第11章 夹套反应釜设计.ppt

,立式带夹套的反应釜设计带有搅拌装置的釜式反应器是化工、医药、染料、涂料等行业生产中常用的典型设备反应釜通常由釜体、传热、搅拌、传动、密封等装置及有关附件组成。,搅拌轴,夹套,釜体,机架,减速器,电动机,密封装置,搅拌桨,温度计,釜体是物料进行反应的空间，由筒体及上、下封头组成。传热装置是为了提供化学反应所需的热量或带走反应生成的热量。除了图中所用的夹套传热外，还有蛇管形式的传热装置。搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其作用是迅速均匀地混合物料，强化传质传热过程，从而加快反应速率。为使搅拌器能够以一定的转速转动，需要设置与之配套的由电动机和减速机等组成的传动装置。反应釜上除了有设备法兰、管法兰等静密封结构外，还有保证转轴密封的动密封装置。附件,根据工艺设计所确定的操作容积、工作压力、工作温度、介质情况、传热面积、搅拌形式、转速和功率、以及管口尺寸和方位等工艺条件，选择各零部件的材料，确定反应釜釜体、夹套的结构型式和尺寸;通过强度、刚度和稳定性计算确定反应釜壳体、夹套壳体的壁厚和搅拌抽直径，并根据有关的标准对搅拌器、传动装置、密封装置和各种附件进行选型;绘出所需的装配图与必要的零部件图。,立式带夹套的反应釜设计内容,一、釜体的结构型式反应釜的釜体由圆筒形壳体、上封头和下封头组成。封头型式多为椭球形，但对于含有固体颗粒或粘度较大物料的釜体，其下封头常采用便于出料的锥型封头。筒体与下封头一般采用焊接。上封头与筒体的连接方式由釜体的直径确定。当釜体直径Di800时，人在釜内的活动空间较小，故一般采用法兰联接。当釜体直径Di800时，封头与筒体也可焊接。内件的装拆可通过封头上的人孔进入釜内来完成，有时为方便装拆和检修，既用法兰来连接封头和筒体，又在封头上开设人孔。,(1)筒体的直径和高度反应釜的外形尺寸如图所示。,Di,Dj,H,Hj,反应釜的外形,筒体直径的确定立式反应釜釜体的容积通常是指圆柱形筒体和下封头包含的容积，即：将釜体视为圆柱形筒体，初步估算釜体的内径，取将选定的值代入上式，可初步估算出釜体的内径。考虑到釜体的内径应符合压力容器公称直径的标准。筒体的长度的确定筒体的长度可由下式确定,二、釜体壁厚的设计(1)内压筒体壁厚的设计设计参数的确定根据设备设计条件单中提供的有关技术特性参数和要求，确定设计参数。设计压力：无安全装置取1.1；装安全阀取(1.051.1)；装爆破膜取；计算压力：，5，可以忽略；设计温度：取操作介质的最高温度；焊缝系数：根据筒体纵向焊缝的结构和无损探伤的要求壁厚附加量：0.25mm；取值见有关文献,筒体壁厚的设计碳钢、低合金制筒体壁厚的设计采用试差法；高合金制筒体的壁厚由壁厚计算公式确定。筒体的强度校核(2)内压封头壁厚的设计封头的选型釜体的上下封头一般采用椭球型或碟型，且尽可能选用标准封头。当釜内有固体物料或物料粘度较大，下封头可选用锥形封头，以便卸料。,设计参数的确定见筒体设计参数的确定。封头壁厚的计算设计方法与内压筒体壁厚的设计方法相同。当封头壁厚小于筒体壁厚时，将封头的壁厚调整至与筒体的壁厚一致；当封头壁厚大于筒体壁厚时，将封头的直边部分进行加工，以便等壁厚焊接和降低边缘应力。三、外压釜体壁厚的设计当夹套内介质的工作压力高于釜内压力时，被夹套包覆的釜体为外压容器，为防止釜体发生失稳，需要对其进行稳定性计算。,(1)外压圆筒壁厚的计算-简化公式设计法设计外压的确定根据设计条件单中釜体和夹套内介质的工作压力，确定设计外压。