化工设备基础课程设计-夹套搅拌反应器设计.doc

化工设备基础课 程 设 计 说 明 书 设计题目: 夹套搅拌反应器设计 学 院: 材料科学与工程学院 学 生: 学 号: 专业班级: 高分子材料与工程13级1班 指导教师: 日 期: 2016年1月15日 夹套搅拌反应器设计任务书一、设计内容 设计一台夹套搅拌反应器。二、设计参数和技术特性指标 见附表1。三、设计要求1. 进行罐体和夹套设计计算；2. 选择支座形式；3. 手孔校核计算；4. 选择接管、管法兰、设备法兰；5. 进行搅拌传动系统设计；（1）进行传动系统方案设计；（2）作带传动设计计算：定出带型，带轮相关尺寸；（3）选择轴承；（4）选择联轴器；（5）进行罐内搅拌轴的结构设计、搅拌器与搅拌轴的连接结构设计；6. 选择轴封形式；7. 绘制装配图（1#）；8. 大v带轮零件图（3#）；9. 编制技术要求；10. 编写设计说明书。（1） 封面；（2）目录；（3）任务书； （4）设计计算：要有详细的设计步骤及演算过程； （5）对本设计的评价及心得体会； （6）用b5大小纸书写。表1 夹套反应釜设计任务书简图设计参数及要求容器内夹套内工作压力，mpa2.22.3设计压力，mpa2.22.3工作温度，1506.0 综上所述，筒体和夹套尺寸为下表4-4所示：表4-4 筒体和夹套尺寸直径(mm)高度（mm）筒体16001600夹套170013004.2 夹套反应釜的强度计算4.2.1 厚度计算据工艺条件或腐蚀情况确定，设备材料选用q235-a。由工艺条件给定, 设计压力（罐体内） =2.2mpa， 设计压力（夹套内） =2.3mpa， 设计温度（罐体内） =150， 设计温度（夹套内） =200。推荐材料为q235-a，选取罐体及夹套焊接接头系数 =0.85。按表14-4 压力容器用碳素钢钢板的许用应力,选取设计温度下材料许用应力 150=107mpa, 200=99mpa。壁厚附加量，其中c1为钢板负偏差，初步取=0.8mm, 腐蚀裕量=2mm，因此：=0.8+2=2.8mm罐体筒体计算厚度按式计算得圆整,选取罐体筒体名义厚度 =25mm夹套筒体计算厚度按式计算得圆整,选取夹套筒体名义厚度 =28mm罐体封头计算厚度按式计算得圆整,选取罐体封头名义厚度 =25mm夹套封头计算厚度按式计算，得圆整,选取夹套封头名义厚度 =25mm4.2.2水压试验强度校核 罐体试验压力按式计算得 夹套水压试验压力按式计算得查表14-4碳素钢、普通低合金钢钢板许用应力,得材料屈服点应力 计算，得罐体圆筒应力按式计算得夹套内压试验应力所以夹套水压试验强度足够。综上所述，筒体和夹套具体加工尺寸如下表4-6：表4-6 筒体和夹套局加工尺寸筒体（mm）封头(mm)罐体2525夹套28254.3 反应釜的搅拌器4.3.1 搅拌装置的搅拌器 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。 当用来调和（低黏度均相液体混合）时，适用的搅拌器型式有推进式和涡轮式，主要受到容积循环速率的影响。 当用来分散（非均匀相液体混合），适用的搅拌器型式有涡轮式，主要受到液滴大小（分散度）、容积循环速率的影响。 当用于固体悬浮时，按固体粒度、含量及密度，决定用桨式、推进式或涡轮式，主要受到容积循环速率、湍流强度的影响。 当用于气体吸收时，适用的搅拌器型式有涡轮式，主要受到剪切作用、容积循环速率、高速度的影响。 当用于传热时，适用的搅拌器型式有桨式、推进式、涡轮式，主要受到容积循环速率、流经传热面的湍流速度的影响。 当用于高黏度操作时，适用的搅拌器型式有框式、涡轮式、螺杆式、螺带式、带横挡板的桨式，主要受到容积循环速率、低速度的影响。 当用于结晶时，按控制因素用涡轮式、桨式和桨式变种，主要受到容积循环速率、剪切作用低速度的影响。本反应釜搅拌装置的搅拌器采用推进式，主要用于调和有机溶剂。4.3.2 搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计 此次任务选用的是推进式搅拌器，搅拌器推进式搅拌器是类似风扇扇叶结构。它与轴的连接是通过轴套用平键或紧定螺钉固定，轴端加固定螺母。为防螺纹腐蚀加轴头保护帽。本反应釜的推进式搅拌器直径圆整，推进式搅拌器直径=500mm按表4-7 推进式搅拌器的主要尺寸,当时，=65mm,键槽=18mm,=70.6mm, =105mm,质量=10.42kg,不大于0.05。 表4-7 推进器搅拌器的主要尺寸4.3.3 搅拌装置的搅拌轴设计搅拌轴的机械设计内容主要是材料选定、结构设计（包括轴的支承结构）和强度校核, 对于n200r/min的，还要进行临界转速的校核。 1、 搅拌轴的材料：选用45号钢。 2、 搅拌轴的结构：常用实心或空心直轴，其结构型式根据轴上安装的搅拌器类型、支承的结构和数量、以及与联轴器的连接要求而定，还要考虑腐蚀等因素的影响。 