夹套反应釜设计

《

夹套反应釜设计计算说明书

一、罐体和夹套设计计算

罐体几何尺寸计算

选择筒体和封头的形式

选择圆柱筒体及椭圆形封头。 确定筒体内径 *

已知设备容积要求，按式（4-1）初选筒体内径：

式中，V=，根据【2】38页表4-2，常反应物料为液-液类型， i =H 1/D 1=1～，取 i =，代入上式，计算得

1D ?

(

将D 1的估算值圆整到公称直径系列，取D 1=1100mm ，

确定封头尺寸

标准椭圆形封头尺寸查附表4-2，DN=1100mm ，选取直边高度h 2=25mm 。 确定筒体高度

当D 1=1100mm, h 2=25mm 时，由【2】附表D-2查得椭圆形封头的容积V 封= m 3

，由附表D-1查得筒体1m

高的容积V 1m = m 3

，按式（4-2）:

H 1=(V-V 封)/V 1m =（）/=

考虑到安装的方便，取H 1=，则实际容积为

V= V 1m ×H 1+ V 封=×+= m

3

【

夹套几何尺寸计算 选择夹套结构

选择【2】39页图4-4 (b)所示结构。 确定夹套直径

查【2】表4-3, D 2= D 1+100=1100+100=1200mm 。套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径。

确定夹套高度

装料系数η=操作容积/全容积== ·

按式4-4计算夹套高度：

31

4i

V D π

?罐体结构示意图

H 2≥(ηV- V 封)/ V 1m =× m

取H 2=750mm 。选取直边高度h 2=25mm 。 校核传热面积

查【2】附表D-2，由D 1=1100mm ，得罐体封头表面积F 1封= m 2

查【2】附表D-1，一米高筒体内表面积F 1m = m 2

校核传热面积：

实际总传热面积F=F 筒+ F 1封=F 1m ×H 2 +F 1封=×+= m 2> m 2

，可用。

:

罐体及夹套的强度计算 确定计算压力

按工艺条件，罐体内设计压力P 1=；夹套内设计压力P 2=

液体静压力P 1H =ρgH 2×10-6=1000×××10-6

=，取P 1H = 计算压力P 1c =P 1+P 1H =+=

夹套无液体静压，忽略P 2H ，故P 2c =P 2。 选择设备材料

"

