机械设备课程设计.docx
《机械设备课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械设备课程设计.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
机械设备课程设计
有搅拌装置的夹套反应釜
前言
《化工设备机械基础》是对化工设备的机械知识和设计能力的要求而编写的。
通过此课程的学习，是通过学习使同学掌握基本的设计理论并具有设计钢制的、典型的中、低、常压化工容器的设计和必要的机械基础知识。
化工设备机械基础课程设计是《化工设备机械基础》课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是学生体察工程实际问题复杂性，学习初次尝试化工机械设计。
化工设计不同于平时的作业，在设计中需要同学独立自主的解决所遇到的问题、自己做出决策，根据老师给定的设计要求自己选择方案、查取数据、进行过程和设备的设计计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的比较分析，择优选定最理想的方案和合理的设计。
化工设备课程设计是培养学生设计能力的重要实践教学环节。
在教师指导下，通过裸程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决生产实际问题的能力。
因此，当学生首次完成该课程设计后，应达到一下几个目的：
（1）熟练掌握查阅文献资料、收集相关数据、正确选择公式，当缺乏必要的数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场进行实际查定。
（2）在兼顾技术先进性、可行性、经济合理的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全可行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。
（3）准确而迅速的进行过程计算及主要设备的工艺设计计算及选型。
（4）用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图表来表达自己的设计思想和计算结果。
化工设备机械基础课程设计是一项很繁琐的设计工作，而且在设计中除了要考虑经济因素外，环保也是一项不得不考虑的问题。
除此之外，还要考虑诸多的政策、法规，因此在课程设计中要有耐心，注意多专业、多学科的综合和相互协调。
目录
1.设计方案的分析和拟定5
2.反应釜的设计5
2.1罐体和夹套的结构设计5
2.2罐体几何尺寸计算6
2.2.1确定筒体内径6
2.2.2确定筒体高度6
2.3夹套几何尺寸计算7
2.4夹套反应釜的强度计算7
2.4.1强度计算的原则及依据8
2.4.2确定封头尺寸8
2.4.3确定筒体的厚度δ9
2.4.4水压试验校核计算9
3.反应釜的搅拌装置10
3.1搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计10
3.2搅拌轴设计11
4.反应釜的传动装置11
4.1常用电机及其连接11
4.2釜用减速机类型，标准及其选用12
4.3凸缘法兰12
4.4安装底盖12
4.5机架13
4.6联轴器13
5.反应釜的轴封装置13
6.反应釜的其他附件14
6.1支座14
6.2人孔14
6.3设备接口14
7.数据表格15
8.参考文献19
大型作业任务书9
2011～2012学年第2学期
学生姓名：
专业班级：
化学工程与工艺（精细化工方向）2009
（1）
指导教师：
夏贤友、屈媛、胡燕辉工作部门：
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：
25m3；2.反应温度：
160℃，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：
2012年月日
1.设计方案的分析和拟定
根据任务书中的要求，一个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、工艺接管等一些附件构成。
而搅拌容器又可以分为罐体和夹套两部分。
搅拌装置分为搅拌器和搅拌轴，根据任务说明书的要求本次设计搅拌器为浆式搅拌器；考虑到机械轴封的实用性和应用的广泛性，所以轴封采用机械轴封。
在阅读了设计任务书后，按以下内容和步骤进行夹套反应釜的机械设计：
（1）总体结构设计：
根据工艺的要求，并考虑到加工、安装和维护检修的方便来确定各部分结构形式。
（2）搅拌器的设计：
①根据工艺参数确定各部分几何尺寸；
②考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体和夹套材料；
③对罐体、夹套进行强度和稳定性计算、校核；
（3）传动系统设计：
包括选择电机、确定传动类型、选择联轴器等。
（4）确定并选择轴封类型及有关零部件。
（5）绘图：
包括总图、部件图。
（6）编制技术要求：
提出制造、装配、检验和试车等方面的要求。
2.反应釜的设计
反应釜是有罐体和夹套两部分构成，罐体是反应的核心，为物料完成搅拌过程提供一个空间。
夹套为反应的操作温度提供保障，是一个套在罐体外的密封空间容器。
筒体、封头和夹套的材料选用Q235—A。
2.1罐体和夹套的结构设计
罐体采用立式的圆筒形容器，有筒体和封头构成。
通过支座安装在基础平台上。
封头一般采用椭圆形封头。
由于筒体内径Di<2600mm，因此下封头与筒体的连接采用焊接连接。
而为了拆卸清洗方便，上封头采用法兰与筒体连接。
夹套型式与罐体大致一致。
2.2罐体几何尺寸计算
2.2.1确定筒体内径
一般有工艺条件给定容积V、筒体内径Di估算：
式中V——工艺条件给定的容积，m3
i——高径比即：
，有表2-1选取，取i=1.5。
——装料系数，根据实际生产条件或实验结果而定，通常取0.6~0.85；若搅拌时产生泡沫或呈沸腾状态，取低值，约为0.6~0.7；若搅拌状态平稳或物料的黏度较高，可取0.8~0.85。
则取约为0.8。
将Di圆整到公称直径系列，则Di=2600（mm）.
