搅拌反应釜设计

<<化工容器>>课程设计
—搅拌反应釜设计
姓名: 余景超
学号: 2010115189
专业: 过程装备与控制工程
学院: 化工学院
指导老师: 淡勇老师
2013年 6 月18 日
目录一设计内容概述
1. 1 设计要求
1. 2 设计参数
1. 3 设计步骤
二罐体和夹套的结构设计
2. 1 几何尺寸
2. 2 厚度计算
2. 3 最小壁厚
2. 4 应力校核
三传动部分的部件选取
3.1 搅拌器的设计
3.2 电机选取
3.3 减速器选取
3.4 传动轴设计
3.5 支撑与密封设计
四标准零部件的选取
4.1 手孔
4.2 视镜
4.3 法兰
4.4 接管五参考文献
一设计内容概述
（一）设计内容：设计一台夹套传热式配料罐
设计参数及要求
容器内夹套内
工作压力，MPa 0.18 0.25
设计压力，MPa 0.2 0.3
工作温度，℃100 130
设计温度，℃120 150
介质染料及有
机溶剂
冷却水或蒸汽
全容积, 3
m 1.0 操作容积, 3
m0.80 传热面积, 2
m 3
腐蚀情况微弱推荐材料Q235--A
接管表
符号公称尺
寸DN
连接面形
式
用途
A 25 蒸汽入口
B 25 加料口
C 80 视镜
D 65 温度计管口
E 25 压缩空气入口
F 40 放料口
G 25 冷凝水出口
H 100 手孔
（二）设计要求：
压力容器的基本要求是安全性和经济性的统一。

安全是前提，经济是目标，在充分保证安全的前提下，尽可能做到经济。

经济性包括材料的节约，经济的制造过程，经济的安装维修。

搅拌容器常被称为搅拌釜，当作反应器用时，称为搅拌釜式反应器，简称反应釜。

反应釜广泛应用于合成塑料、合成纤维、合成橡胶、农药、化肥等行业。

反应釜由搅拌器、搅拌装置、传动装置、轴封装置及支座、人孔、工艺接管等附件组成。

压力容器的设计，包括设计图样，技术条件，强度计算书，必要时还要包括设计或安装、使用说明书。

若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。

强度计算书的内容至少应包括：设计条件，所用规范和标准、材料、腐蚀裕度、计算厚度、名义厚度、计算应力等。

设计图样包括总图和零部件图。

设计条件，应根据设计任务提供的原始数据和工艺要求进行设计，即首先满足工艺设计条件。

设计条件常用设计条件图表示，主要包括简图，设计要求，接管表等内容。

简图示意性地画出了容器的主体，主要内件的形状，部分结构尺寸，接管位置，支座形式及其它需要表达的内容。

（二）设计参数和技术性能指标
（三）设计步骤：
1.进行罐体和夹套设计计算；
2.搅拌器设计；
3.传动系统设计；
4.选择轴封；
5.选择支座形式并计算；
6.手孔校核计算；
7.选择接管，管法兰，设备法兰。

一、确定筒体和封头的几何尺寸
（1）筒体和封头的形式选择圆柱筒体及椭圆形封头。

（2）确定筒体和封头的直径设备容积要求1m常从ξ锪衔-液类型，故由式（4-1）：H1/D1=1-1.3，考虑容器不大，为使直径不致太小，在顶盖上容易布置接管和传动装置，故选取H1/D1=1.2。

D1由(4-1)估算：
D1=√4V/πH1/D1=√4ⅹ1/πⅹ1.2=1.0621
将D1的估算值圆整到公称直径系列，故取D1=1000mm.
封头内径值采用椭圆型封头，直边高h0由附表4-2初选h0=40mm。

（3）确定筒体高度H1 当D1=1000mm, h0=40mm时，由附表4-2查得椭圆形封头的容积V=0.1623 m常筛奖4-1查得筒体1m高的容积V1米=0.785 m/m，按式（4-2）：H1=V-V封/V1米=（1-0.1623）/0.785=1.067m
取H1=1.0m，于是H1/D1=1.062/1.067=1。

（4）选取夹套直径 D= D1+100=1100mm。

夹套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径。

（1）确定夹套高度按式（4-4）定夹套高度H2，式中η为装料系数，η=操作容积/设备容积=08/1=0.8，代入公式： H2≥(ηV- V封)/ V1米=0.812 取H2=950mm。

（2）校核传热面积下工艺要求传热面积为3 m常筛奖4-1、4-2，封头表面积F 封=1.2096m，1m高筒节表面积F筒=H2ⅹF1m=0.8ⅹ3.14=2.512 m，则：实际总传热面积F=F封+F筒=1.2096+2.512=3.7604 m>7 m玻可用。

2．釜体及夹套的强度计算
（1）选择设备材料，确定设计压力由已知建议并分析工艺要求和腐蚀因素，决定采用建议意见，选用Q235-A热轧钢板，其中100℃-150℃下的许用应力为：[ó]=113Mpa。

