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夹套反应釜设计


化工设备机械基础 课程设计

夹套反应釜设计

化学化工学院

王信锐

化工 112 班

指导老师:陈胜洲

1

化工设备机械基础 课程设计

目录
一、夹套反应釜设计任务书 ..............

............................................................................................. 4 二、夹套反应釜设计....................................................................................................................... 5 1、夹套反应釜的总体结构设计 ............................................................................................. 5 2、罐体和夹套的设计 ............................................................................................................. 5 2.1、罐体和夹套的结构设计 .......................................................................................... 5 2.2、罐体几何尺寸的计算 .............................................................................................. 5 2.2.1、确定筒体内径 ....................................................................................................... 5 2.2.2 定封头尺寸 ............................................................................................................. 6 2.2.3 定筒体高度 H1 ....................................................................................................... 6 2.3 夹套的几何尺寸计算 ................................................................................................. 6 2.4 夹套反应釜的强度计算 ............................................................................................. 7 2.4.1 强度计算的原则及依据 .......................................................................................... 7 2.4.2 按内压对筒体和封头进行强度计算 ...................................................................... 7 2.4.3 按外压对筒体和封头进行强度校核 ...................................................................... 8 2.4.4 水压实验校核计算 .................................................................................................. 9 2.5 夹套反应釜设计计算数据一览表 ............................................................................. 9 2.5.1 几何尺寸.................................................................................................................. 9 2.5.2 强度计算(按内压计算厚度) ............................................................................ 10 2.5.3 稳定性校核(按外压校核厚度) ........................................................................ 10 2.5.4 水压实验校核 ........................................................................................................ 11 3、反应釜的搅拌装置 ........................................................................................................... 12 3.1、搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计 .................................................... 12 3.2、搅拌轴设计 ............................................................................................................ 12 3.3、轴的强度一览 ........................................................................................................ 13 4、反应釜的传动装置 ........................................................................................................... 13 4.1、常用电机及其连接尺寸 ........................................................................................ 13 4.2、釜用减速器类型、标准及选用 ............................................................................ 14 4.3、V 带减速机 ............................................................................................................ 14 4.4、凸缘法兰................................................................................................................ 16 4.5、安装底盘................................................................................................................ 16 4.6、机架........................................................................................................................ 17 4.6.1、无支点机架 ......................................................................................................... 17 4.6.2、单支点机架 ......................................................................................................... 17 4.6.3、双支点机架 ......................................................................................................... 17 5、反应釜的轴封装置 ........................................................................................................... 18 5.1、填料密封................................................................................................................ 18 5.2、机械密封................................................................................................................ 18 6、反应釜其他附件............................................................................................................... 19 6.1 支座........................................................................................................................... 19 6.2、手孔和入孔 ............................................................................................................ 20 6.3、设备接口................................................................................................................ 21 6.3.1、接管与管法兰 ..................................................................................................... 21
2

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6.3.2、补强圈................................................................................................................. 21 6.3.3、液体出料口 ......................................................................................................... 21 6.3.4、过夹套的物料进出口 ......................................................................................... 21 6.4、试镜........................................................................................................................ 21 三、附录:夹套反应釜装配图

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一、夹套反应釜设计任务书
简图与说明 比例 名称 工作压力,Mpa 设计压力,Mpa 工作温度,℃ 设计温度,℃ 介质 全容积,m3 操作容积,m3 传热面积,m2 搅拌器型式 搅拌轴转速 r/min 电机功率 kw 条件内容修改 修改标记 修改内容 签 字 日期 符 号 a b c d 单位名称 工程名称 设计项目 条件编号 设备图号 提出人 e f g h 位号/台数 日 期
4

设计参数及要求 釜内 夹套内

0.2

0.3

<110 无腐蚀性物料 4 2 9

<150 蒸汽

接管表 公称尺寸

DN
40 25 25 70 150 80 50 50

连接面形 式 突面 突面 突面 突面 突面 凹凸面 突面 突面

用途 出料口 冷凝液进口 蒸汽出口 温度计管口 手孔 视镜 进料口 备用口

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备注

二、夹套反应釜设计
1、夹套反应釜的总体结构设计
带搅拌的夹套反应釜主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、 工艺接管、一些附件组成。 搅拌容器分罐体和夹套两部分,主要由封头和筒体组成,多为中、低压压力容器;搅拌 装置由搅拌器和搅拌轴组成, 其形式通常由工艺设计而定; 传动装置时为带动搅拌装置设置 的,主要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成;轴封装置为动密封,一般采用机械密封 或填料密封;它们的支座、人孔、工艺接管等附件一起,构成完整的夹套反应釜。

2、罐体和夹套的设计
夹套反应釜是由罐体和夹套两大部分组成。 罐体和夹套的设计主要包括其结构设计, 各 部分几何尺寸的确定和强度的计算和校核。 罐体在规定的操纵温度和操作压力下, 为物料完 成其搅拌过程提供了一定的空间。 夹套传热式一种应用最普遍的外部传热方式。 它是一个套 在罐体外面能形成密封空间的容器。 罐体和夹套的设计主要包括其结构设计,各部件几何尺寸的确定和强度计算与校核。