表2-1常用搅拌容器的高径比i
种类
简体内物料类型
高径比i
反应釜、混合槽、溶解槽
液-液或液-固体系
1~1.3
反应釜、分散槽
气-液体系
1~2
聚合釜
悬浮液、乳化液
2.08~3.85
搅拌发酵罐
气-液体系
1.7~2.5
2.2.2确定筒体高度
封头直径确定后，确定筒体高度：
式中Vd——容器封头容积，根据文献[1]表3-3得DN=2600mm的容积Vd=2.5131m3
则估计筒体高度H=4.310m
2.3夹套几何尺寸计算
夹套和筒体的连接常焊接成封闭结构，夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。
夹套内径D2i可根据筒体内径Di按表2选取：
D2i=D1+200=2800mm
夹套下封头型式同筒体封头，直径D2i与夹套筒体相同，见表2-2。
表2-2夹套内径D2i[1]
Di
500~600
700~1800
2000~3000
D2i
Di+50
Di+100
Di+200
夹套高H2由传热面积而决定，一般不高于料液静止高度，装料系数：
=操作容积/全容积=20÷25=0.8。
夹套高H2计算：
式中V封——封头容积：
2.5131m3
代入数值计算，得：
H2=3.3m
夹套所包围的罐体的表面积，一定要大于工艺要求的传热面积F，即：
F封＋F筒≧F
故F封＋F筒=7.6545＋3.14×2.8×3.3=36.668≧36m2，所以换热要求满足。
筒体和上封头的连接采用JB/T4746—2002乙型平焊法兰连接，选取凹凸密封面法兰。
2.4夹套反应釜的强度计算
夹套反应釜几何尺寸确定后，要根据已知的公称直径，设计压力和设计温度进行强度计算确定罐体及夹套的筒体和封头的厚度。
2.4.1强度计算的原则及依据
强度计算中各参数的选取及计算，均应符合GB150-1998《钢制压力容器》的规定。
强度计算应考虑以下几种情况：
（1）圆筒内为常压外带夹套时：
当圆筒的公称直径DN≧600mm时，被夹套包围部分的筒体按外压（指夹套压力）圆筒设计，其余部分按常压设计；
（2）圆筒内为真空外带夹套时：
当圆筒的公称直径DN≧600mm时，被夹套包围部分的筒体按外压（指夹套压力+0.1MPa）筒体设计，其余部分按真空设计;
当圆筒的公称直径DN≦600mm时，全部筒体按外压（指夹套压力+0.1MPa）筒体设计；
（3）圆筒内为正压外带夹套时：
当圆筒体的公称直径DN≧600mm时，被夹套包围部分的筒体分别按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中较大值，其余部分按内压圆筒设计。
当圆筒的公称直径DN≦600mm时，全部圆筒按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中最大值。
2.4.2确定封头尺寸
（1）椭圆封头选取标准件，它的内径与筒体内径相同，标准椭圆封头尺寸即DN=Di=2600（mm）。
总深度H=690mm，容积V=2.5131m3
（2）封头厚度计算
其中Pc=0.7，
=137MP[2]
封头焊接采取双面焊、全焊透，局部无损伤，则
=0.85
计算S=0.7×2600/（2×137×0.85-0.5×0.7）=7.8mm
由表4-6【1】查得：
负偏差C1=0.8mm
由表4-7【1】查得：
腐蚀裕量C2=1.5mm
计算名义厚度Sn=S+C1+C2=7.8+0.8+1.5=11.1mm
圆整后取名义壁厚Sn=12mm
有效壁厚Se=Sn-（C1+C2）=12-2.3=9.7＞15%DN=3.9mm
