化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì)夾套反應(yīng)釜.doc

化工設(shè)備大型作業(yè)題 目： 夾套反應(yīng)釜 教 學(xué) 院： 化學(xué)與材料工程學(xué)院 專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝（精細(xì)化工方向）學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2012年6月13日大型作業(yè)任務(wù)書420112012 學(xué)年第2學(xué)期學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：化學(xué)工程與工藝（精細(xì)化工方向）2009（1）指導(dǎo)教師： 工作部門： 化工教研室 一、大型作業(yè)題目：夾套反應(yīng)釜二、大型作業(yè)內(nèi)容（含技術(shù)指標(biāo)）1. 容積：20m3；2. 反應(yīng)溫度：150，加熱介質(zhì)：水蒸氣；3. 使用地點(diǎn)：黃石某地區(qū)。4. 作業(yè)成果：計(jì)算書1份，設(shè)備圖1張（A1圖紙手工繪制）。三、進(jìn)度安排15月28日：分配任務(wù)；25月28日-6月03日：查詢資料、初步設(shè)計(jì)；36月04日-6月08日：設(shè)計(jì)計(jì)算，完成報(bào)告。四、基本要求1設(shè)計(jì)方案：根據(jù)給定的條件合理選擇設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)接頭、鋼板材料的型號(hào)及熱處理?xiàng)l件等；2設(shè)計(jì)計(jì)算：依據(jù)材料的性能，對(duì)選用設(shè)備的壁厚進(jìn)行計(jì)算、穩(wěn)定性進(jìn)行校核；3輔助設(shè)備的選型：包括典型輔助設(shè)備的主要尺寸計(jì)算及型號(hào)規(guī)格：人孔或手孔設(shè)計(jì)、法蘭的型號(hào)規(guī)格、接管開孔結(jié)構(gòu)、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(yīng)釜的基本特點(diǎn)11.2反應(yīng)釜的發(fā)展趨勢22反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)參數(shù)及要求33 夾套反應(yīng)釜設(shè)計(jì)43.1夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu)43.1.1釜體部分43.1.2傳熱裝置43.2反應(yīng)釜的罐體和夾套的設(shè)計(jì)53.2.1罐體和夾套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)53.2.2筒體的幾何尺寸計(jì)算53.2.2夾套幾何尺寸計(jì)算53.2.3強(qiáng)度計(jì)算63.2.4穩(wěn)定性校核73.2.5水壓試驗(yàn)校核83.3反應(yīng)釜攪拌裝置設(shè)計(jì)83.3.1攪拌器選擇83.3.2設(shè)計(jì)攪拌軸93.4傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)103.4.1動(dòng)力設(shè)計(jì)103.4.2軸封裝置設(shè)計(jì)103.4.3聯(lián)軸器113.4.4凸緣法蘭選擇114 反應(yīng)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(xiàn)141 緒論1.1反應(yīng)釜的基本特點(diǎn)反應(yīng)釜體普遍采用鋼制(或襯里)、鑄鐵或搪玻璃。反應(yīng)釜所用的材料、攪拌裝置、加熱方法、軸封結(jié)構(gòu)、容積大小、溫度、壓力等各有異同、種類很多，它們的基本特點(diǎn)分述如下： （1）結(jié)構(gòu)：反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)基本相同，除有反應(yīng)釜體外，還有傳動(dòng)裝置、攪拌和加熱(或冷卻)裝置等，可改善傳熱條件，使反應(yīng)溫度控制得比較均勻，并不強(qiáng)化傳質(zhì)過程。（2）操作壓力：反應(yīng)釜操作壓力較高。釜內(nèi)的壓力是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生或由溫度升高而形成，壓力波動(dòng)較大，有時(shí)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(yīng)釜屬于受壓容器。（3）操作溫度：反應(yīng)釜操作溫度較高，通?；瘜W(xué)反應(yīng)需要在一定的溫度條件下才能進(jìn)行，所以反應(yīng)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(shí)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(diào)節(jié)器所組成，當(dāng)采用高壓水時(shí)，設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度要求高，反應(yīng)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(shí)，可用一個(gè)大氣壓以下的蒸汽來加熱；100180范圍內(nèi)，用飽和蒸汽；當(dāng)溫度更高時(shí)，可采用高壓過熱蒸汽。 