化工机械设备课程设计--夹套反应釜

本科毕业生论文
教学院：化学与材料工程学院
专业：化学工程与工艺（精细化工方向）学号： 201040820115 学生姓名：李生江
指导教师：
2012年6月13日
大型作业任务书4
2011～2012 学年第2学期
学生姓名：专业班级：化学工程与工艺（精细化工方向）2009（1）
指导教师：工作部门：化工教研室
一、大型作业题目：夹套反应釜
二、大型作业内容（含技术指标）
1. 容积：20m3；
2. 反应温度：150℃，加热介质：水蒸气；
3. 使用地点：黄石某地区。

4. 作业成果：计算书1份，设备图1张（A1图纸手工绘制）。

三、进度安排
1．5月28日：分配任务；
2．5月28日-6月03日：查询资料、初步设计；
3．6月04日-6月08日：设计计算，完成报告。

四、基本要求
1．设计方案：根据给定的条件合理选择设备的结构以及合适的材料，立式容器或卧式容器的筒体和封头、钢板卷制焊接结构接头、钢板材料的型号及热处理条件等；
2．设计计算：依据材料的性能，对选用设备的壁厚进行计算、稳定性进行校核；3．辅助设备的选型：包括典型辅助设备的主要尺寸计算及型号规格：人孔或手孔设计、法兰的型号规格、接管开孔结构、视镜或液面镜以及容器的支座选型等。

教研室主任签名：
2012 年月日
目录
1 绪论 (1)
1.1反应釜的基本特点 (1)
1.2反应釜的发展趋势 (2)
2反应釜的设计参数及要求 (3)
3 夹套反应釜设计 (4)
3.1夹套反应釜的总体结构 (4)
3.1.1釜体部分 (4)
3.1.2传热装置 (4)
3.2反应釜的罐体和夹套的设计 (5)
3.2.1罐体和夹套的结构设计 (5)
3.2.2筒体的几何尺寸计算 (5)
3.2.2夹套几何尺寸计算 (5)
3.2.3强度计算 (6)
3.2.4稳定性校核 (7)
3.2.5水压试验校核 (8)
3.3反应釜搅拌装置设计 (8)
3.3.1搅拌器选择 (8)
3.3.2设计搅拌轴 (9)
3.4传动装置设计 (10)
3.4.1动力设计 (10)
3.4.2轴封装置设计 (10)
3.4.3联轴器 (11)
3.4.4凸缘法兰选择 (11)
4 反应釜附件选用 (12)
4.1耳式支座选用 (12)
4.2接管表 (13)
4.3人孔选择 (13)
5 参考文献 (14)
1 绪论
1.1反应釜的基本特点
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100℃以下时，可用一个大气压以下的蒸汽来加热；100~180℃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(275～300℃)、联苯醚混合剂(沸点258℃)、熔盐(140～540℃)、液态铅(熔点327℃)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400℃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。

1.2反应釜的发展趋势
（1）大容积积化，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120 m³。

（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反应釜的设计参数及要求
反应釜的设计参数如表 1-1
表 1—1
3 夹套反应釜设计
3.1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、工艺接管和一些附件组成。

