化工设备机械基础大型作业反应釜设计1227

1、湖北理工学院 大型作业化工设备机械基础大型作业题 目： 反应釜 教 学 院： 化学与材料工程学院 专 业： 化学工程与工艺 学 号： 01 02 03 04 学生姓名： 吴家尧 郑鹏宇 杨琳琳 谢勇指导教师： 夏 贤 友 年 月 日大型作业任务书220142015学年第1学期学生姓名： 专业班级：化学工程与工艺（精细化工）2011（1）指导教师： 夏 贤 友 工作部门： 化工教研室 一、大型作业题目：反应釜二、大型作业内容（含技术指标）1反应介质：10m3的水乳胶涂料；2. 容器内压：常压；3. 反应温度：8510；4. 电机功率：6kw；5. 搅拌转速：60rpm；6、作业成果：计算书1份，

2、设备图1张（cad绘制，a1打印）。三、进度安排112月15日：分配任务；212月16日-6月18日：查询资料、初步设计；312月19日-12月25日：设计计算，完成报告。412月26日：答辩，提交作业四、基本要求1设计方案：根据给定的条件合理选择设备的结构以及合适的材料，立式容器或卧式容器的筒体和封头、钢板卷制焊接结构接头、钢板材料的型号及热处理条件等；2设计计算：依据材料的性能，对选用设备的壁厚进行计算、稳定性进行校核；3辅助设备的选型：包括典型辅助设备的主要尺寸计算及型号规格：人孔或手孔设计、法兰的型号规格、接管开孔结构、视镜或液面镜以及容器的支座选型等。 教研室主任签名： 2013年

3、月 日目录设计方案简介50.1 设计条件50.2 设备外部条件50.3 水乳胶50.4 设计内容及设计方案50.4.1夹套反应釜的总体结构60.4.2 釜体设计内容60.4.3 传热装置设计内容61 反应釜釜体的设计71.1 釜体公称直径dn的确定71.2 釜体筒体壁厚的设计71.2.1 设计参数的确定71.2.2 釜体壁厚的确定71.3 釜体封头的设计81.3.1 釜体封头厚度的计算81.3.2 釜体封头相关参数91.4 筒体高度h的确定91.5 外压筒体壁厚及封头壁厚的设计91.5.1 外压筒体壁厚的计算91.5.2 外压封头壁厚的计算101.6 筒体液压试验及应力校核111.6.1 筒体

4、液压试验111.6.2 筒体应力校核112 反应釜夹套的设计122.1 夹套的公称直径和设计压力的确定122.1.1 夹套公称直径的确定122.1.2 夹套pn的确定122.2 夹套筒体的设计122.2.1夹套筒体壁厚的设计122.2.2 夹套筒体长度h筒的初步设计122.3 夹套封头的设备132.3.1 封头的选型132.3.2 椭球形封头壁厚的设计（强度和刚度）132.3.3 椭球形封头结构尺寸的确定132.3.4 带折边锥形封头厚壁的设计142.3.5封头结构的设计（总体设计）142.3.6 带折边锥形封头厚壁的设计142.4 传热面积的校核153 夹套的压力试验及应力校核163.1 水

5、压试验压力的确定163.2液压试验的应力校核163.3 水压试验的操作过程164 反应釜附件的选型及尺寸设计174.1 釜体法兰联接结构的设计174.1.1 密封面形式的选型174.1.2 螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格及材料的选择174.2 工艺接管的设计174.3 管法兰尺寸的设计184.4 垫片及材质194.5 视镜的选型194.6支座的选型及设计204.6.1支座的选型及尺寸的初步设计204.6.2支座载荷的校核计算215 搅拌轴及桨的设计235.1 搅拌器的结构型式235.2 搅拌轴直径的初步计算235.2.1 搅拌轴直径的设计235.2.2 搅拌抽临界转速校核计算245.3 联轴器的型

6、式及尺寸的设计245.4 直叶桨式搅拌器尺寸的设计246 传动装置的选型和尺寸计算256.1 电动机的选用256.2 减速机的选用266.3 机座的设计266.4 轴封装置26总结26参考文献28设计方案简介0.1 设计条件（1）反应介质：10m3的水乳胶涂料；（2）容器内压：常压；（3）反应温度：8510；（4）电机功率：6kw；（5）搅拌转速：60rpm。0.2 设备外部条件 黄石年平均气温17。最热月（7月）平均29.2，最冷月（1月）平均3.9。无霜期年平均264天，年平均降水量1382.6毫米，年平均降雨日132天左右，全年日照1666.4-2280.9小时，占全年月日可照射时数的3

