搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计

搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计

概述

夹套式反应釜的釜体是由封头、筒体和夹套三部分组成。封头有椭圆形封头和锥形封头等形式。上、下封头与筒体常为焊接。

釜体材料的选择

根据工艺参数及操作条件（见附录2）确定封头、筒体及夹套的材料。此设计的釜体材料选用0Cr18Ni9与夹套材料选用Q235-B ，热轧钢板，其性能与用途见表2-1。

表2-1 Q235-B 性能与用途

由工艺参数及操作条件和表2-1可知，0Cr18Ni9和Q235—B 材料能够满足任务书中的设计温度、设计压力。在操作条件下，Q235—B 能使设备安全运转，并且不会因腐蚀而对介质产生污染，而且相对与其他钢号价格便宜，所以本设计釜体材料选用0Cr18Ni9与夹套材料采用Q235-B ，热轧钢板。

封头的选择

搅拌反应釜顶盖在受压状态下操作常选用椭圆形封头，本设计采用椭圆形标准封头，直边高度mm h 45=ο，其内径取与筒体内径相同的尺寸。

椭圆形封头是由半个椭圆球体和一个圆柱体组成，由于椭圆部分径线曲率平滑连续，封头中的应力分布不均匀。对于2=b a 得标准形封头，封头与直边的连接处

的不连续应力较小，可不予考虑。椭圆形封头的结构特性比较好。

釜体几何尺寸的确定

釜体的几何尺寸是指筒体的内径i D 和高度H 。釜体的几何尺寸首先要满足化工工艺的要求。对于带搅拌器的反应釜来说，容积V 为主要决定参数。

2.4.1 确定筒体的内径

由于搅拌功率与搅拌器直径的五次方成正比，而搅拌器直径往往需随釜体直径的增加而增大。因此，在同样的容积下筒体的直径太大是不适宜的。对于发酵类物料的反应釜，为使通入的空气能与发酵液充分接触，需要有一定的液位高度，筒体的高度不宜太矮。因此，要选择适宜的长泾比（i D H ）。

根据釜体长径比对搅拌功率、传热的影响以及物料特性对筒体长径比的要求，又由实践经验，针对一般反应釜，液—液相物料，i D H 取值在之间，并且考虑还

要在封头上端布置机座和传动装置，因此，取i D H =。

由<<搅拌设备设计>>可知：

i D =3

)

(41i

D H

V πηο （2-1）

有：操作容积=全容积?=

式中：V ——操作容积，3m ；H ——筒体高度，m ；i D ——筒体内径；1η——装料系数，取值为。

则： i D =33

.28.04

.64???π

=m

将i D 值圆整到标准直径，取筒体内径i D =1600mm 。

2.4.2确定筒体的高度

由《搅拌设备设计》可知：

)(44

D 1

2

2i h i h V V D V V H -=-=ηππο

（2-2） 式中：h V ——下封头所包含的容积，在《材料与零部件》中查得，h V = 。

）

（0.6178

.0.6.4

6.142-?=πH =m

把1H 的值圆整到H =3700mm ，则：

3.21600

3700

==

i

D H

夹套的结构和尺寸设计

常用的夹套结构形式有以下几种：（1）仅圆筒部分有夹套，用于需加热面积不大的场合；（2）圆筒一部分和下封头包有夹套，是最常用的典型结构；（3）在

圆筒部分的夹套中间设置支撑或加强环，以提高内筒的稳定性，在夹套中介质压力较大时，由于这种结构减小了内筒的计算长度，从而减小了筒体的壁厚；（4）为全包式夹套，与前三种相比，传热面积最大。本设计中夹套的结构选择第一种最最常用的典型结构。 夹套上设有介质进出口。当夹套中用蒸汽作为载热体时，蒸汽一般从上端进入夹套，冷凝液从夹套底部排出，如用液体作为冷却液时则相反，采取下端进，上顿出，以使夹套中经常充满液体，充分利用传热面，加强传热效果。

2.5.1 确定夹套与封头的内径

夹套的内径j D 一般按公称尺寸系列选取，以利于按标准选择夹套封头，具体可根据筒体直径i D 按表2-2中推荐的数值选用。

表2-2 夹套内径与筒体内径的关系

由此关系可取：j D =i D +200=2001600+=1800mm 。

2.5.2 确定夹套筒体高度

由于： 夹S =i D π1H +封S （2-3） 则： 1H =

1

D S S π封

夹-（2-4）

已知：传热面积夹S =122m ，封头的内表面积封S =298.2m 则：1H =

1

D S S π封

夹-

=

1600

14.398

.212?-

=mm 2600

圆整后取：1H =2600mm 。

釜体和夹套的壁厚的确定

釜体和夹套的强度和稳定性设计可按内、外压容器的设计方法进行。 本设计中，釜体的筒体与其下封头按承受内压和外压分别进行计算，釜体内压设计压力为21.0a MP ，釜体外压设计压力为315.0a MP 。夹套的筒体以及釜体的上

