化工设备罐体和夹套的设计.doc

罐体和夹套的设计
夹套式反应釜是由罐体和夹套两大部分组成。罐体在规定的操作温度和操作压力下，为物料完成其搅拌过程提供了一定的空间。夹套传热是一种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，既简单又方便。
罐体合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的计算与校核。

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。顶盖在受压状态下操作选用椭圆形封头，（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造的平盖，在薄钢板上加设型钢制的横梁，用以支撑搅拌器及其传动装置。顶盖与罐底分别与筒体相连。罐底与筒体的连接采用焊接连接。顶盖与筒体的连接形式为可拆连接。
夹套的型式与罐体相同。

罐体几何尺寸计算
确定筒体内径
工艺条件给定容积V、筒体内径估算D1：
D1 = =1.058m=1058mm
式中 V——工艺条件给定容积，m3 ；
i——长径比，i=
将D1估算值圆整到公称直径1000mm

确定封头尺寸
椭圆封头选标准件内径与筒体内径相同
曲边高度h1=250mm
直边高度 h2=25mm
内径面积 A=1.625m2
封头容积 V=0.1505m3
封头厚度
质量
确定筒体高度
式中

圆整后的筒体高度为1500 则
反应釜容积
式中

夹套几何尺寸计算
夹套和筒体的连接常焊接成密封结构
夹套的安装尺寸通常在。夹套内径
夹套下封头型式同罐体封头，其直径与夹套筒体封头相同为1100mm
通常取

夹套高
式中

夹套所包围的筒体表面积

式中 2
2
——1米高内封头表面积查表为
夹套反应釜的强度计算
强度计算的原则及依据
强度计算中各参数的选取及计算，均应符合GB 150—1988《钢制压力容器》的规定。

夹套反应釜设计计算举例
几何尺寸
步骤
项目及代号
参数及结果
备注
1-1
全容积V，m3
1.3
由工艺条件给定
1-2
操作容积V1，m3
1.299
由工艺条件给定
1-3
传热面积F，m2
4
由工艺条件给定
1-4
釜体形式
圆筒形
常用结构
1-5
封头形式
椭圆形
常用结构
1-6
长径比
1.4
按表4-2选取
1-7
初算筒体内径 ，m
1058
按式4-1计算
1-8
圆整筒体内径
1000
按附表4-1选取
1-9
一米高的容积V1m ，m3
0.785
按附表4-1选取
1-10
釜体封头容积
0.1505
按附表4-2选取
1-11
釜体高度
1.464
按式4-1计算
1-12
圆整釜体高度
1500
按式4-1计算
1-13
实际容积
1.328
按式4-2计算
1-14
夹套筒体内径 ，mm
1100
按式4-2计算

1-15
装料系数，或按选取
0.8

选取

1-16
夹套筒体高度
H2 ，m
1.133

按式4-2计算
1-17
圆整夹套筒体高度，mm
1100
选取
1-18
罐体封头表面积2
1.1625
按附表4-2选取
1-19
一米高筒体内表面积 ，2
3.14
按附表4-1选取
1-20
实际总传热面积2 ，2
4.721
按式4-5校核

