反应釜课程设计说明书

课程设计

资料袋

机械工程学院（系、部） 2012 ~ 2013 学年第二学期

课程名称指导教师职称

学生专业班级班级学号题目酸洗反应釜设计

成绩起止日期 2013 年 6 月 24 日～ 2013 年 6 月 30 日

目录清单

. . .

过程设备设计

设计说明书

酸洗反应釜的设计

起止日期： 2013 年 6 月 24 日至 2013 年 6 月 30 日

学生

班级

学号

成绩

指导教师(签字)

机械工程学院（部）

2013年6月26日

课程设计任务书

2012—2013学年第二学期

机械工程学院（系、部）专业班级

课程名称：过程设备设计

设计题目：酸洗反应釜设计

完成期限：自 2013 年 6 月 24 日至 2013 年 6 月 30 日共 1 周

指导教师（签字）：年月日系（教研室）主任（签字）：年月日

目录

第一章绪论 (4)

1.1 设计任务 (2)

1.2 设计目的 (2)

第二章反应釜设计 (2)

第一节罐体几何尺寸计算 (2)

2.1.1 确定筒体径 (2)

2.1.2 确定封头尺寸 (2)

2.1.3 确定筒体高度 (2)

2.1.4 夹套的几何尺寸计算 (3)

2.1.5 夹套反应釜的强度计算 (4)

2.1.5.1 强度计算的原则及依据 (4)

2.1.5.2 筒及夹套的受力分析 (4)

2.1.5.3 计算反应釜厚度 (5)

第二节反应釜釜体及夹套的压力试验 (6)

2.2.1 釜体的水压试验 (6)

2.2.1.1 水压试验压力的确定 (6)

2.2.1.2 水压试验的强度校核 (6)

2.2.1.3 压力表的量程、水温及水中Cl-的浓度 (6)

2.2.2 夹套的水压试验 (6)

2.2.2.1 水压试验压力的确定 (6)

2.2.2.2 水压试验的强度校核 (6)

2.2.2.3 压力表的量程、水温及水中Cl-的浓度 (6)

第三节反应釜的搅拌装置 (1)

2.3.1 桨式搅拌器的选取和安装 (1)

2.3.2 搅拌轴设计 (1)

2.3.2.1 搅拌轴的支承条件 (1)

2.3.2.2 功率 (1)

2.3.2.3 搅拌轴强度校核 (2)

2.3.2.4 搅拌抽临界转速校核计算 (2)

2.3.3 联轴器的型式及尺寸的设计 (2)

第四节反应釜的传动装置与轴封装置 (1)

2.4.1 常用电机及其连接尺寸 (1)

2.4.2 减速器的选型 (2)

2.4.2.1 减速器的选型 (2)

2.4.2.2 减速机的外形安装尺寸 (2)

2.4.3 机架的设计 (3)

2.4.4 反应釜的轴封装置设计 (3)

第五节反应釜其他附件 (1)

2.5.1 支座 (1)

2.5.2 手孔和人孔 (2)

2.5.3 设备接口 (3)

2.5.3.1 接管与管法兰 (3)

2.5.3.2 补强圈 (3)

2.5.3.3 液体出料管和过夹套的物料进出口 (4)

2.5.3.4 固体物料进口的设计 (4)

第六节焊缝结构的设计 (7)

2.6.1 釜体上的主要焊缝结构 (7)

2.6.2 夹套上的焊缝结构的设计 (8)

第三章后言............................................................. 错误!未定义书签。

3.1 结束语 ......................................................... 错误!未定义书签。

3.2 参考文献....................................................... 错误!未定义书签。

第一章

绪论

反应釜的广义理解即有物理或化学反应的容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。

根据搅拌过程的目的与搅拌器造成的流动状态判断该过程所适用的浆型，这是一种比较合用的方法。

反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，例如反应器、反应锅、分解锅、聚合釜等；材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔、因康镍）合金及其它复合材料。