2.1、罐体和夹套的结构设计
罐体一般是立式圆筒形容器,有顶盖、筒体和罐底,通过支座安装在基础或平台上。罐 底通常是椭圆形封头, 对于常压或操作压力不大而直径较大的设备, 顶盖可采用薄钢板制作 的平盖,并在薄钢板上加设型钢制的横梁,用以支承搅拌器及其传动装置。顶盖与筒体的连 接形式可分为可拆和不可拆两种筒体内径 D 1200mm,宜采用可拆连接。

2.2、罐体几何尺寸的计算
2.2.1、确定筒体内径 一般由工艺条件给定容积 V、筒体内径 D1 按式 1 估算:

D1 ? 3

4V 4? 4 m?3 ? 3 3.6378 ? 1.537 ?i 3.14 ? 1.4
5

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式1 3 式中 V——工艺条件给定容积,m ; i——长径比, i ? 表1 种 类 设备内物料类型 液-固相或液-液相物料 气-液相物料 发酵罐类 I 1~1.3 1~ 2 1.7~2.5 一般搅拌釜

H1 =1.1(按物料的类型选取,见表 1) D1

D1 估算值圆整到公称直径, D1 =1500mm
2.2.2、确定封头尺寸

椭圆封头选标准件,它的内径与筒体内径相同 D1=2000mm,直边高度 h2=40mm,得,曲边高 度 h1=450mm,

F 封=2.5568m2, V 封=0.4860m3。

2.2.3、确定筒体高度 H1 反应釜容积 V 通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度 H1 按下式计算,并进 行圆整。

H1 ? (V ? V封) / V 1m ? (4 ? 0.4860 ) / 1.767 ? 1.989m

式2

式中 V 封——封头容积(见附表 2) ,m3; V1m——1 米高筒体容积(见附表 1) ,m3/m。 当筒体高度确定后,应按圆整后的筒体高度修正实际容积,则圆整后的釜体高度 H=2000mm 。

V ? V1m ? H1 ? V封 ? 1.767? 2000? 0.4860? 4.464m3
式中 V 封——封头容积(见附表 2) ,m3; V1m——1 米高筒体容积(见附表 1) ,m3/m。 H1——圆整后的筒体高度,m。

式3

2.3 夹套的几何尺寸计算
夹套和筒体的连接常焊接成封闭结构。 夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。夹套的内径 D2 可根据筒体内径 D1 选取 D2=D1+100=1600mm 表 2 夹套直径 D2 mm D1 D2 500~600 D1+50
6

700~1800 D1+100

2000~3000 D1+200

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夹套下封头型式同罐体封头,其直径 D2 与夹套筒体相同。 夹套高 H2 由传热面积决定,不能低于料液高。 装料系数 ? 没有给定,则应合理选用装料系数 ? 的值,尽量提高设备利用率。通常取 ? =0.6~0.85。如物料在反应过程中要起泡或呈沸腾状态, ? 应取低值, ? =0.6~0.7;如物 料反应平稳或物料粘度较大时,? 应取大值,? =0.8~0.85 所以 ? 取 0.8。夹套高 H2 按下式 估算。

H 2 ? (?V ? V封) / V 1m ? (0.73? 4 ? 0.4860 ) / 1.767 ? 1.392m ? 1.4m

式4

式中 V 封——封头容积(见附表 2) ,m3; V1m——1 米高筒体容积(见附表 1) ,m3/m。 夹套所包围的罐体的表面积(筒体表面积 F 筒+封头表面积 F 封)一定要大于工艺要求的 传热面积 F, 即 F封 ? F筒 ? F ? 9.1508 式5 式中 F 筒——筒体表面积,F 筒=H2×F1m=1.4×4.71=6.594 ㎡ F 封——封头表面积(见附表 2) ,F 封=2.5568 ㎡ F1m——1m 高内表面积(见附表 1) ,㎡/m,F=F 封+F 筒=6.594 +2.5568=9.1508>9 满足要 求。 当筒体与上封头用法兰连接时,常采用甲型平焊法兰连接,这是压力容器法兰中的一种,甲 型平焊法兰密封面结构常用平密封面和凹凸密封面两种。

2.4 夹套反应釜的强度计算
2.4.1 强度计算的原则及依据 强度计算应考虑以下几种情况。 (1)圆筒内为常压外带夹套时: 当圆筒的公称直径 DN≥600mm 时,被夹套包围部分的筒体按外压(夹套压力)圆筒设 计,其余部分按常压设计; (2)圆筒内为真空外带夹套: 当圆筒的公称直径 DN≥600mm 时,被夹套包围部分的筒体按外压(夹套压力+0.1MPa) 圆筒设计,其余部分按真空设计; 当圆筒的公称直径 DN≤600mm 时,全部筒体按外压(夹套压力+0.1MPa)圆筒设计; (3)圆筒内为正压外带夹套时: 当圆筒的公称直径 DN≥600mm 时,被夹套包围部分的筒体分别按内压圆筒和外压圆筒 计算,取其中较大值;其余部分按内压圆筒设计。 当圆筒的公称直径 DN≤600mm 时,全部筒体按内压圆筒和外压圆筒计算,取其中最大 值。 2.4.2 按内压对筒体和封头进行强度计算

液柱静压力 p1H=10-6ρgh=0.014MPa

7

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计算压力 p1c= p1+ p1H=0.214MPa 计算压力 p2c= p2=0.3MPa 罐体筒体计算厚度 ? 1 ?