强度计算（按内压计算厚度）
步骤
项目及代号
参数及结果
备注
2-1
设备材料

2-2
设计压力（罐体内）P1，

2-3
设计压力（夹套内）P2，

2-4
设计温度（罐体内）t1，

2-5
设计温度（夹套内）t2，

2-6
液柱静压力

2-7
计算压力MPa

2-8
液柱静压力MPa

2-9
计算压力

2-10
罐体及夹套焊接接头系数

2-11
设计温度下材料需用应力，

2-12
罐体筒体计算厚度

2-13
夹套筒体计算厚度

2-14
罐体封头计算厚度

2-15
夹套封头计算厚度

2-16
钢板厚度负偏差C1，mm

2-17
腐蚀裕量C2，mm

2-18
厚度附加量 C1 +C2，mm
，

2-19
罐体筒体设计厚度

2-20
夹套筒体设计厚度

2-21
罐体封头设计厚度

2-22

2-23
罐体筒体名义厚度，mm

2-24
夹套筒体名义厚度

2-25
罐体封头名义厚度mm

2-26
夹套封头名义厚度，mm

稳定性校核（按外压校核厚度）
序号
项目及代号
参数及结果
备注
3-1
罐体筒体名义厚度

3-2
厚度附加量 C1 +C2，mm

3-3
罐体筒体有效厚度

3-4
罐体筒体外径

3-5
筒体计算长度

3-6
系数

3-7
系数

3-8
系数A

3-9
系数B

3-10
许用外压力

3-11
罐体筒体名义厚度，mm

3-12
厚度附加量 C1 +C2，mm

3-13
罐体筒体有效厚度

3-14
罐体筒体外径

3-15
筒体计算长度

3-16
系数

3-17
系数

3-18
系数A

3-19
系数B

3-20
许用外压力

3-21
罐体筒体名义厚度，mm

3-22
罐体封头名义厚度

3-23
厚度附加量 C1 +C2，mm

3-24
罐体筒体有效厚度

3-25
罐体筒体外径

3-26
标准椭圆封头当量球壳外半径，mm

3-27
系数A,

3-28
系数B

3-29
许用外应力,

3-30
罐体封头名义厚度

水压试验校核
序号
项目及代号
参数及结果
备注
4-1
罐体试验压力,

4-2
夹套水压试验压力,

4-3
材料屈服点应力，

4-4
，

4-5
罐体圆筒应力 ，

4-6
夹套内压试验应力 ，

反应釜的搅拌装置
推进式搅拌装置是调和低粘度均相液体混合的。主要利用容积循环速率来控制，则不限。
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紧定螺钉固定，轴端加固定螺母，为防止螺纹腐蚀可加轴头保护帽。直径常取罐体内径的，

搅拌轴设计
搅拌轴的机械设计主要是结构设计（包括轴的支撑结构）和强度校核，我们选定的反应釜转速n>200r/min的，需要进行临街转速校核。
1) 搅拌轴的材料：选用45号钢，材料选用20Rn。

2) 搅拌轴的结构：连接推进式搅拌器，轴头需削台肩，开键槽，轴端还要车螺纹。安装搅拌器的部分称为搅拌轴或下轴，与减速机输出轴相连的轴通常称为传动轴或上轴。与联轴器配合的轴头结构，按联轴器的要求而定。
3) 搅拌轴强度校核，通常搅拌轴强度校核计算常与轴结构设计同时进行，边画图，边计算，边修改。
4) 搅拌轴的形位公差和表明粗糙度要求：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。该反应釜的转速n=200r/min时，直线度允差1000：0.1。
5) 搅拌轴的支撑，一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。当搅拌轴的长度较长时，轴的刚度条件变坏。
搅拌轴的支撑常采用滚动轴承。成对安装的轴承，温度变化较大时，应优先采用背对背安装。
6) 搅拌轴的临近转速校核计算。搅拌轴上安装有搅拌器，往往由于结构不对称、加工安装有误等原因，使回转中心离开其几何轴线而产生回转离心力，使轴收到周期性载荷干扰。当周期载荷频率与搅拌轴的自然频率接近时，轴便发生剧烈震动，这种现象称为轴共振。

序号
项目及代号
参数及结果
备注
1
轴功率P，kW

2
轴转数n，

3
轴材料

4
轴所传递的扭矩，N.mm

5
材料许用扭转剪应力，

6
系数A0

7
轴端直径 ，mm

8
开一个键槽，轴径扩大5%，mm

9
圆整轴端直径d，mm

反应釜的传动装置
反应釜的搅拌器是由传动装置来带动的。传动装置通常设置再釜顶封头的上部。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。

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、转速以及安装形式和防爆要求等几项内容。该反应釜选用Y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机。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，还要考虑有时在搅拌操中会出现不利条件造成的功率过大。
电机功率可按下式确定：

