反应釜课程设计说明书

1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。本课程设计题目是夹套反应釜，该设备是由筒体、夹套、搅拌轴、减速器和电动机等组成。本设计详细的论证了筒体直径、筒体厚度、筒体的高度设计，材料的选择以及强度、稳定性校核。本设计还涉及到夹套的选择，夹套厚度的计算；从多个角度分成十章分别对釜体厚度、釜体封头以及电机的选择，机架的设计，以及对应的凸缘、联轴器的选择方面做了详细的介绍。本设计中还对法兰、管法兰的选取做了详尽的介绍。本设计选用的是皮带传动，设计中对皮带的选择做了详尽的介绍。设计中参数选取恰到好处，不仅满足了设备的设计要求，而且使设备的操作弹性变大，运行质量得到了保证。关键词：夹套反应釜；搅拌轴；夹套；封头；皮带轮；联轴器；法兰压力容器；设计1第一章反应釜设计的有关内容 1第二章罐体几何尺寸计算 12.1确定筒体内径 12.2确定封头尺寸 2.3确定筒体高度 12.4夹套的几何尺寸计算 22.5夹套反应釜的强度计算 32.5.1强度计算的原则及依据 32.5.2内筒及夹套的受力分析 32.5.3计算内筒筒体厚度 42.5.4确定内筒封头厚度 52.5.5带折边锥形封头壁厚的设计 5第三章反应釜釜体及夹套的压力试验 63.1釜体的水压试验 63.1.1水压试验压力的确定 63.1.2水压试验的强度校核 63.1.3压力表的量程、水温及水中CI浓度的要求 63.2夹套的水压试验 63.2.1水压试验压力的确定 63.2.2水压试验的强度校核 63.2.3压力表的量程、水温及水中CI浓度的要求 7第四章反应釜的搅拌装置 14.1桨式搅拌器的选取和安装 14.2搅拌轴设计 14.2.1搅拌轴的支承条件 14.2.2功率 14.2.3搅拌轴强度校核 24.2.4搅拌抽临界转速校核计算 24.3联轴器的型式及尺寸的设计 2第五章反应釜的传动装置与轴封装置 15.1常用电机及其连接尺寸 15.2减速器的选型 25.2.1减速器的选型 225.2.2减速机的外形安装尺寸 25.3机架的设计 35.4反应釜的轴封装置设计 3第六章反应釜其他附件 16.1支座 16.2手孔和人孔 26.3设备接口 36.3.1接管与管法兰 36.3.2补强圈 36.3.3液体出料管和过夹套的物料进出口 46.3.4固体物料进口的设计 46.4视镜 5第七章焊缝结构的设计 77.1釜体上的主要焊缝结构 77.2夹套上的焊缝结构的设计 8 9参考文献 3绪论反应釜的广义理解即有物理或化学反应的容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。根据搅拌过程的目的与搅拌器造成的流动状态判断该过程所适用的浆型，这是一种比较合用的方法。反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，例如反应器、反应锅、分解锅、聚合釜等；材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基(哈氏、蒙乃尔、因康镍)合金及其它复合材料。反应釜是化工行业不可缺少的防腐设备，在使用中机械碰撞、温度急变等因素经常引起脱瓷、裂纹、气泡、气孔和面釉的其他损伤，这些缺陷在搪瓷设备中是决不允许的，一旦发生这种现象，必须进行修补。一个搪瓷釜价值几万元，由于局部爆瓷而报废十分可惜。应采用高分子复合材料搪瓷修补剂修复搪瓷釜，搪瓷现场修补剂是由高分子聚合物、合金钢粉末或耐磨陶瓷粉末为基材并配以固化剂的双组份复合材料。与普通树脂型的修补剂相比，高分子复合材料依靠自身更为细密的高分子结构，使得材料自身具有更强的粘接力和优异的耐腐蚀、抗腐蚀性能，高分子甚至能够渗透到金属里面，形成更为紧密的高分子复合材料保护层。反应釜由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配。