结晶釜的设计课程设计

结晶釜的设计课程设计课程设计题目结晶釜的设计学院化学化工学院专业化学工程与工艺目录1.结晶釜的结构31.1结晶釜的功能和用途31.2结晶釜的反应条件32.设计标准43.设计方案的分析和拟定44.各部分结构尺寸的确定和设计计算54.1罐体和夹套的结构设计54.1.1罐体几何尺寸计算64.1.2夹套几何尺寸计算74.2结晶釜的强度计算84.2.1强度计算按内压计算强度84.2.2稳定性校核按外压校核厚度104.2.3水压试验校核134.3结晶釜的搅拌器144.3.1搅拌装置的搅拌器144.3.2搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计144.3.3搅拌装置的搅拌轴设计154.4结晶釜的传动装置设计164.4.1常用电机及其连接尺寸164.4.2凸缘法兰164.4.3安装底盖164.5结晶釜的轴封装置设计164.5.1填料密封174.5.2机械密封174.6结晶釜的其他附件设计184.6.1支座184.6.2手孔和人孔184.6.3设备接口185.参考文献211.结晶釜的结构1.1结晶釜的功能和用途结晶釜主要由搅拌容器、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。搅拌容器分罐体和夹套两部分,主要由封头和筒体组成,多为中、低压压力容器;搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成,其形成通常由工艺设计而定;传动装置是为带动搅拌装置设置的,主要由电机、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、工艺管等附件一起,构成完整的结晶釜。结晶釜是物料混合反应后,夹层内需冷冻水或冷媒水急剧降温的结晶设备,其关键环节在于夹层面积的大小,搅拌器的结构形式和物料出口形式,罐体内高精度抛光,以及罐体内清洗无死角的要求来满足工艺使用条件。结晶釜是化工、制药、食品等行业的物料混合、加温、降温、搅拌等国内过程中的混合反应设备。由于工艺和介质不同,物料有易燃、易爆、巨毒、高温高压的状况常为多见。设备的搅拌形式、转速、加温和降温的要求不同。该设备的设计选材、结构和减速机防爆与不防爆要求也不同。1.1结晶釜的反应条件结晶釜的设计要注重反应的条件,一般考虑夹套和搅拌器的材料、上下进出口的设计,主要分为温度、压强、进料口和出料口、材料这几个因素。温度----这个一般都应当有严格的控制,所以在设计的时候要注意温度计选择。要是反应温度高可能要使用油浸泡温度计,所以要留可以装油的管槽,要是温度低还要注意冰封现象发生。要是温度在100度到0度之间,要求不高的情况下,可以用塞子直接套温度计(注意压强)。压强----压强的高低要选择合适的反应釜,一般只要能承受两倍的大气压就可以了。本设计是在负压条件下完成。进料口和出料口----一般进料口做一定大就一个可以了,要注意一些比如回流口、真空口什么的,还有就是出料口的大小,有些物质反应后不容易放出,所以要设计合适。材料----一般反应釜都是玻璃的,要是工业生产最好用搪瓷的,搅拌的金属要注意保护不要被腐蚀,放料活塞要可以防腐。还有就是夹套的进出水的控制,防止部分比如盐水的滞留。2.设计标准(1)HG/T20569-94《机械搅拌设备》(2)GB150-1998《钢制压力容器》(3)HG21563~21572-95HG21537.7~8-92《搅拌传动装置》(4)TCEDS8-90《压力容器强度计算书统一格式》(5)CD130A20-86《化工设备设计文件编制规定》3.设计方案的分析和拟定此次我要设计的是全容积为3.5,操作容积为2.5的结晶釜。1、设计压力:容器内的设计压力为负压,夹套内的设计压力为0.2MPa,由此可知本反应釜是在常压下工作。2、设计温度:容器内的设计温度80到100?,夹套内的设计温度150?,设计温度均不高,不需要对反应釜作保温措施。3、介质选择:容器内的介质为染料及有机溶剂,夹套内的介质为冷却水或蒸汽。4、搅拌器:选用推进式搅拌器,搅拌轴转速为50r/min,功率为4kW。5、材料选择:选用最常用的Q235-A碳素钢材,由此釜中的其他接管法兰等钢材也选用Q235-A碳素钢材。封头为标准的椭圆封头,材质也选用Q235-A碳素钢。6、传动系统:选用库存电机Y1322-6,转速960r/min,功率4.5kW,给定搅拌传动系统用V带传动。7、接管设计:已知结晶釜的用途为冷却结晶,因此反应釜需要冷却水入口、加料口、人孔、温度计管口、压缩空气入口、放料口、手孔、备用管口、压料管、压料管套管。公称尺寸:冷却水入口公称尺寸DN25、加料口公称尺寸DN25、人孔公称尺寸DN25、温度计管口公称尺寸DN80、压缩空气入口公称尺寸DN25、放料口公称尺寸DN40、冷凝水出口公称尺寸DN25、手孔公称尺寸DN100、备用管口公称尺寸DN40、压料管DN50、压料管套管DN80。8、焊接选择:焊接采用电弧焊,焊条牌号:采用J507焊条。9、法兰焊接:法兰焊接按相应法兰标准的规定,角焊缝及搭接焊缝的焊叫尺寸按两焊件中较薄板的厚度。此外,设计中还需选择接管、管法兰、设备法兰、轴承、联轴器、轴封形式,最后完成设计时,需将设计的反应釜绘制成装配图及绘出传动系统部件图。4.各部分结构尺寸的确定和设计计算4.1罐体和夹套的结构设计罐体一般是立式圆筒形式容器,有顶盖、筒体、罐底,通过支座安装在基础平台上。罐底通常为椭圆形封头。顶盖在受压状态下常选用椭圆形封头,对于常压或操作压力不大而直径较大的设备,顶盖可采用薄钢板制造的平盖,并在薄钢板上加设型钢(槽钢和工字钢)制的横梁,用以支承搅拌器及其传动装置。顶盖和钢底分别与筒体相连。罐底与筒体的连接常采用焊接连接。顶盖与筒体的连接型式分为开拆和不可拆两种,筒体直径1200?,宜采用可拆连接。当要求可拆时,做成法兰连接。夹套型式与罐体相同。4.1.1罐体几何尺寸计算1、釜体形式为常用结构圆筒形,封头形式为常用结构椭圆形。原始尺寸如下表4-1:全容积()3.5操作容积()2.5传热面积()7.4表4-1原始尺寸2初算筒体内径按式计算,得m取圆整筒体内径2000mm,一米高的容积1.333,内表面积6.28。选取釜体封头容积0.405釜体高度按式计算,得(3-0.405)/1.3332.421m选取圆整釜体高度2000mm实际容积按式计算,得1.333*2.000+0.4053.0654.1.2夹套几何尺寸计算夹套直径选取夹套筒体内径+1002100mm,装料系数η按式计算,得0.8/1.00.8夹套筒体高度H2按式计算,得(0.8*3.0-1.333)/0.7850.93m选取圆整夹套筒体高度H2930mm。以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸,选取罐体封头表面积2.213。筒体的容积、面积和质量,选取一米高筒体表面积6.28。