制药工程化工设备反应釜设计.doc

反应釜设计条件单设备名称 反应釜技术特性指标简 图压力釜内 夹套常压温度釜内120夹套125130介质釜内丙烯酸、丙烯酸甲酯等有机物、N2（气）夹套导热油腐蚀情况微弱搅拌桨型式框 式搅拌轴转速85电机功率2.2操作容积1.0设备容积0.7建议采用材料釜体：0Cr18Ni10Ti夹套：Q235A管 口 表编号 名 称管径/mma导热油出口40b112加热器套管80c固体物料进口200d工艺物料进口40e导热油进口40f放料口80g1,2视镜、80h安全阀接口25i温度计接口40k冷凝器接口80mN2（气）接口25备注夹套外设置80的保温层、釜体上装有安全阀。上封头上安装的冷凝器质量为800Kg设计内容设计条件及设计内容分析由设计条件单可知，设计的反应釜体积为1.0、操作体积为0.7；搅拌装置配制的电机功率为2.2、搅拌轴的转速为85、搅拌桨的形式为框式；加热的方式为用夹套内的导热油进行电加热；装置上设有6个工艺接管、2个视镜、4个耳式支座、12个电加热器套管、1个人孔、2个测控接管。反应釜设计的内容主要有：（1）釜体的强度、刚度、稳定性计算和结构设计；（2）夹套的的强度、刚度计算和结构设计；（3）设计釜体的法兰联接结构、选择接管、管法兰；（4）人孔的选型及补强计算；（5）支座选型及验算；（6）视镜的选型；（7）焊缝的结构与尺寸设计；（8）电机、减速器的选型；（9）搅拌轴及框式搅拌桨的尺寸设计；（10）选择联轴器；（11）设计机架结构及尺寸；（12）设计底盖结构及尺寸；（13）选择轴封形式；（14）绘总装配图及搅拌轴零件图等。目 录第一章 反应釜釜体的设计-11.1 釜体DN 、PN的确定-11.1.1 釜体DN的确定-11.1.2 釜体PN的确定-21.2釜体筒体壁厚的设计-21.2.1 设计参数的确定-21.2.2 筒体壁厚的设计-21.3釜体封头的设计-21.3.1封头的选型-21.3.2设计参数的确定-21.3.3封头的壁厚的设计-31.3.4封头的直边尺寸、体积及重量的确定-31.4筒体长度H的设计-31.4.1 筒体长度H的设计-31.4.2 釜体长径比L/Di的复核-31.5外压筒体壁厚的设计-31.5.1 设计外压的确定-31.5.2 试差法设计筒体的壁厚-41.5.3 图算法设计筒体的壁厚-41.6外压封头壁厚的设计-51.6.1 设计外压的确定-51.6.2封头壁厚的设计-5第二章 反应釜夹套的设计-62.1夹套DN、PN的确定-62.1.1 夹套DN的确定-62.1.2 夹套PN的确定-62.2夹套筒体壁厚的设计-62.2.1设计参数的确定-62.2.2夹套筒体壁厚的设-62.2.3 夹套筒体长度的初步设计-62.3夹套封头的设计-62.3.1封头的选型-62.3.2 设计参数的确定-62.3.3封头的壁厚的设计-72.3.4封头的直边尺寸、体积及重量的确定-72.3.5 封头结构的设计-72.3.6 带折边锥形封头壁厚的设计-72.4传热面积的校核-8第三章 反应釜釜体及夹套的压力试验-83.1釜体的水压试验-83.1.1 水压试验压力的确定-83.1.2 液压试验的强度校核-83.1.3 压力表的量程、水温及水中浓度的要求-93.1.4 水压试验的操作过程-93.2釜体的气压试验-93.2.1 气压试验压力的确定-93.2.2 气压试验的强度校核-93.2.3 气压试验的操作过程-93.3夹套的液压试验-103.3.1水压试验压力的确定-103.3.2液压试验的强度校核-103.3.3 压力表的量程、水温的要求-103.3.4 水压试验的操作过程-10第四章 反应釜附件的选型及尺寸设计-104.1釜体法兰联接结构的设计-104.1.1 法兰的设计-104.1.2 密封面形式的选型-114.1.3 螺栓和螺母的尺寸规格-114.1.4 法兰、垫片、螺栓、螺母、垫圈的材料-114.2工艺接管的设计-124.3管法兰尺寸的设计-134.4垫片尺寸及材质-134.4.1 垫片的结构-134.4.2 密封面形式及垫片尺寸-144.5人孔（或固体物料进口）的设计-144.5.1 人孔（或固体物料进口）的结构-144.5.2 人孔（或固体物料进口）的尺寸-144.5.3 人孔（或固体物料进口）的材质-154.6视镜的选型-154.6.1 视镜的选型-154.6.2 视镜的结构-154.6.3 视镜的规定标记、标准图号、视镜的尺寸及材料-154.7支座的选型及设计-16第五章 