设计压力的确定：
夹套的筒体和封头是内压容器，按已知：设计压力P=0.3Mpa；
釜体的筒体和封头既受内压又受外压的作用。

内压设计压力P=0.2Mpa，设计外压的取法是考虑操作过程出现的最大压力差，所以取P=0.3Mpa为设计外压。

（2）夹套的筒体和封头壁厚计算
夹套筒体壁厚δ夹=PD夹/（2[ó]φ-P）+C
式中，P=0.3Mpa；D夹=1100mm；[ó]=113Mpa；φ为焊缝系数，采用双面焊缝，进行局部无损探伤检查：φ=0.85（夹套封头用钢板拼焊）；
壁厚附加量C=C1+C2+C3，Q1 其中C1为钢板负偏差，初步取C1=0.6mm, 腐蚀裕量C2=2mm,热加工减薄量C3=2（封头热加工C3=0.5mm），因此：
C=0.6+2+0=2.6mm
δ夹=[(0.3ⅹ1100)/(2ⅹ113ⅹ0.85-0.3)]+2.6=4.32mm,圆整到钢板厚度标准规格，取δ夹=5mm。

夹套封头壁厚δ封夹={PD夹/2[ó] φ-0.5P+C}+C
式中：P、D夹、[ó]、φ取值同上式，其中C=C1+C2+C3=0.6+2+0.5=3.1mm，代入上式：δ封夹={0.3ⅹ1100/2ⅹ113ⅹ0.85-0.5ⅹ0.3}+3.1=4.819mm 为照顾到筒体和封头焊接的方便取δ封夹=δ夹=5mm。

（3）釜体的筒体壁厚δ筒
1）按承受0.2Mpa的内压设计
δ筒≥PD1/（2[ó]φ-P）+C
式中，设计压力P=0.2Mpa；筒体内径D1=1000mm；许用应力[ó]=113Mpa(同夹套材料)；焊缝同夹套，故φ=0.85，壁厚附加量
C=C1+C2+C3=0.6+2+0=2.6mm；上述各值代入上式：
δ筒≥（0.2ⅹ1000ⅹ/2ⅹ1130.85）+2.6=3.642mm
2）按承受0.3Mpa的外压设计
设罐体筒体的名义厚度δ1n=7mm
厚度附加量C=C1+C2+C3=0.6+2+0=2.6mm
罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C=7-2.6=4.4mm
罐体筒体外径D10=D1+2δ1n=1000+2ⅹ7=1014mm
筒体计算长度L=H2+1/3h1=950+1/3(250+4.4)=1034.8mm
系数L/D0=1034.8/1014=1.205 系数D0/δe=1014/4.4=230
由参考资料图9-7，查得：系数 A=0.000255，系数 B=38 则许用外压[P]=B δe/D=（38ⅹ4.4）/1014=0.165<3Mpa 因此壁厚4.4mm不能满足外压稳定要求，需增大壁厚重新计算。

