化工机械设备课程设计夹套反应釜

1、褥衣舞，室花HUBEI POLYTECHNIC UNIVERSITY化工设备大型作业题 目： 夹套反应釜教 学院：化学与材料工程学院专 业： 化学工程与工艺（精细化工方向）学 号：学生姓名：指导教师：2012年6月13日大型作业任务书420112012学年第2学期学生姓名:专业班级:播 20091)指导教师： 工作部门：化工教研室一、大型作业题目：夹套反应釜二、大型作业内容（含技术指标）1.容积：20m3; 2.反应温度：150 C,加热介质：水蒸气；3.使用地点：黄 石某地区。4.作业成果：计算书1份，设备图1张（A1图纸手工绘制）。三、进度安排1. . 5月28日：分配任务；2. 5月28

2、日-6月03日：查询资料、初步设计；3. 6月04日-6月08日：设计计算，完成报告。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：2012 年 月 日-可编辑修改-目录1 绪论 11.1 反应釜的基本特点 11.2 反应釜的发展趋势 22 反应釜的设计参

3、数及要求33 夹套反应釜设计 43.1 夹套反应釜的总体结构 43.1.1 釜体部分 43.1.2 传热装置 43.2 反应釜的罐体和夹套的设计 53.2.1 罐体和夹套的结构设计 53.2.2 筒体的几何尺寸计算 53.2.3 夹套几何尺寸计算 53.2.4 强度计算 63.2.5 稳定性校核 73.2.6 水压试验校核 83.3 反应釜搅拌装置设计 83.3.1 搅拌器选择 83.3.2 设计搅拌轴 93.4 传动装置设计1.03.4.1 动力设计1.03.4.2 轴封装置设计1.03.4.3 联轴器 1.13.4.4 凸缘法兰选择1.24 反应釜附件选用1.24.1 耳式支座选用1.24

4、.2 接管表 1.34.3 人孔选择1.35 参考文献1.4-可编辑修改-1 绪论1.1 反应釜的基本特点反应釜体普遍采用钢制（或衬里）、铸铁或搪玻璃。反应釜所用的材料、搅拌装置、加热方法、轴封结构、容积大小、温度、压力等各有异同、种类很多，它们的基本特点分述如下： 1 ）结构：反应釜结构基本相同，除有反应釜体外，还有传动装置、搅拌和加热（或冷却）装置等，可改善传热条件，使反应温度控制得比较均匀，并不强化传质过程。 2 ）操作压力：反应釜操作压力较高。釜内的压力是化学反应产生或由温度升高而形成，压力波动较大，有时操作不稳定，突然的压力升高可能超过正常压力的几倍，因此，大部分反应釜属于受压容器。

5、 3 ）操作温度：反应釜操作温度较高，通常化学反应需要在一定的温度条件下才能进行，所以反应釜既承受压力又承受温度。获得高温的方法通常有以下几种： 水加温要求温度不高时可采用，其加热系统有敞开式和密闭式两种。敞开式较简单，它由循环泵、水槽、管道及控制阀门的调节器所组成，当采用高压水时，设备机械强度要求高，反应釜外表面焊上蛇管，蛇管与釜壁有间隙，使热阻增加，传热效果降低。 蒸汽加热加热温度在100 以下时， 可用一个大气压以下的蒸汽来加热； 100180 范围内，用饱和蒸汽；当温度更高时，可采用高压过热蒸汽。 用其它介质加热若工艺要求必须在高温下操作或欲避免采用高压的加热系统时，可用其它介质来代替

6、水和蒸汽，如矿物油（275300 C）、联苯醴混合剂（沸点258 C）、熔盐（140540 C）、液态铅（熔点327 C ）等。 电加热将电阻丝缠绕在反应釜筒体的绝缘层上，或安装在离反应釜若干距离的特设绝缘体上，因此，在电阻丝与反应釜体之间形成了不大的空间间隙。前三种方法获得高温均需在釜体上增设夹套，由于温度变化的幅度大，使釜的夹套及壳体承受温度变化而产生温差压力。采用电加热时，设备较轻便简单，温度较易调节，而且不用泵、炉子、烟囱等设施，开动也非常简单，危险性不高，成本费用较低，但操作费用较其它加热方法高，热效率在85%以下，因此适用于加热温度在400 以下和电能价格较低的地方。（ 4）反应釜

