结晶釜的设计课程设计

课程设计题目结晶釜的设计学院化学化工学院专业化学工程与工艺班级化工1001 学生付沛松学号 ***********指导教师化学工程系课程指导小组二〇一二年十二月三十一日目录1. 结晶釜的结构 (3)1.1 结晶釜的功能和用途 (3)1.2 结晶釜的反应条件 (3)2. 设计标准 (4)3. 设计方案的分析和拟定 (4)4. 各部分结构尺寸的确定和设计计算 (5)4.1 罐体和夹套的结构设计 (5)4.1.1 罐体几何尺寸计算 (6)4.1.2 夹套几何尺寸计算 (7)4.2 结晶釜的强度计算 (8)4.2.1 强度计算(按内压计算强度) (8)4.2.2 稳定性校核(按外压校核厚度) (10)4.2.3水压试验校核 (13)4.3 结晶釜的搅拌器 (14)4.3.1 搅拌装置的搅拌器 (14)4.3.2 搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计 (14)4.3.3 搅拌装置的搅拌轴设计 (15)4．4 结晶釜的传动装置设计 (16)4.4.1 常用电机及其连接尺寸 (16)4.4.2凸缘法兰 (16)4.4.3安装底盖 (16)4.5 结晶釜的轴封装置设计 (16)4.5.1 填料密封 (17)4.5.2 机械密封 (17)4.6结晶釜的其他附件设计 (18)4.6.1 支座 (18)4.6.2 手孔和人孔 (18)4.6.3 设备接口 (18)5. 参考文献 (21)1.结晶釜的结构1.1 结晶釜的功能和用途结晶釜主要由搅拌容器、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。

搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形成通常由工艺设计而定；传动装置是为带动搅拌装置设置的，主要由电机、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、工艺管等附件一起，构成完整的结晶釜。

结晶釜是物料混合反应后，夹层内需冷冻水或冷媒水急剧降温的结晶设备，其关键环节在于夹层面积的大小，搅拌器的结构形式和物料出口形式，罐体内高精度抛光，以及罐体内清洗无死角的要求来满足工艺使用条件。

结晶釜是化工、制药、食品等行业的物料混合、加温、降温、搅拌等国内过程中的混合反应设备。

由于工艺和介质不同，物料有易燃、易爆、巨毒、高温高压的状况常为多见。

设备的搅拌形式、转速、加温和降温的要求不同。

该设备的设计选材、结构和减速机防爆与不防爆要求也不同。

1.1 结晶釜的反应条件结晶釜的设计要注重反应的条件，一般考虑夹套和搅拌器的材料、上下进出口的设计，主要分为温度、压强、进料口和出料口、材料这几个因素。

温度----这个一般都应当有严格的控制，所以在设计的时候要注意温度计选择。

要是反应温度高可能要使用油浸泡温度计，所以要留可以装油的管槽，要是温度低还要注意冰封现象发生。

要是温度在100度到0度之间，要求不高的情况下，可以用塞子直接套温度计（注意压强）。

压强----压强的高低要选择合适的反应釜，一般只要能承受两倍的大气压就可以了。

本设计是在负压条件下完成。

进料口和出料口----一般进料口做一定大就一个可以了，要注意一些比如回流口、真空口什么的，还有就是出料口的大小，有些物质反应后不容易放出，所以要设计合适。

材料----一般反应釜都是玻璃的，要是工业生产最好用搪瓷的，搅拌的金属要注意保护不要被腐蚀，放料活塞要可以防腐。

还有就是夹套的进出水的控制，防止部分比如盐水的滞留。

2. 设计标准（1）HG/T 20569-94 《机械搅拌设备》（2）GB 150-1998 《钢制压力容器》（3）HG 21563~21572-95 HG 21537.7~8-92 《搅拌传动装置》（4）TCED S8-90 《压力容器强度计算书统一格式》（5）CD 130A20-86 《化工设备设计文件编制规定》3. 设计方案的分析和拟定此次我要设计的是全容积为3.53m，操作容积为2.53m的结晶釜。