分析工艺要求和腐蚀因素，决定选用Q235-A 热轧钢板，其中100℃-150℃下的许用应力为：[ó]t

=113Mpa 。

罐体筒体及封头壁厚计算 罐体筒体壁厚的设计厚度为

采用双面焊缝，进行局部无损探伤检查，按教材表10-9，取焊缝系数φ=，C 2=2mm ，则

[]1c 1d1210.191100

=

2 1.092 3.09

21130.850.19

2t

c

p D C p δσ??+=

+=+=??--

%

查教材表10-10，取钢板负偏差C 1=，则δd1+C 1=，考虑到最小厚度

mim δ为3mm ，取名义厚度δn =5mm

罐体封头壁厚的设计厚度为

[]11

d110.191100

=

2 1.092 3.09

21130.850.50.19

20.5c t

c

P D P δσ??=

+=+=??-?-‘

查教材表10-10，取钢板负偏差C 1=，则δd1’+C 1=，考虑到最小厚度

mim δ为3mm ，取名义厚度δn ’=5mm

夹套筒体及封头壁厚计算 夹套筒体壁厚的设计厚度为

-

采用双面焊缝，进行局部无损探伤检查，按【1】161页表10-9，取焊缝系数φ=（夹套封头用钢板拼焊），C 2=2mm ，则

[]2

2c i

d t c

p D C p δσ?=+-[]2

2c i d t

c

p D C p δσ?=

+-

[]2c 22220.251200

=

2 1.562 3.5621130.850.25

2d t

c

p D C mm

p δσ??+=

+=+=??--

查【1】161页表10-10，取钢板负偏差C 1=，则δd1+C 1=，考虑到最小厚度mim δ为3mm ，

取名义厚度δn =5mm

夹套封头壁厚的设计厚度为

[]22

d220.251200

=

2 1.562 3.56

21130.850.50.25

20.5c t

c

P D P δσ??=

+=+=??-?-‘

查【1】161页表10-10，取钢板负偏差C 1=，则δd1+C 1=，考虑到最小厚度mim δ为3mm ，取名义厚度δn =5mm

为照顾到筒体和封头焊接和取材的方便取δ封夹=δ夹=6mm 。 /

釜体的筒体壁厚δ筒 按承受的内压设计

[]12t

PD C

P

δσ?≥

+-筒

式中，设计压力P=；筒体内径D1=1100mm ；许用应力[ó]=113Mpa(同夹套材料)；焊缝同夹套，故φ=，壁厚附加量C=C1+C2+C3=+2+0=；上述各值代入上式：

[]1 3.59

2t

PD C P

δσ?≥

+=-筒

按承受的外压设计

设罐体筒体的名义厚度δ1n=5mm 厚度附加量C=C1+C2+C3=+2+0= }

罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C==

罐体筒体外径D10=D1+2δ1n=1100+2ⅹ5=1110mm 筒体计算长度L=H2+1/3h1=750+1/3(300-25)=842mm 系数L/D0=842/1110= 系数D0/δe=1110/=444

由【1】168页图10-15，查得 ：系数 A=；由【1】170页图10-17，查得：系数 B=27 则许用外压[P]=B δe/D=（27ⅹ）/1110=<3Mpa 因此壁厚5mm 不能满足外压稳定要求，需增大壁厚重新计算。现重新假设δ1n=8mm

厚度附加量C=C1+C2+C3=+2+0= 罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C==

罐体筒体外径D10=D1+2δ1n=1100+2ⅹ8=1116mm —

筒体计算长度L=H2+1/3h1=750+1/3(300-25)=842mm 系数L/D0=842/1116= 系数D0/δe=1116/=215

由参考资料图9-7，查得 ：系数 A=，系数 B=81 则许用外压[P]=B δe/D=81ⅹ1116=>故δe=满足外压稳定性要求,其圆整到标准钢板厚度规格取δe=8mm. 釜体的封头壁厚计算 按内压计算δ封:

[]1

t

20.5PD C

P

δσ?≥

+-封

式中,P=,D1=1100mm, φ=, [ó]=113Mpa, C=C1+C2+C3=+2+0=,代入上式:

[]1

t

3.59

20.5PD C P

δσ?≥

+=-封

—

考虑到封头与筒体的焊接方便取封头与筒体等壁厚δ封=8mm.

按外压校核δ封,采用图算法:

封头有效壁厚δ0=δ- C==

椭圆封头的计算当量半径Rv=K1D0,由设计规定或查资料知K1=,故Rv=ⅹ1116=1005mm; 系数A=ⅹδ0/Rv=ⅹ1005=,由【1】170页图10-17，查得B=84,则许用外压[P]: [P]=B(δ0/Rv)=84ⅹ1116)=大于水压实验时的压力,故用δ封=8mm,外压稳定安全. 水压实验校核

确定实验水压Pr,根据设计规定知: ^

釜体水压取

[][]11

t

1131.25=1.250.18=0.23

113T P P σσ=??

夹套水压取

[][]22

t

1131.25=1.250.25=0.32113T P P σσ=??

内压实验时:

釜体筒壁内压应力

()11e 1e 0.231100 5.2()24.4a

22 5.2T T P D MP δσδ?++===?

夹套筒壁内压应力

】

()21e 2e 0.321200 3.4()56.6a 22 3.4T T P D MP δσδ?++=

==?

釜体封头壁内应力

()()111n e 1e p 220.230.91100280.5 5.2=

=22.2a 22 5.2T T K D PM δδσδ++?+?+??????????封=

夹套封头壁内应力

()()212n e 2e K D 20.50.320.91200260.5 3.451.4a 22 3.4T T P MP δδσδ++?+?+?????????==

=?封

因Q235-A 常温σ=235Mpa,看出σr,σr 夹,σr 夹,σr 封夹都小于φσs=,故水压实验安全.

外压水压实验 釜体筒体外压校核:

.

