反应釜设计

四搅拌反应釜的机械设计

4.1 概述

反应釜的机械设计是在工艺设计之后进行的。工艺上给出的条件一般包括：釜体容积、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。这些条件通常都以表格和示意图的形式反映在机械设计任务书中。对于机械设计，设计者是依据工艺设计提出的要求和条件，对搅拌反应釜的容器、搅拌轴、传动装置和轴封装置等进行合理的选型、设计和计算。

夹套反应釜的机械设计大体按以下内容和步骤进行：

(l)总体结构设计根据工艺要求考虑制造、安装和使用维修方便等，确定各部分结构型式和尺寸，如封头、传热面、传动类型、轴封和各种附件的结构型式与连接形式等。

(2)选择材料根据压力、温度、介质情况经济合理选材。

(3)计算强度和稳定性对釜体封头、夹套、搅拌轴等进行强度计算和必要时的稳定性计算校核。

(4)零部件设计选用包括电动机、减速机、联轴器、轴封类型以及机座、底座等有关零部件的选用和设计。

(5)绘制图样包括总装图、零部件图。标准零部件有标准图纸的要查出标准施工图号，不必绘图。

(6)提出技术要求提出制造、装配、检验和试车等方面的要求。应用标准技术条件的可标注文件号。

(7)编写计算说明书包括设备设计重要问题的论证，主要零部件的机械计算，主要零部件设计选用说明等。

4.2 罐体的尺寸确定及结构选型

搅拌罐包括罐体和装焊在其上的各种附件。

常用的罐体是立式圆筒形容器，它有顶盖、筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。罐体在规定的操作温度和操作压力下，为物料完成其搅拌过程提供了一定的空间。

为了满足不同的工艺要求，或者因为搅拌罐本身自身结构上的需要，罐体上装有各种不同用途的附件。例如，由于物料在反应过程中常常伴自热效应，为了提供或取出反应热，需要在罐体的外侧安装夹套或在罐体的内部安装蛇管；为了与减速机和轴封相连接，顶盖上要焊装底座；为了便于检修内件及加料和排料，需要装焊人孔、手孔和各种接管；为了在操作过程中有效地监视和控制物料的温度、压力和料面高度，则要安装温度计、压力表、液而计、视镜和安全泄放装置；有时为了改变物料的流型、增加搅拌强度、强化传质和传热，还要在罐体的内部焊装挡板和导流筒。但是随着附

件的增加，往往会给设备的制造和维修带来很多麻烦，增加设备的制造和维修费用。所以在确定搅拌罐结构的时候应全面地综合考虑，使设备既满足生产工艺要求又做到经济合理，实现最佳化设计。

搅拌罐零部件种类繁多，难以面面俱到地介绍，本节根据搅拌设备特点，着重介绍其中常用构件的结构型式及强度计算方法。这些构件般都是搅拌罐所固有的，而在通常使用的压力容器设计参考资料中又不常见的。当进行搅拌罐设计时，凡是与一般压力容器内容相同的设计项目，均应按有关标准规范及压力容器设计参考资料去做。诸如，筒体和封头的内压和外压强度设计；观测部件及接管、安全泄放装置、支座、开孔补强、管法兰和设备法兰的设计等等。

一、罐体的长径比和装料量

在知道搅拌罐操作时盛装物料的容积以后，首先要选择适宜的长径比（H/D）和装料量确定筒体的直径和高度（见图4-1）。

（一）罐体的长径比

选择罐体的长径比应考虑的主要因素有3个

方面，即长径比对搅拌功率的影响、对传热的影

响以及物料搅拌反应特性对长径比的要求。

1．罐体长径比对搅拌功率的影响一定结构

型式搅拌器的桨叶直径同与其装配的搅拌罐罐件

内径通常有一定的比例范围。随着罐体长径比的

减小，即高度减小而直径放大，搅拌器桨叶直径

也相应放大。在固定的搅拌轴转数下，搅拌器功

率与搅拌器桨叶直径的5次方成正比。所以，随

着罐体直径的放大，搅拌器功率增加很多，这对于需要较大搅拌作业功率的搅拌过程是适宜的，否则减小长径比只能无谓地损耗一些搅拌器功率，长径比则可以考虑选得大一些。

2．罐体长径比对传热的影响罐体长径比对夹套传热有显著影响。容积一定时长径比越大则罐体盛料部分表面积越大，夹套的传热面积也就越大。同时长径比越大，则传热表面距离罐体中心越近，物料的温度梯度就越小，有利于提高传热效果。因此单从夹套传热角度考虑，一般希望长径比取得大一些。

