反应釜(过程设备设计)课程设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 专业课 课程设计（论文）题目： 院（系） 机械工程与自动化学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间： 13.12.16-14.01.10 专业课课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程与自动化学院 教研室：过程装备与控制工程学号学生姓名专业班级过程102题 目课程设计（论文）任务1设计技术参数釜内夹套工作介质水固体水蒸气工作压力（MPa）0.153.0工作温度 （）120150操作容积 （m3）6传热面积（M2）72设计内容（1）设计方案确定（2）釜体直径设计（3）筒体及封头设计（4）夹套设计（5）密封装置（法兰、垫片、螺栓）设计（6）传热设计（7）搅拌轴、搅拌器及传动装置设计及选择（8）设计轴封形式（9）悬挂式支座设计（10）开孔补强设计（11）其它附件设计（12）有关焊接方面的设计（选择）（13）经济分析3 完成工作量 反应釜装配图 A0 （1张） 设计计算说明书一份，A4打印。成绩评定图面（20%）说明书（30%）答辩（40%）平时（10%）总分 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书目录前言31反应釜用途及特征32反应釜常见类型33搅拌反应釜4第1章机械设计61.1确定筒体的直径和高度61.1.1筒体的直径61.1.2筒体的高度61.2确定夹套的直径和高度71.2.1夹套的直径71.2.2夹套的高度71.3确定夹套及筒体材料和设计壁厚81.3.1确定夹套的材料和设计壁厚81.3.2确定筒体的材料和壁厚91.4水压实验及强度较核111.4.1内筒体水压实验压力111.4.2夹套水压实验压力121.4.3内筒水压实验时壁内应力121.4.4夹套水压实验时壁内应力12第二章传热计算142.1夹套内的液体向筒体的外壁传热142.2筒外壁和内壁的传热142.3较核外壁温度16第三章 搅拌釜密封、搅拌传动装备及附属的计算与选择173.1选择釜体法兰173.2搅拌轴、搅拌器及传动装置的设计173.2.1选择搅拌器、搅拌轴和联轴器173.2.2功率计算183.2.3搅拌轴直径计算183.2.4选择搅拌传动装置和密封装置193.2.5轴封装置203.3开孔补强213.3.1氨水进口补强：213.3.2人孔补强：223.3.3温度计补强：243.3.4补强措施253.4容器支座的选用253.4.1反应釜的总重量计算263.5人孔、温度计与工艺接管选择273.5.1人孔的选择273.5.2温度计的选择283.5.3工艺接管的选择28结束语30参考文献31前言1反应釜用途及特征反应釜的广义理解即有物理或化学反应的不锈钢容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。随之，反应过程中的压力要求对容器的设计要求也不尽相同。生产必须严格按照相应的标准加工、检测并试运行。不锈钢反应釜.根据不同的生产工艺、操作条件等不尽相同，反应釜的设计结构及参数不同，即反应釜的结构样式不同，属于非标的容器设备。不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等生产型用户和各种科研实验项目的研究，用来完成水解、中和、结晶、蒸馏、蒸发、储存、氢化、烃化、聚合、缩合、加热混配、恒温反应等工艺过程的容器。反应釜是综合反应容器，根据反应条件对反应釜结构功能及配置附件的设计。从开始的进料-反应-出料均能够以较高的自动化程度完成预先设定好的反应步骤，对反应过程中的温度、压力、力学控制（搅拌、鼓风等）、反应物/产物浓度等重要参数进行严格的调控。