反应釜的设计(1)

反应釜的设计

摘要: 本文对搅拌反应釜的设计进行了分析,并结合实践经验对搅拌反应釜的有关参数、结构型式进行了合理的选择，以满足本设备性能的要求，使其成为合格的产品。关键词：搅拌反应釜、设计、结构型式

一、前言

2006年，我接到用户委托我公司设计制造的改质沥青反应釜的设计任务书。这项任务比较复杂，虽然之前我已设计过搅拌设备，但都属于小型常规设备，这次的设计属大型反应釜，使用的工况苛刻，最主要的是按用户需求的搅拌器型式标准选取不到，公司以前也没设计制造过，此次新设计的搅拌器不仅要使用效果好还得满足设计强度要求。经过一段时间的苦战，我终于完成了此项任务，较好的解决了设计和制造过程中遇到的问题。至今该设备投产几年，运行情况良好。

二、工艺过程

反应釜是制取煤油和沥青过程中的重要设备之一。煤油和沥青是我们平常所熟悉的生活及建筑材料。它们的制作原料是炼煤厂炼煤过程中产生的焦油。其流程是把焦油送进反应釜，通过搅拌、调和、分离、脱水再加入洗油，同时在容器的传热装置加热下使其溶解（此时的物质称为改质沥青），再把它送到塔设备，从而提起煤油、沥青。用户提供的反应釜操作条件是：设计压力0.5MPa；设计温度470℃；工作介质为：焦油、洗油、水、蒸汽；容积为20M3;搅拌器转速33rpm;电动机功率

18.5kw;设备需带传热装置。其结构型式由我公司来确定。

三、确定结构型式

我公司生产的大多数产品都是不带传动的，是静止的，如罐、塔、换热器等产品。设计反应釜的难点是：反应釜由哪些部件组成？各部分的设计参数和几何参数如何确定？采用哪种结构型式？如何装配？各种参数和构件的设置是否合理？设备搅拌时能否达到静平衡、同心度的要求？

传热构件设计是否满足反应釜工作原理的要求？轴封装置在470℃的高温下，能否满足密封要求？

通过查阅了大量技术资料，我对反应釜的主要部件的结构型式、几何尺寸、载荷受力、强度设计及其构件的选材、搅拌装置中搅拌器的形式、数量和各个搅拌器之间的安装位置、传动装置及轴封选型、传热装置结构形式及安装高度等重要参数进行了逐一的计算和确定。反应釜的结构确定由容器部分、搅拌装置、传动装置、轴封装置及传热构件组成。根据工艺要求配有介质的进出管口、压力表、温度计口、取样口、安全阀口、注油口、水进出口、人孔、视镜及支座。整个反应釜的设计分为五个部分：

（一）、容器部分

1、容器几何尺寸的确定

根据工艺设计提出的设备容积为20M3,先选取H/D值，即筒体高度H与内径D的比值，然后求出筒体高度H,筒体高度H加上2个封头的曲面高度为容器总体高度。原则是尽量降低容器的总体高度，减少搅拌轴的悬臂长度，以保证设备的平稳运转，满足产品工艺性能的要求。由此看出，容器的高度与H/D及封头的曲面高度有关。在选择封头形式时，要有利于降低容器高度，一般情况下，封头采用椭圆形较多，因其受力均匀，但对于大型设备而言，椭圆封头凸面较深，会使设备总高度增加。碟形封头的凸面较浅，能降低容器的高度。因此，我决定采用蝶形封头。H/D值通过分析及经验数据，最终确定：H/D为1.6，从而确定H=3840mm,D=2400mm。

2、强度计算：

根据GB150-1998<<钢制压力容器>>进行载荷及强度计算。值得注意的是，我设计的反应釜上封头在满足强度的条件下还应考虑到：传动装置较大，重量大，且这部分局部载荷所产生的轴向力对上封头的影响较大。一般常规的设计都是把封头的厚度增加，但是轴向力只在封头的顶部，即接触传动装置的部分。如果封头整体加厚，将造成材料和成本的增加。考虑到上述因素我决定在上封头满足强度的情况下，设置八块厚度为12mm的加强筋，均布焊在

