《化工机械设计基础》课程设计--2.5m3夹套式反应釜机械设计.docx

Hefei University

《化工机械设计基础》课程设计

题目： 2.5m3夹套式反应釜机械设计
系别： 化工系
班级：
姓名：
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日期： 2017.1.11

目录
1概述 1
1.1反应釜的基础知识和应用背景 1
1.2反应釜机械设计的意义和内容 2
1.3 设计主要思路 2
2 反应釜机械设计 3
2.1工艺说明 3
2.2设备选材 3
2.3结构设计 4
2.3.1确定筒体自内径 4
2.3.2确定封头尺寸 4
2.3.3确定筒体高度 4
2.4夹套几何计算 5
2.4.1夹套内径 5
2.4.2夹套高度计算 5
2.4.3传热面积的计算 6
2.5筒体强度设计计算 6
2.5.1强度计算的原则及依据 6
2.5.2压力计算 7
2.5.3罐体及夹套厚度计算 7
2.5.4轴的强度和刚度计算 10
2.6反应釜的配件类型 13
2.6.1电动机的选型 13
2.6.2支座选型 13
2.6.3联轴器型式的确定 13
2.6.4机架的选取 13
2.6.5人孔的选取 14
2.7标准规范选用说明 15
3总结 16
参考文献 17
心得体会 18

1概述
1.1反应釜的基础知识和应用背景
（1）基础知识：
反应釜是在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的物料混匀，促进其反应的设备。通常伴随有热效应，由换热装置输入或移出热量。
釜体上的夹套是用于加热和冷却的装置。釜体内筒通常为一圆柱形壳体，它提供反应所需空间；搅拌装置包括搅拌器、搅拌轴等，是实现搅拌的工作部件；传动装置包括电机、减速器、联轴器及机架等附件，它提供搅拌的动力；传热装置的作用是满足反应所需温度条件；轴封装置是保证工作时形成密封条件，防止介质向外泄漏的部件。内筒一般为钢制圆筒。封头大多选用标准椭圆形封头，为满足工艺要求釜体上安装有多种接管，如物料进出口管、检测装置接管等。常用的传热装置有夹套结构的壁外传热和釜内装设换热管传热两种形式，应用最多的是夹套传热。当反应釜采用衬里结构或夹套传热不能满足温度要求时，采用蛇管传热方式。
反应釜根据反应釜的制造结构可分为开式平盖式反应釜、开式对焊法兰式反应釜和闭式反应釜三大类，根据反应釜的密封型式不同可分为:填料密封、机械密封和磁力密封。这次我们设计选用的是夹套式反应釜，夹套式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、工艺接管等一些附件构成。而搅拌容器又可分为罐体和夹套两部分。
（2）应用背景：
国内外石油、化工、医药等行业产品生产装置中，反应釜是广泛应用的关键设备之一，担负着提供化学反应场所的重要作用，是整个化工工艺流程的心脏。反应釜旋转轴用密封和一般的旋转密封相比，密封介质通常具有腐蚀性和毒性等特点，一旦泄漏，将影响产品质量，还会对操作人员和环境造成较大的危害。此外，工作环境常为高温、高压，工作周期较长，因而易损坏，属于维护保养的重点零部件之一。
1.2反应釜机械设计的意义和内容
（1） 综合运用《化工设备机械基础》以及《化工原理》、《化工制图》等相关课程的理论知识，巩固和强化有关机械课程的基本理论和基础知识。
（2） 提高我们对化工工程设计的技能以及分析问题、解决问题的能力。树立明确的设计思想，掌握化工单元设备设计的基本方法和步骤，为今后创造性地设计化工设备及机械打下一定的基础。
（3） 锻炼我们熟悉、查阅并综合运用各种有关的设计手册、规范、图册等设计技术资料的能力。进一步提高了我们识图、制图、运算等基本技能；完成了我们学校培养应用型人才的基本训练。
（4） 设计内容主要包括了设备选材、结构设计、夹套几何计算、筒体强度设计计算 、支座、人孔等零部件选型。
1.3 设计主要思路
《化工设备机械基础》课程设计是在学习《化工机械设备》、《仪表自动化》以及《化工原理》等课程后对知识的总结和归纳。本次课程设计以三人为一小组，首先通过查阅大量书籍文献了解关于现今大型化工工厂所使用的夹套式反应釜的类型，通过比较其优缺点、咨询相关专业老师后，在组内讨论以及指导老师的建议下我们决定设计容积为2.5m3的夹套式反应釜。
本次设计过程差不多历经两个星期，主要分为四个阶段：
（1）明确设计任务和要求；
（2）查阅文献书籍确定设计思路；
（3）对反应釜筒体、封头、夹套以及相关强度校核的计算；
（4）画出相应的CAD图。

