化工机械设备课程设计—反应釜

化工机械设备课程设计—反应釜

化工设备机械基础

大型作业

题目：反应釜

教学院：化学与材料工程专业：应用化工技术学号：19 20 21 22

2014年6 月15日

大型作业任务书5

2013～2014 学年第2学期

一、大型作业题目：反应釜

二、大型作业内容（含技术指标）

1．反应介质：25m3的水乳胶涂料；2. 容器内压：常压；3. 反应温度：80±10℃；

4. 电机功率：10KW；

5. 搅拌转速：50rpm。

6. 作业成果：计算书1份，设备图1张（A2图纸手工绘制）。

三、进度安排

1．6月9日：分配任务；

2．6月9日-6月12日：查询资料、初步设计；

3．6月12日-6月20日：设计计算，完成报告。

四、基本要求

1．设计方案：根据给定的条件合理选择设备的结构以及合适的材料，立式容器或卧式容器的筒体和封头、钢板卷制焊接结构接头、钢板材料的型号及热处理条件等；

2．设计计算：依据材料的性能，对选用设备的壁厚进行计算、稳定性进行校核；

3．辅助设备的选型：包括典型辅助设备的主要尺寸计算及型号规格：人孔或手孔设计、法兰的型号规格、接管开孔结构、视镜或液面镜以及容器的支座选型等。

教研室主任签名：

2014年6月15日

目录

概述 (5)

0.1 设计说明书主要内容 (5)

0.2 水乳胶 (5)

1反应釜釜体设计 (6)

1.1釜体的DN、PN的确定 (6)

1.2 釜体筒体壁厚的设计 (7)

1.3 釜体封头的设计 (7)

1.4筒体长度的设计 (8)

1.5 外压筒体壁厚的设计 (8)

2反应釜夹套的设计 (9)

2.1 夹套的DN、PN的确定 (9)

2.2 夹套筒体的设计 (10)

2.3 夹套封头的设计 (10)

3反应釜釜体及夹套的压力试验 (12)

3.1釜体的水压试验 (12)

3.2夹套的液压试验 (12)

4反应釜附件的选型及尺寸设计 (13)

4.1釜体法兰联接结构的设计 (13)

4.2工艺接管的设计 (14)

5搅拌轴及浆的设计 (15)

5.1搅拌轴直径的初步计算 (15)

5.2直叶桨式搅拌器尺寸的设计 (15)

6传动装置的选型和尺寸计算 (16)

6.1电动机的选型 (16)

6.2减速机的选型 (16)

6.3反应釜的轴封装置设计 (16)

7焊缝结构的设计 (17)

7.1 釜体上主要焊缝结构的设机 (17)

7.2夹套上的焊缝结构的设计 (19)

8设计评论 (20)

9参考文献 (21)

概 述

0.1设计内容介绍及内容分析

由设计条件单可知，设计的反应釜体积为204.2985.0/25/m V V ===η （η=0.85），圆整V =30m 3；搅拌轴的转速为50r/min,电机功率10kW （η1=0.9），轴的功率为P=P 0×η1=0.5kW;搅拌桨的形式为推进式；装置上设有3个工艺接管、2个视镜、4个耳式支座、1个温度计管口，1个人孔。

0.2水乳胶

由于水性涂料不用有机溶剂，对人体无毒害，对环境无污染，固而近年来发展十分迅速。凡是用水作溶剂或者分散在水中的涂料部可称之为水性涂料。水性涂料包括水溶性涂料和水胶乳涂料两种，采用乳液聚合工艺制备成合成树脂水胶乳，胶粒径0.1-10μ。在合成树脂水胶乳中，加入颜料、体质 颜料、保护胶体、各种添加剂后，经过研磨或 分散处理，即成为水乳胶涂料。

目前，世界上使用较广的水胶乳涂料有聚醋酸乙烯水胶乳涂料、聚丙烯酸酯水胶乳涂料、醇酸树脂水胶乳涂料和偏氯乙烯共聚树脂水胶乳涂料。

水乳胶可用：丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、 而烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸2乙基 己酯 2一甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯，苯乙 烯、氯乙烯和丙烯腈。以上这些单律在使用时不少于一种 使用量最好为单体总量的4-45%。

在进行操作时可将水乳胶的密度近似于水的密度进行计算。

1 反应釜釜体设计

1.1釜体的DN 、PN 的确定

1.1.1釜体DN 的确定

将釜体视为筒体，取L/D =1.4,V=30m 3。

由 V =(π/4)L D 2 （1-1） 式中 V ——操作体积，m 3; D ——釜体的直径，m ； L ——釜体的长度，m 。 L =1.4D ，则 mm 2.54.14

