常压搅拌式皂化锅设计说明书正文.doc

摘要近年来，随着我国造纸工业的发展，数以千计的中小造纸厂及乡镇造纸厂迅速的遍及全国各地，成为我国造纸工业中一支重要的力量。中小造纸厂发展迅速，而且逐渐向高质量、高效率、低成本的方向发展。为适应这种生产能力逐渐扩大的需要，我这次承担了造纸工业一种设备“常压搅拌式皂化锅”的设计。常压搅拌式皂化锅是造纸工业的一种辅助的设备，一般用于松香造化，生成松香胶，一种抗水性介质加入到纸浆中。这种设备占地面积小、结构简单、紧凑，而且操作简单，温度保持较好，腐蚀程度不高，是造纸工艺中一个必不可少的环节。同时具有生产能力强，使用寿命长，不易损坏，非常实用等特点。本文是关于常压搅拌式皂化锅的设计计算和使用说明书。本文包括概述，皂化锅的原理、应用范围及特点，主要技术规范及参数，皂化锅的总体方案设计，外部构件，成套件的选用，设备安装及使用，设备的维修，参考书目等部分组成。在总体结构的设计中，着重论述了传动搅拌装置和加热装置两部分的内容。其中加热装置采用间接蒸汽加热，夹套是其中重要的部份。而搅拌装置的主要作用是加快反应速度，其动力主要来源于锅体上部安装的电动机，通过三角皮带轮减速机，带动搅拌轴的转动，由搅拌轴底部的推进式搅拌器，完成整个搅拌过程。关键词:造纸设备； 皂化锅； 搅拌装置ABSTRACTWith the developing of paper-manufacturing industry in recently years, thousands of small and middle paper-manufacturing factories were built in our country. Efficient costless, high standard in quality products and high stability quality, high safety and better environmental protection are the way of paper-manufacturing developing. I am taking the plan of designing the rosin colophony reactor.Rosin colophony reactor is an agitated reactor. The device is widely used in papermanufacturing factory. It is an necessary technological process during the produce. The device is simple in structure. So it is very easy to mount and debugging. Of course, the device is easy to operate. Therefore is can reduce production cost. It improves economic feasibility of using .And the device have efficient for working. So it is very useful machine. The article with question concealed of designing calculation and using explain of the machine, the article include several main substance. Generally speaking, structure overall design of the device, technology standard of the device, calculation and choice of main tenancies and