化工设备机械基础课程设计夹套反应釜

1、化工设备机械基础课程设计夹套反应釜广州大学化学化工学院 本科学生化工设备机械基础课程设计实验课程 化工设备机械基础课程设计 实验项目 夹套反应釜设计 专业 班级 学号 姓名 指导教师及职称 开课学期 2013 至 2014 学年 第一 学期 时 间 2014 年 1 月 6 日 1 月 17 日- 27 -夹套反应釜设计任务书设计者姓名: 班级： 学号：指导老师姓名： 日期：2014年01月10号一、 设计内容设计一台夹套传热式的反应釜二、 设计参数和技术特性指标简图与说明比例设计参数及其要求容器内夹套内工作压力/mpa设计压力/mpa工作温度/设计温度/<110<150介质染料及

2、有溶剂冷却水或蒸汽全容积/m35操作容积/m34传热面积/m29腐蚀情况微弱推荐材料q235b（316）搅拌器型式桨式搅拌轴转速/（r/min)50轴功率/kw条件内容修改接管表修改标记修改内容签字日期符号公称尺寸 dn连接面型式用途a25rf蒸汽入口b100rf加料口c100rf视镜d25rf温度计接口单位名称e25rf压缩空气接口工程名称f80rf加料口设计项目g25 rf冷凝水出口条件标号h设备图号m位号/台数n提出人日期备注三、 设计要求1、 进行罐体和夹套设计计算。2、 选择支座形式并进行计算。3、 选择接管、管法兰、设备法兰、手孔、视镜等容器附件。4、 绘总装配图参考图见插页附图前

3、 言 化工设备机械基础是针对化学工程、制药工程类专业以及其他相近的非机械类专业，对化学设备的机械知识和设计能力的要求而编写的。通过此课程的学习，是通过学习使同学掌握基本的设计理论并且具有设计钢制典型的中、低、常压化工容器的设计和必要的机械基础知识。 化工设备机械基础课程设计是化工设备机械基础课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是学生体察工程实际问题复杂性，学习初次尝试化工机械设计。化工设计不同于平时的作业，在设计中需要同学独立自主的解决所遇到的问题、自己做出决策，根据老师给定的设计要求自己选择方案、查取数据、进行过程和设备的设计计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经

4、过反复的比较分析，择优选定最理想的方案和合理的设计。 化工设备课程设计师培养学生设计能力的重要事件教学环节。在教师指导下，通过课程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决生产实际问题的能力。因此，当学生首次完成该课程设计后应达到以下几个目的：(1)熟练掌握查血文献资料、收集相关数据、正确选择公式，当缺乏必要的数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场进行实际查定。(2)在兼顾技术先进性、可行性、经济合理的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证该过程正常、安全可行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效

5、措施。(3)准确而迅速的进行过程计算及主要设备的工艺设计计算及选型。(4)用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图标来表达自己的设计思想和计算结果。 化工设备机械基础课程设计是一项很繁琐的设计工作，而且在设计中除了要考虑经济因素外，环保也是一项不得不考虑的问题。除此之外，还要考虑诸多的政策、法规，因此在课程设计中要有耐心，注意多专业、多学科的综合和相互协调。目 录概述-5第一章 罐体和夹套的设计-61、 罐体和夹套的结构设计-62、 罐体的几何尺寸-6（1） 确定筒体内径-6（2） 确定封头尺寸-6（3） 确定筒体高度-63、 夹套的几何尺寸-7（1） 确定夹套内径-7（2） 确定夹套高度-74、

6、夹套反应釜的强度计算-8（1） 强度计算的原则及依据-8（2） 按内压对筒体和封头进行强度计算-8（3） 按外压对筒体和封头进行强度校核-9（4） 水压试验校核计算-105、 夹套反应釜设计计算数据一览表-10（1） 几何尺寸-10（2） 强度计算-11（3） 稳定性校核（按外压校核厚度）-12（4） 水压试验校核-13第二章 反应釜其它附件-141、 支座-142、 手孔和人孔-153、 设备接口-15（1） 设备法兰-15（2） 接管和管法兰-16（3） 补强圈-16（4） 液料出料管和过夹套的物料进出口-164、 视镜-17参考文献-18概 述本设计根据化工设备的机械理论知识，参照给顶工