1、设计压力：容器内的设计压力为负压，夹套内的设计压力为0.2MPa，由此可知本反应釜是在常压下工作。

2、设计温度：容器内的设计温度80到100℃，夹套内的设计温度<150℃，设计温度均不高，不需要对反应釜作保温措施。

3、介质选择：容器内的介质为染料及有机溶剂,夹套内的介质为冷却水或蒸汽。

4、搅拌器：选用推进式搅拌器，搅拌轴转速为50 r/min，功率为4kW。

5、材料选择：选用最常用的Q235-A碳素钢材，由此釜中的其他接管法兰等钢材也选用Q235-A碳素钢材。

封头为标准的椭圆封头，材质也选用Q235-A碳素钢。

6、传动系统：选用库存电机Y1322-6，转速960r/min,功率4.5kW，给定搅拌传动系统用V 带传动。

7、接管设计：已知结晶釜的用途为冷却结晶，因此反应釜需要冷却水入口、加料口、人孔、温度计管口、压缩空气入口、放料口、手孔、备用管口、压料管、压料管套管。

公称尺寸：冷却水入口公称尺寸DN=25、加料口公称尺寸DN=25、人孔公称尺寸DN=25、温度计管口公称尺寸DN=80、压缩空气入口公称尺寸DN=25、放料口公称尺寸DN=40、冷凝水出口公称尺寸DN=25、手孔公称尺寸DN=100、备用管口公称尺寸DN=40、压料管DN=50、压料管套管DN=80。

8、焊接选择：焊接采用电弧焊，焊条牌号：采用J 507焊条。

9、法兰焊接：法兰焊接按相应法兰标准的规定，角焊缝及搭接焊缝的焊叫尺寸按两焊件中较薄板的厚度。

此外，设计中还需选择接管、管法兰、设备法兰、轴承、联轴器、轴封形式，最后完成设计时，需将设计的反应釜绘制成装配图及绘出传动系统部件图。

4. 各部分结构尺寸的确定和设计计算4.1 罐体和夹套的结构设计罐体一般是立式圆筒形式容器，有顶盖、筒体、罐底，通过支座安装在基础平台上。

罐底通常为椭圆形封头。

顶盖在受压状态下常选用椭圆形封头，对于常压或操作压力不大而直径较大的设备，顶盖可采用薄钢板制造的平盖，并在薄钢板上加设型钢（槽钢和工字钢）制的横梁，用以支承搅拌器及其传动装置。

顶盖和钢底分别与筒体相连。

罐底与筒体的连接常采用焊接连接。

顶盖与筒体的连接型式分为开拆和不可拆两种，筒体直径1D ≤1200㎜，宜采用可拆连接。

当要求可拆时，做成法兰连接。

夹套型式与罐体相同。

4.1.1 罐体几何尺寸计算1、釜体形式为常用结构圆筒形，封头形式为常用结构椭圆形。

原始尺寸如下表4-1：表4-1 原始尺寸2初算筒体内径1D 按式314iVD π≅计算,得0621.12.1144331=⨯⨯==ππi V D m取圆整筒体内径1D =2000mm ，一米高的容积 m 1V =1.3333m ，内表面积m 1F =6.282m 。

选取釜体封头容积 封1V =0.405 3m 釜体高度1H 按式()m V V V H 111/封-= 计算,得()m V V V H 111/封-==（3-0.405）/1.333=2.421m选取圆整釜体高度 1H =2000 mm实际容积V 按式封111V H V V m +⨯= 计算,得封111V H V V m +⨯==1.333*2.000+0.405=3.0653m4.1.2 夹套几何尺寸计算夹套直径2D 选取夹套筒体内径 2D =1D +100=2100 mm,装料系数η按式V V /操=η 计算，得V V /操=η=0.8/1.0=0.8夹套筒体高度H 2按式VV V Hm112)(封-≥η计算，得()m V V V H 112/封-≥η=（0.8*3.0-1.333）/0.785=0.93m选取圆整夹套筒体高度 H 2=930mm 。

以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸,选取罐体封头表面积 m 1F =2.2132m 。

筒体的容积、面积和质量,选取一米高筒体表面积 m 1F =6.282m 。

实际总传热面积F 按式封121F H F F m +⨯=`校核,得封121F H F F m +⨯==3.14*0.95+1.1625=4.14552m >3.5 2m综上所述，筒体和夹套尺寸为下表4-6所示：4.2 夹套反应釜的强度计算4.2.1 强度计算(按内压计算强度)据工艺条件或腐蚀情况确定，设备材料选用Q235-A 。

由工艺条件给定, 设计压力（罐体内） 1p =0.2MPa ， 设计压力（夹套内） 2p =0.3MPa ， 设计温度（罐体内） 1t <100℃， 设计温度（夹套内） 2t <150℃。