故封头厚度取12mm。
（3）由表3-3[1]知封头内表面积A=7.6545m2容积V封=2.5131m3
2.4.3确定筒体的厚度δ
由
其中pc=0.7
=113MP
计算厚度δ=0.7×2600/（2×113×0.85-0.5×0.7）=9.5mm
负偏差C1=0.8mm腐蚀裕量C2=1.5mm
则设计厚度δd=δ+C2=11mm
名义厚度δn=11.8mm圆整后取δn=12mm
有效厚度δe=Sn-（C1+C2）=12-2.3=9.7mm＞15%DN=3.9mm
故筒体厚度δ=12mm
2.4.4水压试验校核计算
夹套反应釜应对罐体和夹套分别进行水压试验，并校核圆筒应力σT。
（１）罐体水压试验
由于[σ]≈[σ]t
故PT=1.25p=1.25Pc=0.875MPa
材料屈服应力σs=235Mpa
0.9σs=211.5Mpa
=117.71Mpa≦0.9σs
所以罐体水压试验强度足够
（2）夹套水压试验
由于[σ]≈[σ]t故pT=1.25p=1.25Pc2=1.125Mpa
=106Mpa
材料屈服应力σs=235Mpa
代入数据0.9σs=179.8Mpa
≦0.9σs
所以夹套水压试验强度足够。
3.反应釜的搅拌装置
搅拌装置由搅拌器、轴及其支承组成。
搅拌器的形式主要有：
桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。
本次设计采用的是浆式搅拌器。
其机械设计的主要内容是：
确定搅拌器直径、搅拌器与搅拌轴的连接结构、进行搅拌轴的强度设计和临界转速校核、选择轴的支撑结构。
3.1搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计
其桨叶为两叶。
轴转速为250r/min,采用桨式+涡轮式安装。
搅拌器与轴的连接常用螺栓对夹。
最佳装液高度H0=Di【3】
液面高度：
H0=2600mm
对桨式搅拌器有Dj/D1取0.35~0.8b/Dj=0.1~0.25Zj=2斜叶的斜角θ=45°
桨式搅拌器结构如图10-3【3】所示，器主要尺寸有表10-7查得：
则桨式搅拌器直径Dj=1250mm，d=80mm，螺栓d0=M16，数量4，销d2=16，数量1，δ=14，b=150，c=190，m=150，f=90，e=7，质量34.04kg,P/n不大于0.35。
即桨式搅拌器1250-80HG5-220—65-12
涡轮式搅拌器结构如图10-4【3】所示，器主要尺寸有表10-10【3】查得：
涡轮式搅拌器直径Dj=700mm，d=80mm，d1=120mm，d2=125mm，d3=470mm，δ=10，d0=M12，δ1=8，h=140mm，h1=100mm，h2=30mm，h3=40mm，L=175mm，b=24mm，t=85.2mm，质量=30.48kg，P/n不大于0.40。
即涡轮式搅拌器700-80HG5-221－65-8。
3.2搅拌轴设计
搅拌轴的机械设计内容同一般传动轴，主要是结构设计和强度校核
（1）搅拌轴的材料：
选用Q235-B
（2）搅拌轴的结构：
用实心直轴，因是连接的为桨式搅拌器，故采用光轴即可。
（3）搅拌轴强度校核：
轴扭转的强度条件是：
对Q235-B[τ]k=12~20Mpa
对实心轴Wp=πd3/16=100480mm3
Tθ=9.55×106p/n=133700N•mm
则：
，故d=80mm，强度足够。
（4）搅拌轴的形位公差和表面粗糙度的要求：