本反应釜搅拌轴的结构型式选用实心直轴。 连接推进式搅拌器的轴头车削台肩，开键槽，轴端车螺纹。 3、搅拌轴强度校核： 由夹套反应釜设计任务书给定，轴功率=3.8kw 搅拌轴转数 =210r/min 常用轴材料为45号钢。 轴所传递的扭矩 nmm 查表得轴常用材料的及值，材料许用扭转剪应力=35mpa，系数 =112。 轴端直径 开一个键槽，轴径扩大5%，为=28.401.05=29.82mm 圆整轴端直径=30mm，因此搅拌轴的直径30mm。 4、搅拌轴的形位公差和表面粗糙度要求：搅拌轴转速=210r/min，直线度允许差1000：0.1。 5、搅拌轴的支承：一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。搅拌轴的支撑采用滚动轴承。反应釜搅拌轴的滚动轴承，通常根据转速、载荷的大小及轴径d选择，高转速、轻载荷可选用角接触球轴承；低速、重载荷可选用圆锥滚子轴承。根据轴端直径d=30mm，选用角接触球轴承，选用型号为7206，d=30mm。安装轴承处轴的公差带采用k6，外壳孔的公差带采用h7。安装轴承处轴的配合表面粗糙度ra取1.0，外壳孔与轴承配合表面粗糙度ra取1.6。采用背对背安装成对轴承。44 反应釜的传动装置设计 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。反应釜传动装置的设计内容一般包括：电机、减速机的选型；选择联轴器；选用和设计机架和底座等。4.4.1 常用电机及其连接尺寸 y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机为最常用的；当有防爆要求时，可选用yb系列。本反应釜选用库存电机y160m-6，转速970r/min,电机功率p=7.5kw。4.4.2釜用减速机类型、标准及其选用 反应釜用的立式减速机，主要的类型有谐波减速机、摆线针轮行星减速机、二级齿轮减速机和v带传动减速机。 由任务书给定，反应釜采用v带传动减速机。4.4.3 v带减速机 v带减速机的特点是：结构简单，制造方便，价格低廉，能防止过载，噪声小。但不适用于防爆场合。 查表 y系列三相异步电动机主要技术数据，传动的额定功率 p=7.5 kw 小皮带轮转速 大皮带轮转速 选取工况系数=1.2设计功率按公式计算得查普通v带选型图8-10，根据和选取带型号为b型号传动比 查图8-3初选小皮带轮计算直径 验算带速v: ， 符合要求大皮带轮计算直径 查表8-7得普通带轮的基准直径系数，选取大皮带轮计算直径 =600mm中心距符合 即 5111460初定中心距 初定带的基准长度：查表8-2得带型号、截面尺寸和基准长度,圆整,取 中心距:小带轮包角:符合的条件。查表8-3，8-4,8-5： 选取单根带额定功率 p1=1.79kw 单根普通带额定功率的增量 p1=0.3kw 选取包角修正系数 选取带长修正系数 得带根数: 圆整取 =54.4.4凸缘法兰 凸缘法兰一般焊接于搅拌容器封头上，用于连接搅拌传动装置，亦可兼作安装，维修，检查用孔。凸缘法兰分整体和衬里两种结构形式，密封面分突面（r）和凹面（m）两种。本反应釜凸缘法兰焊接于搅拌容器封头上，采用整体结构形式，密封面采用突面（r）。根据搅拌轴的直径和附图，由表4-8凸缘法兰主要尺寸，选择公称直径dn=500mm，螺纹为m24，螺栓数量为20个，质量为102kg的r型凸缘法兰。 表4-8凸缘法兰主要尺寸4.4.5安装底盖安装底盖采用螺柱等紧固件，上与机架连接，下与凸缘法兰连接，是整个搅拌传动装置与容器连接的主要连接件。安装底盖的常用形式为rs和lrs型，其他结构（整体或衬里）、密封面形式（突面或凹面）以及传动轴的安装形式（上装或下装），按hg21565-95选取。安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同。形式选取时应注意与凸缘法兰的密封面配合（突面配突面，凹面配凹面）。 本反应釜安装底盖采用螺柱等紧固件，上与机架连接，下与凸缘法兰连接。采用rs型形式，整体结构、密封面形式（突面）以及传动轴的安装形式（上装），按hg21565-95选取。安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同，均为dn=500mm。4.4.6机架机架是安放减速机用的，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标准选配机架。标准机架有三种：1、 无支点机架 无支点机架的选用条件： 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带来的径向和轴向载荷者； 电动机或减速机有一个支点，但釜内设有底轴承，中间轴承或轴封本体设有可以作为支点的轴承，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。