用其它介質(zhì)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(shí)，可用其它介質(zhì)來代替水和蒸汽，如礦物油(275300)、聯(lián)苯醚混合劑(沸點(diǎn)258)、熔鹽(140540)、液態(tài)鉛(熔點(diǎn)327)等。 電加熱將電阻絲纏繞在反應(yīng)釜筒體的絕緣層上，或安裝在離反應(yīng)釜若干距離的特設(shè)絕緣體上，因此，在電阻絲與反應(yīng)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(shè)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(chǎn)生溫差壓力。采用電加熱時(shí)，設(shè)備較輕便簡單，溫度較易調(diào)節(jié)，而且不用泵、爐子、煙囪等設(shè)施，開動(dòng)也非常簡單，危險(xiǎn)性不高，成本費(fèi)用較低，但操作費(fèi)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(jià)格較低的地方。（4）反應(yīng)釜攪拌結(jié)構(gòu)：在反應(yīng)釜中通常要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，為保證反應(yīng)能均勻而較快的進(jìn)行，提高效率，通常在反應(yīng)釜中裝有相應(yīng)的攪拌裝置，于是便帶來傳動(dòng)軸的動(dòng)密封及防止泄漏的問題。（5）反應(yīng)釜的工作：反應(yīng)釜多屬間隙操作，有時(shí)為保證產(chǎn)品質(zhì)量，每批出料后都需進(jìn)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(yīng)情況和進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部檢修。1.2反應(yīng)釜的發(fā)展趨勢（1）大容積積化，這是增加產(chǎn)量、減少批量生產(chǎn)之間的質(zhì)量誤差、降低產(chǎn)品成本的有效途徑和發(fā)展趨勢。染料生產(chǎn)用反應(yīng)釜國內(nèi)多為6000L以下，其它行業(yè)有的達(dá)30m；國外在染料行業(yè)有2000040000L，而其它行業(yè)可達(dá)120 m。 （2）反應(yīng)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(qiáng)制循環(huán)。反應(yīng)釜發(fā)展趨勢除了裝有攪拌器外，尚使釜體沿水平線旋轉(zhuǎn)，從而提高反應(yīng)速度。（3）以生產(chǎn)自動(dòng)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(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加收益，減輕體力勞動(dòng)，又可消除對(duì)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(qiáng)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(yīng)后產(chǎn)生的熱能充分地綜合利用。熱管技術(shù)的應(yīng)用，將是今后反應(yīng)釜發(fā)展趨勢。2反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)參數(shù)及要求反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1-1表 11設(shè)計(jì)參數(shù)及要求容器內(nèi)夾套內(nèi)設(shè)計(jì)壓力（MPa）常壓1設(shè)計(jì)溫度() 150 180介質(zhì)有機(jī)物，水水蒸氣焊接街頭系數(shù)0.85/1.00.85/1.0全容積（）20充裝系數(shù)0.85腐蝕情況(mm)11推薦材料 Q235-C傳熱面積(m2)303 夾套反應(yīng)釜設(shè)計(jì)3.1夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu)帶攪拌的夾套反應(yīng)釜是化學(xué)、醫(yī)藥及食品等工業(yè)中常用的典型反應(yīng)設(shè)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(jìn)其反應(yīng)的設(shè)備。