并在釜壁外设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外(内)盘管加热等，冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却，搅拌桨叶的形式等。支承座有支承式或耳式支座等。转速超过160转以上宜使用齿轮减速机.开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设计、制作。11反应釜设计的有关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1.25m³、操作体积为3.5m³;搅拌装置配制的电机功率为0.55KW、搅拌轴的转速为80r/min、搅拌桨的形式为桨式；加热的方式为用夹套内的水进行电加热；装置上设有7个工艺接管、2个视镜、4个耳式支座、8个电加热器套管、1个固体物料进口、2个测控接管。反应釜设计的内容主要有：(1)根据工艺参数计算确定设计方案；(2)釜体直径设计；(3)筒体与封头设计；(5)夹套设计；(6)密封装置设计；(7)传热设计及校核；(8)搅拌轴、搅拌器及传动装置设计与选择；(9)悬挂式支座设计；(10)其他附件设计；(11)焊接方案的选择及设计；12罐体几何尺寸计算2.1确定筒体内径V=V₀/η=3.510.8=4.375n³一般由工艺条件给定容积V、筒体内径D,按照式(2.1)估算(按物料的类型选取，见附表2.1)。表2.1不同釜内物料类型长径比种类釜内物料类型一般反应釜液-固相或液液相物料气液相物料由表1.1可取i=H/Di=12.2确定封头尺寸2.3确定筒体高度22.4夹套的几何尺寸计算筒体内径D,选取。D₂=D₁+100=1700mm表2.2夹套内径与筒体内径关系夹套下封头型式同罐体封头，其直径D,与夹套筒体相同。填料系数η取0.80。夹套高H,按式(2.3)估算取H,=1500mmF=F+1×F3F=F+0.9×F=2.89+0.9×5.03=7.417m²强度计算应考虑以下几种情况。(1)圆筒内为常压外带夹套时当圆筒公称直径DN≥600mm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；(2)圆筒内为真空外带夹套时当圆筒公称直径DN≥600mm时，被夹套包围部分的筒体按外压(指夹套压当圆筒公称直径DN≤600mm时，全部筒体按外压(指夹套压力+0.1MPa)(3)圆筒内为正压外带夹套时当圆筒公称直径DN≥600mm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。当圆筒公称直径DN≤600mm时，全部筒体按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中最大值。2.5.2内筒及夹套的受力分析工艺提供的条件为：釜体内筒中工作压力为0.2MPa,夹套内工作压力0.3MPa。则夹套筒体和夹套封头为承受0.3MPa内压；而内筒的筒体和下封头为既承受0.2MPa内压，同时又承受0.3MPa外压，其最恶劣的工作条件为：停止操作时，内筒无压而夹套内仍有蒸汽压力，此时内筒承受0.3MPa外压。夹套筒体与内筒的环焊缝，因无法探伤检查，故查取φ=0.6,从安全计夹套上所有焊缝均取φ=0.6,封头采用由钢板拼制的标准椭圆形封头，材料均为A3钢。夹套厚度计算如下：42.5.3计算内筒筒体厚度内筒所有焊缝均取φ=0.85,承受0.2MPa内压时筒体厚度承受0.3MPa外压时筒体厚度由于夹套顶部距容器法兰实际定位150mm,因此内筒体承受外压部分的高度为H-150mm。并以此决定D₀=D₁+28,=1600+2×8=1616mm由图查得A=0.0003,再查图，得B=150,则许用压力可计算如下所以，当名义厚度为8mm时，能满足稳定要求。5由于筒体既可能承受内压，又可能承受外压。因此筒体壁厚应选取二者中之大值，即确定筒体厚度为8mm。