化工機械設備課程設計夾套反應釜.doc

化工設備大型作業(yè)題 目： 夾套反應釜 教 學 院： 化學與材料工程學院 專 業(yè)： 化學工程與工藝（精細化工方向）學 號： 學生姓名： 指導教師： 2012年6月13日大型作業(yè)任務書420112012 學年第2學期學生姓名： 專業(yè)班級：化學工程與工藝（精細化工方向）2009（1）指導教師： 工作部門： 化工教研室 一、大型作業(yè)題目：夾套反應釜二、大型作業(yè)內容（含技術指標）1. 容積：20m3；2. 反應溫度：150，加熱介質：水蒸氣；3. 使用地點：黃石某地區(qū)。4. 作業(yè)成果：計算書1份，設備圖1張（A1圖紙手工繪制）。三、進度安排15月28日：分配任務；25月28日-6月03日：查詢資料、初步設計；36月04日-6月08日：設計計算，完成報告。四、基本要求1設計方案：根據給定的條件合理選擇設備的結構以及合適的材料，立式容器或臥式容器的筒體和封頭、鋼板卷制焊接結構接頭、鋼板材料的型號及熱處理條件等；2設計計算：依據材料的性能，對選用設備的壁厚進行計算、穩(wěn)定性進行校核；3輔助設備的選型：包括典型輔助設備的主要尺寸計算及型號規(guī)格：人孔或手孔設計、法蘭的型號規(guī)格、接管開孔結構、視鏡或液面鏡以及容器的支座選型等。 教研室主任簽名： 2012 年 月 日目錄1 緒論11.1反應釜的基本特點11.2反應釜的發(fā)展趨勢22反應釜的設計參數及要求33 夾套反應釜設計43.1夾套反應釜的總體結構43.1.1釜體部分43.1.2傳熱裝置43.2反應釜的罐體和夾套的設計53.2.1罐體和夾套的結構設計53.2.2筒體的幾何尺寸計算53.2.2夾套幾何尺寸計算53.2.3強度計算63.2.4穩(wěn)定性校核73.2.5水壓試驗校核83.3反應釜攪拌裝置設計83.3.1攪拌器選擇83.3.2設計攪拌軸93.4傳動裝置設計103.4.1動力設計103.4.2軸封裝置設計103.4.3聯軸器113.4.4凸緣法蘭選擇114 反應釜附件選用124.1耳式支座選用124.2接管表134.3人孔選擇135 參考文獻141 緒論1.1反應釜的基本特點反應釜體普遍采用鋼制(或襯里)、鑄鐵或搪玻璃。反應釜所用的材料、攪拌裝置、加熱方法、軸封結構、容積大小、溫度、壓力等各有異同、種類很多，它們的基本特點分述如下： （1）結構：反應釜結構基本相同，除有反應釜體外，還有傳動裝置、攪拌和加熱(或冷卻)裝置等，可改善傳熱條件，使反應溫度控制得比較均勻，并不強化傳質過程。（2）操作壓力：反應釜操作壓力較高。釜內的壓力是化學反應產生或由溫度升高而形成，壓力波動較大，有時操作不穩(wěn)定，突然的壓力升高可能超過正常壓力的幾倍，因此，大部分反應釜屬于受壓容器。（3）操作溫度：反應釜操作溫度較高，通常化學反應需要在一定的溫度條件下才能進行，所以反應釜既承受壓力又承受溫度。獲得高溫的方法通常有以下幾種： 水加溫要求溫度不高時可采用，其加熱系統(tǒng)有敞開式和密閉式兩種。敞開式較簡單，它由循環(huán)泵、水槽、管道及控制閥門的調節(jié)器所組成，當采用高壓水時，設備機械強度要求高，反應釜外表面焊上蛇管，蛇管與釜壁有間隙，使熱阻增加，傳熱效果降低。 蒸汽加熱加熱溫度在100以下時，可用一個大氣壓以下的蒸汽來加熱；100180范圍內，用飽和蒸汽；當溫度更高時，可采用高壓過熱蒸汽。 用其它介質加熱若工藝要求必須在高溫下操作或欲避免采用高壓的加熱系統(tǒng)時，可用其它介質來代替水和蒸汽，如礦物油(275300)、聯苯醚混合劑(沸點258)、熔鹽(140540)、液態(tài)鉛(熔點327)等。 電加熱將電阻絲纏繞在反應釜筒體的絕緣層上，或安裝在離反應釜若干距離的特設絕緣體上，因此，在電阻絲與反應釜體之間形成了不大的空間間隙。前三種方法獲得高溫均需在釜體上增設夾套，由于溫度變化的幅度大，使釜的夾套及殼體承受溫度變化而產生溫差壓力。