反应釜是化工行业不可缺少的防腐设备，在使用中机械碰撞、温度急变等因素经常引起脱瓷、裂纹、气泡、气孔和面釉的其他损伤，这些缺陷在搪瓷设备中是决不允许的，一旦发生这种现象，必须进行修补。一个搪瓷釜价值几万元，由于局部爆瓷而报废十分可惜。应采用高分子复合材料搪瓷修补剂修复搪瓷釜，搪瓷现场修补剂是由高分子聚合物、合金钢粉末或耐磨陶瓷粉末为基材并配以固化剂的双组份复合材料。与普通树脂型的修补剂相比，高分子复合材料依靠自身更为细密的高分子结构，使得材料自身具有更强的粘接力和优异的耐腐蚀、抗腐蚀性能，高分子甚至能够渗透到金属里面，形成更为紧密的高分子复合材料保护层。

反应釜由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配。并在釜壁外设置夹套，或在器设置换热面，也可通过外循环进行换热。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外()盘管加热等，冷却方式为夹套冷却和釜盘管冷却，搅拌桨叶的形式等。支承座有支承式或耳式支座等。转速超过160转以上宜使用齿轮减速机.开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设计、制作。

设计任务

化工设备的机械设计是在工艺设计之后，根据设备的工艺条件，围绕着设备、外附件的选型进行机械结构设计，围绕着确定厚度大小进行强度、刚度和稳定性的设计与校核计算。主要步骤如下：

（1）全面考虑压力大小、温度高低和腐蚀强度等确定材料的选取。

（2）选用零部件。

（3）计算外载荷，包括压、外压、设备自重，零部件偏载、风载、地震载荷等。

（4）强度、刚度、稳定性设计与校核计算。

（5）传动设备的选型与计算。

（6）绘制设备图纸，包括绘制装配图、零件图，提出技术要求。

设计目的

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：

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

第二章 反应釜的设计

第一节 罐体几何尺寸计算

2.1.1 确定筒体径

305.28.0/0.2/m V V ===η 2-1 一般由工艺条件给定容积V 、筒体径1D 按照式（2.1）估算

?

1D 34i

V ?π 2-2 式中

V-工艺条件给定容积，m 3；

i-长径比,i=111=D H （按物料的类型选取，见附表2.1）。 当反应釜容积V 小时，为使筒体径D1不致太小，以便在顶盖上容易布置接管和传动装置，通常取i 最小值。

表2.1 不同釜物料类型长径比

由表1.1可取i=H/Di=1

?

1D 34i V ?π=≈??31

5.24π 1.47m 2-3 圆整得，

2.1.2 确定封头尺寸

椭圆封头选取标准件，它的径与筒体径相同，查表JB/T 4746—2002 EHA 椭圆形封头，得：mm h 4001=，mm h 252=，25568.2m F h =，34860.0m V h =

2.1.3 确定筒体高度

反应釜容积V 通常按封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度1H 按照式(2-4）计算并进行圆整。

1

1V V V H h -=

(2-4) 式中 h V —封头容积，m 3； 1V —1米高筒体容积，m 3/m 。

查表GB 9019—88表3，得：34860.0m V h =，31767.1m V = 1

V V V H h -==m 14.1767.14860.05000.2=- 2-5 圆整得，mm H 1200=

2.1.4 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要求而定。夹套的径2D 可根据筒体径1D 选取。mm D D 160010012=+=

表2.2夹套径与筒体径关系

D j /mm

500~600 700~1800 2000~3000 D j /mm

D i +50 D i +100 D i +200

夹套下封头型式同罐体封头，其直径2D 与夹套筒体相同。夹套高2H 由传热面积决定，不能低于料液高。填料系数η取0.80。夹套高2H 按式（2.6）估算 12V V V H h

-=η （2.6） m V V V H h 85.0767

.14860.05.28.012=-?=-=

η2-7 取2H =900mm 传热面积计算

夹套所包围的罐体表面积一定要大于工艺要求的传热面积。

11F F F h ?+= （2.8）

查表JB/T 4746—2002 EHA 椭圆形封头，得：29007.2m F h =，计算得2124.4m F =

21417.703.59.089.29.0m F F F h =?+=?+= ＞7㎡ 2-9

2.1.5 夹套反应釜的强度计算

2.1.5.1 强度计算的原则及依据

强度计算应考虑以下几种情况。

（1）圆筒为常压外带夹套时

当圆筒公称直径DN ≥600mm 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）圆筒为真空外带夹套时

