夹套式反应釜设计使用说明.docx
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夹套式反应釜设计使用说明
“过程装备课程设计”任务书
设计者姓名:
指导老师：
班级：
过程装备与控制工程11-2班
日期：
2014/6/23-2014/7/11
简图
设计参数及要求
容器内
夹套内
工作压力，MPa
0.25
0.35
设计压力，MPa
0.3
工作温度，C
设计温度，C
<100
<100
介质
有机溶
蒸汽
剂
全容积，m3
1.9
操作容积，m3
1.52
传热面积，m2
>3
腐蚀情况
微弱
推荐材料
Q345R
搅拌器型式
推进式
搅拌轴转速，
250r/min
r/min
轴功率，kW3
接管表
符
号
公
称尺寸
DN
连
接面形
式
用途
A
25
PL/RF
蒸汽入口
B
65
PL/RF
加料口
C
100
凸凹面
视镜
D
25
PL/RF
温度计管口
E
25
PL/RF
压缩空气入口
F
40
PL/RF
放料口
G
25
PL/RF
冷凝水出口
过程装备课程设计
姓名
学院机械与汽车工程
专业班级过程装备与控制工程11-2班
指导老师
摘要3
Abstract4
绪论5
1.1夹套反应釜的总体结构5
1.2反应釜基本特点5
1.3反应釜的发展趋势7
2、夹套反应釜设计7
2.1、罐体几何尺寸计算7
2.1.1确定筒体内径7.
2.1.2确定封头尺寸8.
2.1.3确定筒体高度8.
2.1.4夹套几何尺寸计算8.
2.2、夹套反应釜的强度与稳定性计算9
2.2.2稳定性校核（按外压校核厚度）10
2.2.3水压测试校核12
2.3反应釜的搅拌器1.2..
2.3.1搅拌器的选型：
12
2.3.2搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计13
2.3.3挡板的设计1.3
2.4反应釜的传动装置13..
2.4.1常用电机及其连接尺寸13
2.4.2带传动减速机.4
2.4.3凸缘法兰.16
2.4.4安装底盖.17
2.4.5机架17
2.4.6联轴器17
2.5搅拌轴的设计和校核18..
2.5.1轴的和设计18
2.5.2轴的校核18
2.6键的校核1.9…
2.7反应釜的轴封装置20..
2.8反应釜的其他附件21..
2.8.1设备法兰21
2.8.2支座22
2.8.3设备接口22
结束语23....
致谢24....
参考文献25....
摘要：
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。
关键词：
压力容器；反应釜；设计
Abstract:
Reactorismadeupoftankandjacket.Themainpartsareendsocketand
barrel.Themostreactorismiddleandlowpressure
container.The
dasherismadeupstirrerandmixershaft,whichisbaseon
thecraft.The
gearingistodrivethedasher,whichismadeupelectromotor
reducer
andcouplingdriveshaft.Theshaftsealismotiveseal.It
usuallyadopt
mechanicalsealandpackingseal.Itformthewholereactor
withthe
supportmanholeandtubeandsoon.