δ0=δ- C==,L/D0=842/1110= D0/δe=1110/=215

由【1】168页图10-15查得A=,由【1】170页10-17查得B=81, 故许用外压[P]=BS0/D0=81ⅹ1116=>水压压力Pr=,故在外压水压实验时应可以不在釜体内充压,以防釜体筒体失稳.

釜体底封头外压校核因其允许外压[P]=>外压Pr=,故安全.

!

二、进行搅拌传动系统设计

.进行传动系统方案设计和作带传动设计计算

此搅拌釜采用V带推进搅拌器，选用库存电机Y160M2-8，转速n1=720r/min,功率,搅拌轴转速

n2=200r/min,轴功率，设计V带。

表2-1 V型带的型号选择与计算

|

搅拌轴的设计

由于搅拌轴的长度较大，考虑加工的方便，将搅拌轴设计成两部分

进行上轴的结构设计及强度校核

上轴材料选用常用材料45钢，结构如图4-17.由于上轴只要受转矩，故按转矩初估最小轴径，轴上开有一个键槽，轴径扩大并圆整后，取最小轴径为40mm。

搅拌轴直径的设计

取用材料为45钢 ， [τ]＝40MPa ，剪切弹性模量G ＝×104

MPa ，许用单位扭转角[θ]＝1°/m。

P 4.7M=9550=9550=224.4N m

n 200??

利用截面法得：

=max T M M

·

由max []T M W ρττ=

≤ 得：6

9.55310[]

P W n ρτ≥?=40850.310553.96????

搅拌轴为实心轴，则：[]

33

3P 4.7W 0.2d =955010=955010n 20040

ρτ≥???

?=

d ≥ 取d ＝40mm

搅拌轴刚度的校核 由3max max 180

10T M GJ ρθπ

=

??得： ()33

44

224.410180=10=0.620/m 8.1100.140θπ???????

因为最大单位扭转角θmax

＝/m ＜[θ] ＝1/m 。 所以圆轴的刚度足够。

搅拌轴长度的设计 ；

搅拌轴的长度L 近似由釜外长度1L 、釜内未浸入液体的长度2L 、浸入液体的长度3L 三部分构成。即：L =1L +3L +2L

其中1L =H+M+F-A （H-凸缘法兰的高度；M-安装底盖的高度；F-机架高度；A-机架H1）

1L =40+50+550-372=268（mm ）

2L =T H +F H i H -（T H —釜体筒体的长度；F H —封头深度；i H -液体的装填高度）

液体装填高度i H 的确定：

釜体筒体的装填高度12

4

c F

i V V

H D π

-=

式中c V —操作容积（3m ）；F V —釜体封头容积（3m ）；i D —筒体的内径（m ）

()

2

0.91050.1980

H1=0.75m 1.14

π

-=

?

~

液体的总装填高度i H =112H h h ++=750+25+275

=1050（mm ）

2L =900+2x （25+275）+2x40-1050 =530（mm ） （40-甲型平焊法兰高度）

浸入液体搅拌轴的长度3L 的确定：

搅拌桨的搅拌效果和搅拌效率与其在釜体的位置和液柱高度有关。搅拌桨浸入液体内的最佳深度为：

22

33

i i S D H =

=（见文献[4]215） 当i i D H =时为最佳装填高度；当i D ＜i H 时，需要设置两层搅拌桨。 由于i H =1050mm ＜i D =1100mm ，本设计选用一个搅拌桨。

搅拌桨浸入液体内的最佳深度为：S=2Hi/3=2x1050/3=700（mm ）

（

故浸入液体的长度：3L =700（mm ）

搅拌轴搅拌轴的长度L 为：L =268+530+700=1498（mm ） 取L =1500（mm ）

搅拌抽临界转速校核计算

由于反应釜的搅拌轴转速n =200/min r 不大于200min /r ，故不作临界转速校核计算。 联轴器的型式及尺寸的设计

由联轴器的型式选用凸缘联轴节。标记为：GYH5 GB/T5843-2003，结构如图2-1。

；

图2-1 联轴器

轴承的型式及尺寸的设计

根据搅拌轴的大小，选择带轮和联轴器的连接选用平键12x8x40；轴承选用7210C ，90x50x20；

拌桨尺寸的设计

框式搅拌桨的结构如图2-2所示。由【2】44页表表4-5，零件明细表见表2-3。

{

图2-2框式搅拌桨的结构

1-桨叶；2-横梁；3-筋板；4-连接螺栓；5-螺母；6-穿轴螺栓；7-螺母

表2-3 框式搅拌桨的尺寸（HG/T2123—91）

j D

d

螺栓

。

螺钉

δ

a

1d

数量

3d (

数量

4d

600 40 M12 2

?

