反應釜的設計(1)

1、反應釜的設計摘 要：本文對攪拌反應釜的設計進行了分析，并結合實踐經(jīng)驗對攪拌反應釜的有關參數(shù)、 結構型式進行了合理的選擇，以滿足本設備性能的要求，使其成為合格的產(chǎn)品。關鍵詞：攪拌反應釜、設計、結構型式、 前言2006年，我接到用戶委托我公司設計制造的改質瀝青反應釜的設計 任務書。這項任務比較復雜，雖然之前我已設計過攪拌設備，但都屬于 小型常規(guī)設備，這次的設計屬大型反應釜，使用的工況苛刻，最主要的 是按用戶需求的攪拌器型式標準選取不到，公司以前也沒設計制造過， 此次新設計的攪拌器不僅要使用效果好還得滿足設計強度要求。經(jīng)過一 段時間的苦戰(zhàn)，我終于完成了此項任務，較好的解決了設計和制造過程 中遇到的問

2、題。至今該設備投產(chǎn)幾年，運行情況良好。二、工藝過程反應釜是制取煤油和瀝青過程中的重要設備之一。煤油和瀝青是我 們平常所熟悉的生活及建筑材料。它們的制作原料是煉煤廠煉煤過程中 產(chǎn)生的焦油。其流程是把焦油送進反應釜，通過攪拌、調和、分離、脫 水再加入洗油，同時在容器的傳熱裝置加熱下使其溶解（此時的物質稱 為改質瀝青），再把它送到塔設備，從而提起煤油、瀝青。用戶提供的 反應釜操作條件是：設計壓力0.5MPa；設計溫度470；工作介質為： 焦油、洗油、水、蒸汽；容積為20M3 ;攪拌器轉速33rpm;電動機功率 18.5kw;設備需帶傳熱裝置。其結構型式由我公司來確定。三、確定結構型式我公司生產(chǎn)的大多

3、數(shù)產(chǎn)品都是不帶傳動的，是靜止的，如罐、塔、 換熱器等產(chǎn)品。設計反應釜的難點是：反應釜由哪些部件組成？各部分的 設計參數(shù)和幾何參數(shù)如何確定？采用哪種結構型式？如何裝配？各種參 數(shù)和構件的設置是否合理？設備攪拌時能否達到靜平衡、同心度的要求？傳熱構件設計是否滿足反應釜工作原理的要求？軸封裝置在470r的高 溫下，能否滿足密封要求？通過查閱了大量技術資料，我對反應釜的主要部件的結構型式、幾何尺 寸、載荷受力、強度設計及其構件的選材、攪拌裝置中攪拌器的形式、數(shù)量 和各個攪拌器之間的安裝位置、傳動裝置及軸封選型、傳熱裝置結構形式及 安裝高度等重要參數(shù)進行了逐一的計算和確定。反應釜的結構確定由容器部 分、

4、攪拌裝置、傳動裝置、軸封裝置及傳熱構件組成。根據(jù)工藝要求配有介 質的進出管口、壓力表、溫度計口、取樣口、安全閥口、注油口、水進出口、 人孔、視鏡及支座。整個反應釜的設計分為五個部分：（一）、容器部分1、容器幾何尺寸的確定根據(jù)工藝設計提出的設備容積為20M3,先選取H/D值，即筒體高度H與 內(nèi)徑D的比值，然后求出筒體高度H,筒體高度H加上2個封頭的曲面高度為 容器總體高度。原則是盡量降低容器的總體高度，減少攪拌軸的懸臂長度， 以保證設備的平穩(wěn)運轉，滿足產(chǎn)品工藝性能的要求。由此看出，容器的高度 與H/D及封頭的曲面高度有關。在選擇封頭形式時，要有利于降低容器高度， 一般情況下，封頭采用橢圓形較多，

5、因其受力均勻，但對于大型設備而言， 橢圓封頭凸面較深，會使設備總高度增加。碟形封頭的凸面較淺，能降低容 器的高度。因此，我決定采用蝶形封頭oH/D值通過分析及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，最終確 定：H/D 為 1.6，從而確定 H=3840mm,D=2400mm。2、強度計算：根據(jù)GB150-1998鋼制壓力容器進行載荷及強度計算。值得注意的是， 我設計的反應釜上封頭在滿足強度的條件下還應考慮到：傳動裝置較大，重 量大，且這部分局部載荷所產(chǎn)生的軸向力對上封頭的影響較大。一般常規(guī)的 設計都是把封頭的厚度增加，但是軸向力只在封頭的頂部，即接觸傳動裝置 的部分。如果封頭整體加厚，將造成材料和成本的增加?？紤]到上述因素