3．物料特性对罐体长径比的要求。某些物料的搅拌反应过程对罐体长径比有着特殊要求，例如发酵罐之类，为了使通入罐内的空气与发酵液有充分的接触时间，需要有足够的液位高度，就希望长径比取得大一些。

根据实践经验，几种搅拌罐的长径比大致如表4-1所示。

表4-1几种搅拌罐的H/D 值

（二）搅拌罐装料量

选择了罐体长径比之后，还要根据搅拌罐操作时所允许的装满程度考虑选择装料

系数r 然后经过初步计算、数值圆整及核算，最终确定筒体的直径和高度。

1．装料系数 罐体全容积V 与罐体的公称容积（即操作时盛装物料的容积）V g

。有如下关系

V g =V η(m 3) (4--1)

设计时应合理地选用装料系数η值，尽量提高设备利用率。通常η可取0.6-0.80。

如果物料在反应过程中要起泡沫或呈沸腾状态，η应取低值，约为0.6-0.7；如果物料

反应平稳，η可取0.8-0 .85（物料粘度较大可取大值。）

2．初步计算筒体直径 知道了筒体的长径比和装料系数之后，还不能直接算出筒

体直径和高度，因为当筒体直径不知道时封头的容积就不知道，罐体全容积也就不能

最后确定。为了便于计算，先忽略封头的容积，认为：

H D V i 24π

≈(m 3)

式中D i 及H 单位是m 。把罐体长径比代入上式为：

???

? ??≈i i D H D V 34π (m 3) (4-2) 将式( 4-I)代入式(4-2)，并整理：

34???

? ?????? ??≈ηπg i i V D H D (m) (4-3)

3．确定筒体直径和高度将式( 4-3)计算出的结果圆整成标准直径，代入式(4-

4)，算出筒体高度：

2

244i g

i D v V D v

V H πηπ

-=-=(4-4) 再将上式算出的筒体高度进行圆整，然后核算H/D i 及η如大致符合要求便可。

4.3 顶盖的结构及强度计算

一、顶盖

搅拌罐顶盖在受压状态下操作常选用椭圆形封头。设计时一般先算出顶盖承受操

作压力所需要的最小壁厚，然后根据顶盖上密集的开孔情况按整体补强的方法计算其

壁厚，再加上壁厚附加量，经圆整即是采用的封头壁厚。一般搅拌器重量及工作载荷

对封头稳定性影响不大时，不必将封头另行加强；如果搅拌器的工作状况对封头影响

较大，则要把封头壁厚适当增加些。例如，封头直径较大而壁厚较薄刚性较差，不足

以承受搅拌器操作载荷；因传动装置偏载而产生较大弯矩（如某些三角皮带传动）；

搅拌操作时轴向推力较大或机械振动较大；由于搅拌轴安装位置偏离罐体几何中心线

或者由于搅拌器几何形状的不对称而产生的弯矩等等。必要时也可在搅拌罐罐体之外

另做个框架，将搅拌装置的轴承安装在框架上，由框架承担搅拌器的操作载荷。对于

常压或者操作压力不大而直径较大的设备，顶盖常采用薄钢板制造的平盖，即在薄钢

板上加设型钢（槽钢或工字钢）制的横梁，用以支承搅拌器及其传动装置。型钢应满

足下列强度条件：

[]t W

M σσ≤=max max a … (kgf/cm 2) (4-5) 式中：M max …——单根型钢承受的最大弯曲力距( kgf ．cm)

W ——型钢的抗弯模量（从材料手册中查取）( cm 3)。

l 同时，型钢的挠度也不应忽略。对于载荷作用在型钢长度方向中间处的情况，

最大挠度按下计式算：

)(483max cm EJ

Pl f =。 (4-6) 式中：P 一单根型钢所承受的载荷(kgf)。

l ——型钢的长度(cm)

E——材料的弹性模量（kgf／mm2），

J——型钢的截向惯性矩（从材料手册中查取）(cm4)