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。

3.1.1釜体部分
(1)釜体部分由圆筒和上、下封头组成，提供物料化学反应的空间，其容积由生产能力和产品的化学反应要求决定。

(2)中、低压筒体通常采用不锈钢板卷焊，也可采用碳钢或铸钢制造，为防止物料腐蚀，可在碳钢或铸钢内表面衬耐蚀材料。

(3)釜体壳能同时承受内部介质压力和夹套压力，必须分别按内、外压单独作用时的情况考虑，分别计算其强度和稳定性。

(4)对于承受较大外压的薄壁筒体，在筒体外表面影设置加强圈。

3.1.2传热装置
为及时送入化学放应所需热量或传出化学放应放出的热量，在釜体外部或内部可设置传热装置，使温度控制在需要的范围之内。

常用的传热装置是在釜体外部设置夹套或在釜体内部设置蛇管。

(1)反应釜的搅拌装置由搅拌轴和搅拌器组成，可使物料混合均匀、良好接触，加速化学反应的进行。

搅拌过程中，物料的湍动程度增大，反应物分子之间、反应物分子与容器器壁之间的接触不断更新，既强化了传质和传热，又有利于化学反应的进行。

搅拌器采用推进式搅拌器。

(2)反应釜的传动装置主要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成。

(3) 反应釜的轴封装置：为维持设备内的压力或阻止釜内介质泄漏，在搅拌轴伸出封料抖出必须进行密封（动密封）。

轴封装置通常有填料密封和机械密封。

(4) 反应釜的其他附件，包括支座、人孔、工艺接管等。

3.2反应釜的罐体和夹套的设计
3.2.1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。

根据反应釜的设计参数及要求可知，罐体采用立式圆筒形结构，上、下封头均采用标准椭圆形封头。

下封头与筒体焊接，上封头与筒体采用法兰连接。

夹套采用焊接式整体结构形式。

3.2.2筒体的几何尺寸计算
公称容积 V =20m 3 取内径为 D 1=2400mm
查JB/T4746-2002 DN =2400标准椭圆封头 总深度 h =625mm
内表面积 F h =4.4530 容积 V h =1.1257m 3
则直筒高度
174.424.21257.12022211=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ππD V V H h
m
将计算结果圆整到 H 1=4000mm
长径比 67.12400
4000===
D H i
3.2.2夹套几何尺寸计算
罐体直径D 1=2000mm ，则夹套内径D 2=D 1+200=2600mm 符合压力容器公称直径系列
取反应釜的装填系数η=0.85，则计算夹套高度为 9914.22212=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=D V V H h
πηm=2991.4mm
圆整取夹套高度
H 2=3000mm ，H 0=4000-3000=1000mm
这样满足简单法兰螺栓的装拆要求
夹套的传热面积为
F =F 1H 2+F h =2.4×3.14×3+4.4530=27.061m 2
3.2.3强度计算
罐体和夹套选择Q235—C ，设计温度：t 1=180℃（罐体内） t 2=210℃（夹套内），设计压力[1]：常压（罐体内），P 2=1MPa （夹套内） 由于是高温水蒸汽加热，罐体按外压容器计算，夹套按内压容器计算。

查表在设计温度下Q235—C 的许用应力[2][σ]t =119.6MPa 则筒体和夹套的计算厚度 取焊接接头系数[3]φ=0.85 筒体厚度计算：
862.111
85.06.11922400
1][211=-⨯⨯⨯=-=
P PD t φσδmm
夹套厚度计算：
851.121
85.06.11922600
1][222=-⨯⨯⨯=-=
P PD t
σδmm 筒体封头厚度计算（采用标准椭圆形封头）：
833.111
5.085.0
6.11922400
15.0][213=⨯-⨯⨯⨯=-=
P PD t
φσδmm 夹套封头厚度计算：
819.121
5.085.0
6.11922600
15.0][224=⨯-⨯⨯⨯=-=
P PD t
φσδmm 取钢板厚度负偏差[4]：C 1=0.8mm ，腐蚀裕量：罐体C 2=2mm 夹套C 2′=1mm 筒体设计厚度： δ1d =δ1+ C 1+ C 2=11.862+0.8+2=14.662mm 夹套设计厚度： δ2d =δ2+ C 1+ C 2′=12.851+0.8+1=14.651mm 筒体封头设计厚度： δ3d =δ3+ C 1+ C 2=11.833+0.8+2=14.633mm
夹套封头设计厚度： δ4d =δ4 +C 1+ C 2′=12.819+0.8+1=14.619mm 圆整后选取
筒体名义厚度 δ1n =15mm 夹套名义厚度 δ2n =15mm 筒体封头名义厚度 δ3n =15mm 夹套封头名义厚度 δ4n =15mm
3.2.4稳定性校核
设计外压为1MPa ，假设筒体名义厚度δ1n =28mm ，有效厚度
δ1e =δ1n -2.8=25.2mm
圆筒外径 D 0=D 1+2δn =2400+2×28=2456mm 筒体长度计算 L =H 2+h 1/3=3000+625/3=3208mm
L /D 0=3028/2456=1.31
D 0/δe =97.46 A =0.001 查得[5] B =160MPa 许用外压力 642.1/][0==
e
D B
P δMPa ﹥P =1.0MPa 故名义厚度δ1n =28mm ，筒体能满足1MPa 外压要求 假设筒体名义厚度δ3n =28mm 有效厚度δe =δ3n -2.8=25.2mm 标准椭圆封头当量球壳半径 R 0=K 1D 0 K 1=0.9
R 0=0.9×（2400+28×2）=2210.4mm R 0/δe =2210.4/25.2=87.71
系数 0014.071
.87125
.0/125.00==e R A δ＝ 查表B =120MPa
许用外压力 368.171
.87120
/][0===e R B P δMPa ﹥1MPa 封头δ3n =28mm 满足要求。

