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 0表2-1 Q235-B性能與用途材料性能用途舉例溫度20 C左右情況下用， 抗拉強(qiáng)度：廣泛應(yīng)用于常、低壓370-500MPa壓力容器的筒體、力口Q235 B伸長率：26% （厚度40mm以下）強(qiáng)板、支座等方面的沖擊功： 27J （試驗(yàn)溫度 20 °

2、 ）材料選用冷、熱加工性能好，無磁性和好的低溫性廣泛應(yīng)用于化工設(shè)0Cr18Ni9能。具有足夠的耐晶間腐蝕能力備，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Q235 B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h 45mm，其內(nèi)徑取與筒體內(nèi)徑相同的尺寸。

3、橢圓形封頭是由半個橢圓球體和一個圓柱體組成， 由于橢圓部分徑線曲率平 滑連續(xù)，封頭中的應(yīng)力分布不均勻。對于ab 2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 Di和高度H。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V為主要決定參數(shù)。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

4、不宜太矮。因此，要選擇適宜的長涇比（H d）。根據(jù)釜體長徑比對攪拌功率、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，液一液相物料，H D 取值在之間，并且考慮還要在封頭上端布置機(jī)座和傳動裝置，因此，取H ° =2.3 o由 << 攪拌設(shè)備設(shè)計(jì) >> 可知:4V(2-1 )有：操作容積=全容積0.8=6.4m3; H 筒體高度，m ； Di 筒體內(nèi)徑;式中：V操作容積,裝料系數(shù)，取值為0.8則:=34 6.4i = ；0.8 2.3=1.638 m將Di值圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑，取筒體內(nèi)徑 Dj =1600 mm確定筒體的高度由攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)可

5、知:H V 2Vh A（V Vh） （2-2）Di / Di i4式中：Vh下封頭所包含的容積，在材料與零部件中查得，Vh =0.61746 4H（0.617）1.62 .0.8=3.689 m把H i的值圓整到H =3700 mm，貝歸370016002.32.5夾套的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)常用的夾套結(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，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

6、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，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。確定夾套與封頭的內(nèi)徑夾套的內(nèi)徑Dj 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Di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Di50060070080020003000DjDi+50Di +100Di +200由此關(guān)系可取：Dj = Di+200= 1600 200= 1800 mm則

7、:Hi =確定夾套筒體高度由于：S 夾=DiH1 + S封（2-3）則：H1 =S夾頭寸:二-（2-4）D1已知：傳熱面積22S夾=12 m，封頭的內(nèi)表面積S- = 2.98mS夾S封=12 2.98=3.14 1600=2600mm圓整后取：比=2600 mm。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0.21 MPa，釜體外壓設(shè)計(jì)壓力為0.315 MPa。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 0.21 MPa。釜體的筒體壁厚計(jì)算（1）首先對筒體按

8、照承受0.21 MPa的內(nèi)壓進(jìn)行計(jì)算PD由于：td十 C2 （ 2-5）2P式中：td為內(nèi)壓筒體設(shè)計(jì)厚度；P為設(shè)計(jì)壓力，P = 0.21 MPa ； Di為筒體內(nèi)徑，mm；t為Q235 B熱軋鋼板，在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，、137 MPa ；為焊縫系數(shù)，采用雙面焊縫，局部無損探傷，=0.85 ； C2為腐蝕裕度，取值為0 mm。將上述各值代入(2-5)中得:td圓整后，取名義厚度tn = 6 mm o0.21 16002 137 0.85 0.210.82.24mm(2) 按照承受0.315 MPa的外壓進(jìn)行計(jì)算 設(shè)筒體的有效厚度te = 10 mm則：D =1600 2 10 1620mm然

9、后確定 %，D/te 的值由于 h1 = 450 mm， D = 1620 mm因本結(jié)構(gòu)沒有下封頭，所以：= 2600所以:在化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)中查圖可知：A=0.0005，B=50 MPa則:0.308 MPa <0.315 MPaB _ 50D 162te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te _ 12 mm則：D _ Di+2te_1600 2 12 1624mmLD _260016241.6Dte_162412_135.3查圖得 A= 0.0005, B= 64.3 MPa則：P=d=64%35.3= 0.470.315Mpa/te可知：te=12mm時，滿

10、足外壓穩(wěn)定性要求綜上所述可知，釜體的筒體名義厚度tn取12 mm。釜體的封頭厚度計(jì)算（1）首先對封頭按照承受0.21 MPa的內(nèi)壓進(jìn)行計(jì)算已知：P=0.21MPa，Di = 1600mm，0.85，采用雙面焊縫，100% 無損探傷， 七= 137 MPa，C=C1 C2 C3 = 0.8 0 00.8將上述各值代入下列計(jì)算式中，得：PDit封t !C（ 2-6）20.5P0.21 1600= 0.82 137 0.850.5 0.21=2.3 mm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 tn = 12 mm。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

11、度。夾套的筒體壁厚計(jì)算夾套筒體按承受0.21 MPa的內(nèi)壓計(jì)算由于：PDjtdC （ 2-7）2P式中：P=0.21 MPa，Dj = 1800 mm，t=113MPa，0.85，C=C1C2 C3= 2.8 mm將上述各值分別代入（2-7）式中，得:0.21 1800=2 113 0.85 0.21=4.77 mm2.8圓整后取tn=8mm。水壓試驗(yàn)校核（1）試驗(yàn)壓力根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定：Pt = 1.25Pr MPa或 P+0.1 MPa （2-8）取兩者中較大的值。式中：Pt 試驗(yàn)壓力，MPa ；P對釜體試驗(yàn)壓力,P = 0.26 MPa，對夾套試驗(yàn)壓力,P = 0.39 MPa，則：釜體試驗(yàn)壓