7、艺参数，科学合理地设计出符合要求的夹套反应釜，其涉及的内容如下：（1） 总体结构设计 根据工艺要求并考虑制造、安装和维护检修的方便，确定各部分结构形式，如封头型式、传热面积、搅拌类型、传动形式、轴封和各种附件的结构形式。（2） 容器的设计 其主要内容有：a) 根据工艺参数确定各部分几何尺寸；b) 考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体和夹套材料；c) 对罐体、夹套等进行强度和稳定性计算、校核；（3） 相关附件的选择 包括视镜、法兰手孔和人孔。 （4） 绘图 包括装配图、部件图和零件图。如标准零件、部件，写出标准号及标记，不必绘图。 （5）编制技术要求 提出制造、装配、检验和试车等方面的要求。采用标

8、准技术条件标注文号。本设备按照gb 1501998钢制压力容器进行制造、实验和验收，并接受国家质量技术监督局颁发的压力容器安全技术监督规程的监督。2.焊接采用电弧焊。3.焊接接头型式及尺寸处图中注明外，按gb 98588规定；角焊缝的腰高按薄板的厚度；法兰焊接按相应的法兰的标准中的规定。4.筒体、封头及其相连接的对接焊接接头应进行x射线探伤检查，检测长度不得少于各条焊接接头长度的20%，且不小于250mm，级为合格。5.设备制造完毕后，设备内以（表压）进行水压试验，合格后焊接夹套，夹套以（表压）进行水压试验。6.设备上凸缘与安装底座的连接表面，应在组焊后加工。7.设备组装后，在搅拌轴上端轴封处

9、测定轴的径向摆动量不得大于，搅拌轴轴向窜动量不得大3 mm。8. 设备组装后，低于临界转速时，先运转十五分钟后，以水代料，并使设备内达到工作压力；超过临界转速时，直接以水代料，严禁空远转，并使设备内达到工作压力，进行试运转，时间不少一小时。在运转过程中，不得有不正常的噪音和振动灯不良现象。10.管口及支座方位按本图（或管口及支座方位见管口方位图）第一章 罐体和夹套的设计1、 罐体和夹套的结构设计罐体一般是立式圆筒形容器，有顶盖、筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。罐底通常为椭圆形封头，对于常压或操作压力不大而直径较大的设备，顶盖可采用薄钢板制造的平盖，并在薄钢板上加设型钢制的横梁，用以支承

10、搅拌器及其传动装置。顶盖与筒体的连接形式分为可拆和不可拆两种筒体内径d11000mm，宜采用可拆连接。当要求可拆时做成法兰连接。夹套的形式与罐体相同。2、 罐体几何尺寸计算（1）、确定筒体内径将釜体视为圆柱形筒体， 一般由工艺条件给定容积v、筒体内径d1按式1估算： 式1式中v工艺条件给定容积，m3; i长径比， i=h1/d1=（按物料的类型选取，见表1）当d1估算值圆整到公称直径系列，见附表d-1。取d1=1700mm表1种 类设备内物料类型i一般搅拌釜液-固相或液-液相物料1气-液相物料12发酵罐类（2）、确定封头尺寸封头选用椭圆封头，型号是jb/t 4746-2002公称直径总深度h/

11、mm内表面积容积v/ 直边高度170045025（3）、确定筒体高度 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：v=v筒+v封。dn=1800mm时，查表得v封=,v1m= 式2式中v封封头容积（见附表d-2），m3；v1m1米高的筒体容积（见附表d-1），m3/m。当筒体高度确定后，应按圆整后的筒体高度修正实际容积，则圆整后的釜体高度h1=1900mm。 式3式中v封封头容积（见附表d-2），m3；v1m1米高筒体容积（见附表d-1），m3/m。h1圆整后的筒体高度,m。3、夹套几何尺寸计算（1）夹套内径夹套和筒体的连接常焊接成封闭结构。夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方

12、面的要求而定。夹套的内径d2可根据筒体内径d1选取d2=d1+100=1800mm表2 夹套直径d2 （mm）d1500600700180020003000d2d1+50d1+100d1+200夹套下封头型式同罐体封头，其直径d2与夹套筒体相同。（2）夹套高度夹套高h2由传热面积决定，不能低于料液高。通常由工艺给定装料系数，或根据已知操作容积和全容积进行计算，即=操作容积/全容积。装料系数没有给定，则应合理选用装料系数的值，尽量提高设备利用率。通常取=。如物料在反应过程中要起泡或呈沸腾状态，应取低值，=；如物料反应平稳或物料粘度较大时，应取大值，=所以取。夹套高h2按下式估算。 式4式中v封封