二、底座结构

底座焊接在罐体的顶盖上，用以连接减速机和轴的密封装置图4-2(a)～(f)为整体式底座，图4-2 (g)、(h)为分装式底座。各种型式底座的特点如下：

图(a)：底座与封头接触处做成平面，加工方便简单。底座外周焊一圆环，与封头焊成一体。该结构在设计中采用较多。

图(b)：底座与封头接触处为平面，其间隙中间垫一适当直径的圆钢后，再焊成一体。

图(c)：在底座的底面车成一斜面约15度，使外周与封头吻合，然后焊成一体。

图(d)：底座底面的曲率做成与封头相应部分外表面的曲率相同，使底向全部与封头吻合。在加工中不易做到，一般很少采用。

图(g)：适用于衬里设备。衬里设备也可使用图(a)-(d)所示底座，亦可如图(e)那样用衬里层包覆。

图(f)，适用于碳钢或小锈钢制设备。加工方便，设计中采用较多。

图(g)：加工方便。

图(h)：加工困难，设计中不宜采用。

为了保证既与减速机牢固连接又使穿过密封装置的搅拌轴运转顺利，要求轴的密封装置与减速机安装时有一定的同心度，为此常常采用整体式底座。如果减速机底座和轴封底座的直径相差差很多，做成一体不经济，则可采用分装式底座。

视搅拌罐内物料的腐蚀情况，底座有衬里和不衬里的两种。不衬里的底座材料可用Q235B或Q345R。要求衬里的，则在可能与物料接触的底座表面衬一层耐腐蚀材料，通常用不锈钢。为便于和底座焊接，车削应在衬里焊好后进行。

4.4 传热部件的结构及强度计算

4.4.1夹套

在罐体外侧，以焊接连接或法兰连接的方法装设各种形状的钢结构，使其与罐体的外表面形成密闭的空间，在此空间内通入载热流体，以加热或冷却物料，维持物料的温度在预定的范围内，这种钢结构件统称之为夹套。根据夹套结构型式的不同，可分为多种类型。图4-3是石油化工行业使用较多的几种结构型式。据资料[设计全书]推荐，各种类型夹套的适用范围见表4-2。

表 4-2 各种类型夹套的适用范围

夹套型式温度（℃）压力（kgf/cm2）

整体夹套350

300

6

16

半圆管夹套280 10～64

型钢夹套225 6～25

蜂窝夹套250 25～40

(一)整体夹套

搅拌罐上采用最多的夹套型式是整体夹套，由于应用广泛，工程上习惯简称为夹套。这种夹套是在罐体的外面再套上一个直径稍大的容器。结构简单方便，基本上不需要维修。缺点是换热面积受到罐体几何形状的限制而不能做得太大。

1．整体夹套的结构类型按照对罐体的包覆程度，夹套可分为4种类型(图4-4)。

1)型仅圆筒的。部分有夹套，用在需要加热面积不大的场合。

2)型为圆筒的一部分和下封头包有夹套。这种夹套是常用的典型结构。

3)型是为了减小罐体的外压计算长度（当按外压计算罐体壁厚时）L，或者为了实现在罐体的轴线方向分段地控制温度、进行加热和冷却而采用的分段夹套，各段之间设置加强圈或采用能够起到加强圈作用的夹套封口件。此结构适用于罐体细长的场合。

4)型为全包覆式夹套。与前3种夹套比较，具有最大的换热面积。

2．整体夹套的尺寸及连接型式整体夹套和罐体有2种连接型式，即不可拆卸式和可拆卸式，分别见图4-5及图4-6。

不可拆卸式夹套的结构简单，密封可靠，主要适用于碳钢制的搅拌设备。如果罐体材质是不锈钢而夹套为普通碳钢时，应在结构的处理上避免不锈钢罐体直接与碳钢件焊接，以防止在焊缝处渗入过量碳元素使不锈钢产生局部腐蚀[如图4-5 (a)、(b)、(h)等。

图4-5中的（a）、(g)、(h)是常见结构，设计中采用较多，(g)适用于椭圆封头和碟形封头，(i)适用于锥形封头。图（c）适用于图4-4中采用加强结构的3型夹套，夹套中的压力不能过高，只可用到0.8MPa，中间加强圈可如图中所示开孔，将两层夹套连通。此结构不能吸收温差应力。图(d)的封口环板对罐体有一定的加强作用，并且封口环板与夹套筒体的焊缝连接处应力集中较小。缺点是不便于加工。图(e)和(f)以设备法兰兼作封口环，用于顶盖要求能够拆卸的设备。图(i)的夹套下端封口件为一圆筒，也可以做成锥形筒，加工较方便，强度较图( g)稍差。图(k)的加工最为简单，但接管与罐体下封头的焊缝检修困难，不宜用于夹套内压力较高、夹套内与罐体中两种

