化肥发酵罐设计说明书.doc

湖南化工职业技术学院毕业设计2013届毕业设计毕 业 设 计 说 明 书 设计名称: 毕业设计 题 目: 化肥发酵罐 学生姓名: 唐 双 龙 专 业: 化工装备技术 班 级: 装备1011 学 号: 201013040144 指导老师: 李 群 松 指导时间: 二0一二年十一月目录1 设计方案的分析和拟定（P4）2. 反应釜釜体的设计 （P5）2.1罐体结构设计（P5）2.2 罐体几何尺寸计算 （P6）2.2.1确定筒体内径 （P6）2.2.2 确定封头尺寸 （P6）2.2.3 确定筒体的厚度Hi （P8）2.2.4 传热装置的选用 ( P9)2.4.1 强度计算的原则及依据 （P11）2.4.2 按内压对圆筒和封头进行强度计算（P12）2.4.3 水压试验校核计算（P13）3反应釜的搅拌装置（P13）3.1 搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计（P15）3.2 搅拌轴设计（P16）4 反应釜的传动装置（P19）4.1 常用电机及其连接（P19）4.2 釜用减速机类型，标准及其选用（P19）4.3 凸缘法兰（P20）4.4 安装底盖（P21）4.5 机架 （P22）4.6 联轴器（P22）5 反应釜的轴封装置 （P23）6 反应釜的其他附件（P23）6.1 支座（P25）6.2温度计的选用（P27）6.3 设备接口（P27）6.4涂抹装置（P29）6.5除沫装置（P31）7.参考文献 （P32）8.致谢 （P33）设计条件及参数（第一组）序号名称指标罐内罐盘内1设计压力(Mpa)0.30.32设计温度()1201383工作压力(Mpa)0.20.24工作温度()151201345工作介质发酵液饱和蒸汽、水6容积()3搅拌功率(kw)22搅拌转速(rpm)130 1 设计方案的分析和拟定 根据任务书中的要求，一个蛇管反应釜主要有搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管等一些附件构成。而搅拌容器又可以分为罐体和蛇管两部分。搅拌装置分为搅拌器和搅拌轴，根据任务说明书的要求本次设计搅拌器为涡轮搅拌器；考虑到机械轴封的实用性和应用的广泛性，所以轴封采用机械轴封。在阅读了设计任务书后,按以下内容和步骤进行蛇管反应釜的机械设计。（1）总体结构设计。根据工艺的要求，并考虑到制造安装和维护检修的方便来确定各部分结构形式。（2）搅拌器的设计。 根据工艺参数确定各部几何尺寸； 考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体和蛇管材料； 对罐体、蛇管进行强度和稳定性计算、校核；（3）传动系统设计，包括选择电机、确定传动类型、选择联轴器等。（4）决定并选择轴封类型及有关零部件。（5）绘图，包括总图、部件图。（6）编制技术要求，提出制造、装配、检验和试车等方面的要求。2. 反应釜釜体的设计反应釜是有罐体和蛇管两部分构成，罐体是反应的核心，为物料完成搅拌过程提供一个空间。蛇管为反应的操作温度提供保障，是一个在罐体内的密封空间容器。21罐体的结构设计罐体采用立式的圆筒形容器，有筒体和封头构成。通过支座安装在基础平台上。封头采用椭圆形封头。由于筒体内径Di1400mm，因此下封头与筒体的连接采用焊接连接。而为了安装内件、维护清理、清洗方便，上封头采用法兰与筒体连接。根据工作环境和操作条件：可选不锈钢304（0Cr18Ni9）2.2 罐体几何尺寸计算2.2.1确定筒体内径长径比对传热的影响：当容积一定时，越高，越有利于传热。长径比的确定通常采用经验值。即表1-1 表1-1 罐体长径比经验表种类罐体物料类型一般搅拌罐液-液相、液-固相11.3气-液相12聚合物悬浮液、乳化液2.08385发酵罐类发酵液1.72.5反应物料为发酵液类型；所以高径比H/D为1.72.5,取H/D=2.另取装料系数为. 已知V=3,所以:D =1.24m圆整至公称直径标准系列，取D=1400 mm2.2.2 确定封头尺寸 （1）从综合因素条件考虑，选标准椭圆形封头，材料与筒体相同。