夹套反应釜课程设计.docx
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夹套反应釜课程设计
夹套传热式带搅拌的反应釜
设计说明书
组员：
姚源学号：
3099990054
刘勇华学号：
3099990055
陈叙学号：
3090343125
黄承标学号：
3090343108
专业班级：
化学工程与工艺09-1班
指导老师：
张淑华
设计时间：
2011年12月19日至2011年12月30日
有搅拌装置的夹套反应釜
前言
《化工设备机械基础》化学工程、制药工程类专业以及其他相近的非机械类专业，对化下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：
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷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………………………………………………………（6）
2.反应釜釜体的设计………………………………………………………（6）
2.1罐体和夹套的结构设计……………………………………………………（6）
2.2罐体几何尺寸计算…………………………………………………………（7）
2.2.1确定筒体内径……………………………………………………………（7）
2.2.2确定封头尺寸……………………………………………………………（7）
2.2.3确定筒体的厚度Hi………………………………………………………（8）
2.3夹套几何尺寸计算…………………………………………………………（8）
2.4夹套反应釜的强度计算…………………………………………………（9）
2．4.1强度计算的原则及依据……………………………………………（9）
2.4.2按内压对圆筒和封头进行强度计算……………………………………（9）
2.4.3按外压对筒体和封头进行强度校核……………………………………（10）
2.4.4夹套厚度计算……………………………………………………………（11）
2.4.5水压试验校核计算………………………………………………………（11）
3反应釜的搅拌装置……………………………………………………………（12）
3.1搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计……………………………（12）
3.2搅拌轴设计…………………………………………………………………（13）
4反应釜的传动装置……………………………………………………………（14）
4.1常用电机及其连接…………………………………………………………（14）
4.2釜用减速机类型，标准及其选用……………………………………………（14）
4.3凸缘法兰……………………………………………………………………（15）
4.4安装底盖……………………………………………………………………（15）
4.5机架………………………………………………………………………（15）
4.6联轴器………………………………………………………………………（16）
5反应釜的轴封装置…………………………………………………………（16）
6反应釜的其他附件……………………………………………………………（16）
6.1支座…………………………………………………………………………（16）
6.2人孔…………………………………………………………………………（17）
6.3设备接口……………………………………………………………………（17）
7设备总质量………………………………………………………………… （17） ８反应釜的装配图……………………………………………………………（18）
９参考文献…………………………………………………………………… （19）
设计任务书
设计目的：
把所学《化工设备机械基础》及相关知识，在课程设计中综合运用，把化工工艺条件与化工设备设计有机地结合起来，巩固和强化有关机械课程的基本理论和基本知识。
设计要求：
（1）进行罐体和夹套设计计算
（2）进行搅拌传动系统设计a.进行传动系统方案设计（指定用V带传动）;b.做带传动设计计算（指定用电机Y132M2-6,转速960r/min,功率5.5kw）;c.进行上轴的结构设计和强度校核;d.选择轴承并进行轴承寿命校核;e.选择联轴器;f.进行罐内搅拌轴的结构设计及搅拌器与搅拌轴的连接结构设计;g.选择轴封的型式
（3）设计机架结构
（4）选择凸缘法兰及安装底盖结构
（5）选择接管\管法兰\设备法兰\手孔\试镜等容器附件
（7）绘总装配图（A2纸）
（8）绘传动系统部件图
设计内容：
设计一台夹套传热式带有搅拌装置的反应釜。
设计任务书
设计参数要求
容器内
夹套内
工作压力，Mpa
0.20
0.25
设计压力，Mpa
0.22
0.3
工作温度，℃
100
130
设计温度，℃
120
150
介质
有机溶剂
蒸汽
全容积V，m³
0.8
操作容积V1，m³
0.64
传热面积，m³
>3
腐蚀情况
微弱
推荐材料
Q345-A
搅拌器型式
推进式
搅拌轴转速，r/min
200
轴功率，KW
4
接管表
符号
公称尺寸
连接面形式
用途
A
25
PL/RF
蒸汽入口
B
65
加料口
C12
100
PL/RF
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
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推进式搅拌器；考虑到填料轴封的实用性和应用的广泛性，所以轴封采用填料轴封。
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,包括进行罐体和夹套设计计算。
根据工艺的要求，并考虑到制造安装和维护检修的方便来确定各部分结构形式。
（2）搅拌器传动系统的设计。
①根据工艺参数确定各部几何尺寸；
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）决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.反应釜釜体的设计
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。
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<1200mm，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i为长径比即：
，由表4-2选取。
根据题意取i=1.0，
已知V=0.8m3,则Di=1006mm,将Di圆整到公称直径系列，则
Di=1000（mm）.