圆筒壁厚的计算假设圆筒的壁厚为，由=C、分别计算出、由公式计算出临界长度值由或计算出筒体的计算长度将与进行比较，若，筒体为长圆筒；若，筒体为短圆筒,长圆筒临界压力：短圆筒临界压力：由计算出p，对于圆筒m=3。将p与p进行比较，若pp，则假设合理；反之不合理，重新设计，直至满足pp为止。(2)图算法外压圆筒所需的壁厚可利用教材中外压容器设计一章中的图10-1510-20进行计算，过程如下：假设圆筒的壁厚为，由、，分别计算出、,L,L,在图10-15的坐标中找到的值，将此点沿水平方向右移与对应的/线相交，当50时取50；0.05时取0.05。过此交点向下作垂直线与水平轴相交，找到交点的系数A值。根据圆筒的材料选用图10-16图10-20，在图的下方找到系数A值，若A在曲线的右侧，在此点作一垂直线与对应的材料设计温度线相交，交点水平对应的值即为系数B。圆筒的许用外压按下式计算：若A在曲线的左侧，圆筒的许用外压p按下式计算：,将p与p进行比较，若pp，则假设合理；反之不合理，需要重新设计，直至满足pp为止。(3)外压封头壁厚的设计设计外压的确定封头的设计外压与筒体相同。封头壁厚的计算设封头的壁厚为，令=C，根据封头的形式确定当量半径，计算出/。用A=0.125计算出系数A值。根据圆筒的材料选用图10-51图10-20，在图的下方找到系数A值，若A在曲线的右侧，在此点作一垂直线与对应的材料设计温度线相交，交点水平对应的值即为B系数。圆筒的许用外压p按下式计算：,若A在曲线的左侧，圆筒的许用外压p按下式计算：将p与p进行比较，若pp，则假设合理；反之不合理，需要重新设计，直至满足pp为止。当按内压容器设计出的釜体壁厚与按外压容器的设计的釜体壁厚不同时，取两者中的较大者。如上封头不包在夹套中,则不受外压作用，只按内压计算，但常取与下封头相同的壁厚。四、釜体的压力试验压力试验的目的是检验釜体的宏观强度(是否有异常变形)和致密性(有无泄漏)。是化工设备出厂时必须进行的工序。,五、反应釜夹套的设计(1)夹套的结构型式,H,H,H,H,夹套的结构型式,H,R30,R30,采用夹套传热时，为防止热量散失，需要在夹套外设置保温层。夹套的型式根据工艺设计要求和反应釜的具体结构进行选择，如要求上封头与筒体采用可拆性联结，则不能选用图中的型。图中的型应用最为广泛。其结构型式如下图。,型夹套的结构,Di,Dj,150-200,Dj,Di,S,h,45,不锈钢,碳钢,碳钢,Dj,Di,S,45,不锈钢,(2)夹套的尺寸夹套壁与釜体壁间构成一个供传热介质流动的空间，夹套的内径一般可按下表确定。夹套的内径与筒体内径之间的关系采用导热油加热时。夹套内径常取+300，以增大夹套和釜体的间隙，减小流动阻力。夹套高度主要取决于传热面积的要求，但一般还应不低于釜内的料液高度以保持传热均匀。因此，可如下估算：,将估算出的稍加固整后再校核传热面积，即是否满足：其中为釜体下封头的内表面积，为夹套包覆部分筒体的内表面积，为工艺所需的传热面积。在确定夹套高度时，还要考虑两个因素(1)当反应釜筒体与上封头用法兰连接时，夹套上边缘与法兰下表面的间距应不小于150200mm，以便装拆联接法兰的螺栓和螺母。(2)当反应釜采用悬挂式支座时，要避免因夹套顶部的位置而影响支座的焊接地位。夹套的顶部和底部开有供传热介质进出的管口。加热蒸汽要从上端进入夹套，冷凝水从下端排出。如用液体进行加热或冷却侧必须下进上出，以保证传热液体充满夹套。,为了尽量排去夹套中的空气或其它不凝性气体，还常在夹套顶部另设排气管口，其直径不小于DN10。夹套封头的型式与釜体下封头相同。(3)夹套圆筒壁厚的计算夹套圆筒壁厚的计算参见釜体内压筒体壁厚的设计。(4)夹套封头壁厚的设计夹套封头壁厚的设计参见釜体内压封头壁厚的设计。