夹套式反应釜设计说明书

“过程装备课程设计”任务书

设计者姓名：班级：过程装备与控制工程11-2班

指导老师：日期：2014/6/23-2014/7/11

简图设计参数及要求

容器内夹套内

工作压力，MPa 0.25 0.35

设计压力，MPa 0.3

工作温度，℃

设计温度，℃﹤100 ﹤100

介质有机溶

剂

蒸汽

全容积，m3 1.9

操作容积，m3 1.52

传热面积，㎡＞3

腐蚀情况微弱

推荐材料Q345R

搅拌器型式推进式

搅拌轴转速，

r/min

250r/min

轴功率，kW 3

接管表

符号

公

称尺寸

DN

连

接面形

式

用途

A 25 PL/RF 蒸汽入口

B 65 PL/RF 加料口

C 100 凸凹面视镜

D 25 PL/RF 温度计管口

E 25 PL/R

F 压缩空气入口

F 40 PL/RF 放料口

G 25 PL/RF 冷凝水出口

过程装备课程设计

姓名

学院机械与汽车工程

专业班级过程装备与控制工程11-2班指导老师

目录

摘要 (3)

Abstract (4)

绪论 (5)

1.1夹套反应釜的总体结构 (5)

1.2 反应釜基本特点 (5)

1.3 反应釜的发展趋势 (6)

2、夹套反应釜设计 (7)

2.1、罐体几何尺寸计算 (7)

2.1.1确定筒体内径 (7)

2.1.2确定封头尺寸 (8)

2.1.3确定筒体高度 (8)

2.1.4夹套几何尺寸计算 (8)

2.2、夹套反应釜的强度与稳定性计算 (9)

2.2.2 稳定性校核(按外压校核厚度) (10)

2.2.3水压测试校核 (11)

2.3反应釜的搅拌器 (12)

2.3.1搅拌器的选型： (12)

2.3.2搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计 (12)

2.3.3 挡板的设计 (12)

2.4反应釜的传动装置 (13)

2.4.1常用电机及其连接尺寸 (13)

2.4.2带传动减速机 (13)

2.4.3凸缘法兰 (15)

2.4.4安装底盖 (16)

2.4.5机架 (16)

2.4.6联轴器 (16)

2.5搅拌轴的设计和校核 (17)

2.5.1轴的和设计 (17)

2.5.2轴的校核 (17)

2.6键的校核 (18)

2.7反应釜的轴封装置 (19)

2.8 反应釜的其他附件 (20)

2.8.1设备法兰 (20)

2.8.2支座 (21)

2.8.3设备接口 (21)

结束语 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

摘要：夹套反应釜分罐体和夹套两部分，主要有封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置有搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺

而定；传动装置是为带动搅拌装置设置的，主要有电动机、减速器、

联轴器和传动轴等组成；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填

料密封；它们与支座、人孔、工艺接管等附件一起，构成完整的夹套

反应釜。

关键词：压力容器；反应釜；设计

Abstract：Reactor is made up of tank and jacket. The main parts are end socket and barrel. The most reactor is middle and low pressure container.The

dasher is made up stirrer and mixer shaft, which is base on the craft. The

gearing is to drive the dasher,which is made up electromotor reducer

and coupling drive shaft. The shaft seal is motive seal. It usually adopt

mechanical seal and packing seal. It form the whole reactor with the

support manhole and tube and so on.

Key words:pressure vessels；reactor；design

1、绪论

1.1夹套反应釜的总体结构

夹套反应釜广泛用于合成橡胶、合成塑料、农药、化肥等行业。如图所示，为一台带式搅拌的夹套反应釜。夹套反应釜主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。搅拌容器常被称作搅拌釜，当作反应器用时，称为搅拌式反应器，简称反应釜。

反搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形成通常由工艺设计而定；传动装置是为带动搅拌装置设置的，主要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座、人孔、工艺管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。

