反应釜设计

四搅拌反应釜的机械设计

4.1 概述

反应釜的机械设计是在工艺设计之后进行的。工艺上给出的条件一般包括：釜体容积、

最大工作压力、工作温度、介质腐蚀性、传热面积、搅拌形式、转速和功率、工艺接管尺

寸方位等。这些条件通常都以表格和示意图的形式反映在机械设计任务书中。对于机械设计，设计者是依据工艺设计提出的要求和条件，对搅拌反应釜的容器、搅拌轴、传动装置

和轴封装置等进行合理的选型、设计和计算。

夹套反应釜的机械设计大体按以下内容和步骤进行：

(l)总体结构设计根据工艺要求考虑制造、安装和使用维修方便等，确定各部分结构型

式和尺寸，如封头、传热面、传动类型、轴封和各种附件的结构型式与连接形式等。

(2)选择材料根据压力、温度、介质情况经济合理选材。

(3)计算强度和稳定性对釜体封头、夹套、搅拌轴等进行强度计算和必要时的稳定性计算校核。

(4)零部件设计选用包括电动机、减速机、联轴器、轴封类型以及机座、底座等有关

零部件的选用和设计。

(5)绘制图样包括总装图、零部件图。标准零部件有标准图纸的要查出标准施工图号，不必绘图。

(6)提出技术要求提出制造、装配、检验和试车等方面的要求。应用标准技术条件的可标注文件号。

(7)编写计算说明书包括设备设计重要问题的论证，主要零部件的机械计算，主要零

部件设计选用说明等。

4.2 罐体的尺寸确定及结构选型

搅拌罐包括罐体和装焊在其上的各种附件。

常用的罐体是立式圆筒形容器，它有顶盖、筒体和罐底，通过支座安装在基础或

平台上。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。

为了满足不同的工艺要求，或者因为搅拌罐本身自身结构上的需要，罐体上装有各种不同用途的附件。例如，由于物料在反应过程中常常伴自热效应，为了提供或取出

反应热，需要在罐体的外侧安装夹套或在罐体的内部安装蛇管；为了与减速机和轴封

相连接，顶盖上要焊装底座；为了便于检修内件及加料和排料，需要装焊人孔、手孔

和各种接管；为了在操作过程中有效地监视和控制物料的温度、压力和料面高度，则

要安装温度计、压力表、液而计、视镜和安全泄放装置；有时为了改变物料的流型、

增加搅拌强度、强化传质和传热，还要在罐体的内部焊装挡板和导流筒。但是随着附

件的增加，往往会给设备的制造和维修带来很多麻烦，增加设备的制造和维修费用。所以在确定搅拌罐结构的时候应全面地综合考虑，使设备既满足生产工艺要求又做到经济合理，实现最佳化设计。

搅拌罐零部件种类繁多，难以面面俱到地介绍，本节根据搅拌设备特点，着重介绍其中常用构件的结构型式及强度计算方法。这些构件般都是搅拌罐所固有的，而在通常使用的压力容器设计参考资料中又不常见的。当进行搅拌罐设计时，凡是与一般压力容器内容相同的设计项目，均应按有关标准规范及压力容器设计参考资料去做。诸如，筒体和封头的内压和外压强度设计；观测部件及接管、安全泄放装置、支座、开孔补强、管法兰和设备法兰的设计等等。

一、罐体的长径比和装料量

在知道搅拌罐操作时盛装物料的容积以后，首先要选择适宜的长径比（H/D）和装料量确定筒体的直径和高度（见图4-1）。

（一）罐体的长径比

选择罐体的长径比应考虑的主要因素有3个

方面，即长径比对搅拌功率的影响、对传热的影

响以及物料搅拌反应特性对长径比的要求。

1．罐体长径比对搅拌功率的影响一定结构

型式搅拌器的桨叶直径同与其装配的搅拌罐罐件

内径通常有一定的比例范围。随着罐体长径比的

减小，即高度减小而直径放大，搅拌器桨叶直径

也相应放大。在固定的搅拌轴转数下，搅拌器功

率与搅拌器桨叶直径的5次方成正比。所以，随

着罐体直径的放大，搅拌器功率增加很多，这对于需要较大搅拌作业功率的搅拌过程是适宜的，否则减小长径比只能无谓地损耗一些搅拌器功率，长径比则可以考虑选得大一些。

2．罐体长径比对传热的影响罐体长径比对夹套传热有显著影响。容积一定时长径比越大则罐体盛料部分表面积越大，夹套的传热面积也就越大。同时长径比越大，则传热表面距离罐体中心越近，物料的温度梯度就越小，有利于提高传热效果。因此单从夹套传热角度考虑，一般希望长径比取得大一些。

3．物料特性对罐体长径比的要求。某些物料的搅拌反应过程对罐体长径比有着特殊要求，例如发酵罐之类，为了使通入罐内的空气与发酵液有充分的接触时间，需要有足够的液位高度，就希望长径比取得大一些。

根据实践经验，几种搅拌罐的长径比大致如表4-1所示。

表4-1几种搅拌罐的H/D 值

（二）搅拌罐装料量

选择了罐体长径比之后，还要根据搅拌罐操作时所允许的装满程度考虑选择装料系数r 然后经过初步计算、数值圆整及核算，最终确定筒体的直径和高度。

1．装料系数 罐体全容积V 与罐体的公称容积（即操作时盛装物料的容积）V g 。有如下关系

V g =V η(m 3) (4--1)

设计时应合理地选用装料系数η值，尽量提高设备利用率。通常η可取0.6-0.80。如果物料在反应过程中要起泡沫或呈沸腾状态，η应取低值，约为0.6-0.7；如果物料反应平稳，η可取0.8-0 .85（物料粘度较大可取大值。）

2．初步计算筒体直径 知道了筒体的长径比和装料系数之后，还不能直接算出筒体直径和高度，因为当筒体直径不知道时封头的容积就不知道，罐体全容积也就不能最后确定。为了便于计算，先忽略封头的容积，认为：

H D V i 24π

≈(m 3)

式中D i 及H 单位是m 。把罐体长径比代入上式为：

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛≈i i D H D V 34π (m 3) (4-2) 将式( 4-I)代入式(4-2)，并整理：

34⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≈ηπg i i V D H D

(m) (4-3)