container.The dasher is made up stirrer and mixer shaft, which is base on the craft. The gearing is to drive the dasher,which is made up electromotor reducer and coupling drive shaft. The shaft seal is motive seal. It usually adopt mechanical seal and packing seal. It form the whole reactor with the support manhole and tube and so on.Key words: pressure vessels；reactor；design1、绪论1.1夹套反应釜的总体结构夹套反应釜广泛用于合成橡胶、合成塑料、农药、化肥等行业。如图所示，为一台带式搅拌的夹套反应釜。夹套反应釜主要由搅拌容器、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 。搅拌容器常被称作搅拌釜，当作反应器用时，称为搅拌式反应器，简称反应釜。反搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形成通常由工艺设计而定；传动装置是为带动搅拌装置设置的，主要由电机、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、工艺管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。反应釜材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔）合金及其它复合材料。反应釜可采用SUS304、SUS316L等不锈钢材料制造。搅拌器有锚式、框式、桨式、涡轮式，刮板式，组合式，转动机构可采用摆线针轮减速机、无级变速减速机或变频调速等，可满足各种物料的特殊反应要求。密封装置可采用机械密封、填料密封等密封结构。加热、冷却可采用夹套、半管、盘管、米勒板等结构，加热方式有蒸汽、电加热、导热油，以满足耐酸、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等不同工作环境的工艺需要。可根据用户工艺要求进行设计、制造。1.2反应釜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：1)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。 2)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。3)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。 4)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。1.3反应釜的发展趋势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；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、夹套反应釜设计2.1、罐体几何尺寸计算2.1.1确定筒体内径有公式： 式中V工艺条件给定容积，（任务书规定1.9）i长比径，由下表选取表2.1 不同釜内物料类型长径比釜内物料类型H1/Di一般反应釜液-固相或液液相物料11.3气液相物料12 注：取i =H1/D1=1.2经计算得：m；选取圆整筒体内径D1=1200mm 。2.1.2确定封头尺寸反应釜筒体与夹套最常用的封头形式是标准椭圆形封头，以内径为基准的椭圆形封头代号为EHA，其内径与筒体内径相同，其厚度计算并向上圆整，因此，取封头的内就内径为1200mm。2.1.3确定筒体高度有公式（4-2）： 式中： V封封头容积（见参考文献1表D-2），m3; V1m1m 高的筒体容积（见参考文献1表D-1），m3/m;计算得：=1.455m 圆整H1=1500mm; V=V1mH1+V封=1.951m3 ;式中： V封封头容积（见参考文献1表D-2），m3; V1m1m 高的筒体容积（见参考文献1表D-1），m3/m; H1圆整后的筒体高度，m。2.1.4夹套几何尺寸计算按表4-5夹套直径 选取夹套筒体内径 =+100=1300 mm, 表2.2 夹套直径装料系数按式： 夹套筒体高度H2按式：计算得：H2=1.155m，经圆整得H2=1200mm ;实际总传热面积F按式 : 2.2、夹套反应釜的强度与稳定性计算2.2.1 强度计算(按内压计算强度)据工艺条件或腐蚀情况确定，设备材料选用Q345。