7、搅拌结构：在反应釜中通常要进行化学反应，为保证反应能均匀而较快的进行，提高效率，通常在反应釜中装有相应的搅拌装置，于是便带来传动轴的动密封及防止泄漏的问题。（ 5 ）反应釜的工作：反应釜多属间隙操作，有时为保证产品质量，每批出料后都需进行清洗；釜顶装有快开人孔及手孔，便于取样、测体积、观察反应情况和进入设备内部检修。1.2 反应釜的发展趋势（ 1 ）大容积积化，这是增加产量、减少批量生产之间的质量误差、降低产品成本的有效途径和发展趋势。染料生产用反应釜国内多为6000L 以下， 其它行业有的达30m 3国外在染料行业有2000040000L ,而其它行业可达120 m3。（ 2）反应釜的搅拌器

8、，已由单一搅拌器发展到用双搅拌器或外加泵强制循环。反应釜发展趋势除了装有搅拌器外，尚使釜体沿水平线旋转，从而提高反应速度。（ 3）以生产自动化和连续化代替笨重的间隙手工操作，如采用程序控制，既可保证稳定生产，提高产品质量，增加收益，减轻体力劳动，又可消除对环境的污染。（ 4）合理地利用热能，选择最佳的工艺操作条件，加强保温措施，提高传热效率，使热损失降至最低限度，余热或反应后产生的热能充分地综合利用。热管技术的应用，将是今后反应釜发展趋势。2反应釜的设计参数及要求反应釜的设计参数如表1-1表1 1设计参数及要求容器内夹套内设计压力（MPa ）常压1设计温度（C）150180介质有机物，水水蒸气

9、焊接街头系数0.85/1.00.85/1.0-、一3全谷积（m ）20充装系数0.85腐蚀情况（mm）11推荐材料Q235-C传热面积（m 2）>30-可编辑修改-3 夹套反应釜设计3.1 夹套反应釜的总体结构带搅拌的夹套反应釜是化学、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。一台带搅拌的夹套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。夹套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

10、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，构成完整的夹套反应釜。3.1.1 釜体部分(1) 釜体部分由圆筒和上、下封头组成，提供物料化学反应的空间，其容积由生产能力和产品的化学反应要求决定。(2) 中、低压筒体通常采用不锈钢板卷焊，也可采用碳钢或铸钢制造，为防止物料腐蚀，可在碳钢或铸钢内表面衬耐蚀材料。(3) 釜体壳能同时承受内部介质压力和夹套压力，必须分别按内、外压单独作用时的情况考虑，分别计算其强度和稳定性。(4) 对于承受较大外压的薄壁筒体，

11、在筒体外表面影设置加强圈。3.1.2 传热装置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，在釜体外部或内常用的传热装置是在釜体外部可设置传热装置，使温度控制在需要的范围之内。部设置夹套或在釜体内部设置蛇管。(1)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器。(2)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。(3)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

12、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。(4)反应釜的其他附件，包括支座、人孔、工艺接管等。3.2 反应釜的罐体和夹套的设计3.2.1 罐体和夹套的结构设计罐体一般是立式圆筒形容器，有顶盖、筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。根据反应釜的设计参数及要求可知，罐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。3.2.2 筒体的几何尺寸计算公称容积V=20m 3取内径为Di=2400mm查 JB/T4746-2002DN =2400标准椭圆封头总深度h=625mm内表面积Fh=4.

13、4530容积 Vh=1.1257m 3则直筒高度HiV Vh2D1220 1.1257 3.996 m2.42将计算结果圆整到 H1 =4000mm长径比40001.6724003.2.2夹套几何尺寸计算罐体直径 Di=2000mm ,则夹套内径 D2= Di+200=2600mm符合压力容 器公称直径系列取反应釜的装填系数于0.85 ,则计算夹套高度为V VhH2 2 3.3328m=3332.8mmDi-2圆整取夹套高度H2=3340mm , H0=4000-3340=660mm这样满足简单法兰螺栓的装拆要求夹套的传热面积为F= F1H2+ Fh=2.4 M.14 M.34+6.41=31