6、我 決定在上封頭滿足強度的情況下，設置八塊厚度為12mm的加強筋，均布焊在 上封頭上。這樣既保證了上封頭的強度和穩(wěn)定性，又節(jié)約了原材料，降低了 成本。這在我公司的設計中是一種創(chuàng)新。根據(jù)設計壓力、設計溫度，筒體和封頭的材料選用16MnR。通過強度計算 后，筒體及封頭的厚度為S=26mm。（二）、傳動裝置形式及連接方式的選擇1、傳動裝置形式的選擇根據(jù)反應釜的特點，設計的傳動裝置包括電機、減速器、聯(lián)軸器及機架 幾個部分。這些部件已系列化，標準化，并能定型生產(chǎn)。但在選型時要注意 它們之間的相容性和設備本身的特點。a、電機的選擇電機應選用無機變速，并且?guī)Х辣b置。這是因為我所設計的反應釜的轉速 不是恒定

7、的，所以需采用可調節(jié)裝置來使其轉速在某一確定范圍內(nèi)實行無級 變速的調節(jié)。調節(jié)的目的是考慮到攪拌啟動的需要及在生產(chǎn)周期中根據(jù)介質 粘度變化使攪拌產(chǎn)生不同的湍流強度。之所以選擇帶防爆裝置，是因為焦油 屬于易燃物質，從安全的角度考慮需要該裝置。b、機架形式的選擇機架分無支點、雙支點和三支點三種形式，其用途是連接減速機并使它 固定在上封頭的底座上。因我設計的反應釜功率大，會在激烈的攪拌中產(chǎn)生 較大的軸向力，造成軸承和上封頭負荷較大，所以要求機架要有良好的支承 力，才能保證軸平穩(wěn)運轉，不至于產(chǎn)生較大的擺動，以減少填料的損耗，提 高軸封的密封效率。因為雙支點機架具備上述優(yōu)點，所以我決定選用雙支點 機架。C

8、、聯(lián)軸器的選擇因我采用的是雙支點機架，而雙支點機架本身屬于剛性連接，且攪拌軸 在攪拌過程中由于會產(chǎn)生較的的軸向力，容易使攪拌軸扭斷。為了避免上述 隱患，在減速機與攪拌軸的連接中，采用了彈性聯(lián)軸器。按照上述的配置，可以不必設底軸承，填料裝置下端也不必帶支承軸套， 免得使軸承結構復雜化，增加安裝及檢修的麻煩。根據(jù)工藝提出的功率 (18.5kw)、轉速(33rpm)及上述的分析，我選用的電機型號為:YB112M-18.5, 減速機型號為：BLD18.5-39-29;機架型號為：LSJ100A;聯(lián)軸器的型 號:TK-100。2、連接方式從以上可以看出，選擇合理的支承是保證設備正常運轉的關鍵，而正確 的

9、連接方式又是保證支承發(fā)揮它應有的作用必不可少的條件。以往機架與上 封頭的底座的連接方式(如圖1所示)為：底座焊于上封頭上，先是凸緣法 蘭與底座采用雙頭螺柱聯(lián)接，然后再采用沉頭螺柱使凸緣法蘭與機架相連。 按標準底座的外徑為C =830mm,厚度為S=90mm,凸緣法蘭的外徑為C =830mm, 厚度為S=96mm。這種結構在以往的反應釜設計中，機架與凸緣法蘭聯(lián)結的沉 頭螺柱往往會在攪拌過程中由于振動而發(fā)生松動，造成軸不同心，影響攪拌 質量。且軸嚴重偏心時，還會造成密封及漿葉都無法正常工作。再一點，底 座與凸緣法蘭的外徑較大，從上面的的分析可知，軸向力只作用于機架與封 頭接觸的那一部分，底座與凸緣

10、法蘭這樣大的外徑，勢必將造成材料的浪費， 提高造價等問題。對于大型攪拌反應釜來說，這確實一個設計難題。為了避 免上述問題，我通過計算做出了如下改進，如圖2所示。增加了一個高度為100mm的短節(jié)，把底座及凸緣法蘭的外徑縮小到與機架外 徑（C=600mm）相一致，底座及凸緣法蘭的厚度改為50mm，且用雙頭螺柱將底 座、凸緣法蘭及機架聯(lián)結起來，并分別用螺母上下固定，這樣既有效的防止 了雙頭螺柱的松動，又保證了設備的平穩(wěn)性，從而減少了材料的消耗，節(jié)約 了成本。產(chǎn)品制作完畢投入使用后，得到了用戶的一致好評。這在我廠的設 計中又是一種創(chuàng)新。（三）、攪拌裝置形式的選擇攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成。這臺反應釜