30=?=

π

D ，圆整。mm 5000=D 得釜体的DN =5000mm 。 1.1.2釜体PN 的确定

由设计说明书知常压反应，所以釜体的设计压力＝0.2MPa 。

1.2 釜体筒体壁厚的设计

1.2.1设计参数的确定

设计压力P 1： P 1＝0.2MPa ；

液柱静压力P 1H ：P 1H =10^(-6)×1.8×1.4×10^3×10=0.0252MPa 计算压力P 1c ： P 1c = P 1+ P 1H =0.2+0.0252=0.2252MPa ； 设计温度t 1： t 1 <100℃ ； 焊缝系数Φ： Φ＝0.85

许用应力[]t σ： 根据材料Q235-B 、设计温度<100℃，由文献[1,6]知

[]t σ＝113MPa ；

钢板负偏差1C ： 1C ＝0.6mm （GB6654-96）； 腐蚀裕量2C ： 2C ＝2.0mm 。 1.2.2 筒体壁厚的设计

由公式： []C p D p c

t

i

c n +-Φ=

σδ2 （1-2）

式中：n δ——受力物体的厚度，mm;

P c ——计算的压力，kPa; D ——釜体的直径，m ；

Φ——焊缝系数：

[]t σ——许用应力，MPa

C ——腐蚀裕量和偏差的和，mm 。 得：

mm 4.80.26.02252

.085.011325000

2252.01=++-???=

n δ

圆整 mm 81=n δ

刚度校核：碳素钢的m m 3min ≥δ 故筒体的壁厚取mm 8=n δ。

1.3 釜体封头的设计

1.3.1 封头的选型

釜体的下封头选标准椭球型，代号EHA 、标准JB/T4746—2002。 1.3.2封头的直边尺寸、体积及重量的确定

根据mm 5000=DN ，由文献[6] 根据JB/T4746—2002知： 直边高度h 2： 25mm 容 积V ： 0.8270m 3 曲边高度h 1： 450mm 内表面积A ： 13.6535m 2 质 量m : 225kg

1.4筒体长度的设计

1.4.1筒体长度H 1的设计

筒体高度： S

V -V H 1封

= （1-3）

式中 H 1——筒体高度，m;

V ——操作体积，m 3; V 封——封头体积，m 3； S ——筒体截面积，m 2。 H 1=(30-0.827)/2.543=2.033m 圆整H 1至2000mm 。

1.5 外压筒体壁厚的设计

1.5.1设计外压的确定

由设计条任务书可知，夹套内介质的压力为常压，取设计外压p =0.101MPa 。 1.5.2试差法设计筒体的壁厚

设筒体的壁厚δn =12mm ，则：有效厚度m m 2.88.312=-=-=C n e δδ 筒体外径：T N =1824mm ， 由 e

cr D D L δ0

17.1= （1-5）

式中L cr ——当量长度，mm ； D 0——筒体外直径，mm ； δe ——有效厚度，mm 。 得：L cr = 3182mm 。

筒体的计算长度L ′=2113

1

h h H ++

L ′=2050+ 150 + 25 = 2225mm

L cr = 3182mm > L ′ ；该筒体为短圆筒。

圆筒的临界压力为：

e

e cr D D mL E P δδ0

2

'6.2=

(1-6)

式中 P cr ——临界压力，kPa ； L ——筒体的计算长度，mm ；

D 0——筒体外径，mm ；

E ——设计温度下的弹性模量，MPa δe ——有效厚度，mm ； m ——稳定系数。

E =2.0×105MPa ，

P cr MPa 5554.02

.81824

182422252.8100.26.225=?

?????=

m

对于圆筒m =3 , [P ]=0.5554/3=0.185MPa 故 P =1.01 < [P ]；所以假设δn =8mm 满足稳定性要求。

2 反应釜夹套的设计

2.1 夹套的DN 、PN 的确定

2.1.1夹套DN 的确定

由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可知：

100j i D D =+＝5000+100=5100（mm ）

考虑到5100mm 一般不再取值范围，故取DN =5000mm 。 2.1.2 夹套PN 的确定

由设备设计条知，夹套内介质的工作压力为常压，取PN ＝0.25MPa 。

2.2 夹套筒体的设计

2.2.1夹套筒体壁厚的设计

由公式（1-2）[]C p D p c

t

i

c n +-Φ=

σδ2 得：

mm 11.1036.025

.085.011325000

25.01=++-???=

n δ

圆整 mm 101=n δ

刚度校核：碳素钢的m m 3min ≥δ，筒体的壁厚取mm 10=n δ。 2.2.2夹套筒体长度H 筒的初步设计

由 H 筒=S 封V V -η （2-1）

式中 H 筒——夹套的筒体长度，m;