一般搅拌轴要求运转平稳，为防止轴的弯曲对轴封处的不利影响，因此轴安装和加工要控制轴的直度。
当转速n<100r/min时直度允许误差：
1000：
0.15。
轴的表面粗糙度可按所配零件的标准要求选取。
（5）搅拌轴的支撑
一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。
当搅拌轴较长时，轴的刚度条件变坏。
为保证搅拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂长L1，轴径d和两轴承间距B应满足以下关系：
L1/B≤4―5;L1/d≤40―50
搅拌轴的支承常采用滚动轴承。
安装轴承处的公差带常采用K6.外壳孔的公差带常采用H7。
安装轴承处轴的配合表面粗糙度Ra取0.8~1.6，外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra取1.6。
4.反应釜的传动装置
反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。
传动装置设置在釜顶封头的上部，其设计内容一般包括：
电机；减速机的选型；选择联轴器；选用和设计机架和底座等。
4.1常用电机及其连接
设备选用电机主要是考虑到它的系列，功率，转速，以及安装形式和防爆要求等几项内容。
最常用的为Y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机。
电机功率必须满足搅拌器运轴功率与传动系统，轴封系统功率损失的要求，还要考虑到又时在搅拌过程操造作中会出现不利条件造成功率过大。
电机功率可按下式确定：
式中：
取p=14kW，η=0.95~0.96
设计采用机械轴封，功率消耗小，Pm=0.6kW
则：
P=2Pd=30.7kW
4.2釜用减速机类型，标准及其选用
反应釜的立式减速机的选用根据：
轴转速n=250r/min，电机功率为37kW。
可选减速机LC150A。
减速机LC150A尺寸从HG5-745-78标准中选取。
4.3凸缘法兰
凸缘法兰一般焊接于搅拌器封头上，用于连接搅拌传动装置。
设计采用R型突面凸缘法兰由表4-1【3】查找。
表4-1
DN/mm
h1//mm
K/mm
d1/mm
d2/mm
d3/mm
d4/mm
螺栓数量
螺纹
质量/kg
700
60
400
530
830
670
720
28
M24
46
4.4安装底盖
安装底盖采用螺栓等紧固件，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。
设计选取了RS型安装底盖。
其主要尺寸查表4-2【3】
表4-2
DN
d2
K
d5
d6
S
d
K1
D10
700
830
780
26-26
320
82
176
400
12-M20
4.5机架
机架是安装减速机用的，它的尺寸应与减速机底座尺寸相匹配。
其选用类型有三种，本次选用单支点机架。
尺寸见表4-3【3】
选用单支点机架，参数如下：
/mm
表4-3
DN
d
H
H1
D1
D2
D3
D4
D5
D6
n-Φ
质量/kg
300
80
1040
399
320
400
445
495
530
565
12-Φ22
134
4.6联轴器
常用的电机和减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接，都是通过联轴器连接的。
常用的类型很多，选取刚性凸缘联轴器。
主要尺寸选用GT-70×120质量：
45kg.