2反应釜常见类型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，每一种结构都有他的适用范围和优缺点。反应釜按材质及用途可有以下几种：（1）不锈钢反应釜不锈钢反应釜由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍（哈氏、蒙乃尔）合金及其它复合材料；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。不锈钢反应釜搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配。不锈钢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。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、外(内)盘管加热等，冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却。不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，例如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜等。（2）搪玻璃反应釜搪玻璃反应釜是将含高二氧化硅的玻璃，衬在钢制容器的内表面，经高温灼烧而牢固地密着于金属表面上成为复合材料制品。因此搪玻璃反应釜具有玻璃的稳定性和金属强度的双重优点，是一种优良的耐腐蚀设备。搪玻璃反应釜技术规范：使用压力：0.2-0.8Mpa；耐酸性：对各种有机酸、无机酸、有机溶剂均有较好的抗蚀性；耐碱性：搪玻璃对碱性溶液抗蚀性较酸溶液差。瓷层厚度：玻璃设备的瓷层厚度0.8-2.3mm，搪玻璃设备附件的瓷层厚度0.6-1.8mm；耐压电：搪玻璃具有良好的绝缘性，当搪玻璃在规定厚度内用20KV高频电火花检查瓷层时，高频电火花不能击穿瓷层；耐冲击性：玻璃层的内应力越小，弹性越好，硬度越大，抗弯抗压强度越高，则耐冲击就越好。（3）磁力搅拌反应釜采用静密封结构，搅拌器与电机传动间采用磁力偶合器联接，由于其无接触的传递力矩，以静密封取代动密封，能彻底解决以前机械密封与填料密封无法解决的泄漏问题，使整个介质各搅拌部件完全处于绝对密封的状态中进行工作，因此，更适合用于各种易燃易爆、剧毒、贵重介质及其它渗透力极强的化学介质进行反应，是石油、化工、有机合成、高分子材料聚合、食品等工艺中进行硫化、氟化、氢化、氧化等反应最理想的无泄漏反应设备。（4）不饱和聚酯树脂全套设备不饱和聚脂树脂设备由立式冷凝器、卧式冷凝器、反应釜、储水器、分馏柱五部分组成，适用范围：用于生产不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、ABS树脂、油漆的关键设备。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。（5）电加热反应釜电加热反应釜具有加热迅速、耐高温、耐腐蚀、无环境污染等特点，广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等行业，也用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、缩合、聚合等工艺过程。电加热反应釜材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔、因康镍）合金及其它复合材料；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，每一种结构都有他的适用范围和优缺点。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。3搅拌反应釜搅拌反应釜是化学、医药及食品等工业中常用的典型反应设备之一。