搅拌装置的选型与尺寸设计-175.1搅拌轴直径的初步计算-175.1.1 搅拌轴直径的设计-175.1.2 搅拌轴刚度的校核-175.2搅拌轴临界转速校核计算-175.3联轴器的型式及尺寸的设计-185.4搅拌桨尺寸的设计-195.4.1 搅拌桨的结构-195.4.2 搅拌桨的尺寸 -205.4.3 搅拌桨的零件明细表-205.5搅拌轴的结构及尺寸的设计-205.5.1 搅拌轴长度的设计-215.5.2搅拌轴的结构-21第六章 传动装置的选型与设计-226.1电动机的选型-226.2减速机的选型-226.2.1 减速机的选型-236.2.2 减速机的外形安装尺寸-236.3机架的设计-246.4底座的设计-246.5反应釜的轴封装置设计-256.5.1 反应釜的轴封装置的选型-256.5.2 轴封装置的结构及尺寸-26第七章 焊缝结构的设计-277.1釜体上的主要焊缝结构-277.2夹套上的焊缝结构的设计-28第八章 固体物料进口的开孔及补强计算-298.1封头开人孔后被削弱的金属面积A的计算-298.2有效补强区内起补强作用金属面积的计算-308.2.2 接管起补强作用金属面积的计算-308.2.3 焊缝起补强作用金属面积的计算-318.3判断是否需要补强的依据-31第九章 反应釜的装配图及部件图-329.1反应釜的装配图-339.1搅拌轴的部件图-34第一章 反应釜釜体的设计1.1 釜体 、的确定1.1.1釜体的确定将釜体视为筒体，且取。由得：， 圆整由文献查得釜体1.1.2釜体的确定因操作压力，由文献查得 0.61.2 釜体筒体壁厚的设计1.2.1设计参数的确定设计压力： ，取1.1=1.10.6；液体静压： ；=，可以忽略；计算压力： = =0.66；设计温度： 120 ；焊缝系数： 1.0（双面对接焊，100%无损探伤）；许用应力： 根据材料0Cr18Ni10Ti、设计温度130，由文献知137；钢板负偏差： 0.25（GB6654-96）；腐蚀裕量： 0。1.2.2筒体壁厚的设计由公式 得：考虑，则=+=2.6645，圆整刚度校核：不锈钢的考虑筒体的加工壁厚不小于5mm，故筒体的壁厚取1.3 釜体封头的设计1.3.1封头的选型由文献316页表16-3知，釜体的封头选标准椭球型，代号EHA、标准JB/T47462002。1.3.2设计参数的确定设计压力： ，取1.1=1.10.6；液体静压： ；=，可以忽略；计算压力： = =0.66；设计温度： 120 ；焊缝系数： 1.0（双面对接焊，100%无损探伤）；许用应力： 根据材料0Cr18Ni10Ti、设计温度130，由文献知137；钢板负偏差： 0.25（GB6654-96）；腐蚀裕量： 0。1.3.3封头的壁厚的设计 由公式 得： 考虑 ，圆整得1.3.4封头的直边尺寸、体积及重量的确定根据，由文献318页表16-5查得：直边高度： 容 积： 深 度： 内表面积： 质 量： 1.4 筒体长度的设计1.4.1筒体长度H的设计，= 圆整得： 1.4.2釜体长径比的复核：1.5 外压筒体壁厚的设计1.5.1设计外压的确定由设计条件单可知，夹套内介质的压力为常压，取设计外压=0.1。1.5.2试差法设计筒体的壁厚设筒体的壁厚5，则：=50.25 = 4.75，由得： 筒体的计算长度 = 该筒体为短圆筒。圆筒的临界压力为：由、=3得：因为 ， 所以假设5满足稳定性要求。故筒体的壁厚5。1.5.3图算法设计筒体的壁厚设筒体的壁厚5，则：=2 筒体的计算长度： = 在文献中图15-4的坐标上找到的值，由该点做水平线与对应的线相交，沿此点再做竖直线与横坐标相交，交点的对应值为：。由文献中选取图15-7在水平坐标中找到点，由该点做竖直线与对应的材料温度线相交，沿此点再做水平线与右方的纵坐标相交，得到系数的值为：、。根据=得： =.因为，所以假设合理，取封头的壁厚。由文献表16-5知，、的筒体高筒节的质量约，则筒体质量为： 筒体的内表面积：1.6 外压封头壁厚的设计1.6.1设计外压的确定封头的设计外压与筒体相同，即设计外压=0.1。1.6.2封头壁厚的设计设封头的壁厚则: =，对于标准椭球形封头，计算系数：=由文献中选取图5-7，在水平坐标中找到点，由该点做竖直线与对应的材料温度线相交，沿此点再做水平线与右方的纵坐标相交，得到系数的值为值为：.0、根据=得： 因为0.356，所以假设5偏大，考虑到与筒体的焊接，取封头的壁厚与筒体一致，故取5。