p1cD1 0.214? 1500 ? ? 1.673m m t 2[? ] ? ? p1c 2 ? 113? 0.85 ? 0.214

夹套筒体计算厚 ? 2 ?

p 2cD2 0.3 ? 1600 ? ? 2.50m m t 2[? ] ? ? p 2c 2 ? 113? 0.85 ? 0.3 p1cD1 0.214? 1500 ? ? 1.673m m 2[? ] ? ? 0.5 p1c 2 ? 113? 0.85 ? 0.5 ? 0.214
t

罐体封头设计厚 ? 1 ?
'

夹套封头计算厚度 ? 2 ?
/

p 2cD2 0.3 ? 1600 ? ? 2.500m m 2[? ] ? ? 0.5 p 2c 2 ? 113? 0.85 ? 0.5 ? 0.3
t

罐体筒体设计厚度δ 夹套筒体设计厚度δ 罐体封头设计厚度δ 夹套封头设计厚度δ

1c=δ 1+C=5mm 2c=δ 2+C=5mm
/ /

1c=δ 2c=δ

/ /

1+C=5mm 2+C=5mm

2.4.3 按外压对筒体和封头进行强度校核 罐体筒体有效厚度δ 1e=δ 1n-C=10-2.8=7.2mm 罐体筒体外径 D1O=D1+2δ 1n=1520mm 筒体计算长度 L=H2+1/3h1+h2=1550mm 系数 L/D1O=1550/1520=1.019 系数 D1O/δ 1e=1520/7.2=211.11 系数 A=0.00048 系数B=68 许用外压力 [ p ] ?

B ? 0.322 MPa D1O / ? 1e
/ /

罐体封头有效厚度δ 1e=δ 1n-C=10-2.8=7.2mm / 罐体封头外径 D/1O=D/1+2δ 1n=1620mm 标准椭圆封头当量球壳外半径 R/1O=0.9D/1O=1458mm 系数 A ?

0.125 ? 0.0006 ( R 1O / ? / 1e)
/

系数 B=83 许用外压力 [ p ] ?

B 118 ? ? 0.369 MPa / R O / ? 1e 1458 / 7.2
/

8

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2.4.4 水压实验校核计算

罐体实验压力 p1T ? 1.25 p1

[? ] ? 0.25MPa [? ]t [? ] ? 0.375MPa [? ]t

夹套水压实验压力 p 2T ? 1.25 p 2 罐体圆筒应力 ? 1T ?

p1T ( D1 ? ? 1e) ? 26.17 MPa 2? 1e p 2T ( D 2 ? ? 2e) 0.250 (1600 ? 7.2) ? ? 36.65 MPa 夹套内压实验应力 ? 2T ? 2? 2e 2 ? 7.2

2.5 夹套反应釜设计计算数据一览表
2.5.1 几何尺寸 表3
步骤 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 初算筒体内径 D1 ? 1-8 1-9 1-10 1-11 1-12 1-13 1-14 1-15 1-16 1-17 1-18 1-19 1-20
3

项目及代号 全容积 V,m
3 3

参数及结果 4 2 9 圆筒形 椭圆形 1.4 1.537





由工艺条件决定 由工艺条件决定 由工艺条件决定 常用结构 常用结构 按表 1 选取 按式 1 选取 按附表 1 选取

操作面积 V1,m 传热面积 F,㎡ 釜体形式 封头形式 长径比 i

? H 1 / D1

4V ,m ?i
3 3

圆整筒体内径 D1,㎜ 一米高的容积 V1m,m 釜体封头容积 V1 封,m

1500 1.767 0.4860 1.989 2000
3

按附表 1 选取 按附表 2 选取 按式 2 计算 选取 按式 3 计算 按表 2 选取 计算 按式 4 计算 选取 按附表 2 选取 按附表 1 选取 按式 5 校核

釜体高度 H1=(V—V1 封)/V1m,m 圆整釜体高度 H1,mm 实际容积 V=V1m× H1+V1 封,m 夹套筒体内径 D2,mm 装料系数η =V 操/V 或按η =0.6~0.85 选取 夹套筒体高度 H2≥(η V-V1 封)/V1m,m 圆整夹套筒体高度 H2,mm 罐体封头表面积 F1 封,m
2 2 2

4.4464 1600 0.73 1.392 1400 2.5569 4.71 9.1508>9

一米高筒体内表面积 F1m,m

实际总传热面积 F=F1m× H2+F1 封,m

9

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2.5.2 强度计算(按内压计算厚度)
步骤 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 2-12 2-13 2-14 夹套筒体计算厚 2-15 2-16 2-17 2-18 2-19 2-20 2-21 2-22 2-23 2-24 2-25 2-26 夹套封头计算厚度 罐体封头计算厚度 项目及代号 设备材料 设计压力(罐体内)p1,MPa 设计压力(夹套内)p2,MPa 设计温度(罐体内)t1,℃ 设计温度(夹套内)t2,℃ 液柱静压力 p1H=10-6ρ gh,MPa 计算压力 p1c=p1+p1h,MPa 液柱静压力 p2H,MPa 计算压力 p2c=p2 罐体及夹套焊接接头系数φ 设计温度下材料许用应力[σ ]t,MPa 参数及结果 Q235-B 0.2 0.3 <110 <150 0.014 0.214 0 0.3 0.85 113 1.673 备 注

据工艺条件 情况确定 由工艺条件给定 由工艺条件给定 由工艺条件给定 由工艺条件给定 按参考文献 1 第八章 计算 忽略 计算 那参考文献 1 表 9-6 选取 按参考文献 1 表 9-4 或 9-5 选取 按参考文献 1 第九章

p1cD1 ?1 ? , mm 2[? ]t ? ? p1c 罐体筒体计算厚度
?2?
p 2cD 2 2[? ] t ? ? p 2c p1cD1 2[? ] t ? ? 0.5 p1c p 2cD 2 2[? ] t ? ? 0.5 p 2c , mm

2.50

计算 按参考文献 1 第九章

? 1' ?