2.5.4确定内筒封头厚度承受0.2MPa内压查图得B=90,则满足稳定要求2.5.5带折边锥形封头壁厚的设计图2.163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：pr=1.25×1.1×0.2=0.275MPa3.1.2水压试验的强度校核σ₁r<0.9σφ液压强度足够。3.1.3压力表的量程、水温及水中CI-浓度的要求压力表的最大量程：P=2p,=2×0.275=0.55MPa3.2夹套的水压试验3.2.1水压试验压力的确定p₂r=1.25×1.1×0.3=0.4125MPa3.2.2水压试验的强度校核水压试验的应力：7液压强度足够3.2.3压力表的量程、水温及水中CI浓度的要求压力表的最大量程：P=2pr=2×0.4125=0.825MPa14反应釜的搅拌装置在反应釜中，为增加反应速率、强化传质或传热效果以及加强混合等作用，常装设搅拌装置。搅拌装置由搅拌器、轴及其支承组成。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。设计任务书要求的为桨式。4.1桨式搅拌器的选取和安装桨式搅拌器结构比较简单，桨叶一般以扁钢制造，材料可以采用碳钢、合金钢、或有色金属，或碳钢外包橡胶环氧树脂、酚醛玻璃布等。桨叶有平直叶和折叶两种。平直叶叶面与旋转方向垂直，而折叶式则是桨叶与旋转方向成一倾斜角，一般为60°。桨式搅拌器运转速度较慢，一般为20—80r/min,v≤4m/s。根据任务书给予的工艺条件，选取一层桨叶。一层桨叶安装位置为安装在下封头焊缝线高度上。桨式搅拌器直径D约取反应釜内径的1/3—2/3,不宜过大。根据条件，选取D,=500mm,b=100mm,Z=2。4.2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(包括轴的支承结构)和强度校核，对于转速n>200r/min的，还要进行临界转速的校核。(1)搅拌轴的材料：用45号钢(2)搅拌轴的结构：常用实心或空心直轴，其结构形式根据轴上安装的搅拌器类型、支承的结构和数量、以及和联轴器的连接要求而定，还要考虑腐蚀等因素的影响。介质为盐类无腐蚀性。轴上安装一层搅拌器。搅拌器的轴头需车削台肩，开键槽，轴端还要车螺纹。4.2.1搅拌轴的支承条件保持搅拌轴悬臂稳定性的允许长度，在一般工作条件下，根据经验数据，推荐以下两个稳定条件的关系式，以供参考。取L,=2325mm4.2.2功率先计算雷诺数Re2密度p=1200kg/m3轴转速n=80r/min~1.33r/sd=0.7m代入式(4.3),得：由教材362页查功率曲线，得N。=5W计算功率P=Nppn³d⁵=5×1200×1.33³×0.7⁵≈2372W4.2.3搅拌轴强度校核选择搅拌轴的材料为45钢，查表知45钢的许用轴向应力[t]=30-40Mpa,计算系数A=107—118,则搅拌轴直径为：考虑到键槽对轴的削弱和物料对轴的腐蚀，可取轴的直径d=35mm。4.2.4搅拌抽临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速n=80r/min<200r/min,故不作临界转速校核计4.3联轴器的型式及尺寸的设计由于联轴节轴孔直径DN=40mm,因此搅拌轴的直径d调整至50mm。查表，选择立式夹壳联轴器，公称轴径50mm的联轴器的最大许用扭矩[Mn]≈530N-m。验算联轴器的扭矩。查教材，选取载荷系数K=1.5,联轴器的计算扭矩Mnj为：Mnj=K×Mn=1.5×9550×0.40/80=71.63N·m<[Mn]=530N·m夹壳联轴器的标记为联轴器Dn50HG5-213-65。31-夹壳；2-悬吊环；3-垫圈；4-螺母；5-螺栓表4.1夹壳联轴节的尺寸轴孔直径DL螺栓数量规格56M12δbfR4表4.2夹壳联轴节的零件及材料件号名称左、右夹壳ZG-1Cr18Ni9Ti(GB2100)40Cr18Ni9Ti(GB2吊环0Cr18Ni9Ti(GB4385山)5A2-70(GB/T3A-140(GB/T9715反应釜的传动装置与轴封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，一般采用立式布置。