精细化工工艺课程设计

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：

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。

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)

2．4.1 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……………………………………

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……………………………………………………………………

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 反应釜的装配图 (17)

课程设计任务书

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：设计时要有较精确的设计内容和步骤，一份设计计算说明书，(设计计算说明书是图纸设计的理论依据，是设计计算的整理和总

结，是审核设计的技术文件之一。主要内容有： 1 . 目录； 2 .

设计任务书； 3. 设计方案的分析和拟定； 4. 各部分结构尺

寸的确定和设计计算； 5. 设计小结； 6. 参考资料。)CAD

图纸一张，用A2纸打印。

设计内容：设计一张带有搅拌装置的夹套反应釜。

第三组组长：张定成

设计人：张定成

设计任务书

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浆式搅拌器；考虑到机械轴封的实用性和应用的广泛性，所以轴封采用机械轴封。

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。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）搅拌器的设计。

①根据工艺参数确定各部几何尺寸；

②考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体和夹套材料；

③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。

2．1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Di<1200mm，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D

i

估算：i

D?

式中i为长径比即：

i

i

H

i

D

=

，有表4-2选取。根据题意取i=1.0，

已知V=1.0,则D i =1084mm, 将D i 圆整到公称直径系列，则D

i =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=D i =1000（mm ）

曲边高度 h i =250mm 直边高度h2=25mm 容积V=0.1505m3 （2）封头厚度计算

由公式

[]

D i 20.5c t

c

p s p σ

?=

-

其中P c =0.2 []t

σ =113MP (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φ=0.85 计算S=0.7×1400/(2113×0.85-0.5×0.7)=5.1 mm 由参考文献一 表4-9查得：负偏差 C1=0.5mm 由参考文献一表4-11查得：腐蚀裕量C2=1.5mm 计算名义厚度 Sn=S+C1+C2+Δ=5.1+1.5+0.5+0.9=8mm 故封头厚度取8mm

（3）由于S<10mm 则封头的直边高度 h 2 =25mm 有附表4-2 知封头内表面积A=2.2346m 2 容积V=0.3977m 3 2.2.3 确定筒体的厚度H i

反应釜容积V 通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度Hi 按下式计算并进行圆整：Hi=(V －V 封)/V im 式中V 封 ------------封头容积：0.3997 m 3

V im ------------1m 高筒体容积（见附表4-1）：V im =1.539 m 3 /m 得 Hi= (2.5-0.3977)/1.539=1.3660m 圆整后的Hi=1.4m=1400mm 按筒高圆整后修正实际容积：

V= V im×H i + V封=1.4*1.539+0.3977=2.55 m3 >2.5 m3

2.3 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。夹套的安装尺寸见图4-6，夹套内径D2可根据筒体内径D1按表4-3选取：D2 =D1+100=1500mm

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： y=操作容积/全容积=2÷2.5=0.8

夹套高H2 计算：H2 = （ηV-V封）÷V im 代入数值计算

得：H2 =1.04 m

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=2.2346＋4.40×1.04=7.07>=7㎡

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，主要尺寸有附表4-4查的，其中：

D=1530mm D1=1490mm D2=1455mm D3=1441mm

D4=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。

2．4.1 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=110℃ Pc=0.7Mpa []

113t

M pa

σ= φ= 0.85

[]

5.12i t

PcD S m m

σ

?

=

=

负偏差 C2=1.5mm 腐蚀裕量 C2=1.5㎜

名义厚度 Sn=S ＋C1＋C2＋Δ=8㎜ (2)封头厚度计算

[]

5.120.5i

t

PcD S mm

Pc

σ

?=

=- 同理

名义厚度 ： Sn=S ＋C1＋C2＋Δ=8㎜ 2.4.3 按外压对筒体和封头进行强度校核 （1）筒体图算法 由于D 0/Se>=20

① 假设 Sn=14mm 令Se=Sn-2=12mm D 0=D i +2Sn=1428mm

② 则 L/D 0=1400÷1428=0.98 D 0/Se=119 D 0>20 ③ 查图5-5得 A=0.0012

④ 查图5-7 由于Tc =<140℃ 则B=125Mpa 计算许应外压力[p] [p]=B/( D 0/Se)=1.05Mpa 所以 [p]>=p c 故筒体厚度Sn 2取14mm 由Sn 1=8mm=< Sn 2=14mm 封头厚度确定为14mm (2)外压封头强度计算

