夹套式加氢搅拌反应釜的方案设计书.docx
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夹套式加氢搅拌反应釜的方案设计书
课程设计
课程名称
化工设备机械基础课程设计
题目名称
夹套反应釜的设计
专业班级
化学工程与工艺
（2）班
学生姓名
李洋
学号
50905032003
指导教师
秦英月
二O一三年一月十二日
蚌埠学院课程设计任务书
2009届应用化学与环境工程系化学工程与工艺
（2）班专业（班级）
学生姓名
李洋
学号
50905032003
课题名称
夹套反应釜的设计
加氢反应釜
1.1任务书
设计参数要求
容器内
夹套内
盘管
工作压力，MPa
3.0
0.58
0.4
设计压力，MPa
3.4
0.6
0.5
工作温度，℃
120
120
<100
设计温度，℃
150
160
150
介质
乙醇，癸二腈、氢气等
蒸汽，冷却水
全容积，m3
2.8
操作容积，m3
焊接系数η
1.0
0.85
1.0
腐蚀情况
弱
推荐材料
Q345R，022Cr17Ni12Mo2
搅拌形式
搅拌轴转速，r/min
轴功率，KW
1.2设计内容
根据任务书要求，设计夹套反应釜的主要搅拌容器、搅拌装置、传动装置、支座、人孔和工艺接管。
1.3设计数据基础
可查相关教材或工具手册
1.4工作计划
1、领取设计任务书，查阅相关资料（3天）；
2、确定设计方案，进行相关的设计计算（5天）；
3、校核验算，获取最终的设计结果（2天）；
4、编写课程设计说明书（论文），绘制草图等（3天）。
1.5设计成果要求
1、通过查阅资料、设计计算等最终提供课程设计说明书（论文）电子稿及打印稿1份，设计结果的A1图纸一张。
2、课程设计结束时，将按以下顺序装订的设计成果材料装订后交给指导教师：
（1）封面（具体格式见附件1）
（2）课程设计任务书
（3）目录
（4）课程设计说明书（论文）（具体格式见附件2）
（5）参考文献
（6）课程设计图纸（可不装订，另交）
（7）对设计过程的评述和有关问题的讨论。
1.6几点说明
1、本设计任务适用班级：
08应用化学（本）精细化工方向；
2、课程设计说明书（论文）格式也可参阅《蚌埠学院本科生毕业设计（论文）成果撰写规范》中的相关内容。
任务书审定日期：
年月日指导教师
任务书批准日期：
年月日教研室主任
任务书下达日期：
年月日学生
一、加氢反应釜设计
1.1、加氢反应釜的总体结构
加氢反应釜的主要部分是容器，其筒体是圆柱形的，封头是椭圆形的，附体结构与传热面积有关，加氢反应釜是将夹套与蛇管联合起来使用的，釜体上按工艺要求还需要安装各种接口。
因此，反应釜釜体的设计要确定如下内容：
釜体的结构型式和各部分尺寸，传热形式和结构，工艺管口的安排和设计等。
1.1.1筒体的直径与高度
筒体的基本尺寸首先决定于工艺要求。
在确定反应釜直径及高度时，还应根据反应釜操作时所允许的装满程度——装料系数等予以综合考虑，通常装料系数η可取0.6—0.85。
如反应时易起泡沫或呈沸腾状态，η应取低值，如取0.6—0.7；反应状态稳定，η可取0.8—0.85（物料粘度较大时，可取最大值）。
因此设备容积V与操作容积V0应有如下关系：
V0=η·V，在生产重要合理选用装料系数，以尽量提高设备效率。
1.1.2夹套的结构
夹套传热结构简单，基本上不需要进行维修，采用夹套传热时，因夹套向外有热量散失，故需要在夹套体外包以保温材料。
本设计仅圆筒和下封头部分有夹套，夹套顶端的封闭结构通常是由夹套筒体扳边而成，再焊在金壁上。
当夹套中用蒸汽作为载热体时，一般从上端进入夹套，凝液从夹套底部排出；如用液体作为冷却液时则相反，采取下端进、上端出，以使夹套中经常充满液体，充分利用传热面积，加强传热效果。
夹套直径Dj与筒体直径Di的关系
Di
500—600
700—1800
2000—3000
Dj
Di+50
Di+100
Di+200
