化工设备机械基础课程设计夹套反应釜023838.docx
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化工设备机械基础课程设计夹套反应釜023838
广州大学化学化工学院
本科学生化工设备机械基础课程设
计
实验课程化工设备机械基础课程设计
实验项目夹套反应釜设计
专业班级
学号姓名
指导教师及职称
开课学期2013至2014学年第一学期
时间2014年1月6日~1月17日
夹套反应釜设计任务书
设计者姓名:
班级：
学号：
指导老师姓名：
日期：
2014年01月10号
一、设计内容
设计一台夹套传热式的反应釜
二、设计参数和技术特性指标
简图与说明
比
例
设计参数及其要求
容器
内
夹套内
工作压力/MPa
设计压力/MPa
0.2
0.4
工作温度/℃
设计温度/℃
<110
<150
染料
介质
及有
冷却水或蒸汽
溶剂
全容积/m^3
5
操作容积/m^3
4
传热面积/m^2
9
腐蚀情况
微弱
推荐材料
Q235B（3~16）
搅拌器型式
桨式
搅拌轴转速/
（r/min）
50
轴功率/kW
1.4
条件内容修改
接管表
修改标记
修改
内容
签字
日
期
符号
公称
尺寸
DN
连接
面型
式
用途
A
25
RF
蒸汽入口
B
100
RF
加料口
C
100
RF
视镜
D
25
RF
温度计接口
单位名称
E
25
RF
压缩空气接
口
工程名称
F
80
RF
加料口
设计项目
G
25
RF
冷凝水出口
条件标号
H
设备图号
M
位号/台数
N
提出人
日期
备注
三、设计要求
1、进行罐体和夹套设计计算。
2、选择支座形式并进行计算。
3、选择接管、管法兰、设备法兰、手孔、视镜等容器附件
4、绘总装配图参考图见插页附图
前言
《化工设备机械基础》是针对化学工程、制药工程类专业以及其他相近的非机械类专业，对化学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且具有设计钢制典型的中、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。
化工设备课程设计师培养学生设计能力的重要事件教学环节。
在教师指导下，通过课程设计，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以下几个目的：
（1）熟练掌握查血文献资料、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，并提出保证该过程正常、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、清晰地图标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。
概述
5
第一章罐体和夹套的设计
6
1、罐体和夹套的结构设计
--6
2、罐体的几何尺寸
6
（1）确定筒体内径
2）确定封头尺寸
（3）确定筒体高度
6
3、夹套的几何尺寸
7
（1）确定夹套内径
7
（2）确定夹套高度
7
4、夹套反应釜的强度计算
1）强度计算的原则及依据
（2）按内压对筒体和封头进行强度计算
8
（3）按外压对筒体和封头进行强度校核
9
（4）水压试验校核计算
---10
5、夹套反应釜设计计算数据一览表
10
（1）几何尺寸
10
（2）强度计算
11
（3）稳定性校核（按外压校核厚度）
4）水压试验校核
13
第二章反应釜其它附件
14
1、支座
2、
手孔和人孔
---14
3、
15
设备接口
15
（1）设备法兰
2）接管和管法兰
16
（3）补强圈
16
（4）液料出料管和过夹套的物料进出口
16
4、视镜