釜体封头的结构及尺寸如图1-1，图1-1封头的尺寸直边高度： 容 积： 深 度： 质 量： 厚 度： 表1-1.釜体封头的尺寸Di/mmH/mmh。/mm/mm1000275255第二章 反应釜夹套的设计2.1 夹套的、的确定2.1.1夹套的确定 查表夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系：由于采用导热油加热，为提高导热油在夹套内的流动，夹套内径取：，夹套的2.1.2 夹套的确定由设备设计条件单知，夹套内介质的工作压力为常压，取0.252.2 夹套筒体壁厚的设计2.2.1设计参数的确定设计压力： ，取1.1=1.10.1 ；液体静压： ；=，可以忽略；计算压力： = =0.11；设计温度： 130 ；焊缝系数： 0.85(单面全焊透，100%无损探伤);许用应力： 根据材料Q235-B、设计温度130，由文献知113；钢板负偏差： 0.25（GB6654-96）；腐蚀裕量： 1.0。2.2.2夹套筒体壁厚的设计因为为常压0.3，所以需要根据刚度条件设计筒体的最小壁厚。 3800，取min2 /1000且不小于3 另加， ，圆整。对于碳钢制造的筒体壁厚取6。2.2.3夹套筒体长度的初步设计根据 ，则筒体高度的估算值为：由文献表16-3，、6的筒体高筒节的质量为、内表面积为，则：夹套筒体质量为2.3 夹套封头的设计2.3.1 封头的选型夹套的下封头选标准椭球型，内径与筒体相同（）。代号EHA，标准JB/T47462002。夹套的上封头选带折边锥形封头，且半锥角、大端直径、小端直径。2.3.2设计参数的确定2.3.3 封头的壁厚设计因为为常压，所以需要根据刚度条件设计封头的最小壁厚。 ，取且不小于另加， ，圆整。对于碳钢制造的封头壁厚取。2.3.4封头的直边尺寸、体积及质量的确定由文献1318页表165高度： 深 度： 容 积： 质 量： 2.3.5封头结构的设计封头的下部结构如图2-1备设计条件单知：下料口的，封头下部结构的主要结构尺寸。2.3.6带折边锥形封头壁厚的设计考虑到封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取封头的壁厚与夹套筒体的壁厚一致，即6。结构及尺寸如图2-2 图 2-1 下封头的结构 图 2-2 上封头的结构2.3.6 带折边锥形封头壁厚的设计由于封头过渡部分与锥体部分受力情况不同，分两部分计算 过渡部分： K=0.68 f=0.554 ，选型为CHA。 锥体部分： 故：mm 圆整 在加工时为了方便，取与夹套厚度一致 得。2.4 传热面积的校核 由于釜内进行的反应是放热反应，产生的热量不仅能够维持反应的不断进行，且会引起釜内温度升高。为防止釜内温度过高，在釜体的上方设置了冷凝器进行换热，因此不需要进行传热面积的校核。第三章 反应釜釜体及夹套的压力试验3.1釜体的水压试验3.1.1水压试验压力的确定水压试验的压力：且不小于(+0.1) ，当1.8时取1.8。， ， 取3.1.2液压试验的强度校核 由 得： 0.9由 故液压强度足够3.1.3压力表的量程、水温及水中浓度的要求压力表的最大量程：2 或。水温15 ，水中浓度253.1.4水压试验的操作过程操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至，保压不低于30，然后将压力缓慢降至，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。3.2 釜体的气压试验3.2.1气压试验压力的确定气压试验的压力： 取3.2.2气压试验的强度校核由得： 气压强度足够。3.2.3气压试验的操作过程做气压试验时，将压缩空气的压力缓慢升至，保持并进行初检。合格后继续升压至，其后按每级的级差，逐级升至试验压力，保持，然后再降至，保压足够长时间同时进行检查，如有泄露，修补后再按上述规定重新进行试验。釜体试压合格后，再焊上夹套进行压力试验。3.3夹套的液压试验3.3.1水压试验压力的确定液压试验的压力：且不小于，查得 ， 取3.3.2液压试验的强度校核由 得： 液压强度足够。3.3.3压力表的量程、水温的要求压力表的量程：或，水温。3.3.4水压试验的操作过程 在保持夹套表面干燥的条件下，首先用水将夹套内的空气排空，再将水的压力缓慢升至，保压不低于，然后将压力缓慢降至，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将夹套内的水排净，用压缩空气吹干。