夹套的下封头根据直径及所选形式，按标准选取。
夹套筒体的高度Hi主要取决于传热面积F的要求，夹套的高度一般应不低于料液的高度，以保证充分传热。
夹套高度的确定还需要考虑两个因素：
当反应釜筒体与上封头用设备法兰联接时，夹套顶边至少应在法兰下方150—200nm处；二当反应釜具有耳座时，须考虑避免因夹套顶部位置而影响耳座的焊接地位。
1.1.3厚度的确定
中低压反应釜釜体部分和夹套厚度，基本上按容器设计方法来确定。
反应釜在压力状态下操作，如不带夹套，则筒体及上、下封头均按内压容器设计，以操作时釜内最大压力为工作压力；如带夹套，则反应釜筒体及下封头应按内压和外压分别计算，并取两者中的壁厚较大值。
按内压计算时，最大压力差为釜内工作压力；按外压计算时，最大压力差为夹套内工作压力或夹套内工作压力加0.1MPa。
上封头如不包在夹套内，则不承受外压作用，只按内压计算，但常取与下封头相同的厚度。
、
夹套筒体及夹套封头则以夹套内的最大工作压力按内压容器设计，真空时接受外压进行设计。
通常封头与筒体取相同的厚度，必要时还得考虑内、外筒体膨胀差的影响。
当夹套上有支承件时，还应考虑容器和所装物料的质量。
1.1.4蛇管的设置
当所需传热面积较大，而夹套传热不能满足要求时，可采用蛇管传热。
它沉浸在物料中时，热量损失小，传热效果好，但检修较麻烦。
蛇管很长是不适宜的，因为凝液可能会积聚，使这部分传热面积降低传热作用，而且从很长的蛇管中排出蒸汽中所夹带的惰性气体也是很困难的。
如要求蛇管传热面积很大时，可做成几个并联的同心圆蛇管组。
蛇管的管径通常选用DN25—DN70之间。
管长与管径的比值，蛇管的进出口结构，蛇管排列的定位尺寸及定位结构等可参阅有关设计手册。
1.1.5工艺管口
反应釜上工艺管口，包括进出料口、温度计口、压力计口及其他仪表管口等，其结构和容器上的管口基本相同。
管口的管径及方位布置由工艺要求确定。
1.2、反应釜釜体的一些相关计算
1.2.1、确定筒体和封头型式
从要求单上所列的工作压力及温度以及改设备之工艺性质，可以看出它是属于带搅拌的低压力反应釜类型，一类低压容器。
根据惯例，选择圆柱形筒体和椭圆形封头。
1.2.2罐体几何尺寸计算
（1）确定筒体尺寸
a筒体内径
反应物料为气液相类型，可知H/Di为1—2，设备容积为2.8m3,考虑到容器不大，可取H/Di为1，这样可使直径不至太小。
又已知装料系数η=0.85，可得
筒体直径
，H/Di=1，V=2.8
则Di=1528mm.圆整至公称直径标准系列，取Di=1500mm
b筒体高度
当DN=1500mm,从书本上表中差得标准椭圆形封头的容积V封=0.486m3,在从另一表中差得筒体每一M高的容积V1m=1.767m3/m,则筒体高估算为
（2）确定夹套尺寸
a夹套直径
由上述表中可知Dj=Di+100=1500+100=1600mm,夹套封头也采用椭圆形，并与夹套筒体取相同直径。
b夹套高度
夹套筒体的高度估算如下：
（3）校核传热面积
当DN=1500m时，由书中表中查得封头内表面积F封=2.56m2,筒体1M高内表面积F1m=4.71m2,则、
（4）内筒及夹套的受力分析
工艺提供的条件为：
釜体内筒中工作压力3.0MPa，夹套内工作压力0.58MPa，则夹套筒体和夹套封头为承受0.58MPa内压，而内筒的筒体和下封头为既承受3.0MPa内压，同时又承受0.58MPa外压，其最恶劣的工作条件为：
停止操作时，内筒无压而夹套内仍有蒸汽压力，此时内筒承受0.58MPa外压。
（5）计算夹套筒体、封头厚度
夹套筒体与内筒的环焊缝，因检测困难，故取φ=0.6，从安全计夹套上所有焊缝均取φ=0.6，封头采用Q345R，022Cr17Ni12Mo2，操作容积C2=η·V=0.85*2.8=2.38m3
夹套厚度计算如下：
夹套封头厚度计算如下：
圆整至钢板规格厚度并查阅封头标准，夹套筒体与封头厚度均取为10mm.
