夾套反應釜-課程設計

1、課程設計任務書11.1. 1. 設計方案的分析和擬定42. 罐體和夾套的設計52.1. 罐體和夾套的結構設計52.2. 罐體幾何尺寸計算52.2.1. 確定筒體內(nèi)徑52.2.2. 確定封頭尺寸62.2.3. 確定筒體高度H162.3. 夾套幾何尺寸計算62.3.1. 確定夾套內(nèi)徑62.3.2. 確定夾套高度72.3.3. 校核傳熱面積72.4. 夾套反應釜的強度計算72.4.1. 強度計算的原則及依據(jù)82.4.2. 按內(nèi)壓對筒體和封頭進行強度計算82.4.3. 按外壓對筒體和封頭進行穩(wěn)定性校核102.4.4. 水壓試驗校核113. 反應釜的攪拌器123.1. 攪拌器的選用123.2. 擋板12

2、4. 反應釜的傳動裝置124.1. 電動機、減速機選型134.2. 凸緣法蘭134.3. 安裝底蓋144.4. 機架144.5. 聯(lián)軸器144.6. 攪拌軸設計145. 反應釜的軸封裝置166. 反應釜的其他附件176.1. 支座176.1.1. 確定耳式支座實際承受載荷Q176.1.2. 確定支座的型號及數(shù)量186.2. 手孔186.3. 設備接口18設計目的： 培養(yǎng)學生把所學“化工機械基礎”及其相關課程的理論知識，在設備課程設計中綜合地加以運用，把化工工藝條件與化工設備設計有機結合起來，使所學有關機械課程的基本理論和基本知識得以鞏固和強化。培養(yǎng)學生對化工設備設計的基本技能以及獨立分析問題、

3、解決問題的能力。設計要求：（1）樹立正確的設計思想。（2）要有積極主動的學習態(tài)度和進取精神。（3）學會正確使用標準和規(guī)范，使設計有法可依、有章可循。（4）學會正確的設計方法，統(tǒng)籌兼顧，抓主要矛盾。（5）在設計中應注意處理好尺寸的圓整，處理好計算與結構設計的關系。設計內(nèi)容：設計一臺帶有攪拌裝置的夾套反應釜，包括設備總裝配圖一張，零部件圖一至二張，設計計算說明書一份。設計任務書設計參數(shù)及要求容器內(nèi)夾套內(nèi)工作壓力 ，Mpa設計壓力 ，Mpa0.20.3工作溫度 ，設計溫度 ，<120<150介質(zhì)有機溶劑冷卻水或蒸汽全容積V ，m³2.5操作容積V1 ，m³2.0傳熱面

4、積 ，m³7腐蝕情況微弱推薦材料不銹鋼攪拌器型式槳式攪拌速度 ，r/min<120軸功率 ，kW1.41.5 ，防爆1.1. 1. 設計方案的分析和擬定設計依據(jù)是工藝提出的要求和條件，一個夾套反應釜主要由罐體、夾套、攪拌器、傳動裝置、軸封裝置、法蘭、支座、人孔手孔、設備接口等一些附件構成。根據(jù)任務說明書的要求本次設計攪拌器為漿式攪拌器；由于填料軸封結構簡單，易于制造的特點，應用較為廣泛，所以軸封采用填料軸封。按照以下內(nèi)容及步驟進行夾套反應釜的機械設計。（1）總體結構設計根據(jù)工藝要求并考慮制造、安裝和維護檢修的方便來確定各部分結構形式。（2）容器的設計 主要內(nèi)容有： 根據(jù)工藝參數(shù)

5、確定各部分幾何尺寸； 考慮壓力、溫度、腐蝕因素，選擇釜體和夾套材料； 對罐體、夾套等進行強度和穩(wěn)定性計算、校核。（3）攪拌器的設計 根據(jù)攪拌器類型確定相關位置和尺寸。（4）傳動系統(tǒng)設計包括選擇電機、確定傳動類型、選擇聯(lián)軸器等。（5）選擇軸封決定并選擇軸封類型及有關零部件。（6）繪圖包括裝配圖、部件圖和零件圖。（7）編制技術要求提出制造、裝配、檢驗和試車等方面的要求。2. 罐體和夾套的設計夾套式反應釜是由罐體和夾套兩大部分組成。罐體為物料的攪拌過程提供了一定的空間，夾套傳熱是一種應用最普遍的外部傳熱方式。2.1. 罐體和夾套的結構設計罐體采用立式圓筒形容器，有頂蓋、筒體和罐底，通過支座安裝在基礎