Keywords:
pressurevessels；reactor；design
1、绪论
1.1夹套反应釜的总体结构
夹套反应釜广泛用于合成橡胶、合成塑料、农药、化肥等行业。
如图所示，为一台带式搅拌的夹套反应釜。
夹套反应釜主要由搅拌容器、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。
搅拌容器常被称作搅
拌釜，当作反应器用时，称为搅拌式反应器，简称反应釜。
反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，构成完整的夹套反应釜。
反应釜材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔）合金及其它复合材料。
反应釜可采用SUS304、SUS316L等不锈钢材料制造。
搅拌器有锚式、框式、桨式、涡轮式，刮板式，组合式，转动机构可采用摆线针轮减速机、无级变速减速机或变频调速等，可满足各种物料的特殊反应要求。
密封装置可采用机械密封、填料密封等密封结构。
加热、冷却可采用夹套、半管、盘管、米勒板等结构，加热方式有蒸汽、电加热、导热油，以满足耐酸、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等不同工作环境的工艺需要。
可根据用户工艺要求进行设计、制造。
1.2反应釜基本特点
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。
（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：
1）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。
2）蒸汽加热加热温度在100C以下时，可用一个大气压以下的蒸汽来加热；100~180C范围内，用饱和蒸汽；当温度更高时，可采用高压过热蒸汽。
3）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水和蒸汽，如矿物油（275〜300C）、联苯醚混合
剂（沸点258C）、熔盐（140〜540C）、液态铅（熔点327C）等。
4）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400C以下和电能价格较低的地方。
（4）反应釜搅拌结构：
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。
1.3反应釜的发展趋势
1、大容积化，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30m3;国外在染料行业有20000〜40000L，而其它行业可达120m3。
2、反应釜的搅拌器，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、夹套反应釜设计
2.1、罐体几何尺寸计算
2.1.1确定筒体内径
有公式:
式中V工艺条件给定容积，m3（任务书规定1.9m3）
i长比径，由下表选取
表2.1不同釜内物料类型长径比
'釜内物料类型H1/Di
一般反应
釜
液-固相或液液
相物料
1~1.3
气液相物料
1~2
注：
取i=Hi/D1=1.2
经计算得：
Di再3宀1-m；
选取圆整筒体内径Di=1200mm。
2.1.2确定封头尺寸
反应釜筒体与夹套最常用的封头形式是标准椭圆形封头，以内径为基准的椭
圆形封头代号为EHA，其内径与筒体内径相同，其厚度计算并向上圆整，因此，取封头的内就内径为1200mm。
2.1.3确定筒体高度
有公式（4-2）:
式中：
H1VV1封/V1m
V封封头容积（见参考文献［1］表D-2），m3;
V1m1m高的筒体容积（见参考文献［1］表D-1），m3/m;
计算得：
比VV1M/V1m=1.455m圆整H1=1500mm;
式中：
V=V1mH1+V封=1.951m3;
V封封头容积（见参考文献［1］表D-2），m3;
V1m1m高的筒体容积（见参考文献［1］表D-1），m3/m;
H1圆整后的筒体高度，m。
2.1.4夹套几何尺寸计算
按表4-5夹套直径D2选取夹套筒体内径D2=D1+100=1300mm,
0
500^6（）0
700-1800
200C
住
D,-H50
0^10（）
Di+2（X>
装料系数n按式：
0.8
夹套筒体高度H2按式：
（VVi封）
计算得：
H2=1.155m，经圆整得H2=1200mm;
实际总传热面积F按式：
FFimH2F1#6.1792m33m3
2.2、夹套反应釜的强度与稳定性计算
2.2.1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Q345
由工艺条件给定：
设计压力（罐体内）
P1=0.25MPa,
设计压力（夹套内）
p2=0.35MPa,
设计温度（罐体内）
t1<100C,
设计温度（夹套内）
t2<150°Co
按参考文献［2］第九章计算：
液柱静压力p1H=10-6pgh=0.013MPa
计算压力P1c=P1+P1H=0.25MPa;