它是一种在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种（或多种）液体与液体以及液体与固体或气体物料混匀，促进其化学反应的设备，通常伴有热效应，由换热装置将所需的热量输入或将生成热量移出。搅拌反应釜按搅拌装置的安装型式可分为立式、卧式、倾斜式和底搅拌等；按搅拌形式可分为桨式、框式、锚式和推进式、涡轮式等。根据设计任务书要求本次设计的搅拌反应釜为桨式搅拌反应釜。桨式搅拌反应器在结构上比较简单，它的搅拌叶一般以扁钢制造，当釜内物料对碳钢有显著腐蚀性时，可用合金钢或有色金属制成，也可以采用钢制外包香蕉或环氧树脂，酚醛玻璃布等方法。桨叶安装形式分为平直叶和折叶两种。平直叶是叶面与旋转方向互相垂直；折叶则是与旋转方向成一倾斜角度。平直叶主要使物料产生切线方向的流动，加搅拌挡板后可产生一定的轴向搅拌效果。折叶与平直叶相比轴向分流略多。桨式搅拌器的运转速度较慢，一般为10-100r/min，圆周速度在1.5-3m/s范围内比较合适。广泛用于促进传热可溶固体的混合与溶解以及需在慢速搅拌的情况下，如搅拌被混合的液体及带有固体颗粒的液体都是很有效果的。第1章机械设计釜体的机械设计内容是:确定各部分的结构型式和尺寸,安设各种工艺接管。1.1确定筒体的直径和高度夹套式反应釜的釜体是由封头、筒体和夹套三部分焊接而成,封头定为标准椭圆形封头,上封头与筒体常为焊接,但在筒体直径D1500mm的场合多用法兰联接。1.1.1筒体的直径(1)设备容积: （1-1）操作容积,装料系数,根据不同的反应状态可取0.60.85,反应状态平稳,可取0.8估算如下:(2)筒体内径: (1-2)釜体长度与筒体内径比值。可按物料为固液相混合,则可取11.3。故选,估算筒体内径为将估算结果圆整至公称直径标准系列。选取筒内直径。1.1.2筒体的高度 (1-3)封头容积,1米高的筒体容积,查附表得:封头容积1米高的筒体容积故筒体的高度:圆整。于是,复核结果符合原范围。1.2确定夹套的直径和高度1.2.1夹套的直径表1.1筒体和夹套内径关系对于筒体内径,夹套内径,。因此。夹套封头采用标准椭圆形封头,并与夹套筒体取相同直径。夹套直径。1.2.2夹套的高度估算夹套高度为: （1-4）封头容积,1米高的筒体容积,查附表得:封头容积1米高的筒体容积取,则,便于筒体法兰螺栓装拆。夹套传热面积为：满足要求。1.3确定夹套及筒体材料和设计壁厚1.3.1确定夹套的材料和设计壁厚选用Q345R为夹套材料。查得钢材许用应力表,得Q345R在工作温度为200的许用应力,选取夹套设计压力为:夹套筒体与内筒的环焊缝采用单面焊,不进行探伤检查。从安全考虑,夹套上所有焊缝均取焊缝系数,取壁厚附加量中钢板厚度负偏差,单面腐蚀裕量。夹套厚度: (1-5)管箱计算壁厚,D圆筒内径,材料许用应力,查得焊缝系数焊缝,采用单面焊,局部探伤,取故夹套厚度得:负偏差， 腐蚀裕量， 所以夹套厚度：圆整取。考虑到Q345R材质的最小壁厚要求,取夹套筒体壁厚。标准椭圆形夹套封头的壁厚：考虑到Q345R材质的最小壁厚要求,取封头壁厚：1.3.2确定筒体的材料和壁厚筒体材料也选用Q345R，筒体受内压取设计压力，设计温度为150因筒体受内外压力的作用，现分两部分分别计算筒体的厚：（1）按内压为设计壁厚：考虑Q345R材质的最小壁厚要求，取釜体筒体壁厚（2）按外压为设计壁厚：，取标准椭圆封头曲面高度，直边高度，则筒体实际长度L为： （1-6）筒体的临界长度为： （1-7）因为所以此釜体圆筒为短圆筒则釜体圆筒的临界压力为： （1-8）临界压力，MPa弹性模量，取则：筒体的许用外压力为： （1-9）因为，所以釜体筒体壁厚取不可行。现取，所以。则修改后临界压力为：筒体的许用外压力为：因为，且比较接近，所以取筒体，此时承受外压和内压时，强度均能满足要求。标准椭圆形筒体封头的壁厚为：按内压设计封头壁厚：考虑Q345R材质的最小壁厚要求，取筒体封头壁厚与筒体相同。