①设封头的厚度 Sn=14mm 计算有效厚度Se=Sn-C=12mm R 0=K 1D 0 式中K 1 =0.9 D 0 =Di+2Sn=1428mm R 0 =0.9×1428=1285mm ② 计算系数A

0.1250.0011

A R Se

=

=

③查参考文献[1]中图5-8 T=<150℃ 查的系数B=120Mpa

B [p]=

10M pa

R Se =

[p]>p c 所以封头厚度确定 Sn=14mm 2.4.4 夹套厚度计算 (1)夹套筒体部分厚度计算 由 P c 2=0.9Mpa T c 2

=<140℃ []

113t

M pa

σ= φ=0.85

2227.032[]c t

p D m m

S σ?

=

=

负偏差 C 1=0.5mm 腐蚀裕量 C 2=1.5mm 则 Sn 2=S 2＋C 1＋Δ=10mm （2）夹套封头厚度计算

22

227.02[]0.5c t

c

p D m m

p S σ?=

=- 同理 ：

则 Sn 2=S 2＋C 1＋Δ=10mm 2.4.5 水压试验校核计算

夹套反应釜应对罐体和夹套分别进行水压试验，并校核圆筒应力σT （1） 罐体水压试验

由于[σ]≈[σ]t

故 p T =1.25p=1.25Pc=0.875Mpa

()

61.72T T p Di Se M pa

Se

σ+=

=

材料屈服点应力 σs =235Mpa

0.9 σs φ=179.8Mpa T

σ ≦0.9 σs φ 所以罐体水压试验强

度足够

（2）由于[σ]≈[σ]t

故 p T =1.25p=1.25P c2=1.125Mpa

22

(2)

1062T T p D Se M pa

Se σ+=

=

材料屈服点应力 σs =235Mpa

0.9 σs φ=179.8Mpa T

σ ≦0.9 σs φ 所以夹套水压试验强

度足够

3 反应釜的搅拌装置

搅拌装置由搅拌器、轴及其支撑组成。搅拌器的形式很多，根据任务说明书的要求，本次设计采用的是浆式搅拌器。其机械设计的主要内容是：确定搅拌器直径、搅拌器与搅拌轴的连接结构。、进行搅拌轴的强度设计和临界转速校核、选择轴的支撑结构。

由表4-4 查的D1/D J取1.25：1—2：1 H0/D J=1:1—2:1

有实际情况取D1/D J=1.5：1 H0/D J=1:1

则：搅拌器直径 D J=900mm

液面高度： H0=900mm

3.1 搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计

桨式搅拌器结构如图4-7所示，其桨叶为两叶。轴转速为50r/min ,采用双层桨安装。搅拌器与轴的连接常用螺栓对夹。器主要尺寸有表4-5查的：

d J=900mm d=50mm

螺栓：d0 :M16 数量 4 螺钉：d1 :M16 数量 1

S=16 b=90 c=150 m=110 f=45 e=5

3.2 搅拌轴设计

搅拌轴的机械设计内容同一般传动轴，主要是结构设计和强度校核

（1）搅拌轴的材料：选用 Q 235-A

（2）搅拌轴的结构：用实心直轴，因是连接的为桨式搅拌器，故采用光轴即可。

（3）搅拌轴强度校核

轴扭转的强度条件是： []m ax k

p

T W

θττ≤=

（参考文献

1.公式9-5）

对Q235-A [τ]k =12~20Mpa 对实心轴 Wp=πd 3

/16=24531mm 3

T θ=9.55×106 p/n=133700N ?mm

则： 5.5[]m ax M pa k

ττ≤= 故 d=50mm 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 n<100r/min 时直度允许误差：1000：0.15。