它的内径与筒体内径相同，即DN=Di=1400mm。标准椭圆封头尺寸参考椭圆封头尺寸表。 查表可知：曲边高度 hi =350mm 直边高度 容积V=0.398m3（2）采用标准椭圆形封头，封头厚度计算 由公式 h=25mm 其中Pc =0.3, 查表1-4用线性内插法求得=113Mpa (化工设备设计手册表1-15查的)封头焊接采取双面焊、全焊透，全部无损探伤 ，则 。K=1。 计算由参考化工设备设计手册表1-17查得：负偏差 罐内发酵液具有腐蚀性，腐蚀裕量c2=1.5mm计算考虑到封头上的电机、机架、减速机等重量，取封头及筒体的厚度均为810mm。建议圆整后取8mm（3）由于10mm 则封头的直边高度 h2 =25mm查椭圆形封头尺寸表可知封头内表面积A=2.23m2, 容积 2.2.3 确定筒体的高度H 当DN=1400mm，查JB/T4746-2002钢制压力容器用封头可知V=0.398. H=2.16则H/ D=2.16/1.271.7符合要求.2.2.4传热装置的选用由于罐体表面积比较大,夹套不能满足时；可采用挂壁蛇管传热。发酵罐工作时温度较高，为了保证操作正常进行必须采用加热装置对罐体加以加热。一般化工厂是连续性工作的所以： 连续釜式反应器的热量衡算 根据热量衡算基本方程式可求得在等温情况下 (rA)(DHA)VR=VorCpt(TTo)+K0Ah(TTc) （333） Qr = Qc 即：放热速率=移热速率其中 V0平均每秒处理的物料量m3/s; VR反应器有效体积m3冷却面积的计算:计算冷却面积使用牛顿传热定律公式, 发酵过程的热量计算有许多方法，但在计算中更可靠的方法是实际测得的每立方米发酵液在每小时传给冷却器的最大热量；对谷氨酸发酵：高峰期发酵热 采用竖式蛇管换热器，取经验值4.185000kJ/(m3h。) 平均温差 2032 2026代入 加热面积 装液量:发酵罐装料液体积：校核换热是否合要求:换热系数取0.6Hj = （V-V封）Vim 代入数值计算得：m 罐体所包含的蛇管表面积一定要小于工艺要求的传热面积F F封F筒F F给定传热面积故 F封F筒 =2.2310.17=12.44.97所以换热要求满足。筒体和上封头的连接依据JB/T47012000采用甲型平焊法兰连接，选取凹凸密封面法兰，其中：D=1530mm D1=1490mm D2=1455mm D3=1441mmD4=1438mm S=46mm d=23mm 24.1 强度计算的原则及依据 强度计算中各参数的选取及计算，均应符合GB150-1998钢制压力容器,TCED S8-90 压力容器强度计算书统一格式的规定。2.4.2 按内压对和封头进行强度计算（1） 筒体强度计算 查表1-4用线性内插法求得=113Mpa已知：Tc=120 Pc=0.3Mpa = 1 负偏差 C1=0.2mm腐蚀裕量C2=1.5 名义厚度n=C1C2=3.56mm取n=8mm有效厚度e=n (C1+C2)=6.3 mm（2）校核内压薄壁壳体强度校核筒体: 对圆筒体设计温度下的最大允许工作压力： 即圆筒在设计压力温度下的最大允许压力小于设计压力，因此在规定的压力下壳体的安全是可靠的。 对圆筒体在设计温度下的计算应力： 设计应力： 计算应力 ： 即圆筒在设计压力温度下的最大计算应力小于设计应力，因此在规定的应力下壳体的安全是可靠的。2.4.3 水压试验校核计算 反应釜应对罐体和蛇管分别进行水压试验，并校核圆筒应力T（1） 罐体水压试验由于t 故 pT=1.05p=1.05Pc=0.315Mpa材料屈服点 ，。 所以罐体水压试验强度足够 （2）由于t 故 材料屈服点应力 s=137Mpa，0.9 s=123.3Mpa 0.9 s 所以蛇管水压试验强度足够3 反应釜的搅拌装置 依据HG21563-1995至HG21572-1995,HG21537-1992、HG21538-1992选用搅拌传动装置。搅拌装置由搅拌器、轴及其支撑组成。搅拌器的形式很多，根据任务说明书的要求，本次设计采用的是涡轮式搅拌器。搅拌轴选用两根连接。