2 反应釜机械设计
2.1工艺说明
（1）产品介绍：
1-3丙二醇：无味、透明粘稠液体、有吸湿性、与水、醇及多种有机溶剂互溶、稍溶于苯和氯仿能与酸反应生成酯。
1-3丙二醇，可作为进一步生产香料、药物等多聚物或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）、聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）等高聚物的单体；缩合脱水产物α，β—不饱和醛氧化得到相应的可广泛用作精细化工生产原料的羧酸。
（2）工艺介绍：
该反应是以丙烯醛、水、氢气和碱性催化剂为原料制备1-3丙二醇。

2.2设备选材
筒体、封头以及支座材质都选择碳钢Q235R。
表1 反应釜设计参数

筒体内
夹套内
设计压力，MPa
0.6
0.9
设计温度，℃
115
135
介质
1,3-丙二醇
水或水蒸气
全容积，m3
2.5

2.3结构设计
筒体结构选择圆柱形筒体，封头结构选择椭圆形封头，夹套选择圆筒形夹套，支座与筒体之间采用对焊焊接，封头与筒体之间采用平焊焊接。
2.3.1确定筒体自内径
一般由工艺条件给定全容积，筒体内径按照D1公式估算
（1）
式中 V------------工艺条件给定容积，m3；
i-------------长径比，
根据题意取i=1.2。已知V=2.5，则
查阅压力容器公称直径GB9019-1998标准，圆整为D1=1400mm,同时得到V1m=1.539m3/m，F1m=4.40m2。
2.3.2确定封头尺寸
根据设计要求，该反应釜的封头选用标准为椭圆形封头，类型是EHA。椭圆封头选取标准件，它的内径与筒体内径相同，即DN=D1=1400mm。
查阅文献得曲边高度h1=350mm，直边高度h2=25mm，封头总高度为H=h1+h2=449mm，内表面积F封=2.2346m2，容积V封=0.3977m3。
2.3.3确定筒体高度
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
公式（2）计算，并进行圆整。
（2）
式中：V封——封头容积，m³；
V1m——1m高筒体容积，m³/m；
V1m=1.539m3/m，V封=0.3977m3，, ，圆整后H1=1400mm。当筒体高度确定后，应按圆整后的筒体高度修正设计容积，则
2.4夹套几何计算
夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。夹套和筒体的连接常采用对焊焊接成封闭结构。
2.4.1夹套内径
夹套下封头直径D2可根据筒体内径D1选取。如下表所示：
表2 夹套直径D2 /mm
D1
500-600
700-1800
2000-3000
D2
Di+50
Di+100
Di+200
D1=1400mm，在700-1800mm之间，所以D2=D1+100=1400+100=1500mm
2.4.2夹套高度计算
夹套高H2由传热面积决定，不能低于液料高。若装料系数η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η=0.6-0.85。
本设计中η=操作容积/全容积=2.0/2.5=0.8。
夹套高H2由公式（3）计算：
（3）

其中操作容积V1==0.82.5=2.0m3，H2=（0.82.5523-0.3977）/1.539=1.0684m=1068.4mm，圆整为H2=1100mm。
2.4.3传热面积的计算
夹套所包围罐体的表面积（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
（4）
式中：F筒---------筒体表面积F筒，F筒=H2F1m，m2
F封-------封头面积，m2
F1m--------1m高筒体内表面积，m/m2

