夹套反应釜的设计.docx

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夹套反应釜的设计

一、关于夹套反应釜设计任务说明-------------------------------

（2）

二、夹套反应釜设计-------------------------------------------（3）

1.夹套反应釜的总体结构------------------------------------（3）

2.罐体和夹套的设计----------------------------------------（3）

3.反应釜的搅拌装置---------------------------------------（13）

4.反应釜的传动装置---------------------------------------（16）

5反应釜的轴封装置---------------------------------------（22）

6反应釜其它附件-----------------------------------------（23）

三、附表----------------------------------------------------（28）

1筒体的容积、面积和质量-------------------------------（28）

2以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸----------------（28）

四、参考----------------------------------------------------（29）

五、附图----------------------------------------------------（30）

关于夹套反应釜设计任务说明

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：

一．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。

二．搅拌容器的设计；

三．传动系统的设计；

四．决定并选择轴封类型及有关零部件；

五．绘图；

六．编制技术要求，提出制造、装机、检验和试车方面的要求。

应用标准技术条件的可标注文件号。

设计中需注意以下几点：

一．对相关的数据进行正确的计算和校核；

二．需查获资料的数据必须精确可靠；

三．读图正确，构想主体模型；

四．对工艺给定外的隐含条件必需考虑，如环境因素等；

五．对构件的形式进行合理的选择；

六．制图时比例适当，数据精确，符合要求；

在化工、石油化工、炼油、轻工、制药、食品等工业领域中采用大量的设备。

但这些设备由于生产过程中所起的作用及工作原理不同，要求设备的形状、尺寸、结构型式也不同，所以对化工容器进行设计是必需的一个过程。

在设计中不仅要熟练掌握化工设备的基础知识，还要正确把握其工艺特性及工程的定量、定性地核算

夹套反应釜设计

1．夹套反应釜的总体结构

带搅拌的夹套反应釜是化学、医药及食品等工业中常用的典型反应设备之一。

它是一种在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种（或多种）液体以及液体与固体或气体物料混匀，促进其反应的设备。

一台带搅拌的夹套反应釜。

它主要由搅拌容器、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，其形式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；封头装置为动密封；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。

2．罐体和夹套的设计

夹套式反应釜是由罐体和夹套两大部分组成。

罐体和夹套的设计主要包括其结构设计，各部件几何尺寸的确定和强度的计算与校核。

罐体在规定的操作温度和操作压力下，为物料完成其搅拌过程提供了一定的空间。

夹套传热是一种应用最普遍的外部传热方式。

它是一个套在罐体外面能形成密封空间的容器，既简单又方便。

2.1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≤1200mm，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。

2.2罐体几何尺寸计算

2.2.1确定筒体内径

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，

=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1。

表1

种类

设备内物料类型

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

2.2.2确定封头尺寸

椭圆封头选标准件，它的内径与筒体内径相同D1=1500mm、封头厚度

因为钢号为Q235-A所以

，封头厚度

封头百出高度h2=25mm、封头容积V封=0.4860m3

2.2.3确定筒体高度H1

反应釜容积V通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。

则筒体高度H1按下式计算并进行圆整。

式2

式中V封——封头容积（见附表2），m3；

V1m——1米高筒体容积（见附表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H=1400mm

。

式3

式中V封——封头容积（见附表2），m3；

V1m——1米高筒体容积（见附表1），m3/m。

H1——圆整后的筒体高度,m。

2.3夹套的几何尺寸计算

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。

夹套的内径D2可根据筒体内径D1选取D2=D1+100=1600mm

表2夹套直径D2mm

500～600

700～1800

2000～3000

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。

夹套高H2由传热面积决定，不能低于料液高。

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所以取

=0.80。

物料反应平稳或物料粘度较大十，

应取大值，

=0.8～0.85所以

取0.80。

夹套高H2按下式估算。

式4

式中V封——封头容积（见附表2），m3；

V1m——1米高筒体容积（见附表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5

式中F筒——筒体表面积，F筒=H2×F1m=1.1×4.715=5.1865㎡

F封——封头表面积（见附表2），F封=2.5568㎡

F1m——1m高内表面积（见附表1），㎡/m，F=F封+F筒=2.5568+5.1865=7.7433≥5满足要求。

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。

2.4夹套反应釜的强度计算

2.4.1强度计算的原则及依据

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≥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；