一臺(tái)帶攪拌的夾套反應(yīng)釜主要有攪拌容器、攪拌裝置、傳動(dòng)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(yīng)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(dòng)裝置是為帶動(dòng)攪拌裝置設(shè)置的，主要有電動(dòng)機(jī)、減速器、聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸等組成；軸封裝置為動(dòng)密封，一般采用機(jī)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(gòu)成完整的夾套反應(yīng)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(xué)反應(yīng)的空間，其容積由生產(chǎn)能力和產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)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(nèi)表面襯耐蝕材料。(3) 釜體殼能同時(shí)承受內(nèi)部介質(zhì)壓力和夾套壓力，必須分別按內(nèi)、外壓單獨(dú)作用時(shí)的情況考慮，分別計(jì)算其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。(4) 對(duì)于承受較大外壓的薄壁筒體，在筒體外表面影設(shè)置加強(qiáng)圈。3.1.2傳熱裝置為及時(shí)送入化學(xué)放應(yīng)所需熱量或傳出化學(xué)放應(yīng)放出的熱量，在釜體外部或內(nèi)部可設(shè)置傳熱裝置，使溫度控制在需要的范圍之內(nèi)。 常用的傳熱裝置是在釜體外部設(shè)置夾套或在釜體內(nèi)部設(shè)置蛇管。(1) 反應(yīng)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(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。 攪拌過程中，物料的湍動(dòng)程度增大，反應(yīng)物分子之間、反應(yīng)物分子與容器器壁之間的接觸不斷更新，既強(qiáng)化了傳質(zhì)和傳熱，又有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。攪拌器采用推進(jìn)式攪拌器。(2) 反應(yīng)釜的傳動(dòng)裝置主要由電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸等組成。(3) 反應(yīng)釜的軸封裝置：為維持設(shè)備內(nèi)的壓力或阻止釜內(nèi)介質(zhì)泄漏，在攪拌軸伸出封料抖出必須進(jìn)行密封（動(dòng)密封）。軸封裝置通常有填料密封和機(jī)械密封。(4) 反應(yīng)釜的其他附件，包括支座、人孔、工藝接管等。3.2反應(yīng)釜的罐體和夾套的設(shè)計(jì)3.2.1罐體和夾套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǔ)或平臺(tái)上。根據(jù)反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)參數(shù)及要求可知，罐體采用立式圓筒形結(jié)構(gòu)，上、下封頭均采用標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)形式。3.2.2筒體的幾何尺寸計(jì)算公稱容積 V=20m3 取內(nèi)徑為 D1=2400mm 查JB/T4746-2002 DN=2400標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭 總深度 h=625mm 內(nèi)表面積 Fh=4.4530 容積 Vh=1.1257m3則直筒高度m將計(jì)算結(jié)果圓整到 H1=4000mm長徑比 3.2.2夾套幾何尺寸計(jì)算罐體直徑D1=2000mm，則夾套內(nèi)徑D2=D1+200=2600mm 符合壓力容器公稱直徑系列取反應(yīng)釜的裝填系數(shù)=0.85，則計(jì)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(qiáng)度計(jì)算 罐體和夾套選擇Q235C ，設(shè)計(jì)溫度：t1=150（罐體內(nèi)） t2=180（夾套內(nèi)），設(shè)計(jì)壓力1：常壓（罐體內(nèi)），P2=1MPa（夾套內(nèi)） 由于是高溫水蒸汽加熱，罐體安外壓容器計(jì)算，夾套安內(nèi)壓容器計(jì)算。查表在設(shè)計(jì)溫度下Q235C的許用應(yīng)力2t=114.5MPa則筒體和夾套的計(jì)算厚度 取焊接接頭系數(shù)3=0.85 筒體厚度計(jì)算：mm夾套厚度計(jì)算：mm筒體封頭厚度計(jì)算（采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭）：mm夾套封頭厚度計(jì)算：mm取鋼板厚度負(fù)偏差4：C1=0.8mm，腐蝕裕量：罐體C2=2mm 夾套C2=1mm筒體設(shè)計(jì)厚度： 1d=1+ C1+ C2=12.393+0.8+2=15.193mm夾套設(shè)計(jì)厚度： 2d=2+ C1+ C2=13.426+0.8+1=15.226mm筒體封頭設(shè)計(jì)厚度： 3d=3+ C1+ C2=12.362+0.8+2=15.112mm夾套封頭設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)外壓為1MPa，假設(shè)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(jì)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(shè)筒體名義厚度3n=28mm 