化工设备机械基础课程设计说明书

化工设备机械基础课程设计说明书

题目：换热式反应釜的机械设计

学院：化学工程学院

专业：环境工程

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

完成日期：2012年1月11日

摘要

《化工设备机械基础》是针对化学工程、制药工程类专业以及其他相近的非机械类专业，对化学设备的机械知识和设计能力的要求而编写的。通过此课程的学习，是通过学习使同学掌握基本的设计理论并且具有设计钢制典型的中、低、常压化工容器的设计和必要的机械基础知识。

化工设备机械基础课程设计是《化工设备机械基础》课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是学生体察工程实际问题复杂性，学习初次尝试化工机械设计。化工设计不同于平时的作业，在设计中需要同学独立自主的解决所遇到的问题、自己做出决策，根据老师给定的设计要求自己选择方案、查取数据、进行过程和设备的设计计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的比较分析，择优选定最理想的方案和合理的设计。

化工设备课程设计师培养学生设计能力的重要事件教学环节。在教师指导下，通过课程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决生产实际问题的能力。因此，当学生首次完成该课程设计后应达到以下几个目的：

(1)熟练掌握查血文献资料、收集相关数据、正确选择公式，当缺乏必要的数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场进行实际查定。

(2)在兼顾技术先进性、可行性、经济合理的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证该过程正常、安全可行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。

(3)准确而迅速的进行过程计算及主要设备的工艺设计计算及选型。

(4)用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图标来表达自己的设计思想和计算结果。

化工设备机械基础课程设计是一项很繁琐的设计工作，而且在设计中除了要考虑经济因素外，环保也是一项不得不考虑的问题。除此之外，还要考虑诸多的政策、法规，因此在课程设计中要有耐心，注意多专业、多学科的综合和相互协调。

目录

换热式反应釜的设计任务及设计要求························第一章夹套反应釜设计要求······························第二章夹套反应釜设计思想的确定························第三章反应釜釜体的计算································3.1罐体几何尺寸计算····································3.2夹套几何尺寸的计算··································3.3 釜体筒体壁厚的设计·································3.4 夹套厚度计算·······································3.5筒体和封头强度校核·································3.6反应釜釜体及夹套的压力试验··························第四章筒体和夹套的设计································4.1筒体和夹套的尺寸计算································4.2夹套反应釜的强度计··································4.3 稳定性校核········································4.4 水压试验校核·······································

第五章设备零部件的配备·································5.1反应釜的传动装置·····································5.2 常用电机及其连接·····································5.3 釜用减速机类型，标准及其选用·························5.4 凸缘法兰············································5.5 安装底盖············································5.6 机架················································5.7 联轴器··············································5.8 反应釜的轴封装置····································5.9 反应釜的其他附件····································第六章结语··············································参考文献·················································

（一）设计任务

1.设备名称：换热式反应釜。

2.操作容积：2m3

3.设计压力：釜内0.2MPa

4.设计温度：釜内<60°C,换热器 100°C

5.反应介质：釜体内。污泥脱水。换热器内：冷却水和100°C水蒸气。腐蚀情况，微弱。

6.传热面积：7 m3

7.电机功率：1.4KW,搅拌轴转速：200r/min

8.建议使用材料：20R。

（二）设计内容

1.选定反应釜的结构型式、尺寸和材质。

2.进行反应釜釜体强度和稳定性校核。

3.确定搅拌器的型式、配备接管、法兰等零部件。

4.提出技术要求。

5.绘制总装配图和一件零件图。

第一章夹套反应釜设计要求

1.污泥处理器相关内容

1.污泥处理是对污泥进行浓缩，调制，脱水，稳定，干化或焚烧的加工过程。去除污水中有害成分。

2.釜体是物料进行化学反应的空间，大多数釜体都带有夹套。

3.化学反应总会伴有吸热或发热，为了控制反应正常进行，就要有供热或冷却的传热装置，如外置式夹套。

2.设备的工艺要求

本设备按照GB 150—1998《钢制压力容器》进行制造、实验和验收，并接受国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监督规程》的监督。

2.焊接采用电弧焊。

3.焊接接头型式及尺寸处图中注明外，按GB 985—88规定；角焊缝的腰高按薄板的厚度；法兰焊接按相应的法兰的标准中的规定。

4.筒体、封头及其相连接的对接焊接接头应进行X射线探伤检查，检测长度不得少于各条焊接接头长度的20%，且不小于250mm，Ⅲ级为合格。

5.设备制造完毕后，设备内以0.55Mpa（表压）进行水压试验，合格后焊接夹套，夹套以0.65Mpa（表压）进行水压试验。

6.设备上凸缘与安装底座的连接表面，应在组焊后加工。

7.设备组装后，在搅拌轴上端轴封处测定轴的径向摆动量不得大于0.5mm，搅拌轴轴向窜动量不得大3 mm。

8. 设备组装后，低于临界转速时，先运转十五分钟后，以水代料，并使设备内达到工作压力；超过临界转速时，直接以水代料，严禁空远转，并使设备内达到工作压力，进行试运转，时间不少一小时。在运转过程中，不得有不正常的噪音和振动灯不良现象。