7、1-63。境内多东南风，年平均风速为每秒2.17米。0.3 水乳胶的介绍由于水性涂料不用有机溶剂，对人体无毒害，对环境无污染，因而近年来发展十分迅速。凡是用水作溶剂或者分散在水中的涂料部可称之为水性涂料。水性涂料包括水溶性涂料和水胶乳涂料两种，采用乳液聚合工艺制备成合成树脂水胶乳，胶粒径0.1-10m。 目前，世界上使用较广的水胶乳涂料有聚醋酸乙烯水胶乳涂料、聚丙烯酸酯水胶乳涂料、醇酸树脂水胶乳涂料和偏氯乙烯共聚树脂水胶乳涂料。水乳胶可用：丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸异丁酯、醋酸乙烯酯、苯乙烯、氯乙烯和丙烯腈等单体合成。例如：苯丙乳液（苯乙烯-丙烯酸酯乳液）是由苯乙烯和丙烯酸酯单

8、体经乳液共聚而得。乳白色液体，带蓝光。固体含量4045，粘度801500mpas，单体残留量0.5%，ph值89。苯丙乳液附着力好，胶膜透明，耐水、耐油、耐热、耐老化性能良好。苯丙乳液用作纸品胶粘剂，也可与淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠等胶粘剂配合使用。贮存于530的库房内，贮存期1年。苯丙乳液作为一类重要的中间化工产品,有着非常广泛的用途，现主要用作建筑涂料、金属表面乳胶涂料、地面涂料、纸张粘合剂、胶粘剂等。在进行操作时可将水乳胶的密度近似于水的密度进行计算。0.4 设计内容及设计方案0.4.1夹套反应釜的总体结构带搅拌的反应釜是化学、医药及食品等工业中常用的典型反应设备之一。它是一种在一定

9、压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种（或多种）液体以及液体与固体或气体物料混匀，促进其反应的设备。一台带搅拌的反应釜主要有搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。 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，构成完整的反应釜。0.4.2 釜体设计内容釜体一般是立式圆筒形容器，有顶盖、筒体和釜底，通过支座安装在基础或平台上

10、。根据反应釜的设计参数及要求可知，釜体采用立式圆筒形结构，上、下封头均采用标准椭圆形封头。下封头与筒体焊接，上封头与筒体采用法兰连接。夹套采用焊接式整体结构形式。0.4.3 传热装置设计内容为及时送入化学放应所需热量或传出化学放应放出的热量，在釜体外部或内部可设置传热装置，使温度控制在需要的范围之内。 常用的传热装置是在釜体外部设置夹套或在釜体内部设置蛇管。反应釜的搅拌装置由搅拌轴和搅拌器组成，可使物料混合均匀、良好接触，加速化学反应的进行。 搅拌过程中，物料的湍动程度增大，反应物分子之间、反应物分子与容器器壁之间的接触不断更新，既强化了传质和传热，又有利于化学反应的进行。搅拌器采用推进式搅拌

11、器。反应釜的传动装置主要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成。反应釜的轴封装置：为维持设备内的压力或阻止釜内介质泄漏，在搅拌轴伸出封料抖出必须进行密封（动密封）。轴封装置通常有填料密封和机械密封。反应釜的其他附件，包括支座、人孔、工艺接管等。1 反应釜釜体的设计1.1 釜体公称直径dn的确定 在确定反应釜釜体直径和高度时，考虑到操作时所允许的装料程度，即装料系数的影响，通常装料系数可取0.60.85。如果物料在反应过程中产生泡沫或呈沸腾状态，应取较低值，一般为0.60.7；如果反应状态平稳，可取0.80.85（物料粘度大时，可取最大值）。所以，取=0.85。反应釜内物料类型为液-液相物料l/d

12、i可取1.01.3。所以，取l/di=1.3。设计的反应釜体积v=v0/=10/0.85=11.76m3，圆整得v=12m3。由 （1-1）式中 v釜体的体积，m3; di釜体的内径，m; l釜体的长度，m。所以，=2.27m，故得釜体dn=2270mm。1.2 釜体筒体壁厚的设计1.2.1 设计参数的确定根据设计要求，容器内压为常压，取设计压力p=0.1mpa。 设计压力p：p0.1mpa； 液柱静压力p液：mpa; 计算压力pc：pc= p+ p液 =0.1+0.03858=0.13858mpa； 设计温度t：t= 8510；焊接接头系数：0.85；设计压力p=0.1mpa，设计温度t=8