筒体的厚度Hi计算如下：
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：
0.486m3
Vim------------1m高筒体容积（见附表4-1）：
Vim=1.767m3/m
得Hi=（2.8-0.0.486）/1.767=1.3096m
圆整后的Hi=1.3m=1300mm
按筒高圆整后修正实际容积：
V=Vim×Hi+V封=1.767*1.3+0.486=2.78m3<2.8m3
1.2.3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Di可根据筒体内径Dj按上表选取：
D2=D1+100=1600mm
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=0.85
夹套高H2计算：
H2=（ηV-V封）÷Vim代入数值计算
得：
H2=1.07m
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=2.56＋4.71×1.07=7.60>7㎡
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，主要尺寸由书上附表查得，其中：
D=1530mmD1=1490mmD2=1455mmD3=1441mm
D4=1438mmS=46mmd=23mm
1.2.4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。
（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）水压实验校核计算
夹套反应釜应对罐体和夹套分别进行水压实验，并校核圆筒应力σT
罐体水压实验
由于[σ]≈[σ]t故pT=1.25p=1.25Pc=0.875Mpa
材料屈服点应力σs=235Mpa
0.9σsφ=179.8Mpa
≦0.9σsφ所以罐体水压实验强度足够
（2）由于[σ]≈[σ]t故pT=1.25p=1.25Pc2=1.125Mpa
材料屈服点应力σs=235Mpa
0.9σsφ=179.8Mpa
≦0.9σsφ所以夹套水压实验强度足够
1.3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。
由表查的D1/DJ取1.25：
1—2：
1H0/DJ=1:
1—2:
1
有实际情况取D1/DJ=1.5：
1H0/DJ=1:
1
则：
搅拌器直径DJ=900mm
液面高度：
H0=900mm
1.4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，其桨叶为两叶。
轴转速为50r/min,采用双层桨安装。
搅拌器与轴的连接常用螺栓对夹。
器主要尺寸有表查的：
dJ=900mmd=50mm
螺栓：
d0:
M16数量4螺钉：
d1:
M16数量1
S=16b=90c=150m=110f=45e=5
1.4.1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-A
（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：
（参考文献1.公式9-5）
对Q235-A[τ]k=12~20Mpa
对实心轴Wp=πd3/16=24531mm3
Tθ=9.55×106p/n=133700N•mm
则：
故d=50mm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
1.5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。
1.6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：
p=1.4KWη=0.85（有表可知）
设计采用机械轴封，功率消耗小，Pm=0.6KW
则：
Pd=2.2KW
1.7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=50r/min电机功率为2.2KW
查表可选：
BLD摆线针轮行星减速机，其尺寸从HG5-745-78标准中选取。
由表选的：
电动机功率为2.2kw转速为1430r/min
查附表选取电动机型号为：
Y112M-4额定功率为4KW
满载转速为1440r/min
1.8反应釜的一些常用惯量
1.8.1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，其形式见附图，其尺寸有附表查找。
选择R型突面凸缘法兰，其尺寸如下：
DN=400mmd1=410mmd2=565mmk=515mmd3=430mmd4=455mm
螺栓数量：
16，螺纹：
M24。
质量：
46Kg
1.8.2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。
其主要尺寸查图和附表，内容如下（单位：
mm）：
DN=400,d2=565k=515d5=16-26d6=415s=50d9=176k2=210d10=8-M16
1.8.3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，本次选用无支点机架。
常用的无支点机架见附图5-1，尺寸见附表5-6.
选用WJ90型无支点机架，H1=40mmH2=25H3=7H4=8D1=400D2=450D3=490D4=430D5=515D6=565H=660质量：
170Kg
1.8.4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。
主要尺寸见附表.选用GT-45质量：
17Kg.
1.8.5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。
这次设计选用机械轴封。
机械轴封是一种功耗小，泄露率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。
主要用于腐蚀、易燃、易爆、剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。
由于机械轴封的结构形式很多。
且大都有标准。
附图5-9和附表5-15给出了202型标准机械密封结构及尺寸。
1.9反应釜的其他附件
1.9.1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.
1.9.2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.
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
1.9.3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
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。
涉及感想
在为期两周的设计里，在此课程设计过程中首先要感谢秦英月老师，在这次课程设计中给予我们的指导，在设计的过程当中也确实遇到了不少问题，但通过询问秦老师和上网及去图书馆借资料也都很顺利的解决了。
设计不仅要画图，还要完成课程设计的说明书，所以我从中学到了不少知识，是对精细化工设备的一种巩固。
参考文献
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