, mm

1.672

计算 按参考文献 1 第十章

?2 ?
/

, mm

2.50 3 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5

计算 按参考文献 1 第十章 计算 按参考文献 1 表 9-10~9-11 选取 按参考文献 1 第九章 计算 按参考文献 1 第九章 计算 按参考文献 1 第九章 计算 按参考文献 1 第九章 计算

钢板厚度负偏差 C1,mm 腐蚀裕量 C2,mm 厚度附加量 C=C1+C2 罐体筒体设计厚度δ 1c=δ 1+C1,mm 夹套筒体设计厚度δ 2c=δ 2+C1,mm 罐体封头设计厚度δ /1c=δ /1+C1,mm 夹套封头设计厚度δ /2c=δ /2+C1,mm 夹套、罐体筒体和罐体、夹套封头名义厚度δ 夹套筒体名义厚度δ 2n,mm 罐体封头名义厚度δ /1n,mm 夹套封头名义厚度δ /2n,mm

2.5.3 稳定性校核(按外压校核厚度)
表5 序号 项目及代号 参数及结果 备注

10

化工设备机械基础 课程设计 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 3-10 3-11 3-12 3-13 3-14 3-15 3-16 3-17 3-18 3-19 系数 B 3-20 3-21 3-22 许用外压力 [ p ] ? 系数 罐体筒体名义厚度δ 罐体筒体有效厚度δ
1n,mm

10 2.8 7.2 1520 1550 1.019 211.11 0.00048 68

假设 按参考文献 1 表 9-10~9-11 选取 按参考文献 1 第十一章计算 按参考文献 1 第十一章计算 按参考文献 1 第十一章计算 按参考文献 1 第十一章计算 按参考文献 1 第十一章计算 查参考文献 1 图 11-5 查参考文献 1 图 11-8 按参考文献 1 第十一章计算失 稳,重设名义厚度δ 假设 按参考文献 1 表 9-10~9-11 选取 按参考文献 1 第十一章计算 按参考文献 1 第十一章计算 按参考文献 1 第十一章计算 按参考文献 1 第十一章计算 按参考文献 1 第十一章计算 查参考文献 1 图 11-5 查参考文献 1 图 11-8

厚度附加量 C=C1+C2
1e=δ 1n-C,mm 1n,mm

罐体筒体外径 D1O=D1+2δ 系数 L/D1O 系数 D1O/δ 系数 A 系数 B 许用外压力 [ p ] ?
1e

筒体计算长度 L=H2+1/3h1+h2,mm

B , MPa D1O / ? 1e
/

0.322>0.3 10 2.8 7.2 1620 1458 0.0006

罐体封头名义厚度δ 罐体封头有效厚度δ
/

1n,mm

厚度附加量 C=C1+C2
/

1e=δ /

/

1n-C,mm
/

罐体封头外径 D 1O=D 1+2δ R 1O=0.9D 1O,mm
/ /

1n,mm

标 准 椭 圆 封 头 当 量 球 壳 外 半 径

A?

0.125 / ( R 1O / ? / 1e)
B , mm R O / ? / 1e
/
/

83 0.369>0.3 10

按参考文献 1 第十一章计算稳定确定 假设 按参考文献 1 表 9-10~9-11 选取 按参考文献 1 第十一章计算

罐体封头名义厚度δ

1n,mm

2.5.4 水压实验校核 表6
序号 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 4-6 项目及代号 罐体实验压力 p1T ? 1.25 p1 参数及结果 0.25 0.375 235 179.8 26.17<179.8 力 36.65<178.8 备注 按参考文献 1 第九章计算 按参考文献 1 第九章计算 按参考文献 1 第九章计算 按参考文献 1 第九章计算 按参考文献 1 第九章计算 按参考文献 1 第九章计算

[? ] , MPa [? ]t [? ] [? ]
t

夹套水压实验压力 p 2T ? 1.25 p 2 材料屈服点应力σ S,MPa σ T≤0.9Φ σ S,MPa 罐体圆筒应力 ? 1T 夹 套 内

, MPa

?


p1T ( D1 ? ? 1e) , MPa 2? 1e
实 验 应

? 2T ?

p 2T ( D 2 ? ? 2 e ) , MPa 2? 2 e

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3、反应釜的搅拌装置
搅拌装置由搅拌器、轴及其支承组成。搅拌器的型式主要有:浆式、推进式、框式、涡轮 式、螺杆式和螺带式等。

3.1、搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计
推进式搅拌器类似风扇扇叶结构。 它与轴的连接是通过轴套用平键或拧紧螺钉固定, 轴端 加固定螺母。为防螺纹腐蚀可加轴头保护帽。 推进式搅拌器直径 Dj 常取罐体内径的 1/5~1/2,以 Dj=0.33D1 最为常见。常用于 n=100~500r/min 的场合。