反应釜材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔）合金及其它复合材料。反应釜可采用SUS304、SUS316L等不锈钢材料制造。搅拌器有锚式、框式、桨式、涡轮式，刮板式，组合式，转动机构可采用摆线针轮减速机、无级变速减速机或变频调速等，可满足各种物料的特殊反应要求。密封装置可采用机械密封、填料密封等密封结构。加热、冷却可采用夹套、半管、盘管、米勒板等结构，加热方式有蒸汽、电加热、导热油，以满足耐酸、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等不同工作环境的工艺需要。可根据用户工艺要求进行设计、制造。

1.2 反应釜基本特点

反应釜体普遍采用钢制(或衬里)、铸铁或搪玻璃。反应釜所用的材料、搅拌装置、加热方法、轴封结构、容积大小、温度、压力等各有异同、种类很多，它们的基本特点分述如下：

(1) 结构：反应釜结构基本相同，除有反应釜体外，还有传动装置、搅拌和加热(或冷却)装置等，可改善传热条件，使反应温度控制得比较均匀，并不强化传质过程。

(2) 操作压力：反应釜操作压力较高。釜内的压力是化学反应产生或由温度升高而形成，压力波动较大，有时操作不稳定，突然的压力升高可能超过正常压

力的几倍，因此，大部分反应釜属于受压容器。

(3) 操作温度：反应釜操作温度较高，通常化学反应需要在一定的温度条件下才能进行，所以反应釜既承受压力又承受温度。获得高温的方法通常有以下几种：

1) 水加温要求温度不高时可采用，其加热系统有敞开式和密闭式两种。敞开式较简单，它由循环泵、水槽、管道及控制阀门的调节器所组成，当采用高压水时，设备机械强度要求高，反应釜外表面焊上蛇管，蛇管与釜壁有间隙，使热阻增加，传热效果降低。

2) 蒸汽加热加热温度在100℃以下时，可用一个大气压以下的蒸汽来加热；100~180℃范围内，用饱和蒸汽；当温度更高时，可采用高压过热蒸汽。

3) 用其它介质加热若工艺要求必须在高温下操作或欲避免采用高压的加热系统时，可用其它介质来代替水和蒸汽，如矿物油(275～300℃)、联苯醚混合剂(沸点258℃)、熔盐(140～540℃)、液态铅(熔点327℃)等。

4) 电加热将电阻丝缠绕在反应釜筒体的绝缘层上，或安装在离反应釜若干距离的特设绝缘体上，因此，在电阻丝与反应釜体之间形成了不大的空间间隙。前三种方法获得高温均需在釜体上增设夹套，由于温度变化的幅度大，使釜的夹套及壳体承受温度变化而产生温差压力。采用电加热时，设备较轻便简单，温度较易调节，而且不用泵、炉子、烟囱等设施，开动也非常简单，危险性不高，成本费用较低，但操作费用较其它加热方法高，热效率在85%以下，因此适用于加热温度在400℃以下和电能价格较低的地方。

(4) 反应釜搅拌结构：在反应釜中通常要进行化学反应，为保证反应能均匀而较快的进行，提高效率，通常在反应釜中装有相应的搅拌装置，于是便带来传动轴的动密封及防止泄漏的问题。

(5) 反应釜的工作：反应釜多属间隙操作，有时为保证产品质量，每批出料后都需进行清洗；釜顶装有快开人孔及手孔，便于取样、测体积、观察反应情况和进入设备内部检修。

1.3 反应釜的发展趋势

1、大容积化，这是增加产量、减少批量生产之间的质量误差、降低产品成本的有效途径和发展趋势。染料生产用反应釜国内多为6000L以下，其它行业有的达30m3；国外在染料行业有20000～40000L，而其它行业可达120 m3。

2、反应釜的搅拌器，已由单一搅拌器发展到用双搅拌器或外加泵强制循环。反应釜发展趋势除了装有搅拌器外，尚使釜体沿水平线旋转，从而提高反应速度。

3、以生产自动化和连续化代替笨重的间隙手工操作，如采用程序控制，既可保证稳定生产，提高产品质量，增加收益，减轻体力劳动，又可消除对环境的污染。

4、合理地利用热能，选择最佳的工艺操作条件，加强保温措施，提高传热效率，使热损失降至最低限度，余热或反应后产生的热能充分地综合利用。热管技术的应用，将是今后反应釜发展趋势。