13、头容积（见附表d-2），m3；v1m1米高筒体容积（见附表d-1），m3/m。夹套所包围的罐体的表面积（筒体表面积f筒+封头表面积f封）一定要大于工艺要求的传热面积f，即式中f筒筒体表面积，f筒=h2×f1m=×=f封封头表面积（见附表d-2），f封=f1m1m高内表面积（见附表d-1），/m，f=f封+f筒=+=9满足要求。 式5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，甲型平焊法兰密封面结构常用平密封面和凹凸密封面两种。平密封面法兰见附图1。4、夹套反应釜的强度计算（1）强度计算的原则及依据当夹套的反应釜几何尺寸确定后，则根据已知的公

14、称直径、设计压力和设计温度进行强度计算，确定罐体及夹套和封头的厚度。强度计算应考虑以下几种情况。a.圆筒内为常压外带夹套时：当圆筒的公称直径dn600时，被夹套包围部分的筒体按外压（指夹套压力）圆筒设计，其余部分按常压设计；b.圆筒内为真空外带夹套时：当圆筒的公称直径dn600时，被夹套包围部分的筒体按外压（指夹套压力+）圆筒设计，其余部分按真空设计；当圆筒的公称直径dn600时，全部筒体按外压（指夹套压力+）圆筒设计；c.圆筒内为正压外带夹套时：当圆筒体的公称直径dn600时，被夹套包围部分的筒体分别按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中较大值；其余部分按内压圆筒设计。当圆筒的公称直径dn600时

15、，全部筒体按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中最大值。（2）按内压对筒体和封头进行强度计算由工艺条件及微弱的腐蚀情况，确定设备的材料为q235r(3-16)，由工艺知罐体内的设计压力，夹套内的设计压力p2=罐体的设计温度t1120，夹套的设计温度t2<150。在设计温度下t=113mpa液柱静压力p1h=10-6gh1=10-6××h1= 10-6××103×= mpa液柱将压力，由于小于设计压力的5%，故可以忽略不计。计算压力p1c=p1+p1h=+=计算压力p2c=p2=由单面焊接局部无损伤=罐体筒体计算厚度夹套筒体计算厚度罐体封头计算厚

16、度夹套封头计算厚度对碳素钢、低合金钢制容器，d13800mm，min2d1/1000且不小于3mm；d13800mm,min=d1/1000+4mm对高合金钢制容器min不小于2mm故取最小厚度作为计算厚度1=1=min=2d1/1000=2×1700/1000= 2=2=min=+=查文献1表9-10，得c1=查文献1,取单面腐蚀，得c2=1mm罐体筒体设计厚度1d=1+c2=+1=夹套筒体设计厚度2d=2+c2=+1=5mm罐体封头设计厚度/1d=/1+c2=+1=夹套封头设计厚度/2d=/2+c2=+1=5mm罐体筒体名义厚度1n=1d= min-1 =夹套筒体名义厚度2n=2

17、d= min-1= 罐体封头名义厚度/1n=/1d= min-2 =夹套封头名义厚度/2n=/2d= min-2= (3)按外压对筒体和封头进行强度校核罐体筒体名义厚度1n=1d=厚度附加量c=c1+c2=+1=罐体筒体有效厚度1e=1n-c=罐体筒体外径d0=d1-21n=1700+2×=筒体计算长度l=h2+1/3h1=1500+1/3×450=1650mm系数l/d0=1650/=系数d0/e=589系数a=系数b，无数据许用外压<所以的钢板不能用。假设名义厚度为12mm，由表可知 ，则厚度附加量c=c1+c2=+1=罐体筒体的有效厚度1e=1n-c=罐体筒体外

18、径d0=d1-21n=1700+2×12=1724 mm 筒体计算长度l=h2+1/3h1=1500+1/3×450=1650mm系数l/d0=1650/1724=系数d0/e=1724/=169系数a=系数b=92mpa许用外压故容器稳定性满足要求假设罐体封头的名义厚度为12mm，由表可知，则厚度附加量c=c1+c2=+1=罐体封头的有效厚度1e=1n-c=罐体封头外径d0=d1-21n=1700+2×12=1724 mm 标准椭圆封头当量球壳半径r0=×1724=1552mm系数mpa系数b=112mpa许用外压故椭圆形封头稳定性满足要求罐体封头的最