由工艺条件给定： 设计压力（罐体内） =0.25MPa， 设计压力（夹套内） =0.35MPa， 设计温度（罐体内） 100， 设计温度（夹套内） 150。按参考文献2第九章计算：液柱静压力p1H=10-6gh=0.013MPa计算压力P1c=P1+P1H =0.25MPa；液柱静压力P2H=0MP计算压力 P2c=P2H+P2c=0.35MPa 焊接接头系数,选取罐体及夹套焊接接头系数 =0.85。设计温度下材料许用应力：t=189MPa。罐体筒体计算厚度按式：夹套筒体计算厚度按式：封头计算厚度按式：夹套封头计算厚度按式：取最小厚度作为计算厚度腐蚀余量：C2=2.0 mm罐体筒体设计厚度按式：夹套筒体设计厚度按式：罐体封头设计厚度按式：夹套封头设计厚度按式：钢板厚度负偏差：C1=0.6mm（按钢板厚度6）罐体筒体名义厚度按式：夹套筒体名义厚度按式：罐体封头名义厚度按式：夹套封头名义厚度按式：2.2.2 稳定性校核(按外压校核厚度)（1）筒体稳定性校核假设罐体筒体名义厚度： =5mm厚度附加量按式：罐体筒体有效厚度按式： 罐体筒体外径按式：筒体计算长度按式：系数 ：=1.074系数 ：=484经查表得：系数=0.00013 系数B=许用外压力按式： 假设罐体筒体名义厚度 =8 mm厚度附加量按式：罐体筒体有效厚度按式： 罐体筒体外径按式：筒体计算长度按式：系数 ：=1.066系数 ：=233.85经查表得：系数=0.0004 系数B=55许用外压力按式： 假设罐体筒体名义厚度 =10 mm厚度附加量按式：罐体筒体有效厚度按式： 罐体筒体外径按式：筒体计算长度按式：系数 ：=1系数 ：=169.4经查表得：系数=0.0006 系数B=84许用外压力按式： 确定罐体筒体名义厚度: =10mm （2）封头稳定性校核 假设罐体封头名义厚度 =10 mm查得钢板厚度负偏差，选取钢板厚度负偏差 =0.8mm据经验规律，腐蚀裕量 =2.0mm厚度附加量按式：mm罐体封头有效厚度按式：: 罐体封头外径按式：标准椭圆封头当量球壳外半径按式:=1098系数按式: 查图4-2 曲线，得系数 =110MPa许用外压力按式: 确定罐体封头名义厚度：=10mm2.2.3水压测试校核Q345通常温度下的许用应力157MPa罐体的水压测试压力：夹套的水压测试压力：材料的屈服点应力 =容器圆筒应力 ： 夹套内压试验应力： 2.3反应釜的搅拌器2.3.1搅拌器的选型：搅拌器的型式主要有：桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。本反应釜搅拌装置的搅拌器采用推进式。2.3.2搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计本反应釜选用的是推进式搅拌器，搅拌器推进式搅拌器是类似风扇扇叶结构。它与轴的连接是通过轴套用平键或紧定螺钉固定，轴端加固定螺母。为防螺纹腐蚀加轴头保护帽。推进式搅拌器直径：取DJ=2002.3.3 挡板的设计挡板是一种常用的搅拌附件之一。当搅拌器沿容器中心线安装，骄傲办物料的黏度不大，搅拌转速不高时，液体将随着桨叶旋转方向一起运动，容器中心部分的液面下降，形成漩涡，降低混合效果。未消除这种现象，通常将容器中加入挡板，把回转的切向流东改变为径向和轴向流动，增加流体的剪切强度，改善搅拌效果。挡板的宽度通常取容的内径的1/10 1/12，一般设置4 6个沿罐壁均匀分布直立安装。 本反应釜选用角钢，选用标准为GB/T9787-1988热轧等边角钢，具体尺寸为4040。挡板宽度B=D1/12=91.666，圆整取B=90选用四个挡板挡板与罐壁间隙为B/5=22毫米，圆整取30毫米2.4反应釜的传动装置反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。传动装置通常设置在釜顶封头的上部。反应釜传动装置的设计内容一般包括：电机、减速机的选型；选择联轴器；选用和设计机架和底座等。2.4.1常用电机及其连接尺寸本反应釜选用YB160M1-8电机，同步转速750r/min ，电机的功率P=4kW。满载转速720r/min，质量118，额定转矩2.0TN。2.4.2带传动减速机 任务书规定本反应釜的减速机为带传动减速机。 带传动速机的设计 V带减速机的特点是：结构简单，制造方便，价格低廉，能防止过载，噪声小。但不适用于防爆场合。 查表 Y系列三相异步电动机主要技术数据，传动的额定功率 P=4 kW小皮带轮转速： 大皮带轮转速： 在电动机中，我们选用满载全转速750r/min，8极三相异步电动机，在减速器中，带传动的速比为3:1，电动机的额定功率为4kw的Y系列的。