采用電加熱時，設備較輕便簡單，溫度較易調節(jié)，而且不用泵、爐子、煙囪等設施，開動也非常簡單，危險性不高，成本費用較低，但操作費用較其它加熱方法高，熱效率在85%以下，因此適用于加熱溫度在400以下和電能價格較低的地方。（4）反應釜攪拌結構：在反應釜中通常要進行化學反應，為保證反應能均勻而較快的進行，提高效率，通常在反應釜中裝有相應的攪拌裝置，于是便帶來傳動軸的動密封及防止泄漏的問題。（5）反應釜的工作：反應釜多屬間隙操作，有時為保證產品質量，每批出料后都需進行清洗；釜頂裝有快開人孔及手孔，便于取樣、測體積、觀察反應情況和進入設備內部檢修。1.2反應釜的發(fā)展趨勢（1）大容積積化，這是增加產量、減少批量生產之間的質量誤差、降低產品成本的有效途徑和發(fā)展趨勢。染料生產用反應釜國內多為6000L以下，其它行業(yè)有的達30m；國外在染料行業(yè)有2000040000L，而其它行業(yè)可達120 m。 （2）反應釜的攪拌器，已由單一攪拌器發(fā)展到用雙攪拌器或外加泵強制循環(huán)。反應釜發(fā)展趨勢除了裝有攪拌器外，尚使釜體沿水平線旋轉，從而提高反應速度。（3）以生產自動化和連續(xù)化代替笨重的間隙手工操作，如采用程序控制，既可保證穩(wěn)定生產，提高產品質量，增加收益，減輕體力勞動，又可消除對環(huán)境的污染。 （4）合理地利用熱能，選擇最佳的工藝操作條件，加強保溫措施，提高傳熱效率，使熱損失降至最低限度，余熱或反應后產生的熱能充分地綜合利用。熱管技術的應用，將是今后反應釜發(fā)展趨勢。2反應釜的設計參數及要求反應釜的設計參數如表 1-1表 11設計參數及要求容器內夾套內設計壓力（MPa）常壓1設計溫度() 150 180介質有機物，水水蒸氣焊接街頭系數0.85/1.00.85/1.0全容積（）20充裝系數0.85腐蝕情況(mm)11推薦材料 Q235-C傳熱面積(m2)303 夾套反應釜設計3.1夾套反應釜的總體結構帶攪拌的夾套反應釜是化學、醫(yī)藥及食品等工業(yè)中常用的典型反應設備之一。它是一種在一定壓力和溫度下，借助攪拌器將一定容積的兩種（或多種）液體以及液體與固體或氣體物料混勻，促進其反應的設備。一臺帶攪拌的夾套反應釜主要有攪拌容器、攪拌裝置、傳動裝置、軸封裝置、支座、人孔、工藝接管和一些附件組成。 夾套反應釜分罐體和夾套兩部分，主要有封頭和筒體組成，多為中、低壓壓力容器；攪拌裝置有攪拌器和攪拌軸組成，其形式通常由工藝而定；傳動裝置是為帶動攪拌裝置設置的，主要有電動機、減速器、聯軸器和傳動軸等組成；軸封裝置為動密封，一般采用機械密封或填料密封；它們與支座、人孔、工藝接管等附件一起，構成完整的夾套反應釜。3.1.1釜體部分(1) 釜體部分由圓筒和上、下封頭組成，提供物料化學反應的空間，其容積由生產能力和產品的化學反應要求決定。(2) 中、低壓筒體通常采用不銹鋼板卷焊，也可采用碳鋼或鑄鋼制造，為防止物料腐蝕，可在碳鋼或鑄鋼內表面襯耐蝕材料。(3) 釜體殼能同時承受內部介質壓力和夾套壓力，必須分別按內、外壓單獨作用時的情況考慮，分別計算其強度和穩(wěn)定性。(4) 對于承受較大外壓的薄壁筒體，在筒體外表面影設置加強圈。3.1.2傳熱裝置為及時送入化學放應所需熱量或傳出化學放應放出的熱量，在釜體外部或內部可設置傳熱裝置，使溫度控制在需要的范圍之內。 常用的傳熱裝置是在釜體外部設置夾套或在釜體內部設置蛇管。(1) 反應釜的攪拌裝置由攪拌軸和攪拌器組成，可使物料混合均勻、良好接觸，加速化學反應的進行。 攪拌過程中，物料的湍動程度增大，反應物分子之間、反應物分子與容器器壁之間的接觸不斷更新，既強化了傳質和傳熱，又有利于化學反應的進行。攪拌器采用推進式攪拌器。(2) 反應釜的傳動裝置主要由電機、減速器、聯軸器和傳動軸等組成。(3) 反應釜的軸封裝置：為維持設備內的壓力或阻止釜內介質泄漏，在攪拌軸伸出封料抖出必須進行密封（動密封）。