流体不容混淆及两者温度差较大的一些重要场合。图(l)的结构会使夹套上部封口环产生较人的弯曲应力，具体情况将在下面讨论。

可拆卸式夹套的连接结构，用在操作条件较差，以及要求定期检查罐体外部表面或者要求定期清洗夹套内污垢的场合。此外，对于用铸铁或其它金属制造的罐体不能与夹套直接焊接时，均可采用可拆卸式连接结构的夹套。

夹套直径D i可根据罐体直径的大小按表4-3给出的数值选用。图4-5 中(g)、(h)、(i)、(j)的尺寸D min，根据接管尺寸的大小可按表4-4确定。

3．整体夹套的应力在长期生产实践的基础上，有关整体夹套强度理论的研究，国内外都做过大量工作，这里介绍文选[27]供设计者参考。

由于夹套内流体压力的作用，夹套封口环处会产生局部应力，其数值的大小根据夹套的结构和安装方法而有所差异。按图4-7（a）所示的结构安装，作用于封口环处的轴向负荷较小；若按图4-7（b）所示结构安装，则夹套中的流体压力能将罐体沿轴线上推，在封口环处将产生很大的弯曲应力。在

R=r/D=0.06 -0. 24

T=t/D=0.002-0.03

范围内，此应力的近似计算如下式：

n p/σs=10.7R-O.25(0.007) R T-1.34R+1.72

式中，r、D、t见表4-7中夹套的尺寸，n是塑

性破坏的安全系数，σs是夹套材料的屈服极极限。

所以，np是表示此刻夹套的理论极限压力。据此所

做的各种尺寸的夹套实验应力值列于表4-5中。

表 4-5 夹套在实验值

容器序号 1 2 3 4 5 6 7 8

尺寸（mm）D

r

t

250

45

4

250

15

4

250

60

3

250

25

3

250

45

6

250

15

6

300

45

6

400

60

4

材质AIPO-O AIPO-O AIPO-O AIPO-O AIPO-O AIPO-O SS41 SS41

材料的屈服极限极限压力的理论值极限压力的实际值弹性屈服压力

(kgf/mm2) 6.30

9.40

9.00

4.20

6.30

11.3

10.0

5.10

6.10

5.70

5.00

2.07

6.10

6.70

6.10

2.46

6.20

16.7

16.1

6.58

6.20

21.9

18.0

9.94

28.7

61.2

56.0

32.1

28.7

20.8

20.0

13.9 (kgf/cm2

)

整体夹套的结构及强度可按下述关系进行考虑。

(1)当夹套按图4-7(a)所示结构安装时，封口环的板厚可与夹套筒体的板厚相等．

(2)当夹套按图4-7(b)所示结构安装时，罐体与夹套间可采用拉撑件（即选用蜂窝型夹套），由于夹套中流体压力产生的轴向载荷为罐体所支承，故封口环的板厚也可取与夹套简体的板厚相等。

(3)如果夹套按图4-7(b)所示结构安装，同时考虑由于搬运和安装有可能产牛外力或者其它理由而将夹套的筒体特别加厚了，在夹套筒体上产生的轴向应力只为许用应力的1/2以下时，封口环的板厚亦可与夹套筒体的板厚相等。

(4)当夹套按图4-7(b)所示结构安装，夹套筒体上产生的周向应力大于许用应力的l/2时，必须将封口环处的结构加强或将封口环板加厚。此时封口环板的厚度应力小于按许用应力1/2所算出的灾套筒体厚度。

同时应注意，封口环与罐体连接的焊缝必须给予特殊考虑。为了增大连接点的强度，必须规定焊缝完全焊透。

4 夹套封闭构件的设计计算

5整体夹套附件

(1)进口接管

整体夹套的出口接管结构和一般容器一样，不需要进行特殊处理。进口接管则因为夹套与罐体之间的距离较小，为了防止载热流体直接冲刷罐体外表面，影响罐体

的局部强度，进口接管应采用侧开口或在夹套内安装挡板，如图4-8。其中图(a)为进水管，一般布置在夹套底部；图(b)为进气管，常布置在夹套的顶部。设计时应注意，进水管或蒸汽挡板的开口面积不得小于接符通道横截面秘。图(b)挡板的开口可按需要做成向下或向左右方向进气。

为了全部放出夹套中的空气和惰性气体，使载热流体完满整个夹套套间，可以以安装排气口。排气口的结构如图4-9。

(3)螺旋导流板

导流板采用扁钢在罐体圆周上按一定螺距绕制而成，采用与罐体双面交错焊。为了减少载热流体走短路，要求导流板与夹套内壁的间隙越小越好。如果夹套中用水蒸气作为热载体，导流板不能起到强化传热效果，故不必设此装置。导流板的结构如图4-10。