normal spare parts, mounting and debugging of the device, and so on.The important questions of the overall design are the agitating equipment and burning equipment. The burning equipments are burned with steam. The important device is the jacket type. The use of agitating equipment is improved the reaction rate. It composes with shaft system (shaft, journal bearing, and middle bearing) and propeller agitator, the power of which is from motor. The agitator is to more by the decelerate machine.Keywords: papermaking equipment; the response cauldron; mixes the device引 言毕业设计使同学们对机械设计有了一个深刻的认识，也是一次对大学所学知识的巩固和运用，并且与实际相结合，通过此次训练使同学们的设计水平有所提高，达到指导老师的要求，以适应社会的需要。在这次课程设计中，在杜老师的指导下，我们小组认真进行了毕业设计。我设计的题目是常压搅拌式皂化锅，属于造纸工业中的一种辅助设备。由于学校没有与之有关的资料，以及化工工艺设备的有关证据和资料，设计中遇到了一些难以解决的问题，但是在杜老师耐心的指导下，对设备的结构和尺寸进行了大量的分析和计算，然后进行了设计，我最终还是解决了问题，完成了本次设计的任务。 我首先对常压搅拌式皂化锅的应用及原理进行了初步的了解，找出其优缺点，并对常压搅拌式皂化锅的特殊装置如夹套及搅拌轴的设计有了一些个人的想法，通过分析发现夹套和搅拌装置在设计中占有重要地位。夹套是一种间接加热装置，是利用蒸汽加热的一种特殊的装置，为保证热量不被散失，外部必须采用保温好的材料，由于皂化反应是指松香与纯碱的充分接触反应。所以搅拌装置的作用就是用来加快反应的进行装置。这些都是设计中主要研究的问题。本人此项设计是常压搅拌式皂化锅的设计，由于皂化锅的加热装置及搅拌装置在设计中占有主要地位，这样就必须保证一定的温度，由于搅拌速度较低，这样就必须提供一个特定功率的电动机，以及相应的减速机构，其结构简单，由于过载才会产生打滑，所以起到安全保护作用。由于在实际的设计中遇到了许多困难，同时也出现了一些错误，但是在杜老师的帮助和指导下进行了一一改正，比较圆满的完成了皂化锅课题的合理设计，并且经过严密的计算并且加以检查，最后符合了要求。在这里，我向给予我很大帮助的杜萍老师表示衷心感谢。1 总体锅设计方案1.1 工艺流程1造化锅2.储存槽3.热水桶4.喷射器5.乳化池6.澄清池流程：物料投入皂化锅内进行皂化反应，反应后的物料通过放料管流入存储槽内，然后进入到喷射乳化器内进行乳化，乳化后的松香胶进行到乳化池内，最后流入澄清池内，形成最后的松香胶。1.2 皂化反应方案预先确定好用碱量和用水量，首先加入一定量的水，然后开动搅拌器，同时通入蒸汽直到水蒸气沸腾，加入适量碱，待碱全部溶解后，在1520分钟内，将核桃大小块状松香适量加入锅中，锅内设有搅拌器，在不断搅拌的情况下，加快反应速度，直到反应结束，反应温度应保持在102105C左右。反应物料要分批放入，不要一次加入，松香块不要太大，也不要制成粉末，这样都会影响反应的进行。1.3 方案论证1.反应物在沸腾的热水中溶解并充分反应，反应属于固液相反应，搅拌叶能使反应物充分接触加快反应进，促进生成松香胶。2.