夹套反应釜的设计

目录

一、关于夹套反应釜设计任务说明-------------------------------（2）

二、夹套反应釜设计-------------------------------------------（3）

1.夹套反应釜的总体结构------------------------------------（3）

2.罐体和夹套的设计----------------------------------------（3）

3.反应釜的搅拌装置---------------------------------------（13）

4.反应釜的传动装置---------------------------------------（16）

5反应釜的轴封装置---------------------------------------（22）6反应釜其它附件-----------------------------------------（23）三、附表----------------------------------------------------（28）

1筒体的容积、面积和质量-------------------------------（28）

2 以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸----------------（28）

四、参考----------------------------------------------------（29）

五、附图----------------------------------------------------（30）

关于夹套反应釜设计任务说明

本设计根据化工设备的机械理论知识，参照给顶工艺参数，科学合理地设计出符合要求的夹套反应釜，其涉及的内容如下：

一．总体结构设计。根据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。

二．搅拌容器的设计；

三．传动系统的设计；

四．决定并选择轴封类型及有关零部件；

五．绘图；

六．编制技术要求，提出制造、装机、检验和试车方面的要求。应用标准技术条件的可标注文件号。

设计中需注意以下几点：

一．对相关的数据进行正确的计算和校核；

二．需查获资料的数据必须精确可靠；

三．读图正确，构想主体模型；

四．对工艺给定外的隐含条件必需考虑，如环境因素等；

五．对构件的形式进行合理的选择；

六．制图时比例适当，数据精确，符合要求；

在化工、石油化工、炼油、轻工、制药、食品等工业领域中采用大量的设备。但这些设备由于生产过程中所起的作用及工作原理不同，要求设备的形状、尺寸、结构型式也不同，所以对化工容器进行设计是必需的一个过程。在设计中不仅要熟练掌握化工设备的基础知识，还要正确把握其工艺特性及工程的定量、定性地核算

夹套反应釜设计

1．夹套反应釜的总体结构

带搅拌的夹套反应釜是化学、医药及食品等工业中常用的典型反应设备之一。它是一种在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种（或多种）液体以及液体与固体或气体物料混匀，促进其反应的设备。

一台带搅拌的夹套反应釜。它主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。

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；传动装置是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；封头装置为动密封；它们与支座、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

夹套式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，各部件几何尺寸的确定和强度的计算与校核。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。夹套传热是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，既简单又方便。

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。罐底通常为椭圆形封头，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造的平盖，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分为可拆和不可拆两种筒体内径D1≤1200mm，宜采用可拆连接。当要求可拆时做成法兰连接。

夹套的形式与罐体相同。

2.2罐体几何尺寸计算

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：

151.14742.31

.114.30.344333

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） 当D 1估算值圆整到公称直径系列，见附表1。 表1

2.2.2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=1500mm 、封头厚度

P

PD t

i -=

φσδ][2因为钢号为Q 235-A 所以MPa P MPa t

3.08.0113][===、、φσ，封头厚度mm mm 105.23

.08.011321500

3.0<=????=

δ封头百出高度h 2=25mm 、封头容积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 414.1778.1/)486.00.3(/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=1400mm 。

311m 975.2486.04.1778.1V 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 表2夹套直径D 2 mm

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所以取η=0.80。物料反应平稳或物料粘度较大十，η应取大值，η=0.8～0.85所以η取0.80。夹套高H 2按下式估算。

m V V V H m 076.1778.1/)486.00.38.0(/(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5=≥+F F F 筒封 式5

式中F筒——筒体表面积，F筒=H2×F1m=1.1×4.715=5.1865㎡

F封——封头表面积（见附表2），F封=2.5568㎡

F1m——1m高内表面积（见附表1），㎡/m，F=F封+F筒=2.5568+5.1865=7.7433≥5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。平密封面法兰见附图1。

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≥600㎜时，被夹套包围部分的筒体按外压（指夹套压力）圆筒设计，其余部分按常压设计；