17
参考文献
本设计根据化工设备的机械理论知识，参照给顶工艺参数，科学合理地设计出符合要求的夹套反应釜，其涉及的内容如下：
（1）总体结构设计根据工艺要求并考虑制造、安装和维护检修的方便，确定各部分结构形式，如封头型式、传热面积、搅拌类型、传动形式、轴封和各种附件的结构形式。
（2）容器的设计其主要内容有：
a）根据工艺参数确定各部分几何尺寸；
b）考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体和夹套材料；
c）对罐体、夹套等进行强度和稳定性计算、校核；
（3）相关附件的选择包括视镜、法兰手孔和人孔。
（4）绘图包括装配图、部件图和零件图。
如标准零件、部件，写出标准号及标记，不必绘图。
（5）编制技术要求提出制造、装配、检验和试车等方面的要求。
采用标准技术条件标注文号。
本设备按照GB150—1998《钢制压力容器》进行制造、实验和验收，并接受国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监督规程》的监督。
2.焊接采用电弧焊。
3.焊接接头型式及尺寸处图中注明外，按GB985—88规定；角焊缝的腰高按薄板的厚度；法兰焊接按相应的法兰的标准中的规定。
4.筒体、封头及其相连接的对接焊接接头应进行X射线探伤检查，检测长度不得少于各条焊接接头长度的20%，且不小于250mm，Ⅲ级为合格。
5.设备制造完毕后，设备内以0.55Mpa（表压）进行水压试验，合格后焊接夹套，夹套以0.65Mpa（表压）进行水压试验。
6.设备上凸缘与安装底座的连接表面，应在组焊后加工。
7.设备组装后，在搅拌轴上端轴封处测定轴的径向摆动量不得大于0.5mm，搅
拌轴轴向窜动量不得大3mm。
8.设备组装后，低于临界转速时，先运转十五分钟后，以水代料，并使设备内达到工作压力；超过临界转速时，直接以水代料，严禁空远转，并使设备内达到工作压力，进行试运转，时间不少一小时。
在运转过程中，不得有不正常的噪音和振动灯不良现象。
10.管口及支座方位按本图（或管口及支座方位见管口方位图）
第一章罐体和夹套的设计
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。
罐底通常为椭圆形封头，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制的横梁，用以支承搅拌器及其传动装置。
顶盖与筒体的连接形式分为可拆和不可拆两种筒体内径D1≤1000mm，宜采用可
拆连接。
当要求可拆时做成法兰连接。
夹套的形式与罐体相同。
2、罐体几何尺寸计算
（1）、确定筒体内径
将釜体视为圆柱形筒体，一般由工艺条件给定容积V、筒体内径D1按式1估算：
式1
式中V——工艺条件给定容积，m3;
i——长径比，i=H1/D1=1.1（按物料的类型选取，见表1）
当D1估算值圆整到公称直径系列，见附表D-1。
取D1=1700mm
表1
种类
设备内物料类型
I
一般搅拌釜
液-固相或液-液相物料
1～1.3
气-液相物料
1～2
发酵罐类
1.7～2.5
（2）、确定封头尺寸
封头选用椭圆封头，型号是JB/T4746-2002
公称直径DN/mm
总深度H/mm
内表面积A/m2
容积V/m3
直边高度h/mm
1700
450
3.2662
0.6999
25
（3）、确定筒体高度
立式反应釜釜体的容积通常是指圆柱形筒体和下封头包含的容积，即：
V=V筒+V封。
DN=1800m时m，查表得V封=0.6999m3,V1m=2.270m3
式中V封——封头容积（见附表D-2），m3；
V1m——1米高的筒体容积（见附表D-1），m3/m。
当筒体高度确定后，应按圆整后的筒体高度修正实际容积，则圆整后的釜体高度