M12

1 16

B

1h 2h

c

…

e

m

f

1f

重量 /P n

60

、

140

3

110

45

-

不大于

）

反应釜的轴封装置设计

反应釜的轴封装置的选型

反应釜中应用的轴封结构主要有两大类，填料箱密封和机械密封。考虑到釜内的物料具有易燃性和一定的腐蚀性，因此选用填料密封。根据W p ＝MPa 、t ＝120℃、n=200r/min 、d=40mm 。选用R40 HG 21537-1992其结构如图2-3、主要尺寸如表2-4所示。

轴封装置的结构及尺寸

~

图2-3 填料密封结构

表2-4

填料密封的主要尺寸（mm ）

轴径d

1D

2D 3D

H

~ n φ-

螺柱

(

4xM16

三．机架的设计

由于反应釜传来的轴向力不大，减速机输出轴使用了带短节的凸缘联轴器，且反应釜使用不带内置轴承的机填料密封，故选用DJ 型单支点机架（HG21566—95）。参考【2150页表E-8选代号为DJ55机架。结构如图3-1所示。

图3-1 DJ 型单支点机架

四.选择接管、管法兰、设备法兰及其他构件

;

法兰及其他构件 管法兰

蒸汽入口A、温度计接口D、压缩空气入口、冷却水出口G采用ф32ⅹ无缝钢管，法兰PL25（B）-10，HG20592；

加料口B采用ф76ⅹ6无缝钢管，法兰PL65（B）-10，HG20592；

视镜采用108无缝钢管

放料口采用ф45ⅹ无缝钢管，法兰PL40（B）-10，HG20592-97；

甲型平焊法兰法兰-FM ；法兰-M

（

凸缘法兰法兰 R300 16Mn

防冲板50x50x10材料Q235-A；挡板800x80x12材料Q235-A

法兰垫片选耐酸石棉板，ò=2mm。

视镜的选型

由于釜内介质压力较低（

W

p＝MPa）且考虑DN=1100，本设计选用两个DN=100的带颈视镜。其结构见图4-1。

由文献【5】 4-159页表4-5-7确定视镜的规定标记、标准图号、视镜的尺寸及材料。

标记：视镜ⅡPN，DN100

—

标准图号：HG21575-11994。

图4-1 视镜的结构型式

DN 视镜玻璃

S

d

n

D

<

1

D1

b

2

b h H d1H

双头螺柱

￥

数量

直径×长度

1001801502828…

501331708

4×133

表4-2 视镜的材料

件号名称…

数量

材料件号名称数量材料

1视镜玻

璃

\

1

硼硅玻璃

(SJ-6)

4压紧环1Q235-A

2衬垫【

2

石棉橡胶板5双头螺柱8Q235-A 3接缘:1Cr18Ni9Ti6螺母16Q235-A

五.选择安装底盖结构

\

对于不锈钢设备，本设计选择DN300 HG21565-1995，其上部与机架的输出端接口和轴封装置采用可拆相联，下部伸入釜内。

六、选择支座形式并进行计算

确定耳式支座实际承受载荷Q Q=[m0g+Ge/kn+Ge ⅹδe/n φ] ⅹ10

m0为设备总质量(包括客体及其附件,内部介质及保温的质量)Q1为釜体和夹套筒体总重载荷，查附表4-1，有：

Dg=1100mm, δ=8mm 的1米高筒节的质量q1=219kg, Dg=1200mm, δ=6mm 的1米高筒节的质量q2=178kg, {

故Q1=H1q1+H2q2=+=，

Q2为釜体和夹套封头重载荷，查【1】312页附续表 Dg=1100mm, δ=8mm 的封头的质量，Dg=1200mm, δ=6mm 的封头的质量,

Q2=ⅹ2+=257kg.