反应产生大量气泡，但由于锅体上部设有冷却装置，不会使气泡外溢，不致浪费物料，同时也不会污染环境。3.该设备是造纸行业的配套设备，适用于生产造纸石及乳化松香之用。4.该设备是一类低压夹套换热器，在锅体部分设有夹套。由夹套呈通入蒸汽加热达到良好过程。同时，在锅内没有搅拌装置，搅拌叶为推进式。通过搅拌加速松香皂化过程。5.放料阀为物动操作。操纵简易方便。6.根据对料的要求，预先确定使用碱量与用水量，在皂化锅内加热皂化，再经松香胶过滤器和喷射乳化器，即可成为有一定比例游离松香的松香胶。该设备每次皂化120200公斤。2 设备的原理、用途及特点2.1 原理及用途图1 块状松香皂化锅是运用于生产白色胶纸的造纸厂皂化及乳化松香的装置。白色胶的目的从习惯上来说，是指在纸板取得抗水性能的加工程序。事实上，就广而言之，施胶是指对纸浆、纸张或纸板进行处理，使其获得抗拒流体渗透的性能。施胶作用在于经施胶后的纸张在其某种程度上不被水和水深液所渗透。加入一种抗水性胶体物质到纸浆中。经过沉淀和干燥后，就能降低水渗透进毛细孔的速度，使其性能增加。内部施胶的种类很多。其中常用的是松香胶。松香是松脂经过蒸馏去掉松节油后得到的固体物。外观是浅棕黄色而有透明性，松香的相对密度为1.011.09，松香软化点在7378度之间，熔点因松香等级不同在80135度之间。松香是一种复杂的混合物，其中酸性物占90%左右，中性物质占510%左右。树脂酸，是松香的主要部分，有许多同分异构体，共同的分子式为C19H29COOH。松香易溶于酒精、丙酮、乙醚等。不容于冷水。在热水中部分乳化。松香的质量是以颜色划分的。造纸工业中的所有的松香以深色透明为好。由于松香是不融于水的，因此要加入适量的碱才能将它皂化和溶解，常用的皂化剂有烧碱和纯碱。用烧碱或纯碱处理松香时，可得到溶于水的碱盐，称为松香皂，用于施胶的松香胶首先进行皂化处理，就是熬胶。其反应方程式如下：C19H29COOH+NAOHC19H29COONA+H2O2 C19H29COOH+NA2CO32 C19H29COONA+H2O+CO2由上式可见，用纯碱熬胶时，在熬胶过程中生成大量二氧化碳气体，这会促使松香胶颗粒分散，使其不易凝结成团。松香胶的熬胶在皂化锅内进行的。因松香在皂化时逸出CO2而产生大量泡沫，锅的容积应选定为胶料的36倍，1立方米的皂化锅每次可处理松香150200公斤。锅内设有螺旋搅拌器，转速为235转/分。为防止溢出泡沫，锅体上部设有冷却水套。锅体内采用间接加热方式，在锅体下部设有头套，头套内通入蒸汽加热达到皂化所需要的温度。锅体为圆柱形，锅底为半球形，锅体下部设有进气管，冷凝水排出管，放料阀等。2.2 特点图2 皂化锅实物图1.容积为1立方米的皂化锅口，锅内设有搅拌装置，由2.2kw电动机通过减速装置带动。2.锅体下部设有夹套，供间接蒸汽加热。3.在头套外部引出压力管，安压力计。4.锅体上部设有冷却水套，供通入冷却水使锅口由物料获得降温，防止物料随同熬胶时产生的泡沫外溢。5.锅盖由薄铁板制成，一半固定在锅顶，一半则可以掀开，供装料使用。6.卸料口设于锅体底部，与放料阀门和放料管道接通。7.放料管道与过滤和喷射乳化器相连接，打开放料阀门，就可将锅内松香胶卸出，使其通过过滤进入喷射乳化器，得到乳化，溶于乳化槽。3 结构简述1.该设备主要组成部分为锅体、放料阀操作机构、传动装置、搅拌轴及搅拌叶等。2.电动机为SY系列节能电动机。全封闭结构，安装在槽钢架及电机架上。3.槽钢架及电机架均以型钢焊接制成，电机架上装有调整螺栓，可以调节皮带的松紧程度。4.上轴承为滚动轴承，承受搅拌轴的轴向载荷和部分径向载荷。5.搅拌轴安装在锅体的中央位置，其转速为235转/分，轴的下部设有一个螺旋式搅拌叶，搅拌时依靠键固定在轴上，其位置可根据工艺要求进行调整。为了便于维修和调整搅拌时的位置，采用搅拌轴和搅拌叶能抽出锅外的结构。6.双金属式温度计其测量范围为1150度，上部固定在槽钢上，尾部由保护套保护。7.锅体主要是A3钢板成型后焊接而成，锅底呈半球形，在锅的下部设有夹套，供通入蒸汽熬胶松香时使用。