按外压设计封头壁厚： （1-10）k系数比，查教材得，k=0.9弹性模量，取则:因为,且比较接近,所以取封头。1.4水压实验及强度较核1.4.1内筒体水压实验压力 （1-11）取二者中大者，1.4.2夹套水压实验压力取二者中大值，1.4.3内筒水压实验时壁内应力1.4.4夹套水压实验时壁内应力可见水压实验时内筒夹套壁内应力都小于，水压实验安全，当夹套作水压实时，釜体将受外压作用，因夹套的实验压力为，而筒体的许用外压为。故不需要冲压使筒体保持稳定。表1.2夹套及釜体壁厚釜体夹套筒体166封头166图1 、釜体结构主视图 图 2、釜体结构俯视图第二章传热计算2.1夹套内的液体向筒体的外壁传热由化工原理中附表8知，操作压力下，饱和水蒸气温度。查得水蒸气的比汽化热。假设外壁温度为：。冷凝液膜的平均温度为：查得水的物性参数密度：导热系数：黏度：所以而H=1500+25+1/3550=1708mm假设液膜为层流，即可计算： （2-1）检验Re数 （2-2）为层流2.2筒外壁和内壁的传热由材料可查得： （2-3）由于能量守恒得：解得液体温度从3080，取平均温度为55查水的物性参数：密度导热系数黏度比热容 （2-4）查化工原理表3-5得：35壁热阻，污垢热阻都可忽略总传热系数： （2-5）热负荷：表2.1随温度分布133.312830103.38048所以可得带入得水的平均温度：比热容：密度热负荷： （2-6）因为，所以合理。2.3较核外壁温度由于即：解得，因此符合要求。第三章 搅拌釜密封、搅拌传动装备及附属的计算与选择3.1选择釜体法兰根据筒内操作压力，温度和筒外直径选择合适的法兰及其相配套的垫片。查化工设备设计手册，选择乙型平焊法兰,法兰材料为Q345R。公称压力为下的乙型平焊法兰在操作温度为时的允许工作压力为，大于筒体设计压力，所选的甲型平焊法兰合适。参考化工设备设计手册资料选择石棉胶垫片查化工设备设计手册，选用乙型平焊法兰凸面密封面，公称压力，公称直径。图3、乙型平焊法兰3.2搅拌轴、搅拌器及传动装置的设计3.2.1选择搅拌器、搅拌轴和联轴器反应釜的传动装置通常设置在反应釜的顶盖（上封头）上，一般采用立式布置。电动机经减速机将转速减至工艺要求的搅拌转速，再通过联轴器带动搅拌轴旋转，从而带动搅拌器转动。电动机与减速机配套使用。减速机下设置一机座，安装在反应釜的封头上。考虑到传动装置与轴封装置安装时要求保持一定的同心度以及装卸检修的方便，常在封头上焊一底座。整个转动装置连同机座及轴封装置都一起安装在底座上。根据上述情况，搅拌反应釜传动装置的设计内容一般包括：电动机、减速机和联轴器的选用，选用或设计机座和底座等。3.2.2功率计算（1）搅拌器叶轮和容器条件：叶轮形式：桨式容器内径：叶轮直径：桨叶数量：Z=2容器内液柱高度：叶轮与容器底距离：叶轮潜液深度：(2)操作条件(3)雷诺数 （3-1）(4)查化工设备设计手册图10-29得功率准数(5)搅拌器功率 （3-2）3.2.3搅拌轴直径计算(1)按扭转变形计算搅拌轴的轴径搅拌轴选45号钢（1）搅拌轴传递的最大扭矩考虑电动机功率损失取 （3-3）（2）搅拌轴直径 （3-4）取（3）校核扭转角 （3-5）图4、搅拌轴，搅拌桨3.2.4选择搅拌传动装置和密封装置按照搅拌功率和转速选择摆线针齿行星减速机BLD1.5229Q，Q表示夹壳式轴头，。查附表26，选电动机Y112M4，额定功率3KW，转速1500转/分，取摆线针齿行星减速机传动效率=0.95，（参考表3）减速机输出功率为30.95=2.85KW符合搅拌要求。参考附表22，根据所选减速机设计减速机机座。3.2.5轴封装置反应釜中介质的泄露会造成物料浪费并污染环境，易燃、易爆、剧毒、腐蚀性介质的泄露会危及人身安全和设备安全。因此，在反应釜的设计过程中选择合理的密封装置是非常重要的。轴封装置按密封面间有无运动，分为静密封和动密封两大类。搅拌反应釜上法兰面之间是相对静止的，它们之间的密封属于静密封。