結晶釜的設計課程設計

結晶釜的設計課程設計課程設計題目結晶釜的設計學院化學化工學院專業(yè)化學工程與工藝目錄1.結晶釜的結構31.1結晶釜的功能和用途31.2結晶釜的反應條件32.設計標準43.設計方案的分析和擬定44.各部分結構尺寸的確定和設計計算54.1罐體和夾套的結構設計54.1.1罐體幾何尺寸計算64.1.2夾套幾何尺寸計算74.2結晶釜的強度計算84.2.1強度計算按內壓計算強度84.2.2穩(wěn)定性校核按外壓校核厚度104.2.3水壓試驗校核134.3結晶釜的攪拌器144.3.1攪拌裝置的攪拌器144.3.2攪拌器的安裝方式及其與軸連接的結構設計144.3.3攪拌裝置的攪拌軸設計154.4結晶釜的傳動裝置設計164.4.1常用電機及其連接尺寸164.4.2凸緣法蘭164.4.3安裝底蓋164.5結晶釜的軸封裝置設計164.5.1填料密封174.5.2機械密封174.6結晶釜的其他附件設計184.6.1支座184.6.2手孔和人孔184.6.3設備接口185.參考文獻211.結晶釜的結構1.1結晶釜的功能和用途結晶釜主要由攪拌容器、攪拌裝置、傳動裝置、軸封裝置、支座、人孔、工藝接管和一些附件組成。攪拌容器分罐體和夾套兩部分,主要由封頭和筒體組成,多為中、低壓壓力容器;攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成,其形成通常由工藝設計而定;傳動裝置是為帶動攪拌裝置設置的,主要由電機、減速器、聯(lián)軸器和傳動軸等組成;軸封裝置為動密封,一般采用機械密封或填料密封;它們與支座、人孔、工藝管等附件一起,構成完整的結晶釜。結晶釜是物料混合反應后,夾層內需冷凍水或冷媒水急劇降溫的結晶設備,其關鍵環(huán)節(jié)在于夾層面積的大小,攪拌器的結構形式和物料出口形式,罐體內高精度拋光,以及罐體內清洗無死角的要求來滿足工藝使用條件。結晶釜是化工、制藥、食品等行業(yè)的物料混合、加溫、降溫、攪拌等國內過程中的混合反應設備。由于工藝和介質不同,物料有易燃、易爆、巨毒、高溫高壓的狀況常為多見。設備的攪拌形式、轉速、加溫和降溫的要求不同。該設備的設計選材、結構和減速機防爆與不防爆要求也不同。1.1結晶釜的反應條件結晶釜的設計要注重反應的條件,一般考慮夾套和攪拌器的材料、上下進出口的設計,主要分為溫度、壓強、進料口和出料口、材料這幾個因素。溫度----這個一般都應當有嚴格的控制,所以在設計的時候要注意溫度計選擇。要是反應溫度高可能要使用油浸泡溫度計,所以要留可以裝油的管槽,要是溫度低還要注意冰封現(xiàn)象發(fā)生。要是溫度在100度到0度之間,要求不高的情況下,可以用塞子直接套溫度計(注意壓強)。壓強----壓強的高低要選擇合適的反應釜,一般只要能承受兩倍的大氣壓就可以了。本設計是在負壓條件下完成。進料口和出料口----一般進料口做一定大就一個可以了,要注意一些比如回流口、真空口什么的,還有就是出料口的大小,有些物質反應后不容易放出,所以要設計合適。材料----一般反應釜都是玻璃的,要是工業(yè)生產最好用搪瓷的,攪拌的金屬要注意保護不要被腐蝕,放料活塞要可以防腐。還有就是夾套的進出水的控制,防止部分比如鹽水的滯留。2.