6、或平臺上。頂蓋在受壓狀態(tài)下操作常選用橢圓形封頭，頂蓋與罐體分別于筒體相連。罐底與筒體的連接采用焊接連接，為了方便拆卸，做成法蘭連接頂蓋和筒體，夾套的型式與罐體相同。2.2. 罐體幾何尺寸計算2.2.1. 確定筒體內(nèi)徑根據(jù)D1估算內(nèi)徑 ；式中V工藝條件給定容積，m3;i長徑比， (按物料類型選取，見表2-1）表2-1 幾種攪拌釜的長徑比i值種類設備內(nèi)物料類型i一般攪拌釜液固相或液液相物料11.3氣液相物料12發(fā)酵罐類1.72.5依題意，可取i=1.1，已知全容積V=2.5 m3，則D1=1.425 m,圓整到公稱直徑為D1=1400 mm。2.2.2. 確定封頭尺寸標準橢圓封頭其內(nèi)徑與筒體內(nèi)徑相

7、同，即DN=D1=1400 mm.查筒體和封頭數(shù)據(jù)表得到：曲邊高度h1=350mm，直邊高度h2=25mm ， 容積V封=0.3977m3 ，1m高筒體容積V1m=1.539m3/m。2.2.3. 確定筒體高度H1筒體高度H1可按式子H1=(V-V封)/V1m計算，即H1=(2.5-0.3977)/1.539=1.366m，經(jīng)圓整后得H1=1400mm。當筒體高度確定后，應按圓整后的筒體高度修正實際容積，則實際容積V=V1mH1+V封，即V=1.4×1.539+0.3977=2.5523m3。2.3. 夾套幾何尺寸計算夾套的結構尺寸根據(jù)安裝和工藝兩方面的要求而定，夾套和筒體常焊接成封

8、閉結構。2.3.1. 確定夾套內(nèi)徑夾套內(nèi)徑D2可根據(jù)筒體內(nèi)徑D1選取，見表2-2。表2-2 夾套直徑D2/mmD1500600700180020003000D2D1+50D1+100D1+200故夾套內(nèi)徑D2=1400+100=1500mm，夾套下封頭型式同罐體封頭，其直徑D2與夾套筒體相同。2.3.2. 確定夾套高度夾套高H2由傳熱面積決定，不能低于料液高，通常由工藝給定裝料系數(shù)，或根據(jù)已知操作容積和全容積進行計算，即=操作容積/全容積。裝料系數(shù)=2.0/2.5=0.8,夾套高H2=（V-V封）/V1m=(0.8×2.5523-0.3977)/ 1.539=1.07m，圓整后得H2

9、=1100mm。2.3.3. 校核傳熱面積查筒體和封頭數(shù)據(jù)表得到：封頭表面積F封=2.2346m2，1m高筒體內(nèi)表面積F1m=4.40m2/m。筒體表面積F筒=H2F1m=1.1×4.40=4.84 m2，故夾套包圍的罐體表面積為F筒+F封=4.84+2.2346=7.0746m2>7m2，所以夾套換熱滿足要求。2.4. 夾套反應釜的強度計算夾套反應釜幾何尺寸確定后，要根據(jù)已知的公稱直徑、設計壓力和設計溫度進行強度計算，確定罐體及夾套的筒體和封頭的厚度。2.4.1. 強度計算的原則及依據(jù)強度計算中各參數(shù)的選取及計算，均應符合GB150鋼制壓力容器的規(guī)定。根據(jù)任務書的條件，反應釜

10、罐體內(nèi)為正壓外帶夾套，依據(jù)如下：當圓筒的公稱直徑DN600時，被夾套包圍部分的圓筒分別按內(nèi)壓圓筒和外壓圓筒計算，取其中較大值，其余部分按內(nèi)壓圓筒設計。2.4.2. 按內(nèi)壓對筒體和封頭進行強度計算2.4.2.1. 選擇設備材料分析工藝要求和腐蝕因素，罐體決定選用0Cr18Ni9,其中150下的許用應力為t=103Mpa，夾套選用Q235-A，其中150下的許用應力為t=113Mpa。2.4.2.2. 確定計算壓力按工藝條件，罐體內(nèi)設計壓力p1=0.2Mpa，夾套內(nèi)設計壓力p2=0.3Mpa。罐體液注靜壓力為p1H=gh10-6=1000×10×1.4×10-6=0.

