夹套反应釜设计模板

夹套反应釜设计

化学化工学院王信锐化工112班指导老师：陈胜洲

目录

一、夹套反应釜设计任务书 (4)

二、夹套反应釜设计 (5)

1、夹套反应釜的总体结构设计 (5)

2、罐体和夹套的设计 (5)

2.1、罐体和夹套的结构设计 (5)

2.2、罐体几何尺寸的计算 (5)

2.2.1、确定筒体内径 (5)

2.2.2 定封头尺寸 (6)

2.2.3 定筒体高度H1 (6)

2.3夹套的几何尺寸计算 (6)

2.4夹套反应釜的强度计算 (7)

2.4.1强度计算的原则及依据 (7)

2.4.2按内压对筒体和封头进行强度计算 (7)

2.4.3按外压对筒体和封头进行强度校核 (8)

2.4.4水压实验校核计算 (9)

2.5夹套反应釜设计计算数据一览表 (9)

2.5.1几何尺寸 (9)

2.5.2强度计算（按内压计算厚度） (10)

2.5.3稳定性校核（按外压校核厚度） (10)

2.5.4水压实验校核 (11)

3、反应釜的搅拌装置 (12)

3.1、搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计 (12)

3.2、搅拌轴设计 (12)

3.3、轴的强度一览 (13)

4、反应釜的传动装置 (13)

4.1、常用电机及其连接尺寸 (13)

4.2、釜用减速器类型、标准及选用 (14)

4.3、V带减速机 (14)

4.4、凸缘法兰 (16)

4.5、安装底盘 (16)

4.6、机架 (17)

4.6.1、无支点机架 (17)

4.6.2、单支点机架 (17)

4.6.3、双支点机架 (17)

5、反应釜的轴封装置 (18)

5.1、填料密封 (18)

5.2、机械密封 (18)

6、反应釜其他附件 (19)

6.1支座 (19)

6.2、手孔和入孔 (20)

6.3、设备接口 (21)

6.3.1、接管与管法兰 (21)

6.3.2、补强圈 (21)

6.3.3、液体出料口 (21)

6.3.4、过夹套的物料进出口 (21)

6.4、试镜 (21)

三、附录：夹套反应釜装配图

一、夹套反应釜设计任务书

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二、夹套反应釜设计

1、夹套反应釜的总体结构设计

带搅拌的夹套反应釜主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管、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，其形式通常由工艺设计而定；传动装置时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；它们的支座、人孔、工艺接管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。

2、罐体和夹套的设计

夹套反应釜是由罐体和夹套两大部分组成。罐体和夹套的设计主要包括其结构设计，各部分几何尺寸的确定和强度的计算和校核。罐体在规定的操纵温度和操作压力下，为物料完成其搅拌过程提供了一定的空间。夹套传热式一种应用最普遍的外部传热方式。它是一个套在罐体外面能形成密封空间的容器。

罐体和夹套的设计主要包括其结构设计，各部件几何尺寸的确定和强度计算与校核。

2.1、罐体和夹套的结构设计

罐体一般是立式圆筒形容器，有顶盖、筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。罐底通常是椭圆形封头，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作的平盖，并在薄钢板上加设型钢制的横梁，用以支承搅拌器及其传动装置。顶盖与筒体的连接形式可分为可拆和不可拆两种筒体内径D