軸封裝置通常有填料密封和機械密封。(4) 反應釜的其他附件，包括支座、人孔、工藝接管等。3.2反應釜的罐體和夾套的設計3.2.1罐體和夾套的結構設計罐體一般是立式圓筒形容器，有頂蓋、筒體和罐底，通過支座安裝在基礎或平臺上。根據反應釜的設計參數及要求可知，罐體采用立式圓筒形結構，上、下封頭均采用標準橢圓形封頭。下封頭與筒體焊接，上封頭與筒體采用法蘭連接。夾套采用焊接式整體結構形式。3.2.2筒體的幾何尺寸計算公稱容積 V=20m3 取內徑為 D1=2400mm 查JB/T4746-2002 DN=2400標準橢圓封頭 總深度 h=625mm 內表面積 Fh=4.4530 容積 Vh=1.1257m3則直筒高度m將計算結果圓整到 H1=4000mm長徑比 3.2.2夾套幾何尺寸計算罐體直徑D1=2000mm，則夾套內徑D2=D1+200=2600mm 符合壓力容器公稱直徑系列取反應釜的裝填系數=0.85，則計算夾套高度為m=3332.8mm圓整取夾套高度H2=3340mm，H0=4000-3340=660mm這樣滿足簡單法蘭螺栓的裝拆要求夾套的傳熱面積為F=F1H2+Fh=2.43.143.34+6.41=31.58m23.2.3強度計算 罐體和夾套選擇Q235C ，設計溫度：t1=150（罐體內） t2=180（夾套內），設計壓力1：常壓（罐體內），P2=1MPa（夾套內） 由于是高溫水蒸汽加熱，罐體安外壓容器計算，夾套安內壓容器計算。查表在設計溫度下Q235C的許用應力2t=114.5MPa則筒體和夾套的計算厚度 取焊接接頭系數3=0.85 筒體厚度計算：mm夾套厚度計算：mm筒體封頭厚度計算（采用標準橢圓形封頭）：mm夾套封頭厚度計算：mm取鋼板厚度負偏差4：C1=0.8mm，腐蝕裕量：罐體C2=2mm 夾套C2=1mm筒體設計厚度： 1d=1+ C1+ C2=12.393+0.8+2=15.193mm夾套設計厚度： 2d=2+ C1+ C2=13.426+0.8+1=15.226mm筒體封頭設計厚度： 3d=3+ C1+ C2=12.362+0.8+2=15.112mm夾套封頭設計厚度： 4d=4 +C1+ C2=13.392+0.8+1=15.192mm圓整后選取 筒體名義厚度 1n=16mm 夾套名義厚度 2n=16mm 筒體封頭名義厚度 3n=16mm 夾套封頭名義厚度 4n=16mm3.2.4穩(wěn)定性校核 設計外壓為1MPa，假設筒體名義厚度1n=28mm，有效厚度 e=1n-2.8=25.2mm圓筒外徑 D0=D1+2n=2400+228=2456mm筒體長度計算 L=H2+h1/3=3340+600/3=3540mmL/D0=3540/2456=2.54 D0/e=81.58 A=0.0007 查得5 B=90MPa 許用外壓力 MPaP=1.0MPa 故名義厚度1n=28mm，筒體能滿足1MPa外壓要求 假設筒體名義厚度3n=28mm 有效厚度e=3n-2.8=25.2mm標準橢圓封頭當量球殼半徑 R0=K1D0 K1=0.9R0=0.9（2400+282）=2210.4mm R0/e=2210.4/25.2=87.71系數 查表B=120MPa許用外壓力 MPa1MPa封頭3n=28mm滿足要求。3.2.5水壓試驗校核對筒體進行水壓試驗校核由于t PT=1.25P=1.251=1.25MPa0.9s=0.90.85225=172.13MPaMPa0.9=172.13MPa所以筒體名義厚度1n=28mm符合要求對夾套進行水壓試驗假設夾套名義厚度為2n=16mm 有效厚度e=16-1.8=14.2mm由于t 故PT=1.25P=1.251=1.25MPa0.9s=0.90.85235=179.77MPaMPa0.9=179.77MPa夾套名義厚度2n=16mm符合設計要求。