11、014Mpa，計算壓力為p1c=p1h+p1=0.014+0.2=0.214Mpa。夾套計算壓力等于設計壓力，即p2c=p2h=0.3Mpa。2.4.2.3. 罐體筒體及封頭壁厚計算罐體筒體壁厚的設計厚度為：采用雙面焊縫，進行局部無損探傷檢查，按教材表10-9，取焊縫系數(shù)=0.85，不銹鋼C2=0，則查教材表10-10，取鋼板負偏差C1=0.18mm，則名義厚度，圓整后取=2mm。罐體封頭壁厚的設計厚度為：，名義厚度，圓整后取=2mm。2.4.2.4. 夾套筒體及封頭壁厚計算夾套筒體壁厚的設計厚度為：采用雙面焊縫，進行局部無損探傷檢查，按教材表10-9，取焊縫系數(shù)=0.85，Q235-A以雙面

12、腐蝕計算C2=2mm，則查教材表10-10，取鋼板負偏差C1=0.5mm，則名義厚度,圓整后取=6mm。夾套封頭壁厚的設計厚度為名義厚度，圓整后取=6mm。.2.4.3. 按外壓對筒體和封頭進行穩(wěn)定性校核2.4.3.1. 罐體筒體穩(wěn)定性校核罐體筒體名義厚度n=2mm，厚度附加量C=C1+C2=0.18+0=0.18mm，罐體筒體有效厚度e=n-C=2-0.18=1.82mm，罐體筒體外徑D0=D1+2n=1400+4=1404mm。筒體計算長度L=H2+h1+h2=1100+350+25=1242mm。根據(jù)筒體圖算法強度校核計算，系數(shù)D0/e=1404/1.82=771>20, 系數(shù)L/

13、D0=1242/1408=0.882。120時不銹鋼板E=2.06×105Mpa，查教材圖10-15得系數(shù)A=0.00008，查圖10-20得系數(shù)B在材料曲線左方，許用外壓，由于p<p=0.3，故需增大n。假設n=8mm,同理有C=C1+C2=0.8mm,e=n-C=7.2mm,D0=1400+2×8=1416mm,L=1242mm,D0/e=197,L/D0=0.877，系數(shù)A=0.00055,系數(shù)B=60Mpa,p=60/197=0.305Mpa>0.3,所以筒體厚度取8mm。2.4.3.2. 罐體封頭穩(wěn)定性校核假設封頭厚度=8mm,厚度附加量C=C1+C2

14、=0.8mm,有效厚度e=-C=7.2mm,封頭外徑D0=1416mm,標準橢圓形封頭當量球殼外半徑R0=0.9D0=1274.4mm,系數(shù)=0.00071，系數(shù)B=65Mpa，p=B/(R0/e)=65/(1274.4/7.2)=0.367Mpa>0.3,所以封頭厚度取8mm。2.4.4. 水壓試驗校核夾套反應釜應對罐體和夾套分別進行水壓試驗，并校核圓筒應力T。2.4.4.1. 確定實驗水壓常溫下不銹鋼許用應力=137Mpa,Q235-A許用應力=113MPa。罐體試驗壓力。夾套試驗壓力 。2.4.4.2. 應力校核查GB T 4237-1992，得不銹鋼屈服點應力s=205Mpa，Q

15、235-A屈服應力s=235Mpa。罐體圓筒應力夾套內(nèi)壓試驗壓力強度條件： 罐體，1T0.9s=156.825Mpa；夾套，2T0.9s=180Mpa。因為1T=32.54Mpa<156.825Mpa,2T=82.9Mpa<180Mpa，所以水壓試驗強度足夠。表2-3 釜體夾套厚度計算結果罐體夾套筒體8mm6mm封頭8mm6mm3. 反應釜的攪拌器3.1. 攪拌器的選用根據(jù)任務說明書的要求，本次設計采用的是漿式攪拌器。選用直葉雙葉槳，D1為攪拌容器內(nèi)徑，H0為液面高度，DJ為攪拌器直徑。攪拌器直徑與罐體內(nèi)徑之比常取DJ/D1=0.350.8,根據(jù)實際情況取DJ/D1=0.54 ，則