1200mm ，宜采用可拆连接。

2.2、罐体几何尺寸的计算

2.2.1、确定筒体内径

一般由工艺条件给定容积V 、筒体内径D 1按式1估算：

537.16378.34

.114.3444333

1??????m i V D π

式1

式中V ——工艺条件给定容积，m 3

; i ——长径比，1

1

D H i ==1.1（按物料的类型选取，见表1）

112.2.2、确定封头尺寸

椭圆封头选标准件，它的内径与筒体内径相同D 1=2000mm ，直边高度h 2=40mm,得，曲边高度h 1=450mm ，

F 封=2.5568m 2， V 封=0.4860m 3。

2.2.3、确定筒体高度H 1

反应釜容积V 通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度H 1按下式计算，并进行圆整。

m V V V H m 989.1767.1/)4860.04(/11=-=-=）（封 式2

式中V 封——封头容积（见附表2），m 3； V 1m ——1米高筒体容积（见附表1），m 3/m 。

当筒体高度确定后，应按圆整后的筒体高度修正实际容积，则圆整后的釜体高度H=2000mm 。

311m 464.44860.02000767.1V H V V m =+?=+?=封 式3

式中V 封——封头容积（见附表2），m 3； V 1m ——1米高筒体容积（见附表1），m 3/m 。 H 1——圆整后的筒体高度,m 。

2.3夹套的几何尺寸计算

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。夹套的内径D 2可根据筒体内径D 1选取D 2=D 1+100=1600mm

夹套下封头型式同罐体封头，其直径D 2与夹套筒体相同。 夹套高H 2由传热面积决定，不能低于料液高。

装料系数η没有给定，则应合理选用装料系数η的值，尽量提高设备利用率。通常取η=0.6～0.85。如物料在反应过程中要起泡或呈沸腾状态，η应取低值，η=0.6～0.7；如物料反应平稳或物料粘度较大时，η应取大值，η=0.8～0.85所以η取0.8。夹套高H 2按下式估算。

m V V V H m 4.1m 392.1767.1/)4860.0473.0(/(12==-?=-=）封η 式4

式中V 封——封头容积（见附表2），m 3； V 1m ——1米高筒体容积（见附表1），m 3/m 。

夹套所包围的罐体的表面积（筒体表面积F 筒+封头表面积F 封）一定要大于工艺要求的传热面积F ，

即1508.9=≥+F F F 筒封 式5 式中F 筒——筒体表面积，F 筒=H 2×F 1m =1.4×4.71=6.594㎡

F 封——封头表面积（见附表2），F 封=2.5568㎡ F 1m ——1m 高内表面积（见附表1），㎡/m ，F=F 封+F 筒=6.594 +2.5568=9.1508>9 满足要求。

当筒体与上封头用法兰连接时，常采用甲型平焊法兰连接，这是压力容器法兰中的一种，甲型平焊法兰密封面结构常用平密封面和凹凸密封面两种。

2.4夹套反应釜的强度计算

2.4.1强度计算的原则及依据

强度计算应考虑以下几种情况。 （1）圆筒内为常压外带夹套时：

当圆筒的公称直径DN ≥600mm 时，被夹套包围部分的筒体按外压（夹套压力）圆筒设计，其余部分按常压设计；

（2）圆筒内为真空外带夹套：

当圆筒的公称直径DN ≥600mm 时，被夹套包围部分的筒体按外压（夹套压力+0.1MPa ）圆筒设计，其余部分按真空设计；

当圆筒的公称直径DN ≤600mm 时，全部筒体按外压（夹套压力+0.1MPa ）圆筒设计； （3）圆筒内为正压外带夹套时：

当圆筒的公称直径DN ≥600mm 时，被夹套包围部分的筒体分别按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中较大值；其余部分按内压圆筒设计。

当圆筒的公称直径DN ≤600mm 时，全部筒体按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中最大值。

2.4.2按内压对筒体和封头进行强度计算

液柱静压力p 1H =10-6ρgh =0.014MPa

计算压力p 1c = p 1+ p 1H =0.214MPa 计算压力p 2c = p 2=0.3MPa 罐体筒体计算厚度mm p D p c t

c 673.1214

.085.011321500

214.0][21111=-???=-=

φσδ 夹套筒体计算厚mm p D p c

t

c 50.23.085.011321600

3.0][22222=-???=-=

φσδ 罐体封头设计厚mm p D p c t c 673.1214

.05.085.011321500214.05.0][2111'

