攪拌反應(yīng)釜的釜體設(shè)計(jì)及夾套設(shè)計(jì)

1、攪拌反應(yīng)釜的釜體設(shè)計(jì)及夾套設(shè)計(jì)2.1 概述夾套式反應(yīng)釜的釜體是由封頭、筒體和夾套三部分組成。封頭有橢圓形封頭和錐形封頭等形式。上、下封頭與筒體常為焊接。 2.2 釜體材料的選擇根據(jù)工藝參數(shù)及操作條件（見附錄2）確定封頭、筒體及夾套的材料。此設(shè)計(jì)的釜體材料選用0Cr18Ni9與夾套材料選用Q235-B，熱軋鋼板，其性能與用途見表2-1。表2-1 Q235-B性能與用途材料性能用途舉例Q235B溫度20左右情況下用，抗拉強(qiáng)度：370-500MPa伸長率：26%（厚度40mm以下）沖擊功：27J（試驗(yàn)溫度 20°）廣泛應(yīng)用于常、低壓壓力容器的筒體、加強(qiáng)板、支座等方面的材料選用0Cr18Ni

2、9冷、熱加工性能好，無磁性和好的低溫性能。具有足夠的耐晶間腐蝕能力廣泛應(yīng)用于化工設(shè)備，工業(yè)設(shè)備，常、低壓壓力容器的筒體等方面的材料選用由工藝參數(shù)及操作條件和表2-1可知，0Cr18Ni9和Q235B材料能夠滿足任務(wù)書中的設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力。在操作條件下，Q235B能使設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)，并且不會因腐蝕而對介質(zhì)產(chǎn)生污染，而且相對與其他鋼號價(jià)格便宜，所以本設(shè)計(jì)釜體材料選用0Cr18Ni9與夾套材料采用Q235-B，熱軋鋼板。2.3 封頭的選擇攪拌反應(yīng)釜頂蓋在受壓狀態(tài)下操作常選用橢圓形封頭，本設(shè)計(jì)采用橢圓形標(biāo)準(zhǔn)封頭，直邊高度，其內(nèi)徑取與筒體內(nèi)徑相同的尺寸。橢圓形封頭是由半個(gè)橢圓球體和一個(gè)圓柱體組成，由于橢

3、圓部分徑線曲率平滑連續(xù)，封頭中的應(yīng)力分布不均勻。對于得標(biāo)準(zhǔn)形封頭，封頭與直邊的連接處的不連續(xù)應(yīng)力較小，可不予考慮。橢圓形封頭的結(jié)構(gòu)特性比較好。2.4 釜體幾何尺寸的確定 釜體的幾何尺寸是指筒體的內(nèi)徑和高度。釜體的幾何尺寸首先要滿足化工工藝的要求。對于帶攪拌器的反應(yīng)釜來說，容積為主要決定參數(shù)。2.4.1 確定筒體的內(nèi)徑由于攪拌功率與攪拌器直徑的五次方成正比，而攪拌器直徑往往需隨釜體直徑的增加而增大。因此，在同樣的容積下筒體的直徑太大是不適宜的。對于發(fā)酵類物料的反應(yīng)釜，為使通入的空氣能與發(fā)酵液充分接觸，需要有一定的液位高度，筒體的高度不宜太矮。因此，要選擇適宜的長涇比（）。根據(jù)釜體長徑比對攪拌功率

4、、傳熱的影響以及物料特性對筒體長徑比的要求，又由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對一般反應(yīng)釜，液液相物料， 取值在1.7-2.3之間，并且考慮還要在封頭上端布置機(jī)座和傳動裝置，因此，取=2.3。由<<攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)>>可知：= （2-1） 有：操作容積=全容積0.8=6.4式中：操作容積，；筒體高度，；筒體內(nèi)徑；裝料系數(shù)，取值為0.8。則： =1.638將值圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑，取筒體內(nèi)徑=1600。2.4.2確定筒體的高度由攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)可知： （2-2）式中：下封頭所包含的容積，在材料與零部件中查得，=0.617 。 =3.689把的值圓整到=3700，則：2.5 夾套的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)常用的夾套