2.2.2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，标准椭圆封头尺寸见附表4-2.即DN=Di=1000（mm）
曲边高度hi=250mm直边高度h2=25mm容积V封=0.1505m3
（2）封头厚度计算
由公式
其中Pc=0.228
=189MP（由参考文献附表9查的）
封头焊接采取双面焊、全焊透，局部无损伤，则φ=0.85
计算S=0.228×1000/（2×189×0.85-0.5×0.228）=0.710mm
由参考文献一表4-9查得：
负偏差C1=0.25mm
由参考文献一表4-11查得：
腐蚀裕量C2=2mm
计算名义厚度Sn=S+C1+C2=0.710+0.25+2=2.960mm
故封头厚度取2.960mm
（3）由于S<10mm则封头的直边高度h2=25mm
有附表4-2知封头内表面积F封=1.1625m2容积V封=0.1505m3
2.2.3确定筒体的厚度Hi
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Hi按下式计算并进行圆整：
Hi=（V－V封）/Vim
式中V封------------封头容积：
0.1505m3
Vim------------1m高筒体容积（见附表4-1）：
Vim=0.785m3/m
得Hi=（0.8-0.1505）/0.785=0.8274m
圆整后的Hi=0.9m=900mm
按筒高圆整后修正实际容积：
V=Vim×Hi+V封=0.9*0.785+0.1505=0.857m3>0.64m3
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。
夹套的安装尺寸，夹套内径D2可根据筒体内径D1按表4-3选取：
D2=D1+100=1100mm
夹套下封头型式同筒体封头，直径D2与夹套筒体相同。
夹套高H2有传热面积而决定，不能低于料液高，
装料系数：
η=操作容积/全容积=0.64÷0.8=0.8
夹套高H2计算：
H2=（ηV-V封）÷Vim代入数值计算
得：
H2=0.6816m
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其中F筒=H2×F1m
故F封＋F筒=1.1625＋3.14×0.6816=3.30m2>3m2
所以换热要求满足。
筒体和上封头的连接采用甲型平焊法兰连接，选取凹凸密封面法兰，其尺寸见附图4-2，主要尺寸由附表4-4查的，其中：
D=1530mmD1=1490mmD2=1455mmD3=1441mm
D4=1438mmS=46mmd=23mm
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。
圆筒为正压外带夹套时：
当圆筒的公称直径DN>=600㎜时，被夹套包围部分的圆筒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。
2.4.2按内压对圆筒和封头进行强度计算
（1）筒体强度计算
已知：
Tc=120℃Pc=0.22Mpa
=189MPφ=0.85
S=（PcDi）/（2
φ-Pc）=0.71
负偏差C2=0.25mm
腐蚀裕量C2=2㎜
名义厚度Sn=S＋C1＋C2=2.96㎜
（2）封头厚度计算
S=（PcDi）/（2
φ-0.5Pc）=0.71同理
名义厚度：
Sn=S＋C1＋C2=2.96㎜
2.4.3按外压对筒体和封头进行强度校核
（1）筒体图算法强度校核计算
由于D0/Se=1012/3.75=270
1当罐体筒体名义厚度Sn=6mm令Se=Sn-C=3.75mm
D0=Di+2Sn=1012mm
2则L/D0=783÷1012=0.774
3查图11-5得A=0.0004
4查图11-8由于Tc=120℃则B=56Mpa
计算许应外压力[p][p]=B/（D0/Se）=0.21Mpa
所以[p]<=pc故筒体厚度Sn不取6mm
令Sn=7mm,同理有,Se=Sn-C=4.75mm,D0=Di+2Sn=1014mm,
L/D0=783÷1014=0.772,D0/Se=1014/4.75=213,A=0.0006,B=87
所以对应的许用外压[p][p]=B/（Do/Se）=0.408Mpa>0.3Mpa
所以筒体厚度Sn取7mm
（2）外压封头强度校核计算
①设封头名义厚度Sn=7mm计算有效厚度Se=Sn-C=4.75mm
R0=K1D0式中K1=0.9D0=Di+2Sn=1014mm
R0=0.9×1014=913mm
②计算系数A
A=0.125/（Ro/Se）=0.00065
③查参考文献[1]中图11-8T=<120℃查的系数B=95
[p]=B/（Ro/Se）=0.494>0.3
[p]>pc所以封头厚度确定Sn=7mm
2.4.4夹套厚度计算
（1）夹套筒体部分厚度计算
由Pc2=0.3MpaTc2=<150℃
=189MPφ=0.85
S2=（Pc2Di）/（2
φ-Pc2）=0.79mm不满足刚度条件
所以取最小厚度作为计算厚度S=3mm
腐蚀裕量C2=2mm
则夹套筒体设计厚度Sn2=S＋C2=5mm
（2）夹套封头厚度计算
同理：
S2`=（Pc2Di）/（2
φ-0.5Pc2）=0.79mm
不满足刚度条件,所以取最小厚度作为计算厚度S=3mm
则Sn2`=S3＋C2=5mm
2.4.5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=0.275Mpa
=24.1Mpa
材料屈服点应力σs=345Mpa
0.9σsφ=263.9Mpa
≦0.9σsφ所以罐体水压试验强度足够
（2）由于[σ]≈[σ]t故pT=1.25p=1.25Pc2=0.375Mpa
36.1Mpa
材料屈服点应力σs=345Mpa
0.9σsφ=263.9Mpa
≦0.9σsφ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、轴及其支撑组成。
搅拌器的形式很多，根据任务说明书的要求，本次设计采用的是推进式搅拌器。
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。
由表4-4查的D1/DJ取推进式:
（4：
1）—（4：
1）H0/DJ不限
有实际情况取D1/DJ=4：
1H0/DJ=1:
1
则：
搅拌器直径DJ=300mm
液面高度：
H0=300mm
3.1搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计
桨式搅拌器结构如图4-7所示，其桨叶为三叶。
轴转速为200r/min,采用单层桨安装在与下封头焊缝等高的位置。
搅拌器与轴的连接是通过套用平键或紧定螺钉固定.轴端加固定螺母。
搅拌器主要尺寸有表4-5查的：
DJ=300mmD=50mmd1=80mmH=65mmN/n不大于0.02
Do:
M12键槽B:
12mm键槽t:
43.6mm质量为3.62Kg
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）搅拌轴的结构：
用实心直轴，V带传动的上轴一端安装大带轮,另一端安装刚性联轴器,带轮和联轴器均采用平键传动,考虑到带轮和联轴器的轴向定位均加轴肩,并在轴端采用挡圈轴向固定.