当圆筒公称直径DN ≥600mm 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；

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

（3）圆筒为正压外带夹套时

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

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

2.1.5.2 筒及夹套的受力分析

工艺提供的条件为：釜体筒中工作压力为0.8MPa ，夹套工作压力0.9MPa 。则夹套筒体和夹套封头为承受0.9MPa 压；而筒的筒体和下封头为既承受0.8MPa 压，同时又承受0.9MPa 外压，其最恶劣的工作条件为：停止操作时，筒无压而夹套仍有蒸汽压力，此时筒承受0.9MPa 外压。

2.1.5.3 计算反应釜厚度

罐体和夹套材料选用S11306，，设计温度t 1=220℃（罐体），t 2=250℃（夹套），

设计压力P 1=1.00MPa （罐体），P 2=1.00MPa （夹套）。

筒体液柱静压力：

MPa rgh P H 028.01035.28.92.11061

61=???==-- 2-10 则罐体计算压力:P 1c =P 1+P 1H =1+0.=1.028MPa

筒体液柱静压力：

MPa rgh P H 019.010472.18.92.1106262=???==-- 2-11

则夹套的计算压力为:P 2c =P 2+P 2H =1+0.019=1.019MPa ，查表可知设计温度下，

S11306的许用应力为[δ]t =119MPa 。

夹套筒体与筒的环焊缝，因无法探伤检查，故查取6.0=φ，从安全计夹套上所有焊缝均取6.0=φ，封头采用由钢板拼制的标准椭圆形封头。取钢板厚度负偏差10.6C mm =，腐蚀裕量：罐体为2.0mm ，夹套2 1.5C mm =，夹套厚度计算如下：

筒体计算厚度: []mm P f D P d c

t c 12.6028.185.011921200028.12111=-???=-=δ 2-12 夹套计算厚度: []mm P f D P d c t c 08.6019

.185.011921200019.12222=-???=-=δ 2-13 筒体封头计算厚度: []mm P f D P d c

t c 11.6028.15.085.011921200028.15.0211=?-???=-=δ 2-14 夹套封头计算厚度: []mm P f D P d c t c 06.6019

.15.085.011921200019.15.0222/=?-???=-=δ 2-15 取钢板厚度负偏差10.6C mm =，腐蚀裕量：罐体为2.0mm ，夹套2 1.5C mm =，则有：

筒体总厚度：mm d d C d 83.142111=+++=； 2-16 夹套总厚度：mm d d C d 64.13/222=++= 2-17 圆整后选取：

筒体名义厚度：d 1=15mm

夹套名义厚度：d 2=14mm

第二节 反应釜釜体及夹套的压力试验

2.2.1 釜体的水压试验

2.2.1.1 水压试验压力的确定

水压试验的压力：

t

T p p ][][25.111σσ= （3.1） MPa p T 0.18.00.125.11=??=

2.2.1.2 水压试验的强度校核

水压试验的应力： e e T T D p σσσ2)(111+=

（3.2） MPa T 39.1394

.52)4.51500(0.11≈?+?=σ MPa s 75.19985.02359.09.0=??=φσ

φσσs T 9.01＜

液压强度足够。

2.2.1.3 压力表的量程、水温及水中Cl -浓度的要求

压力表的最大量程：P 表 =2T p =2×1.0=2.0MPa ，水温≥15℃ ，水中Cl -浓度≤25/mg L

2.2.2 夹套的水压试验

2.2.2.1 水压试验压力的确定

水压试验的压力：

t

T p p ][][25.122σσ= （3.3） MPa p T 125.19.0125.12=??=

2.2.2.2 水压试验的强度校核

水压试验的应力：

e

e T T D p σσσ2)(222+= （3.4）

MPa T 23.1674

.52)4.51600(125.12≈?+?=σ MPa s 75.19985.02359.09.0=??=φσ

φσσs T 9.01＜

液压强度足够

2.2.2.3 压力表的量程、水温及水中Cl -浓度的要求

压力表的最大量程：

P 表 =2T p =2×1.125=2.250MPa ，水温≥15℃ ，水中Cl -浓度≤25/mg L

第三节 反应釜的搅拌装置

在反应釜中，为增加反应速率、强化传质或传热效果以及加强混合等作用，常装设搅拌装置。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。设计任务书要求的为桨式。