3.3反應釜攪拌裝置設計3.3.1攪拌器選擇設計DN=20m3 反應釜充料系數為0.85 裝料最大高度約為3340mm 選用漿式折葉四葉攪拌器6，設置三排，折葉角度=45取DJ/D1=0.4攪拌器直徑 DJ=0.4D1=0.42400=960mm 圓整到DJ=1000mm攪拌槳葉距釜底高度 h=500mm攪拌器寬度 b=0.15DJ=150mm漿端線速度 v=5.0m/s 以此計算出轉速N=95.5r/min3.3.2設計攪拌軸7假設釜內介質： 粘度=10.00mPas =1200kg/m3三排四葉折流漿式攪拌器DJ=1000mm n=N/60=1.59r/s雷諾數查圖8功率因數KN=0.5總功率 N=3KNn3DJ5=30.512001.59315=7.24kW根據校正 軸材料選用45鋼9 許用應力為=35MPa 軸滿足扭轉強度條件： =T/WT扭矩 T=9.55106P/nNmm p=N0抗扭截面系數 Fd3/160.2d3則 dA0=46.9mm符合設計要求剛度校核45鋼，單位許用扭轉角 =1.0/m 剪切彈性模量G=8104MPa/mmax=1.09/m=1.0/m 符合設計要求按剛度條件設計軸直徑mm再次進行剛度校核/mmax=0.996/m=1.0/m考慮到物料對軸的腐蝕劑開鍵需要，軸徑擴大11%d=48（1+0.11）=52.8mm圓整到d=55mm由于軸較長，故設計兩段軸，軸間使用聯軸器相連對軸上鍵槽開三個鍵槽 槽寬度b=15mm 長度l=108mm3.4傳動裝置設計3.4.1動力設計攪拌軸軸功率為7.235kW，考慮到電機經減速機等一些消耗，設攪拌裝置效率為0.8則 7.235/0.8=9.04kW選擇A BLD 10-4-17 Q減速機電機10kW，減速機出軸轉速85r/min選擇機型號4，電機型號524、功率10kW 、軸徑38mm 、減速機出軸徑55mm 3.4.2軸封裝置設計由于設計反應釜為常壓反應釜，對軸封裝置密封性要求不高，對于常壓、低轉速設備允許定期維護。選用填料密封結構簡單，易于制造。根據 HG 5-1412-81標準其主要尺寸 d=55mm H=209mm D1=150mm D2=104mm D3=200mm填料規(guī)格 10/10mm 法蘭螺栓孔 8/f18mm M16 重量12.41kg密封裝置見圖3-1。圖3-1 填料密封3.4.3聯軸器根據HG21570-95選用D型夾殼聯軸器軸徑d=55mm D=150mm L=190mm L1=78mm L2=34mm質量10.8kg3.4.4凸緣法蘭選擇凸緣法蘭一般焊接于罐體封頭口，用于連接攪拌傳動裝置，亦可兼作安裝、維護、檢查用孔。凸緣法蘭分整體和里襯兩種形式，密封面分為凸面（R）和凹面（M）兩種。查：JB/T 4701-2000 選用DN=300mm甲型平焊法蘭。4 反應釜附件選用4.1耳式支座選用夾套反應釜多為立式安裝，常用耳式支座。估算設備總質量 m=m1+m2+m3+m4其中m1：罐體和夾套質量 m2：傳動裝置總重 m3：物料質量 m4：冷卻水重m1計算:查表 化工及設備簡明設計手冊 P123-51=28mm，每平方米質量219.8kg/m22=16mm, 每平方米質量125.6kg/m2單封頭表面積估計值為6.41m2筒體面積為D1H1=3.142.44.00=30.44m2夾套筒體面積為D2H2=3.142.423.34=25.379m2m1=（30.44+6.412）219.8+（25.379+6.4112.6）=13501.4kgm2估算值m2=540kg裝填系數0.85，=1.2103kg/m3m3=200.851200=20400kg冷卻水重：m4=(2.420/2)2-(2.420/2)2H21000=250kg則總質量：m=m1+m2+m3+m4=13501+540+20400+250=34691kg由于筒體高，采用8耳式支座雙層間隔排列。設計四個支座承載：Q=（346919.8）/4=84992.95kN根據JB/T 4725-92選用 耳式 A-6 材料Q235-AF，短臂，帶墊板