搅拌反应釜的釜体设计与夹套设计说明.docx
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搅拌反应釜的釜体设计与夹套设计说明
搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计
2.1概述
夹套式反应釜的釜体是由封头、筒体和夹套三部分组成。
封头有椭圆形封头和锥形封头等形式。
上、下封头与筒体常为焊接。
2.2釜体材料的选择
根据工艺参数及操作条件（见附录2）确定封头、筒体及夹套的材料。
此设计的釜体材料选用0Cr18Ni9与夹套材料选用Q235-B，热轧钢板，其性能与用途见表2-1。
表2-1Q235-B性能与用途
材料
性能
用途举例
Q235—B
温度20℃左右情况下用，抗拉强度：
370-500MPa
伸长率：
26%（厚度40mm以下）
冲击功：
≥27J（试验温度20°）
广泛应用于常、低压压力容器的筒体、加强板、支座等方面的材料选用
0Cr18Ni9
冷、热加工性能好，无磁性和好的低温性能。
具有足够的耐晶间腐蚀能力
广泛应用于化工设备，工业设备，常、低压压力容器的筒体等方面的材料选用
由工艺参数及操作条件和表2-1可知，0Cr18Ni9和Q235—B材料能够满足任务书中的设计温度、设计压力。
在操作条件下，Q235—B能使设备安全运转，并且不会因腐蚀而对介质产生污染，而且相对与其他钢号价格便宜，所以本设计釜体材料选用0Cr18Ni9与夹套材料采用Q235-B，热轧钢板。
2.3封头的选择
搅拌反应釜顶盖在受压状态下操作常选用椭圆形封头，本设计采用椭圆形标准封头，直边高度，其内径取与筒体内径相同的尺寸。
椭圆形封头是由半个椭圆球体和一个圆柱体组成，由于椭圆部分径线曲率平滑连续，封头中的应力分布不均匀。
对于得标准形封头，封头与直边的连接处的不连续应力较小，可不予考虑。
椭圆形封头的结构特性比较好。
2.4釜体几何尺寸的确定
釜体的几何尺寸是指筒体的内径和高度。
釜体的几何尺寸首先要满足化工工艺的要求。
对于带搅拌器的反应釜来说，容积为主要决定参数。
2.4.1确定筒体的内径
由于搅拌功率与搅拌器直径的五次方成正比，而搅拌器直径往往需随釜体直径的增加而增大。
因此，在同样的容积下筒体的直径太大是不适宜的。
对于发酵类物料的反应釜，为使通入的空气能与发酵液充分接触，需要有一定的液位高度，筒体的高度不宜太矮。
因此，要选择适宜的长泾比（）。
根据釜体长径比对搅拌功率、传热的影响以及物料特性对筒体长径比的要求，又由实践经验，针对一般反应釜，液—液相物料，取值在1.7-2.3之间，并且考虑还要在封头上端布置机座和传动装置，因此，取=2.3。
由<<搅拌设备设计>>可知：
=（2-1）
有：
操作容积=全容积0.8=6.4
式中：
——操作容积，；——筒体高度，；——筒体内径；——装料系数，取值为0.8。
则：
=
=1.638
将值圆整到标准直径，取筒体内径=1600。
2.4.2确定筒体的高度
由《搅拌设备设计》可知：
（2-2）
式中：
——下封头所包含的容积，在《材料与零部件》中查得，=0.617。
=3.689
把的值圆整到=3700，则：
2.5夹套的结构和尺寸设计
常用的夹套结构形式有以下几种：
（1）仅圆筒部分有夹套，用于需加热面积不大的场合；
（2）圆筒一部分和下封头包有夹套，是最常用的典型结构；（3）在圆筒部分的夹套中间设置支撑或加强环，以提高内筒的稳定性，在夹套中介质压力较大时，由于这种结构减小了内筒的计算长度，从而减小了筒体的壁厚；（4）为全包式夹套，与前三种相比，传热面积最大。
本设计中夹套的结构选择第一种最最常用的典型结构。
夹套上设有介质进出口。