設計標準(1)HG/T20569-94《機械攪拌設備》(2)GB150-1998《鋼制壓力容器》(3)HG21563~21572-95HG21537.7~8-92《攪拌傳動裝置》(4)TCEDS8-90《壓力容器強度計算書統(tǒng)一格式》(5)CD130A20-86《化工設備設計文件編制規(guī)定》3.設計方案的分析和擬定此次我要設計的是全容積為3.5,操作容積為2.5的結晶釜。1、設計壓力:容器內的設計壓力為負壓,夾套內的設計壓力為0.2MPa,由此可知本反應釜是在常壓下工作。2、設計溫度:容器內的設計溫度80到100?,夾套內的設計溫度150?,設計溫度均不高,不需要對反應釜作保溫措施。3、介質選擇:容器內的介質為染料及有機溶劑,夾套內的介質為冷卻水或蒸汽。4、攪拌器:選用推進式攪拌器,攪拌軸轉速為50r/min,功率為4kW。5、材料選擇:選用最常用的Q235-A碳素鋼材,由此釜中的其他接管法蘭等鋼材也選用Q235-A碳素鋼材。封頭為標準的橢圓封頭,材質也選用Q235-A碳素鋼。6、傳動系統(tǒng):選用庫存電機Y1322-6,轉速960r/min,功率4.5kW,給定攪拌傳動系統(tǒng)用V帶傳動。7、接管設計:已知結晶釜的用途為冷卻結晶,因此反應釜需要冷卻水入口、加料口、人孔、溫度計管口、壓縮空氣入口、放料口、手孔、備用管口、壓料管、壓料管套管。公稱尺寸:冷卻水入口公稱尺寸DN25、加料口公稱尺寸DN25、人孔公稱尺寸DN25、溫度計管口公稱尺寸DN80、壓縮空氣入口公稱尺寸DN25、放料口公稱尺寸DN40、冷凝水出口公稱尺寸DN25、手孔公稱尺寸DN100、備用管口公稱尺寸DN40、壓料管DN50、壓料管套管DN80。8、焊接選擇:焊接采用電弧焊,焊條牌號:采用J507焊條。9、法蘭焊接:法蘭焊接按相應法蘭標準的規(guī)定,角焊縫及搭接焊縫的焊叫尺寸按兩焊件中較薄板的厚度。此外,設計中還需選擇接管、管法蘭、設備法蘭、軸承、聯(lián)軸器、軸封形式,最后完成設計時,需將設計的反應釜繪制成裝配圖及繪出傳動系統(tǒng)部件圖。4.各部分結構尺寸的確定和設計計算4.1罐體和夾套的結構設計罐體一般是立式圓筒形式容器,有頂蓋、筒體、罐底,通過支座安裝在基礎平臺上。罐底通常為橢圓形封頭。頂蓋在受壓狀態(tài)下常選用橢圓形封頭,對于常壓或操作壓力不大而直徑較大的設備,頂蓋可采用薄鋼板制造的平蓋,并在薄鋼板上加設型鋼(槽鋼和工字鋼)制的橫梁,用以支承攪拌器及其傳動裝置。頂蓋和鋼底分別與筒體相連。罐底與筒體的連接常采用焊接連接。頂蓋與筒體的連接型式分為開拆和不可拆兩種,筒體直徑1200?,宜采用可拆連接。當要求可拆時,做成法蘭連接。夾套型式與罐體相同。4.1.1罐體幾何尺寸計算1、釜體形式為常用結構圓筒形,封頭形式為常用結構橢圓形。原始尺寸如下表4-1:全容積()3.5操作容積()2.5傳熱面積()7.4表4-1原始尺寸2初算筒體內徑按式計算,得m取圓整筒體內徑2000mm,一米高的容積1.333,內表面積6.28。選取釜體封頭容積0.405釜體高度按式計算,得(3-0.405)/1.3332.421m選取圓整釜體高度2000mm實際容積按式計算,得1.333*2.000+0.4053.0654.1.2夾套幾何尺寸計算夾套直徑選取夾套筒體內徑+1002100mm,裝料系數(shù)η按式計算,得0.8/1.00.8夾套筒體高度H2按式計算,得(0.8*3.0-1.333)/0.7850.93m選取圓整夾套筒體高度H2930mm。