13、510，可选择q235-b号钢，查文献1得在该温度下的许用压力t=113mpa。1.2.2 釜体壁厚的确定釜体的计算厚度为： （1-2）式中 釜体的计算厚度，mm;pc釜体的计算压力，mpa; di釜体的内径，mm；焊接接头系数； t许用应力，mpa。所以，釜体的计算厚度：mm预计釜体的名义厚度在67之间，则取负偏差c1=0.60mm，双面腐蚀取c2=3mm。釜体的设计厚度d=+c2=1.64+3=4.64mm;釜体的名义厚度n=+c1+c2+=6mm;釜体的有效厚度e=+=2mm。故，釜体的壁厚为6mm。查文献2得：釜体一米高的容积v1m=2.545m3;釜体一米高的内表面积fi=5.66m

14、2；釜体一米高筒节的质量g=356kg。1.3 釜体封头的设计1.3.1 釜体封头厚度的计算 采用标准椭圆形封头作为釜体的下封头，如图1-1所示。 图1-1 椭圆形封头示意图 由于封头为椭圆形封头，所以，di/2hi=2，查文献2得椭圆形封头形状系数k=1.00，则封头厚度s: （1-3）故, smm 封头设计厚度sd=s+c2=1.64+3=9.96mm；封头名义厚度sn=s+c1+c2+=6mm。1.3.2 釜体封头相关参数封头的公称直径为2270mm，名义厚度为6mm，材质为q235-b，根据椭圆形封头标准（jb/t473795）2，得：曲边高度h1=450mm；直边高度h2=25mm；

15、内表面积fi=5.52m2；容积v封=1.214m3；质量g封=232kg。1.4 筒体高度h的确定 反应釜容积v通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度l按1-4式计算。 h= (v-v封)/v1m (1-4)式中 v封封头容积，m3； v1m1米高筒体容积，m3/m。因此，筒体长度h=(6-0.826)/2.545=2.033m=2033mm，圆整得h=2100mm。按圆整后的筒体高度修正实际容积，则 v=v1mh+v封 (1-5)筒体实际容积v实=2.5452.1+1.214=6.1705m3。1.5 外压筒体壁厚及封头壁厚的设计1.5.1 外压筒体壁厚的计算夹套内介质的压力为常

16、压，取设计外压p=0.1 mpa。设筒体的壁厚n=10mm，取c1=0.8mm，则： 筒体的计算长度h1=h+h1/3+h2=2100+150+25=2275mm e=n-c=10-3-0.8=6.2mm；do=di+2n=2270+20=2290mm；do/e=2290/6.2=369.4，（do/e20）；h1/do=2275/2290=0.993。在文献1中的h1/do坐标上找到0.993的值，由该点做水平线与对应do/e=369.4 线相交，沿此点再做竖直线与横坐标相交，交点的对应值为：a0.00012。再由文献1中选取，在水平坐标中找到a0.00012点，由该点做竖直线与对应的材料温

17、度线相交，沿此点再做水平线与右方的纵坐标相交，得到系数的值为：b25mpa、e=2.00105mpa。根据 = （1-6）式中 p许用外压力，mpa； b 查表的系数，mpa； d0筒体的外径，mm； e筒体的有效厚度，mm。由（1-6）得，故 p =0.149mpa 大于p=0.1mpa且较为接近 ，所以假设n=10mm满足筒体稳定性要求。1.5.2 外压封头壁厚的计算假设标准椭圆形封头的n=10mm，p=0.1mpa。则，e=10-3.8=6.2mm，k1=0.90，do=di+2n=2270+20=2290mm，do/e=2290/6.2=369。系数查文献1得系数b=57.5 mpa，

18、e=2.00105 mpa。所以，封头的许用外压力: mpa故，p =0.156 mpa 大于p=0.1 mpa且较为接近，所以假设n=10mm满足封头稳定性要求。1.6 筒体液压试验及应力校核1.6.1 筒体液压试验水压试验的压力： (1-7)式中 pt水中压力，mpa； p设计压力，mpa； 水中应力，mpa；t许用应力，mpa。查.0，则pt=1.250.11.0=0.125mpa。1.6.2 筒体应力校核 筒体的取设计厚度n=10mm，则有效厚度e=6.2mm，设计温度下的材料的许用应力t=113 mpa。在压力试验前，应对试验压力下的筒体应力进行校核，即容器壁内所产生的最大应力不超过