5.反应釜的轴封装置
机械密封的用途和适用范围
用途：
本标准机械密封用于搅拌机传动装置传动轴的机械密封。
适用范围：
设计压力-0.1~1.6MPa
设计温度-20~+300℃
反应釜密封采用标准机械密封212-80
6.反应釜的其他附件
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撑在楼板上时选用B型，否则选择A型。
设计中选取B型，支座数为4个。
允许载荷为100KN，支座质量为：
28.7kg，地脚螺栓：
M24。
6.2人孔
人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。
设备的直径大于900mm，应开设人孔。
人孔的形状有圆形和椭圆形两种。
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，一便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入罐体内。
密封面型式：
突面（RF型），公称压力：
0.6MPa，直径DN=500mm，总质量128kg，螺柱：
20个，螺栓：
40个，螺柱：
M24-125。
6.3设备接口
化工容器及设备，往往由于工艺操作等原因，在筒体和封头上需要开一些各种用途的孔。
接管和法兰是用来与管道和其他设备连接的。
标准管法兰的主要参数是公称直径和公称压力。
接管的伸长度一般为从法兰密封面到壳体外径为150mm。
液体出料管的设计主要从物料易放尽、阻力小和不易堵塞等原因考虑。
另外还要考虑温差应力的影响。
7.数据表格
表7-1筒体和夹套的尺寸计算
步骤
项目及代号
参数及结果
备注
1-1
全容积
25
由工艺条件给定
1-2
操作容积
20
由工艺条件给定
1-3
传热面积
36
由工艺条件给定
1-4
釜体形式
圆筒形
常用结构
1-5
封头形式
椭圆形
常用结构
1-6
长径比
1.5
1-7
计算罐体筒体内径
2570mm
1-8
圆整筒体内径D1,mm
2600mm
1-9
一米高的容积
5.306
1-10
釜体封头容积
2.513
1-11
釜体高度
4.310
1-12
圆整釜体高度H1
4310
选取
1-13
实际容积
25.384
1-14
夹套筒体内径
2800
1-15
装料系数按
0.8
计算或选取
1-16
夹套筒体高度
3.295
1-17
圆整筒体夹套高度
3300
选取
1-18
罐体封头表面积
7.655
1-19
一米高筒体内表面积
8.792
1-20
实际总传热面积
36.668≥36
表7-2夹套反应釜的强度计（按外压计算罐体及夹套厚度）
步骤
项目及代号
参数及结果
备注
2-1
设备材料
Q235-B
据工艺条件确定
2-2
设计压力（罐体内）
0.15
由工艺条件给定
2-3
设计压力（夹套内）
0.7
由工艺条件给定
2-4
设计温度（罐体内）t1℃
160℃
由工艺条件给定
2-5
设计温度（夹套内）t2℃
170℃
由工艺条件给定
2-6
液柱静压力p2H,MPa
0
忽略
2-7
计算压力
0.7
计算
2-8
罐体及夹套焊接接头系数
0.85
2-9
设计温度下材料许用应力
113和137
参考文献
2-10
罐体筒体计算厚度
11.8
2-11
夹套筒体计算厚度
11.1
2-12
罐体封头计算厚度
1.239
2-13
取最小厚度
作为计算厚度
，㎜
3
2-14
钢板厚度负偏差
0.8
按钢板厚度6mm选取
2-15
腐蚀裕量
1.5
按双面腐蚀
2-16
罐体筒体设计厚度
12
表7-3稳定性校核（按外压校核罐体厚度）
步骤
项目及代号
参数及结果
备注
3-1
罐体筒体名义厚度
12
根据计算结果假设
3-2
厚度附加量
2.3
3-3
罐体筒体有效厚
9.7
3-4
罐体筒体外径
2624
3-5
筒体计算长度
1217
3-6
系数
1.653
3-7
系数
216.7
3-8
许用外压力
＜0.3
3-9
罐体筒体名义厚度
12
假设
3-10
钢板厚度负偏差
0.8
3-11
厚度附加量
2.3
3-12
罐体筒体有效厚度
9.7
3-13
罐体筒体外径
2824
3-14
筒体计算长度
4300
3-15
系数
1.179
3-16
系数
233
3-17
许用外压力
0.42＞0.3
计算稳定性满足要求
3-18
罐体封头名义厚度
12
假设
3-19
罐体封头钢板厚度负偏差
0.8
3-20
罐体封头厚度附加量
2.3
3-21
罐体封头有效厚度
9.7
3-22
罐体封头外径
2824
3-23
许用外压力
0.552>0.3
3-24
罐体封头最小厚度
4.2
满足要求
表7-4水压试验校核
序号
项目及代号
参数及结果/MPa
4-1
罐体试验压力
0.25
4-2
夹套水压试验压力
0.432
4-3
材料屈服应力点
235
4-4
187.4
4-5
罐体圆筒应力
171.71<235
4-6
夹套内压试验应力
106<235
参考文献
[1]方书起，魏新利.化工设备设计指导第一版[M]北京：
化学工艺出版社，2010.935~81，158
[2]贺匡国主编.化工容器及简明设计手册第二版[M]北京：
化学工业出版社，2002.8252
[3]朱有庭，曲文海，于浦义主编.化工设备设计手册第一版[M]北京：
化学工业出版社，2005.6831~943
升级会员 