夹套反应釜课程设计.doc

夹套传热式带搅拌的反应釜设计说明书组员：姚 源 学号：3099990054刘勇华 学号：3099990055陈 叙 学号：3090343125 黄承标 学号：3090343108专业班级：化学工程与工艺09-1班指导老师：张淑华设计时间：2011年12月19日至2011年12月30日有搅拌装置的夹套反应釜前言化工设备机械基础化学工程、制药工程类专业以及其他相近的非机械类专业，对化下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具有设计钢制的、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。化工设备课程设计是培养学生设计能力的重要实践教学环节。在教师指导下，通过裸程设计，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，应达到一下几个目的： 熟练掌握查阅文献资料、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。 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。 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。 用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图表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1 设计方案的分析和拟定（6）2. 反应釜釜体的设计（6）2.1罐体和夹套的结构设计（6）2.2 罐体几何尺寸计算（7）2.2.1确定筒体内径 （7）2.2.2 确定封头尺寸（7）2.2.3 确定筒体的厚度Hi（8）2.3 夹套几何尺寸计算（8）2.4 夹套反应釜的强度计算 （9）24.1 强度计算的原则及依据（9）2.4.2 按内压对圆筒和封头进行强度计算（9）2.4.3 按外压对筒体和封头进行强度校核（10）2.4.4 夹套厚度计算 （11）2.4.5 水压试验校核计算（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（13）4 反应釜的传动装置（14）4.1 常用电机及其连接（14）4.2 釜用减速机类型，标准及其选用（14）4.3 凸缘法兰（15）4.4 安装底盖（15）4.5 机架 （15）4.6 联轴器（16）5 反应釜的轴封装置 （16）6 反应釜的其他附件（16）6.1 支座 （16）6.2人孔 （17）6.3 设备接口 （17）7 设备总质量（17）反应釜的装配图 (18)参考文献 (19)设计任务书设计目的：把所学化工设备机械基础及相关知识，在课程设计中综合运用，把化工工艺条件与化工设备设计有机地结合起来，巩固和强化有关机械课程的基本理论和基本知识。设计要求：(1)进行罐体和夹套设计计算(2)进行搅拌传动系统设计a.进行传动系统方案设计(指定用V带传动);b.做带传动设计计算(指定用电机Y132M2-6,转速960r/min,功率5.5kw);c.进行上轴的结构设计和强度校核;d.选择轴承并进行轴承寿命校核;e.选择联轴器;f.进行罐内搅拌轴的结构设计及搅拌器与搅拌轴的连接结构设计;g.选择轴封的型式(3)设计机架结构(4)选择凸缘法兰及安装底盖结构(5)选择接管管法兰设备法兰手孔试镜等容器附件(7)绘总装配图(A2纸)(8)绘传动系统部件图设计内容：设计一台夹套传热式带有搅拌装置的反应釜。 设计任务书设计参数要求容器内夹套内工作压力 ，Mpa0.200.25设计压力 ，Mpa0.220.3工作温度 ，100130设计温度 ，120150介质有机溶剂蒸汽全容积V ，m0.8操作容积V1 ，m0.64传热面积 ，m3腐蚀情况微弱推荐材料Q345-A搅拌器型式推进式搅拌轴转速 ，r/min200轴功率 ，KW4接管表符号公称尺寸连接面形式用途A25PL/RF蒸汽入口B65加料口C12100PL/RF视镜D25PL/RF温度计管口E25PL/RF压缩空气入口F40PL/RF放料口G25PL/RF冷凝水出口1 设计方案的分析和拟定 根据任务书中的要求，一个夹套反应釜主要有搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管等一些附件构成。而搅拌容器又可以分为罐体和夹套两部分。搅拌装置分为搅拌器和搅拌轴，根据任务说明书的要求本次设计搅拌器为推进式搅拌器；考虑到填料轴封的实用性和应用的广泛性，所以轴封采用填料轴封。在阅读了设计任务书后,按以下内容和步骤进行夹套反应釜的机械设计。（1）总体结构设计,包括进行罐体和夹套设计计算。根据工艺的要求，并考虑到制造安装和维护检修的方便来确定各部分结构形式。（2）搅拌器传动系统的设计。 根据工艺参数确定各部几何尺寸； 考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体和夹套材料； 对罐体、夹套进行强度和稳定性计算、校核；（3）传动系统设计，包括选择电机、确定传动类型、选择联轴器等。（4）决定并选择轴封类型及有关零部件。（5）绘图，包括总图、部件图。（6）编制技术要求，提出制造、装配、检验和试车等方面的要求。2. 