Q3为料液重载荷，按水压试验时充满水计，r=1000kg/m 3

,现以夹套尺寸估计。由【1

】312页附续表，

有：Dg=1100mm 的封头容积V 封=

常1米筒节的容积V1米= m 常

故Q3=Vr=(2V 封+=（+ⅹ）ⅹ1000=。 Q4为其它附件重量。

m=+257++=

确定支座的型号及数量

初定支座的型号及数量并算出安装尺寸D

容器总重量约，选B3型支座本体允许载荷Q=30KN 四个。

()()212l s 220550=1537.97mm --

确定水平力P

因为容器置于室内，不考虑风载，所以只计算水平地震力Pe ，根据抗震8度取а0=，于是Pe =ⅹⅹⅹ=(h 取180mm)

则：()()330441768.6180m g 2255.99.8Q=101013.7320.8321537.97e e e Ph G S G KN kn nD --+??????+?+?=+?=????

??????

M=Q(l2-s1)=（）="m 当δe==,DN=1200mm,筒体内压P=,材料Q235-A 采用B3型耳式支座时，[M]=4KN"m>

KN"m,所以容器选用B3型耳式支座是没问题的。

七.焊缝结构的设计

釜体上主要焊缝结构的设计

(a)筒体的纵向焊缝（b）筒体与下封头的环向焊缝

（c）固体物料进口与封头的焊缝（d）进料管与封头的焊缝

（e）冷却器接管与封头的焊缝（f）温度计接管与封头的焊缝

（h）出料口接管与封头的焊缝

图7-1 釜体主要焊缝的结构及尺寸 夹套上的焊缝结构的设计

夹套上的焊缝结构及尺寸如图7-2。

（a）夹套的纵向焊缝（b）夹套与封头的横向焊缝

（c）导热油进口接管与筒体的焊缝（e）导热油出口接管与筒体的焊缝

（f）釜体与夹套的焊缝

图7-2 夹套主要焊缝的结构及尺寸

八、手孔选择与补强校核

手孔选择带颈平焊法兰手孔，其公称直径DN=150mm,S=.

开孔补强校核：

由文献表14-24知此手孔超出不另行补强的最大孔径范围，故必须进行补强计算：

开孔直径d=150+2ⅹ=159mm

开孔削弱面积F=dS0=DPK1Di/2[ó]φ=(159ⅹⅹⅹ1100)/2ⅹ113ⅹ=

有效补强区尺寸：h1=√d(S-c)= √[159在有效补强区内，可作为补强金属截面面积计算：

A=（B-d）φ[(δn-c)-s6]=(318-159) ⅹ []=

因为A1>F故另需加补强圈进行补强，补强的截面面积为A2=确定补强圈的外径及厚度：

补强圈的外径：B=2d=2ⅹ159=318 mm

补强圈的厚度: δ=(F-A1)/{B-[d+2(S-C)]}=[159-2考虑其腐蚀裕量为2mm，故加强圈的厚度为3mm 可以满足。

小结

在为期一周的设计里（6月13号开始到6月19号结束），我对机械设计有了初步的认识，它并不是简单的画图。

课程设计不同于书本理论知识的学习，有些问题是实际过程中的，无法用理论知识得到答案，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浅薄，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。

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。

参考文献

[1]陈国恒主编，《化工机械基础》。北京：化学工业出版社2006

[2]蔡继宁主编，《化工设备机械基础课程设计指导书》。化学工业出版社2011

[3]赵军等主编，《化工设备机械基础》。北京：化学工业出版社。

[4]周开勤主编，《机械零件设计手册》第五版。北京：高等教育出版社2011.

[5]哈工大龚桂义主编，《机械设计课程设计图册》。北京：高等教育出版社1989.

[6] 朱家诚主编，《机械设计基础》。合肥工业大学出版社2003.

[7]HG/T20569-94《机械搅拌设备》。