2、夹套反应釜设计

2.1、罐体几何尺寸计算

2.1.1确定筒体内径 有公式：

3

14i V

D π≈

式中V ————工艺条件给定容积，3m （任务书规定1.93m ）

i ————长比径，由下表选取

表2.1 不同釜内物料类型长径比

` 釜内物料类型 H 1/D i

一般反应釜

液-固相或液液相物料 1~1.3 气液相物料

1~2

注：取i =H 1/D 1=1.2

经计算得：23.13

.19

.14433

1=??==ππi V D m ； 选取圆整筒体内径D 1=1200mm 。

2.1.2确定封头尺寸

反应釜筒体与夹套最常用的封头形式是标准椭圆形封头，以内径为基准的椭圆形封头代号为EHA ，其内径与筒体内径相同，其厚度计算并向上圆整，因此，取封头的内就内径为1200mm 。

2.1.3确定筒体高度 有公式（4-2）：

()m V V V H 111/封-=

式中： V 封————封头容积（见参考文献[1]表D-2），m 3;

V 1m —————1m 高的筒体容积（见参考文献[1]表D-1），m 3/m;

计算得：()m V V V H 111/封-==1.455m 圆整H 1=1500mm; V=V 1m H 1+V 封=1.951m 3 ;

式中： V 封————封头容积（见参考文献[1]表D-2），m 3;

V 1m —————1m 高的筒体容积（见参考文献[1]表D-1），m 3/m;

H 1————圆整后的筒体高度，m 。 2.1.4夹套几何尺寸计算

按表4-5夹套直径2D 选取夹套筒体内径 2D =1D +100=1300 mm,

表2.2 夹套直径2D

装料系数η按式： 8.0=η 夹套筒体高度H 2按式：

V

V

V H

m

1封

12

)

(-

≥

η

计算得：H 2=1.155m ，经圆整得H 2=1200mm ; 实际总传热面积F 按式 :

3312131792.6m m F H F F m >=+?=封

2.2、夹套反应釜的强度与稳定性计算

2.2.1 强度计算(按内压计算强度)

据工艺条件或腐蚀情况确定，设备材料选用Q345。 由工艺条件给定：

设计压力（罐体内） 1p =0.25MPa ，

设计压力（夹套内） 2p =0.35MPa ， 设计温度（罐体内） 1t <100℃， 设计温度（夹套内） 2t <150℃。 按参考文献[2]第九章计算： 液柱静压力p1H=10-6ρgh=0.013MPa 计算压力P1c=P1+P1H =0.25MPa ； 液柱静压力P2H=gh ρ?-6^10=0MP 计算压力 P2c=P2H+P2c=0.35MPa

焊接接头系数φ,选取罐体及夹套焊接接头系数 φ=0.85。

设计温度下材料许用应力：[σ]t=189MPa 。 罐体筒体计算厚度1δ按式：[]mm 934.021

1

11=-=

p D p t

φσδ

夹套筒体计算厚度2δ按式：[]mm p D p t

42.122

2

22=-=φσδ

封头计算厚度'1δ按式：[]mm

p D p t

934.05.021

1

1'1=-=

φσδ

夹套封头计算厚度'2δ按式：[]mm

p D p t

308.15.022

2

2'

2=-=

φσδ

取最小厚度mm 3min =δ作为计算厚度δ 腐蚀余量：C2=2.0 mm

罐体筒体设计厚度d 1δ按式：mm C d 521=+=δδ 夹套筒体设计厚度d 2δ按式：mm C d 522=+=δδ 罐体封头设计厚度'1d δ按式：mm C d 52'1=+=δδ

夹套封头设计厚度'2c δ按式：mm C d 52'2=+=δδ

钢板厚度负偏差：C 1=0.6mm （按钢板厚度6㎜）

罐体筒体名义厚度d 1δ按式：mm n 51=δ 夹套筒体名义厚度d 2δ按式：mm n 52=δ 罐体封头名义厚度'1d δ按式：mm n 5'1=δ

夹套封头名义厚度'2c δ按式：mm n 5'