10.管口及支座方位按本图（或管口及支座方位见管口方位图）

第二章夹套反应釜的设计思想的确定

1. 设备主体反应釜设计思想

首先根据更工艺要求并考虑制造、安装和维护检修的方便，确定各部分结构形式。夹套式反应釜一般由罐体和夹套两部分构成，罐体一般是立式圆筒形容器，罐底一般用椭圆形封头。顶盖在受压为0.2MPa下操作可以选用椭圆形封头。罐底与筒体采用焊接连接，顶盖椭圆封头与筒体要求可拆，用法兰连接。

然后对筒体、封头进行尺寸的计算，此处取装料系数为0.8，主要是由于釜体内物料平稳或粘度较大时装料系数在0.8-0.85之间，此处取0.8。

夹套属于内压容器，对其进行强度校核。当夹套反应釜几何尺寸确定后，由已知的公称直径、设计压力和设计温度进行强度校核，选用材料为20R，查表得其许用应力，从而确定筒体和封头的计算厚度，在取腐蚀裕量为2mm，钢板负偏差为0.6mm，从而得设计壁厚。

筒体属于外压容器，对其进行稳定校核，利用图算法，要求许用外压大于工作压力0.3MPa。

最后进行水压试验校核。

2．设备零部件的配备的设计思想

其零部件主要是由搅拌容器、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。

搅拌装置主要由搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺设计而定；由于其转速200r/min，选用推进式搅拌器。一般选用45钢，需要对搅拌轴进行强度校核。

传动装置是为带动搅拌装置设置的，只要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成；轴封装置属于动密封，一般采用机械密封或填料密封；由于填料密封一般用于常压、低压、低转速的搅拌装置，此处不选用，从而选用机械密封，它功耗小，泄漏率低、密封性好。他们与支座、人孔、工艺接管等附加一起，构成完整的夹套的反应釜。

反应釜的其他附件有设备法兰，筒体与上封头连接时采用甲型平焊法兰连接。支座，对于夹套式反应釜多采用立式安装，最常用的为耳式支座。最后就是设备的接口，接管与法兰。

机械设计是在工艺设计之后进行的，设计依据是工艺提出的要求和条件。工艺条件一

般包括：全容积、操作容积、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。

第三章 反应釜釜体的设计

3.1 罐体几何尺寸计算

3.1.1确定筒体内径

将釜体视为筒体，取L/D=1.1 由V=(π/4)L D i 2

，L=1.1i D 则

1D m ?

，D 1=1.425m ，圆整取1400mm 。 3.1.2确定封头尺寸

（1）椭圆封头选取标准件，它的内径与筒体内径相同，标准椭圆封头尺寸见附表4-2.

即DN=D i =1400（mm ）

曲边高度 h i =350mm 直边高度h2=25mm 容积V=0.3977m3

（2）封头的选型 釜体的下封头选标准椭球型，代号EHA 、标准JB/T4746—2002。

3.1.3筒体高度H 的设计

筒体高度H1=（V-V 封)/V1m=(2.5-0.398)/1.539=1.366m 圆整H1至1400mm

3.2 夹套几何尺寸的计算

夹套和筒体的连接常焊接成封闭结构，夹套的结构尺寸常根据安装和工艺

两方面的要求而定。夹套内径D 2可根据筒体内径D 1按表4-3选取：D 2 =D 1+100=1500mm

夹套下封头型式同筒体封头，直径D 2与夹套筒体相同。

夹套高H 2有传热面积而决定，不能低于料液高， 装料系数： y=操作容积/全容积=2÷2.5=0.8

夹套高H 2 计算：H 2 = （ηV-V 1封）÷V 1m 代入数值计算得： H 2=1.04 m

夹套所包围的罐体的表面积，一定要大于工艺要求的传热面积F ，即： F 封＋F 筒>=F 其中 F 筒=H 2 ×F 1m 故 F 封＋F 筒 =2.2346＋4.40×1.04=7.07>=7㎡ 所以换热要求满足。

3.3 釜体筒体壁厚的设计 3.3.1设计参数的确定

由参考文献董大勤版《化工设备机械基础》表8-10取 焊缝系数Φ： Φ＝0.85 然后由设计说明书得； 罐体内设计压力p ：p ＝0.2MPa 夹套内设计压力p ：p ＝0.3MPa 液体静压6110,H p gh MPa ρ-==0.014MPa