V ——操作体积，m 3; V 封——内径封头体积，m 3； S ——筒体截面积，m 2。

mm 1562543

.2827

.068.01

=-?=

-V V V H h

η筒

圆整后 H 筒=1600mm 。

2.3 夹套封头的设计

2.3.1 封头的选型

夹套的下封头选标准椭球型，内径与筒体相同（D j ＝5000mm ）。代号EHA ，标准JB/T4746—2002。夹套的上封头选带折边锥形封头，且半锥角45α=。 2.3.2 椭球形封头壁厚的设计

因为P W 为常压＜0.3MPa ，所以需要根据刚度条件设计封头的最小壁厚。 取min δ＝2 D i /1000且不小于3 mm 另加2C ， 所以 S min ＝3+3=6（mm ），圆整n δ=10mm 。

对于碳钢制造的封头壁厚取n δ=10mm 。 2.3.3椭球形封头结构尺寸的确定

夹套封头的尺寸见图2-1

封头的下部结构如

图 2-1 封头的下部结构图

由设计条知：下料口的DN ＝50mm ，封头下部结构的主要结构尺寸

min D ＝146mm 。

2.3.4带折边锥形封头壁厚的设计

考虑到封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取封头的壁厚与夹套筒体的壁厚一致，即n δ＝8mm 。 2.3.5 封头结构的设计

表 2-2 封头结构的设

计数据表

2.3.6 带折边锥形封头壁厚的设计

由于封头过渡部分与锥体部分受力情况不同，分两部分计算

过渡部分：o 45=α， K =0.8181 ， f =0.645 ，i 115.0D R =，选型为CHB ， 由式（1-2）：

[]C P D KP c

t

i

c n +-=

5.02?σδ （2-2）

式中 n δ——受力物体的厚度，mm ；

P c ——计算的压力，KPa ； K ——过渡区形状系数； φ——焊缝系数； f ——椎体形状系数； D i ——釜体的直径，m ；

[]t σ——许用应力，MPa

C ——腐蚀裕量，mm 。

[]mm 02.6225.05.06.011322000

25.08181.05.02=+?-????=+-=

C P

D KP c

t

i c n ?σδ 锥体部分： []mm 38.5225.05.06.01132200025.0645.05.02=+?-????=+-=

C P

D fP c

t

i c n ?σδ 考虑到与夹套筒体的焊接，故圆整mm 6=n δ。

3反应釜釜体及夹套的压力试验3.1釜体的水压试验

3.1.1水压试验压力的确定

水压试验的压力：

[]

1.25

[]

T t

p p

σ

σ

=(3-1)

式中P T——水中压力，MPa；

P——设计压力，MPa；

[σ]——水中应力，MPa；

[σ]t——许用应力，MPa。

查[]

[]1=tσ

σ

.0，MPa

25

.0

0.1

2.0

25

.1=

?

?

=

T

P。

3.1.2水压试验的操作过程

操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.25MPa，保压不低于30min，然后将压力缓慢降至0.2MPa，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。

3.2夹套的液压试验

3.2.1液压试验的操作过程

在保持夹套表面干燥的条件下，首先用水将夹套内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.3125MPa，保压不低于30min，然后将压力缓慢降至0.3MPa，保压足够。长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将夹套内的水排净，用压缩空气吹干。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。

4 反应釜附件的选型及尺寸设计

4.1釜体法兰联接结构的设计

设计内容包括：法兰的设计、密封面形式的选型、垫片设计、螺栓和螺母的设计。

4.1.1密封面形式的选型

根据PN ＝0.6MPa ＜1.6MPa 、介质温度<100℃和介质的性质，由文献知密封面形式为光滑面。

4.1.2螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格及材料的选择

本设计选用六角头螺栓（双头螺柱B 级、GB901—88）、Ⅰ型六角螺母（A 级和B 级、GB/T6171—2000）。

平垫圈（100HV 、GB/T95-2002）。 螺栓长度L 的计算：

螺栓[4]的长度由法兰的厚度（δ）、垫片的厚度（S ）、螺母的厚度（H ）、垫圈厚度（h ）、螺栓伸出长(0.3—0.5d )确定。

其中δ=80mm 、S =3mm 、H =21.5mm 、h =3.2mm 、螺栓伸出长度取 0.3d =0.3×33.7。

螺栓的长度为： d h H S L 3.022++++=δ

7.333.02.325.213802?+?+++?= =201.01 mm 取L ＝200mm

螺柱标记： 螺柱 M24×200 GB 901—88 螺母标记： 螺母 M24 GB/T6170—2000 垫圈标记： 垫片 24-100HV GB/T95—2002

