夹套反应釜的设计

夹套反应釜的设计
搅拌容器常称作搅拌釜，当做反应器用时，称为搅拌釜式反应器简称反应釜。

搅拌容器分为罐体和夹套两部分，主要由筒体和封头组成；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成；传动装置是为带动搅拌装置而设置的，主要由电动机、减速器、联轴器和传动轴组成；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；其他组成包括支座、人孔、工艺接管等附件。

工艺条件一般包括，釜体容积，最大工作压力，工作温度，介质及腐蚀性，传热面积，搅拌形式，转速，功率，工艺接管的尺寸等。

设计的一般步骤：
1) 总体结构设计，确定各部分的结构形式，如封头形式，传热面积，搅拌类型，传动形式，轴封等。

2) 容器的设计，主要内容包括：
① 根据工艺参数确定各部分的几何尺寸
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) 搅拌器设计，根据搅拌类型确定相关位置和尺寸
4) 传动系统设计，包括选择电动机，确定传动类型，选择减速机，联轴器，机座及底座设计
5) 选择轴封，选择并确定轴封及相关零部件。

6) 绘图写说明书。

（一）罐体和夹套的设计
罐体为物料完成搅拌提供了空间，夹套即外部传热，它是一个套在罐体外面能形成密封空间的容器。

罐体和夹套的设计主要包括结构设计，各部分尺寸的确定和强度计算与校核。

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。

顶盖在受压状态下操作常选用椭圆形封头，对于常压或操作压力不大而直径较大的设备，顶盖可采用平盖，并在平盖上加设横梁，用以支撑搅拌器及其传动装置。

罐底与筒体的连接常采用焊接，顶盖与筒体连接可为可拆和不可拆两种。

筒体内径小于1200mm ，宜采用可拆连接，当要求可拆时，做成法兰连接。

2) 罐体几何尺寸计算
a. 确定筒体内径：
一般由工艺条件给定V ，筒体内径按公式计算
341i
V D π= V 是给定的容积，i 长径比（按物料类型查表）
I 要考虑其对搅拌功率，对传热的影响及物料反应和结构等对长径比的要求。

通常，一定结构形式的搅拌器桨叶直径与附体内经有一定的比例关系。

随着釜体长径比的减小，搅拌器桨叶必然要相应放大，在固定的搅拌轴转速下，搅拌功率与搅拌器桨叶直径的五次方成正比，因此，搅拌功率会增大很多。

釜体长径比对夹套传热也有显著影响，当容积一定时，长径比越大，釜体盛料部分表面积越大，夹套的传热面积也越大。

b. 确定封头尺寸：
反应釜筒体与夹套最常用为椭圆封头。

其内径与筒体内径相同，
c. 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按以下计算并圆整。

m 11V /)(封V V H -= m
V 封 封头容积，可查表m3； V1m ，1m 高筒体容积，可查表
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
V=V 1m H 1+V 封 （H1是圆整后的筒体高度）、
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，夹套内径D2可根据筒体内径D1，查表选取。

夹套下封头形式同罐体封头，其直径D2与夹套筒体相同。

夹套高H2由传热面积决定，不能低于料液高度。

通常由工艺给定的装料系数η，或根据已知操作容积和全容积进行计算，η=操作容积/全容积
若装料系数没有给定，则应合理选用装料系数值。

常取0.6-0.85
m 12V /)(封V V H -=η
夹套所包围罐体的表面积（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 ：F 封+F 筒》F
4) 夹套反应釜的强度计算
当夹套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，确定罐体及夹套的筒体和封头的厚度。

（带夹套的受内外牙筒体厚度可参考文献的表11-3）
① 强度计算的原则及依据
强度计算应符合GB150钢制压力容器的规定，强度计算应考虑一下几种情况： a. 圆筒内为常压外带夹套
当圆筒的公称直径DN 》600mm 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。

当圆筒公称直径小于600mm 时，全部筒体按外压（指夹套压力）圆筒设计
b. 圆筒内为真空外带夹套
当圆筒的公称直径大于等于600mm时，被夹套包围部分的筒体按压力（指夹套压力+0.1MPa）圆筒设计，其余部分按真空设计
当圆筒的公称直径小于600mm，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
当圆筒的公称直径大于等于600mm，被夹套包围的部分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。

当圆筒的工程直径小于600mm，全部筒体分别按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中较大值。

釜体的壁厚根据釜体的受载情况计算确定。

当釜体操作压力使釜体受内压作用，筒体和封头的壁厚按内压容器计算；
若带有夹套，则反应釜的筒体和下封头因受外压的作用，应同时按内压和外压分别计算，并取两种计算所得的壁厚的较大值。

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的工作压力（釜内为常压或尚未升压时）或家套内工作压力加0.1MPa（当釜内为真空时）。

为了便于焊接，封头常与筒体壁厚相同，釜体上封头如不包括在夹套内，则不承受外压的作用，只按内压计算，但考虑到顶上有许多开孔，削弱了上封头的强度，故常取与筒体壁厚相同，也便于制造。

②按内压对筒体和封头进行强度计算
③按外压对筒体和封头进行稳定性校核
反复试代法
④水压试验
（二）反应釜的搅拌器
1) 搅拌器
搅拌器又称为搅拌桨或搅拌叶轮，是反应釜等搅拌设备的关键部件。