19、所用材料在试验温度上屈服极限的90%（液压试验）。应力校核： （1-7）式中t设计温度下的计算应力，mpa。由（1-7）得， mpa0.9t=0.9113=101.7 mpa因t0.9t，所以液压试验足够。2 反应釜夹套的设计2.1 夹套的公称直径和设计压力的确定2.1.1 夹套公称直径的确定 夹套套内径可根据釜体直径关系确定，如表2-1： 表2-1 夹套直径与筒体直径的关系(单位：mm)di500600700180020003000djdi+50di+100di+200 由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可知： dj= di +100 =2270+200=2470 (mm) dj=24

20、70mm在表2-1取值范围，故取dn=2470mm。2.1.2 夹套pn的确定 由设备的设计条件可知，夹套内介质的工作压力为常压，取pn=0.1 mpa。2.2 夹套筒体的设计2.2.1夹套筒体壁厚的设计 夹套筒体壁厚： =4.89mm 圆整后得，1n=6mm。 刚度校核：碳素钢的，筒体的壁厚取。2.2.2 夹套筒体长度h筒的初步设计由 h筒= （2-1）式中 h筒夹套的筒体长度，m; v 操作体积，m3; vh内径封头体积，m3； v1 筒体每一米高的容积； 装料系数。可取0.60.85；如反应时易起泡或呈沸腾状态，应取低值，如0.60.7；反应状态平稳，可取0.80.85（物料黏度较大时，

21、可取最大值）。夹套筒体长度h筒： mm 圆整后得，h筒=3450mm。2.3 夹套封头的设备2.3.1 封头的选型夹套的下封头选标准椭球型，内径与筒体相同（dj2470mm）。代号eha，标准jb/t47462002。夹套的上封头选带折边锥形封头，且半锥角。2.3.2 椭球形封头壁厚的设计（强度和刚度）因为pw为常压，所以需要根据刚度条件设计封头的最小壁厚。 因为 dj2470mm3800mm，取2 di /1000，且不小于3 mm 另加c2，所以 min4.490+3=7.490mm，圆整后n=8mm。对于碳钢制造的筒体厚壁取n=8mm。2.3.3 椭球形封头结构尺寸的确定 夹套封头的尺寸

22、见表2-2：表2-2 夹套封头尺寸直边高度h1曲面深度h2容积vjf质量25mm500mm1.126m386.49kg 封头的下部结构如图2-1：图 2-1 封头的下部结构图 由设备设计条件可知：下料口的50mm，封头下部结构的主要结构尺寸146mm。2.3.4 带折边锥形封头厚壁的设计考虑到封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取封头的壁厚与夹套筒体的壁厚一致，即8mm。2.3.5封头结构的设计（总体设计）表2-3 封头结构的设计数据表公称直径dn/mm总深度h/mm内表面积a/m2容积v/m325002001.22460.3232.3.6 带折边锥形封头厚壁的设计由于封头过渡部

23、分与锥体部分受力情况不同，分两部分计算：过渡部分：=45；k=0.8181；f=0.645；椎体大端过渡区圆弧半径r=0.15di，选型为chb。 由公式 （2-2） 公式中 n 受力物体的厚度，mm； pc计算压力，mpa； k过渡区形变系数； 焊缝系数； f锥形形变系数； di釜体直径，mm； 许用应力，mpa； c 附加厚度，mm；mm 椎体部分：mm 考虑到与夹套筒体的焊接，故圆整=10mm。2.4 传热面积的校核dn=2270mm釜体下封头的内表面积fh = 5.52 m2；dn=2270mm筒体（1m高）的内表面积= 7.128 m2；夹套包围筒体的表面积：fs =h筒= 7.12

24、81.6=11.4048 m2 fh +fs=5.52+9.048=14.568 m2 釜内进行的反应是吸热反应，则需进行传热面积的校核，将fh +fs = 14.568m2，与工艺需要的传热面积进行比较。fh +fs f=11.57 m2，满足要求。3 夹套的压力试验及应力校核3.1 水压试验压力的确定 水压试验的压力： （3-1）式中 pt 试验压力，mpa； p 设计压力，mpa；试验温度下的材料的许用应力，mpa；设计温度下的材料的许用应力，mpa。 当设计温度小于200时，与t 接近，此项=1.0 。试验压力pt =1.250.11.0=0.125 mpa。3.2液压试验的应力校核由

25、 （3-2）式中 di釜体直径，mm； e有效厚度，mm； pt水中压力，mpa； max最大应力，mpa。 得： mpa mpa由，故液压强度足够。3.3 水压试验的操作过程将容器充满液体，待容器壁温与液体温度相同时缓慢升到0.1mpa，保持一点时间，一般不小于30min，然后将压力降到规定实验压力的80%，并保持足够的时间以对所有焊接和连接部位进行检查，如有泄露，修补后重新试验。4 反应釜附件的选型及尺寸设计4.1 釜体法兰联接结构的设计设计内容包括：法兰的设计、密封面形式的选型、垫片设计、螺栓和螺母的设计。4.1.1 密封面形式的选型根据pn0.6mpa2.5 mpa、介质温度小于100