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。第四章 反应釜附件的选型及尺寸设计4.1釜体法兰联接结构的设计设计内容包括：法兰的设计、密封面形式的选型、垫片设计、螺栓和螺母的设计。4.1.1法兰的设计根据、，由文献表16-9确定法兰的类型为甲型平焊法兰。标 记：法兰 ，材 料：螺栓规格： 螺栓数量： 法兰的结构和主要尺寸如图4-1，表4-1图4-1甲型平焊法兰 表4-1法兰结构尺寸 单位：mm公称直径法兰螺栓规格数量4.1.2密封面形式的选型根据、介质温度和介质的性质，由文献表1614 知密封面形式为光滑面。4.1.3垫片的设计 由文献表16-14得垫片选用耐油橡胶石棉垫片，材料为耐油橡胶石棉板（GB/T539），结构及尺寸见图42 和。尺寸见表4-2 图4-2 垫片的结构 表4-2 垫片的尺寸 单位：mm4.1.4螺栓和螺母的尺寸规格本设计选用六角头螺栓、型六角螺母平垫圈（）螺栓长度的计算：螺栓的长度由法兰的厚度（）、垫片的厚度（）、螺母的厚度（）、垫圈厚度（）、螺栓伸出长度确定。其中、螺栓伸出长度取螺栓的长度为：取 螺栓标记： 螺母标记： 垫圈标记： 4.1.5法兰、垫片、螺栓、螺母、垫圈的材料根据甲型平焊法兰、工作温度=120的条件，由文献附录8法兰、垫片、螺栓、螺母材料匹配表进行选材，结果如表4-3所示。表4-3 法兰、垫片、螺栓、螺母的材料法 兰垫 片螺 栓螺 母垫 圈1Cr18Ni9Ti耐油橡胶石棉3525100HV4.2工艺接管的设计本装置设有以下接管：（1）导热油进口采用无缝钢管，罐内的接管与夹套内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 。（2）N2（气）进口采用无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 。（3）温度计接口采用无缝钢管，伸入釜体内一定长度。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 。（4）工艺物料进口采用无缝钢管，管的一端切成，伸入罐内一定长度。配用的突面板式平焊管法兰： 法兰 。（5）放料口采用无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 。与其配套的是手动下展式铸不锈钢放料阀，标记：放料阀 。（6）导热油出口采用无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 。（7）安全阀接口采用无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 。（8）冷凝器接口采用无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 。（9）加热器套管采用无缝钢管，罐内的接管与下封头内表面磨平磨平。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 。4.3管法兰尺寸的设计工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的结构如图4-3。由文献表12-149得并根据、和接管的，由板式平焊管法兰标准（）确定法兰的尺寸。管法兰的尺寸见表4-4。图4-3 板式平焊管法兰表4-4 板式平焊管法兰的尺寸（HG20592） 单位：mm接管名称公称直径接管外径连 接 尺 寸法兰厚度密封面厚度法兰内径坡口宽度 安全阀接口、N2接口2532100755811414233工艺物料进口40451301007814416246导热油进口40451301007814416246温度计接口40451301007814416246冷凝器接口、放料口808919015012418818291导热油出口40451301007814416246加热器套管808919015012418818291视镜8089190150124188182914.4垫片尺寸及材质工艺接管配用的突面板式平焊管法兰垫片的结构如图4-4，尺寸、材质如表4-5所示。