19、小厚度min=%d1=%×1700=e=满足要求。（4）水压试验校核计算罐体试验压力夹套水压试验压力查文献得s=235mpa,ts=罐体圆筒应力<故筒体水压校核合格夹套内压试验应力<故夹套水压校核合格。5、夹套反应釜设计计算数据一览表（1）几何尺寸确定几何尺寸步骤项目及代号参数1-1全容积v,m35由工艺条件决定1-2操作容积v1,m34由工艺条件决定1-3传热面积f,m27由工艺条件决定1-4筒式型式圆筒体常用结构1-5封头型式椭圆形常用结构1-6长径比i=h1/d1按表1选取1-7出算罐体筒体内径d13(4v)/i ,m按公式1计算1-8圆整罐体筒体内径d1,mm17

20、00按表d-1选取1-91m高的容积v1m,m3按表d-1选取1-10罐体封头容积v1封，m3按表d-2选取1-11罐体筒体高度h1=(v-v1封）/v1m,m按公式2计算1-12圆整罐体筒体高度h1，mm1900选取1-13实际容积v=v1m×h1+v1封,m3按公式3计算1-14夹套筒体内径d2,mm1800按表2选取1-15装料系数=v操/v或按=选取计算或选取1-16夹套筒体高度h2(v-v1封)/v1m,m按公式4计算1-17圆整夹套筒体高度h2，mm1500选取1-18罐体封头表面积f1封，m2按表d-2选取1-191m高筒体内表面积f1m,m2按表d-1选取1-20实际

21、总传热面积f=f1m×f2m+f1封,m2>9按公式5计算（2）强度计算强度计算（按内压计算罐体及夹套厚度）步骤项目代号参数及结果备注2-1设备材料q235r（316）根据工艺条件或者腐蚀情况确定2-2设计压力（罐体内）p1，mpa由工艺条件决定2-3设计压力（夹套内）p2，mpa由工艺条件决定2-4设计温度（罐体内）t1，<110由工艺条件决定2-5设计温度（夹套内）t2，<150由工艺条件决定2-6液柱静压力p1h=10-6gh,mpa根据文献1第九章计算2-7计算压力p1c=p1+ph,mpa计算2-8液柱静压力p2h,mpa0忽略2-9计算压力p2c=p2计

22、算2-10罐体及夹套焊接接头系数根据文献1表9-6选取2-11设计温度下材料许用应力t,mpa113根据文献1表9-4或表9-5选取2-12罐体筒体计算厚度1=(pcd1)/(2t-pc）,mm根据文献1第九章计算2-13夹套筒体计算厚度1=(pcd2)/(2t-pc）,mm根据文献1第九章计算2-14罐体封头计算厚度'1=(pcd1)/(2）,mm根据文献1第十章标准椭圆封头计算2-15夹套封头计算厚度'2=(pcd2)/(2）,mm根据文献1第十章标准椭圆封头计算2-16取最小厚度min作为计算厚度,mm不满足刚度条件，按照文献1第九章选取min2-17腐蚀裕量c2,mm按

23、单面腐蚀2-18罐体筒体设计厚度1d=+c2，mm根据文献1第九章计算2-19夹套筒体设计厚度2d=+c2，mm5根据文献1第九章计算2-20罐体封头设计厚度'1d=+c2，mm根据文献1第十章计算2-21夹套封头设计厚度'2d=+c2，mm5根据文献1第十章计算2-22钢板厚度负偏差c1,mm按钢板厚度5mm选取2-23罐体筒体名义厚度1n=1d,mmmin-1=夹套筒体名义厚度2n,mmmin-2=罐体封头名义厚度'2n,mmmin-3=夹套封头名义厚度'2n,mmmin-4=稳定性校核稳定性校核（按外压校核罐体厚度）步骤项目及代号参数及结果备注3-1罐体筒

24、体名义厚度,mm根据计算结果假设3-2厚度附加量c=c1+c2根据文献1第九章计算3-3罐体筒体有效厚度e=n-c,mm根据文献1第九章计算3-4罐体筒体外径d0=d1+2n,mm根据文献1第十一章计算3-5筒体计算长度l=h2+1/3h1,mm1650根据文献1第十一章计算3-6系数l/d0根据文献1第十一章计算3-7系数d0/e589根据文献1第十一章计算3-8系数a根据文献1图11-53-9系数b-根据文献1图11-83-10许用外压p=b/(d0/e)或p=2ae/(3d0/e),mpa<计算失稳重设名义厚度n3-11罐体筒体名义厚度n,mm12假设3-12钢板厚度负偏差c1,m