（2）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；

（3）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。

2.4.2按内压对筒体和封头进行强度计算

液柱静压力p1H=10-6ρgh=10-6×9.8×1×（h1+h2+h3）=0.0147MPa

计算压力p1c=p1+p1h=0.3+0.0147=0.3147MPa

计算压力p2c=p2=0.35

罐体筒体计算厚度

夹套筒体计算厚

罐体封头计算厚度

夹套封头计算厚度

厚度附加量C=C1+C2=2+0.6=2.6

罐体筒体设计厚度δ1c=δ1+C1=2.46+2.6=5.06mm

夹套筒体设计厚度δ2c=δ2+C1=2.92+2.6=5.52mm

罐体封头设计厚度δ/1c=δ/1+C1=2.46+2.6=5.06mm

夹套封头设计厚度δ/2c=δ/2+C1=2.918+2.6=5.518mm

2.4.3按外压对筒体和封头进行强度校核

罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C=8-2.8=5.2mm

罐体筒体外径D1O=D1+2δ1n=1500+2×8=1516mm

筒体计算长度L=H2+1/3h1+h2=1100+1/3×375+25=1250mm

系数L/D1O=1250/1516=0.8245

系数D1O/δ1e=1516/5.2=291.54

许用外压力

罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C10-2.8=7.2mm

罐体筒体外径D1O=D1+2δ1n=1500+2×10=1520mm

筒体计算长度L=H2+1/3h1+h2=1100+1/3×375+25=1250mm

系数L/D1O=1250/1520=0.822

系数D1O/δ1e=1520/7.2=211.11

许用外压力

罐体封头有效厚度δ/1e=δ/1n-C10-2.8=7.2mm

罐体封头外径D/1O=D/1+2δ/1n=1100+1/3×375+25=1250mm

标准椭圆封头当量球壳外半径R/1O=0.9D/1O=0.9×1520=1368mm

系数

许用外压力

罐体封头名义厚度δ/1n=10mm

2.4.4水压实验校核计算

罐体实验压力

夹套水压实验压力

罐体圆筒应力

夹套内压实验应力

2.5夹套反应釜设计计算数据一览表

2.5.1几何尺寸

表3

步骤

项目及代号

参数及结果

备注

1-1

1-2

1-3

1-4

1-5

1-6

1-7

1-8

1-9

1-10

1-11

1-12

1-13

1-14

1-15

1-16

1-17

1-18

1-19

1-20

全容积V，m3

操作面积V1,m3

传热面积F,㎡

釜体形式

封头形式

长径比

初算筒体内径

圆整筒体内径D1,㎜

一米高的容积V1m,m3

釜体封头容积V1封,m3

釜体高度H1=（V—V1封）/V1m,m

圆整釜体高度H1,mm

实际容积V=V1m×H1+V1封,m3

夹套筒体内径D2,mm

装料系数η=V操/V或按η=0.6～0.85选取

夹套筒体高度H2≥（ηV－V1封）/V1m,m

圆整夹套筒体高度H2,mm

罐体封头表面积F1封,m2

一米高筒体内表面积F1m,m2

实际总传热面积F=F1m×H2+F1封，m2

3.0

2.5

圆筒形

椭圆形

1.1

1.515

1500

1.778

0.486

1.414

1400

2.975

1600

0.8

1.076

1100

2.5568

4.715

7.7433>5

由工艺条件决定

常用结构

按表1选取

按式1选取

按附表1选取

按附表2选取

按式2计算

选取

按式3计算

按表2选取

计算

按式4计算

选取

按附表2选取

按附表1选取

按式5校核

2.5.2强度计算（按内压计算厚度）

表4

步骤

项目及代号

参数及结果

备注

2-1

2-2

2-3

2-4

2-5

2-6

2-7

2-8

2-9

2-10

2-11

2-12

2-13

2-14

2-15

2-16

2-17

2-18

2-19

2-20

2-21

2-22

2-23

2-24

2-25

2-26

设备材料

设计压力（罐体内）p1,MPa

设计压力（夹套内）p2,MPa

设计温度（罐体内）t1,℃

设计温度（夹套内）t2,℃

液柱静压力p1H=10-6ρgh,MPa

计算压力p1c=p1+p1h,MPa

液柱静压力p2H,MPa

计算压力p2c=p2

罐体及夹套焊接接头系数φ