图4-4 管道法兰用软垫片表4-5 密封面形式及垫片尺寸接管名称密封面型式垫片尺寸()垫片材质外径内径厚度安全阀接口、N2接口RF100342耐油石棉橡胶板工艺物料进口RF130492耐油石棉橡胶板导热油进口RF130492耐油石棉橡胶板温度计接口RF130492耐油石棉橡胶板冷凝器接口、放料口RF190892耐油石棉橡胶板导热油出口RF130492耐油石棉橡胶板加热器套管RF190892耐油石棉橡胶板45人孔（或固体物料进口）的设计 由于釜体的内径，因此不需要在釜体的封头上设置人孔，本设计选用板式平焊法兰物料孔。由文献表12-149和表12-151查文献附录九 得其结构如图4-5、尺寸见表4-6、材料见表4-7。 图4-5 带盖平焊法兰进料口结构1-接管；2-螺母；3-螺栓；4-法兰；5-垫片；6-法兰盖；7-手柄； 表4-6带盖平焊法兰进料口的尺寸公称压力（）密封面形式公称直径螺栓规格数量0.6突面20027383202192228质量1908426182020表4-7 固体进料口0.6200的明细表件号名称数量材料件号名称数量材料1进料接管10Cr18Ni10Ti8销 轴1452螺母8259开口销2353螺栓83510垫 圈2100HV4法兰11Cr18Ni9Ti11轴 耳1Q235-A5垫片1耐油石棉橡胶板12轴 耳1Q235-A6法兰盖11Cr18Ni9Ti13轴 耳1Q235-A7手柄1Q235-A14轴 耳1Q235-A4.6视镜的选型由于釜内介质压力较低（）且考虑，本设计选用两个的带颈视镜。结构见图4-6。由文献附录六确定视镜的规定标记、标准图号、视镜的尺寸及材料。标 记：视镜，标准图号：。视镜的尺寸如表4-8，材料如表4-9。视镜在封头上对称布置。图4-6 视镜的结构型式表4-8 视镜的尺寸视镜玻璃双头螺柱数量直径长度80894160130242470891208M1280表4-9 视镜的材料件号名称数量材料件号名称数量材料1视镜玻璃1硼硅玻璃(SJ-6)4压紧环1Q235-A2衬 垫2石棉橡胶板5双头螺柱8Q235-A3接 缘11Cr18Ni9Ti6螺母16Q235-A4.7支座的选型及设计4.7.1支座的选型及尺寸的初步设计： 由于设备外部设置有80的保温层，文献表16-23所以选耳式B型支座，支座数量为4个 反应釜总质量的估算：+式中：釜体的质量（）；夹套的质量（）；搅拌装置的质量（）附件的质量（）；保温层的的质量（） 物料总质量的估算：式中：釜体介质的质量（）；夹套内导热油的质量（） 反应釜的总质量估算为，物料的质量为（以水装满釜体计算），夹套和油的质量装置的总质量： 每个支座承受的重量约为： 根据由文献表16-23初选B型耳式支座，支座号为3。标记： 耳座B3 材料： 系列参数尺寸如表4-10。表4-10 B型耳式支座的尺寸底板筋板垫板地脚螺栓支座重量规格20016010510502051258250200830308.34.7.2支座载荷的校核计算耳式支座实际承受的载荷按下式近似计算：式中D=， ，=4，=0，将已知值代入得 因为，所以选用的耳式支座满足要求。第五章 搅拌装置的选型与尺寸设计5.1搅拌轴直径的初步计算5.1.1搅拌轴直径的设计 电机的功率 ，搅拌轴的转速，文献表11-1取用材料为1Cr18Ni9Ti ， ，剪切弹性模量，许用单位扭转角。 由得：=（） 利用截面法得：=（）由 得：=搅拌轴为实心轴，则：= 取5.1.2搅拌轴刚度的校核 由得： （） 因为最大单位扭转角 1 所以圆轴的刚度足够。考虑到搅拌轴与联轴器配合，可能需要进一步调整。5.2搅拌抽临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速=85200，故不作临界转速校核计算。5.3联轴器的型式及尺寸的设计 由于选用摆线针齿行星减速机，所以联轴器的型式选用立式夹壳联轴节（D型）。标记为： ，结构如图5-1。由文献表4-2-7分别确定联轴节的尺寸和零件及材料，尺寸如表5-1，零件及材料如表5-2。由于联轴节轴孔直径，因此搅拌轴的直径调整至。5-1 立式夹壳联轴节1-夹壳；2-悬吊环；3-垫圈；4-螺母；5-螺栓表5-1 夹壳联轴节的尺寸轴孔直径40螺栓数量规格118483576162207156M12804558516120.60.4表5-2 夹壳联轴节的零件及材料件号名 称材 料件 号名 称材 料1左、右夹壳ZG-1Cr18Ni9Ti4螺 母0Cr18Ni9Ti2吊 环0Cr18Ni9Ti5螺栓A2-703垫 圈A-140(GB/T97.2)5.4搅拌桨尺寸的设计框式搅拌桨的结构如图5-2