上封头上。这样既保证了上封头的强度和稳定性，又节约了原材料，降低了成本。这在我公司的设计中是一种创新。

根据设计压力、设计温度，筒体和封头的材料选用16MnR。通过强度计算后，筒体及封头的厚度为S=26mm。

(二)、传动装置形式及连接方式的选择

1、传动装置形式的选择

根据反应釜的特点，设计的传动装置包括电机、减速器、联轴器及机架几个部分。这些部件已系列化，标准化，并能定型生产。但在选型时要注意它们之间的相容性和设备本身的特点。

a、电机的选择

电机应选用无机变速，并且带防爆装置。这是因为我所设计的反应釜的转速不是恒定的，所以需采用可调节装置来使其转速在某一确定范围内实行无级变速的调节。调节的目的是考虑到搅拌启动的需要及在生产周期中根据介质粘度变化使搅拌产生不同的湍流强度。之所以选择带防爆装置，是因为焦油属于易燃物质，从安全的角度考虑需要该装置。

b、机架形式的选择

机架分无支点、双支点和三支点三种形式，其用途是连接减速机并使它固定在上封头的底座上。因我设计的反应釜功率大，会在激烈的搅拌中产生较大的轴向力，造成轴承和上封头负荷较大，所以要求机架要有良好的支承力，才能保证轴平稳运转，不至于产生较大的摆动，以减少填料的损耗，提高轴封的密封效率。因为双支点机架具备上述优点，所以我决定选用双支点机架。

C、联轴器的选择

因我采用的是双支点机架，而双支点机架本身属于刚性连接，且搅拌轴在搅拌过程中由于会产生较的的轴向力，容易使搅拌轴扭断。为了避免上述隐患，在减速机与搅拌轴的连接中，采用了弹性联轴器。

按照上述的配置，可以不必设底轴承，填料装置下端也不必带支承轴套，

免得使轴承结构复杂化，增加安装及检修的麻烦。根据工艺提出的功率(18.5kw)、转速(33rpm)及上述的分析，我选用的电机型号为:YB112M-18.5,减速机型号为:BLD18.5-39-29;机架型号为:LSJ100A;联轴器的型号:TK-100。

2、连接方式

从以上可以看出，选择合理的支承是保证设备正常运转的关键，而正确的连接方式又是保证支承发挥它应有的作用必不可少的条件。以往机架与上封头的底座的连接方式（如图1所示）为：底座焊于上封头上，先是凸缘法兰与底座采用双头螺柱联接，然后再采用沉头螺柱使凸缘法兰与机架相连。按标准底座的外径为￠=830mm,厚度为S=90mm,凸缘法兰的外径为￠=830mm,厚度为S=96mm。这种结构在以往的反应釜设计中，机架与凸缘法兰联结的沉头螺柱往往会在搅拌过程中由于振动而发生松动，造成轴不同心，影响搅拌质量。且轴严重偏心时，还会造成密封及浆叶都无法正常工作。再一点，底座与凸缘法兰的外径较大，从上面的的分析可知，轴向力只作用于机架与封头接触的那一部分，底座与凸缘法兰这样大的外径，势必将造成材料的浪费，提高造价等问题。对于大型搅拌反应釜来说，这确实一个设计难题。为了避免上述问题，我通过计算做出了如下改进，如图2所示。

增加了一个高度为100mm的短节，把底座及凸缘法兰的外径缩小到与机架外径(￠=600mm)相一致，底座及凸缘法兰的厚度改为50mm，且用双头螺柱将底座、凸缘法兰及机架联结起来，并分别用螺母上下固定，这样既有效的防止了双头螺柱的松动，又保证了设备的平稳性，从而减少了材料的消耗，节约了成本。产品制作完毕投入使用后，得到了用户的一致好评。这在我厂的设计中又是一种创新。