（2）确定最小轴径:
轴功率P＝4KW，搅拌轴的转速n＝200r/min，材料为45钢,[
]＝35
，剪切弹性模量G＝8×104MPa，许用单位扭转角[
]＝1.0°/m，系数A取112。
则轴端直径d>=Ao×（p/n）1/3=30.4mm,轴所传递的转矩T=9500p/n=191N.m
考虑开键槽和物料对轴的腐蚀,轴径扩大7%,即d=32.528mm.圆整取较大值,所以d=40mm.由结构确定其他各段轴径:
带轮和联轴器轴向定位的轴肩d2=45mm,取轴端挡圈公称直径50mm.
（3）搅拌轴强度校核
轴扭转的强度条件是：
（参考文献1.公式9-5）
对45刚[τ]k=35Mpa
对实心轴Wp=πd3/16=12560mm3
Tθ=9.55×106p/n=191000N•mm
则：
τmax=15.207<[τ]k故d=40mm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<200r/min时直度允许误差：
1000：
0.1。
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,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
按设计任务书要求,选用电机Y132M2-6,其轴功率为5.5Kw,轴转速为n=960r/min,电流为12.6A,最大扭矩为2.0,转动惯量为0.0449Kg.m2,质量为84Kg,V型带传动.
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：
机轴转速n=50r/min电机功率为5.5Kw,搅拌轴转速为n1=200r/min,I况系数KA=1.2,又有传动比i=n/n1=960/200=4.8,d1=106mm
所以减速机得设计功率Pd=KA*P=6.6Kw.转速v=3.14d×960/（60×1000）=5.32544r/min>5r/min,选取滑动率0.02,则大带轮直径d2=（1-0.02）id1=0.98×4.8×106=498.624mm,圆整后取d2=500mm…………………
4.3凸缘法兰
选取R型（DN=200mm）
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。
其主要尺寸查附图4-7和附表4-7,选取安装底盖DN=250mm，并确定其尺寸。
4.5机架
选PV6减速机自带机架
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。
扭矩Tca=KAT=1.3×955×P/n=247N.m,按轴径d=40mm,由Tca及n条件查标准尺寸,查得TL6的数据为d1=40mm,许用最大扭矩为250N.m,[n]max=2800r/min,满足要求.
所以选用TL6型弹性联轴器
5反应釜的轴封装置
轴封式搅拌设备的一个重要组成部分。
其任务是保证搅拌设备内处于一定的正压和真空状态以及防止物料溢出和杂质的掺入。
鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式为主，很少满釜操作，轴封的对象主要为气体；而且搅拌设备由于反应工况复杂，轴的偏摆震动大，运转稳定性差等特点，故不是所有形式的轴封都能用于搅拌设备上。
反应釜搅拌轴处的密封，属于动密封，常用的有填料密封和机械密封两种形式。
他们都有标准，设计时可根据要求直接选用。
这次设计选用填料密封,因为轴径d=40mm,查得D1=175mm,D2=145mm,D3=110mm,H=147mm,填料规格10*10,法兰螺栓孔4*φ18mm,填料箱质量为7.5Kg.
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型耳式支座B3，支座数为4个。
允许载荷为100KN型式见附图4-9，尺寸见附表4-9.
支座质量为：
33.2Kg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。
其主要尺寸见附表4-11，型式见附图4-11.
密封面型式：
突面（RF型）公称压力：
1.0Mpa公称直径：
DN=450mm
总质量：
125Kg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。
管子的公称直径和与钢管的外径的关系见表4-13.
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无聊易放尽、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设备总质量
7.1罐体和夹套总质量m1的计算
查表D-1得罐体筒体公称直径DN=900mm，筒体厚度
的筒体筒节每米质量为224kg。
查表D-3得罐体封头公称直径DN=900mm，封头的厚度
的封头的质量为74.1kg。
查表D-1得，DN=1000mm，
的夹套筒节每米质量为249kg。
查表D-5得公称直径DN=900mm，PN=0.25MPa的甲型平焊法兰的凸
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