以內徑為公稱直徑的橢圓封頭的型式和尺寸,選取罐體封頭表面積2.213。筒體的容積、面積和質量,選取一米高筒體表面積6.28。實際總傳熱面積F按式`校核,得3.14*0.95+1.16254.14553.5綜上所述,筒體和夾套尺寸為下表4-6所示:表4-6筒體和夾套尺寸直徑mm高度(mm)筒體20001000夾套21009304.2夾套反應釜的強度計算4.2.1強度計算按內壓計算強度據工藝條件或腐蝕情況確定,設備材料選用Q235-A。由工藝條件給定,設計壓力(罐體內)0.2MPa,設計壓力(夾套內)0.3MPa,設計溫度(罐體內)100?,設計溫度(夾套內)150?。選取罐體及夾套焊接接頭系數(shù)0.85。罐體筒體計算厚度按式計算,得夾套筒體計算厚度按式計算,得罐體封頭計算厚度按式計算,得夾套封頭計算厚度按式計算,得壁厚附加量,其中C1為鋼板負偏差,初步取0.6mm,腐蝕裕量2mm,熱加工減薄量2(封頭熱加工0.5mm),因此:0.6+2+02.6mm罐體筒體設計厚度按式計算,得1.04+2.03.04mm夾套筒體設計厚度按式計算,得1.72+2.03.72mm罐體封頭設計厚度按式計算,得1.04+2.03.04mm夾套封頭設計厚度按式計算,得1.72+2.03.72mm圓整選取罐體筒體名義厚度5mm圓整選取夾套筒體名義厚度5mm圓整選取罐體封頭名義厚度5mm圓整選取夾套封頭名義厚度5mm4.2.2穩(wěn)定性校核按外壓校核厚度1、假設罐體筒體名義厚度8mm鋼板厚度負偏差,選取鋼板厚度負偏差0.6mm據經驗規(guī)律,腐蝕裕量2.0mm厚度附加量按式計算,得0.6+2.02.6mm罐體筒體有效厚度按式計算,得8-2.65.4mm罐體筒體外徑按式計算,得1000+2*81016mm筒體計算長度按式計算,得950+250/31033.3mm系數(shù)1033.3/10161.017系數(shù)1016/5.4188.15許用外壓力按式計算,得85/188.150.45MPa0.3MPa確定罐體筒體名義厚度8mm假設罐體封頭名義厚度8mm選取鋼板厚度負偏差0.6mm據經驗規(guī)律,腐蝕裕量2.0mm厚度附加量按式計算,得0.8+2.02.6mm罐體封頭有效厚度按式計算,得8-2.65.4mm罐體封頭外徑按式計算,得1000+2*81016mm標準橢圓封頭當量球殼外半徑按式計算,得0.9*1016914mm系數(shù)按式計算,得查曲線,得系數(shù)100MPa許用外壓力按式計算,得0.3MPa確定罐體封頭名義厚度8mm4.2.3水壓試驗校核罐體試驗壓力按式計算,得夾套水壓試驗壓力按式計算,得查碳素鋼、普通低合金鋼鋼板許用應力,得材料屈服點應力計算,得罐體圓筒應力按式計算,得179.8Mpa夾套內壓試驗應力179.8Mpa所以夾套水壓試驗強度足夠。綜上所述,筒體和夾套具體加工尺寸如下表4-10:表4-10筒體和夾套局加工尺寸筒體(mm)封頭mm罐體88夾套554.3結晶釜的攪拌器4.3.1攪拌裝置的攪拌器攪拌器的型式主要有:槳式、推進式、框式、渦輪式、螺桿式和螺帶式等。當用來調和(低黏度均相液體混合)時,適用的攪拌器型式有推進式和渦輪式,主要受到容積循環(huán)速率的影響。當用來分散(非均勻相液體混合),適用的攪拌器型式有渦輪式,主要受到液滴大小(分散度)、容積循環(huán)速率的影響。