其机械设计的主要内容是：确定搅拌器直径、搅拌器与搅拌轴的连接结构。进行搅拌轴的强度设计和临界转速校核、选择轴的支撑结构。注意：底层桨叶是为了击碎空气泡，让空气泡变细小，使之与母液充分接触；中间的桨叶才是起到一个搅拌的作用。而顶部的桨叶，是为了除掉泡沫。 图4-7 表3-1 搅拌器的值搅拌器搅拌器螺旋桨式，三叶片 螺距=D41.00.32双叶单平桨式43.02.25螺距=2D43.51.00双叶单平桨式36.51.60涡轮式，四个平片70.04.50双叶单平桨式33.01.15六个平片71.06.10四叶双平桨式49.02.75六个弯片70.04.80六叶三平桨式71.03.82扇形涡轮70.01.65由表4-4 查的D1/DJ取1.5/12.5：11.5：1 H0/DJ=1:12:1有实际情况取D1/DJ=1.5：1 H0/HJ=1:1则： 搅拌器直径 DJ=1000mm 液面高度： H0=1161mm综合考虑可选选六直叶圆盘涡轮式搅拌器常用运转条件：n=10300rpm v=410m/s,材料为304钢。d：L：B=20：5：4 所以， 3.1 搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计 涡轮式搅拌器结构如图4-7所示，其桨叶为六叶。轴转速为50r/min ,采用双层桨安装。搅拌器与轴的连接用联轴器连接。采用联轴器JQ-105。3.2 搅拌轴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。 (1)搅拌轴的材料：选用 选35SiMn材料 (2)搅拌轴的结构：用实心直轴，因是连接的为涡轮式搅拌器，故采用光轴即可。 (3) 搅拌轴强度校核 选35SiMn材料 查4得 取轴的直径 轴的总长分成两段：上轴 下轴强度校核： 强度足够刚度校核 : 悬臂梁 刚度足够(4)搅拌轴的形位公差和表面粗糙度的要求： 一般搅拌轴要求运转平稳，为防止轴的弯曲对轴封处的不利影响，因此轴安装和加工要控制轴的直度。 当转速 n130r/min 时直度允许误差：1000：0.15。 轴的表面粗糙度可按所配零件的标准要求选取。(5)搅拌轴的支撑 一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。当搅拌轴较长时，轴的刚度条件变坏。为保证搅拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂长L1，轴径d 和两轴承间距B应满足以下关系：L1/B45; L1/d4050 搅拌轴的支承常采用滚动轴承。安装轴承处的公差带常采用K6.外壳孔的公差带常采用H7 。安装轴承处轴的配合表面粗糙度Ra取0.8 1.6 外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra取1.64 反应釜的传动装置 反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。传动装置设置在釜顶封头的上部，其设计内容一般包括：电机；减速机的选型；选择联轴器；选用和设计机架和底座等。4.1 常用电机及其连接设备选用电机主要是考虑到它的系列，功率，转速，以及安装形式和防爆要求等几项内容。最常用的为Y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机。电机功率必须满足搅拌器运轴功率与传动系统，轴封系统功率损失的要求，还要考虑到又时在搅拌过程操造作中会出现不利条件造成功率过大。电机功率可按下式确定：式中：p=22KW =0.95 0.96 (有表4-8选取)设计采用机械轴封，功率消耗小，Pm=4KW 则： Pd=27.4KW 4.2 釜用减速机类型，标准及其选用 反应釜的立式减速机的选用根据：轴转速 n=1200r/min 电机功率为27.4KW 综和考虑选BLD摆线针轮行星减速机，其尺寸从下表选取。 