(5)夹套的压力试验参见釜体的压力试验。注意：做夹套的压力试验时，先做釜体的压力试验，待釜体合格后，才焊上夹套做压力试验。,(1)夹套进气（汽）管的结构采用气（汽）体作传热介质时，若夹套进气（汽）管内的气速较高，需考虑采取防止气体直接冲刷釜体外壁的措施。采用下图所示的防冲挡板或侧向开孔的进气管。用液体作传热介质时，为了提高传热效果，在釜体外壁上焊接螺旋形导流板有利于提高液体流速、增大传热,夹套进气（汽）管的结构,六、传热装置的设计,流板系用扁钢沿筒体圆周方向螺旋绕制而成、且导流板与夹套内壁的间隙越小越好。,夹套内螺旋形导流板的结构,Di,Dj,h,h,0-3,Dj,Di,h,0-3,h,(2)釜内蛇管的结构当工艺所需的传热面积较大，夹套的传热面积不能满足要求，或釜内衬里为导热性差的材料时，可采用蛇管传热。蛇管一般用管子盘旋成圆柱弹簧状，故亦称盘管，其结构如图所示。蛇管的进出口最好尽量设置在同一端，这样可只与一个端盖相连接而装拆方便。但蒸汽加热时要上进下出，以利冷却水的排出、减少振动。有时出于工艺或结构需要。也可将进出口安排在筒体上。,蛇管结构,D1,常见的蛇管进出口结构见下图。,（a）（b）（c）（d）（e）,蛇管进出口结构,七、釜体容器法兰的联接结构法兰联接结构由一对法兰、一个垫片、若干个螺栓和螺母构成。其设计内容包括：法兰的设计、密封面形式的选型、垫片设计、螺栓和螺母的设计等。,(1)法兰的设计容器法兰有甲型平焊法兰（JB/T47012000）、乙型平焊法兰（JB/T47022000）、长颈法兰（JB/T47032000）三种，设计时首先由法兰的公称压力PN、公称直径DN由教材中的压力容器法兰分类及参数表确定确定其型式，然后根据法兰型式及其PN、DN，由对应的容器法兰标准设计出法兰的结构和尺寸。(2)密封面的形式容器法兰的密封面形式有平面密封面、凹凸密封面、榫槽密封面、环密封面。密封面的形式可根据操作介质、法兰的公称压力PN、工作温度由教材中的压力容器法兰垫片选用表确定。,(3)垫片的设计根据材质的不同，垫片分为非金属垫片、组合式垫片和金属垫片三种，垫片的形式可根据操作介质、法兰的公称压力PN、工作温度、法兰的型式由压力容器法兰垫片选用表确定。垫片的尺寸由法兰的公称压力、公称直径根据垫片的标准确定。压力容器法兰非金属软垫片的结构见图、尺寸查压力容器法兰非金属软垫片的标准。(4)螺栓、螺母的设计螺栓、螺母的规格和数量由法兰的结构和尺寸确定,压力容器法兰非金属软垫片,Do,Di,八、管法兰的联接结构(1)钢制管法兰的设计管法兰是压力容器及设备与管道联接的标准件、通用件。将操作介质的工作压力圆整至符合规定的公称压力PN，即管法兰的公称压力，根据接管的DN和管法兰的公称压力PN，由管法兰标准确定法兰的类型。,(2)管法兰的密封面形式管法兰的密封面形式有突面密封面、凹凸密封面、榫槽密封面等。密封面的形式可根据法兰的公称压力和公称直径，由表进行确定。(3)垫片的设计,非金属垫片,缠绕式垫片,垫片类型的确定与容器法兰垫片相同，类型确定后由公称压力PN、接管公称直径DN查管法兰垫片的标准设计出尺寸。管法兰非金属软垫片的结构与容器法兰非金属软垫片相似、尺寸查管法兰非金属软垫片的标准。,金属包垫片,金属垫片,九、管口结构(1)进料管口进料管一般都从釜顶引入，液相进料管须伸进釜内，防止液料沿封头内壁流入法兰密封面，对密封面和釜壁产生局部腐蚀。液相进料管下端管口成45切口，可使小流量时液流集中。,进料管结构,(2)出料管口反应釜的出料有上出料和下出料两种方式。当需要将釜内液料输送到较高位置的设备中去或釜内液料有强腐蚀性或毒性而又无匹配的泵时，可利用压缩空气或氮气将液料经压料管从上部压出，这就是上出料，压料管的结构见图。