1=?-???=-=

φσδ

夹套封头计算厚度mm p D p c t

c 500.23

.05.085.011321600

3.025.0][222/

2=?-???=-=φσδ 罐体筒体设计厚度δ1c =δ1+C=5mm 夹套筒体设计厚度δ2c =δ2+C=5mm

罐体封头设计厚度δ/1c =δ/1+C=5mm 夹套封头设计厚度δ

/

2c =δ

/

2+C=5mm

2.4.3按外压对筒体和封头进行强度校核 罐体筒体有效厚度δ1e =δ1n -C=10-2.8=7.2mm 罐体筒体外径D 1O =D 1+2δ1n =1520mm 筒体计算长度L=H 2+1/3h 1+h 2=1550mm 系数L/D 1O =1550/1520=1.019 系数D 1O /δ1e =1520/7.2=211.11 系数A=0.00048 系数Ｂ＝68 许用外压力MPa D B

p e

O 322.0/][11==

δ

罐体封头有效厚度δ/

1e =δ/

1n -C=10-2.8=7.2mm

罐体封头外径D /1O =D /1+2δ/

1n =1620mm

标准椭圆封头当量球壳外半径R /1O =0.9D /1O =1458mm 系数0006.0)

/(125

.01/

1/==

e O R A δ 系数B=83 许用外压力MPa R B p e O 369.02

.7/1458118

/][1/

/===

δ

2.4.4水压实验校核计算

罐体实验压力MPa p p t

T 25.0]

[]

[25.11

1==σσ 夹套水压实验压力MPa p p t

T 375.0][]

[25.12

2==σσ 罐体圆筒应力MPa D p e

e T T 17.262)

(11111=+=

δδσ

夹套内压实验应力MPa D p e e T T 65.362

.72)

2.71600(250.02)(22222=?+=+=

δδσ 2.5夹套反应釜设计计算数据一览表

2.5.1几何尺寸

表3

2.5.2强度计算（按内压计算厚度）

2.5.3稳定性校核（按外压校核厚度）表5

2.5.4水压实验校核

3、反应釜的搅拌装置

搅拌装置由搅拌器、轴及其支承组成。搅拌器的型式主要有：浆式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。

3.1、搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计

推进式搅拌器类似风扇扇叶结构。它与轴的连接是通过轴套用平键或拧紧螺钉固定，轴端加固定螺母。为防螺纹腐蚀可加轴头保护帽。

推进式搅拌器直径Dj 常取罐体内径的1/5~1/2，以Dj=0.33D1最为常见。常用于n=100~500r/min 的场合。

3.2、搅拌轴设计

搅拌轴的机械设计内容同一般传动轴。主要是结构设计和强度校核，对于转速n>200r/min 的，还要进行临界转速的校核。 （1）、搅拌轴的材料：常用45号钢，强度要求不高的可用Q235-A 。 （2）、搅拌轴的设计：常用实心或空心实轴 （3）、搅拌轴强度校核 （4）、搅拌轴的形位公差和表面粗糙要求：一般搅拌轴要求运转平稳，为防轴的弯曲对轴封处的不利影响，因此轴安装和加工要控制轴的直度。当转速n<100r/min 时直线度允差1000：0.15，当转速n=100~1000r/min 时，直线允度差1000：0.1. （5）、搅拌轴的支轴：一般搅拌轴可依靠减速器内的一对承轴支承。 （6）、搅拌轴的临界转速校核计算 当轴上装有单层且经过很好平衡的搅拌器时，其一阶临界转速

1c n 为：

1c n =式中： E ——轴材料弹性模量，Mpa;