14、.58m 23.2.3 强度计算罐体和夹套选择 Q235 C ,设计温度：ti=150 C （罐体内）t2=180 C （火 套内），设计压力1:常压（罐体内），P2=1MPa （夹套内） 由于是高温水蒸汽 加热，罐体安外压容器计算，夹套安内压容器计算。查表在设计温度下 Q235 C的许用应力2 qt=114.5MPa则筒体和夹套的计算厚度取焊接接头系数3后0.85筒体厚度计算:PD12 tP21 24002 114.5 0.85 112.393 mm-可编辑修改-夹套厚度计算:PD22 t P1 26002 114.5 0.85 113.426 mmPD12 t 0.5P12.362 mm筒

15、体封头厚度计算（采用标准椭圆形封头）：1 24002 114.5 0.85 0.5 1夹套封头厚度计算:PD24t21 260013.392 mm0.5P2 114.5 0.850.5 1取钢板厚度负偏差 4 : G=0.8mm ,腐蚀裕量：罐体C2=2mmC2 =1mm筒体设计厚度：&d= &+ C1+ C2=12.393+0.8+2=15.193mm夹套设计厚度：证=计 C1+ C2 =13.426+0.8+1=15.226mm筒体封头设计厚度：面=/ C1+ C2=12.362+0.8+2=15.112mm夹套封头设计厚度：&d= & + C1+ C2=1

16、3.392+0.8+1=15.192mm圆整后选取筒体名义厚度&n=16mm夹套名义厚度加=16mm筒体封头名义厚度原n=16mm夹套封头名义厚度a=16mm夹套3.2.4 稳定性校核设计外压为1MPa ,假设筒体名义厚度&n=28mm ,有效厚度浙 &n-2.8=25.2mm圆筒外径D0=D1+2 格=2400+2 >28=2456mm筒体长度计算 L= H2+ h1/3=3340+600/3=3540mmL/D0=3540/2456=2.54D0/ 1=81.58A=0.0007查得5 B=90MPaB_许用外压力P 1.077MPa >P=1.0MPa

17、Do/ e故名义厚度的=28mm ,筒体能满足1MPa外压要求假设筒体名义厚度 际=28mm 有效厚度 £=际-2.8=25.2mm标准椭圆封头当量球壳半径Ro=KiDoKi =0.9Ro=0.9 X (2400+28 >2) =2210.4mmRo/ £=2210.4/25.2=87.71系数a 0.125A=R0/ e0.12587.710.0014查表 B=120MPaB 120许用外压力P 1.368MPa > 1MPaR。/ e 87.71封头&n=28mm满足要求3.2.5 水压试验校核对筒体进行水压试验校核由于dN dtPt=1.25 P=

18、1.25 M=1.25MPa0.9 (s=0.9 >0.85 >225=172.13MPa1TPl Di lele1.25 2400 25.22 25.260.148 MPa < 0.9 小=172.13MPa所以筒体名义厚度3n=28mm符合要求对夹套进行水压试验假设夹套名义厚度为堂n=16mm有效厚度S=16-1.8=14.2mm由于dN dt故 Pt=1.25 P=1.25 xi=1.25MPa0.9 小 s=0.9 >0.85 >235=179.77MPa2TPi D22e1i5.06MPa < 0.9 小=179.77MPa2e夹套名义厚度 堂n=

19、16mm 符合设计要求3.3 反应釜搅拌装置设计3.3.1 搅拌器选择设计DN =20m 3 反应釜充料系数为0.85装料最大高度约为3340mm选用浆式折叶四叶搅拌器6,设置三排，折叶角度（=45 0取 Dj/Di=0.4搅拌器直径Dj=0.4 Di=0.4 >2400=960mm圆整到Dj=1000mm搅拌桨叶距釜底高度 h =500mm搅拌器宽度浆端线速度b=0.15 Dj=150mmv=5.0m/s以此计算出转速N=95.5r/min3.3.2 设计搅拌轴7假设釜内介质： 粘度 klO.OOmPa s 尸1200kg/m 3三排四叶折流浆式搅拌器Dj=1000mmn= N/60=