2.3.1 桨式搅拌器的选取和安装

桨式搅拌器结构比较简单，桨叶一般以扁钢制造，材料可以采用碳钢、合金钢、或有色金属，或碳钢外包橡胶环氧树脂、酚醛玻璃布等。桨叶有平直叶和折叶两种。平直叶叶面与旋转方向垂直，而折叶式则是桨叶与旋转方向成一倾斜角，一般为60°。桨式搅拌器运转速度较慢，一般为20―80r/min ，v ≤4m/s 。根据任务书给予的工艺条件，选取一层桨叶。

一层桨叶安装位置为安装在下封头焊缝线高度上。桨式搅拌器直径D 约取反应釜径的1/3—2/3，不宜过大。根据条件，选取

3100750===Z mm B mm D j ，，。

2.3.2 搅拌轴设计

搅拌轴的机械设计容同一般传动轴。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，其结构形式根据轴上安装的搅拌器类型、支承的结构和数量、以及和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。

2.3.2.1 搅拌轴的支承条件

保持搅拌轴悬臂稳定性的允许长度，在一般工作条件下，根据经验数据，推荐以下两个稳定条件的关系式，以供参考。

B

L 1≤4—5 （4.1） d

L 1≤40—50 （4.2） 取1L =1800mm

2.3.2.2 功率

先计算雷诺数Re ，液体黏度μ=0.38pa ·s ，密度ρ=1200kg/m3，轴转速n=80r/min ≈1.33r/s ，直径d=0.7m

μ

ρ2

Re nd = (4.3) 代入式（4.3），得：205838

.07.033.11200Re 2

≈??= ，由教材362页查功率曲线，得5=P N 。计算功率

23727.033.1120055353≈???==d n N P P ρW

2.3.2.3 搅拌轴强度校核

选择搅拌轴的材料为45钢，查表知45钢的许用轴向应力[τ]=30-40Mpa ，计算系数A=107—118，则搅拌轴直径为：

mm 5.361.3380

37.2118107n P 11810733—）—（）—（===d 考虑到键槽对轴的削弱和物料对轴的腐蚀，可取轴的直径d=40mm 。

2.3.2.4 搅拌抽临界转速校核计算

由于反应釜的搅拌轴转速n =80/min r ＜200min /r ，故不作临界转速校核计算。

2.3.3 联轴器的型式及尺寸的设计

由于联轴节轴孔直径DN =40mm ，因此搅拌轴的直径d 调整至50mm 。 查表，选择立式夹壳联轴器，公称轴径50mm 的联轴器的最大许用扭矩[Mn]≈530N ·m 。验算联轴器的扭矩。查教材，选取载荷系数K=1.5，联轴器的计算扭矩Mnj 为： Mnj=K ×Mn=1.5×9550×0.40/80=71.63N ·m<[Mn]=530N ·m 夹壳联轴器的标记为联轴器Dn50HG5-213-65。

图4.1 立式夹壳联轴节

1-夹壳；2-悬吊环；3-垫圈；4-螺母；5-螺栓

表4.1 夹壳联轴节的尺寸

轴孔D 1d 2d 3d L 1l 2l 3l 螺栓

第四节反应釜的传动装置与轴封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,一般采用立式布置。如图5.1所示。电动机经减速装置将转速减至工艺要求的搅拌转速，再通过联轴器带动搅拌轴旋转。减速机下设计一机座，以便安装在反应釜的封头上。由于考虑带传动装置与轴封装置站桩时要求保持一定的同心度以及装卸检修方便，常在封头上焊一底座，整个传动装置连机座及轴封装置都一起安装在这个底座上。因此，反应釜的传动装置设计容一般应包括：选用电动机、减速机和联轴器、选用或设计机座和设计底座。