5、結(jié)構(gòu)形式有以下幾種：（1）僅圓筒部分有夾套，用于需加熱面積不大的場合；（2）圓筒一部分和下封頭包有夾套，是最常用的典型結(jié)構(gòu)；（3）在圓筒部分的夾套中間設(shè)置支撐或加強(qiáng)環(huán)，以提高內(nèi)筒的穩(wěn)定性，在夾套中介質(zhì)壓力較大時(shí)，由于這種結(jié)構(gòu)減小了內(nèi)筒的計(jì)算長度，從而減小了筒體的壁厚；（4）為全包式夾套，與前三種相比，傳熱面積最大。本設(shè)計(jì)中夾套的結(jié)構(gòu)選擇第一種最最常用的典型結(jié)構(gòu)。夾套上設(shè)有介質(zhì)進(jìn)出口。當(dāng)夾套中用蒸汽作為載熱體時(shí)，蒸汽一般從上端進(jìn)入夾套，冷凝液從夾套底部排出，如用液體作為冷卻液時(shí)則相反，采取下端進(jìn)，上頓出，以使夾套中經(jīng)常充滿液體，充分利用傳熱面，加強(qiáng)傳熱效果。2.5.1 確定夾套與封頭的內(nèi)徑夾套的

6、內(nèi)徑一般按公稱尺寸系列選取，以利于按標(biāo)準(zhǔn)選擇夾套封頭，具體可根據(jù)筒體直徑按表2-2中推薦的數(shù)值選用。表2-2 夾套內(nèi)徑與筒體內(nèi)徑的關(guān)系50060070080020003000+50+100+200由此關(guān)系可?。?+200=。2.5.2 確定夾套筒體高度由于： =+（2-3）則： =（2-4）已知：傳熱面積=，封頭的內(nèi)表面積=則：= = =圓整后?。?。2.6 釜體和夾套的壁厚的確定釜體和夾套的強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)可按內(nèi)、外壓容器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。本設(shè)計(jì)中，釜體的筒體與其下封頭按承受內(nèi)壓和外壓分別進(jìn)行計(jì)算，釜體內(nèi)壓設(shè)計(jì)壓力為，釜體外壓設(shè)計(jì)壓力為。夾套的筒體以及釜體的上封頭按內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)壓力為。

7、2.6.1 釜體的筒體壁厚計(jì)算 (1) 首先對筒體按照承受的內(nèi)壓進(jìn)行計(jì)算由于： （2-5）式中： 為內(nèi)壓筒體設(shè)計(jì)厚度；為設(shè)計(jì)壓力，=； 為筒體內(nèi)徑，； 為Q235B熱軋鋼板，在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，=； 為焊縫系數(shù)，采用雙面焊縫，局部無損探傷，=；為腐蝕裕度，取值為。將上述各值代入（2-5）中得：圓整后，取名義厚度=。（2）按照承受的外壓進(jìn)行計(jì)算 設(shè)筒體的有效厚度=則： =然后確定，的值由于=，=因本結(jié)構(gòu)沒有下封頭，所以 ： =所以： = =在化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)中查圖可知：A=，B=則：=<由此可知：壁厚不符合要求，需增加壁厚計(jì)算。再設(shè)筒體的有效厚度 =則： =+2=查圖得A=，B=則：

8、=可知：=時(shí)，滿足外壓穩(wěn)定性要求綜上所述可知，釜體的筒體名義厚度取。2.6.2 釜體的封頭厚度計(jì)算（1）首先對封頭按照承受的內(nèi)壓進(jìn)行計(jì)算已知：P=，=，采用雙面焊縫，無損探傷，=，C=將上述各值代入下列計(jì)算式中，得：（2-6）=考慮到封頭與筒體的焊接方便，取封頭與筒體相等壁厚，即取封頭壁厚名義厚度=。因本結(jié)構(gòu)沒有夾套下封頭，所以不用按照外壓進(jìn)行計(jì)算封頭厚度。2.6.3 夾套的筒體壁厚計(jì)算夾套筒體按承受的內(nèi)壓計(jì)算由于： （2-7）式中： P=，=，=，C=將上述各值分別代入(2-7)式中，得： =圓整后取 =。2.6.5 水壓試驗(yàn)校核（1）試驗(yàn)壓力根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定：=或P+（2-8）取兩者中較大的值