，因此符合传热要求。因圆筒型夹套传热面积小，故选用圆筒型夹套。
2.5筒体强度设计计算
当反应釜的几何尺寸确定后，则要根据已知的公称直径、设计压力和设计温度进行强度计算，确定罐体及夹套的筒体和封头的厚度。
2.5.1强度计算的原则及依据
根据任务书给出的条件，反应釜体内为正压外带夹套，被夹套保围的罐体分别按内压和外压计算，罐体内压为0.6Mpa，外压为极限时最大内外压差0.3Mpa；其余部分按内压圆筒设计。
圆筒为正压外带夹套 ：当圆筒体的公称直径DN≥600mm时，被夹套包围部分的筒体分别按内压和外压计算，取其中最大值；其余部分按内压圆筒设计。当圆筒体的公称直径DN＜600mm时，全部圆筒分别按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中较大值。按内压对筒体和封头进行强度计算。
2.5.2压力计算
材料选择Q235R，由设计压力P1（罐体内）为0.6Mpa，设计压力P2（夹套内）为0.9Mpa，可得：
工作压力（罐体内）为0.6/1.1=0.55Mpa。工作压力（夹套内）为0.9/1.2=0.75Mpa
设计温度（罐体内）t1=115℃；设计温度（夹套内）t2=135℃
式中： ——水的密度，kg/m3；
G——重力加速度，取值10m/s2；
H——罐体筒体高度H1=1.4m；
计算压力：P1C=P1=0.6Mpa（液柱静压力忽略 ）
计算压力：P2C=P2=0.9Mpa。
2.5.3罐体及夹套厚度计算
因我们选用的为双面焊的对接焊缝且局部无损伤，故选取罐体及夹套焊接接头系数。
设计温度下材料许用应力为147Mpa。
（1）罐体筒体计算厚度：
（5）
（2）夹套筒体计算厚度
（6）
（3）罐体封头计算厚度
（7）
（4）夹套封头计算厚度
取最小厚度作为计算厚度，腐蚀裕量C2=2.0mm，
（5）罐体筒体设计厚度：
（6）夹套筒体设计厚度：
（7）罐体封头设计厚度：
（8）夹套封头设计厚度：
（9）钢板厚度负偏差： C1=0.6mm；
（10）罐体筒体名义厚度：
（满足）
（11）夹套筒体名义厚度：
（12）罐体封头名义厚度：
（13）夹套封头名义厚度：
按外压对筒体和封头进行稳定性校核
假设一：罐体筒体名义厚度；
厚度附加量：
罐体筒体有效厚度：
罐体筒体外径：
筒体计算长度：
式中： H2--------夹套筒体高度，H2=1100mm
h1----------曲边高度，350mm
系数
系数
系数A由图得：A=0.0008
系数B由图得：B=100
许用外压：，不满足对稳定性的要求。
假设二：罐体筒体名义厚度；
钢板厚度负偏差；
厚度附加量；
罐体筒体有效厚度；
罐体筒体外径；
筒体计算长度
式中： H2--------夹套筒体高度H2=1100mm
h1---------由表查得h1=350mm
系数；
系数；
系数A由图得：A=0.00085；
系数B由图得：B=120；
许用外压：，满足对稳定性的要求。
假设：罐体封头名义厚度：；
罐体封头厚度负偏差：；
罐体封头有效厚度：；
罐体筒体外径：；
标准椭圆封头当量球壳外半径：；
系数，系数B=120；
许用外应力：
罐体封头最小厚度（小于，满足要求）。罐体封头名义厚度为14mm。
2.5.4轴的强度和刚度计算
强度和刚度计算是为了避免过度的弯曲和扭曲的变形，它们的大小与工作应力的大小有关。因此，应注意：
a. 使轴的形状接近于等强度条件，以充分利用材料的承载能力。
b. 尽量避免各轴段剖面突然改变，以降低局部应力集中，提高轴的疲劳强度。
c. 改变轴上的布置，有时可使轴上的载荷减少。
（1）轴的直径计算
①推进式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的1/5～1/2。
推进式搅拌器直径 mm
转速 n=200r/min=200/60r/s=3.33r/s
②扭矩T
轴转速（n，r/min）：n=200 r/min
扭矩（T，N•m）：：
式中： P——轴所传递的功率（kW）；
n——轴转速（r/min）。
③ 轴径d的计算