3.2、搅拌轴设计
搅拌轴的机械设计内容同一般传动轴。主要是结构设计和强度校核,对于转速 n>200r/min 的,还要进行临界转速的校核。 (1) 、搅拌轴的材料:常用 45 号钢,强度要求不高的可用 Q235-A。 (2) 、搅拌轴的设计:常用实心或空心实轴 (3) 、搅拌轴强度校核 (4) 、搅拌轴的形位公差和表面粗糙要求:一般搅拌轴要求运转平稳,为防轴的弯曲对轴 封处的不利影响, 因此轴安装和加工要控制轴的直度。 当转速 n<100r/min 时直线度允差 1000: 0.15,当转速 n=100~1000r/min 时,直线允度差 1000:0.1. (5) 、搅拌轴的支轴:一般搅拌轴可依靠减速器内的一对承轴支承。 (6) 、搅拌轴的临界转速校核计算 当轴上装有单层且经过很好平衡的搅拌器时,其一阶临界转速

nc1 为:

nc1 ?
式中:

60 3EIg 2 2? W 1 L1 ( L1 ? B )
E——轴材料弹性模量,Mpa; I——轴的惯性距,I=1/64( ? d 4 ), m ;
4

d——轴径,m; B——两支点间距离,m;
Wd ——轴和搅拌器的等效重量载荷,N;

Wd ? W 1 ? W 2(L2 / L1)3 ? W 3( L3 / L1)3 ? 0.24W0
W 1 、 W 2 、 W 3 ——各层搅拌器重,N;
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W0 ——外伸端轴重量载荷,N;
L1 、 L 2 、 L 3 ——各层搅拌器外伸端长度,m。

3.3、轴的强度一览
步骤 1 2 3 4 项目及代号 轴功率 P,kW 轴转数 n,r/min 轴材料 轴所传递的扭轴 T ? 9055 ?10 材料许用扭转剪应力 d ? A0 3 系数 A0 轴端直径 d ? A0 3
6

参数及结果 2 65 45

备注 确定 确定 常用 《化工设备机械基础》P246

P ,N.mm n

267.4

5 6 7 8 9

P ?? ? ,Mpa n

35 112

《化工设备机械基础》P246 《化工设备机械基础》P246 《化工设备机械基础》P243 《化工设备机械基础》P245 圆整选取

P ,mm n

30 31.5 32

开一个键槽,轴径扩大 5%,mm 圆整轴端直径 d,mm

4、反应釜的传动装置
反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。 传动装置通常设置在釜顶封头的上部。 反应釜传动装 置的设计内容一般包括:电机、减速机的选型;选择联轴器;选用和设计机架和底座等。

4.1、常用电机及其连接尺寸
搅拌设备选用电动机的问题,主要是确定系列、功率、转速以及安装型式好防爆要求等几项 内容。 电机功率必须满足搅拌器运转功率与传动系统、轴封系统功率损失的要求。 电机功率可按下式确定:

Pd ?
式中

P ? Pm

?

Pd ——电机功率,kW;

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P ——搅拌器功率,kW;
Pm ——轴封系统的摩擦损失,kW;
? ——传动系统的机械效率
类型 圆柱齿轮传动 传动型式 开式传动、铸齿(考虑轴承损失) 效率? 0.9~0.93

4.2、釜用减速器类型、标准及选用
反应釜用 V 带传动减速机;见下表 标准减速机的功率、转速范围、类型代号及特性参数 序号 1 标准号 HG 5-747-78 减速机类型 V 带传动减速机 转速范围 r/min 320~500 电机功率范围 kW 06~505 类型 代号 P 特性参数 三角皮带型号 及根数

釜用立式减速机的基本特性 特性 减速比范围 输出轴转速范围,r/min 功率范围,kW 效率 主要特点 特性参数 应用条件 标定符号 标准图号 三角皮带减速机 4.53~2.9 320~500 0.6~5.5 本级为单级三角皮带传动的减速装置,结构简单,过载时会产生打 滑现象,因此能起到安全保护作用,但由于皮带滑动不能保持精确 的传动比 三角皮带型号及根数 允许正反旋转,本系列采用夹壳联轴节(HG5-213-65)与搅拌轴联 接,搅拌器和轴的重量均由本机轴承承受,本机不能用于有防爆要 求的场合 P 三角皮带类型、三角皮带根数——顺序号 HG-5747-78

4.3、V 带减速机
V 带减速机的特点是:结构简单,制造方便,价格低廉,能防过载,噪声小,但不适用于防 爆场合。 搅拌釜采用 V 带传动,选用 Y132S-8 电机,额定功率 P=2.2kW,转速 n1=213r/min,搅拌轴转 速 n2=65r/min,设计 V 带。 V 带轮的设计计算内容和步骤
14

化工设备机械基础 课程设计

步 骤 1 2 3 4 5 6 7 8

设计项目 传动的额定功率 小皮带轮转速 n1 大皮带轮转速 n2 工况系数 KA 设计功率 Pd 选 V 带型号 速比 i 小皮带轮计算直径 d1

单位 kW r/min r/min

公式及数据 2.2(8 极电机 Y132S-8) 710 65 1.3

备注 已知电机功率 已知电机转速 已知搅拌机转速 《化工设备机械 基础》P196 计算 《化工设备机械 基础》P195 计算 《化工设备机械 基础》P195

kW

P P ? 1.3 ? 2.2 ? 2.86 d ? KA ?
根据 Pd 和 n1 选取 A 型带

i?
mm

n1 710 ? ? 10.9 n2 65
75

9

验算带速 v

m/s

v?