反应釜釜体的设计反应釜是有罐体和夹套两部分构成，罐体是反应的核心，为物料完成搅拌过程提供一个空间。夹套为反应的操作温度提供保障，是一个套在罐体外的密封空间容器。21罐体和夹套的结构设计罐体采用立式的圆筒形容器，有筒体和封头构成。通过支座安装在基础平台上。封头一般采用椭圆形封头。由于筒体内径Di1200mm，因此下封头与筒体的连接采用焊接连接。而为了拆卸清洗方便，上封头采用法兰与筒体连接。夹套型式与罐体大致一致。2.2 罐体几何尺寸计算2.2.1确定筒体内径 一般有工艺条件给定容积V、筒体内径Di 估算： 式中i为长径比即： ，由表4-2选取。根据题意取i=1.0，已知V=0.8 m3,则Di =1006mm, 将Di 圆整到公称直径系列，则Di =1000(mm).2.2.2 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=Di =1000（mm） 曲边高度 hi =250mm 直边高度h2=25mm 容积V封=0.1505 m3 （2）封头厚度计算 由公式 其中Pc =0.228 =189MP (由参考文献附表9查的)封头焊接采取双面焊、全焊透，局部无损伤 ，则=0.85计算S=0.2281000/(21890.85-0.50.228)=0.710 mm由参考文献一 表4-9查得：负偏差 C1=0.25mm由参考文献一表4-11查得：腐蚀裕量C2=2mm计算名义厚度 Sn=S+C1+C2=0.710+0.25+2=2.960mm故封头厚度取2.960mm（3）由于S0.64 m32.3 夹套几何尺寸计算 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。夹套的安装尺寸，夹套内径D2可根据筒体内径D1按表4-3选取：D2 =D1+100=1100mm 夹套下封头型式同筒体封头，直径D2与夹套筒体相同。 夹套高H2有传热面积而决定，不能低于料液高，装料系数 ： =操作容积/全容积=0.640.8=0.8夹套高H2 计算：H2 = （V-V封）Vim 代入数值计算得：H2 =0.6816m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=H2 F1m 故 F封F筒 =1.16253.140.6816=3.30 m23 m2所以换热要求满足。筒体和上封头的连接采用甲型平焊法兰连接，选取凹凸密封面法兰，其尺寸见附图4-2，主要尺寸由附表4-4查的，其中：D=1530mm D1=1490mm D2=1455mm D3=1441mmD4=1438mm S=46mm d=23mm 2.4 夹套反应釜的强度计算 夹套反应釜几何尺寸确定后，要根据已知的公称直径，设计压力和设计温度进行强度计算确定罐体及夹套的筒体和封头的厚度。24.1 强度计算的原则及依据强度计算中各参数的选取及计算，均应符合GB150-1998钢制压力容器的规定。圆筒为正压外带夹套时：当圆筒的公称直径DN=600时，被夹套包围部分的圆筒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。2.4.2 按内压对圆筒和封头进行强度计算（1）筒体强度计算已知：Tc=120 Pc=0.22Mpa =189MP = 0.85 S=(PcDi)/(2-Pc) =0.71 负偏差 C2=0.25mm腐蚀裕量 C2=2 名义厚度 Sn=SC1C2=2.96(2)封头厚度计算 S=(PcDi)/(2-0.5Pc) =0.71同理名义厚度 ： Sn=SC1C2=2.962.4.3 按外压对筒体和封头进行强度校核（1）筒体图算法强度校核计算 由于D0/Se=1012/3.75=270 当罐体筒体名义厚度Sn=6mm 令Se=Sn-C=3.75mmD0=Di+2Sn=1012mm 则 L/D0=7831012=0.774 查图11-5得 A=0.0004 查图11-8 由于Tc =120 则B=56Mpa计算许应外压力p p=B/( D0/Se)=0.21Mpa所以 p0.3 Mpa所以筒体厚度Sn取7mm(2)外压封头强度校核计算设封头名义厚度 Sn=7mm 计算有效厚度Se=Sn-C=4.75mmR0=K1D0 式中K1 =0.9 D0 =Di+2Sn=1014mmR0 =0.91014=913mm 计算系数A A=0.125/(Ro/Se)=0.00065查参考文献1中图11-8 T=0.3ppc 所以封头厚度确定 Sn=7mm2.4.4 夹套厚度计算 (1)夹套筒体部分厚度计算由 P c 2=0.3Mpa T c 2=Ao（p/n）1/3=30.4mm, 轴所传递的转矩T=9500p/n=191N.m考虑开键槽和物料对轴的腐蚀,轴径扩大7%,即d=32.528mm.圆整取较大值,所以d=40mm.由结构确定其他各段轴径: 带轮和联轴器轴向定位的轴肩d2=45mm,取轴端挡圈公称直径50mm.（3） 搅拌轴强度校核 轴扭转的强度条件是： （参考文献1.公式9-5） 对45刚 k=35Mpa 对实心轴 Wp=d3/16=12560mm3 T=9.55106 p/n=191000Nmm 则：max =15.207k 故 d=40mm 强度足够（4） 搅拌轴的形位公差和表面粗糙度的要求： 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 n5r/min,选取滑动率0.02,则大带轮直径d2=(1-0.02)id1=0.984.8106=498.624mm,圆整后取d2=500mm4.3 凸缘法兰选取R型(DN=200mm)4.4 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。