当轴的截面有开槽时，计算的轴径应适当增大。一般地，开一个键槽时轴径增大3%-5%；开两个键槽时，增大7%-10%。查资料可知，轴径增大5%，故计算可得：19.62×(1+0.05)=20.60mm，然后圆整为标准直径，故d=25mm强度足够。
（2）轴的强度计算
轴的强度计算应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法。对于只传递扭矩的圆截面，其强度条件为：

式中：τ——轴的扭剪应力，MPa；
T——扭距，N•mm；
——抗扭截面模量；对圆截面轴，
P——轴所传递的功率，kW；
n——轴的转速，r/min；
d——轴的直径，mm；
[τ]——轴的材料的许用应力，MPa。
已知本设计中，P=2.325kW，n=200r/min，d=25mm，[τ]=147MPa，则

（3）轴的加工要求
搅拌轴的形位公差和表面粗糙度的要求：一般搅拌轴要求运转平稳，为防止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。轴的表面粗糙度可按所配零件的标准要求选取。
一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。当搅拌轴较长时，轴的刚度条件变坏。为保证搅拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂长L1，轴径d和两轴承间距B应满足以下关系：
L1/B≤4―5；L1/d≤40―50
搅拌轴的支承常采用滚动轴承。安装轴承处的公差带常采用K6外壳孔的公差带常采用H7。安装轴承处轴的配合表面粗糙度Ra取0.8~1.6，外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra取1.6。
2.6反应釜的配件类型
2.6.1电动机的选型
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端。选用电机型号为Y100L-2 额定功率为3KW，额定电流为6.3A，转速为2880r/min,效率为82%，重量为34kg的电机。（同步转速3000r/min 2级）
2.6.2支座选型
安装支座的作用是安装机架和密封箱体。安装支座常用形式为RS和LRS。由于安装支座的公称直径与凸缘法兰相同，在形式选取时应该注意与凸缘法兰的密封面相匹配。因此本小组设计选用RS型支座。
2.6.3联轴器型式的确定
常用的电机和 减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接，都是通过联轴器来连接的。
由于T=111.02N•m轴径d=25，由T及n条件查标准尺寸，查得TL5的数据为d=28mm,许用最大扭矩为125N•m，[n]max=4600r/min，满足要求。所以选用TL5型弹性联轴器。
2.6.4机架的选取
机架是安装减速机用的，它的尺寸应与减速机底座尺寸相匹配。其选用类型有三种，无支点机架、单支点机架和双支点机架。
（1）无支点机架
机架本身无轴的支撑点，搅拌机是以减速机输出轴的两个支撑轴承位受力点。可用于传动小功率、不受或只受较小轴向负荷、搅拌不太强烈的搅拌装置。搅拌轴与减速机的联接必须用刚性联轴器。
（2）单支点机架
单支点机架的选择条件如下：
a.轴封本体设有可以作为支点的轴承。
b.在搅拌容器内、轴中部设有导向轴承，可以作为一个支点。
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；当不具备上述条件时，减速器输出轴与搅拌器之间采用刚性联轴器。
（3）双支点机架
在不宜采用单支点机架或无支点机架时，可以选用双支点机架，但减速器输出轴与搅拌器之间必须采用弹性联轴器链接。
综上所述，此次设计选用的是单支点机架。单支点机架与无支点机架更适合较强烈的、传动功率较大的搅拌，且无双支点机架结构复杂。根据轴封形式，设计选用的填料密封，故选择B型单支点机架，且减速机自带机架，机架材料选用灰铸铁。
2.6.5人孔的选取
人孔直径选择为485mm。便于工作人员在安装、清洗、维护时进出油罐或通风。人孔的形状有圆形和椭圆形两种。圆形孔制造方便，应用较广泛，所以本小组设计选用圆形人孔，开孔位于以椭圆封头为中心80% 封头内直径的范围内，人孔的大小及位置应以人进出设备方便为原则。对于反应釜，还要考虑搅拌器的尺寸，以便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入筒体内。