当夹套中用蒸汽作为载热体时，蒸汽一般从上端进入夹套，冷凝液从夹套底部排出，如用液体作为冷却液时则相反，采取下端进，上顿出，以使夹套中经常充满液体，充分利用传热面，加强传热效果。
2.5.1确定夹套与封头的内径
夹套的内径一般按公称尺寸系列选取，以利于按标准选择夹套封头，具体可根据筒体直径按表2-2中推荐的数值选用。
表2-2夹套内径与筒体内径的关系
500—600
700—800
2000—3000
+50
+100
+200
由此关系可取：
=+200==。
2.5.2确定夹套筒体高度
由于：
=+（2-3）
则：
=（2-4）
已知：
传热面积=，封头的内表面积=
则：
=
=
=
圆整后取：
=。
2.6釜体和夹套的壁厚的确定
釜体和夹套的强度和稳定性设计可按内、外压容器的设计方法进行。
本设计中，釜体的筒体与其下封头按承受内压和外压分别进行计算，釜体内压设计压力为，釜体外压设计压力为。
夹套的筒体以及釜体的上封头按内压容器设计，其设计压力为。
2.6.1釜体的筒体壁厚计算
（1）首先对筒体按照承受的内压进行计算
由于：
（2-5）
式中：
为内压筒体设计厚度；为设计压力，=；为筒体内径，；为Q235—B热轧钢板，在设计温度下的许用应力，=；为焊缝系数，采用双面焊缝，局部无损探伤，=；为腐蚀裕度，取值为。
将上述各值代入（2-5）中得：
圆整后，取名义厚度=。
（2）按照承受的外压进行计算
设筒体的有效厚度=
则：
=
然后确定，的值
由于=，=
因本结构没有下封头，
所以：
=
=
所以：
=
=
在《化工设备机械基础》中查图可知：
A=，B=
则：
=<
由此可知：
壁厚不符合要求，需增加壁厚计算。
再设筒体的有效厚度=
则：
=+2=
=
==
查图得A=，B=
则：
===
可知：
=时，满足外压稳定性要求
综上所述可知，釜体的筒体名义厚度取。
2.6.2釜体的封头厚度计算
（1）首先对封头按照承受的内压进行计算
已知：
P=，=，，采用双面焊缝，无损探伤，=，C==
将上述各值代入下列计算式中，得：
（2-6）
=
=
考虑到封头与筒体的焊接方便，取封头与筒体相等壁厚，即取封头壁厚名义厚度=。
因本结构没有夹套下封头，所以不用按照外压进行计算封头厚度。
2.6.3夹套的筒体壁厚计算
夹套筒体按承受的内压计算
由于：
（2-7）
式中：
P=，=，=，，C==
将上述各值分别代入（2-7）式中，得：
=
=
圆整后取=。
2.6.5水压试验校核
（1）试验压力
根据设计规定：
=
或P+（2-8）
取两者中较大的值。
式中：
——试验压力，；
式中：
——对釜体试验压力，=，对夹套试验压力，=，
则：
釜体试验压力和夹套试验压力分别为和。
（2）内压水压试验
对于釜体，根据式：
=（2-9）
式中：
=，=，===
则：
=
=
而
可见，所以水压试验强度足够。
对于夹套，把=，=，===代入（2-10）中得：
=
=
而
可见，所以水压试验强度足够。
对于釜体封头，根据式：
=（2-10）
式中：
=，=，====
则：
=
=
而
可见，所以水压试验强度足够。
综上所述，内压水压试验安全。
（3）外压水压试验
对于釜体
由于
则：
=
在《化工设备机械基础》查得A=，B=。
故许用应力===
=
可知外压水压试验安全。
若，则作水压试验时应在釜体内充压，以防止釜体筒体失稳。
2.6.6计算结果的统计
如下表2-3
表2-3
釜体
夹套
筒体壁厚
12mm
8mm
封头壁厚
12mm
2.6.7传热面积的校核
又工艺要求夹套传热面积为。
可知实际总传热面积大于工艺要求的传热面积，满足传热要求，（如果其小于工艺要求的传热面积，则应再釜体内设置其他换热装置）。
3反应釜搅拌装置的设计
3.1概述