我们将带式减速器设计使用V型带，于是我们得到功率P=4kw，转速n=720r/min1）计算功率 由机械设计基础表12.6可知 工况系数KA=1.1 Pd=KAP=1.13kw=3.3kw2）选取普通V型带根据Pc=4kw，n=720r/min由机械设计基础图12-13确定选用A型带。3）、确定大带轮与小带轮基准直径D1，D2由参考文献3表12.7取 D1=75mm，验算带速V有公式： =3.1475730600000 =2.87m/s5m/s故小带轮的直径选取不合适。D1=140mm，验算带速V有公式： =3.14140730600000 =5.35m/s5m/s故小带轮的直径选取合适。根据公式：，=2% =730240140（1-0.02） =411.6mm 由参考文献3表12.7取圆整D2=400mm大带轮转速：n2= =7301400.98400 =250.4r/min其误差的绝对值： =4.3%120， 故尺寸合适。7）、确定V带根数z传动比i=2.953由参考文献312.3，12.4,12.5，12.6,12.8分别查得：=1.30kw,=0.02kw,=0.96,KL=1.11 所以 z=2.23 取 z=3根8）、求压轴力FQ 由机械设计基础表12.2查的q=0.10kg/m 张紧力公式： = =167.78N 压轴力FQ=2ZFsin（/2） =23167.78sin（153.4/2） =979.68N2.4.3凸缘法兰 凸缘法兰一般焊接于搅拌容器封头上，用于连接搅拌传动装置，亦可兼作安装，维修，检查用孔。凸缘法兰分整体和衬里两种结构形式，密封面分突面（R）和凹面（M）两种。 本反应釜凸缘法兰焊接于搅拌容器封头上，采用整体结构形式。由表D-6凸缘法兰主要尺寸，选择公称直径DN=200mm，螺纹为M16，螺栓数量为8个的M型凸缘法兰。2.4.4安装底盖 安装底盖采用螺柱等紧固件，上与机架连接，下与凸缘法兰连接，是整个搅拌传动装置与容器连接的主要连接件。 安装底盖的常用形式为RS和LRS型，其他结构（整体或衬里）、密封面形式（突面或凹面）以及传动轴的安装形式（上装或下装），按HG21565-1995选取。安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同。形式选取时应注意与凸缘法兰的密封面配合（突面配突面，凹面配凹面）。 本反应釜安装底盖采用螺柱等紧固件，上与机架连接，下与凸缘法兰连接。采用RS型形式，整体结构、密封面形式（突面）以及传动轴的安装形式（上装），按HG21565-1995选取。安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同，均为DN=200mm,查表D.7安装底盖的尺寸确定其他参数。 2.4.5机架 立式搅拌设备传动装置大多是通过机架、安装底盖安装在搅拌设备封头上。机架上端应与减速器连接尺寸相匹配，下端采用螺柱与安装底盖相连接。当标准机架不能满足要求时，可以根据具体结构自行进行设计。本搅拌器的机架为焊接非标准机架，具体尺寸以图示为准。2.4.6联轴器 电机或减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接，都是通过联轴器连接的，并传递运动和转矩。联轴器分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。常用的联轴器有弹性块式联轴器，刚性凸缘联轴器，夹壳联轴器和紧箍夹壳联轴器等。 据所选V带减速机的规格, 本反应釜采用刚性凸缘联轴器。查GT型凸缘联轴器主要参数及尺寸，选用联轴器的符号为GY-4，孔径为40，质量为3.15kg。2.5搅拌轴的设计和校核2.5.1轴的和设计搅拌轴的机械设计内容同一般传动轴，主要是结构设计和强度校核搅拌轴的材料：选用 45钢 轴功率：P=3kw，轴转速=250T=材料许用扭转应力=35，查表得系数A=112轴端直径考虑到开键槽轴扩大5%，则d=26.92mm30mm故取最小轴径为302.5.2轴的校核由图可得T=A点处FQ=979.68N，对B,C点的约束反力 FB= FC=由弯矩图和弯力图可知，最危险截面为B处而B处的弯矩MB=0.068FQ=979.680.068 =66.62Nm因为该传动为单向传动，可以认为扭矩为为脉动循环变化，故折合系数=0.6.则 T=0.6114.6=68.76N最危险截面处的当量弯矩MeB= =95.74Nm计算最危险截面B的轴径do do =25.92mm算上5%的加工减薄量以及销的影响，取d=30mm，显然强度足够。2.6键的校核轴上键最小的是大带轮的键，其型号为键3287 ，材料为45钢，需用剪切应力为=30MPa=Mr=159.10.018=7640N，AQ=0.0320.008+3.140.0042=2.72m2= FQ/ AQ=28.07MPa;所以，即键的强度合格。