3.2.5水压试验校核
对筒体进行水压试验校核
由于[σ]≈[σ]t P T =1.25P =1.25×1=1.25MPa
0.9φδs =0.9×0.85×225=172.13MPa
()()149.602
.2522.25240025.1211111=⨯+⨯=+=
e e T D P δδδMPa ﹤0.9φδ=172.13MPa
所以筒体名义厚度δ1n =28mm 符合要求 对夹套进行水压试验
假设夹套名义厚度为δ2n =16mm 有效厚度δ2e =16-1.8=14.2mm 由于[σ]≈[σ]t 故P T =1.25P =1.25×1=1.25MPa
0.9φδs =0.9×0.85×235=179.75MPa
()062.115222212=+=
e
e T D P δδδMPa ﹤0.9φδ=179.75MPa
夹套名义厚度δ2n =16mm 符合设计要求。

3.3反应釜搅拌装置设计
3.3.1搅拌器选择
设计V =20m 3 反应釜充料系数为0.85 装料最大高度约为3000mm 选用浆式折叶四叶搅拌器[6]，设置三排，折叶角度θ=45°
取D J /D 1=0.4
搅拌器直径 D J =0.4D 1=0.4×2400=960mm 圆整到D J =1000mm 搅拌桨叶距釜底高度 h =500mm 搅拌器宽度 b =0.15D J =150mm
浆端线速度 v =5.0m/s 以此计算出转速N =99.5r/min
3.3.2设计搅拌轴[7]
假设釜内介质： 粘度μ=10.00mPa ·s ρ=1200kg/m 3
三排四叶折流浆式搅拌器
D J =1000mm n =N /60=1.59r/s
雷诺数
19080001
.01200
59.11Re 22=⨯⨯==
μ
ρ
n D J
查图[8]功率因数K N =0.5
总功率 N 0=3K N ρn 3D J 5=3×0.5×1200×1.593×15=7.24kW
根据校正 轴材料选用45钢[9] 许用应力为[τ]=35MPa 轴满足扭转强度条件： τ=T/W T ≦[τ]
扭矩 T =9.55×103P /nN ·mm p =N 0=7.24kW 抗扭截面系数 ＷＴ＝Fd 3/16≈0.2d 3
则 6
3
310352.05.9524.71055.9⨯≤⨯⨯⨯=d
W T T Pa d ≧46.9mm
符合设计要求 刚度校核
45钢，单位许用扭转角 [θ]=1.0°/m 剪切弹性模量G =8×104MPa
09.1180)10.946(14.31085.9524
.71055.9321803218043-1034max max
=⨯⨯⨯⨯⨯⨯
⨯⨯=⨯==π
πππθd G T GI T p °/m θmax =1.09°/m ≧[θ]=1.0°/m
不符合设计要求
按刚度条件设计轴直径
4811081805.9524
.7955032180][324
10
4
max =⨯⨯⨯⨯⨯⨯
⨯=⨯≥π
ππ
θπG T d mm 再次进行刚度校核
0.9961808
414.310805.45235
.71055.93218032180934max max
=⨯⨯⨯⨯⨯
⨯⨯=⨯==ππππθd G T GZ T p °/m θmax =0.996°/m ＜[θ]=1.0°/m
符合设计要求
考虑到物料对轴的腐蚀剂开键需要，轴径扩大11%
d =48×（1+0.11）=53.28mm
圆整到d =55mm
由于轴较长，故设计两段轴，轴间使用联轴器相连 对轴上键槽开三个键槽 槽宽度b =15mm 长度l =108mm
3.4传动装置设计
3.4.1动力设计
搅拌轴轴功率为7.24kW ，考虑到电机经减速机等一些消耗，设搅拌装置效率为0.8
则 7.24/0.8=9.05kW 选择A BLD 10-4-17 Q 减速机 电机10kW ，减速机出轴转速85r/min
选择机型号4，电机型号52—4、功率10kW 、轴径38mm 、减速机出轴径55mm
3.4.2轴封装置设计
由于设计反应釜为常压反应釜，对轴封装置密封性要求不高，对于常压、低转速设备允许定期维护。