26、和介质的性质，由文献3知密封面形式为光滑面。4.1.2 螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格及材料的选择本设计选用六角头螺栓（双头螺柱b级、gb90188）、型六角螺母（a级和b级、gb/t61712000），平垫圈（100hv、gb/t95-2002）。螺栓长度l的计算：螺栓3的长度由法兰的厚度（）、垫片的厚度（）、螺母的厚度（h）、垫圈厚度（h）、螺栓伸出长(0.30.5d)确定。其中=80mm，=3mm，h=21.5mm，h=3.2mm，螺栓伸出长度取0.3d。螺栓的长度为： =201.01 mm取l200mm。螺柱标记：螺柱 m24200 gb 90188螺母标记：螺母 m24 gb/t6170

27、2000 垫圈标记：垫片 24-100hv gb/t952002 根据乙型平焊法兰、工作温度t200r/min时，都应做临界转速校核。由于反应釜的搅拌轴转速=60r/min，故不作临界转速校核计算。5.3 联轴器的型式及尺寸的设计联轴器的型式选用刚性凸缘联轴器（c型2 ）由文献2确定联轴器的结构和尺寸如表5-1。表5-1 c型凸缘联轴器的刚性及尺寸表标定符号轴径mnmaxnm主要尺寸（mm）质量kgdl1l2lh1h2l1m d4l2bc60976170859820381683m84201820.05.4 直叶桨式搅拌器尺寸的设计查工具书2可知直叶桨式搅拌器的结构参数如下：dj=(0.75-0

28、.25)dn；b=(0.25-0.1)dj；h=(1-0.2)dj；z=2。直叶桨的直径：dj=0.5dn=1135mm；桨底距槽底： h=0.8dj=908mm；桨叶厚度： b=0.15dj=170.25mm。6 传动装置的选型和尺寸计算 搅拌反应釜传动装置的设计包括：电动机、减速机和联轴器的选用，以及机座和底座的选用及设计等内容。图6-1 搅拌反应釜的传动装置1-电动机；2-减速机；3-联轴器；4-机座；5-轴封装置；6-底座；7-封头；8-搅拌轴6.1 电动机的选用由于反应釜里的物料腐蚀情况微弱且没有防爆要求，所以可选择最常用的y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机。考虑到搅拌轴通过轴封装置

29、时由摩擦而损耗的功率等因素，搅拌反应釜所需电动机的功率可由下式（6-1）表示： （6-1）式中 p电动机功率，kw； pe工艺要求的搅拌功率，kw； pm轴封摩擦损失功率，kw； 传动系统的机械效率。6.2 减速机的选用反应釜用的立式减速机，主要类型有谐波减速机、摆线针轮行星减速机、二级齿轮减速机和v带传动减速机。根据电机的功率p=6kw、搅拌轴的转速n=60 r/min，查文献可选用bld摆线针轮行星减速机，其型号尺寸从hg 5-745-78标准中查得bld-50-29。6.3 机座的设计由于本反应介质体积为10m3且转速只有60，所以反应釜传来的轴向力并不大，故机座的类型确定为j-a型，又

30、由于搅拌轴的轴径为65mm，所以机座的标定符号位j-a-65，其基本尺寸如表（6-1）：表6-1 j-a-65型机座尺寸减速机轴径尺寸质量（kg）标定符号dd1d2d3hh1b1b2f1f2n1d1j-a-656540036032054026022225681851.56.4 轴封装置反应釜中介质的泄漏会造成物料浪费并污染环境，且易燃、易爆、剧毒、腐蚀性介质的泄漏会危及人身和设备的安全。反应釜中使用的轴封装置主要有填料轴封和机械密封两种，而本设计介质的反应条件为常压且温度不高，故选用填料密封。由于本设计中的水乳胶涂料无毒、非易爆易燃且反应条件为常压，所以可选用油侵石棉填料。总结通过本次课程设计，让我们更加深刻的了解化工设备机械基础的基础知识以及反应釜的设计过程。在不同的地区，不同的温度，不同的海拔高度，不同的反应溶液，反应釜的设计过程是不同的。经过这次的课程设计，让我们深刻认识到，仅仅学习了课内的知识是不足以完成这次的课程设计的。在课程设计当中，遇到各种各样的问题，要查找各种关于化工设备的资料。通过查阅学习资料以及学习手册，一一