减速器输出的轴联轴器形式为夹壳式联轴器或刚性凸缘联轴器。2、单支点机架 单支点机架的选用条件： 电动机或减速机有一个支点，经核算可承受搅拌轴的载荷； 搅拌容器内设置底轴承，作为一个支点； 轴封本体设有可以作为支点的轴承； 在搅拌容器内，轴中部设有导向轴承，可以作为一个支点者。 当按上述条件选用单支点机架时，减速器输出轴与搅拌器之间采用弹性联轴器连接；当不具备上述条件而选用单支点机架时，减速器输出轴与搅拌器之间采用刚性联轴器连接。3、双支点机架 在不宜采用单支点机架或无支点机架，可选用双支点机架，但减速器输出轴与搅拌器之间必须采用弹性联轴器连接。选用双支点机架时必须考虑由于机架内有两个支承点的关系,机架高度相应增大。由任务书给定，反应釜采用v带传动减速机。由于v带减速机自带机架，所以不用选配机架。4.4.7联轴器 电机或减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接，都是通过联轴器连接的。常用的联轴器有弹性块式联轴器，刚性凸缘联轴器，夹壳联轴器和紧箍夹壳联轴器等。根据所选v带减速机的规格, 本反应釜采用刚性凸缘联轴器。查gt型凸缘联轴器主要参数及尺寸，选用联轴器的符号为gt-45，孔径为45，质量为16kg。4.5 反应釜的轴封装置设计 轴封是搅拌设备的一个重要组成部分。其任务是保证搅拌设备内处于一定的正压力的真空状态以及防止反应物料逸出和杂质的渗入。鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式搅拌为主，很少满釜操作，轴封的对象主要为气体；而且搅拌设备由于反应工况复杂，轴的偏摆振动大，运转稳定性差等特点，故不是所有形式的轴封都能用于搅拌设备上。 反应釜搅拌轴处的密封，属于动密封，常用的有填料密封和机械密封两种形式，它们都有标准，设计时可根据要求直接选用。4.5.1 填料密封 填料密封是搅拌设备最早采用的一种轴封结构，它的基本结构是由填料，填料箱，压盖，紧压螺栓及油杯等组成。因其结构简单，易于制造，在搅拌设备上曾得到广泛应用。一般用于常压，低压，低转速及允许定期维护的搅拌设备。 当采用填料密封时，应优先选用标准填料箱。标准填料箱中，hg21537.7-92为碳钢填料箱，hg21537.8-92为不锈钢填料箱。 填料箱密封的选用还注意以下几方面： 当填料箱的的结构和填料的材料选择合理，并有良好润滑和冷却条件时，可用于较高的工作压力，温度和转速条件下； 当填料无冷却，润滑时，转轴线速度不应超过1m/s; 当搅拌容器内介质温度大于200时，应对填料密封进行有效冷却； 当从填料箱油杯中压注密封润滑液时，润滑液流入容器内对工艺性能有影响时，应在填料箱下端轴上设置储油杯； 填料箱一般可不设支承套，应将搅拌轴的支承设置在机架上。4.5.2 机械密封 机械密封是一种功耗小，泄漏率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。主要用于腐蚀，易燃，易爆，剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。 由于反应釜多采用立式结构，转速低，但搅拌轴直径大，尺寸长，摆动和振动较大，故机械密封常采用外装式（静环装于釜口法兰外恻），小弹簧（补偿机构中含有多个沿周向分布的弹簧），旋转式（弹性元件随轴旋转）的结构，当介质压力、温度低且腐蚀性大时，可采用单端面（由一对密封端面组成），非平衡型（载荷系数k1）的机械密封。当介质压力，温度高或介质为易燃，易爆，有毒时，应采用双端面（由两对密封面组成），平衡型（载荷系数k1）的机械密封。 当搅拌设备采用机械密封时，在下列情况下，应采用必要的措施，以便保证密封使用性能，提高使用寿命。 当密封腔介质温度超过80时，对单端面和双端面机械密封，都应采用冷却措施； 为防止密封面干摩擦，对单端面机械密封，应采用润滑措施； 当采用双端面机械密封时，应采用密封液系统，向密封端面提供密封液，用于冷却，润滑密封端面； 必要时，应对润滑液，密封液进行过滤； 当采用润滑及密封液系统时，需考虑一旦润滑液，密封液漏入搅拌容器内，应不会影响容器内物料的工艺性能，不会使物料变质，必要时应采用缓冲液杯和漏夜收集器等防污染措施。 本反应釜一般在常压，低压，低转速下使用,故采用填料密封。因其结构简单，易于制造，在搅拌设备上曾得到广泛应用,且便于定期维护此搅拌设备。4.6反应釜的其他附件设计4.6.1 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/t4725-92）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时选b型，否则选a型。