2.7反应釜的轴封装置轴封是搅拌设备的一个重要组成部分。其任务是保证搅拌设备内处于一定的正压力的真空状态以及防止反应物料逸出和杂质的渗入。鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式搅拌为主，很少满釜操作，轴封的对象主要为气体；而且搅拌设备由于反应工况复杂，轴的偏摆振动大，运转稳定性差等特点，故不是所有形式的轴封都能用于搅拌设备上。 反应釜搅拌轴处的轴封，属于动密封，常用的有填料密封和机械密封两种形式，它们都有各自的优缺点和标准，可以直接使用。（1） 填料密封 填料密封是由底环、本体、油环、填料、螺栓、螺柱、压盖以及油杯等组成。在压盖压力作用下，装在搅拌轴与填料箱本体之间的填料，对搅拌轴表面产生径向压紧力。由于填料中含有润滑剂，因此，在对搅拌轴产生径向压紧力的同时，形成一层极薄的液膜，一方面使搅拌轴得以润滑，另一方面阻止设备内流体的逸出或外部流体的渗入，达到密封的目的。 当采用填料密封时，应优先选用标准填料箱。标准填料箱中，HG 21537792为碳钢填料箱，HG 21537892为不锈钢填料箱，标准填料箱结构形式见附图5-8，明细表见附表5-13，主要尺寸见附表5-14。均分为06MPa、16MPa两档规格。PN0.6MPa为五个填料，PNl.6MPa为七个填料环。 填料箱密封的选用还应注意以下几方面：当填料箱的结构和填料的材料选择合理，并有良好润滑和冷却条件时，可用于较高的工作压力、温度和转速条件下；当填料无冷却、润滑时，转轴线速度不应超过lms；当搅拌容器内介质温度大于200。C时，应对填料密封进行有效冷却；当从填料箱油杯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，以防止容器内介质的泄露；采用密封润滑液时，润滑液流入容器内对工艺性能有影响时，应在填料箱下端轴上设置储油杯；填料箱一般可不设支承套，应将搅拌轴的支承设置在机架上。（2）机械密封 机械密封是一种功耗小，泄漏率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。主要用于腐蚀，易燃，易爆，剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。由于反应釜多采用立式结构，转速低，但搅拌轴直径大，尺寸长，摆动和振动较大，故机械密封常采用外装式（静环装于釜口法兰外恻），小弹簧（补偿机构中含有多个沿周向分布的弹簧），旋转式（弹性元件随轴旋转）的结构，当介质压力、温度低且腐蚀性大时，可采用单端面（由一对密封端面组成），非平衡型（载荷系数K1）的机械密封。当介质压力，温度高或介质为易燃，易爆，有毒时，应采用双端面（由两对密封面组成），平衡型（载荷系数K1）的机械密封。 当搅拌设备采用机械密封时，在下列情况下，应采用必要的措施，以便保证密封使用性能，提高使用寿命。 当密封腔介质温度超过80时，对单端面和双端面机械密封，都应采用冷却措施； 为防止密封面干摩擦，对单端面机械密封，应采用润滑措施； 当采用双端面机械密封时，应采用密封液系统，向密封端面提供密封液，用于冷却，润滑密封端面； 必要时，应对润滑液，密封液进行过滤； 当采用润滑及密封液系统时，需考虑一旦润滑液，密封液漏入搅拌容器内，应不会影响容器内物料的工艺性能，不会使物料变质，必要时应采用缓冲液杯和漏夜收集器等防污染措施。 本反应釜一般在常压，低压，低转速下使用,故采用填料密封。因其结构简单，易于制造，在搅拌设备上曾得到广泛应用,且便于定期维护此搅拌设备。2.8 反应釜的其他附件2.8.1设备法兰当筒体与上封头用法兰连接时，常采用甲型平焊法兰连接，这是压力容器法兰中的一种，嘉兴平焊法兰密封面结构常用平密封面和凹凸密封面的两种。甲型平焊法兰的工作温度为-20300，不同使用温度下最大允许工作压力按照参考文献2表12-3的规定。常用甲型平焊法兰质量见参考文献1表D-4。 2.8.2支座夹套反应釜多为立式安装，最常用的支座为耳式支座。标准耳式支座（JB/T4725-92）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时选B型，否则选A型。每台反应釜常用4个支座，但作承重计算时，考虑到安装误差造成的受力情况变坏，应按两个支座计算。本反应釜为夹套立式安装，不需要保温，选用B型标准耳式支座，耳座为4个。 2.8.3设备接口化工容器及设备，往往由于工艺操作等原因，在筒体和封头上需要开一些各种用途的孔。（1）视镜的公称直径DN=80，由附录D-12选取公称直径与钢管外径，选用外径为89的钢管。由标准突面板式平焊钢制管法兰主要尺寸，选用外径为190mm，内径