9、。式中：試驗(yàn)壓力，；式中：對釜體試驗(yàn)壓力，=，對夾套試驗(yàn)壓力，=， 則：釜體試驗(yàn)壓力和夾套試驗(yàn)壓力分別為和。（2）內(nèi)壓水壓試驗(yàn)對于釜體，根據(jù)式： =（2-9）式中：=，=，=則： =而 可見，所以水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。對于夾套，把=，=，=代入（2-10）中得： = =而可見，所以水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。對于釜體封頭， 根據(jù)式：= （2-10）式中：=，=，=則： = =而可見，所以水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。綜上所述，內(nèi)壓水壓試驗(yàn)安全。（3）外壓水壓試驗(yàn)對于釜體由于 則： =在化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)查得 A=，B=。故許用應(yīng)力=可知外壓水壓試驗(yàn)安全。若，則作水壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)在釜體內(nèi)充壓，以防止釜體筒體失穩(wěn)。2.6.6 計(jì)

10、算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)如下表2-3表2-3釜體夾套筒體壁厚12mm8mm封頭壁厚12mm2.6.7 傳熱面積的校核又工藝要求夾套傳熱面積為。可知實(shí)際總傳熱面積大于工藝要求的傳熱面積，滿足傳熱要求，（如果其小于工藝要求的傳熱面積，則應(yīng)再釜體內(nèi)設(shè)置其他換熱裝置）。3 反應(yīng)釜攪拌裝置的設(shè)計(jì)3.1 概述攪拌器又稱攪拌槳或葉輪，它的功能是提供過程所需要的能量和適宜的流動狀態(tài)以達(dá)到攪拌的目的。本設(shè)計(jì)中，攪拌介質(zhì)為有機(jī)溶，=，=。3.2 攪拌器的選型攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)攪拌器的型式是根據(jù)攪拌的目的來選擇的 ，本設(shè)計(jì)選用六直葉圓盤渦輪式。原因有以下幾點(diǎn)： 根據(jù)不同的攪拌過程的攪拌器型式，可選用表3-1中的幾種攪拌器型式。表3-

11、1攪拌目的擋板條件推薦型式液液相分散不互溶的 液體及在其中強(qiáng)化傳質(zhì)和 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)有擋板槳式、渦輪式、推進(jìn)式由于其攪拌目的及擋板條件均與本設(shè)計(jì)的攪拌介質(zhì)相符，所以選用上表所推薦的型式之一渦輪式式攪拌器。 液體的粘度對攪拌狀態(tài)有很大影響，所以根據(jù)攪拌介質(zhì)的粘度大小來選型是一種基本方法，在本設(shè)計(jì)中所選介質(zhì)的粘度為=，屬于低粘度介質(zhì)，而本設(shè)計(jì)所選的圓盤渦輪式，由于其結(jié)構(gòu)簡單且用擋板可改善流型，所以在低粘度時(shí)應(yīng)用較普遍。 根據(jù)渦輪式攪拌器型式的適用條件，表3-2所示：表3-2 槳式攪拌器型式的適用條件攪拌器型式流動狀態(tài)攪拌目的槽容量范圍轉(zhuǎn)速范圍最高粘度對流循環(huán)湍流擴(kuò)散剪切流低粘度液混合溶解結(jié)晶傳熱液相

12、反應(yīng)槳式000000001-30010-3002備注：表中“0”表示適合。根據(jù)上表可知渦輪式攪拌器適用的條件與本設(shè)計(jì)的相應(yīng)條件相符，其中流體的流動狀態(tài)三者兼有，攪拌目的為低粘度液體混合，槽容量為 ， 轉(zhuǎn)速為，選用渦輪式攪拌器。3.3 攪拌器的尺寸及攪拌層數(shù)的確定3.3.1 攪拌器的尺寸確定根據(jù)槳徑與釜體內(nèi)徑之比，一般渦輪式攪拌器=,本設(shè)計(jì)取=，則渦輪徑=。攪拌器示意圖如圖3-1所示。800 圖3-1 攪拌器示意圖3.3.2 攪拌層數(shù)的確定安裝在攪拌設(shè)備中心的各種攪拌器，當(dāng)液體粘度不高時(shí)，攪拌器轉(zhuǎn)速足夠高時(shí)，切向流會形成“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”，另外，在釜體內(nèi)的離心力作用下甩向器壁，使周邊液體沿器壁上升