2=δ

2.2.2 稳定性校核(按外压校核厚度) （1）筒体稳定性校核

①假设罐体筒体名义厚度： n1δ=5mm 厚度附加量C 按式：mm C C C 5.221=+=

罐体筒体有效厚度e 1δ按式：mm C n e 5.2=-=δδ

罐体筒体外径0D 按式：mm D D n 1210

210=+=δ 筒体计算长度L 按式：mm h H L 13003/112=+= 系数 ：0D L =1.074 系数 ：e D δ0=484 经查表得：系数A =0.00013

系数B=——

许用外压力[]p 按式：

②假设罐体筒体名义厚度 n1δ=8 mm 厚度附加量C 按式：mm C C C 8.221=+=

罐体筒体有效厚度e 1δ按式：mm C n e 2.5=-=δδ

罐体筒体外径0D 按式：mm D D n 1216210=+=δ

筒体计算长度L 按式：mm 12173112=+=h H L 系数 ：0D L =1.066 系数 ：e D δ0=233.85 经查表得：系数A =0.0004

系数B=55

许用外压力[]p 按式：

③假设罐体筒体名义厚度 n1δ=10 mm 厚度附加量C 按式：mm C C C 8.221=+=

[]MPa

MPa e

Do AE

P 53.0036.0)

(32＜==δ[]MPa MPa e Do B

P 53.0235.0＜==δ

罐体筒体有效厚度e 1δ按式：mm C n e 2.7=-=δδ

罐体筒体外径0D 按式：mm D D n 1220210=+=δ

筒体计算长度L 按式：mm 12173112=+=h H L 系数 ：0D L =1 系数 ：e D δ0=169.4 经查表得：系数A =0.0006

系数B=84

许用外压力[]p 按式：

确定罐体筒体名义厚度: n δ=10mm （2）封头稳定性校核

假设罐体封头名义厚度 n δ=10 mm

查得钢板厚度负偏差，选取钢板厚度负偏差 1C =0.8mm 据经验规律，腐蚀裕量 2C =2.0mm 厚度附加量C 按式：8.221=+=C C C mm

罐体封头有效厚度'e δ按式：: mm C n e 2.7'

'=-=δδ

罐体封头外径'O D 按式：mm D D n O 12202''1'=+=δ 标准椭圆封头当量球壳外半径按式:=1098

系数A 按式: 00082.0/125

.00==δ

R A

查图4-2 ()A f B =曲线，得系数 B =110MPa

许用外压力[]p 按式:

[]0.3MPa a 72.0/>==

MP R B

p e

O δ 确定罐体封头名义厚度：n δ=10mm 2.2.3水压测试校核

Q345通常温度下的许用应力[]=σ157MPa 罐体的水压测试压力：[][]MPa P P t

T 3125.025.11

1==δδ

[]MPa MPa e

Do B

P 53.04958.0＞==δ

夹套的水压测试压力：[][]MPa P P t

T 4375.025.112==δδ

材料的屈服点应力MPa s 345=σ

s 9.0σφσ??=T =a 93.263MP

容器圆筒应力 ：a 93.26303.24;03.242)1(11MP MPa MPa e

e D P t T ＜=+=

δδσ

夹套内压试验应力： a 93.26310.39;10.392)

1(11MP MPa MPa e

e D P t T

＜=+=δδσ 2.3反应釜的搅拌器

2.3.1搅拌器的选型：

搅拌器的型式主要有：桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。 本反应釜搅拌装置的搅拌器采用推进式。