在夹套外壁上设有进气管、防气管、压力表和安全阀接管等。夹套外表面设有保温层，为了防止熬胶是松香胶泡沫外溢在锅的上部固定了一个冷却水套。8.二个支座分别焊接在锅体腰部的两侧，以支锅体及其盛物的全部重量。9.放料操作机构，放料口在底部，操作可以在上面的平台上，通过杠杆与连杆机构，操纵放料阀的开启或关闭，连杆上的插销可以使阀门保持在开启或关闭的位置上，放料阀下部的接管可以通入蒸汽，以防止胶液在放料口凝结，影响放料阀的开启和关闭的灵活性。10.中轴承为滑动轴承，承受搅拌轴的径向载荷和部分轴向载荷，轴套采用聚四氯乙烯。4 结构设计计算4.1 锅体的设计锅体主要是A3钢板成型后焊接而成，锅底呈半球形，在锅的下部设有夹套，供通入蒸汽熬胶松香时使用。在头套外壁上设有进气管、防气管、压力表和安全阀接管等。夹套外表面设有保温层，为了防止熬胶是松香胶泡沫外溢在锅的上部固定了一个冷却水套。图3 结构原理图4.1.1容积设计该设备容积要求为1立方米，反应物料为固液类型。由表252化工设备机械设计第三册5，=11.3，考虑到容器不大，故选取=1，这样可以使直径不至于太小。从工艺上了解到反应状态产生大量泡沫，物料黏度也较大，矿装料体积要小于容积的三分之一。松香锅体内径D内按下式计算：松香锅的估算内径D内圆为1050mm。由于，所以H筒为1000mm。所以该锅体容积设计合格！4.1.2夹套的设计计算夹套当作传热装置时，因为套外有热量散失，故需要在夹套体外壁加以保温材料。用蒸汽作为载体一般从上端进入夹套，凝液从夹套底部排出。4.1.3夹套的高度H夹夹套的高度H夹决定于传热面积的要求。夹套的高度一般应不低于料液的高度，以保证充分传热，根据装料系数I，操作容积nv，因此夹套高度H夹由下式估计：v1筒体每米高的容积v1=0.865立方米/米4.1.4校核传热面积工艺要求传热面积为2.4立方米。实际面积：S=S半球+S筒实际传热面积大于工艺要求2.4平方米，帮夹套高度合格！4.1.5夹套内径估算根据表25-3（化工设备机械设计第三册54.1.6夹套壁厚设计松香皂化锅的头套筒体积同对接双面焊接。焊缝进行100%。射线探伤。材料均为A3钢，根据受力析得知，夹套筒体承受内压，因此夹套筒体壁厚可以按下式计算： 4.1.7锅的壁厚设计（1）锅内的压力为常压，材料为A3钢，腐蚀量为3毫米，焊接后，先做压力测试，测试压为0.3Mpa。（2）承受压力0.3Mpa外压时筒体壁厚。首先，假设筒体的计算壁厚S0=6 mm，并以此决定，及值。D1筒体外径L筒体长度则：由图22-10化工设备机械设计第三册5,查得B=600，则许用压力P可由下式求出：因此，当筒体的由图22-10化工设备机械设计第三册5,查得B=850。所以，许用压力因此，确定筒体壁厚的规格为8mm。4.1.8冷却水套的设计根据艺要求，为防止物料随同熬胶产生的泡沫外溢，在锅体上部距离锅顶部70mm处设有冷却水套，供通入冷水使锅内物料降温，材料由A3制成，其结构如图。4.1.9锅体焊缝的强度校核由于锅体由A3钢板成型后焊接而成，焊接结构可对接焊缝，焊缝主要承受剪切应力，锅体内部的剪应力为：焊缝长度为： 焊缝承受剪应力为：所以焊接强度合格！减速机的选用根据生产工艺的要求，松香皂化锅的减速机构采用三角皮带减速机。其特点是机构简单，过载时间生打滑现象。因此能够起到安全保护的作用。但是由于皮带传动不能保持精确的传动比。4.2 带传动系统的设计与计算4.2.1计算功率P1传递的功率为：2.2KwKa为工作情况系数。4.2.2确定皮带型号根所P1=2.2Kw W=940r/min（电动机转数）选取三角V带A型。4.2.3皮带轮的计算直径为了提高带的寿命，在结构允许我情况下，尽量大一些的尺寸。由表8-5理论力学3，得d1=112mm。4.2.4皮带轮的计算直径4.2.5计算带速.4.2.6确定中心距初估算中心距a=800mm4.2.7计算胶带长度根据表8-2理论力学3,选取得2500mm的长度。