为减小因搅拌而引起的压料管晃动，可用管卡或挡板将其固定。,上出料管的结构,下出料即在釜底中央开设一个卸料管口，适用于需将釜内物料放入另一个较低位置的设备。管口与夹套处的结构如图。,（a）（b）（c）,下出料管的结构,(3)工艺接管口与仪表接管口反应釜上的接管用于介质的输送和测量、控制仪表的安装，是通过设备上的管口与凸缘来实现的。管口与凸缘的结构如图。,管口与凸缘的结构,十、人孔(或固体物料进口)的设计人孔已有标准系列，常用的人孔标准有碳素钢、低合金钢人孔（HG2151421535-95）和不锈钢制人孔等。设计人孔时，根据设备的公称直径DN、公称压力PN、设计温度、材质、介质及使用用要求等条件，由人孔标准确定人孔的结构、各零件名称、材质及尺寸。,人孔(或固体物料进口),管法兰,接管,筒体(或封头),垫片,封头,手柄,DN,十一、视镜视镜主要用来观察设备内物料及其反应情况，也可以作为液面指示镜。常用的视镜有视镜、带颈视镜和压力容器视镜(分别有带颈与不带颈两种)几种.选择视镜时，应优先选用不带颈视镜，因为该视镜结构简单，不易结料，窥视范围大；当视镜需要斜装或设备直径较小时，采用带颈视镜；压力容器视镜用于公称压力较大的场合(大于0.6MPa)。,视镜,十二、反应釜的搅拌装置(1)搅拌器的型式搅拌器的作用是推动静止的液料运动，维持搅拌过程所需的流体流动状态，以达到搅拌的目的。搅拌器的主要部件是桨叶，因此桨叶的几何形状、尺寸、数量及转速对搅拌器的功能和搅拌效果有重要影响。常见的搅拌器型式如图所示。搅拌器的尺寸按标准HG/T212391中规范的主要参数确定。搅拌器的型式的选择可参考搅拌器选用表。,布鲁马金式,齿片式,平直叶圆盘涡轮,锚式,框式,螺带式,螺杆式,折叶开启涡轮,推进式,弯叶圆盘涡轮,桨式,弯叶开启涡轮,(2)搅拌轴直径的设计搅拌轴的强度计算反应釜的搅拌轴承受扭转和弯曲（或拉伸）的联合作用，其中以扭转作用为主。在设计圆轴直径时，假定轴发生纯扭转变形，用强度条件进行初步计算。然后用增加安全系数，降低材料的许用应力以弥补由于忽略弯曲等作用所引起的误差。若圆轴传递的功率为、转速为则圆轴受到的外力偶矩为：(Nmm)搅拌轴产生的最大扭矩由强度条件得：,在静载荷作用下，钢材的与其有如下关系:考虑到搅拌轴除受扭转作用外，还受到弯曲等的作用，因此值常取的更低一些。几种常用轴材料的按下表选用。,搅拌轴的刚度校核搅拌轴在运转过程中不能产生过大的扭转变形，否则会引起振动，造成轴封失效。因此要将轴的扭转变形限制在一定的许可范围内，为此，需要对搅拌轴进行刚度校核。过程如下：1)由计算出最大单位长度的扭转角2)将与许用单位长度的扭转角进行比较，若，则刚度足够；反之，则刚度不够，搅拌轴直径需要重新设计，直至满足刚度条件为止。,(3)搅拌轴长度的设计搅拌轴的长度近似由釜外长度、釜内未浸入液体的长度,、浸入液体的长度三部分构成。即：其中（机架高；M减速机输出轴长度）（釜体筒体的长度；封头深度；Hi液体的装填高度）液体装填高度Hi的确定：釜体筒体的装填高度:式中操作容积液体的总装填高度:搅拌桨的搅拌效果和搅拌效率与其在釜体的位置和液柱高度有关。搅拌桨浸入液体内的最佳深度为：浸入液体搅拌轴长度的确定：,当时为最佳装填高度；当时，需要设置两层搅拌桨。十三、反应釜的传动装置带搅拌器的反应釜，需要电动机和传动装置来驱动搅拌器转,Hi,2Hi/3,2Hi/3,Hi,传动装置一般安放在釜体的顶部。通常采用立式布置。如图所示。电动机的转速较高，通过减速机可将转速降至工艺要求的搅拌转速，再通过联轴器带动搅拌轴转动。