2.3.2搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计

本反应釜选用的是推进式搅拌器，搅拌器推进式搅拌器是类似风扇扇叶结构。它与轴的连接是通过轴套用平键或紧定螺钉固定，轴端加固定螺母。为防螺纹腐蚀加轴头保护帽。

推进式搅拌器直径：mm D D J 22011002.02..01=?==取D J =200㎜ 2.3.3 挡板的设计

挡板是一种常用的搅拌附件之一。当搅拌器沿容器中心线安装，骄傲办物料的黏度不大，搅拌转速不高时，液体将随着桨叶旋转方向一起运动，容器中心部分的液面下降，形成漩涡，降低混合效果。未消除这种现象，通常将容器中加入挡板，把回转的切向流东改变为径向和轴向流动，增加流体的剪切强度，改善搅拌效果。挡板的宽度通常取容的内径的1/10 ~1/12，一般设置4 ~6个沿罐壁均匀分布直立安装。

本反应釜选用角钢，选用标准为GB/T9787-1988热轧等边角钢，具体尺寸为40×40。

挡板宽度B=D1/12=91.666㎜，圆整取B=90㎜ 选用四个挡板

挡板与罐壁间隙为B/5=22毫米，圆整取30毫米

2.4反应釜的传动装置

反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。传动装置通常设置在釜顶封头的上部。反应釜传动装置的设计内容一般包括：电机、减速机的选型；选择联轴器；选用和设计机架和底座等。

2.4.1常用电机及其连接尺寸

本反应釜选用YB160M1-8电机，同步转速750r/min ，电机的功率P=4kW 。 满载转速720r/min ，质量118㎏，额定转矩2.0TN 。

2.4.2带传动减速机

任务书规定本反应釜的减速机为带传动减速机。 带传动速机的设计

V 带减速机的特点是：结构简单，制造方便，价格低廉，能防止过载，噪声小。但不适用于防爆场合。

查表 Y 系列三相异步电动机主要技术数据，传动的额定功率 P=4 kW

小皮带轮转速： min /7201r n = 大皮带轮转速： min /2502r n =

在电动机中，我们选用满载全转速750r/min ，8极三相异步电动机，在减速器中，带传动的速比为3:1，电动机的额定功率为4kw 的Y 系列的。

我们将带式减速器设计使用V 型带，于是我们得到功率P=4kw ，转速n=720r/min 1）计算功率

由《机械设计基础》表12.6可知 工况系数K A =1.1

Pd=K A ×P=1.1×3kw=3.3kw 2）选取普通V 型带

根据Pc=4kw ，n=720r/min 由《机械设计基础》图12-13确定选用A 型带。

3）、确定大带轮与小带轮基准直径D1，D2 由参考文献[3]表12.7取 D1=75mm ，验算带速V

有公式：1000

601

1???=n D V π

=3.14×75×730÷600000 =2.87m/s ＜5m/s 故小带轮的直径选取不合适。 D1=140mm ，验算带速V

有公式：1000

601

1???=n D V π

=3.14×140×730÷600000 =5.35m/s ＞5m/s 故小带轮的直径选取合适。

根据公式：)1(121

2ε-??=D n n D ，ε=2% =730÷240×140×（1-0.02） =411.6mm

由参考文献[3]表12.7取圆整D2=400mm

大带轮转速：n2=2)

1(11D D n ε-??