當用于固體懸浮時,按固體粒度、含量及密度,決定用槳式、推進式或渦輪式,主要受到容積循環(huán)速率、湍流強度的影響。當用于氣體吸收時,適用的攪拌器型式有渦輪式,主要受到剪切作用、容積循環(huán)速率、高速度的影響。當用于傳熱時,適用的攪拌器型式有槳式、推進式、渦輪式,主要受到容積循環(huán)速率、流經傳熱面的湍流速度的影響。當用于高黏度操作時,適用的攪拌器型式有框式、渦輪式、螺桿式、螺帶式、帶橫擋板的槳式,主要受到容積循環(huán)速率、低速度的影響。當用于結晶時,按控制因素用渦輪式、槳式和槳式變種,主要受到容積循環(huán)速率、剪切作用低速度的影響。本反應釜攪拌裝置的攪拌器采用槳式。4.3.2攪拌器的安裝方式及其與軸連接的結構設計此次任務選用的是槳式攪拌器。它與軸的連接是通過軸套用平鍵或緊定螺釘固定,軸端加固定螺母。為防螺紋腐蝕加軸頭保護帽。本反應釜的槳式攪拌器直徑槳式攪拌器直徑400mm槳式攪拌器的主要尺寸,當時,50mm,,,鍵槽16mm,55.1mm,95mm,質量4.59Kg,不大于0.025。4.3.3攪拌裝置的攪拌軸設計攪拌軸的機械設計內容主要是材料選定、結構設計(包括軸的支承結構)和強度校核。因本結晶釜的轉速50r/min,因此不需要進行臨界轉速的校核。1、攪拌軸的材料:選用45號鋼。2、攪拌軸的結構:常用實心或空心直軸,其結構型式根據軸上安裝的攪拌器類型、支承的結構和數(shù)量、以及與聯(lián)軸器的連接要求而定,還要考慮腐蝕等因素的影響。本結晶釜攪拌軸的結構型式選用實心直軸。3、攪拌軸強度校核:由結晶釜設計任務書給定,軸功率4kW攪拌軸轉數(shù)50r/min常用軸材料為45號鋼。軸所傳遞的扭矩查表得軸常用材料的及值,材料許用扭轉剪應力35Mpa,系數(shù)112。軸端直徑開一個鍵槽,軸徑擴大5%,為30.4*1.05%31.9mm圓整軸端直徑40mm。因此攪拌軸的直徑40mm。4、攪拌軸的形位公差和表面粗糙度要求:攪拌軸轉速50r/min,直線度允許差1000:0.1。5、攪拌軸的支承:一般攪拌軸可依靠減速器內的一對軸承支承。攪拌軸的支撐采用滾動軸承。反應釜攪拌軸的滾動軸承,通常根據轉速、載荷的大小及軸徑d選擇,高轉速、輕載荷可選用角接觸球軸承;低速、重載荷可選用圓錐滾子軸承。根據軸端直徑d40mm,選用角接觸球軸承采用背對背安裝成對軸承。4.4結晶釜的傳動裝置設計結晶釜的攪拌器是由傳動裝置來帶動。傳動裝置通常設置在釜頂封頭的上部。結晶釜傳動裝置的設計內容一般包括:電機、減速機的選型;選擇聯(lián)軸器;選用和設計機架和底座等。4.4.1常用電機及其連接尺寸Y系列全封閉自扇冷式三相異步電動機為最常用的;當有防爆要求時,可選用YB系列。本結晶釜用庫存電機Y132M2-6,轉速960r/min,電機功率P4kW。4.4.2凸緣法蘭凸緣法蘭一般焊接于攪拌容器封頭上,用于連接攪拌傳動裝置,亦可兼作安裝,維修,檢查用孔。凸緣法蘭分整體和襯里兩種結構形式,密封面分突面(R)和凹面(M)兩種。本反應釜凸緣法蘭焊接于攪拌容器封頭上,采用整體結構形式,密封面采用突面(R)。根據攪拌軸的直徑和附圖,由表4-15凸緣法蘭主要尺寸,選擇公稱直徑DN500mm,螺紋為M24,螺栓數(shù)量為20個,質量為102kg的R型凸緣法蘭。4.4.3安裝底蓋安裝底蓋采用螺柱等緊固件,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。