设计温度下材料许用应力[σ]t,MPa

罐体筒体计算厚度

夹套筒体计算厚

罐体封头计算厚度

夹套封头计算厚度

钢板厚度负偏差C1,mm

腐蚀裕量C2,mm

厚度附加量C=C1+C2

罐体筒体设计厚度δ1c=δ1+C1,mm

夹套筒体设计厚度δ2c=δ2+C1,mm

罐体封头设计厚度δ/1c=δ/1+C1,mm

夹套封头设计厚度δ/2c=δ/2+C1,mm

罐体筒体名义厚度δ1n,mm

夹套筒体名义厚度δ2n,mm

罐体封头名义厚度δ/1n,mm

夹套封头名义厚度δ/2n,mm

Q235-A

0.3

0.35

<100

<120

0.0147

0.3147

0.35

0.85

113

2.46

2.92

2.46

2.918

0.6

2.0

2.6

5.06

5.52

5.518

据工艺条件或腐蚀情况确定

由工艺条件给定

按参考文献1第八章计算

计算

忽略

计算

那参考文献1表9-6选取

按参考文献1表9-4或9-5选取

按参考文献1第九章计算

按参考文献1第十章计算

按参考文献1表9-10～9-11选取

按参考文献1第九章计算

按参考文献1第十章计算

圆整选取

2.5.3稳定性校核（按外压校核厚度）

表5

序号

项目及代号

参数及结果

备注

3-1

3-2

3-3

3-4

3-5

3-6

3-7

3-8

3-9

3-10

3-11

3-12

3-13

3-14

3-15

3-16

3-17

3-18

3-19

3-20

3-21

3-22

3-23

3-24

3-25

3-26

3-27

3-28

3-29

3-30

罐体筒体名义厚度δ1n,mm

厚度附加量C=C1+C2

罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C,mm

罐体筒体外径D1O=D1+2δ1n,mm

筒体计算长度L=H2+1/3h1+h2,mm

系数L/D1O

系数D1O/δ1e

系数A

系数B

许用外压力

罐体筒体名义厚度δ1n,mm

厚度附加量C=C1+C2

罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C,mm

罐体筒体外径D1O=D1+2δ1n,mm

筒体计算长度L=H2+1/3h1+h2,mm

系数L/D1O

系数D1O/δ1e

系数A

系数B

许用外压力

罐体筒体名义厚度δ1n,mm

罐体封头名义厚度δ/1n,mm

厚度附加量C=C1+C2

罐体封头有效厚度δ/1e=δ/1n-C,mm

罐体封头外径D/1O=D/1+2δ/1n,mm

标准椭圆封头当量球壳外半径R/1O=0.9D/1O,mm

系数

系数B

许用外压力

罐体封头名义厚度δ/1n,mm

2.8

5.2

1516

1250

0.8245

291.54

0.00032

0.141<0.35

2.8

7.2

1520

1250

0.822

211.11

0.00057

0.384>0.35

2.8

7.2

1520

1368

0.00066

0.477>0.35

假设

按参考文献1表9-10～9-11选取

按参考文献1第十一章计算

查参考文献1图11-5

查参考文献1图11-8

按参考文献1第十一章计算失稳，重设名义厚度δ

假设

按参考文献1表9-10～9-11选取

按参考文献1第十一章计算

查参考文献1图11-5

查参考文献1图11-8

按参考文献1第十一章计算稳定

确定

假设

按参考文献1表9-10～9-11选取

按参考文献1第十一章计算

查参考文献1图11-5

查参考文献1图11-8

按参考文献1第十一章计算稳定

确定

2.5.4水压实验校核

表6

序号

项目及代号

参数及结果

备注

4-1

4-2

4-3

4-4

4-5

4-6

罐体实验压力

夹套水压实验压力

材料屈服点应力σS,MPa

σT≤0.9ΦσS,MPa

罐体圆筒应力

夹套内压实验应力

0.25

0.292

235

179.8

26.17<179.8

32.59<178.8

按参考文献1第九章计算

3.反应釜的搅拌装置

搅拌装置由搅拌器、轴及其支承组成。

搅拌器的型式主要有：

桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。

根据设计任务书及搅拌器型式选用表选取。

搅拌器型式选用表（摘自HG/T20569—94）

表7

工艺过程类别

控制因素

适用搅拌器型式

D1/DJ

H0/DJ

调和（低粘度均相液体混合）

容积循环速率

推进式、涡轮式

推进式：

1～3:

涡轮式：

1～3:

不限

分散（非均相液体混合）

液滴大小（分散度）容积循环速率

涡轮式

3.5:

1～3:

1～1:

3.1搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计

推进式搅拌器类似风扇扇形结构。

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。

为防螺纹腐蚀可加轴头保护帽见附图1、2。

推进式搅拌器DJ常取内径D1的1/5～1/2，DJ=0.25×1500=375mm，N/n=4/300=0.0133<0.025所以DJ取400符合要求。

推进式搅拌器的主要尺寸见下表

表8推进式搅拌器的主要尺寸mm

键槽

质量，kg

N/n

不大于

150

M12

33.1

1.77

0.01

200

1.93

250

43.6

3.38

0.02

300

3.62

400

M16

55.1

4.59

0.025

500

110

70.6

105

10.42

0.05

600

M20

125

12.11

0.075

700

140

87.2

150

13.57

根据设计条件选用DJ为400的推进式搅拌器。

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（包括轴的支承结构）和强度校核，对于转速n>200r/min的，还要进行临界转速的校核。

（1）搅拌轴的材料：

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。

介质为盐类无腐蚀性。

轴上安装一层搅拌器。

搅拌器的轴头需车削台肩，开键槽，轴端还要车螺纹。

表9

机架代号

搅拌轴轴端尺寸

DJ型

质量，kg

DJ35

113

42.8

M45×1.5

600

340

（3）搅拌器强度校核

通常搅拌轴强度校核计算与轴结构设计同时进行，边画图、边计算、边修改。

（4）搅拌轴的形位公差和表面积粗糙程度要求：

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=300r/min时，直线度允差1000:

0.1。

轴的配合面的配合公差和表面粗糙度可按所配零件的标准要求选取。

（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。

为保证搅拌轴悬臂稳定性没，轴的悬臂长L1、轴径d和两轴承间距B应满足下列关系：

L1/B≤4～5；L1/d≤40～50

L1≤40～50L1≤1280～1600所以L1=1280

1280/B≤4～5B≥256～320所以B取260mm

若轴封处能起支承作用，B应算至轴封处，当d的裕量较小和轴转速较高的L1/B及L1/d取偏小值。

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。

常用轴承型号及主要尺寸见附表3～附表5。

安装轴承的公差带常采用K6，外壳孔的公差带长采用H7。

安装轴承处的轴配合表面粗糙度Ra取0.8～1.6，外壳孔与轴承配合表面粗糙度取1—6。

成对安装的轴承，当温度变化较大时，应优先采用背对背安装。

（6）搅拌器的临界转速校核计算。

搅拌轴上装有搅拌器，往往由于结构不对称，加工安装有误差等原因，使回转中心离开其几何轴线而产生回转离心力，使轴受到周期性载荷干扰。

当周期载荷的频率与搅拌轴的自然频率接近时，轴便发生剧烈振动，这种现象称为轴的共振。

产生共振时，搅拌轴的转速称为临界转速。

一般搅拌轴常设计呈刚性轴，使n≤（0.75～0.8）nc1。

当轴上装有单层且经过很好平衡的搅拌器时，其一阶临界转速nc1为：

其中E=2.01×105×106PaW1=4.59Nn=300r/min则有

0.75nc1=370.1r/minn≤0.75nc1搅拌轴符合要求

式中E——轴材料弹性模量，Pa；

I——轴的惯性矩，I=1/64（πd）2，m4；

d——轴径，m；0.032；

B——两支点间距离，m；0.26；

W1——搅拌器重，N；

L1——搅拌器外伸端长度，m。

搅拌轴的强度计算步骤一览表见下表：

表10

步骤

项目及代号

参数及结果

备注

轴功率P,kW

由工艺条件确定

轴转数n,r/min

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