11、屬于大型攪拌設備，因其直徑和容積大，也就給該設備的攪 拌過程增加了一定的難度，同時在攪拌過程中要達到功率消耗最低，有較強 的剪切能力和液體循環(huán)能力，并能提高傳熱效率。針對上述要求，根據(jù)設備 的介質特性，攪拌裝置設計如下：1、攪拌器的選擇本反應釜屬于大型攪拌設備，因介質液層較高，介質粘度大，為使其 攪拌均勻，需要設置多層攪拌器。通過對功率的分配及強度計算，最終確 定攪拌器數(shù)量為7個。第一層攪拌器盡量接近釜底，其結構形式采用曲面 形狀與封頭相仿的框式攪拌器，槳葉寬為140，高為560，厚度為22，并 安裝在距下封頭500mm的高度上，以防止介質在釜底沉淀。第二至第七層 則采用非標槳式攪拌器，槳葉大

12、端為250，小端為120，厚度為18,見圖3。相鄰的層與層之間采用交叉90安裝，使其產(chǎn)生軸向分流，且分流方 向全部向下，這樣就加強了設備介質的軸向循環(huán)能力。同時，為了安裝及 檢修方便，在各層攪拌器安裝方面采用了用螺栓對夾加上穿軸螺栓的方 法，攪拌器與攪拌軸用平鍵連接并采用緊定螺釘固定，使槳葉與軸之間可 進行拆卸如圖3所示。槳葉端部刮板也采用活動連接，便于更換。在沒有標準可選，也無經(jīng)驗可 借鑒的情況下設計合理尺寸槳葉刮板成了一大難題。我用的是實際放樣 法：采用一比一比例在電腦上畫出外形尺寸，然后用紙板剪成模型，再到 車間與工人師傅探討制造成形及組裝問題。最終解決了刮板設計問題.見 圖4所示。2、

13、攪拌軸攪拌軸是用來傳遞動力的，攪拌軸的計算主要是用來滿足強度和剛度的 要求。所以在滿足上述要求的前提下，應盡量降低攪拌軸的長度，以提高軸 的剛性。但對于大型攪拌來說，不可避免的會使攪拌軸過長，且還會給設備 的安裝及制造帶來一定的困難。為了克服上述缺點，我決定將軸分成二段， 中間用剛性連軸器連接一起。為了提高設備容積的利用率，對攪拌軸的分段， 盡量選在上封頭的曲面深度的一半處，使設備盡可能有較大的操作空間。軸 的材料選用45#鋼，第一段長度為L1=4450,第二段長度L2=1250，通過計算軸 的直徑為d=125。、軸封裝置軸封分機械密封和填料密封二種。機械密封精度較高成本也高。而相對 于機械密

14、封來說，填料密封的精度及成本就要低得多，且容易安裝。在盡可 能的滿足工藝性能要求的前提下，我優(yōu)先選用填料密封，根據(jù)本設備的特點， 把軸封裝置選成外購的標準件?？紤]到本設備在操作時，溫度較高，在選用 時要求帶冷卻裝置，所以填料密封的型號為：HG5-1410-81(PN0.6,DN125)（五）、傳熱構件型式的選擇過去我公司反應釜的傳熱構件主要選用整體夾套，對于中小型反應釜來 說，還比較合適。但對于大型的設備來說。由于直徑較大，對傳熱效率相對 來說也要求較高，所以用整體夾套也就不太合適了，且內(nèi)筒由于受外力較大， 增加了內(nèi)筒體的壁厚，也使傳熱效率受到了一定的影響?？紤]到上述因素， 借鑒國內(nèi)先進的經(jīng)驗，我把夾套設計成半圓管式。此夾套的特點是：半圓管 成螺旋狀盤繞在內(nèi)筒外壁及下封頭上。且螺距為0.28d外=15.96mm,材質為20 #鋼。半圓管由057X3.5的管子制成。通過計算，這種夾套可承受2.5MPa的 壓力，完全能夠符合本設備的要求。四、結束語1、設備制造完畢，在外觀質量（幾何尺寸、安裝精度等