夹套搅拌反应器设计

课程设计说明书设计题目夹套搅拌反应器设计
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指导老师耿绍辉
化工设备基础
Nefu.20121228
目录
第一章设计方案简介
1.1反应釜的基本结构
1.2反应釜的机械设计依据
第二章反应釜机械设计的内容和步骤
第三章反应釜釜体的设计
3.1 罐体和夹套计算
3.2厚度的选择
3.3设备支座
3.4手孔
3.5选择接管、管法兰、设备法兰
第四章搅拌转动系统设计
4.1转动系统设计方案
4.2转动设计计算：定出带型、带轮相关计算
4.3选择轴承
4.4选择联轴器
4.5罐体搅拌轴的结构设计、搅拌器与搅拌轴的连接结构设计
4.6电动机选择
第五章绘制装配图
第六章绘制大V带轮零件图
第七章本设计的评价及心得体会
第八章参考文献
第一章设计方案简介
搅拌设备在石油、化工、食品等工业生产中应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生产或多或少地应用着搅拌操作，化学工艺过程的种种物理过程
与化学过程，往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。

搅拌设备在许多场合时作为反应器来应用的，而带搅拌的反应器则以液相物料为特征，有液-液、液-固、液-气等相反应。

搅拌的目的是：1、使互不相溶液体混合均匀，制备均匀混合液、乳化液、强化传质过程；2、使气体在液体中充分分散，强化传质或化学反应；3、制备均匀悬浮液，促使固体加速溶解、浸取或发生液-固化学反应；4、强化传热，防止局部过热或过冷。

所以根据搅拌的不同目的，搅拌效果有不同的表示方法。

搅拌操作分为机械搅拌和气流搅拌。

气流搅拌是利用气体鼓泡通过液体层，对液体产生搅拌作用，或使气泡群以密集状态上升借所谓气升作用促进液体产生对流循环。

与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体所进行的搅拌时比较弱的，所以在工业生产，大多数的搅拌操作均是机械搅拌。

本设计实验要求的就是机械搅拌搅拌器设备的设计遵循以下三个过程：1根据搅拌目的和物理性质进行搅拌设备的选型。

2在选型的基础进行工艺设计与计算。

3进行搅拌设备的机械设计与费用评价。

在工艺与计算中最重要的是搅拌功率的计算和传热计算。

1.1反应釜的基本结构
反应釜是化工生产中常用的典型设备，一台反应釜大致由：釜底部分、传热、搅拌、转动及密封等装置组成。

釜底部分有包容物料反应的空间，由筒体及上下封头所组成。

传热装置是为了送入或带走热量。

搅拌装置由搅拌器及搅拌轴所组成。

为使搅拌器转动，就需要有动力装置，如电动机经V带传动、蜗杆减速机减速后，再通过联轴器带动搅拌器转动。

反应釜的上下密封装置有两种类型：静密封是指管法兰、设备法兰等处的密封；动密封是指转动轴出口处的机械密封或填料密封等。

反应釜上海根据工艺要求配有各种管接口、人孔、手孔、视镜及支座等部件。

1.2反应釜的机械设计依据
反应釜的机械设计是在工艺要求确定之后进行的。

反应釜的工艺要求通常包括反应釜的容积、最大工作压力、工作压力、工作温度、工作介质及腐蚀情况、传热面积、搅拌形式、转速及功率、装配哪些接管口等几项内容。

这些要求一般以表格及示意图反映在工艺人员提出的设备设计要求单中。

第二章反应釜机械设计的内容和步骤
⑴确定反应釜的结构型式和尺寸
⑵选择材料
⑶计算强度或稳定性
⑷选用零部件
⑸绘制图样
⑹提出技术要求
第三章设备的计算和选择
3.1 反应釜釜体的设计
3.1.1筒体的直径与高度
A确定筒体和封头型式：
从要求单上所列的工作压力及温度以及该设备之工艺性质，可以看出它是属于带搅拌的低压反应釜类型，一类低压容器。

根据惯例，选择圆柱筒体和椭圆形封头。

B确定筒体和封头直径：
筒体的基本尺寸是内径Di和高度H，如图所示
筒体的基本尺寸首先决定于工艺要求。

对于带搅拌器的反应釜来说，设备容积为主要决定参数，根据化工设备原理知识，搅拌功率和搅拌器直径的五次方成正比，而搅拌器直径往往需要随容器直径的增大而增大，因此在同样的容积条件下，反应釜的直径太大是不适宜的，又如某些有特定要求的反应釜如发酵罐之类，为了使通入罐中的空气能与发酵液充分接触，需要一定的液位高度，故筒体的高度不宜太矮，分局根据实践经验，几种反应釜的H/Di值大致如下：
在确定反应釜直径及高度时，还应根据反应釜操作时所允许的装满程度
------装料系数k等给予综合考虑，通常装料系数k可取0.6到0.85。

如反应时易起泡沫或呈沸腾状态，装载系数k可取低值，如取0.6到0.7；反应状态平稳，系数k可取0.8到0.85。

因此设备容积V与操作容积V，应有如下关系：V0=k·V。

在生产中要合理选用装料系数，以提高设备利用率。

工艺条件单中所提出的设容积，对直立的反应釜来说，通常是由=指圆柱形筒体及下封头所包含的容积，即
V=Vb+Vh，式中Vb ------设备筒体部分容积，m^3
Vh ------封头容积，m^3
根据V 及选定的H/Di 值，可以初步估算反应釜的内径，取
3
Di
H 4V
D 则Di
H i
3D
4V 或H i 2D 4
V ∙
≈
∙≈∙≈ππ
π
以选定的H/Di 值带入上式，即可初步估算反应釜的内径。