16、： 攪拌器直徑 DJ=756mm，根據(jù)HG/T 3796.3-2005圓整后得DJ=750mm，質(zhì)量7.4kg。3.2. 擋板擋板是常用的攪拌附件之一，攪拌器工作時擋板能夠增加流體的剪切強度，把回轉的切向流動改變?yōu)閺较蚝洼S向流動，改善攪拌效果。擋板寬度常取容器內(nèi)徑的1/101/12，一般設置46個擋板沿罐壁均勻分布直立安裝。4. 反應釜的傳動裝置反應釜的傳動裝置是為攪拌器提供運動和動力的，傳動裝置一般包括電動機、變速器（減速器）、聯(lián)軸器、攪拌軸（傳動軸）、機架、安裝底蓋及凸緣法蘭等，當攪拌軸較長時，常將攪拌軸分段制造，攪拌軸與傳動軸采用剛性聯(lián)軸器連接成一整體軸。設計內(nèi)容一般包括：電動機的選型、

17、變速器的選型或設計、軸的支承條件的確定、軸上零件的選型及軸的設計、機架和底座選用或設計等。4.1. 電動機、減速機選型防爆電動機應選擇YB系列，電動機功率必須滿足攪拌器運轉及傳動裝置、軸封系統(tǒng)功率損失的要求，還要考慮到操作過程中的不利條件。電動機功率可按下式確定：,其中Pd指電動機功率，P是攪拌器功率，Pm是軸封系統(tǒng)的摩擦損失功率，是傳動裝置的機械效率。P=1.4kW,設計采用填料軸封，功率消耗小，Pm=0.6KW，擺線針輪傳動=0.9，故Pd=2.22kW。與防爆電動機配套使用的減速機可選XL系列擺線針輪減速機，選用根據(jù)：軸轉速 n=60r/min 電機功率Pd為2.22kW,查標準HG/T

18、 3139.2-2001,選取減速器型號為；XL5，配套電動機功率4kW，轉速1440r/min,傳動比i=25，輸出軸許用轉矩1000Nm，所以選用配套電動機型號為：YB2-112M-4，其軸功率為4kW,轉速為1440r/min,電流為8.8A,質(zhì)量為62Kg,額定轉矩26.5Nm，直連供應。4.2. 凸緣法蘭凸緣法蘭一般焊接于攪拌器封頭上，用于連接攪拌傳動裝置。采用R型突面凸緣法蘭，其尺寸查表得：DN=300mm，螺栓數(shù)量：12，螺紋：M20，質(zhì)量：33.5kg。4.3. 安裝底蓋安裝底蓋采用螺栓等緊固件，上與機架連接，下與凸緣法蘭連接，是整個攪拌傳動裝置與容器連接的主要連接件。設計選取

19、了RS型安裝底蓋，其尺寸查表得：DN=300mm。4.4. 機架機架是安裝減速機用的，機架上端與減速機底座尺寸相匹配，下端采用螺柱與安裝底蓋連接。根據(jù)軸的支撐條件，機架分為無支點機架、單支點機架、雙支點機架。本次選用單支點機架。選用DJ55型單支點機架，D2=310mm，D5=400mm，質(zhì)量為150kg。4.5. 聯(lián)軸器電機和減速器輸出軸與傳動軸之間及傳動軸與攪拌軸之間的連接，都是通過聯(lián)軸器連接的，并傳遞運動和轉矩。常用的類型很多，選取剛性凸緣聯(lián)軸器，選用GY7型，其質(zhì)量為13.1kg。4.6. 攪拌軸設計攪拌軸的設計包括材料的選用、結構確定、支承條件確定和強度計算的內(nèi)容。攪拌軸的材料：選用

20、45鋼攪拌軸的結構：用空心直軸，因為連接的是槳式攪拌器，用螺栓對夾，故采用光軸即可。確定最小軸徑：軸功率P=1.4kW,攪拌軸轉速n=60r/min，材料為45鋼 ,許用扭轉切應力35Mpa。軸的扭轉強度條件為：，對于空心軸，聯(lián)立三式得扭轉強度條件：；其中d指攪拌軸直徑，P指攪拌軸傳遞的功率，n指攪拌軸轉速。將P=1.4kW，n=60r/min，=35Mpa代入上式得32442,取大值D=42.3mm。由于軸開有鍵槽，故軸的直徑應增大20%左右，所以42.3×1.2=50.76mm，圓整外徑D=60.0mm，內(nèi)徑d=53mm。剛度校核：，式中，為扭轉角，;=222833NmG為軸的切