液柱静压力P2H=10八6gh=0MP
计算压力P2c=P2H+P2c=0.35MPa
焊接接头系数，选取罐体及夹套焊接接头系数=0.85
设计温度下材料许用应力：
罐体筒体计算厚度1按式:
夹套筒体计算厚度2按式:
[]t=189MPao
P1D1
0.934mm
1t
2P1
p2D2
1.42mm
2亠t
2
t
P2
封头计算厚度1按式：
1
11
0.934mm
t
0.5p1
2
夹套封头计算厚度
2按式：
1
P2D
2
4QAQmm
2
2t
1.ouo111111
0.5p2
取最小厚度min
3mm作为计算厚度
腐蚀余量：
C2=2.0mm
罐体筒体设计厚度
1d按式：
1d
C2
5mm
夹套筒体设计厚度
2d按式：
2d
C2
5mm
罐体封头设计厚度
1d按式：
1
1d
C2
5mm
夹套封头设计厚度
2c按式：
1
2d
C2
5mm
钢板厚度负偏差：
C1=0.6mm
（按钢板厚度6mm）
罐体筒体名义厚度
1d按式：
1n
5mm
夹套筒体名义厚度
2d按式：
2n
5mm
罐体封头名义厚度
1d按式：
1
1n
5mm
夹套封头名义厚度
2c按式：
1
2n
5mm
222稳定性校核（按外压校核厚度）
（1）筒体稳定性校核
1假设罐体筒体名义厚度：
ni=5mm
厚度附加量C按式：
CCiC22.5mm
罐体筒体有效厚度ie按式：
enC2.5mm
罐体筒体外径D0按式：
DoDi2n1210mm
筒体计算长度L按式：
LH21/3h,1300mm
系数：
LDo=1.O74
系数：
DO：
e=484
经查表得：
系数A=0.00013
系数B=――
2AE
许用外压力p按式：
P0.036MPsK0.35MPa
叫
2假设罐体筒体名义厚度n1=8mm
CCiC22.8mm
厚度附加量C按式：
罐体筒体有效厚度le按式：
enC5.2mm罐体筒体外径D0按式：
DoDi2n1216mm
筒体计算长度L按式：
LH213hi1217mm
系数：
LDo=1.O66
系数：
DO：
e=233.85
经查表得：
系数A=0.0004
系数B=55
B
许用外压力p按式：
P0.235MPav0.35MPa
oe
③假设罐体筒体名义厚度n1=10mm
厚度附加量C按式：
CC1C22.8mm
罐体筒体有效厚度1e按式:
e
n
C7.2mm
罐体筒体外径D0按式：
D。
D1
2n
1220mm
筒体计算长度L按式:
L
H2
13h1
1217mm
系数：
LD0=1
系数：
D0.e=169.4
经查表得：
系数A=0.0006
系数B=84
许用外压力p按式：
Pr
B
0.4958MPa>0.35MPa
DOe
确定罐体筒体名义厚度：
n=10mm
（2）圭寸头稳定性校核
假设罐体封头名义厚度n=10mm
查得钢板厚度负偏差，选取钢板厚度负偏差G=0.8mm
据经验规律，腐蚀裕量C2=2.0mm
厚度附加量C按式：
CGC22.8mm
罐体封头有效厚度e按式：
：
enC7.2mm罐体封头外径Do按式：
DOD12n1220mm
标准椭圆封头当量球壳外半径按式:
=1098
系数A按式：
A
0.125
Ro/
0.00082
查图4-2BfA曲线，得系数B=110MPa
B
许用外压力p按式：
p0.72MFa0.3MPa
Re
确定罐体封头名义厚度：
n=10mm
2.2.3水压测试校核
Q345通常温度下的许用应力157MPa
罐体的水压测试压力：
Pt1.25R—t0.3125MPa
夹套的水压测试压力：
P2T1.25R—r0.4375MPa
材料的屈服点应力s345MPa
T0.9s=263.93MPa
容器圆筒应力：
1tPt（D1一e）24.03MPa;24.03MPa<263.93MPa2e
夹套内压试验应力：
1tPt（D1一e）39.10MPa;39.10MPa<263.93MPa
2e
2.3反应釜的搅拌器
2.3.1搅拌器的选型:
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。
本反应釜搅拌装置的搅拌器采用推进式
232搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计
本反应釜选用的是推进式搅拌器，搅拌器推进式搅拌器是类似风扇扇叶结构。
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。
推进式搅拌器直径：
DjO..2Di0.21100220mm取Dj=200伽
233挡板的设计
挡板是一种常用的搅拌附件之一。
当搅拌器沿容器中心线安装，骄傲办物料的黏度不大，搅拌转速不高时，液体将随着桨叶旋转方向一起运动，容器中心部
分的液面下降，形成漩涡，降低混合效果。
未消除这种现象，通常将容器中加入挡板，把回转的切向流东改变为径向和轴向流动，增加流体的剪切强度，改善搅
拌效果。
挡板的宽度通常取容的内径的1/10~1/12，一般设置4~6个沿罐壁均匀分布直立安装。
本反应釜选用角钢，选用标准为GB/T9787-1988热轧等边角钢，具体尺寸为40X40。
挡板宽度B=D1/12=91.666伽，圆整取B=90伽
选用四个挡板
挡板与罐壁间隙为B/5=22毫米，圆整取30毫米