静止的反应釜顶盖（上封头）和旋转的搅拌轴之间存在相对运动，它们之间的密封属于动密封。为了防止介质从转动轴与封头之间的泄露而设置的密封装置，简称为轴封装置。反应釜中使用的轴封装置主要有填料密封和机械密封两种。表3.1填料箱密封和机械密封的比较比较项目测漏量填料箱密封机械密封180450c.c./h10c.c./h，一般平均泄漏量为填料箱密封的1%摩擦功损失机械密封为填料箱密封的10%50%轴磨损维护及寿命有磨损用久后要换轴几无磨损细化经常维护，更换填料，个别情况8h（每班）更换一次寿命0.51或更长，很少需要维护高参数高压、高温、高真空、高转速、大直径密封很难解决可以加工及安装加工要求一般，填料更换方便动环、静环表面粗糙度及平面度要求高，不易加工，成本高，装拆不便对材料要求一般动环、静环要求较高减磨性能我们这次设计使用机械密封。它是搅拌反应釜最早采用的一种轴封结构，其特点是结构简单、易于制造，并适用于低压、低温的场合。虽然填料中含有一些润滑剂，但其数量有限且在运转中不断消耗，故常设置添加润滑油的装置。密封装置不可能达到绝对密封，因为压紧力太大时会加速轴与填料的磨损，使密封失效更快。从延长密封寿命出发，允许有一定的泄露量，运转过程中需调整压盖的压紧力，并规定更换填料的周期。对填料的基本要求是：要有弹性，这在压紧压盖后，填料能贴紧搅拌轴并对轴产生一定的抱紧力；良好的耐磨性；与搅拌轴的摩擦系数要小，以便降低摩擦功率损耗，延长填料寿命；良好的导热性；使摩擦产生的热量能较快地传递出去；耐介质及润滑剂的浸泡和腐蚀。此外，对用在高温高压下的填料还要求耐高温及有足够的机械强度。机械密封的选用应根据反应釜内介质的特性（包括对材料的腐蚀性）、操作压力、操作温度、转轴直径、转速等进行选择。对于低压（）、无毒介质、非易燃易爆者，可选用一般石棉绳，安装时外涂黄油，或者采用油浸石棉填料。压力较高或介质有毒及易燃易爆者，常用的是石墨石棉填料和橡胶石棉填料。3.3开孔补强根据GB150规定，当设计压力小于2.5Mpa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两空直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm时，只要接管最小厚度满足下表就不另行补强表3.2 补强圈尺寸公称外径253238454845657689最小厚度3.54.05.06.0则不需要补强的有a、e、f、g、h、i、j根据GB150对开孔的限制凸形封头或球壳上最大开孔直径3.3.1氨水进口补强：接管材料选择许用强度规格：外伸内伸100mm强度削弱系数 （3-6）开孔直径开孔所需补强面积（3-7）有效补强范围（1）有效宽度 取大值有效高度外侧有效高度 取小值内侧有效高度 取小值有效补强面积封头多余金属面积封头多余金属面积 （3-8）接管多余金属面积 接管区焊缝面积（焊脚取）有效补强面积所以不需补强。3.3.2人孔补强：接管材料选择许用强度规格：外伸内伸强度削弱系数开孔直径开孔所需补强面积有效补强范围有效宽度 取大值（3）有效高度外侧有效高度 取小值内侧有效高度 取小值有效补强面积封头多余金属面积封头多余金属面积接管多余金属面积 接管区焊缝面积（焊脚取）有效补强面积所以所需补强面积为3.3.3温度计补强：接管材料选择许用强度规格：外伸内伸强度削弱系数开孔直径开孔所需补强面积有效补强范围有效宽度 取大值有效高度外侧有效高度 取小值内侧有效高度 取小值有效补强面积封头多余金属面积封头多余金属面积接管多余金属面积接管区焊缝面积（焊脚取）有效补强面积所以所需补强面积为3.3.4补强措施拟采用补强圈补强。根据接管工程直径DN150选补强圈，参照补强圈标准JB/T4736取补强圈外径D=300mm内径d=163mm。因B=800，补强圈在有效范围内。考虑钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为12mm。