现重新假设δ1n=8mm
厚度附加量C=C1+C2+C3=0.6+2+0=2.6mm
罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C=8-2.6=5.4mm
罐体筒体外径D10=D1+2δ1n=1000+2ⅹ8=1016mm
筒体计算长度L=H2+1/3h1=950+1/3(250+4.4)=1035.13mm
系数L/D0=1034.8/1014=1.019 系数D0/δe=1016/5.4=188
由参考资料图9-7，查得：系数 A=0.00046，系数 B=63 则许用外压[P]=B δe/D=63ⅹ5.4/1016=0.335>0.3Mp故δe=5.4mm满足外压稳定性要求,其圆整到标准钢板厚度规格取δe=8mm.
(4)釜体的封头壁厚计算
1) 按内压计算δ封:
δ封≥PD1/（2[ó]φ-0.5P）+C
式中,P=0.2Mpa,D1=1000mm, φ=0.85, [ó]=113Mpa,
C=C1+C2+C3=0.6+2+0.5=3.1mm,代入上式:
δ封≥0.2ⅹ1000/(2ⅹ113ⅹ0.85-0.5ⅹ
0.2)+3.1=4.14mm
考虑到封头与筒体的焊接方便取封头与筒体等壁厚δ封=8mm.
2)按外压校核δ封,采用图算法:
封头计算壁厚δ0=δ- C=8-3.1=4.9mm
椭圆封头的计算当量半径Rv=K1D1,由设计规定或查资料知K1=0.9,故
Rv=0.9ⅹ1000=900mm;
系数A=0.125ⅹδ0/Rv=0.125ⅹ4.9/900=0.000681,由图查得B=92,则许用外压[P]:
[P]=B(δ0/Rv)=92ⅹ(4.9/900)=0.501Mpa大于水压实验时的压力
0.4Mpa,故用δ封=8mm,外压稳定安全.
(5)水压实验校核
1) 确定实验水压Pr,根据设计规定知:
釜体水压取Pr=P+0.1=0.2+0.1=0.3 Mpa
夹套水压取Pr=P+0.1=0.3+0.1=0.4 Mpa
2) 内压实验时:
釜体筒壁内压应力σr=Pr[D1+(S-C)]/2(S-C)=0.3ⅹ
[1000+(8-2.6)]/2(8-2.6)
=27.93Mpa.
夹套筒壁内压应力σr夹=
[D1+(S-C)]/2(S-C)=0.3[1000+(5.4-2.6)]/2(5.4-2.6)=78.77Mpa.
釜体封头壁内应力σr封
=P[K1D1+0.5(S-C)]/2(S-C)=0.3[0.9ⅹ
1000+0.5(8-3.1)]/2(8-3.1)=27.63Mpa
夹套封头壁内应力σr封
=P[K1D1+0.5(S-C)]/2(S-C)=0.4[0.9ⅹ
1100+0.5(5.4-3.1)]/2(5.4-3.1)=86.19Mpa 因Q235-A常温σ=235Mpa,看出σr,σr夹,σr夹,σr封夹都小于0.9σ
s=0.9235=211.5Mpa,故水压实验安全.
3) 外压水压实验
釜体筒体外压校核:
δ0=δ- C=8-2.6=5.4mm,D0/δ
0=1010.8/5.4=187,L/D0=1035.13/1010.8=1.024由图查A=0.00045,B=62, 故许用外压[P]=BS0/D0=62ⅹ5.4/1010.8=0.331Mpa<水压压力Pr=0.4Mpa,故在0.4Mpa外压水压实验时应在釜体内充压,以防釜体筒体失稳.
釜体底封头外压校核因其允许外压[P]=0.501Mpa>外压Pr=0.4Mpa,
故安全.
计算结果
釜体夹套
筒体8 mm 5 mm
封头8 mm 5 mm
3.5 支撑与密封设计
反应釜是立式安装，故采用耳式支座，并选择B型筋板。

选择的耳式支座支座号为3，允许载荷30KN，高度200mm，地脚螺栓30-M24。

反应釜搅拌轴处的密封，属于动密封，选用填料密封。

用PN=0.6MPa,轴颈
d=40mm,D1=175mm,D2=145mm,H=147mm。

四标准零部件的选取
4.1 支座
1）支坐类型:根据罐体的公称直径是1000mm,可由参考文献2的附表4-9选择标准耳式支坐，又因设备思需要保温故选择B型，由JB/T 4725—92可知选择耳
座B3。

2）数量：4个（对称且承重）。

3）[Q]=30KN。

4.2 手孔
查参考文献2的附表4-10，根据DN=150mm，PN=1.0Mpa,选择带颈平焊法兰手孔，其有关资料如下：
标准号HG21530-95 凹凸面MFM
H1=160mm, H2=85.5mm, m=23.3kg
4.3 视镜
由DN=80mm,PN=1.0MPa,可知选择不带颈的视镜，查参考文献可得资料如下:
D=145mm,D1=120mm,b1=25mm,b2=14mm 标准号为JB593-64-2
4.4 法兰
设备共需选用4个，其中压力容器法兰1个，管法兰3个。

1）根据DN=1000mm,PN=0.6MPa,查参考文献2的附表4-4和4-5可知选取甲型平焊法兰：名称为法兰-T 900-0.6 ；具体资料如下：D=1130mm,D1=1090mm,D2=1055mm,D3=1045mm,D4=1042mm, d=23mm; 螺柱M20, 数量32；凸面法兰质量：67.5kg，凹面法兰质量：65.3kg
2) 图中ABEG接管公称尺寸均为25mm。

根据DN=25mm,PN=1.0MPa,查参考文献2的附表4-12可得有关资料如下：管子外径A=32mm，法兰外径D=100mm，法兰理论质量为0.65kg。

3）图中D接管公称尺寸为65mm。

根据DN=65mm,PN=1.0MPa，查参考文献2的附表4-12可得有关资料如下：管子外径A=76mm，法兰外径D=160mm，法兰理论质量为1.61kg。

4）图中F接管公称尺寸为40mm。

根据DN=40mm,PN=1.0MPa，查参考文献2的附表4-12可得有关资料如下：管子外径A=45mm，法兰外径D=130mm，法兰理论质量为1.20kg。

4.5 接管
查参考文献2的附表4-12，根据各种零件的DN不同，PN=1.0Mpa，选取保温设备接管，由资料可知接管的伸出长度一般为从法兰密封面到壳体外径为150 mm，则接管
A.B.D.E.F.G长均为150mm。

五参考文献
1、《化工设备机械基础》（第二版）
赵军张有忱段成红编
化学工业出版社
2、《化工设备机械基础课程设计指导书》
蔡纪宁张秋翔编
化学工业出版社
3、《化工机械手册》
化工机械手册编辑委员会编
天津大学出版社2012.7.12。