21、變模量,合金鋼取8.1×104MPa一般取0.51.0（°）/m；代入數(shù)據(jù)得=0.317°，故<,軸徑符合要求。由于轉速小于200r/min，故不用校核臨界轉速。軸承選?。狠S承同時承受徑向力及軸向力的作用，轉速較高，載荷小，選用角接觸球軸承，考慮其安裝與調(diào)整，采用正裝方式，軸承選取7208C，d×D×B=40×80×18。軸與軸承內(nèi)圈采用過渡配合，取其直徑尺寸公差為k6或m6，軸承的軸向距離按攪拌釜支承條件確定。攪拌軸的形位公差和表面粗糙度的要求：一般攪拌軸要求運轉平穩(wěn)，為防止軸的彎曲對軸封處的不利影響，因此軸安裝和加

22、工要控制軸的直度。當轉速n<100r/min時直度允許誤差：1000：0.15，軸的表面粗糙度和配合面的配合公差可按所配零件的標準要求選取。攪拌軸的支撐：一般攪拌軸可依靠減速器內(nèi)的一對軸承支承，當攪拌軸較長時，軸的剛度條件變壞。為保證攪拌軸懸臂穩(wěn)定性，軸的懸臂長L1、軸徑d和兩軸承間距B應滿足以下關系：L1/B45; L1/d4050。攪拌軸的支承常采用滾動軸承，安裝軸承處的公差帶常采用m6或k6，外殼孔的公差帶常采用H7 。安裝軸承處軸的配合表面粗糙度Ra取0.8 1.6，外殼孔與軸承配合表面粗糙度Ra取1.6。5. 反應釜的軸封裝置軸封裝置是攪拌設備的一個重要組成部分，其任務是保證攪

23、拌設備內(nèi)處于一定的正壓和真空狀態(tài)以及防止物料溢出和雜質(zhì)的摻入。反應釜攪拌軸處的密封，屬于動密封，常用的有填料密封和機械密封兩種形式，這次設計選用填料軸封。填料軸封是攪拌設備最早采用的一種軸封結構，結構簡單，易于制造，在攪拌設備上得到廣泛應用。主要用于常壓、低壓、低轉速及允許定期維護的攪拌設備。因為所選軸徑為60mm，故查表得標準填料箱主要尺寸：d=60mm,D1=240mm,D2=210mm,D3=176mm,H=176mm。6. 反應釜的其他附件6.1. 支座夾套反應釜多為立式安裝，最常用的支座為耳式支座。標準耳式支座（JB/T 4725-92）分為A型（短臂）和B型（長臂）兩種。當設備需要

24、保溫或直接支撐在樓板上時選用B型，否則選擇A型。6.1.1. 確定耳式支座實際承受載荷Q罐體DN=1400mm,=8mm 的1米高筒節(jié)的質(zhì)量q1=278kg,夾套DN=1500mm,=6mm 的1米高筒節(jié)的質(zhì)量q2=223kg,故Q1=H1q1+H2q2=1.4×278+1.1×223=634.5kg，Q1為釜體和夾套筒體總重載荷。DN=1400mm, =8mm 的封頭的質(zhì)量142kg，DN=1500mm, =6mm 的封頭的質(zhì)量121kg,故Q2=142×2+121=405kg，Q2為釜體和夾套封頭重載荷。Q3為料液重載荷，按水壓試驗時充滿水計，=1000kg/m3,現(xiàn)以罐體尺寸估計。DN=1400mm的封頭容積V封=0.398m3，1米筒節(jié)的容積V=1.69 m3，故Q3=V=(V封+VH1)=（0.398+1.69×1.4）×1000=2764kg。Q4為其它附件重量估計為62+17.3+150+13.1+25.9+33.5+7.4+7.7=317kg?？傊豰=634.5+405+2764+317=4120.5kg。6.1.2. 確定支座的型號及數(shù)量容器總重量約4120.5kg，配置四個支座，按兩個支座計算需要承擔的負荷Q=2060