12、力和夾套試驗(yàn)壓力分別為0.26 MPa 和 0.39 MPa。（2）內(nèi)壓水壓試驗(yàn)對于釜體，根據(jù)式:PtDite(2-9)式中：Pt = 0.26 MPa，Di = 1600mm，te = tn C =12 0.8=11.2mm則：_ 0.261600 11.2T =22.4=18 MPaT2te而 90% S 0.9 235211.5 MPa式中：一1可見T90% s,所以水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠 對于夾套，把 Pt = 0.39 MPa , Di = 1800mm ,te = tn C =8 2.8= 5.2 mm 代 入（2-10 ）中得：_ 0.391800 5.2T =2 5.2= 67.7

13、MPa而 90% S 0.9 235211.5 MPa可見T 90% S，所以水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。 對于釜體封頭，根據(jù)式：T=吐衛(wèi)嚴(yán)（2-10） 式中：PT = 0.26 MPa， Dj = 1600mm， K1 = 0.9 te = tn C = 12 2.8= 9.2 mm則:=0.26 0.9 1600 0.4 9.2=2 9.2= 16.6 MPa而 90% s 0.9 235211.5 MPa可見T 90% s，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 te tn C 12 0.811.2mmD Di 2te 16002 11.21622.4mm則:

14、1622.411.2144.86LD26001622.41.6在化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)查得A= 0.00049，B=63MPa。故許用應(yīng)力P = BDte6 = 0.43 MPa144.86PT = 0.26 MPa可知外壓水壓試驗(yàn)安全Pt，則作水壓試驗(yàn)時應(yīng)在釜體內(nèi)充壓，以防止釜體筒體失穩(wěn)。計(jì)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12mm傳熱面積的校核2又工藝要求夾套傳熱面積為12m。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

15、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，=1000kg m3，= lPa.S。3.2攪拌器的選型一攪拌設(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3-1攪拌目的擋板條件推薦型式液一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)

16、中所選介質(zhì)的粘度為=1 Pa.S，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)晶傳執(zhí)八、液相 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8 m3，轉(zhuǎn)速為60 r mi

17、n，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331攪拌器的尺寸確定根據(jù)槳徑dj與釜體內(nèi)徑之比，一般渦輪式攪拌器di D =0.35 0.8,本設(shè)計(jì)取= 0.5，則渦輪徑 dj =1600 0.5800 mm。攪拌器示意圖如圖3-1所示圖3-1攪拌器示意圖8001汁61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，攪拌器轉(zhuǎn)速足夠高 時，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，而中心液面下降形成“旋渦”，為了消除湍流狀態(tài)時的“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90角的擋板，如

18、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。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3.5攪拌器的功率計(jì)算反應(yīng)釜的尺寸和內(nèi)部附件以及攪拌器功率是攪拌器形狀、轉(zhuǎn)速、液體性質(zhì)、 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)無擋板時攪拌器功率的計(jì)算式為：Np 30.66N A 廠 101.2Re= B 5 3 0.66 n djRe103.2 Re0.35 上Di1 2sin .（ 3-1）當(dāng)有擋板時，把上式中的Re換成上式中：A25Rcb/Did

19、iDi0.4bDi0." bDi0.004814+bDi 670 di Di20.6185 ；仁3 4 bD1020.51.14 少Di24P-T.1 4 bDi 2.5 di o 0.67 b p,，仏=1001600 = °.0625, diDi=8001600=0-5 ；槳葉傾斜角，平槳=90 ;B 槳葉寬度，m ；H 葉層深度，m首先將bD和di D的值代入Rc、A、B和P中，得:0.11 bD 0.0048bDi250.062520.5 0.40.06250.11 0.0625 0.0048= 34.122A = 14+ 0.0625 670 0.5 0.6185

20、=2621.3 4 0.0625 0.51.14 0.5B= 10=0.9P = 1.1 4 0.0625 2.5 0.5 0.6 212t5 0.0644= 1.324然后將Rc、A、B和P的值分別代入N p得計(jì)算式中，得:30 661.3240.35 0.625“ 26cc 101.234.12 .2.6N p =0.930.6634.12103.234.121.6= 1.83 KW修正后攪拌器的攪拌器的功率應(yīng)按下式計(jì)算N = fNp n3dj5（3-2）式中：修正系數(shù)11則：N=1.83 100060 350.860=0.6 KW3.6攪拌軸的設(shè)計(jì)攪拌軸材料的選擇本設(shè)計(jì)選用45#鋼為攪拌

21、軸的材料。原因如下：45#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。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)攪拌軸懸臂過長而細(xì)時，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）Lib 4-5 ； Lld 40-45式中：Li為懸臂長度軸，m ;B為軸承間距，m ；d為攪拌軸直徑，m。本設(shè)計(jì)中：已知 L1 = 3700 mm，B=900mm，d= 85 mm則：L% = 370%00 = 4.1，L% = 37o%5 = 43.53由此可知滿足支承條件。圖3-4攪拌軸的支撐圖攪拌軸的強(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)時的強(qiáng)度條件是：maxMtWp(3-3)Nd把Mt = 9551 e和Wp = 代入(2-3)式中，得:n16,i Ne s ,、d= 36.5 3 e (3-4),n(3-3 )和(3-4)式中：max為截面上最大剪應(yīng)力Pa ；Mt為軸傳遞的扭矩，Nm ;Wp為抗扭截面系數(shù)，m3 ；為降低后的許用剪應(yīng)力，MPa，已知：=30 MP