如图5.1所示。电动机经减速装置将转速减至工艺要求的搅拌转速，再通过联轴器带动搅拌轴旋转。减速机下设计一机座，以便安装在反应釜的封头上。由于考虑带传动装置与轴封装置站桩时要求保持一定的同心度以及装卸检修方便，常在封头上焊一底座，整个传动装置连机座及轴封装置都一起安装在这个底座上。因此，反应釜的传动装置设计内容一般应包括：选用电动机、减速机和联轴器、选用或设计机座和设计底座。5.1常用电机及其连接尺寸搅拌装置选用电机问题，主要是确定系列、功率、转速以及安装形式和防爆等几项内容。最常用的为Y系列全封闭自扇冷氏三相异步电动机；当有防爆要求时，可选用YB系列。电机功率必须满足搅拌器运转功率与传动系统、轴封系统功率损失的要求，还要考虑到有时在搅拌操作中会出现不利条件造成功率过大。电机功率可按照下式确定：2n-传动系统的机械效率。最终选取电机型号为Y801-4。其额定功率为3kW,满载转速为1390r/min。5.2减速器的选型釜用减速机的选择往往通过类比方法进行，计算分析所得的数据可作选型参考。选择前一般已知的条件是：搅拌所需转速及搅拌轴的功率(或所配电机功率)和工况的特殊要求等。5.2.1减速器的选型根据电机的功率P=2.2kW、搅拌轴的转速n=80r/min、传动比i为1500/80=18.75。选用摆线针齿行星减速机(标定符号BLD型号代号—机型号—减速比—轴头型式，标准图号HG5—745—78)5.2.2减速机的外形安装尺寸图5.2直连摆线针轮减速机表5.1减速机的外形安装尺寸lPEMD3465.3机架的设计机架式安防减速机用的，它与减速机底座尺寸应匹配。V带减速机自带机架选用其他类型标准釜用减速机按照标准选配机架。标准机架有三种：无支点机架、单支点机架和双支点机架。本设计采用无支点机架。其结构如图6.2所示。图6.2WJ型无支点机架无支点机架的选用条件：(1)电动机或减速机具备两个支点，并经核算确认轴承能够承受由搅拌轴传递而来的径向和轴向载荷者；(2)电动机或减速机有一个支点，但釜内设有底轴承、中间轴承或轴承本体设有可以作为支点的抽成，上下组成一对轴支撑者。无支点机架一般仅适用于传递小功率和小的轴向载荷的条件。减速器输出轴联轴器形式为夹壳式联轴器或刚性凸缘联轴器。5.4反应釜的轴封装置设计反应釜中介质的泄露会造成物料浪费并污染环境，易燃、易爆、剧毒、腐蚀性介质的泄露会危及人身安全和设备安全。因此，在反应釜的设计过程中选择合理的密封装置是非常重要的。轴封装置按密封面间有无运动，分为静密封和动密封两大类。搅拌反应釜上4法兰面之间是相对静止的，它们之间的密封属于静密封。静止的反应釜顶盖(上封头)和旋转的搅拌轴之间存在相对运动，它们之间的密封属于动密封。为了防止介质从转动轴与封头之间的泄露而设置的密封装置，简称为轴封装置。反应釜中使用的轴封装置主要有填料密封和机械密封两种。表5.2填料箱密封和机械密封的比较比较项目填料箱密封机械密封泄漏量<10c.c./h,一般平均泄漏量为填料箱密封的1%摩擦功损失机械密封为填料箱密封的10%~50%轴磨损有磨损用久后要换轴几无磨损维护及寿命细化经常维护，更换填料，个别情况8h(每班)更换一次寿命0.5~1年或更长，很少需要维护高参数可以加工及安装加工要求一般，填料更换方便动环、静环表面粗糙度及平面装拆不便对材料要求一般动环、静环要求较高减磨性能我们这次设计使用填料密封。它是搅拌反应釜最早采用的一种轴封结构，其特点是结构简单、易于制造，并适用于低压、低温的场合。虽然填料中含有一些润滑剂，但其数量有限且在运转中不断消耗，故填料箱上常设置添加润滑油的装密封装置不可能达到绝对密封，因为压紧力太大时会加速轴与填料的磨损，使密封失效更快。从延长密封寿命出发，允许有一定的泄露量(150mL/h~450mL/h),运转过程中需调整压盖的压紧力，并规定更换填料的周期。