(1)电动机的选用反应釜传动装置上的电动机选用问题，主要是确定电动机的系列、功率、转速、安装方式及防爆要求等几项内容。电动机的系列反应釜常用的电动机系列有：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，其特点和使用范围可查阅有关手册。一般异步电动机的同步转速,反应釜的传动装置,电动机,减速机,联轴器,机架,搅拌轴,按电动机的极数分成几档，如3000、1500、1000、700及600等，其中1500的电动机价格较低，供应较普遍，应用最广泛。电动机的功率电动机的功率必须满足搅拌器的运转功率、传动装置及轴封装置因摩擦而损耗的功率等要求，还要考虑在操作过程中可能出现不利条件造成功率过大的因素。电动机的功率可按下式确定：电动机功率；搅拌器功率；轴封装置的摩擦损失；传动装置的机械效率,轴封装置因摩擦而造成的功率损失与其结构有关，填料密封的功率损失约为搅拌器功率的10%，机械密封的功率损失一般为填料密封的1015%。传动装置的机械效率也与其结构有关，一般为0.70.98。(2)电动机的安装型式电动机的安装一般有如图所示的几种型式，选用时可根据所选的减速机和机架对电动机安装位置的安排确定。,电动机的安装型式,（a）B3型,（b）B5型,（c）B35型,（d）V1型,（e）V15型,(2)减速机的选用反应釜用的立式减速机主要有：三角皮带减速机、两级齿轮减速机、摆线针齿行星减速机、蜗杆减速机、谐波减速机等几种。,摆线针齿行星减速机,三角皮带减速机,蜗杆减速机,两级齿轮减速机,搅拌轴转速较高的一般选用三角皮带减速机或两级齿轮减速机，转速较低的选用摆线针轮减速机。由于搅拌转速大多在100以下，同时摆线针轮减速机具有结构紧凑、体积小、重量轻、效率高、减速比大、寿命长、故障少、过载能力强、耐冲击等优点，所以摆线针轮减速机获到广泛应用。(3)联轴器的选择联轴器类型：刚性凸缘联轴器、刚性夹壳联轴器、弹性圆柱销联轴器,刚性凸缘联轴器,刚性夹壳联轴器,弹性圆柱销联轴器,几种联轴器的性能,(4)传动装置的机架,反应釜立式传动装置是通过机架安装在釜体封头上的。机架是一个带有上、下法兰的壳体，上法兰与减速机底板相联；下法兰与封头上的底座相联。联轴器、轴封装置等零部件安装在壳体的空腔内。一般釜用传动装置的机架，按搅拌传动装置系统组合HG2156395标,准系列中列出的有无支点机架、单支点机架和双支点机架两种，可供选用。,无支点机架,单支点机架,双支点机架,(5)底座底座焊接在釜体的上封头上，也可用以连接减速机和轴的密封装置。根据结构的不同，底座可分为整体式和分装式。结构见教材。十四、反应釜的轴封装置反应釜的密封有两种：一种是静密封，如法兰联接的密封；另一种是动密封，轴封属于动密封。反应釜中应用的轴封结构主要有两大类，填料箱密封和机械密封。(1)填料箱密封填料密封的结构填料箱密封的结构大体如图所示，它是由衬套、填料箱体、填料环、压盖、压紧螺栓等组成。,其密封的原理是：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，沿搅拌轴表面会产生径向压紧力。填料中的润滑剂在径向压紧力的作用下被挤出，在搅拌轴的表面形成一层极薄的液膜。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，而达到轴向密封的目的。搅拌轴用填料密封箱的品种如表。填料箱公称直径系列为30，40，50，60，70，80，90，100，110，120，130，140，150，160。,填料箱体,O形密封圈,水夹套,填料环,压盖,压紧螺栓,衬套,填料密