主要类型有桨式，推进式，框式，涡轮式，螺杆式，螺带式等。

设计的重点是搅拌器的安装方式及与轴连接的结构设计。

搅拌器的桨叶多为两叶，有直叶桨，斜叶桨和弧叶桨之分。

搅拌器直径与罐体内径之比Dj/D1常取0.35-0.8，多用于n《100r/min的场合。

桨式搅拌器可以单层或多层安装在轴上。

最底层桨通常安装在与下封头焊缝等高的位置上。

二层桨安装时，最上层桨通常安装在液面至底层桨距离的中间或稍高
的位置上。

三层及四层桨安装时，最上层桨通常安装在液面下200mm 处，中间各层桨均布在上层桨和底层桨之间。

桨式搅拌器与轴的连接常用螺栓对夹。

当轴径d 小于等于50mm 时，应加紧定螺钉固定，当轴径大于50mm 时，加穿孔螺栓或圆柱销固定。

2) 挡板
挡板是一种常见的搅拌附件。

当搅拌器沿容器中心线安装，搅拌物料粘度小，搅拌转速高时，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。

通常为了消除这种现象，在容器中加入挡板，把回转的切向流动改变为径向和轴向流动。

挡板宽度通常取容器内径的1/10-1/12，一般设置4-6个挡板沿罐壁均匀分布直立安装。

（三）反应釜的传动装置
传动装置为搅拌器提供运动和动力。

传动装置包括电动机，变速器，联轴器，搅拌轴，机架，安装底盖及凸缘法兰等。

当搅拌轴较长时，为加工和安装方便，常常将搅拌轴分段制造。

安装搅拌器的部分称为搅拌轴或下轴，与减速机输出轴相连接的称为传动轴。

反应釜传动装置的设计一般包括，电动机的选型，变速器的设计或选型，轴的支撑条件的确定，轴上零件的选型，机架和底座的选用或设计。

1) 常用电动机及连接尺寸
确定电动机的型号应根据搅拌轴的功率等。

电动机的功率必须满足搅拌器运转及传动装置，轴封功率损失的要求，还要考虑可能出现的搅拌功率过大的情况。

电动机功率按下式确定：ηm
d P P P += Pd 是电动机功率，P 搅拌轴功率，Pm 轴
封系统的摩擦损失功率，η是传动装置的机械效率（可查表）
2) 釜用减速机类型，标准及选用
由于立式反应釜转速较低，因而电动机多与变速器组合使用。

釜用立式减速机主要类型有摆线针轮减速机，齿轮减速机和带传动减速机三大类。

先根据反应釜搅拌传动所需要的电机功率、搅拌轴转速（即减速机输出轴转速）、然后在根据其他具体条件综合考虑，类比确定较适用的减速机。

如果已知条件为输出轴转矩，应采用下式求功率P
η
i Tn P 9550= i 总传动比，P 功率，T 输出转矩，n 输出转速，η总传动效率。

3)凸缘法兰
凸缘法兰一般焊接在搅拌容器封头上，用于连接搅拌传动装置，也可用作安装，维修和检查用孔。

凸缘法兰分整体和衬里两种结构形式，密封面分图面R和凹面M两种。

结构和尺寸可查表
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。

（结构和尺寸可查HG/T21565）.
安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同。

形式应注意与凸缘法兰的密封面配合（凸面配凹面，突面配突面）
5)机架
立式搅拌传动装置多通过机架、安装底盖安装在搅拌设备封头上。

机架上端与变速器连接尺寸相匹配，下端采用螺柱与安装底盖连接。

6)联轴器
电动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，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。

搅拌轴分段时，其自身的连接必须采用刚性联轴器。

7)搅拌轴的设计
搅拌轴的设计包括材料的选用，结构确定，支承条件和强度计算等内容。

a.搅拌轴的材料
搅拌轴以45钢应用最广，当介质有腐蚀要求时，采用不锈钢材料。

当搅拌轴分段安装时，搅拌轴和传动轴可根据其接触介质的情况，分别采用不同的材料。

采用材料及性能可查标准。

b.搅拌轴的结构
搅拌轴的结构可采用实心轴和空心轴，结构形式根据轴上安装的搅拌器的类型，支承的结构和数量以及与联轴器的连接要求而定，还要考虑腐蚀的影响。

连接桨式和框式搅拌器的轴头较简单，因用螺栓对夹，所以用光轴即可。

连接推进式和涡轮式搅拌器的轴头需要车削台肩，开键槽，轴端还要车螺纹。

c.搅拌轴的支承条件
支承条件对其刚度影响大。

按支承情况，搅拌轴分为悬臂式和单跨式。

悬臂式搅拌轴在搅拌设备内部不设置中间轴承或地轴承，维修方便，特别对结晶度要求较高的生物，食品和药品搅拌设备或介质腐蚀性高的搅拌设备，减少了内件，宜优先选用。

为保证悬臂的稳定性，轴的悬臂长L1，轴径d和两支点（轴承）间距B应满足一定的关系（查标准。

）
d.搅拌轴的计算
搅拌轴通常既承受转矩又承受弯矩，一般先按转矩初步估算最小轴径，按后根据轴上零件的安装和定位及轴的制造工艺等要求进行轴的结构设计，最后进行弯扭强度校核。

注意：搅拌轴的直径需要圆整到标准直径系列。

对于转速大于200r/min时，还要进行临界转速校核。

轴的强度计算和校核查标准。

（四）反应釜的轴封装置及其他附件设计。