（三）、搅拌装置形式的选择

搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成。

这台反应釜属于大型搅拌设备，因其直径和容积大，也就给该设备的搅拌过程增加了一定的难度，同时在搅拌过程中要达到功率消耗最低，有较强

的剪切能力和液体循环能力，并能提高传热效率。针对上述要求，根据设备的介质特性，搅拌装置设计如下：

1、搅拌器的选择

本反应釜属于大型搅拌设备，因介质液层较高，介质粘度大，为使其搅拌均匀，需要设置多层搅拌器。通过对功率的分配及强度计算，最终确定搅拌器数量为7个。第一层搅拌器尽量接近釜底，其结构形式采用曲面形状与封头相仿的框式搅拌器，桨叶宽为140，高为560，厚度为22，并安装在距下封头500mm的高度上，以防止介质在釜底沉淀。第二至第七层则采用非标桨式搅拌器，桨叶大端为250，小端为120，厚度为18，见图3。相邻的层与层之间采用交叉90o安装，使其产生轴向分流，且分流方向全部向下，这样就加强了设备介质的轴向循环能力。同时，为了安装及检修方便，在各层搅拌器安装方面采用了用螺栓对夹加上穿轴螺栓的方法，搅拌器与搅拌轴用平键连接并采用紧定螺钉固定，使桨叶与轴之间可进行拆卸如图3所示。

桨叶端部刮板也采用活动连接，便于更换。在没有标准可选，也无经验可

借鉴的情况下设计合理尺寸桨叶刮板成了一大难题。我用的是实际放样法：采用一比一比例在电脑上画出外形尺寸，然后用纸板剪成模型，再到车间与工人师傅探讨制造成形及组装问题。最终解决了刮板设计问题.见图4所示。

2、搅拌轴

搅拌轴是用来传递动力的，搅拌轴的计算主要是用来满足强度和刚度的要求。所以在满足上述要求的前提下，应尽量降低搅拌轴的长度，以提高轴的刚性。但对于大型搅拌来说，不可避免的会使搅拌轴过长，且还会给设备的安装及制造带来一定的困难。为了克服上述缺点，我决定将轴分成二段，中间用刚性连轴器连接一起。为了提高设备容积的利用率，对搅拌轴的分段，尽量选在上封头的曲面深度的一半处，使设备尽可能有较大的操作空间。轴的材料选用45#钢，第一段长度为L1=4450,第二段长度L2=1250，通过计算轴的直径为d=125。

（四）、轴封装置

轴封分机械密封和填料密封二种。机械密封精度较高成本也高。而相对于机械密封来说，填料密封的精度及成本就要低得多，且容易安装。在尽可能的满足工艺性能要求的前提下，我优先选用填料密封，根据本设备的特点，把轴封装置选成外购的标准件。考虑到本设备在操作时，温度较高，在选用时要求带冷却装置，所以填料密封的型号为：HG5-1410-81(PN0.6,DN125)

（五）、传热构件型式的选择

过去我公司反应釜的传热构件主要选用整体夹套，对于中小型反应釜来说，还比较合适。但对于大型的设备来说。由于直径较大，对传热效率相对来说也要求较高，所以用整体夹套也就不太合适了，且内筒由于受外力较大，增加了内筒体的壁厚，也使传热效率受到了一定的影响。考虑到上述因素，借鉴国内先进的经验，我把夹套设计成半圆管式。此夹套的特点是：半圆管成螺旋状盘绕在内筒外壁及下封头上。且螺距为0.28d外=15.96mm,材质为20＃钢。半圆管由￠57X3.5的管子制成。通过计算，这种夹套可承受2.5MPa的压力，完全能够符合本设备的要求。

四、结束语

1、设备制造完毕，在外观质量（几何尺寸、安装精度等）和内在质量（材

料检验和焊缝的X射线探伤检测）检验合格后，以水代料对反应釜进

行试运转，运转过程中桨叶与筒体没有碰着的噪音，转动平稳，没有

不正常现象出现，并对下列项目进行了测试：

①密封处径向摆动≤0.5mm（合格）②轴向串动≤0.45mm(合格) ③轴下

端摆动≤0.41mm(合格) ④搅拌器静平衡G=14mm/s(合格)，通过上述项

目的检测，此产品合格。

2、本设备投产使用后，运转平稳，性能良好，证明反应釜的结构设计是成功的，为我公司反应釜的设计积累了经验。