25、m根据文献1第九章计算3-13厚度附加量c=c1+c2根据文献1第九章计算3-14罐体筒体有效厚度e=n-c,mm根据文献1第十一章计算3-15罐体筒体外径d0=d1+2n,mm1724根据文献1第十一章计算3-16筒体计算长度l=h2+1/3h1,mm1650根据文献1第十一章计算3-17系数l/d0根据文献1第十一章计算3-18系数d0/e169根据文献1第十一章计算3-19系数a根据文献1图11-53-20系数b92根据文献1图11-83-21许用外压p=b/(d0/e)>根据文献1第十一章计算稳定性满足要求3-22罐体封头名义厚度n,mm12假设3-23罐体封头钢板厚度负偏差c1

26、,mm根据文献1表9-10选取3-24罐体封头厚度附加量c=c1+c2根据文献1第九章计算3-25罐体封头有效厚度'e='n-c,mm根据文献1第九章计算3-26罐体封头外径d'0=d'1+2'n,mm1724根据文献1第十一章计算3-27标准椭圆封头当量球壳外半径r'0='0,mm1552根据文献1第十一章计算3-28系数a=(r'0/'e)根据文献1第十一章计算3-29系数b112查文献1图11-83-30许用外压p=b/(r'0/'e),mpa>根据文献1第十一章计算稳定性满足要求3-31罐体封

27、头最小厚度min=%d1,mmmine满足要求（4）水压试验校核水压试验校核步骤项目及代号参数及结果4-1罐体试验压力p1t=/t,mpa4-2夹套水压试验压力p2t=/t,mpa4-3材料屈服点应力s，mpa2354-4ts,mpa4-5罐体圆筒压力1t=p1t(d1+e)/2e,mpa<4-6夹套内压试验应力2t=p2t(d2+e)/2e,mpa<第二章 反应釜其他附件1、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/t472592）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。本设计选b型。其主要尺寸见下表：允许载荷q，k

28、n适用容器公称直径dn高度h底板垫板l1b11s1l3b33e60100020002502001401470315250840允许载荷q，kn支座号a型筋板b型筋板地脚螺栓a型盖板b型盖板支座质量/kgl2b22l2b22dmb4b4a型b型60416014082901401030m243070每台反应釜常用4个支座，但承重计算时，考虑安装误差造成的受力情况变坏，应按两个支座计算。耳式支座实际承受载荷是近似计算： =52kn式中 q支座实际承受的载荷，kn；d支座安装尺寸，mm；g重心加速度，取g=s2；ge偏心载荷，n；h水平力作用点至底板高度，mm；h=250mmk不均匀系数，安装3个支座

29、时，取k=1，安装3个以上时，取k=；m0设备总质量（包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量），kg；m0=8200kgn支座数量；n=2se偏心距，mm；p水平力，取pe和pw的大值，n。p=18081当容器高径比不大于5，且总高度h0不大于10m时，pe和pw可按下式计算，超出此范围的容器不推存使用耳座。水平地震力pe：式中 e地震系数。水平风载荷pw：式中 d0容器外径，有保温层时取保温层外径，mm；d0=1824mm fi风压高度变化系数，按设备质心所处高度取；fi= h0容器总高度，mm；h0=h1+h1=1900+450+450=2800mm q010m高度处的基本风压值，n/m

30、2。q0=550所以p=pe q=52kn<60kn小于允许载荷，所选支座符合要求。2、手孔和人孔手孔和人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。手孔直径一般为150250mm，应使工人带上手套并握有工具的手能方便的通过。当设备的直径大于900mm时，应开设人孔。人孔的形状有椭圆形和圆形两种。圆形人孔制造方便。应用较为广泛。人孔的大小及位置应以人进出设备方便为原则，对于反应釜，还要考虑搅拌器的尺寸，一便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入罐体内。手孔和人孔的种类较多，且大部分有标准。本设计采用人孔，为回转盖带颈平焊法兰人孔，其主要尺寸见下表：密封面形式公称压力pnmpa公称直径dnd

31、w×sdd1bb1b2h1h2螺柱螺母螺柱总质量/kg数量直径×长度突面（rf型）450180×86155652826282301082040m24×1251303、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）、设备法兰 容器法兰有甲型平焊法兰（jb/t47012000）、乙型平焊法兰（jb/t 47022000）、长颈法兰（jb/t 47032000）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

32、准设计出法兰的结构和尺寸。 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。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。 根据设计温度及所用材料，选用公称压力，公称直径1700mm的平密封面乙型平焊法兰。 法兰pi jb/t 4702-2000 法兰公称直径公称压力垫片螺柱材料螺母材料乙型法兰1700mm非金属垫片（gb/t 539