（2）圆筒内为真空外带夹套时：

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

当圆筒的公称直径DN≤600㎜时，全部筒体按外压（指夹套压力+0.1MPa）圆筒设计；

（3）圆筒内为正压外带夹套时：

当圆筒体的公称直径DN≥600㎜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≤600㎜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p1H=10-6ρgh=10-6×9.8×1×(h1+h2+h3)= 0.0147 MPa

计算压力p1c=p1+p1h=0.3+0.0147=0.3147MPa

计算压力p 2c =p 2=0.35 罐体筒体计算厚度mm p D p c t c 46.23147

.085.011321500

3147.0][21111=-???=

-=

φσδ

夹套筒体计算厚mm p D p c

t c 92.235

.085.011321600

35.0][22222=-???=-=

φσδ

罐体封头计算厚度mm p D p c

t c 46.23147

.05.085.011321500

3147.05.0][211

1'1=?-???=

-=

φσδ

夹套封头计算厚度mm p D p c

t c 918.235

.05.085.011321600

35.025.0][22

2/2=?-???=

-=

φσδ

厚度附加量C=C 1+C 2=2+0.6=2.6

罐体筒体设计厚度δ1c =δ1+C 1=2.46+2.6=5.06mm 夹套筒体设计厚度δ2c =δ2+C 1=2.92+2.6=5.52mm 罐体封头设计厚度δ/

1c =δ/

1+C 1=2.46+2.6=5.06mm 夹套封头设计厚度δ/

2c =δ/

2+C 1=2.918+2.6=5.518mm

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=8-2.8=5.2mm 罐体筒体外径D 1O =D 1+2δ1n =1500+2×8=1516mm 筒体计算长度L=H 2+1/3h 1+h 2=1100+1/3×375+25=1250mm 系数L/D 1O =1250/1516=0.8245 系数D 1O /δ1e =1516/5.2=291.54 许用外压力MPa D B p e O 1406.054

.29141

/][11===

δ

罐体筒体有效厚度δ1e =δ1n -C10-2.8=7.2mm 罐体筒体外径D 1O =D 1+2δ1n =1500+2×10=1520mm 筒体计算长度L=H 2+1/3h 1+h 2=1100+1/3×375+25=1250mm 系数L/D 1O =1250/1520=0.822

系数D 1O /δ1e =1520/7.2=211.11 许用外压力MPa D B p e O 384.011

.21181

/][1===

δ

罐体封头有效厚度δ/

1e =δ/

1n -C10-2.8=7.2mm

罐体封头外径D /1O =D /1+2δ/

1n =1100+1/3×375+25=1250mm 标准椭圆封头当量球壳外半径R /1O =0.9D /1O =0.9×1520=1368mm 系数00066.02

.7/1368125

.0)/(125.01/

1/===

e O R A δ 许用外压力mm R B p e O 479.02

.7/136891

/][1/

/===

δ 罐体封头名义厚度δ/

1n =10mm 2.4.4水压实验校核计算 罐体实验压力MPa p p t

T 25.01134

.753.025.1][][25.11

1=??=σσ

夹套水压实验压力MPa p p t

T 292.01134.7535.025.1]

[][25.12

2=??==σσ 罐体圆筒应力MPa D p e

e T T 17.262

.72)

2.71500(25.02)

(11111=?+=

+=

δδσ

夹套内压实验应力MPa D p e e T T 59.322

.72)

2.71600(292.02)(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）表4

2.5.3稳定性校核（按外压校核厚度）表5

2.5.4水压实验校核表6

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：桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。根据设计任务书及搅拌器型式选用表选取。

搅拌器型式选用表（摘自HG/T20569—94）

表7

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形结构。它与轴的连接是通过轴套用平键或紧定螺钉固定，轴端加固定螺母。为防螺纹腐蚀可加轴头保护帽见附图1、2。

推进式搅拌器D J常取内径D1的1/5～1/2，D J=0.25×1500=375mm，N/n=4/300=0.0133<0.025所以D J取400符合要求。

推进式搅拌器的主要尺寸见下表

表8 推进式搅拌器的主要尺寸mm

根据设计条件选用D J为400的推进式搅拌器。

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（包括轴的支承结构）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：用45号钢。