封头按内压容器设计，其设计压力为21.0a MP 。

2.6.1 釜体的筒体壁厚计算

(1) 首先对筒体按照承受21.0a MP 的内压进行计算 由于： []22C P

PD t t

i

d +-=?σ （2-5）

式中：

d t 为内压筒体设计厚度；P 为设计压力，P =21.0a MP ； i D 为筒体内径，mm ；

[]t σ为Q235—B 热轧钢板，在设计温度下的许用应力，[]t σ=137a MP ； ?为焊

缝系数，采用双面焊缝，局部无损探伤，?=85.0；2C 为腐蚀裕度，取值为0mm 。 将上述各值代入（2-5）中得：

d t mm 24.28.021.085.013721600

21.0=+-???≥

圆整后，取名义厚度n t =6mm 。 （2）按照承受315.0a MP 的外压进行计算 ① 设筒体的有效厚度e t =10mm 则：οD =mm 16201021600=?+ 然后确定ο

D L

，e

t D ο

的值

由于1h =450mm ，οD =1620mm 因本结构没有下封头， 所以 ： L =g H =2600

所以： ο

D L

=604.116202600

= e

t D ο=162101620=

在《化工设备机械基础》中查图可知：A=0005.0，B=50a MP 则：

[]e

t D B p ο=

=308.016250=a MP <315.0a MP 由此可知：壁厚不符合要求，需增加壁厚计算。

②再设筒体的有效厚度 e t =12mm 则： οD =i D +2e t =mm 16241221600=?+

ο

D L

=6.116242600

= e

t D ο

=12

1624=3.135 查图得A=0005.0，B=3.64a MP 则： []p =

e

t D B

ο

=3.1353.64=

315.047.0>a MP 可知：e t =12mm 时，满足外压稳定性要求 综上所述可知，釜体的筒体名义厚度n t 取12mm 。

2.6.2 釜体的封头厚度计算

（1）首先对封头按照承受21.0a MP 的内压进行计算

已知：P=21.0a MP ，i D =1600mm ，85.0=?，采用双面焊缝，%100无损探伤，

[]t σ=137a MP ，C=321C C C ++=8.0008.0=++

将上述各值代入下列计算式中，得：

封t []C P

PD t

i

+-≥

5.02?σ（2-6）

=

8.021

.05.085.013721600

21.0+?-???

=3.2mm

考虑到封头与筒体的焊接方便，取封头与筒体相等壁厚，即取封头壁厚名义厚度

n t =12mm 。

因本结构没有夹套下封头，所以不用按照外压进行计算封头厚度。

2.6.3 夹套的筒体壁厚计算

夹套筒体按承受21.0a MP 的内压计算 由于： []C P

PD t t

i d +-=

?σ2 （2-7）

式中： P=21.0a MP ，i D =1800mm ，[]t σ=113a MP ，85.0=?，C=321C C C ++=8.2mm

将上述各值分别代入(2-7)式中，得：

d t =8.221

.085.011321800

21.0+-???

=77.4mm

圆整后取 n t =8mm 。

2.6.5 水压试验校核

（1）试验压力 根据设计规定：

T P =[][]t

P

σσ25.1a MP

或P+1.0a MP （2-8） 取两者中较大的值。

式中：T P ——试验压力，a MP ； 式中：

[][]1=t

σσ

P ——对釜体试验压力，P =26.0a MP ，对夹套试验压力，P =39.0a MP ， 则：

釜体试验压力和夹套试验压力分别为26.0a MP 和39.0a MP 。

（2）内压水压试验 ①对于釜体，根据式： T σ=

[]e

e i T t t D P 2+（2-9） 式中：T P =26.0a MP ，i D =mm 1600，e t =C t n -=8.012-=2.11mm 则： T σ=

()4

.222.11160026.0+

=18a MP

而 5.2112359.0%90=?=S σa MP

可见T σ

②对于夹套，把T P =39.0a MP ，i D =mm 1800，e t =C t n -=8.28-=2.5mm 代入（2-10）中得：

T σ=()2.522.5180039.0?+

=7.67a MP

而5.2112359.0%90=?=S σa MP

可见T σ

()

2

4.01e i T t D K P + （2-10）

式中：T P =26.0a MP ，i D =mm 1600，1K =9.0e t =C t n -=8.212-=2.9mm 则： T σ =()2

.922.94.016009.026.0??+?