根据乙型平焊法兰、工作温度t <100℃的条件，由文献[1,3]法兰、垫片、螺栓、螺母材料匹配表进行选材，结果如

表4-1

表4-1 法兰、垫片、螺

4.2工艺接管的设计

由文献[6]表6-4（HG20592—97）查无缝钢管

（1）进水口，出水口

采用Φ45×2.5无缝钢管，罐内的接管与夹套内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：法兰PL40—0.6 RF HG20593—97。

（2）进、放料口

采用Φ57×3.5无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：法兰PL50—0.6 RF HG20593—97。

（3）温度计接口

采用Φ25×2.5无缝钢管，伸入釜体内一定长度。配用突面板式平焊管法兰：法兰PL20—0.6 RF HG20592——97

（4）人孔

采用Φ480×15无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：法兰PL450—0.6 RF HG20593——97

（5）视镜

采用Φ108×4.0无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法

兰：法兰PL100—0.6 RF HG20593——97

4.3支座的选型

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。当设备需要保温或支承在楼板上时选B型，否则选A型。

5 搅拌轴及浆的设计

5.1搅拌轴直径的初步计算

5.1.1搅拌轴直径的设计

轴的功率P ＝0.5kW ，搅拌轴的转速n ＝50/min r ，材料为45 ， [τ]＝35MPa ，系数C =112,剪切弹性模量G ＝2×105MPa ，许用单位扭转角 [θ]＝0.35°/m 。。

轴所传递的扭矩T =9.55×106P /n =200

4

1055.96?

?（Nmm ） =191×103（Nmm ） 搅拌轴为实心轴，

mm 2.5050

5

.011233

=?=≥n P C d 轴端直径 开一个键槽，轴径扩大5%， d =50.2×1.05=52.7mm

搅拌轴的直径应同时满足强度和刚度两个条件 故取两者中的较大值，圆整后得d =52mm,

考虑到直叶桨式搅拌器的尺寸选择，可将轴端直径圆整至60mm 。 5.1.2搅拌抽临界转速校核计算

由文献[6]知，搅拌轴的转速n >200r/min 时，都应做临界转速校核。 由于反应釜的搅拌轴转速n =50/min r ，故不作临界转速校核计算。

5.2直叶桨式搅拌器尺寸的设计

r，选择直叶桨式搅拌器。

由于搅拌轴转速n=50/min

查工具书[1,6]可知直叶桨式搅拌器的结构参数如下：

DJ=(0.25-0.75)DN , b=(.01-0.25)DJ, h=(0.2-1)DJ, Z=2

直叶桨的直径：DJ=0.5DN=900mm

桨底距槽底：h=0.8DJ=720mm

桨叶厚度：b=0.15DJ=135mm

6传动装置的选型和尺寸计算

6.1电动机的选型

由于反应釜里的物料腐蚀情况微弱且没有防爆要求，所以可选择最常用的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。

6.2减速机的选型

反应釜用的立式减速机，主要类型有谐波减速机、摆线针轮行星减速机、二级齿轮减速机和V带传动减速机。

根据电机的功率P=10kW、搅拌轴的转速n=50 r/min，查文献可选用BLD行星减速机，其型号尺寸从HG 5—745—78标准中查得BLD—50—29。

6.3反应釜的轴封装置设计

轴封是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及防止反应物料逸出和杂质的渗入。鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式搅拌为主，很少满釜操作，轴封的对象主要为气体；而且搅拌设备由于工况复杂，轴的偏摆振动大，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。

反应釜搅拌处的轴封，属于动密封，常用的轴封结构主要有两大类，填料箱密封和机械密封。

填料密封式搅拌设备最早采用的一种轴封结构，它的基本结构是由填料、填料

箱、压盖、压紧螺栓及油杯等组成。特点是结构简单、易于制造，在搅拌设备上曾得到广泛应用。一般用于常压、低压、低转速及允许定期维护的搅拌设备。

机械密封是一种功耗小、泄漏率低，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。

由设计任务书知，釜内介质的腐蚀性微弱，釜内压力较低，所以可以选择应用广泛的填料密封。

7焊缝结构的设计

7.1 釜体上主要焊缝结构的设计

釜体的主要焊接结构图如下

图7-1 图7-2 图7-3 图7-4 图7-5 图7-6

图7-1 筒体的纵向焊缝图7-2 筒体与下封头的环向焊缝

图7-3 固体物料进口与封头的焊缝图7-4 进料管与封头的焊缝

图7-5 温度计接管与封头的焊缝图7-6 出料口接管与封头的焊缝

7.2夹套上的焊缝结构的设计

焊缝结构如下

图7-7 图7-8 图7-8 图7-9 图7-10 图7-11

图7-7 夹套的纵向焊缝图7-8 夹套与封头的横向焊缝