(4)喷嘴

喷嘴由铸铁制成，为了减少摩擦阻力，可在喷嘴内搪瓷。图4-11是Dg50的喷嘴结构，图4-11是喷嘴的装配图。

为了提高传热效果，装配时应注意将喷嘴的出水口方向（即法兰外缘箭头指示方

向）与搅拌器的旋转方向相反。

（二）半圆管夹套

I ．半圆管夹套的结构半圆管夹套可以采用单头或双头螺旋线，其结构如图4-

13。

图4-13(a ）所示结构焊接可靠，焊缝易于检查，实际中采用较多。焊接的前半圆

管上要开坡口，并且要求与罐体完全焊透。相邻半圆管之间外表而的距离不得小于2

倍的半圆管壁厚。缺点是焊缝集中于罐体上，容易引起罐体变形．

某厂采用图4-13(b)的结构在两个半圆管之间垫一圆钢或钢焊丝，用束避免半圆

管与罐体直接焊接的焊缝太多而引起的罐体变形，但相邻半圆管有短路存在，所以每

隔3～4圈要有1 圈直接与罐体焊接。这种结构夹套焊缝的焊接质量很难保证，发生渗

漏时检修也根困难，设计中尽量不要采用。

图4-13(c)所示的结构是最近几年来采用的新型半圆管夹套，与前两种夹套比

较，这种夹套与罐体焊接的焊缝较少，并且能够得到最大的换热面积。

由图4-13看出，半圆管缠绕在筒体上的加工还比较方便，如果用同样的方法往封

头．上装焊就比较困难了。封头上宜采用整圆钢管盘绕在上面，与封头焊好。盘管结

构如图4-14．使用实例见表4-2中的插图。

2．半圆管夹套及筒体的强度计算

半圆管夹套的壁厚按下式计算：

[]C r P S j t j j

j j +=φσ (mm)(4-7)

式中半圆管夹套与筒体焊接的焊缝系数φ=0.8。

根据强度条件，在考虑半圆管夹套内有效压力的同时考虑弯曲应力，设备筒体的

壁厚按下式计算：

[]

[]C P D P r S t i j t j j i ++=φσφσ82（mm ）(4-8)

根据稳定性条件，筒体受外压作用的壁厚按下式计算：

???

?????+??? ??++??? ??+=122118.0515121k D P b D P b D P k S i j i j i j （mm ）(4-9) 式中：??

? ??+??? ??+=b D b D D k i i i s 1.015125.11σ； b----焊在简体上半圆管的宽度(mm)，b=2(r i +S j )。

筒体的厚度取式（4-8）和式(4-9)中的较大值，

以上计算适用于图4-13 (a).

（三）型钢夹套

图4-15是几种型钢夹套的结构，其中a ）、(b)、(c)是用型钢在罐体外面缠绕并

焊在罐体上。一般多采用角钢。这种夹套的刚件较大，但制造上比较麻烦。带有缠绕

式型钢夹套的筒体壁厚按下式计算

[]C AP t S t j

+=σ （mm ）(4-10)

式中： t 一——焊在筒体上的型钢宽度(见图4-15)(mm)；

A-常数，用于这种场合时推荐A=0.187。

图4-16(d ）用于夹套中压力不高、罐体强度足够，且又能满足加热要求的场合。

它的特点是加工简单方便。

（四）蜂窝夹套

装有整体夹套的罐体，在夹套内流体压力的作用下有失稳的危险，无论从经济性

或从可靠性的角度考虑，夹套内流体压力都不能过高。蜂窝夹套是以整体夹套为基

础，采取某种加强措施来加强罐体的外压稳定性，以既节省材料又能提高夹套间的承

压能力。常用的蜂窝夹套有两种型式：图4-16(a)为折边式，即把夹套向内折边，与罐

体贴合并焊好，夹套及罐体的的尺寸可参照表4-8。图4-16（b ）、(e)为拉撑式，分

别用冲压的小锥体和钢管做拉撑体。蜂窝夹套的焊接点在简体上可按正三角形布置或

按正方形布置；在封头上按同心圆布置。这种夹套的缺点是，夹套不能取标准直径，

使封头的制造受加工条件的限制，同时这种夹套制造，上也较麻烦；

折边式蜂窝夹套设备的强度计算如下：

1．罐体的筒体和封头壁厚按下式计算：

[][]C P t PD S j t j j t i ++=φσφσ2.015.0 (mm) (4-11)

式中：t 一一蜂窝的间距(mm)，见图4-17(a)