=6.16a MP

而5.2112359.0%90=?=S σa MP

可见T σ

综上所述，内压水压试验安全。

（3）外压水压试验 对于釜体

由于 mm C t t n e 2.118.012=-=-=

mm t D D e i 4.16222.11216002=?+=+=ο

则： e t D ο

=

86.1442

.114

.1622=

6.14

.16222600==οD L 在《化工设备机械基础》查得 A=00049.0，B=63a MP 。

故许用应力[]P =

e

t D B ο=86.14463

=43.0a MP []P >T P =26.0a MP

可知外压水压试验安全。若[]P

2.6.6 计算结果的统计

如下表2-3 表2-3

2.6.7 传热面积的校核

又工艺要求夹套传热面积为122

m 。

可知实际总传热面积大于工艺要求的传热面积，满足传热要求，（如果其小于工艺要求的传热面积，则应再釜体内设置其他换热装置）。

3 反应釜搅拌装置的设计

概述

搅拌器又称搅拌桨或叶轮，它的功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动状态以达到搅拌的目的。本设计中，搅拌介质为有机溶，ρ=10003m kg ，μ=1S P a .。

搅拌器的选型—《搅拌设备设计》

搅拌器的型式是根据搅拌的目的来选择的 ，本设计选用六直叶圆盘涡轮式。 原因有以下几点：

⑴ 根据不同的搅拌过程的搅拌器型式，可选用表3-1中的几种搅拌器型式。

表3-1

型式之一涡轮式式搅拌器。

⑵ 液体的粘度对搅拌状态有很大影响，所以根据搅拌介质的粘度大小来选型是一种基本方法，在本设计中所选介质的粘度为μ=1S P a .，属于低粘度介质，而本设计所选的圆盘涡轮式，由于其结构简单且用挡板可改善流型，所以在低粘度时应用较普遍。

⑶ 根据涡轮式搅拌器型式的适用条件，表3-2所示：

表3-2 桨式搅拌器型式的适用条件

备注：表中“0”表示适合。

根据上表可知涡轮式搅拌器适用的条件与本设计的相应条件相符，其中流体的流动状态三者兼有，搅拌目的为低粘度液体混合，槽容量为83m ， 转速为

60m in r ，选用涡轮式搅拌器。

搅拌器的尺寸及搅拌层数的确定 3.3.1 搅拌器的尺寸确定

根据桨径j d 与釜体内径之比，一般涡轮式搅拌器

I

i

D d =8.035.0-,本设计取

I

i D d =5.0，则涡轮径j d =8005.01600=?mm 。搅拌器示意图如图3-1所示。

800

图3-1 搅拌器示意图

3.3.2 搅拌层数的确定

安装在搅拌设备中心的各种搅拌器，当液体粘度不高时，搅拌器转速足够高时，切向流会形成“圆柱状回转区”，另外，在釜体内的离心力作用下甩向器壁，使周边液体沿器壁上升，而中心液面下降形成“旋涡”，为了消除湍流状态时的“圆柱状回转区”和打旋现象，可在反应器内安装挡板。

90角的挡板，如图3-2所示。挡板的作用：⑴将本设计在器壁上安装4块互成

切向流动转变为轴向流动，对于釜体内液体的主体对流扩散、轴向扩散和径向流动都是有效的；

综上所述，本设计采用双层桨。

图3-2 挡板示意图

搅拌器的位置确定

桨叶为一层，安装位置如图2-3所示，接近封头与筒体的连接处。

图3-3 搅拌器位置示意图

搅拌器的功率计算

搅拌器功率是搅拌器形状、转速、液体性质、反应釜的尺寸和内部附件以及搅拌器在反应釜内的位置的函数。

根据永田进治公式进行计算：

当无挡板时搅拌器功率的计算式为：

P N =

5

3j n d N

ρ=

()2.135.066.0366

.03

sin 2.3102.110θ???

?

??+???

? ?????

? ??+++i D b i P

e e e

D H R R B R A （3-1）

当有挡板时，把上式中的

e

R 换成

c R =

???

???????????-??? ??+???? ??-??? ??0048.011.04.025

2

i i i i i D b D b

D d D b

上式中：A ——14+?

?????+??? ??-1856.06702

i i i D d D b ； B —— ??

??

?

???????? ??-??? ??--i i i D d D b 14.15.043.1210；

P ——4

2

76.05.241.1??? ?

?-??? ??--??? ??+i I i i D b D d D b ， i

D b

=1600100=0625.0，

i

i

D d =1600800=5.0；

θ——桨叶倾斜角，平桨θ=ο90；

B ——桨叶宽度，m ；

H ——叶层深度，m 。

首先将i

D b 和i i D d

的值代入c R 、A 、B 和P 中，得： c R =

???