13、，而中心液面下降形成“旋渦”，為了消除湍流狀態(tài)時(shí)的“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”和打旋現(xiàn)象，可在反應(yīng)器內(nèi)安裝擋板。本設(shè)計(jì)在器壁上安裝4塊互成角的擋板，如圖3-2所示。擋板的作用： 將切向流動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動，對于釜體內(nèi)液體的主體對流擴(kuò)散、軸向擴(kuò)散和徑向流動都是有效的；綜上所述，本設(shè)計(jì)采用雙層槳。 圖3-2 擋板示意圖3.4 攪拌器的位置確定槳葉為一層，安裝位置如圖2-3所示，接近封頭與筒體的連接處。圖3-3 攪拌器位置示意圖3.5 攪拌器的功率計(jì)算攪拌器功率是攪拌器形狀、轉(zhuǎn)速、液體性質(zhì)、反應(yīng)釜的尺寸和內(nèi)部附件以及攪拌器在反應(yīng)釜內(nèi)的位置的函數(shù)。根據(jù)永田進(jìn)治公式進(jìn)行計(jì)算：當(dāng)無擋板時(shí)攪拌器功率的計(jì)算式為：= （3-

14、1）當(dāng)有擋板時(shí)，把上式中的換成= 上式中：14+； ；，=，=；槳葉傾斜角，平槳=；槳葉寬度，；葉層深度，。首先將和的值代入、和中，得： = = =14+= = =然后將、和的值分別代入得計(jì)算式中，得：=修正后攪拌器的攪拌器的功率應(yīng)按下式計(jì)算= （3-2）式中：修正系數(shù)則：=3.6攪拌軸的設(shè)計(jì)3.6.1 攪拌軸材料的選擇本設(shè)計(jì)選用鋼為攪拌軸的材料。原因如下：鋼為高強(qiáng)度中碳鋼，其特點(diǎn)是強(qiáng)度較高，塑性及韌性較好，切屑性優(yōu)良，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，獲得較好的綜合機(jī)械性能。3.6.2 軸的支承條件設(shè)計(jì)一般情況下，攪拌軸依靠減速箱內(nèi)的一對稱軸支持，但是，由于攪拌往往較長而且懸伸在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行攪拌操作，當(dāng)攪拌軸懸臂

15、過長而細(xì)時(shí)，常會將軸扭彎，使其離心力作用增加，最后達(dá)到完全破壞。懸臂的支撐條件如下：（如圖3-4所示）4-5；40-45 式中：為懸臂長度軸，；為軸承間距， ；為攪拌軸直徑，。本設(shè)計(jì)中：已知=， B=，d=則：=，=由此可知滿足支承條件。圖3-4 攪拌軸的支撐圖3.6.3 攪拌軸的強(qiáng)度計(jì)算對攪拌軸來說，它承受扭轉(zhuǎn)的和彎曲的聯(lián)合作用，但扭轉(zhuǎn)作用為主，軸承受扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度條件是： = (3-3)把=和= 代入(2-3)式中,得： d=(3-4)（3-3）和(3-4)式中：為截面上最大剪應(yīng)力，；為軸傳遞的扭矩，；為抗扭截面系數(shù)，；為降低后的許用剪應(yīng)力，已知：=；為電機(jī)功率，由攪拌器功率圓整后修正得到，=；n為攪拌軸的轉(zhuǎn)速，n=；d為攪拌軸的直徑，。則： d= 圓整后取d=,這個(gè)滿足強(qiáng)度條件,但不滿足支承條件。3.6.4攪拌軸的剛度計(jì)算為了防止轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)變形，以免在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生振動引起軸封泄漏，單位長度的扭轉(zhuǎn)角不得超過許用扭轉(zhuǎn)角作為扭轉(zhuǎn)的剛度條件： =（3-5）式中：為軸扭轉(zhuǎn)變形的扭轉(zhuǎn)角， ；G為剪切彈性模量，對于碳鋼及合金G=0.81；為軸截面的牛頓慣性矩， ；為許用扭轉(zhuǎn)角，一般傳動中取-1,在本設(shè)計(jì)中取值為1；為軸傳遞的扭矩，。把=，G=0.81，=，=代入（3-5）式中，得