安裝底蓋的常用形式為RS和LRS型,其他結構(整體或襯里)、密封面形式(突面或凹面)以及傳動軸的安裝形式(上裝或下裝),按HG21565-95選取。安裝底蓋的公稱直徑與凸緣法蘭相同。形式選取時應注意與凸緣法蘭的密封面配合(突面配突面,凹面配凹面)。本反應釜安裝底蓋采用螺柱等緊固件,上與機架連接,下與凸緣法蘭連接。采用RS型形式,整體結構、密封面形式(突面)以及傳動軸的安裝形式(上裝),按HG21565-95選取。安裝底蓋的公稱直徑與凸緣法蘭相同,均為DN500mm。4.5結晶釜的軸封裝置設計軸封是攪拌設備的一個重要組成部分。其任務是保證攪拌設備內處于一定的正壓力的真空狀態(tài)以及防止反應物料逸出和雜質的滲入。鑒于攪拌設備以立式容器中心頂插式攪拌為主,很少滿釜操作,軸封的對象主要為氣體;而且攪拌設備由于反應工況復雜,軸的偏擺振動大,運轉穩(wěn)定性差等特點,故不是所有形式的軸封都能用于攪拌設備上。結晶釜攪拌軸處的密封,屬于動密封,常用的有填料密封和機械密封兩種形式,它們都有標準,設計時可根據要求直接選用。4.5.1填料密封填料密封是攪拌設備最早采用的一種軸封結構,它的基本結構是由填料,填料箱,壓蓋,緊壓螺栓及油杯等組成。因其結構簡單,易于制造,在攪拌設備上曾得到廣泛應用。一般用于常壓,低壓,低轉速及允許定期維護的攪拌設備。當采用填料密封時,應優(yōu)先選用標準填料箱。標準填料箱中,HG21537.7-92為碳鋼填料箱,HG21537.8-92為不銹鋼填料箱。填料箱密封的選用還注意以下幾方面:?當填料箱的的結構和填料的材料選擇合理,并有良好潤滑和冷卻條件時,可用于較高的工作壓力,溫度和轉速條件下;?當填料無冷卻,潤滑時,轉軸線速度不應超過1m/s;4.5.2機械密封機械密封是一種功耗小,泄漏率低,密封性能可靠,使用壽命長的轉軸密封。主要用于腐蝕,易燃,易爆,劇毒及帶有固體顆粒的介質中工作的有壓和真空設備。由于反應釜多采用立式結構,轉速低,但攪拌軸直徑大,尺寸長,擺動和振動較大,故機械密封常采用外裝式(靜環(huán)裝于釜口法蘭外惻),小彈簧(補償機構中含有多個沿周向分布的彈簧),旋轉式(彈性元件隨軸旋轉)的結構,當介質壓力、溫度低且腐蝕性大時,可采用單端面(由一對密封端面組成),非平衡型(載荷系數(shù)K?1)的機械密封。當介質壓力,溫度高或介質為易燃,易爆,有毒時,應采用雙端面(由兩對密封面組成),平衡型(載荷系數(shù)K1)的機械密封。當攪拌設備采用機械密封時,在下列情況下,應采用必要的措施,以便保證密封使用性能,提高使用壽命。?當密封腔介質溫度超過80?時,對單端面和雙端面機械密封,都應采用冷卻措施;?為防止密封面干摩擦,對單端面機械密封,應采用潤滑措施;?當采用雙端面機械密封時,應采用密封液系統(tǒng),向密封端面提供密封液,用于冷卻,潤滑密封端面;?必要時,應對潤滑液,密封液進行過濾;?當采用潤滑及密封液系統(tǒng)時,需考慮一旦潤滑液,密封液漏入攪拌容器內,應不會影響容器內物料的工藝性能,不會使物料變質,必要時應采用緩沖液杯和漏夜收集器等防污染措施。本反應釜一般在常壓,低壓,低轉速下使用,故采用填料密封。因其結構簡單,易于制造,在攪拌設備上曾得到廣泛應用,且便于定期維護此攪拌設備。