其主要尺寸查附图4-7和附表4-7,选取安装底盖DN=250mm，并确定其尺寸。 4.5 机架选PV6减速机自带机架4.6 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。扭矩Tca=KAT=1.3955P/n=247N.m,按轴径d=40mm,由Tca及n条件查标准尺寸,查得TL6的数据为d1=40mm,许用最大扭矩为250N.m,nmax=2800r/min,满足要求.所以选用TL6型弹性联轴器5 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。这次设计选用填料密封,因为轴径d=40mm,查得D1=175mm,D2=145mm,D3=110mm,H=147mm,填料规格10*10,法兰螺栓孔4*18mm,填料箱质量为7.5Kg.6 反应釜的其他附件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/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型耳式支座B3，支座数为4个。允许载荷为100KN 型式见附图4-9 ，尺寸见附表4-9.支座质量为：33.2Kg 地脚螺栓： M24.6.2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=450mm总质量：125Kg 螺柱：20个 螺栓：40个。 螺柱：M24-1256.3 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。7 设备总质量7.1 罐体和夹套总质量m1的计算 查表D-1得罐体筒体公称直径DN=900mm，筒体厚度的筒体筒节每米质量为224kg。查表D-3得罐体封头公称直径DN=900mm，封头的厚度的封头的质量为74.1kg。查表D-1得，DN=1000mm，的夹套筒节每米质量为249kg。查表D-5得公称直径DN=900mm，PN=0.25MPa的甲型平焊法兰的凸面法兰的质量为54.6kg，凹面法兰的质量为52.7kg。其他接管取500kg，则7.传动装置总质量查表E-3得机架重46kg；查表得减速机重320kg；查表D-4得DN=200mm的凸缘法兰重19kg；密封装置及其他附属件约为100kg；查表E-4得联轴器重5.43kg。则 7.物料重量计算取装料系数=0.8，则操作容积为V操=0.8V=0.664m3有7.冷却水重量计算冷却水充满夹套的体积约为0.7 0.8=0.56m3，则 故设备总重量8 反应釜的装配图附图一参考文献1刁玉玮、王立业，化工设备机械基础，大连：大连理工大学出版社，2006，122 吴宗泽，机械设计师手册上M，北京：化学工业出版社，2002，13 吴宗泽，机械设计实用手册M，北京：化学工业出版社，1998，74 余国琮，化工机械手册M，天津：天津大学出版社，1991，55 魏崇光、郑晓梅，化工工程制图，北京：化学工业出版社，1994，36 巨勇智、勒士兰，过程设备机械基础，北京：国防工业出版社，2005，47 朱有庭、曲文海、于浦义，化工设备设计手册，北京：化学工业出版社，2006，58汤善甫、朱思明， 化工设备机械基础M，上海：华东理工大学出版社，2004，129 董大勤、袁凤隐，压力容器与化工设备使用手册，北京：化学工业出版社，2000，310 周明衡、常德功，管路附件设计选用手册，北京：化学工业出版社，2004，811 刘湘秋，常用压力容器手册，北京：机械工业出版社，2005，412 叶君，实用紧固件手册M，北京：机械工业出版社，2004.鸣谢 在为期两周的设计里，在此课程设计过程中首先要感谢张淑华老师，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，再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，幸好有张老师耐心教诲，给予我们及时必要的指导，在此向张老师表最诚挚的感谢！课程设计不同于书本理论知识的学习，有些问题是实际实践过程中的，无法用理论推导得到，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，查阅互联网以及在张老师的指导帮助下，问题都得到很好的解决。这让我深深意识到自己知识体系的漏洞，自己知识体系的不足，但同时也深刻体会到同学间的团结互助的精神。通过此次课程设计，使我查阅文献的能力和对数据的选择判断能力得到了很好的锻炼，同时我也意识到自己应该把所学到的知识应用到设计中来。同时在设计中同学之间的相互帮助，相互交流，认识的进一步加深，对设计中遇到的问题进行讨论，使彼此的设计更加完善，对设计的认识更加深刻。在此再次感谢我各位亲爱的同学们。同时还要感谢全系里的老师给我们提供教室，以及学校图书馆向我们提供工具书和参考书，在此特别予以感谢。由于首次做设计，过程中难免疏忽与错误，感谢有关老师同学能及时给予指出。