有效厚度e=3n-2.8=25.2mm標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭當(dāng)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(shù) 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(yàn)校核對(duì)筒體進(jìn)行水壓試驗(yàn)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(duì)夾套進(jìn)行水壓試驗(yàn)假設(shè)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(shè)計(jì)要求。3.3反應(yīng)釜攪拌裝置設(shè)計(jì)3.3.1攪拌器選擇設(shè)計(jì)DN=20m3 反應(yīng)釜充料系數(shù)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(shè)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(jì)算出轉(zhuǎn)速N=95.5r/min3.3.2設(shè)計(jì)攪拌軸7假設(shè)釜內(nèi)介質(zhì)： 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(shù)查圖8功率因數(shù)KN=0.5總功率 N=3KNn3DJ5=30.512001.59315=7.24kW根據(jù)校正 軸材料選用45鋼9 許用應(yīng)力為=35MPa 軸滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件： =T/WT扭矩 T=9.55106P/nNmm p=N0抗扭截面系數(shù) Fd3/160.2d3則 dA0=46.9mm符合設(shè)計(jì)要求剛度校核45鋼，單位許用扭轉(zhuǎn)角 =1.0/m 剪切彈性模量G=8104MPa/mmax=1.09/m=1.0/m 符合設(shè)計(jì)要求按剛度條件設(shè)計(jì)軸直徑mm再次進(jìn)行剛度校核/mmax=0.996/m=1.0/m考慮到物料對(duì)軸的腐蝕劑開鍵需要，軸徑擴(kuò)大11%d=48（1+0.11）=52.8mm圓整到d=55mm由于軸較長，故設(shè)計(jì)兩段軸，軸間使用聯(lián)軸器相連對(duì)軸上鍵槽開三個(gè)鍵槽 槽寬度b=15mm 長度l=108mm3.4傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)3.4.1動(dòng)力設(shè)計(jì)攪拌軸軸功率為7.235kW，考慮到電機(jī)經(jīng)減速機(jī)等一些消耗，設(shè)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(jī)電機(jī)10kW，減速機(jī)出軸轉(zhuǎn)速85r/min選擇機(jī)型號(hào)4，電機(jī)型號(hào)524、功率10kW 、軸徑38mm 、減速機(jī)出軸徑55mm 3.4.2軸封裝置設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)反應(yīng)釜為常壓反應(yīng)釜，對(duì)軸封裝置密封性要求不高，對(duì)于常壓、低轉(zhuǎn)速設(shè)備允許定期維護(hù)。選用填料密封結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。根據(jù) HG 5-1412-81標(biāo)準(zhǔn)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(lián)軸器根據(jù)HG21570-95選用D型夾殼聯(lián)軸器軸徑d=55mm D=150mm L=190mm L1=78mm L2=34mm質(zhì)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(dòng)裝置，亦可兼作安裝、維護(hù)、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(yīng)釜附件選用4.1耳式支座選用夾套反應(yīng)釜多為立式安裝，常用耳式支座。估算設(shè)備總質(zhì)量 m=m1+m2+m3+m4其中m1：罐體和夾套質(zhì)量 m2：傳動(dòng)裝置總重 m3：物料質(zhì)量 m4：冷卻水重m1計(jì)算:查表 化工及設(shè)備簡明設(shè)計(jì)手冊(cè) P123-51=28mm，每平方米質(zhì)量219.8kg/m22=16mm, 每平方米質(zhì)量125.6kg/m2單封頭表面積估計(jì)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(shù)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(zhì)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(shè)計(jì)四個(gè)支座承載：Q=（346919.8）/4=84992.95kN根據(jù)JB/T 4725-92選用 耳式 A-6 材料Q235-AF，短臂，帶墊板