H1=1900m。
m
式
3
式中V封——封头容积（见附表D-2），m3；
V1m——1米高筒体容积（见附表D-1），m3/m。
H1——圆整后的筒体高度,m。
3、夹套几何尺寸计算
（1）夹套内径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。
夹套的内径D2可根据筒体内径D1选取D2=D1+100=1800mm
表2夹套直径D2（mm）
D1
500～600
700～1800
2000～3000
D2
D1+50
D1+100
D1+200
夹套下封头型式同罐体封头，其直径D2与夹套筒体相同
（2）夹套高度
夹套高H2由传热面积决定，不能低于料液高。
通常由工艺给定装料系数η，或根据已知操作容积和全容积进行计算，即η=操作容积/全容积。
装料系数没有给定，则应合理选用装料系数的值，尽量提高设备利用率。
通常取=0.6～0.85。
如物
料在反应过程中要起泡或呈沸腾状态，应取低值，=0.6～0.7；如物料反应平稳或物料粘度较大时，应取大值，=0.8～0.85所以取0.8。
夹套高H2按下式估算。
H2（VV封）/V1m（0.850.6999）/2.2701.454m1500mm式4
式中V封——封头容积（见附表D-2），m3；
V1m——1米高筒体容积（见附表D-1），m3/m。
夹套所包围的罐体的表面积（筒体表面积F筒+封头表面积F封）一定要大于工艺要求的传热面积F，即
式中F筒——筒体表面积，F筒=H2×F1m=1.5×5.34=8.01㎡
F封——封头表面积（见附表D-2），F封=3.2662㎡
F1m——1m高内表面积（见附表D-1），㎡/m，
F=F封+F筒=3.2662+8.01=11.2762≥9满足要求。
式5
当筒体与上封头用法兰连接时，常采用甲型平焊法兰连接，这是压力容器法兰中的一种，甲型平焊法兰密封面结构常用平密封面和凹凸密封面两种。
平密封面法兰见附图1。
4、夹套反应釜的强度计算
（1）强度计算的原则及依据
当夹套的反应釜几何尺寸确定后，则根据已知的公称直径、设计压力和设计温度进行强度计算，确定罐体及夹套和封头的厚度。
强度计算应考虑以下几种情况。
a.圆筒内为常压外带夹套时：
当圆筒的公称直径DN≥600㎜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；
b.圆筒内为真空外带夹套时：
当圆筒的公称直径DN≥600㎜时，被夹套包围部分的筒体按外压（指夹套压力
+0.1MPa）圆筒设计，其余部分按真空设计；
当圆筒的公称直径DN≤600㎜时，全部筒体按外压（指夹套压力+0.1MPa）圆筒设计；
c.圆筒内为正压外带夹套时：
当圆筒体的公称直径DN≥600㎜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≤600㎜时，全部筒体按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中最大值。
（2）按内压对筒体和封头进行强度计算
由工艺条件及微弱的腐蚀情况，确定设备的材料为Q235R（3-16），由工艺知罐体内的设计压力p10.2MPa，夹套内的设计压力p2=0.4MPa罐体的设计温度t1﹤120℃，夹套的设计温度t2<150℃。
在设计温度下[σ]t=113MPa
液柱静压力p1H=10-6ρgH1=10-6×9.8×H1
=10-6×9.8×103×1.9
=0.01862MPa
液柱将压力P2H，由于小于设计压力的5%，故P2H可以忽略不计
计算压力p1c=p1+p1h=0.2+0.01862=0.21862MPa
计算压力p2c=p2=0.4MPa
由单面焊接局部无损伤?