每台反应釜常用4个支座，但作承重计算时，考虑到安装误差造成的受力情况变坏，应按两个支座计算。本反应釜为夹套立式安装，不需要保温，选用b型标准耳式支座，耳座为4个。耳式支座的实际承受载荷的近似计算： ，本反应釜耳座单重=8.3 kg，支座的总质量为m=33.2kg。4.6.2 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。 手孔直径一般为150-250mm,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。人孔的形状有圆形和椭圆两种。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，以便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入罐体内。由任务书给定，本反应釜需开设手孔，没有人孔。根据任务书要求,公称直径dn=100mm。本反应釜选用带颈平焊法兰手孔,突面(rf型)。由参考文献16表11-4手孔尺寸选用带颈平焊法兰手孔，螺柱为m16，数量为4个，螺母数为8个，总质量为13.3kg。4.6.3 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。1、 接管与管法兰接管和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）。接管的伸出长度一般为从法兰密封面到壳体外径为150mm，当考虑设备保温等要求时，可取伸出长度为200mm。 管法兰分为：板式平焊法兰（pl），带颈平焊法兰（so），带颈对焊法兰（wn）等，法兰密封面形式主要有突面（rf），凹凸面（mfm），榫槽面（tg）三种。本任务书要求蒸汽入口、加料口和冷凝水出口的公称直径dn=25，由公称直径与钢管外径，选用外径为32，质量为0.4kg的钢管。由标准突面板式平焊钢制管法兰主要尺寸，选用外径为100mm，内径为33mm，螺纹为m10，理论质量为0.65kg 的法兰。表4-9工程直径与钢管外径视镜的公称直径dn=80，由表4-16公称直径与钢管外径，选用外径为89的钢管。由标准突面板式平焊钢制管法兰主要尺寸，选用外径为190mm，内径为91mm，螺纹为m16，理论质量为2.60kg 的法兰。温度计管口的公称直径dn=65，由表4-16公称直径与钢管外径，选用外径为76，质量为1.7kg的钢管。由标准突面板式平焊钢制管法兰主要尺寸，选用外径为160mm，内径为78mm，螺纹为m12，理论质量为1.61kg 的法兰。放料口的公称直径dn=40，由表4-16公称直径与钢管外径，选用外径为45的钢管。由标准突面板式平焊钢制管法兰主要尺寸，选用外径为130mm，内径为46mm，螺纹为m12，理论质量为1.20kg 的法兰。手孔的公称直径dn=100，由表4-13公称直径与钢管外径，选用外径为108的钢管。由附表4-12标准突面板式平焊钢制管法兰主要尺寸，选用外径为100mm，内径为110mm，螺纹为m16，理论质量为3.02kg 的法兰。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最常用形式。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。补强圈上有一小螺纹孔（m10），焊后通入压缩空气，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。 当采用补强圈补强时，其接管壁厚可参照下列数值选取： 108x6 133x6 159x8 219x8 273x8 325x10 377x10 本任务书要求蒸汽入口、加料口和冷凝水出口的公称直径为25，由补强圈尺寸系列选用厚度为6mm，质量为0.48kg的补强圈。视镜的公称直径为80，由补强圈尺寸系列选用厚度为6mm，质量为0.88kg的补强圈。温度计管口的公称直径为65，由补强圈尺寸系列选用厚度为6mm，质量为0.71kg的补强圈。放料口的公称直径为40，由补强圈尺寸系列选用厚度为6mm，质量为0.48kg的补强圈。手孔的公称直径为100，由补强圈尺寸系列选用厚度为6mm，质量为1.02kg的补强圈。3、液体出料管 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。本反应釜的釜壁温度与夹套壁温相等，采用图液体出料管图。根据任务书要求放料口的公称直径为40，由出料管尺寸得出料管的直径 ，得 4-10 出料管尺寸4、 过夹套的物料进出口根据附图，物料进出口的结构均按过夹套的物料进出口图。根据任务书要求冷凝水出口和加料口的公称直径为25，由表出料管尺寸得出料管的直径 ，得 5、 夹套进气管当夹套装设进气管时，要防止直冲罐壁，影响罐体