以上计算通常在工艺的要求设计中进行，初步估算出Di 数值后，还要考虑使用反应釜内径符合压力容器公称直径的标准，以及制造厂现用封头磨具的尺寸，以便封头与之配套，和与之相配的零件如法兰等可以标准化。

封头根据筒体直径Di 及所确定的型式按标准选用。

对于直立反应釜，其圆柱部分筒体高度可有一下公式计算
1V Vh
V H -=
本设计中，V=5.3m^3，从以下表中
图1
H/Di ≈1
D
1.89m
15.3
43
=⨯⨯=
π
公称直径标准系列，D 取
1800mm
C 确定筒体高度
当DN=1800mm ，从表中查得
图2
标准椭圆形封头的容积Vh=0.827m^3
图3
查得筒体每一米高的容积V1=2.545m^3 则筒体高度估算为：
1.76m
2.545
0.827
-5.3V1Vh -V H ≈==
11800/1800H/D ，于是1800mm 为H 取==
D 确定夹套直径
图4
查得，Dj=Di+100=1800+100=1900mm 。

夹套封头也采用椭圆形，并与夹套筒体去取相同直径。

E 确定夹套高度
夹套筒体的估算高度如下：
1.34m
2.545
0.827
-5.30.8V1
Vh
-V Hi ≈⨯=
=
η
取Hi 为1400mm F 校核传热面积
当DN=1800mm 时从表中查得封头内表面积Fh=3.6535mm^2 F1=5.66m^2
F=Fh+1.1·F1=9.8795m^2
计算所得传热面积大于工艺要求的8m^2，说明以上确定夹套高度是可以的。

G 内筒及夹套的受力分析
工艺提供的条件为：釜体内筒中工作压力2.2Mpa ，夹套内工作压力2.3Mpa 。

则夹套筒体和夹套封头为承受2.3Mpa ；而内筒的筒体和下封头为既承受2.2Mpa 内压，同时又承受2.3Mpa 外压。

H 计算夹套筒体、封头厚度
夹套筒体与内筒的环焊接，因检测困难，故取0.6=φ，材料均取Q235钢 夹套厚度计算如下：
图5
[]t
σ取99
[]mm C p
Di t
3.4323
.21.16.09921900
3.21.12p d 2=+⨯-⨯⨯⨯⨯=
+-=
φσδ
夹套封头厚度计算：
圆整至钢板规格厚度并查阅封头标准，夹套筒体与封头厚度均取46mm 。

I 计算内筒筒体厚度：
[]28.26mm 22.2
1.1-0.859921800
2.21.12p d 2=+⨯⨯⨯⨯⨯=
+-=
C p
Di t
φσδ
当名义厚度为30mm 时，不能满足稳定要求，当名义厚度为34mm 时
图6
A=0.005
[]42.898mm
23
.21.10.56.09921900
3.21.10.52p d 2=+⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=
+⨯-=
C p
Di t
φσδ
图7
B=160
[]Mpa D B e 3.22
.3/1892160
/p 0>==
δ
因此，名义厚度既可能承受内压，又可能承受外压。

因此筒体厚度应选取两者中较大值，既确定筒体厚度为34mm 。

J 确定内压封头厚度
承受2.2Mpa 内压
[]28mm
22
.21.10.585.0992800
12.21.10.52p d 2=+⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=
+⨯-=
C p
Di t
φσδ设取34mm ，[] 2.3Mpa 〉/0.9p 0e
D B
δ=
满足稳定要求。

3.1.2夹套的结构
夹套传热结构简单，基本上不需要进行维修。

但有衬里的反应釜或釜壁采用导热性不良的材料制造时，因传热效果差，不宜采用夹套传热。

采用夹套传热时，因夹套向外有热量散失，股需要在夹套体外包以保温材料。

容器外夹套通常有如下几种类型：
图8
夹套封闭结构通常是由夹套筒体扳边而成，再焊在釜壁上，如下几种形式：
图9
在夹套中用蒸汽作为载体时，一般从上端进入夹套，凝液从夹套底部排除；如用液体作为冷却液时则相反，采取下端进，上端出，以使夹套中经常从满液体，从分利用传热面，加强传热效果。

在用液体作为载体时，为加强传热效果，也可在釜底壁外焊接螺旋导流板，
图10
夹套高度的确定，还应考虑两个因素：当反应釜筒体与上封头用设备法兰连接时，夹套顶边至少应在法兰下方150到200mm处；而当反应釜具有儿座时，需考虑避免因夹套顶部位置而影响耳座的焊接地位。

3.2厚度的选择
中低压的反应釜釜体部分压力套厚度，基本上按容器设计方法来确定。

反应釜状态下操作，如不带夹套，则筒体及上下封头均2按内压容器设计，以操作时釜内最大压力为工作压力；如带夹套时，则反应釜筒体及上下封头应按承受内压和外压分别进行计算，并取两者中的壁厚较大者。

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工作压力或夹套内工作压力加0.1MPa。

上封头如不包含夹套内，则不承受外压作用，只按内压计算，但取与下封头相同的厚度。

夹套筒体及夹套封头则以夹套内的最大工作压力按内压容器设计，真空时按受外压进行计算。

通常封头与筒体取相同的厚度，必要时还得考虑内、外筒体膨胀差的影响。

当夹套上有支件时，还应考虑容器和所装物料的质量。

3.3设备支座
化工设备上的支座是支撑设备重量和固定设备位置用的一种不可缺少的部件。

在某些场合下支座，支座还可能承受设备操作时的振动、地震载荷、风雪载。