=0.8
○1对碳素钢、低合金钢制容器，D1≤3800mm，δmin≥2D1/1000且不小于3mm；D1
>3800mmδ,min=D1/1000+4mm
○2对高合金钢制容器δmin不小于2mm
故取最小厚度作为计算厚度δ1=δ1'=δmin=2D1/1000=2×1700/1000=3.4mm
δ2=δ2'=δmin=4.0+0.5=4.5mm
查文献[1]表9-10，得C1=0.50mm
查文献[1],取单面腐蚀，得C2=1mm
罐体筒体设计厚度δ
1d=δ1+C2=3.4+1=4.4mm
夹套筒体设计厚度δ
2d=δ2+C2=4.0+1=5mm
罐体封头设计厚度δ
/1d=δ/1+C2=3.4+1=4.4mm
夹套封头设计厚度δ
/2d=δ/2+C2=4.0+1=5mm
罐体筒体名义厚度δ
1n=δ1d=4.4mmδmin-δ1=3.4-2.06=1.34>0.5=C1
夹套筒体名义厚度δ
2n=δ2d=5.5mmδmin-δ1'=4.5-4.0=0.5>0.5=C1
罐体封头名义厚度δ
/1n=δ/1d=4.4mmδmin-δ2=3.4-2.06=1.34>0.5=C1
夹套封头名义厚度δ
/2n=δ/2d=5.5mmδmin-δ2'=4.5-4.0=0.5>0.5=C1
（3）按外压对筒体和封头进行强度校核
○1罐体筒体名义厚度δ1n=δ1d=4.4mm
厚度附加量C=C1+C2=0.50+1=1.50mm
罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C=4.4-1.5=2.9mm
罐体筒体外径D0=D1-2δ1n=1700+2×4.4=1708.8mm
筒体计算长度L=H2+1/3h1=1500+1/3×450=1650mm
系数L/D0=1650/1708.8=0.966
系数D0/δe=1708.8/2.9=589
系数A=0.000095
系数B，无数据
0.0215<0.4
许用外压所以4.4mm的钢板不能用
○2假设名义厚度为12mm，由表可知C10.8mm，则厚度附加量C=C1+C2=0.80+1=1.80mm
罐体筒体的有效厚度δ1e=δ1n-C=12-1.8=10.2mm罐体筒体外径D0=D1-2δ1n=1700+2×12=1724mm筒体计算长度L=H2+1/3h1=1500+1/3×450=1650mm
系数L/D0=1650/1724=0.957
系数D0/δe=1724/10.2=169
系数A=0.00066MPa
系数B=92MPa
故容器稳定性满足要求
○3假设罐体封头的名义厚度为12mm，由表可知C10.8mm，则厚度附加量C=C1+C2=0.80+1=1.80mm
罐体封头的有效厚度δ1e'=δ1n'-C=12-1.8=10.2mm
罐体封头外径D0'=D1'-2δ1n'=1700+2×12=1724mm
标准椭圆封头当量球壳半径R0'=0.9DO'=0.9×1724=1552mm
系数B=112MPa
故椭圆形封头稳定性满足要求
（4）水压试验校核计算
罐体试验压力p1T1.25p1[]t1.250.20.25MPa
[]t
夹套水压试验压力p2T1.25p2[]t1.250.40.5MPa
[]t
查文献得σs=235MPaσ,T≤0.9?
σs=169.2MPa
罐体圆筒应力1Tp1T（D11e）
0.25（170010.2）20.96MPa<169.2MPa
21e
210.2
故筒体水压校核合格
夹套内压试验应力2Tp2T（D22e）
0.5（180010.2）44.37MPa<169.2MPa
22e
210.2
故夹套水压校核合格。
5、夹套反应釜设计计算数据一览表
（1）几何尺寸
确定几何尺寸
步骤
项目及代号
参数
1-1
全容积V,m^3
5
由工艺条件决定
1-2
操作容积V1,m^3
4
由工艺条件决定
1-3
传热面积F,m^2
7
由工艺条件决定
1-4
筒式型式
圆筒体
常用结构
1-5
封头型式
椭圆形
常用结构
1-6
长径比i=H1/D1
1.1
按表1选取
1-7
出算罐体筒体内径D1≈3√[（4V）/πi],m
1.7954
按公式1计算
1-8
圆整罐体筒体内径D1,mm
1700
按表D-1选取
1-9
1m高的容积V1m,m^3