轴的表面粗糙度可按所配零件的标准要求选取。 （5） 搅拌轴的支撑

一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。当搅拌轴较长时，轴的刚度条件变坏。为保证搅拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂长L1，轴径d 和两轴承间距B 应满足以下关系：L1/B ≤4―5; L1/d ≤40―50 搅拌轴的支承常采用滚动轴承。安装轴承处的公差带常采用K6.外壳孔的公差带常采用H7 。安装轴承处轴的配合表面粗糙度Ra 取0.8 ~ 1.6 外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra 取1.6

4 反应釜的传动装置

反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。传动装置设置在釜顶封头的

上部，其设计内容一般包括：电机；减速机的选型；选择联轴器；选用和设计机架和底座等。

4.1 常用电机及其连接

设备选用电机主要是考虑到它的系列，功率，转速，以及安装形式和防爆要求等几项内容。最常用的为Y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机。

电机功率必须满足搅拌器运轴功率与传动系统，轴封系统功率损失的要求，还要考虑到又时在搅拌过程操造作中会出现不利条件造成功率过大。

电机功率可按下式确定：

m d

P P P

η

+

=

式中：p=1.4KW η=0.95 ~0.96 (有表4-8选取)

设计采用机械轴封，功率消耗小，P m=0.6KW

则： P d=2.2KW

4.2 釜用减速机类型，标准及其选用

反应釜的立式减速机的选用根据：轴转速 n=50r/min 电机功率为2.2KW

查表 4-11 可选：BLD摆线针轮行星减速机，其尺寸从HG 5-745-78 标准中选取。

由表4-11 选的：电动机功率为 2.2kw 转速为 1430r/min

查附表5-4 选取电动机型号为：Y112M-4 额定功率为4KW

满载转速为1440r/min

4.3 凸缘法兰

凸缘法兰一般焊接于搅拌器封头上，用于连接搅拌传动装置。设计采用R型突面凸缘法兰，其形式见附图4-4，其尺寸有附表4-6查找。

选择R型突面凸缘法兰，其尺寸如下：DN=400mm d1=410mm d2=565mm k=515mm d3=430mm d4=455mm

螺栓数量：16 ，螺纹：M24 。质量：46Kg

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。

其主要尺寸查图4-15和附表4-7 和4-8，内容如下(单位：mm)：DN=400,

d2=565 k=515 d5=16-26 d6=415 s=50 d9=176 k2=210 d10=8-M16 4.5 机架

机架是安装减速机用的，它的尺寸应与减速机底座尺寸相匹配。其选

用类型有三种，本次选用无支点机架。

常用的无支点机架见附图5-1，尺寸见附表5-6.

选用WJ90型无支点机架，H1=40mm H2=25 H3=7 H4=8 D1=400

D2=450 D3=490 D4=430 D5=515 D6 =565 H=660 质量：170Kg

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。常用的类型很多，选取刚性凸缘联轴器。主

要尺寸以及型式见附图5-5，尺寸见附表5-10. 选用GT-45 质量：17K g.

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。

这次设计选用机械轴封。

机械轴封是一种功耗小，泄露率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。主要用于腐蚀、易燃、易爆、剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。

由于机械轴封的结构形式很多。且大都有标准。附图5-9和附表5-15给出了202型标准机械密封结构及尺寸。

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，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：28.7Kg 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：M24-125

6.3 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 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，2006，12

[2] 吴宗泽，机械设计师手册﹙上﹚[M]，北京：化学工业出版社，2002，1

[3] 吴宗泽，机械设计实用手册[M]，北京：化学工业出版社，1998，7

[4] 余国琮，化工机械手册[M]，天津：天津大学出版社，1991，5

[5] 魏崇光、郑晓梅，化工工程制图，北京：化学工业出版社，1994，3

[6] 巨勇智、勒士兰，过程设备机械基础，北京：国防工业出版社，2 005，4

[7] 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，2006，5

[8]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，2004，12

[9] 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，2000，3

[10] 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，2004，8

[11] 刘湘秋，常用压力容器手册，北京：机械工业出版社，2005，4

[12] 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徐宏斌老师，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