???????????-??? ??+????

??-??? ??0048.011.04.025

2

i i i i i D b D b

D d D b

=

()()?

??

???-?+-0048.00625.011.00625.04.05.00625.0252

=12.34

A =14+(){}

1856.05.06700625.02

+-

=26

B =(){}5.014.15.00625.043.12

10?---

=9.0

P =()42

064.05126.05.05.20625.041.1?---?+t

=324.1

然后将c R 、A 、B 和P 的值分别代入P N 得计算式中，得：

p N =()

625.035.0324

.166.0366.036.16.212.342.31012.342.1109.012.3426

+??

?

?????

? ???+?++

=83.1KW

修正后搅拌器的搅拌器的功率应按下式计算

N = 5

3j P d n fN ρ （3-2） 式中：修正系数f 1≈

则：N =100083.1??3

6060???

???58.0

=6.0KW

搅拌轴的设计

3.6.1 搅拌轴材料的选择

本设计选用#45钢为搅拌轴的材料。

原因如下：#45钢为高强度中碳钢，其特点是强度较高，塑性及韧性较好，切屑性优良，经调质处理，获得较好的综合机械性能。

3.6.2 轴的支承条件设计

一般情况下，搅拌轴依靠减速箱内的一对称轴支持，但是，由于搅拌往往较长而且悬伸在反应器内进行搅拌操作，当搅拌轴悬臂过长而细时，常会将轴扭弯，使其离心力作用增加，最后达到完全破坏。悬臂的支撑条件如下：（如图3-4所示） B L 1

≤4-5；d L 1≤40-45 式中：1L 为悬臂长度轴，m ；

B 为轴承间距， m ； d 为搅拌轴直径，m 。

本设计中：已知1L =3700mm ， B=900mm ，d=85mm 则：B

L 1

=900

3700

=1.4，d

L 1

=853700

=53

.43

由此可知满足支承条件。

图3-4 搅拌轴的支撑图

3.6.3 搅拌轴的强度计算

对搅拌轴来说，它承受扭转的和弯曲的联合作用，但扭转作用为主，轴承受扭转时的强度条件是： m ax τ=

p

t

W M ≤[]τ (3-3) 把t M =n

N e 9551和p W =163

d π 代入(2-3)式中,得：

d=5.36?[]

3

τn N e

(3-4) （3-3）和(3-4)式中：

m ax τ为截面上最大剪应力，Pa ；

t M 为轴传递的扭矩，Nm ；

p W 为抗扭截面系数，3m ；

[]τ为降低后的许用剪应力，a MP ，已知：[]τ=30a MP ；

e N 为电机功率，由搅拌器功率圆整后修正得到，e N =2.2KW ；

n 为搅拌轴的转速，n=60m in r ；

d 为搅拌轴的直径，m 。 则： d=5.36?[]

3

τn N e

=3

6

10

30602

.25.36??? = 39mm

圆整后取d=50mm ,这个满足强度条件,但不满足支承条件。 3.6.4搅拌轴的刚度计算

为了防止转轴产生过大的扭转变形，以免在运转中产生振动引起轴封泄漏，单位长度的扭转角?不得超过许用扭转角[]?作为扭转的刚度条件：

?=

π

180

P t GJ M ≤[]?（3-5）

式中：

?为轴扭转变形的扭转角，ο ；

G 为剪切弹性模量，Pa ，对于碳钢及合金G=?510a MP ；

P J 为轴截面的牛顿惯性矩，4m ；

[]?为许用扭转角，ο

，一般传动中取2

1-1,在本设计中取值为1；

t M 为轴传递的扭矩，Nm 。

把P J =

32

4

d π，G=?510a MP ，[]?=1

m ο

，t M =

n

N e

9551代入（3-5）式中，得： d=[]4

2

65101081.0955132180n

N e

?π?????? =4

26560

1101081.02

.2955132180????????π

=2.39mm

圆整后取 d=50mm ,满足强度和刚度条件。

3.6.5 搅拌轴的临界转速

当搅拌轴的转速达到其自振频率时会发生剧烈振动，并出现很大的弯曲，这个速度称为临界转速c n 。轴在接近临界转速转动时，常因剧烈振动而破坏，因此工程上要求搅拌轴的转速应避开临界转速。通常把工作转速n 低于第一临界转速的轴

称为刚性轴，要求c n n 7.0≤；把工作转速n 大于第一临界转速的轴称为柔性轴，要求c n n 3.1≥。轴还有第二、第三临界转速。搅拌轴一般转速较低，很少达到第二、第三临界转速。

低速旋转的刚性轴，一般不会发生共振。当搅拌轴转速n m in 200r ≥时，应进行临界转速的验算。