计算压力11,c H p p p MPa =+ =0.214MPa 22c p p =MPa =0.3MPa 设计温度t ：罐体内t ﹤60℃,夹套内t ＝100℃； 焊缝系数Φ： Φ＝0.85；

设计温度下材料许用应力[]t σ：根据材料20R 、设计温度100℃

[]t σ＝133MPa ；

钢板负偏差1C ：1C ＝0.6 mm （按钢板厚度6mm ） 腐蚀裕量2C ：2C ＝2.0mm （双面腐蚀）。 取最小壁厚作为计算壁厚。

3.3.2 夹套封头厚度计算

罐体筒体计算厚度1

1,2[]c t c

P D mm P δσφ=

-=1.33mm

夹套筒体计算厚度2

2,2[]c t

c

P D mm P δσ=

-=1.99mm 罐体封头计算厚度'1

1,2[]0.5c t c

P D mm P δσφ=

-=1.33mm

夹套封头计算厚度'2

2,2[]0.5c t

c

P D mm P δσφ=

-=1.99mm

3.4 夹套厚度计算

3.4.1夹套筒体部分厚度计算

由 P c 2=0.3Mpa T c 2=<100℃ []t σ＝133MPa φ=0.85 负偏差 C 1=0.5mm 腐蚀裕量 C 2=1.5mm 则 Sn 2=10mm

3.4.2夹套封头厚度计算

同理 ： 则 Sn 2=10mm

3.5筒体和封头强度校核 （1）筒体图算法

① Sn=5mm D 0=D i +2Sn=1410mm

② 则 L/D 0=1400÷1410=0.863 ③ 查图5-5得 A=0.00012

计算许应外压力[p] [p]=B/( D 0/Se)=0.028<0.3Mpa 所以 [p]

⑤ 则 L/D 0=1400÷1420=0.857 ⑥ 查图5-5得 A=0.0006

计算许应外压力[p] [p]=B/( D 0/Se)=0.42>0.3Mpa 所以 [p]>= p c 故筒体厚度取10mm

(2)外压封头强度计算

①设封头的厚度 Sn=10mm 计算有效厚度Se=Sn-C=7.2mm D 0 =Di+2Sn=1420mm R 0 =0.9×1428=1278mm ② 计算系数A=0.0007

③查参考文献[1]中图5-8 T=<100℃ 查的系数B=98Mpa

3.6 反应釜釜体及夹套的压力试验 3.6.1 水压试验校核计算

夹套反应釜应对罐体和夹套分别进行水压试验，并校核圆筒应力σT （1） 罐体水压试验

由于[σ]= σs ∕ n s =245∕1.6 故 p T =1.25p=1.25Pc=0.29Mpa

111(),2T e T e

P D MPa δδδ+=

=28.3MPa

材料屈服点应力 σs =245Mpa 0.9 σs φ=187.4Mpa

T

σ ≦0.9 σs φ 所以罐体水压试验强度足够

（2）由于[σ]≈[σ]t 故 p T =1.25p=1.25P c2=0.345Mpa

222()

,2T e T e

P D MPa δδδ+=

=36.11MPa

材料屈服点应力 σs =245Mpa 0.9 σs φ=187.4Mpa

T σ ≦0.9 σs

φ 所以夹套水压试验强度足够

第四章 筒体和夹套的设计

4.1筒体和夹套的尺寸计算

4.2夹套反应釜的强度计（按外压计算罐体及夹套厚度）

4.3 稳定性校核(按外压校核罐体厚度)

4.4 水压试验校核

第五章设备零部件的配备

5.1反应釜的传动装置

反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。传动装置设置在釜顶封头的上部，其设计内容一般包括：电机；减速机的选型；选择联轴器；选用和设计机架和底座等。

5.2 常用电机及其连接

设备选用电机主要是考虑到它的系列，功率，转速，以及安装形式和防爆要求等几项内容。最常用的为Y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机。

电机功率必须满足搅拌器运轴功率与传动系统，轴封系统功率损失的要求，还要考虑到又时在搅拌过程操造作中会出现不利条件造成功率过大。

根据工艺条件P d=1.4KW查附表E-2 选取电动机型号为：功率Y132S-8 额定功率为2.2KW, 转速为710r/min , 效率为81﹪。

5.3 釜用减速机类型，标准及其选用

反应釜的立式减速机的选用根据：轴转速n=200r/min 电机功率为4KW 搅拌轴扭矩T=66.85 n.m

查表4-10 可选：FP系列带传动减速机，

标准代号为HG∕T 3139.11

5.4 凸缘法兰

凸缘法兰一般焊接于搅拌器封头上，用于连接搅拌传动装置。设计采用R型突面凸缘法兰，其形式见附图4-4，其尺寸有附表4-6查找。

选择R型突面凸缘法兰，其尺寸如下：DN=400mm d1=410mm d2=565mm k=515mm d3=430mm d4=455mm

5.5 安装底盖

安装底盖采用螺栓等紧固件，上与机架连接，下与凸缘法兰连接。是整个搅拌传动装置与容器连接的主要连接件。设计选取了RS型安装底盖。其主要尺寸查图4-15和附表4-7 和4-8，内容如下(单位：mm)：DN=400, d2=565 k=515 d5=16-26 d6=415 s=50 d9=176 k2=210 d10=8-M16