釜用减速机类型、标准及其选用
反应釜用的立式减速机，主要的类型有谐波减速机、摆线针轮行星减速机、二级齿轮减速机和V带传动减速机，他们大多有标准，在这里选用的是V带减速机

V带减速器
根据课程设计的特点，选择V带，其特点是：结构简单，制造方便，价格低廉，能防止过载，噪声小。但不适合用于防爆场合。

步骤
设计项目
单位
公式及数据
备注
1
传动的额定功率P

2
小皮带轮转速n1

3
大皮带轮转速n2

4
工况系数KA

5
设计功率Pd

6
选V带型号

7
速比i

8
小皮带轮计算直径d1

9
验算带速

10
小皮带轮计算直径d1

11
验算带速

12
滑动率

13
大皮带轮计算直径d2

14
初定中心距0

15
带的基准长度

16
确定中心距确定安装V带时所需最小中心距min 和最大中心距max

17
小皮带轮包角1

18
单根V带额定功率P1

19

20
包角修正系数

21
带长修正系数

22
V带根数z

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俩种结构形式，密封面分凸面和凹面两种。
安装底盖
安装底盖采用螺柱等紧固件，上与机架连接，下与凸缘法兰连接，是整个搅拌传动装置与容器连接的主要连接件。
安装底盖的常用形式为RS和LRS，其他结构、密封面形式以及传动轴的安装形式以按HG—21565—95选取。
安装底盖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。

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。因为减速器输出与搅拌器之间采用弹性联轴器连接，所以该设计选用DJ单支点机架。

联轴器
电机或减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌器之间的连接，都是通过联轴器连接的。
该设计选用刚性凸缘联轴器。

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溢出和杂质的渗入。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程复杂，轴的偏摆震动大，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。
反应釜搅拌轴处的密封，属于动密封，常用的有填料密封和机械密封俩种形式，他们都有标准，设计时可根据要求直接选用。

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，在搅拌设备上得到广泛应用。
采用填料密封时，应优先选用标准填料箱。标准填料箱中HG21537.7—92为碳钢填料箱。
填料箱密封的选用还应注意以下几方面：
1) 当填料箱的结构和填料的材料选择合理，并有良好润滑和冷却条件时，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’c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,以防止容器内介质的泄露；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，应在填料箱下端轴上设置储油杯；
5) 填料箱一般可不设支撑套，应将搅拌轴的支撑设置在机架上。

反应釜的其他附件
支座
夹套反应釜多为立式安装，我们选用的支座为耳式支座。标准耳式支座分为A型和B型，该反应釜选择的是B型。
每台反应釜常用4个支座，但作承重计算时，考虑到安装误差造成的受力情况变坏，应按俩个支座计算。

手孔和人孔
手孔和人孔的设置是为了安装、拆卸、清晰和检修设备内部的装置。
手孔直径一般为150mm~250mm，应使工人带上手套并握有工具的手能方便的通过。
当设备的直径大于900mm时，应开设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形俩种。圆形人孔制造方便，应用较为广泛。人孔的大小机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罐体内。
手孔和人孔的种类较多，该反应釜选用带颈平焊法兰手孔。
设备接口
化工容器及设备，往往由于工艺操作等原因，再筒体和封头上需要开一些各种用途的孔。
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直径（DN）和公称压力（PN）。
接管的伸出长度一般为从法兰封面到壳体外径为150mm，当考虑设备保温等要求时，可取伸出长度为200mm。
管法兰选用了：板式平焊法兰和带颈平焊法兰。法兰的封面形式主要有凸面、凹凸面、榫槽面三种。
补强圈
容器开孔后由于壳体材料的削弱，出现开孔应力几种现象。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。补强圈形状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）,焊接后通入压缩空气，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。
液体出料管
出料管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。

夹套进气管
当夹套装设进气管时，为防止气体直冲管壁，影响罐体强度。所以选择夹套进气管。

视镜
视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，当视镜需要斜装或设备直径较小时，采用带颈视镜。该反应釜选用的为带颈视镜。