2.4反应釜的传动装置
反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。
传动装置通常设置在釜顶封头的上部。
反应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。
2.4.1常用电机及其连接尺寸
本反应釜选用YB160M1-8电机，同步转速750r/min，电机的功率
P=4kW。
满载转速720r/min，质量118kg，额定转矩2.0TN
242带传动减速机
任务书规定本反应釜的减速机为带传动减速机。
带传动速机的设计
V带减速机的特点是：
结构简单，制造方便，价格低廉，能防止过载，噪声小。
但不适用于防爆场合。
查表丫系列三相异步电动机主要技术数据，传动的额定功率P=4kW
小皮带轮转速：
ni720r/min
大皮带轮转速：
H250r/min
在电动机中，我们选用满载全转速750r/min，8极三相异步电动机，在减速器中，带传动的速比为3:
1，电动机的额定功率为4kw的丫系列的。
我们将带式减速器设计使用V型带，于是我们得到功率P=4kw，转速
n=720r/min
1）计算功率
由《机械设计基础》表12.6可知工况系数Ka=1.1
Pd=Kaxp=1.1X3kw=3.3kw
2）选取普通V型带
根据Pc=4kw，n=720r/min由《机械设计基础》图12-13确定选用A型带。
3）、确定大带轮与小带轮基准直径D1，D2
由参考文献［3］表12.7取
D1=75mm，验算带速V
有公式：
V石常
=3.14X75X730北00000
=2.87m/sv5m/s
故小带轮的直径选取不合适
D1=140mm，验算带速V
有公式：
D1n1
V
601000
=3.14X140X730北00000
=5.35m/s>5m/s
故小带轮的直径选取合适。
n1
根据公式：
D2D1
（1）,=2%
n2
=730-240X140X（1-0.02）
=411.6mm
由参考文献［3］表12.7取圆整D2=400mm
=730X140X0.98-400
=250.4r/min
其误差的绝对值:
30100%
240
=4.3%<5%在合理范围
4）、确定带长和中心距
初步取中心距a=500m
=2X500+3.14十2X（140+400）+-4廿00
=1882mm
选用基准长度Ld=2000mm
6）、验算小带轮包角
1180
D2D1
57.3
a
=180
°（400-140）-560X57.3°
=153.4°120°,故尺寸合适
7））确定V带根数z
传动比i=n1=720=2.953
n2243.8
由参考文献[3]12.3，12.4,12.5，12.6,12.8
分别查得：
R=1.30kw,△R=0.02kw,K。
=0.96,KL=1.11
取z=3根
8）、求压轴力FQ
由《机械设计基础》表12.2查的q=0.10kg/m
张紧力公式：
500Pc2.52
F。
（1）qv2
ZVK
5003.3/2.52
=
（1）0.105.35
35.350.96
=167.78N
压轴力FQ=
2XZXFXsin（a/2）
=2
X3X167.78Xsin（153.4/2）
=979.68N
2.4.3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。
由表D-6
凸缘法兰主要尺寸，选择公称直径DN=200mm，螺纹为M16，螺栓数量为8个的M型凸缘法兰。
244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HG21565-1995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HG21565-1995选取。
安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同，均为DN=200mm,查表D.7安装底盖的尺寸确定其他参数。
2.4.5机架
立式搅拌设备传动装置大多是通过机架、安装底盖安装在搅拌设备封头上。
机架上端应与减速器连接尺寸相匹配，下端采用螺柱与安装底盖相连接。
当标准机架不能满足要求时，可以根据具体结构自行进行设计。
本搅拌器的机架为焊接非标准机架，具体尺寸以图示为准。
2.4.6联轴器
电机或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，并传递运动和转矩。
联轴器分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。
常用的联轴器有弹性块式联轴器，刚性凸缘联轴器，夹壳联轴器和紧箍夹壳联轴
据所选V带减速机的规格,本反应釜采用刚性凸缘联轴器。
查GT型凸缘联轴器主要参数及尺寸，选用联轴器的符号为GY-4，孔径为40伽，质量为3.15kg。
2.5搅拌轴的设计和校核
2.5.1轴的和设计
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
搅拌轴的材料：
选用4
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