2.7标准规范选用说明
罐体的几何尺寸
项目及代号
参数及结果
备注
全容积V，m3
2.5
给定
装料系数
0.8
选取
操作容积V1，m3
2
计算
筒体型式
圆筒型
常用结构
封头型式
椭圆型
常用结构
夹套型式
圆筒型
计算与选取
长径比
1.2
选取
初算筒体内径，mm
1385
计算
圆整筒体内径D1，mm
1400
选取
1m高的容积V1m，m3
1.539
选取
封头容积V封，m3
0.3977
选取
筒体高度，m
1.366
计算
圆整筒体高度H1，mm
1400
选取
实际容积，m3
2.5523
计算
夹套筒体内径D2，mm
1500
选取
夹套筒体高度，m
1.0684
计算
圆整夹套筒体高度H2，m
1100
选取
封头表面积F封，m2
2.2346
选取
1m高筒体内表面积F1m，m2
4.40
选取
实际总传热面积，m2
3
计算
3总结
本次设计通过查阅书籍文献、组内讨论以及老师指导下确定筒体容积为2.5m3，设备选材通过查阅《化工机械设备基础》 确定为碳素钢Q235R。根据装料系数为0.80，确定实际可操作容积为2.0m3，筒体形式确定为最常见的圆筒形，封头形式确定为最常见的椭圆形封头，夹套确定为圆筒形。筒体内径计算为1385mm，圆整为1400mm，筒体高度计算为1400mm。计算夹套内径为1500mm，夹套高度为1100mm。封头容积为0.3977m3，封头表面积2.2346m2。
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升。同时，通过本次课程设计，我掌握了反应釜的常见基本类型，不同的反应需要的反应条件和筒体的结构材质也大有不同。本次考课程设计我主要负责的是计算这些方面，通过我自己的理解和老师的指导下充分认识到对一个工艺设计，每一个设备的选型、计算以及校核都是十分关键的，容不得一点马虎，当然通过一次计算和选型是远远不够的，每一个优秀的设计都是通过一次又一次的修改和优化得来的。我们需要考虑介质的性质（是否具有腐蚀性），筒体的材质等级，加热介质，换热面积以及其他辅助设备的功能特性，最后还要考虑经济因素、环保因素等其他必要考虑的可行性因素。这些都是通过反复的计算和讨论来确定的。
设计过程中，也对团队的精神进行了考察，我们一起查阅资料，一起讨论选型，一起探究出现的问题，在解决问题之后一起体会喜悦的心情。果然团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次课程设计也让我明白了做任何事情之前我们必须先理清思路，不能没有目标和方向一味的埋头苦干。设计过程中有什么不懂的地方要及时请教老师或者上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就一定能够攻克难题，解决问题。同时也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信在今后的学习以及工作生涯中有非常重要的影响！

参考文献
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心得体会
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不可少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。
通过逾期两个多星期的课程设计，让我深刻体会到仅仅学习书本上的知识是不够的，我们必须通过实践来验证自己所学的知识，以此使我们所学的知识得到很好的归纳与总结。
因为本次课程设计正好赶在学期期末，所以设计过程中遇到了很多问题，但通过我们小组的讨论与老师的悉心指导，我们很快就解决了这些问题。在此感谢我的组员和课程设计指导老师胡老师。
做课程设计之前，我们查阅了大量相关的文献书籍，充分了解了现代反应釜的类型以及大型化工企业使用的反应釜设备和工艺流程。通过组内讨论我们确定了反应釜的选型，参照《化工设备机械基础》设计指导书，了解相关设计流程，进行筒体、封头、轴动装置的计算以及相应强度校核。我们小组内也进行了分工，我主要负责计算部分，鲍雯负责文本部分，张方玉负责画图部分，明确的分工让我们很清楚的知道自己要做什么，同时也可以高效的完成任务。
最后，通过本次课程设计，加强我对反应釜的全面认知，使我的知识得到了巩固，同时也使我的交流表达能力得到提升，认识到团队合作的重要性。虽然我们中间意见有过冲突，但通过最后的讨论我们最终意见达成了一致，完成了这次课程设计。可能还存在一些欠缺的地方，希望老师可以予以指导。

图纸
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