=730×140×0.98÷400 =250.4r/min

其误差的绝对值：

%100240

2402?-=

'n ε

=4.3%<5% 在合理范围 4）、确定带长和中心距

初步取中心距a=500m

带长a

D D D D a L 4)12()21(2/22

-++?+=π

=2×500+3.14÷2×（140+400）+÷4÷500 =1882mm

选用基准长度Ld=2000mm 计算实际中心距：a=mm 5605592

0≈=-+=d d L L a a 6）、验算小带轮包角

??--?=3.571

21801a

D D α

=180°-（400-140）÷560×57.3° =153.4°>120°， 故尺寸合适。 7）、确定V 带根数z

传动比i=21n n =8

.243720

=2.953

由参考文献[3]12.3，12.4,12.5，12.6,12.8

分别查得：1P =1.30kw,Δ1P =0.02kw,0K =0.96,KL=1.11 所以 z=

l

K K P P Pd

α)(11?+=2.23

取 z=3根 8）、求压轴力FQ

由《机械设计基础》表12.2查的q=0.10kg/m

张紧力公式：20)15

.2(500qv K ZV Pc F +-=

α =

235.510.0)196.05

.2(35.533.3500?+-??? =167.78N

压轴力FQ=2×Z ×F ×sin （α/2） =2×3×167.78×sin （153.4/2） =979.68N

2.4.3凸缘法兰

凸缘法兰一般焊接于搅拌容器封头上，用于连接搅拌传动装置，亦可兼作

安装，维修，检查用孔。凸缘法兰分整体和衬里两种结构形式，密封面分突面（R ）和凹面（M ）两种。

本反应釜凸缘法兰焊接于搅拌容器封头上，采用整体结构形式。由表D-6凸缘法兰主要尺寸，选择公称直径DN=200mm ，螺纹为M16，螺栓数量为8个

的M型凸缘法兰。

2.4.4安装底盖

安装底盖采用螺柱等紧固件，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。

安装底盖的常用形式为RS和LRS型，其他结构（整体或衬里）、密封面形式（突面或凹面）以及传动轴的安装形式（上装或下装），按HG21565-1995选取。安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同。形式选取时应注意与凸缘法兰的密封面配合（突面配突面，凹面配凹面）。

本反应釜安装底盖采用螺柱等紧固件，上与机架连接，下与凸缘法兰连接。采用RS型形式，整体结构、密封面形式（突面）以及传动轴的安装形式（上装），按HG21565-1995选取。安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同，均为DN=200mm,查表D.7安装底盖的尺寸确定其他参数。

2.4.5机架

立式搅拌设备传动装置大多是通过机架、安装底盖安装在搅拌设备封头上。机架上端应与减速器连接尺寸相匹配，下端采用螺柱与安装底盖相连接。当标准机架不能满足要求时，可以根据具体结构自行进行设计。本搅拌器的机架为焊接非标准机架，具体尺寸以图示为准。

2.4.6联轴器

电机或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，并传递运动和转矩。联轴器分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。常用的联轴器有弹性块式联轴器，刚性凸缘联轴器，夹壳联轴器和紧箍夹壳联轴器等。

据所选V带减速机的规格, 本反应釜采用刚性凸缘联轴器。查GT型凸缘联轴器主要参数及尺寸，选用联轴器的符号为GY-4，孔径为40㎜，质量为3.15kg。

2.5搅拌轴的设计和校核

2.5.1轴的和设计

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 搅拌轴的材料：选用 45钢

轴功率：P=3kw ，轴转速2n =250min

r T=n P

9550=m N ?=?6.11425039550 材料许用扭转应力[τ]=35，查表得系数A=112

轴端直径

mm n p A d 6.25250

311233

2=?=≥ 考虑到开键槽轴扩大5%，则d=26.92mm<30mm 故取最小轴径为30㎜ 2.5.2轴的校核

由图可得T=n

P

9550=m N ?=?6.11425039550 A 点处FQ=979.68N ，对B,C 点的约束反力

FB=

N FQ 5.1178335335

68=?+ FC=N FQ 9.198335

68

=?

由弯矩图和弯力图可知，最危险截面为B 处 而B 处的弯矩MB=0.068×FQ=979.68×0.068 =66.62N ·m

因为该传动为单向传动，可以认为扭矩为为脉动循环变化，故折合系数

α=0.6.则 αT=0.6×114.6=68.76N

最危险截面处的当量弯矩

MeB=22)(T Mb α+=2276.6862.66+ =95.74N ·m

计算最危险截面B 的轴径do do ≥3

3

55

1.01000

74.95]1[1.0??=-b MeB σ =25.92mm

算上5%的加工减薄量以及销的影响，取d=30mm ，显然强度足够。

2.6键的校核

轴上键最小的是大带轮的键，其型号为键32×8×7 ，材料为45钢，需用剪切应力为[τ]=30MPa

Q F =M ÷r=159.1÷0.018=7640N ，A Q =0.032×0.008+3.14×0.0042

=2.72×

410-m 2

τ= F Q / A Q =28.07MPa;

所以τ＜[τ]，即键的强度合格。