选取罐体及夹套焊接接头系数 φ=0.85。

罐体筒体计算厚度1δ按式[]11112p D p t-=φσδ计算，得[]mm p D p t04.12.085.0113210002.021111=-⨯⨯⨯=-⨯=φσδ 夹套筒体计算厚度2δ按式[]22222p D p t-=φσδ计算，得[]mm p D p t72.13.085.0113211003.022222=-⨯⨯⨯=-=φσδ 罐体封头计算厚度'1δ按式[]111'15.02p D p t-=φσδ计算，得[]mm p D p t04.12.05.085.0113210002.05.02111'1=⨯-⨯⨯⨯=-⨯=φσδ夹套封头计算厚度'2δ按式[]222'25.02p D p t-=φσδ计算，得[]mm p D p t72.13.05.085.0113211003.05.02222'2=⨯-⨯⨯⨯=-=φσδ壁厚附加量321C C C C ++=，其中C 1为钢板负偏差，初步取1C =0.6mm, 腐蚀裕量2C =2mm,热加工减薄量3C =2（封头热加工3C =0.5mm ），因此：C =0.6+2+0=2.6mm罐体筒体设计厚度c 1δ按式211C c +=δδ计算，得211C c +=δδ=1.04+2.0=3.04mm夹套筒体设计厚度c 2δ按式 222C c +=δδ计算，得222C c +=δδ=1.72+2.0=3.72mm罐体封头设计厚度'1c δ按式2'1'1C c +=δδ 计算，得C c +='1'1δδ=1.04+2.0=3.04mm 夹套封头设计厚度'2c δ按式2'2'2C c +=δδ 计算，得2'2'2C c +=δδ=1.72+2.0=3.72mm圆整选取罐体筒体名义厚度 n 1δ=5mm圆整选取夹套筒体名义厚度 n 2δ=5mm 圆整选取罐体封头名义厚度 '1n δ=5mm 圆整选取夹套封头名义厚度 '2n δ=5mm4.2.2 稳定性校核(按外压校核厚度)1、假设罐体筒体名义厚度 n 1δ=8 mm 钢板厚度负偏差,选取钢板厚度负偏差 1C =0.6mm 据经验规律，腐蚀裕量 2C =2.0mm厚度附加量C 按式21C C C +=计算，得21C C C +==0.6+2.0=2.6mm罐体筒体有效厚度e 1δ按式 C n e -=11δδ计算，得C n e -=11δδ=8-2.6=5.4 mm罐体筒体外径O D 1按式n O D D 1112δ+=计算，得n O D D 1112δ+==1000+2*8=1016mm筒体计算长度L 按式121h H L += 计算，得121h H L +==950+250/3=1033.3mm系数 O D L 1=1033.3/1016=1.017系数 e O D 11δ=1016/5.4=188.15许用外压力[]p 按式[]e O D B p 11δ=计算，得[]eO D B p 11δ==85/188.15=0.45MPa>0.3MPa确定罐体筒体名义厚度 n 1δ=8 mm2、假设罐体封头名义厚度 '1n δ=8 mm 选取钢板厚度负偏差 1C =0.6mm 据经验规律，腐蚀裕量 2C =2.0mm 厚度附加量C 按式21C C C += 计算，得21C C C +==0.8+2.0=2.6mm罐体封头有效厚度'1e δ按式C n e -='1'1δδ计算，得C n e -='1'1δδ=8-2.6=5.4 mm 罐体封头外径'1OD 按式'1'1'12n O D D δ+= 计算，得'1'1'12n O D D δ+==1000+2*8=1016mm标准椭圆封头当量球壳外半径'1O R 按式'1'19.0O O D R = 计算，得'1'19.0O O D R ==0.9*1016=914 mm 系数A 按式A =()'1'1125.0e O R δ计算，得()0007385.04.5914125.0125.0'11'===eO R A δ查 ()A f B =曲线，得系数 B =100MPa许用外压力[]p 按式[]eO R Bp 1'1'/δ=计算，得[]Mpa R B p e O 5908.04.5914100/1'1'===δ>0.3 MPa确定罐体封头名义厚度 '1n δ=8mm4.2.3水压试验校核罐体试验压力T p 1按式[][]t T p p σσ1125.1=计算，得[][]Mpa p p tT 25.01131132.025.125.111=⨯⨯==σσ夹套水压试验压力T p 2按式[][]t T p p σσ2225.1=计算，得[][]Mpa p p tT 375.01131133.025.125.122=⨯⨯==σσ查碳素钢、普通低合金钢钢板许用应力,得材料屈服点应力pa 235s M =σ计算，得Mpa s T 8.17923585.09.09.0=⨯⨯=≤φσσ罐体圆筒应力T 1σ按式()ee T T D p 111112δδσ+=计算，得()()Mpa D p e e T T 27.234.524.5100025.0211111=⨯+⨯=+=δδσ< 179.8 Mpa夹套内压试验应力T 2σ()()Mpa D p e e T T 38.384.524.51100375.0211222=⨯+⨯=+=δδσ<179.8 Mpa所以夹套水压试验强度足够。