填料是保证密封的主要零件。填料选用正确与否对填料的密封性起关键性的作用。对填(1)要有弹性，这在压紧压盖后，填料能贴紧搅拌轴并对轴产生一定的抱紧力；5(2)良好的耐磨性；(3)与搅拌轴的摩擦系数要小，以便降低摩擦功率损耗，延长填料寿命；(4)良好的导热性，使摩擦产生的热量能较快地传递出去；(5)耐介质及润滑剂的浸泡和腐蚀。此外，对用在高温高压下的填料还要求耐高温及有足够的机械强度。填料的选用应根据反应釜内介质的特性(包括对材料的腐蚀性)、操作压力、操作温度、转轴直径、转速等进行选择。对于低压(PN≤0.2MPa)、无毒介质、非易燃易爆者，可选用一般石棉绳，安装时外涂黄油，或者采用油浸石棉填料。压力较高或介质有毒及易燃易爆者，最常用的是石墨石棉填料和橡胶石棉填料。16反应釜其他附件夹套反应釜多为立式安装，最常用耳式支座。标准耳式支座(JB/T4735-92)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是选B型，否则选A型。本设计选A型。其主要尺寸见下表。表6.1A型耳式支座主要尺寸允许载荷适用容器公称直径高度底板垫板δb₃e8允许载荷支座号A型筋板地脚螺栓支座质量kgb₂dM48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，应按照两个支座计算。耳式支座实际承受载荷是近似计算：g-重心加速度，取g=9.8m/s²;k-不均匀系数，安装3个支座时，取k=1,安装3个以上时，取k=0.83;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;2超出此范围的容器不推荐使用耳式支座。水平地震力p。:水平风载荷p。:P=0.95f;q₀D₀H₀×10-⁶q₀-10m高度处的基本风压值，N/m²;P=0.95fq₀D₀H₀×10⁶=947.3将已知值代入式(6.1),得=18.9kN因为Q=18.9kN<[Q]=30kN,所以选用的耳式支座满足要求。6.2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。通过。手孔和人孔的种类较多，且大部分有标准。本设计采用手孔，为带颈平焊法兰手孔，其主要尺寸见表6.2。3表6.2表6.2带颈平焊法兰手孔密封面形式MPa公称压MPa公称直径Dbb₂H₂螺柱螺母螺柱数量直径×长度突面×8M20×6.3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。6.3.1接管与管法兰接管与管法兰是用来与管道或其他设备连接的。标准管法兰的主要参数是公称通径(DN)和公称压力(PN)。管子的公称通径和钢管的外径关系见表6.3。表6.3公称直径径公称直径径6.3.2补强圈容器开孔后由于壳体材料的削弱，出现开孔应力集中现象。因此要考虑补强。补强圈就是用来弥补设备壳体因开孔过大而造成的强度损失的一种常用形4式。补强圈形状应与被补强部分相符，使之与设备壳体密切贴合，焊接后能与壳体同时受力。补强圈上有一小孔，焊后同如压缩空气，以检查焊缝的气密性。补强圈的厚度和材料一般均与设备壳体相同。6.3.3液体出料管和过夹套的物料进出口出料管结构设计主要从物料易放尽、阻力小和不易堵塞等因素考虑。另外还要考虑温差应力的影响。液体出料管和过夹套的物料进出口的主要尺寸见表6.4表6.4管径公称直径DN6.3.4固体物料进口的设计由于釜体的内径D,=1100mm,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【3】1208页表12-149和1212表12-151查文献【4】附录九，得其结构如图6.1、尺寸见表6.5、材料见表6.6。图6.1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；5表6.5带盖平焊法兰进料口的尺寸公称压力