4.2.8实际中心距4.2.9带轮的包角4.2.10一根V带所能传递的额定功率及其增加量) 4.2.11选带的根据4.3 搅拌装置的设计在松香皂化锅中，为了增快反应速度，强化传热效果以及加强混合效果等作用。常装有搅拌装置，搅拌装置通常有搅拌轴和搅拌器组成。4.3.1搅拌器的选择根据设备的要求，该设备采用推进式搅拌器，推进式搅拌器常用整体铸造，加工方便。搅拌器采用轴套固定在轴上。推进式搅拌器直径约取锅体内径D内的，选取d=320mm搅拌是能使物料在锅体内循环流动，所起到的作用以容积循环为主。剪切作用小，上下翻腾效果好。推时式搅拌器材料采用铸铁，搅拌器已有标准系列：HG5-225-654.3.2搅拌轴系搅拌轴的材料架用45#钢。搅拌轴承受旋转和弯曲的组合作用，其中以轴转为主，所以在工程应用中长用近似的方法来进行强度计算。它假定轴只承受扭矩的作用，然后用增加安全系数以降低材料的使用来弥补由于误差所引起的错误。4.3.3搅拌轴的结构根据工艺的要求，搅拌轴的设计为长为1820mm，最大直径为50mm的一根轴。搅拌轴的上端与带轮相配合而且需要键槽，根据带轮的直径来选取标准的系列。选取轴直径为40mm，在配合面的圆柱上，开一个1240的键槽，以便固定。下面相应的退刀只安装弹簧档圈。因此加工，安装是要控制一定的不直度，只允许取。4.3.4搅拌轴的条件由于搅拌轴比较长而悬伸在松香皂化锅中，进行搅拌，因此，搅拌轴的支撑条件比较差，当搅拌轴悬臂过大而又很细的时候，常常扭弯，离心力也随着增大，最后达到完全破坏的程度。保持搅拌轴悬臂稳定性的长度，在一般的条件下，根据经验做依据，推荐以下的二个关系：a: b: 根据公式为了满足上述条件，选取可采取中间轴承的方法，距离轴径部650mm处设置，防止轴的径向摆动。中轴承为滑动轴承，轴套的材料采用聚氯四乙烯。为了便于安装中间轴承和调整其间隙，轴套和轴瓦均做成二个半片形式，使用固定螺钉将轴套固定在轴上，轴瓦与轴承座采用动配合。轴套是为了避免因局部磨损而造成整件更换的问题，运转时只是在轴套与轴瓦之间产生相对运动。由于中间轴承只起辅助作用，因此要求结构在安装后不被破坏，原有垂直度与同心不变。4.3.5临界转速的计算当轴的转速达到一定的数值时，轴的运转由平稳变不不平稳而发生显著的反复变形和较为强烈的一种共振现象，这种发生强烈振动是的转速称为轴的临界转数。轴在靠近临界转带时，常因强烈振动而损坏，计算轴的临界速度的目的是为了避开临界转速，使轴工作的转速低于第一阶临界转速n200转/分。以下对轴的临界转数进行验算。4.3.6选择的根据圆轴在外力矩作用下匀速转动，在横截面上产生内力。如图所示：受力情况，轴的上端作用的主动力矩M2，使搅拌轴带动浆叶旋转，浆叶受到物料的阻力，给轴的阻力矩Ma。轴匀速转动时，主动力矩MC与阻力矩Ma成平衡。因此MC-Ma=0。（1）轴的强度依据现用截面法求内力，取一轴截面，根据公式得： 。N轴传递功率（千瓦）N轴的转速（转/分）则Mc=Ma=9.12Kgm。(2)轴的抗扭截面模量： 故轴的强度条件为故轴的强度合格！（3）轴的扭转刚度校核轴受扭转时如果变形过大，就会影响轴的正常工作，轴的扭转变形。轴的扭转刚度条件： （4）轴承的选择、计算、校核根据已知道轴径和工艺要求，上轴承采用双列球面滚轴承。3609.GB286-64，主要承受径向负荷，同时也可承受较小的轴向负荷。由表20-20机械设计手册6可知：径向基本额定动载荷：Cr=9680径向基本额定静载荷：Cr=8760,E=0.41,Y=1.6计算轴承的载荷圆周力 径向力 由径向引起的轴向力：轴承的当量 故取P=1626.5N计算轴承寿命Lh= 故合格。N轴承转速E寿命指数，滚轴承键的联系类型和尺寸，由表5-1机械设计手册6得d1=40轴段选用普通平键1240，键高h1=80mmd2=45轴段选用楔键1480，键高h2=9mm键的工作高度 键的强度校核对d1, d2段轴的材质均为45#钢，由表5-1机械设计手册6查得挤压强度Vp=125Mpa故安全。