2.27
按表D-1选取
1-10
罐体封头容积V1封，m^3
0.6999
按表D-2选取
1-11
罐体筒体高度H1=（V-V1封）/V1m,m
1.894
按公式2计算
1-12
圆整罐体筒体高度H1，mm
1900
选取
1-13
实际容积V=V1m×H1+V1封,m^3
5.0129
按公式3计算
1-14
夹套筒体内径D2,mm
1800
按表2选取
1-15
装料系数η=V操/V或按η=0.6~0.85选取
0.8
计算或选取
1-16
夹套筒体高度H2≥（ηV-V1封）/V1m,m
1.454
按公式4计算
1-17
圆整夹套筒体高度H2，mm
1500
选取
1-18
罐体封头表面积F1封，m^2
3.2662
按表D-2选取
1-19
1m高筒体内表面积F1m,m^2
5.34
按表D-1选取
1-20
实际总传热面积F=F1m×F2m+F1封,m^2
11.2762>9
按公式5计算
2）强度计算
强度计算（按内压计算罐体及夹套厚度）
步骤
项目代号
参数及结果
备注
2-1
设备材料
Q235R
（3~16）
根据工艺条件或者腐蚀情
况确定
2-2
设计压力（罐体内）p1，MPa
0.3
由工艺条件决定
2-3
设计压力（夹套内）p2，Mpa
0.4
由工艺条件决定
2-4
设计温度（罐体内）t1，℃
<110
由工艺条件决定
2-5
设计温度（夹套内）t2，℃
<150
由工艺条件决定
2-6
液柱静压力p1H=10^-6ρ
gh,MPa
0.01862
根据文献[1]第九章计算
2-7
计算压力p1c=p1+pH,MPa
0.21862
计算
2-8
液柱静压力p2H,MPa
0
忽略
2-9
计算压力p2c=p2
0.4
计算
2-10
罐体及夹套焊接接头系数φ
0.8
根据文献[1]表9-6选取
2-11
设计温度下材料许用应力
[σ]^t,MPa
113
根据文献[1]表9-4或表9-5
选取
2-12
罐体筒体计算厚度δ
1=（pcD1）/（2φ[σ]^t-pc）,mm
2.06
根据文献[1]第九章计算
2-13
夹套筒体计算厚度δ
1=（pcD2）/（2φ[σ]^t-pc）,mm
4.0
根据文献[1]第九章计算
2-14
罐体封头计算厚度δ
'1=（pcD1）/（2φ
[σ]^t-0.5pc）,mm
2.06
根据文献[1]第十章标准椭
圆封头计算
2-15
夹套封头计算厚度δ
'2=（pcD2）/（2φ
4.0
根据文献[1]第十章标准椭
[σ]^t-0.5pc）,mm
圆封头计算
2-16
取最小厚度δmin作为计算厚
度δ,mm
3.4
不满足刚度条件，按照文献
[1]第九章选取δmin
2-17
腐蚀裕量C2,mm
1.0
按单面腐蚀
2-18
罐体筒体设计厚度δ1d=δ+C2，
mm
4.4
根据文献[1]第九章计算
2-19
夹套筒体设计厚度δ2d=δ+C2，
mm
5
根据文献[1]第九章计算
2-20
罐体封头设计厚度δ'1d=δ
+C2，mm
4.4
根据文献[1]第十章计算
2-21
夹套封头设计厚度δ'2d=δ
+C2，mm
5
根据文献[1]第十章计算
2-22
钢板厚度负偏差C1,mm
0.5
按钢板厚度5mm选取
2-23
罐体筒体名义厚度δ
1d,mm
1n=δ
4.4
δmin-δ1=3.4-2.06>C1
2-24
夹套筒体名义厚度δ
2n,mm
5.5
δmin-δ2=4.5-4.0>C1
2-25
罐体封头名义厚度δ
'2n,mm
4.4
δmin-δ3=3.4-2.06>C1
2-26
夹套封头名义厚度δ
'2n,mm
5.5
δmin-δ4=4.5-4.0>C1
（3）稳定性校核
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δ,mm
4.4
根据计算结果假设
3-2
厚度附加量C=C1+C2
1.5
根据文献[1]第九章计算
3-3
罐体筒体有效厚度δe=δn-C,mm
2.9
根据文献[1]第九章计算
3-4
罐体筒体外径D0=D1+2δn,mm
1708.8
根据文献[1]第十
一章计算
3-5
筒体计算长度L=H2+1/
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