5.6 机架

机架是安装减速机用的，它的尺寸应与减速机底座尺寸相匹配。其选用类型有三种，本次选用无支点机架。

常用的无支点机架见附图5-1，尺寸见附表5-6.

选用WJ90型无支点机架，H1=40mm H2=25 H3=7 H4=8 D1=400 D2=450 D3=490 D4=430 D5=515 D6 =565 H=660

5.7 联轴器

常用的电机和减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接，都是通过联轴器连接的。常用的类型很多，选取刚性凸缘联轴器。

5.8 反应釜的轴封装置

轴封式搅拌设备的一个重要组成部分。其任务是保证搅拌设备内处于一定的正压和真空状态以及防止物料溢出和杂质的掺入。鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式为主，很少满釜操作，轴封的对象主要为气体；而且搅拌设备由于反应工况复杂，轴的偏摆震动大，

运转稳定性差等特点，故不是所有形式的轴封都能用于搅拌设备上。

反应釜搅拌轴处的密封，属于动密封，常用的有填料密封和机械密封两种形式。他们都有标准，设计时可根据要求直接选用。

这次设计选用机械轴封。

机械轴封是一种功耗小，泄露率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。主要用于腐蚀、易燃、易爆、剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。

由于机械轴封的结构形式很多。且大都有标准。附图5-9和附表5-15给出了202型标准机械密封结构及尺寸。

5.9 反应釜的其他附件

1. 支座

夹套反应釜多为立式安装，最常用的支座为耳式支座。标准耳式支座（JB/T 4725-92）分为A型和B型两种。当设备需要保温或直接支撑在楼板上时选用B型，否则选择A型。设计中选取B型，支座数为4个。

2.人孔

人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。

设备的直径大于900mm，应开设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形两种。圆形人孔制造方便。应用较为广泛。人孔的大小及位置应以人进出设备方便为原则，对于反应釜，还要考虑搅拌器的尺寸，一便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入罐体内。其主要尺寸见附表4-11 ，型式见附图4-11.

密封面型式：突面（RF型）公称压力：1.0Mpa 公称直径：DN=400mm

3. 设备接口

化工容器及设备，往往由于工艺操作等原因，在筒体和封头上需要开一些各种用途的孔。

接管和法兰是用来与管道和其他设备连接的。标准管法兰的主要参数是公称直径和公称压力。管子的公称直径和与钢管的外径的关系见表4-13.

接管的伸长度一般为从法兰密封面到壳体外径为150mm。

液体出料管的设计主要从无聊易放尽、阻力小和不易堵塞等原因考虑。另外还要考虑温差应力的影响。

第六章结语

在为期两周的设计里（12月31号开始到1月13号结束），在此设计过程当中首先要感谢老师，在这次课程设计中给予我们的指导，由于是初次做化工设备机械设备课程设计，所以，在设计整个过程中难免遇到这样那样的难题不知该如何处理，幸好有老师耐心教诲，给予我们及时必要的指导，在此向老师表达最诚挚的感谢！

课程设计不同于书本理论知识学习，有些问题是实际实践过程中无法用理论推导的，因此不免过程中有很多困难，但通过与同学的交流和探讨，查阅文献资料，查阅互联网以及在钟老师的指导帮助下，问题得到很好的解决。这让我深深意识到自己知识体系的漏洞，但同时也深刻体会到同学间的团结互助的精神。

本次设计主要分为四个阶段：准备阶段；设计阶段，化工设备的机械设计是在设备的工艺设计后进行的。根据设备的工艺条件，围绕着设备内，外附件的选型进行机械结构设计，围绕着确定的厚度大小进行强度，刚度和稳定性的设计和校核计算。然后绘制装配图，边算、边选、边画、边改，来完成；设计计算说明书阶段，就是图纸的理论依据，是设计计算的整体和总结，是审核设计的技术文件之一；课程设计答辩阶段是最后的步骤，课程设计的图样及说明书全完成后，须经指导老师审阅，得到认可后，方能参加答辩。

参考文献

1．《化工设备机械基础》董大勤编化学工业出版社

2．《化工设备机械基础课程设计指导书》蔡纪宁主编化学工业出版社

3．《化工容器设计》聂清德主编化学工业出版社

4. 《机械制图》裘文言主编高等教育出版社