实际总传热面积F按式`校核,得3.14*0.95+1.16254.14553.5综上所述,筒体和夹套尺寸为下表4-6所示:表4-6筒体和夹套尺寸直径mm高度(mm)筒体20001000夹套21009304.2夹套反应釜的强度计算4.2.1强度计算按内压计算强度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)0.2MPa,设计压力(夹套内)0.3MPa,设计温度(罐体内)100?,设计温度(夹套内)150?。选取罐体及夹套焊接接头系数0.85。罐体筒体计算厚度按式计算,得夹套筒体计算厚度按式计算,得罐体封头计算厚度按式计算,得夹套封头计算厚度按式计算,得壁厚附加量,其中C1为钢板负偏差,初步取0.6mm,腐蚀裕量2mm,热加工减薄量2(封头热加工0.5mm),因此:0.6+2+02.6mm罐体筒体设计厚度按式计算,得1.04+2.03.04mm夹套筒体设计厚度按式计算,得1.72+2.03.72mm罐体封头设计厚度按式计算,得1.04+2.03.04mm夹套封头设计厚度按式计算,得1.72+2.03.72mm圆整选取罐体筒体名义厚度5mm圆整选取夹套筒体名义厚度5mm圆整选取罐体封头名义厚度5mm圆整选取夹套封头名义厚度5mm4.2.2稳定性校核按外压校核厚度1、假设罐体筒体名义厚度8mm钢板厚度负偏差,选取钢板厚度负偏差0.6mm据经验规律,腐蚀裕量2.0mm厚度附加量按式计算,得0.6+2.02.6mm罐体筒体有效厚度按式计算,得8-2.65.4mm罐体筒体外径按式计算,得1000+2*81016mm筒体计算长度按式计算,得950+250/31033.3mm系数1033.3/10161.017系数1016/5.4188.15许用外压力按式计算,得85/188.150.45MPa0.3MPa确定罐体筒体名义厚度8mm假设罐体封头名义厚度8mm选取钢板厚度负偏差0.6mm据经验规律,腐蚀裕量2.0mm厚度附加量按式计算,得0.8+2.02.6mm罐体封头有效厚度按式计算,得8-2.65.4mm罐体封头外径按式计算,得1000+2*81016mm标准椭圆封头当量球壳外半径按式计算,得0.9*1016914mm系数按式计算,得查曲线,得系数100MPa许用外压力按式计算,得0.3MPa确定罐体封头名义厚度8mm4.2.3水压试验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179.8Mpa夹套内压试验应力179.8Mpa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4-10:表4-10筒体和夹套局加工尺寸筒体(mm)封头mm罐体88夹套554.3结晶釜的搅拌器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桨式。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桨式搅拌器。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。本反应釜的桨式搅拌器直径桨式搅拌器直径400mm桨式搅拌器的主要尺寸,当时,50mm,,,键槽16mm,55.1mm,95mm,质量4.59Kg,不大于0.025。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。因本结晶釜的转速50r/min,因此不需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。本结晶釜搅拌轴的结构型式选用实心直轴。3、搅拌轴强度校核:由结晶釜设计任务书给定,轴功率4kW搅拌轴转数50r/min常用轴材料为45号钢。轴所传递的扭矩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30.4*1.05%31.9mm圆整轴端直径40mm。因此搅拌轴的直径40mm。4、搅拌轴的形位公差和表面粗糙度要求:搅拌轴转速50r/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d40mm,选用角接触球轴承采用背对背安装成对轴承。4.4结晶釜的传动装置设计结晶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。结晶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。本结晶釜用库存电机Y132M2-6,转速960r/min,电机功率P4kW。4.4.2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4-15凸缘法兰主要尺寸,选择公称直径DN500mm,螺纹为M24,螺栓数量为20个,质量为102kg的R型凸缘法兰。4.4.3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DN500mm。4.5结晶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。结晶釜搅拌轴处的密封,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;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K?1)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结晶釜的其他附件设计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:,本结晶釜耳座单重8.3Kg,支座的总质量为M33.2Kg。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DN100mm。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DN25,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。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DN65,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DN40,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DN100,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。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:Ф108X6Ф133X6Ф