搅拌器又称搅拌桨或叶轮，它的功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动状态以达到搅拌的目的。
本设计中，搅拌介质为有机溶，=，=。
3.2搅拌器的选型—《搅拌设备设计》
搅拌器的型式是根据搅拌的目的来选择的，本设计选用六直叶圆盘涡轮式。
原因有以下几点：
⑴根据不同的搅拌过程的搅拌器型式，可选用表3-1中的几种搅拌器型式。
表3-1
搅拌目的
挡板条件
推荐型式
液—液相分散不互溶的液体及在其中强化传质和进行化学反应
有挡板
桨式、涡轮式、推进式
由于其搅拌目的及挡板条件均与本设计的搅拌介质相符，所以选用上表所推荐的型式之一涡轮式式搅拌器。
⑵液体的粘度对搅拌状态有很大影响，所以根据搅拌介质的粘度大小来选型是一种基本方法，在本设计中所选介质的粘度为=，属于低粘度介质，而本设计所选的圆盘涡轮式，由于其结构简单且用挡板可改善流型，所以在低粘度时应用较普遍。
⑶根据涡轮式搅拌器型式的适用条件，表3-2所示：
表3-2桨式搅拌器型式的适用条件
搅拌器型式
流动状态
搅拌目的
槽
容
量
范
围
转
速
范
围
最
高
粘
度
对流循环
湍
流
扩
散
剪
切
流
低粘度液混合
溶
解
结
晶
传热
液
相
反
应
桨式
0
0
0
0
0
0
0
0
1-300
10-300
2
备注：
表中“0”表示适合。
根据上表可知涡轮式搅拌器适用的条件与本设计的相应条件相符，其中流体的流动状态三者兼有，搅拌目的为低粘度液体混合，槽容量为，转速为，选用涡轮式搅拌器。
3.3搅拌器的尺寸及搅拌层数的确定
3.3.1搅拌器的尺寸确定
根据桨径与釜体内径之比，一般涡轮式搅拌器=,本设计取=，则涡轮径=。
搅拌器示意图如图3-1所示。
800
图3-1搅拌器示意图
3.3.2搅拌层数的确定
安装在搅拌设备中心的各种搅拌器，当液体粘度不高时，搅拌器转速足够高时，切向流会形成“圆柱状回转区”，另外，在釜体内的离心力作用下甩向器壁，使周边液体沿器壁上升，而中心液面下降形成“旋涡”，为了消除湍流状态时的“圆柱状回转区”和打旋现象，可在反应器内安装挡板。
本设计在器壁上安装4块互成角的挡板，如图3-2所示。
挡板的作用：
⑴将切向流动转变为轴向流动，对于釜体内液体的主体对流扩散、轴向扩散和径向流动都是有效的；
综上所述，本设计采用双层桨。
图3-2挡板示意图
3.4搅拌器的位置确定
桨叶为一层，安装位置如图2-3所示，接近封头与筒体的连接处。
图3-3搅拌器位置示意图
3.5搅拌器的功率计算
搅拌器功率是搅拌器形状、转速、液体性质、反应釜的尺寸和内部附件以及搅拌器在反应釜内的位置的函数。
根据永田进治公式进行计算：
当无挡板时搅拌器功率的计算式为：
==（3-1）
当有挡板时，把上式中的换成
=
上式中：
——14+；
——；
——，
==，==；
——桨叶倾斜角，平桨=；
——桨叶宽度，；
——叶层深度，。
首先将和的值代入、、和中，得：
=
=
=
=14+
=
=
=
=
=
然后将、、和的值分别代入得计算式中，得：
=
=
修正后搅拌器的搅拌器的功率应按下式计算
=（3-2）
式中：
修正系数
则：
=
=
3.6搅拌轴的设计
3.6.1搅拌轴材料的选择
本设计选用钢为搅拌轴的材料。
原因如下：
钢为高强度中碳钢，其特点是强度较高，塑性及韧性较好，切屑性优良，经调质处理，获得较好的综合机械性能。
3.6.2轴的支承条件设计
一般情况下，搅拌轴依靠减速箱内的一对称轴支持，但是，由于搅拌往往较长而且悬伸在反应器内进行搅拌操作，当搅拌轴悬臂过长而细时，常会将轴扭弯，使其离心力作用增加，最后达到完全破坏。
悬臂的支撑条件如下：
（如图3-4所示）
4-5；40-45
式中
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