（2）搅拌轴的结构：常用实心或空心直轴，其结构型式根据轴上安装的搅拌器类型、支承的结构和数量、以及与联轴器的连接要求而定，还要考虑腐蚀等因素的影响。介质为盐类无腐蚀性。轴上安装一层搅拌器。搅拌器的轴头需车削台肩，开键槽，轴端还要车螺纹。

表9

（3）搅拌器强度校核

通常搅拌轴强度校核计算与轴结构设计同时进行，边画图、边计算、边修改。

（4）搅拌轴的形位公差和表面积粗糙程度要求：一般搅拌轴要求运转平稳，为防止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=300r/min 时，直线度允差1000:0.1。

轴的配合面的配合公差和表面粗糙度可按所配零件的标准要求选取。

（5）搅拌轴的支承，一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。为保证搅拌轴悬臂稳定性没，轴的悬臂长L 1、轴径d 和两轴承间距B 应满足下列关系：

L 1/B ≤4～5；L 1/d ≤40～50

L 1≤40～50 L 1≤1280～1600 所以L 1=1280

若轴封处能起支承作用，B 应算至轴封处，当d 的裕量较小和轴转速较高的L 1/B 及L 1/d 取偏小值。

反应釜搅拌轴的滚动轴承，通常根据转速、载荷的大小及轴径d 选择，高转速、轻载荷可选用角接触球轴承。低速、重载荷可选用圆锥滚子轴承。常用轴承型号及主要尺寸见附表3～附表5。

安装轴承的公差带常采用K6，外壳孔的公差带长采用H7。安装轴承处的轴配合表面粗糙度Ra 取0.8～1.6，外壳孔与轴承配合表面粗糙度取1—6。

成对安装的轴承，当温度变化较大时，应优先采用背对背安装。 （6）搅拌器的临界转速校核计算。

搅拌轴上装有搅拌器，往往由于结构不对称，加工安装有误差等原因，使回转中心离开其几何轴线而产生回转离心力，使轴受到周期性载荷干扰。当周期载荷的频率与搅拌轴的自然频率接近时，轴便发生剧烈振动，这种现象称为轴的共振。产生共振时，搅拌轴的转速称为临界转速。

一般搅拌轴常设计呈刚性轴，使n ≤（0.75～0.8）n c1。

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n c1为： )

(326012

11B L L W EIg n d c +=

π

其中E=2.01×105×106Pa W 1=4.59N n=300r/min 则有

5.49464

)26.028.1()28.1(59.4)032.0(101001.2314.3260

24651=+??????=πc n

0.75 n c1=370.1r/min n ≤0.75 n c1搅拌轴符合要求 式中 E ——轴材料弹性模量，Pa ；

I ——轴的惯性矩，I=1/64（πd ）2，m 4； d ——轴径，m ；0.032； B ——两支点间距离，m ；0.26； W 1——搅拌器重，N ； L 1——搅拌器外伸端长度，m 。 搅拌轴的强度计算步骤一览表见下表： 表10

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。

4.1常用电机及其连接尺寸

搅拌设备选用电动机问题，主要是确定系列、功率、转速以及安装形式和防爆要求等几项内容。电动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。电机功率按下式计算

ηm

d

P P

P

+ =

已知P d=5.5kW P=4kW μ=0.9 则P m=0.95kW

式中P d——电机功率，kW；

P——搅拌器功率，kW；

P m——轴封系统的摩擦损失，kW

μ——传动系统的机械效率。

表11传动机械效率

4.2釜用减速机类型、标准及其选用

反应釜用V带传动减速机，见下表。

表12标准减速机的功率、转速范围、类型代号及特性参数

表13釜用立式减速机的基本特性

4.3V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，能防止过载，噪声小。

搅拌釜采用V带传动，选用Y132M2—6电机，额定功率P=5.5kW，转速n1=900r/min，搅拌轴转速n2=300r/min，设计V带。

表14V带轮的设计计算内容和步骤

4.4凸缘法兰