依据减速机选择电动机 功率为 27.4kw 转速为 1500r/min查下表，选取电动机型号为：Y180L-4 额定功率为22KW 同步转速为1500r/min 4.3 凸缘法兰凸缘法兰一般焊接于搅拌器封头上，用于连接搅拌传动装置。设计采用R型突面凸缘法兰，其形式见下。选择R型突面凸缘法兰，其尺寸如下：DN=400mm d1=410mm d2=565mm k=515mm d3=430mm d4=455mm螺栓数量：16 ，螺纹：M24 , 质量：46Kg4.4 安装底盖安装底盖采用螺栓等紧固件，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。设计选取了RS型安装底盖。其主要尺寸如下：内容如下(单位：mm)：DN=400, d2=565 k=515 d5=16-26 d6=415 s=50 d9=176 k2=210 d10=8-M16 4.5 机架机架是安装减速机用的，它的尺寸应与减速机底座尺寸相匹配。其选用类型有三种，本次选用无支点机架。常用的无支点机架见下：选用WJ90型无支点机架，H1=40mm H2=25 H3=7 H4=8 D1=400 D2=450 D3=490 D4=430 D5=515 D6 =565 H=660 质量：170Kg4.6 联轴器常用的电机和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。常用的类型很多，选取刚性凸缘联轴器。主要尺寸以及型式见下： 联轴器的选用GT型凸缘联轴器型号公称直径轴孔直径mm轴孔长度mmD螺栓Y型,Y型,YL12160060、6365、7071、7514210720017012(6)M12YLD12(80)172132349269YL13250070、751421072201858（6）M16289219YLD1380、85（90）172132349269YL14400080、8590、10017213225021512（8）M16350270TLD14（110）212167430340联轴器的选择及校核：根据 选YLD12 确定 根据 选YLD14 确定 选用1对YLD12和一对YLD14型联轴器选用304材料，型号为ZY-2004-127-06 5 反应釜的轴封装置轴封式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和真空状态以及防止物料溢出和杂质的掺入。鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式为主，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，轴的偏摆震动大，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。反应釜搅拌轴处的密封，属于动密封，常用的有填料密封和机械密封两种形式, 这次设计选用机械轴封。机械轴封是一种功耗小，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。由于机械轴封的结构形式很多。且大都有标准。下图给出了202型标准机械密封结构及尺寸。 选HG5-573-78的机械密封，PN=0.5MPa, 工作温度T=130在-40200范围内，DN=110mm ，材料为304、代号为204 选取O型密封圈密封，材料为聚四氟乙烯，代号为5。6.1 支座的选用 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/T 4725-92）分为A型和B型两种。当设备需要保温或直接支撑在楼板上时选用B型，否则选择A型。 (1）筒体及封头的质量重 查化手工册可得不锈钢密度为7930 圆筒体的体半径为1400mm；厚度为6mm；筒体高为1756mm 所以 由DN=1400; 名义厚度为8mm 查上表可得 (2) 传动装置及内部部件的重量: =盘管的质量+;轴的质量+搅拌装置+除沫装置 =43.33+155.95+28.32+9.7=273.3 kg(3) 物料重 (4) 冷却水重 则总重量： =875.88+273.3+830+1200 =3179.18kg 支座的校核：耳式支座实际所承受的载荷如下： 式中：k为不均匀系数；安装3个支座时取k=1，安装3个以上支座时，取k=0.83;n为支座数量；h为水平作用点也就是设备质心至支座底板高度；D为支座安装尺寸；经计算得到: KN=154900N所以M=3243.68kg=31820.501N154900N同所选的耳式支座满足要求.设计中选取B型，如下图：支座数为3个。允许载荷为100KN ，支座质量为：28.7Kg 地脚螺栓： M24.6.2温度计的选用1、 型号的选用 设计温度为选用液体、气体、固体膨胀式温度计2、量程的选用 单个温度测量仪表最高测量值一般为仪表量程的90%。多个温度测量仪表公用一台显示仪表时，其使用范围为满量程的2090%。6.3设备接口接管法兰的选用接管法兰标准HGJ44-76-91法兰类型密封面型式(代号)HGJ标准号公称压力PN，MPa(bar)0.25(2.5)0.6(6)1.0(10)1.6(16)2.5(25)4.0(40)6.3(63)10.0(100)16.0(160)公称直径，mm板式平焊突面（RF）45DN10200带颈平焊突面（RF）46DN801200DN10600DN10400凹凸面（MFM）47DN10500DN10400榫槽面（TG）48DN801200DN10500DN10400全平面（FF）49带颈对焊突面（RF）50DN10600DN10400DN15300凹凸面（MFM）51DN10500DN10400DN15300榫槽面（TG）52DN10500DN10400环连接面（RJ）53DN2545DN15400DN15300承插面突面（RF）54DN1550凹凸面（MFM）55DN1550榫槽面（TG）56DN1550平焊环松套板式突面（RF）57DN10600凹凸面（MFM）58DN10500榫槽面（TG）59DN10500翻边松套板式突面（RF）60DN10300法兰盖突面（RF）61DN102000DN101200DN10600DN10400DN15300凹凸面（MFM）62DN10600DN10400DN15300榫槽面（TG）63DN10500DN10400全平面（FF）64DN801200环连接面（RJ）65DN25450DN15400DN15300选用步骤：已知设备的公称直径与公称压力，法兰的公称直径必须与其一致：法兰的公称压力根据法兰的最大操作压力、操作温度、法兰的材料确定。容器法兰尺寸的查取方法，示例：当需要为一台内径为D1，设计压力p，设计温度为t的容器筒体或封头的选配方法兰时，步骤如下：（1） 根据容器的公称直径（内径）和设计压力查表初步确定法兰的结构类型。（2） 根据容器的p、t及准备采用的法兰材料，查表确定所选法兰的公称直径。（3） 根据所确定的PN、DN，返回查表，以便验证原来根据设计压力 所初步确定的法兰类型是否以确定的PN、DN。（4） 根据PN、DN查表选出相应尺寸即可。依据上表选用全平面（FF）型法兰人孔法兰的选择 螺栓型号选接管法兰选择 1、盘管法兰 2、视镜法兰 3、出气口法兰 4、测温管法兰 5、进出料口管法兰 6.4开孔补强 压力容器开孔后会引起应力集中，从而削弱容器强度。为降低开孔附近的应力集中，必须采取适当的补强措施。根据国家标准GB150-1998钢制压力容器规定，按等面积补强准则进行补强时，开孔尺寸会有一定的限制。若开孔直径超出下表中的范围，应按特殊开孔处理。开孔部位允许开孔直径筒体凸形封头锥壳（或锥形封头）注：GB150还规定，如果壳体开孔同时满足以下三个条件时，可以不另行补强。1、 实际压力不大于2.5MPa。2、 相邻开孔中心的间距（曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的2倍。3、 接管公称外径小于或等于89mm。不另行补强的接管外径及最小壁厚见下表。接管外径253238454857657689最小壁厚3.53.53.54.04.05.05.06.06.0