选用填料密封结构简单，易于制造。

根据 HG 5-1412-81标准
其主要尺寸 d =55mm H =209mm
D 1=150mm D 2=104mm D 3=200mm
填料规格 10/10mm 法兰螺栓孔 8/f 18mm M16 重量12.41kg
密封装置见图3-1。

图3-1 填料密封
3.4.3联轴器
根据HG21570-95选用D型夹壳联轴器
轴径d=55mm D=150mm L=190mm L1=78mm L2=34mm
质量10.8kg
3.4.4凸缘法兰选择
凸缘法兰一般焊接于罐体封头口，用于连接搅拌传动装置，亦可兼作安装、维护、检查用孔。

凸缘法兰分整体和里衬两种形式，密封面分为凸面（R）和凹面（M）两种。

查：JB/T 4701-2000
选用DN=300mm甲型平焊法兰。

4 反应釜附件选用
4.1耳式支座选用
夹套反应釜多为立式安装，常用耳式支座。

估算设备总质量m=m1+m2+m3+m4
其中m1：罐体和夹套质量m2：传动装置总重m3：物料质量m4：冷却水重m1计算:
查表化工及设备简明设计手册P123-5
δ1=28mm，每平方米质量219.8kg/m2
δ2=16mm, 每平方米质量125.6kg/m2
单封头表面积估计值为6.41m2
筒体面积为πD1H1=3.14×2.4×4.00=30.144m2
夹套筒体面积为πD2H2=3.14×2.6×3=24.492m2
m1=（30.144+6.41×2）×219.8+（24.492+6.41×12.6）=9549kg
m2估算值m2=540kg
装填系数0.85，ρ=1.2×103kg/m3
m3=20×0.85×1200=20400kg
冷却水重：
m4=[(2..6/2)2π-(2.4/2)2π]H2×1000=2355kg
则总质量：
m=m1+m2+m3+m4=9549+540+20400+2355=32844kg
由于筒体高，采用8耳式支座双层间隔排列。

设计四个支座承载：
Q=（32844×9.8）/4=80467.8kN
根据JB/T 4725-92选用耳式 A-6 材料Q235-AF，短臂，带垫板。

4.2接管表
在主体装备外要装置一些接管，反应釜接管规格见表4-1。

表4-1 反应釜各接管规格
4.3人孔选择
反应釜直径大于900mm，需设置人孔，常压釜选用普通常压人孔。

根据HG 21515-95标准
孔径为DN=450mm 螺旋螺母数量20个，M16×50,总重44.3kg
5 参考文献
[1] 赵军等编.化工设备机械基础.第二版.北京：化学工业出版社，2011
[2] 赵军等编.化工设备机械基础.第二版.北京：化学工业出版社，2011
[3] 赵军等编.化工设备机械基础.第二版.北京：化学工业出版社，2011
[4] 赵军等编.化工设备机械基础.第二版.北京：化学工业出版社，2011
[5] GB150-1998.钢制压力容器.中国标准化出版社出版
[6] 王凯、虞军等编.化工设备设计全书——搅拌器.化学工业出版社2003
[7] 贺匡国主编.化工容器及设备简明设计手册.第二版.北京：化学工业出版社， 2002
[8] 贺匡国主编.化工容器及设备简明设计手册.第二版.北京：化学工业出版社， 2002
[9] 赵军等编.化工设备机械基础.第二版.北京：化学工业出版社，2011
资料仅供参考!!!。