4.6結晶釜的其他附件設計4.6.1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/T4725-92)分為A型和B型兩種。當設備需要保溫或直接支承在樓板上時選B型,否則選A型。每臺反應釜常用4個支座,但作承重計算時,考慮到安裝誤差造成的受力情況變壞,應按兩個支座計算。本反應釜為夾套立式安裝,不需要保溫,選用B型標準耳式支座,耳座為4個。耳式支座的實際承受載荷的近似計算:,本結晶釜耳座單重8.3Kg,支座的總質量為M33.2Kg。4.6.2手孔和人孔手孔和人孔的設置是為了安裝,拆卸,清洗和檢修設備內部的裝置。手孔直徑一般為150-250mm,應使工人帶上手套并握有工具的手能方便的通過。當設備的直徑大于900mm時,應開設人孔。人孔的形狀有圓形和橢圓兩種。圓形人孔制造方便,應用較為廣泛。人孔的大小及位置應以人進出設備方便為原則,對于反應釜,還要考慮攪拌器的尺寸,以便攪拌軸及攪拌器能通過人孔放入罐體內。由任務書給定,本反應釜需開設手孔,沒有人孔。根據任務書要求,公稱直徑DN100mm。本反應釜選用帶頸平焊法蘭手孔,突面RF型。由參考文獻16表11-4手孔尺寸選用帶頸平焊法蘭手孔,螺柱為M16,數(shù)量為4個,螺母數(shù)為8個,總質量為13.3kg。4.6.3設備接口1、接管與管法蘭接管和管法蘭是用來與管道或其他設備連接的。標準管法蘭的主要參數(shù)是公稱通徑(DN)和公稱壓力(PN)。接管的伸出長度一般為從法蘭密封面到殼體外徑為150mm,當考慮設備保溫等要求時,可取伸出長度為200mm。管法蘭分為:板式平焊法蘭(PL),帶頸平焊法蘭(SO),帶頸對焊法蘭(WN)等,法蘭密封面形式主要有突面(RF),凹凸面(MFM),榫槽面(TG)三種。本任務書要求蒸汽入口、加料口和冷凝水出口的公稱直徑DN25,由公稱直徑與鋼管外徑,選用外徑為32,質量為0.4kg的鋼管。由標準突面板式平焊鋼制管法蘭主要尺寸,選用外徑為100mm,內徑為33mm,螺紋為M10,理論質量為0.65kg的法蘭。由標準突面板式平焊鋼制管法蘭主要尺寸,選用外徑為190mm,內徑為91mm,螺紋為M16,理論質量為2.60kg的法蘭。溫度計管口的公稱直徑DN65,由表4-16公稱直徑與鋼管外徑,選用外徑為76,質量為1.7kg的鋼管。由標準突面板式平焊鋼制管法蘭主要尺寸,選用外徑為160mm,內徑為78mm,螺紋為M12,理論質量為1.61kg的法蘭。放料口的公稱直徑DN40,由表4-16公稱直徑與鋼管外徑,選用外徑為45的鋼管。由標準突面板式平焊鋼制管法蘭主要尺寸,選用外徑為130mm,內徑為46mm,螺紋為M12,理論質量為1.20kg的法蘭。手孔的公稱直徑DN100,由表4-13公稱直徑與鋼管外徑,選用外徑為108的鋼管。由附表4-12標準突面板式平焊鋼制管法蘭主要尺寸,選用外徑為100mm,內徑為110mm,螺紋為M16,理論質量為3.02kg的法蘭。補強圈容器開孔后由于殼體材料的削弱,出現(xiàn)開孔應力集中現(xiàn)象。因此,要考慮補強。補強圈就是用來彌補設備殼體因開孔過大而造成的強度損失的一種最常用形式。補強圈形狀應與被補強部分相符,使之與設備殼體密切貼合,焊接后能與殼體同時受力。補強圈上有一小螺紋孔(M10),焊后通入壓縮空氣,以檢查焊縫的氣密性。補強圈的厚度和材料一般均與設備殼體相同。當采用補強圈補強時,其接管壁厚可參照下列數(shù)值選取:Ф108X6Ф133X6Ф