I ——轴的惯性距，I=1/64(4

d π)，4

m

；

d ——轴径，m ；

B ——两支点间距离，m ；

d W ——轴和搅拌器的等效重量载荷，N ；

1221333310(/)(/)0.24d W W W L L W L L W =+++

1W 、2W 、3W ——各层搅拌器重，N ；

0W ——外伸端轴重量载荷，N ；

1L 、2L 、3L ——各层搅拌器外伸端长度，m 。

3.3、轴的强度一览

4、反应釜的传动装置

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

4.1、常用电机及其连接尺寸

搅拌设备选用电动机的问题，主要是确定系列、功率、转速以及安装型式好防爆要求等几项内容。

电机功率必须满足搅拌器运转功率与传动系统、轴封系统功率损失的要求。 电机功率可按下式确定：

m

d P P P η

+=

式中 d P ——电机功率，kW ；

P——搅拌器功率，kW；

P——轴封系统的摩擦损失，kW；

m

η——传动系统的机械效率

4.2、釜用减速器类型、标准及选用

反应釜用V带传动减速机；见下表

4.3、V带减速机

V带减速机的特点是：结构简单，制造方便，价格低廉，能防过载，噪声小，但不适用于防爆场合。

搅拌釜采用V带传动，选用Y132S-8电机，额定功率P=2.2kW，转速n1=213r/min，搅拌轴转速n2=65r/min，设计V带。

V带轮的设计计算内容和步骤

1.3

2.2P =?d 和n 1选取710n 11

1000

60d n π?=

?11

1000

60d n π?=

?min v v ≤≤

1)a l

P K K 2.2

1.550.93 1.13

=??

4.4、凸缘法兰

凸缘法兰一般焊接于搅拌容器封头上，用于连接搅拌传动装置，亦可兼作安装、维修、检查用孔。凸缘法兰分整体和衬里两种结构形式，密封面分突面（R ）和凹面（M ）两种。本设计选用的凸缘法兰的尺寸如下表。

4.5、安装底盘

安装底盘采用螺柱等紧固件，上与机架连接，下与凸缘法兰连接，是整个搅拌装置与容器连接的主要连接件。

安装底盘的常用形式为RS 和LRS 型，其他结构（整体或衬里）、密封面形式（突面或凹面）以及传动轴的安装形式（上装或下装），按HG 21565-95选取。 安装底盘的公称直径与凸缘法兰相同。形式选取时应注意与凸缘法兰的密封面配合（突面配突面，凹面配凹面）。安装底盘的主要尺寸如下表：

4.6、机架

机架是安放减速机用的，它与减速机底座尺寸应匹配。V带减速机自带机架，选用其他类型标准釜用减速机按标准选配机架。标准机架有三种。

4.6.1、无支点机架

无支点机架的选用条件：

（1）、电动机或减速机具备两个支点，并经核算确认轴承能承受由搅拌轴传递而带来的径向和轴向载荷者；

（2）、电动机或减速机有一个支点，但釜内设有底轴承、中间轴承或轴封本体设有可以作为支点的轴承，上下组成一对轴支撑者。

无支点机架一般仅使用于传递小功率和小的轴向载荷条件。减速器输出轴联轴器形式为夹壳式联轴器或刚性凸缘联轴器。

4.6.2、单支点机架

单支点机架的选用条件：

（1）、电动机或减速机有一个支点，经核算可承受搅拌轴的载荷；

（2）、搅拌容器内设置底轴承，作为一个支点；

（3）、轴封本体设有可以作为支点的轴承；

（4）、在搅拌容器内、轴中部设有导向轴承，可以作为一个支点者。

当按上述条件选用单支点机架时，减速器输出轴与搅拌器之间采用弹性联轴器连接；当不具备上述条件而选用单支点机架时，减速器输出轴与搅拌器之间采用刚性联轴器连接。

4.6.3、双支点机架

在不宜采用单支点机架或无支点机架时，可选用双支点机架，但减速器输出轴与搅拌器之间必须采用弹性联轴器连接。

综上所述，本设计所选用的是单支点机架，其主要尺寸如下表：

DJ型单支点机架主要尺寸

5、反应釜的轴封装置

轴封是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反应物料逸出和杂质的渗入。鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式搅拌为主，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，轴的偏摆振动大，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。

5.1、填料密封

填料密封是搅拌设备最早采用的一种轴封结构。它的基本结构是由填料、填料箱、压盖、压紧螺栓及油杯等组成。因其结构简单、易于制造，在搅拌设备上曾得到广泛应用。一般用于常压、低压、低转速及允许定期维护的搅拌设备。