? ?d1 ?n1
60 ? 1000

?

? ? 75 ? 710
60 ? 1000
140

? 2.79 ? vmin

vmax =25~30m/s vmin =5m/s
《化工设备机械 基础》P196

10

小皮带轮计算直径 d1

mm

v?
11 验算带速 v m/s

? ?d1 ?n1
60 ?1000

?

? ?140 ? 710
60 ?1000

? 5.2

vmax =25~30m/s vmin =5m/s
选取 计算后参考《化 工设备机械基 础》P196 圆整 可根据结构要求 定

vmin ? v ? vmax
12 滑动率

?
mm

0.02

13

大皮带轮计算直径 d2

d2 ? id1 (1 ? ? ) ? 3.94 ?140 ? (1 ? 0.02) ? 540.6
圆整,取 d2=560

14

初定中心距 a0

mm

0.7(d1 ? d2 ) ? a0 ? 2(d1 ? d 2 )
取 a0=1000

Ldo ? 2ao ?
15 带的基准长度 Ldo mm

?
2

? d1 ? d 2 ? ?

(d 2 ? d1 )2 4a0 (560 ? 140)2 ? 3143.66 4 ?1000

? 2 ?1000 ?

?
2

(140 ? 560) ?

计算后参考《化 工设备机械基 础》P194 圆整

圆整,取 Ldo=3150 确定中心距 a 确定安装 V 带时所需 最小中心距 amin 和最 大中心距 amax

16

mm

a ? ao ?

Ld ? Ldo 3150 ? 3143.66 ? 1000 ? ? 1003 2 2

amin ? a ? 0.015Ld ? 956 amax ? a ? 0.03Ld ? 1098

15

化工设备机械基础 课程设计

17

小皮带轮包角 ?1

(°)

d 2 ? d1 ? 57.3? a 560 ? 140 ?1 ? 180? ? ? 57.3? ? 156 1003

?1 ? 180? ?

?1 ? 120?
《化工设备机械 基础》P198 《化工设备机械 基础》P198 《化工设备机械 基础》P197 《化工设备机械 基础》P197

18 19 20 21

单根 V 带额定功率 P1 I≠1 时,单根 V 带额 定功率增量△P1 包角修正系数 Ka 带长修正系数 Kl

kW kW

1.26 0.09 0.93 1.13

z?
22 V 带根数 Z

P d (P Kl 1 ?? P 1 )Ka ?
计算后圆整

2.2 z? ? 1.55 (1.26 ? 0.09) ? 0.93 ?1.13
取 Z=2

4.4、凸缘法兰
凸缘法兰一般焊接于搅拌容器封头上,用于连接搅拌传动装置,亦可兼作安装、维修、检查 用孔。凸缘法兰分整体和衬里两种结构形式,密封面分突面(R)和凹面(M)两种。本设 计选用的凸缘法兰的尺寸如下表。 公称 直径 DN 400 螺栓

d1
410

d2
565

k 515

d3
430

d4
455

h1
42

h2
85

h4
7

数 量 16

螺 纹 M24

d5
26

R1
4

R2
3

质 量 Kg 46

R型

M型

d6
481

h3 d7 t1
4 462 5

4.5、安装底盘
安装底盘采用螺柱等紧固件,上与机架连接,下与凸缘法兰连接,是整个搅拌装置与容器连 接的主要连接件。 安装底盘的常用形式为 RS 和 LRS 型,其他结构(整体或衬里) 、密封面形式(突面或凹面) 以及传动轴的安装形式(上装或下装) ,按 HG 21565-95 选取。 安装底盘的公称直径与凸缘法兰相同。 形式选取时应注意与凸缘法兰的密封面配合 (突面配 突面,凹面配凹面) 。安装底盘的主要尺寸如下表: 安装底盘的主要尺寸 安装底盖公称直径 DN 机架公称直径

d2
16

k

d5

d6 ? h7?

k1

d7

S

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400

250

565

515

16~26

290

350

12-M20

50

4.6、机架
机架是安放减速机用的,它与减速机底座尺寸应匹配。V 带减速机自带机架,选用其他类型 标准釜用减速机按标准选配机架。标准机架有三种。 4.6.1、无支点机架 无支点机架的选用条件: (1) 、电动机或减速机具备两个支点,并经核算确认轴承能承受由搅拌轴传递而带来的径向 和轴向载荷者; (2) 、电动机或减速机有一个支点,但釜内设有底轴承、中间轴承或轴封本体设有可以作为 支点的轴承,上下组成一对轴支撑者。 无支点机架一般仅使用于传递小功率和小的轴向载荷条件。 减速器输出轴联轴器形式为夹壳 式联轴器或刚性凸缘联轴器。 4.6.2、单支点机架 单支点机架的选用条件: (1) 、电动机或减速机有一个支点,经核算可承受搅拌轴的载荷; (2) 、搅拌容器内设置底轴承,作为一个支点; (3) 、轴封本体设有可以作为支点的轴承; (4) 、在搅拌容器内、轴中部设有导向轴承,可以作为一个支点者。 当按上述条件选用单支点机架时, 减速器输出轴与搅拌器之间采用弹性联轴器连接; 当不具 备上述条件而选用单支点机架时,减速器输出轴与搅拌器之间采用刚性联轴器连接。 4.6.3、双支点机架 在不宜采用单支点机架或无支点机架时, 可选用双支点机架, 但减速器输出轴与搅拌器之间 必须采用弹性联轴器连接。 综上所述,本设计所选用的是单支点机架,其主要尺寸如下表: DJ 型单支点机架主要尺寸 机 架 代 号 DJ90 输入端接口 输出端接口