图5.1

2.4.1 常用电机及其连接尺寸

搅拌装置选用电机问题，主要是确定系列、功率、转速以及安装形式和防爆等几项容。最常用的为Y系列全封闭自扇冷氏三相异步电动机；当有防爆要求时，可选用YB系列。

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，还要考虑到有时在搅拌操作中会出现不利条件造成功率过大。

电机功率可按照下式确定：

ηm

d

P P

P

+

=（5.1）

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 ；

η-传动系统的机械效率。

kW P P P m

d 63.29

.037.2≈=+=η 最终选取电机型号为Y132S-6。其额定功率为3kW ，满载转速为960r/min 。

2.4.2 减速器的选型

釜用减速机的选择往往通过类比方法进行，计算分析所得的数据可作选型参考。选择前一般已知的条件是：搅拌所需转速及搅拌轴的功率（或所配电机功率）和工况的特殊要求等。

2.4.2.1 减速器的选型

根据电机的功率P=2.2kW 、搅拌轴的转速n ＝80r/min 、传动比i 为1500/ 80＝18.75。选用摆线针齿行星减速机（标定符号BLD 型号代号—机型号—减速比—轴头型式，标准图号HG 5—745—78）

2.4.2.2 减速机的外形安装尺寸

图5.2 直连摆线针轮减速机

表5.1 减速机的外形安装尺寸

L1

l P E M d n - D D2 l 1 324 63 4 15 79 6-?12 45 260 40

C D3 D4 h b D1h1

1 F

2.4.3 机架的设计

机架式安防减速机用的，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照标准选配机架。标准机架有三种：无支点机架、单支点机架和双支点机架。本设计采用无支点机架。其结构如图6.2所示。

图6.2 WJ型无支点机架

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够承受由搅拌轴传递而来的径向和轴向载荷者；

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

无支点机架一般仅适用于传递小功率和小的轴向载荷的条件。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。

2.4.4 反应釜的轴封装置设计

反应釜中介质的泄露会造成物料浪费并污染环境，易燃、易爆、剧毒、腐蚀性介质的泄露会危及人身安全和设备安全。因此，在反应釜的设计过程中选择合理的密封装置是非常重要的。

轴封装置按密封面间有无运动，分为静密封和动密封两大类。搅拌反应釜上法兰面之间是相对静止的，它们之间的密封属于静密封。静止的反应釜顶盖（上封头）和旋转的搅拌轴之间存在相对运动，它们之间的密封属于动密封。为了防止介质从转动轴与封头之间的泄露而设置的密封装置，简称为轴封装置。反应釜

中使用的轴封装置主要有填料密封和机械密封两种。

表5.2 填料箱密封和机械密封的比较

我们这次设计使用填料密封。它是搅拌反应釜最早采用的一种轴封结构，其特点是结构简单、易于制造，并适用于低压、低温的场合。虽然填料中含有一些润滑剂，但其数量有限且在运转中不断消耗，故填料箱上常设置添加润滑油的装置。

密封装置不可能达到绝对密封,因为压紧力太大时会加速轴与填料的磨损，使密封失效更快。从延长密封寿命出发，允许有一定的泄露量（150mL/h～450mL/h），运转过程中需调整压盖的压紧力，并规定更换填料的周期。填料是保证密封的主要零件。填料选用正确与否对填料的密封性起关键性的作用。对填料的基本要求是：

（1）要有弹性，这在压紧压盖后，填料能贴紧搅拌轴并对轴产生一定的抱紧力；

（2）良好的耐磨性；

（3）与搅拌轴的摩擦系数要小，以便降低摩擦功率损耗，延长填料寿命；（4）良好的导热性，使摩擦产生的热量能较快地传递出去；

（5）耐介质及润滑剂的浸泡和腐蚀。此外，对用在高温高压下的填料还要求耐高温及有足够的机械强度。

填料的选用应根据反应釜介质的特性（包括对材料的腐蚀性）、操作压力、操作温度、转轴直径、转速等进行选择。

对于低压（PN≤0.2MPa）、无毒介质、非易燃易爆者，可选用一般石棉绳，安装时外涂黄油，或者采用油浸石棉填料。压力较高或介质有毒及易燃易爆者，最常用的是石墨石棉填料和橡胶石棉填料。