20、1.59r/s雷诺数ReD2n2_11.59 12000.01190800查图网功率因数Kn=0.5总功率 N=3 Kn pn3DJ5=3 >0.5X1200 X1.593 X5=7.24kW根据校正 轴材料选用45钢9许用应力为=35MPa 轴满足扭转强度条 件:扭矩T=9.55 X106P/nN mm p= No抗扭截面系数WT = Fd3/16 吒）.2d39.55 1063. 0.2d = Ao=46.9mm符合设计要求刚度校核45钢，单位许用扭转角q=1.0 /m剪切弹性模量 G=8 X104MPamaxT 180GZp3 7.23532 9.55 10 . on32Tmx 1

21、80 45- 侬 1.09 /mG d480 109 3.14 46.9Max =1.09 /m 呈0=1.0 /m符合设计要求按刚度条件设计轴直径7.235d 4 32Tmax180,G 32 9550 18048 mm45.580 1091再次进行刚度校核T 18032Tmax180332 9.55 107.2351800.996 /m45.5GZpG d4980 103.1448max品ax =0.996 /m < q=1.0 /m考虑到物料对轴的腐蚀剂开键需要，轴径扩大11%d=48 X (1+0.11 ) =52.8mm圆整到d=55mm由于轴较长，故设计两段轴，轴间使用联轴器

22、相连对轴上键槽开三个键槽槽宽度b=15mm 长度l=108mm3.4 传动装置设计3.4.1 动力设计搅拌轴轴功率为7.235kW ,考虑到电机经减速机等一些消耗，设搅拌装置效率为0.8则7.235/0.8=9.04kW选择A BLD 10-4-17 Q 减速机电机10kW ,减速机出轴转速85r/min选择机型号4,电机型号524、功率10kW、轴径38mm 、减速机出轴 径 55mm3.4.2 轴封装置设计由于设计反应釜为常压反应釜，对轴封装置密封性要求不高，对于常压、低 转速设备允许定期维护。选用填料密封结构简单，易于制造。根据HG 5-1412-81 标准其主要尺寸 d =55mmH=

23、209mmDi=150mm D2=104mmD3=200mm填料规格 10/10mm法兰螺栓孔8/f18mmM16重量 12.41kg密封装置见图3-1。计型d 380J-本体Ij 120|； 2-螂打口25-4:一村套UT5«0-7；一醒塞Q”5-A ； 5曲图1CS右耳撑股titi hifeff *祷人；了-门增重利陶 传龌Uh X 求花套tQ； Q-油环 Q235 AF; 10H 湖漫石林二口一而年-宙道HTM: 13修域Q2M R E-H头郎桂 U235A图3-1填料密封3.4.3 联轴器根据HG21570-95选用D型夹壳联轴器轴径 d=55mm D=150mmL=190m

24、mL1=78mmL2=34mm质量10.8kg3.4.4 凸缘法兰选择凸缘法兰一般焊接于罐体封头口，用于连接搅拌传动装置，亦可兼作安装、维护、检查用孔。凸缘法兰分整体和里衬两种形式，密封面分为凸面( R)和凹面( M )两种。查：JB/T 4701-2000选用 DN =300mm 甲型平焊法兰。4 反应釜附件选用4.1 耳式支座选用夹套反应釜多为立式安装，常用耳式支座。估算设备总质量m = m 1+ m 2+ m 3+ m 4其中mi：罐体和夹套质量m2：传动装置总重 m3：物料质量 m4：冷却水重m 1 计算 :查表 化工及设备简明设计手册P123-58=28mm ,每平方米质量 219.

25、8kg/m 2尬二16mm, 每平方米质量125.6kg/m 2单封头表面积估计值为6.41m 2筒体面积为 tDiHi=3.14 >2.4 X4.00=30.44m 2夹套筒体面积为 Q2H2=3.14 >2.42 M.34=25.379m 2m1= (30.44+6.41 >2) >219.8+ (25.379+6.41 X12.6) =13501.4kgm 2 估算值m 2 =540kg装填系数 0.85,尸1.2 X103kg/m 3m3=20 >0.85 X200=20400kg冷却水重：m4=(2.420/2) 2 H2.420 2 tH2 X1000=250kg则总质量：m=mi + m2+m3+m 4=13501+540+20400+250=34691