T轴转力矩D轴的直径B键的宽度L键的长度F磨擦系数（钢或铸钢f=0.120.17）5 设备的安装检查设备基础，并准备必要的工具与仪器。将设备运至基础上，吊运时吊索开始在支座上。根据已定出的安装中心轴线，利用设备支座下的调正垫铁，将设备的位置标高及水平度准确地调整完毕后，即可浇灌混凝土。配置设备的进汽、排汽和出水口管路系统，设置排水阻气阀，头套的放汽管应接一段管路引出，以利于设备的操作。清洗内部部件检查上、中轴承，如不够清洁，要洗净并重新注油。检查电动绝缘情况是否良好。松香胶过滤器及喷射乳化器，按工艺要求安装。保温层的敷设必须在设备试运合格后才能进行。在敷设前先将钢钉焊接上，然后除将外壳上的赃物，在夹套内通入蒸汽加热，使钢板表面温度保持在90100度之间。保温层的外表面光滑园整，包扎牢靠。在所有的焊缝处，铁丝网和护步应分开包扎，以便检修时拆开进行焊缝的检查，而不会损坏其余部分的保温层。6 设备的使用在投入生产以前，设备需要进行空运转试验，试验时间为2小时，空运转时应平稳，响声轻而均匀，各连接部位及密封不得有漏油现象。设备在开始使用时，应检查安全阀，压力表，温度计的灵敏度，并将安全阀的开启压力调整到0.22Mpa。夹套内通入蒸汽时，应打开空气的旋塞，放出内部空气，并检查阻气排水阀的灵敏性，在夹套内压力不将到零时，也应打开放空气的旋塞，以免夹套内产生真空现象。冷却水套内冷水进入量，应根据泡沫情况而定，在泡沫不上升的情况下，可停止向冷却水套进水。根据胶料的质量要求，可预先确定好用碱量与用水量。首先在锅内加入一定量的水，然后开动搅拌器，同时通入蒸汽直到水开始沸腾，加入适量的纯碱，待纯碱完全溶解后，在1520分钟内，将核桃大小的块状松香加入锅内，松香块的大小要均匀，不要有过多的粉末。在不断搅拌的情况下，控制升温速度，气压在0.05Mpa逐渐提高到0.2Mpa。如反应过快有大量泡沫形成时，可关小汽阀使温度保持在102105度左右，时间约为2小时，此时，检查胶液情况。松香不要一次投入锅中，否则就会使温度骤然降低。松香不能全部熔化，皂化不均匀，产生粘稠以致搅拌器无法转动，同时装料时应注意防止温度计碰坏。在每次熬煮松香之前，应清洗锅内杂物，每次熬煮完成之后应清洗锅内杂物。（如胶液熬煮情况下杂物不多，可减少清洗次数）生产过程中要防止碱性液体或清水侵蚀保温层。搅拌轴以逆时针方向转动。搅拌时的位置可按需要做适当的调整。放料论著无论在开启或关闭的情况下，操纵机构的插销必须插上。7 设备的维护运转时上轴承的温度不应超过60度。经常检查夹套内冷凝水是否全部排除。安装完毕后进行试运行以前和运转2上小时以后，均应做一次全面检查。轴承上应该经常补充足够的润滑油，放料开关的活动点也按时润滑，以保证操作的灵活性。中轴承的轴套的允许磨损量在0.5mm以内，超过时应立即更换。经常注意搅拌轴和搅拌叶的固定情况。定期检查压力表，安全阀，温度计的灵敏度是否良好。蒸汽夹套应和其他受压元件一起进行定期的检测和水压试验。如停机时间较长，应先将设备清洗干净，且将冷却套内的水排尽。使用过程中，须按压力容器安全监察规程中的有关规定定期检查维护，按本说明书正常使用该设备的主要受压元件，设计使用寿命为10年。结 论我设计的题目是常压搅拌式皂化锅，属于造纸工业中的一种辅助设备。我首先对常压搅拌式皂化锅的应用及原理进行了初步的了解，找出其优缺点，并对常压搅拌式皂化锅的特殊装置如夹套及搅拌轴的设计有了一些个人的想法，通过分析发现夹套和搅拌装置在设计中占有重要地位。夹套是一种间接加热装置，是利用蒸汽加热的一种特殊的装置，为保证热量不被散失，外部必须采用保温好的材料，由于皂化反应是指松香与纯碱的充分接触反应。所以搅拌装置的作用就是用来加快反应的进行装置。这些都是设计中主要研究的问题。本人此项设计是常压搅拌式皂化锅的设计，由于常压搅拌式皂化锅设计的加热装置及搅拌装置在设计中占有主要地位，这样就必须保证一定的温度，由于搅拌速度较低，这样就必须提供一个特定功率的电动机，以及相应的减