3.4容器支座的选用反应釜因需外加温故选用B型耳式支座。3.4.1反应釜的总重量计算反应釜总载荷 Q1釜体和夹套筒体总重量查表得到：1米高釜体重7950N，1米高夹套重2960NQ2:釜体与夹套封头重量查表C-7得到:釜体封头重5880N夹套封头重2840NQ3:料液重载荷Q4：保温层与附件总重量查表得到：人孔载荷370N其他接管和保温层按1000计总重反应釜安装四个支座：但按三个支座承载计算：则每个支座承载4t查化工设备设计手册：选用承载能力为:6t的支座B4表3.3选用支座尺寸HL1B11S1L2B22502001401470290140 续表2L3B33eB41031525084070支座结构简图如下图5、支座结构图3.5人孔、温度计与工艺接管选择3.5.1人孔的选择公称：450mm压力:0.25Mpa图6、人孔结构主视简图图7、人孔结构俯视简图3.5.2温度计的选择由附表24:选用加强套管温度计的公称长度1930mm,配凸面板式平焊法兰PN0.6Mpa.图8、温度计结构简图3.5.3工艺接管的选择表3.4液体进出口接管编号名称公称直径A蒸汽进口25B氨水进口25C人孔400D温度计口40E压缩空气口25F进料口50G压料口40H压料管套筒100I出料口40J冷凝水出口25注:1.表中长度适用于国际“管道法兰”平面、榫槽、凹凸面平焊及对焊管法兰。2.设备保温厚度不大于100mm。进料管口采用452.5无缝钢管，法兰pN6,DN65, HG 20592-20635-97出料管口采用452.5无缝钢管，法兰pN6,DN65, HG 20592-20635-97压料管采用573.5无缝钢管，法兰pN6,DN50, HG 20592-20635-97氨水进口采用302.5无缝钢管，法兰pN6,DN40, HG 20592-20635-97加热蒸汽进口采用302.5无缝钢管，法兰pN6,DN40, HG 20592-20635-97冷凝液出口管选用302.5无缝钢管，法兰pN6,DN40, HG 20592-20635-97压料口套筒选用1084无缝钢管，法兰pN6,DN125, HG 20592-20635-97结束语根据设计任务书给定的设计参数，我查阅了大量化工设备设计资料，尤其是各类设计标准，完成了以下设计任务：反应釜的总体结构设计。根据工艺要求并考虑制造、安装和维护检修的方便，确定各部分结构形式，如封头形式、传动类型、轴封和各种附件的结构形式。搅拌容器的设计。根据工艺参数确定各部分几何尺寸；考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体和夹套材料；对罐体、夹套等进行强度和稳定性计算、校核。传动系统设计，包括选择电动机，确定传动类型，选择减速器、联轴器、机座及底座设计。决定并选择轴封类型及有关零部件。本设计混合性能好，能耗低，结构简单紧凑，占用空间及作业面积小，操作维修方便，安全性能好，因此具有良好的发展前景。这次我的毕业设计能顺利的按时完成，首先要感谢廖老师。廖老师在我设计的过程中给予了很大的帮助，不仅教会我解决设计上出现的问题，还教会了我一种认真治学的态度，教会我一些做人的道理。当然，我亦非常感谢所有教过我的老师以及和我一起探讨专业问题的同学，是他们教会我设计的本领，使我有了更多解决问题的方法，在设计及画图上更为得心应手。参考文献贾绍义，柴诚敬. 化工原理课程设计M. 天津：天津大学出版社,2003蔡纪宁，张秋翔. 化工设备机械基础课程设计指导书M. 北京：化学工业出版社,2000齐 芳. 夹套容器的设计 J. 石油化工设计，2006，23（2）：15-18郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计M. 北京：化学工业出版社,2005谭蔚.化工设备设计基础M.天津：天津大学出版社,2002共 33 页 第 30 页