H1

H3

H4

H5

H6

D1
400

D2
450

D3
490

n1 ? M
12-M16

D4
430

D5
510

D6
555

??
30

n2 ? ?
d1 12 ? ? 23

519

25

40

7

8

17

化工设备机械基础 课程设计

机 架 代 号 DJ35

h1 h2 h3 h4 d0 d1 d2
113 3 15 24 35 42 42.8

M1
M 45 ?1.5

d3 ? h8?
45

d4
50

R1 t1
1 41

b1
6

H

H2
340

质 量, kg 78

600

5、反应釜的轴封装置
轴封是搅拌设备的一个重要组成部分。 其任务是保证搅拌设备内处于一定的正压和真空状态 以及防止反应物料逸出和杂质的渗入。 鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式搅拌为主, 很少 满釜操作,轴封的对象主要为气体;而且搅拌设备由于反应工况复杂,轴的偏摆振动大,运 转稳定性差等特点,故不是所有形式的轴封都能用于搅拌设备上。

5.1、填料密封
填料密封是搅拌设备最早采用的一种轴封结构。它的基本结构是由填料、填料箱、压盖、压 紧螺栓及油杯等组成。因其结构简单、易于制造,在搅拌设备上曾得到广泛应用。一般用于 常压、低压、低转速及允许定期维护的搅拌设备。 当采用填料密封时,应优先选用标准填料箱。标准填料箱中,HG 21537.7 —92 为碳钢填料 箱,HG 21537.8—92 为不锈钢填料箱。 填料箱密封的选用还应注意以下几个方面: (1) 、当填料箱的结构和填料的材料选择合理,并有良好的润滑和冷却条件时,可用于较高 的工作压力、温度和转速条件下; (2) 、当填料无冷却、润滑时,转轴线速度不应超过 1m/s; (3) 、当搅拌容器内介质温度大于 200℃时,应对填料密封进行有效冷却; (4) 、当从填料箱油杯中压注密封润滑液时,润滑液压力一般应略高于被密封介质的压力, 以防止容器内的介质泄漏;采用密封润滑液时,润滑液流入容器内对工艺性能有影响时,应 在填料箱下端设置储油杯; (5) 、填料箱一般可不设支承套,应将搅拌轴的支撑设置在机架上。

5.2、机械密封
机械密封是一种功耗小、 泄漏率低, 密封性能可靠, 使用寿命长的转轴密封。 主要用于腐蚀、 易燃、易爆、剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。 当搅拌设备采用机械密封时, 在下列情况下, 应采用必要的措施, 以便保证密封使用的性能, 提高使用寿命。 (1) 、当密封腔介质温度超过 80℃时,对单端面和双端面机械密封,都应采用冷却措施; (2) 、为防止密封面干摩擦,对单端面机械密封,应采用润滑措施; (3) 、当采用双端面机械密封时,应采用密封液系统,向密封端面提供密封液,用于冷却、 润滑密封面; (4) 、必要时,应对润滑液、密封液进行过滤; (5) 、当采用润滑及密封液系统时,需考虑一旦润滑液、密封液漏入搅拌容器内,应不会影
18

化工设备机械基础 课程设计

响容器内物料的工艺性能, 不会使物料变质, 必要时应采用缓冲液杯和漏液收集器等防污染 措施。 反应釜搅拌轴处的密封,属于动密封,常采用的有填料密封和机械密封两种形式,它们都有 标准,本设计选用的是填料密封,选用标准碳钢填料箱,其主要尺寸如下: 标准填料箱主要尺寸 轴径 d 30

D1
175

D2
145

D3 ? h6?
110

H PN0.6 147 PN1.6 167

法兰螺栓孔 n 4

?
18

填料规格

质量,kg PN0.6 7.7 PN1.6 8.1

10 ? 10

6、反应釜其他附件
6.1 支座
夹套反应釜多为立式安装,最常用的支座为耳式支座。标准耳式支座(JB/T4725—92)分为 A 型和 B 型两种。当设备需要保温或直接支承在楼板上时选 B,否则选 A 型。本设计选 A 型。其主要尺寸见下表: 耳式支座主要尺寸 允许载 荷 Q,kN 底板 适用容器公称直径 DN 高度 H l1 b1 δ1 s1 l3 b3 垫板 δ3 e

60 允许载 荷 Q,kN 60

1000~2000

250 A 型筋板

200

140

14

70 地脚螺栓

315

250

8

40

支座号 l2 4 160 b2 160 δ2 8 d 30 M M24

支座重量 kg

11.1

每台反应釜常用 4 和支座,但承重计算时,考虑安装误差造成的受力情况变坏,应按两个支 座计算。 耳式支座实际承受载荷近似计算:

Q =[

m0 g ? Ge 4(ph ? Ge ? Se ) + ] ?10-3 kn nD

式中 Q——支座实际承受的载荷,kN; D——支座安装尺寸,mm; g——重心加速度,取 g=9.8m/s2; Ge——偏心载荷,N; h——水平力作用点至底板高度,mm; k——不均匀系数,安装 3 个支座时,取 k=1,安装 3 个以上支座时,取 k=0.83;
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m0——设备总质量(包括壳体及及其附件,内部介质及保温层的质量) ,kg; n——制作数量; Se——偏心距,mm。 p——水平力,取 pe 和 pw 的最大值,N。 当容器高径比不大于 5,且总高度 H0 不大于 10m 时,pe 和 pw 可按下式计算,超出此
范围的容器不推荐使用耳座。 水平地震力 pe:

P e ? 0.5?e m0 g ? 0.5 ? 0.45 ? 9.8 ? 9.821.609
式中 αe——地震系数,对 7,8,9 度地震分别取 0.23,0.45,0.90. 水平风载荷 pw

Pw ? 0.95 fi qo Do Ho ?10?6 ? 724.6
式中 D0——容积外径,有保温层时取保温层外径,mm; fi——风压高度变化系数,按设备质心所处高度取 H0——容器总高度,mm; q0——10m 高度处的基本风压值,N/m2. 所以 P= P w

Q=[

m0 g ? Ge 4(ph ? Ge ? Se ) ? 9.8 ? 9.8 ? 1.176 4 ? (724.6 ?1.176 ? 1.176 ? 700 ? ?3 + ] ?10-3 ? ? ? ?10 ? kn nD 2 2 ?1560 ? ? ? 13.5kN

小于允许载荷,所以支座符合要求。

6.2、手孔和入孔
手孔和入孔的设置是为了安装、拆卸、清洁和检修设备内部的装置。 手孔直径一般为 150~250mm,应使工人戴上手套并握有工具的收能方便的通过。 手孔和入孔的种类较多,且大部分有标准。本设计采用手孔,为带颈平焊法兰手孔,其主要 尺寸如下表: 带颈平焊法兰手孔的主要尺寸 公 称 压 力 PN MP a 1.0 公 称 直 径 D N 15 0 螺 螺 柱 母 螺柱

密封 面形 式

dw ? S

D

D1

b

b1

b2

H1

H2
数量 直径 ? 长 度

总 质 量 kg

突面 (R F

159 ? 4.5 28
5

24 0

2 2

21

24

160

90

8

16

M 20 ?105

24. 2

20

化工设备机械基础 课程设计

型)

6.3、设备接口
化工容器及设备,往往由于工艺操作等原因,在筒体和封头上需要开一些各种用途的孔。

6.3.1、接管与管法兰 接管和管法兰是用来与管道或其他设备连接的。标准管法兰的主要参数是公称通径(DN) 和公称压力(PN) 。管子的公称通径与钢管的外径的关系如下表: 公称直径与钢管外径 公称直径 DN 钢管外径 公称直径 DN 钢管外径 6.3.2、补强圈 容器开孔后由于壳体材料的削弱,出现开孔应力集中现象。因此,要考虑补强。补强圈就是 用来弥补设备壳体因开孔过大而造成的强度损失的一种最常用形式。 补强圈形式应与被补强 部分相符,使之与设备壳体密切贴合,焊接后能与壳体同时受力。补强圈上有一小螺纹孔 (M10) ,焊后通入压缩空气,以检查焊缝的气密性。补强圈的厚度和材料一般均与设备壳 体相同。 6.3.3、液体出料口 出料口结构设计主要从物料易放尽、 阻力小和不易堵塞等因素考虑。 另外还要考虑温差应力 的影响。主要结构尺寸如下表: 出料管尺寸 管径公称直径 DN
d1

10 14 150 150

15 18 200 219

20 25 250 273

25 32 300 325

40 45 350 377

50 57 400 426

65 76 450 480

80 89 500 530

100 108 600 630

125 133

≥25 75+DN

≥50 100+DN

≥100 160+DN

6.3.4、过夹套的物料进出口 穿过夹套的物料进出口

6.4、试镜
试镜主要用来观察设备内物料及其反应情况,也可作为料面指示镜,一般成对使用,当试镜 需要斜装或设备直径较小时, 采用带颈试镜。 本设计采用带灯有颈试镜, 其主要尺寸如下表:
21

化工设备机械基础 课程设计

带灯有颈试镜主要尺寸 公称直径 DNmm 100 公称压力 PNMPa 0.6 D 180

D1
150

dH ? S
108 ? 4

h 84

≈ dH ? S H 防腐 性 204 防爆 性 264

n?d 8 ? M12

试 镜 重 4.7

总质量,kg 防 腐 5.7 性 防爆 性 7.7

接管表数据一览
编号 a b c d e f g h 名称 出料口 冷凝液出口 蒸汽出口 温度计管口 手孔 视镜 进料口 备用口 公称管径 Dg(mm) 40 25 25 70 150 80 50 50

参考文献:
1、蔡纪宁、张秋翔编《化工设备机械基础——课程设计指导书》 化学工业出版社 2、赵军、张有忱、段成红编《化工设备机械基础》 化学工业出版社 3、潘永亮编《化工设备机械设计基础》 科学出版社 4、贺匡国编《化工容器及设备简明设计手册》 化工工业出版社

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