当采用填料密封时，应优先选用标准填料箱。标准填料箱中，HG 21537.7 —92 为碳钢填料箱，HG 21537.8—92 为不锈钢填料箱。

填料箱密封的选用还应注意以下几个方面：

（1）、当填料箱的结构和填料的材料选择合理，并有良好的润滑和冷却条件时，可用于较高的工作压力、温度和转速条件下；

（2）、当填料无冷却、润滑时，转轴线速度不应超过1m/s；

（3）、当搅拌容器内介质温度大于200℃时，应对填料密封进行有效冷却；

（4）、当从填料箱油杯中压注密封润滑液时，润滑液压力一般应略高于被密封介质的压力，以防止容器内的介质泄漏；采用密封润滑液时，润滑液流入容器内对工艺性能有影响时，应在填料箱下端设置储油杯；

（5）、填料箱一般可不设支承套，应将搅拌轴的支撑设置在机架上。

5.2、机械密封

机械密封是一种功耗小、泄漏率低，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。

当搅拌设备采用机械密封时，在下列情况下，应采用必要的措施，以便保证密封使用的性能，提高使用寿命。

（1）、当密封腔介质温度超过80℃时，对单端面和双端面机械密封，都应采用冷却措施；（2）、为防止密封面干摩擦，对单端面机械密封，应采用润滑措施；

（3）、当采用双端面机械密封时，应采用密封液系统，向密封端面提供密封液，用于冷却、润滑密封面；

（4）、必要时，应对润滑液、密封液进行过滤；

（5）、当采用润滑及密封液系统时，需考虑一旦润滑液、密封液漏入搅拌容器内，应不会影

响容器内物料的工艺性能，不会使物料变质，必要时应采用缓冲液杯和漏液收集器等防污染措施。

反应釜搅拌轴处的密封，属于动密封，常采用的有填料密封和机械密封两种形式，它们都有标准，本设计选用的是填料密封，选用标准碳钢填料箱，其主要尺寸如下：

标准填料箱主要尺寸

6、反应釜其他附件

6.1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/T4725—92）分为A 型和B 型两种。当设备需要保温或直接支承在楼板上时选B ，否则选A 型。本设计选A 型。其主要尺寸见下表：

耳式支座主要尺寸

每台反应釜常用4和支座，但承重计算时，考虑安装误差造成的受力情况变坏，应按两个支座计算。

耳式支座实际承受载荷近似计算：

-304()

=[

+]10e e e m g G ph G S Q kn nD

++?? 式中 Q ——支座实际承受的载荷，kN ；

D ——支座安装尺寸，mm ；

g ——重心加速度，取g=9.8m/s 2； G e ——偏心载荷，N ；

h ——水平力作用点至底板高度，mm ；

k ——不均匀系数，安装3个支座时，取k =1，安装3个以上支座时，取k =0.83；

m 0——设备总质量（包括壳体及及其附件，内部介质及保温层的质量），kg ； n ——制作数量； S e ——偏心距，mm 。

p ——水平力，取p e 和p w 的最大值，N 。

当容器高径比不大于5，且总高度H 0不大于10m 时，p e 和p w 可按下式计算，超出此范围的容器不推荐使用耳座。 水平地震力p e ：

00.50.50.459.89.821.609e e P m g α==???

式中 αe ——地震系数，对7，8，9度地震分别取0.23，0.45，0.90. 水平风载荷p w

60.9510724.6w i o o o P f q D H -=?=

式中 D 0——容积外径，有保温层时取保温层外径，mm ； f i ——风压高度变化系数，按设备质心所处高度取 H 0——容器总高度，mm ；

q 0——10m 高度处的基本风压值，N/m 2. 所以P=w P

-3304()9.89.8 1.1764(724.61.176 1.176700=[+]101022156013.5e e e m g G ph G S Q kn nD kN

-++??+??+????=+??????=小于允许载荷，所以支座符合要求。

6.2、手孔和入孔

手孔和入孔的设置是为了安装、拆卸、清洁和检修设备内部的装置。

手孔直径一般为150~250mm ，应使工人戴上手套并握有工具的收能方便的通过。

手孔和入孔的种类较多，且大部分有标准。本设计采用手孔，为带颈平焊法兰手孔，其主要尺寸如下表：