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搅拌反应釜计算设计说明书

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2020年4月19日
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课 程 设 计

设计题目 搅拌式反应釜设计

学生姓名

学 号

专业班级 过程装备与控制工程

指导教师

“过程装备课程设计”任务书
设计者姓名： 班级： 学号：
指导老师： 日期：
1.设计内容
设计一台夹套传热式带搅拌的反应釜
2.设计参数和技术特性指标
简 图
设 计 参 数 及 要 求

容器内
夹套内
工作压力，MPa

设计压力，MPa

工作温度，℃

设计温度，℃
＜100
＜150
介质
有机溶剂
蒸汽
全容积，m3

操作容积，m3

传热面积，m2
＞3
腐蚀情况
微弱
推荐材料
Q345R
搅拌器型式
推进式
搅拌轴转速
250 r/min
轴功率
3 kW
接 管 表
符号
公称尺
寸DN
连接面
形式
用途
A
25
PL/RF
蒸汽入口
B
65
PL/RF
加料口
C1,2
100

视镜
D
25
PL/RF
温度计管口
E
25
PL/RF
压缩空气入口
F
40
PL/RF
放料口
G
25
PL/RF
冷凝水出口
3.设计要求
（1）进行罐体和夹套设计计算；（2）选择接管、管法兰、设备法兰；（3）进行搅拌传动系统设计；（4）设计机架结构；（5）设计凸缘及选择轴封形式；（6）绘制配料反应釜的总装配图；（7）绘制皮带轮和传动轴的零件图
1罐体和夹套的设计
1.1 确定筒体内径
表4-2 几种搅拌釜的长径比i值
搅拌釜种类
设备内物料类型
长径比i值

一般搅拌釜

液-固相或液-液相物料

i＝1～1.3

气-液相物料

i＝1～2
发酵罐类

I＝1.7～2.5

当反应釜容积V小时，为使筒体内径不致太小，以便在顶盖上布置接管和传动装置，一般i取小值，此次设计取i＝1.1。
一般由工艺条件给定容积V、筒体内径按式4-1估算：得D=1084mm.
式中 V－－工艺条件给定的容积，；
i――长径比，（按照物料类型选取，见表4-2）
由附表4-1能够圆整＝1100，一米高的容积＝0.95
1.2确定封头尺寸
椭圆封头选取标准件，其形式选取《化工设备机械基础课程设计指导书》图4-3，它的内径与筒体内径相同，釜体椭圆封头的容积由附表4-2 ＝0.198，（直边高度取50mm）。
1.3确定筒体高度
反应釜容积V按照下封头和筒体两部分之容积之和计算。筒体高度由计算
H1==（2.2-0.198）/0.95=0.949m，圆整高度＝1000mm。按圆整后的修正实际容积由式
V=V1m×H1+V封=0.95×1.000+0.198=1.148
式中 ；
――一米高的容积/m
――圆整后的高度，m。
1.4夹套几何尺寸计算
夹套的结构尺寸要根据安装和工艺两方面的要求。夹套的内径可根据内径由

500~600

700~1800

~3000

+50
+100
+200
选工艺装料系数=0.6~0.85选取，设计选取＝0.80。
1.4.1夹套高度的计算H2=（ηV-V封）/V1m=0.758m
1.4.2.夹套筒体高度圆整为＝800mm。
1.4.3罐体的封头的表面积由《化工设备机械基础》附表4-2查的F封=1.398。
1.4.4一米高的筒体内表面由《化工设备机械基础》附表4-1查的。F1m=3.46
1.4.5实际的传热面积F=4.166>3，由《化工设备机械基础》式4-5校核4.166〉3因此传热面积合适。

2夹套反应釜的强度计算
强度计算的参数的选取及计算均符合GB150-1998《钢制压力容器》的规程。此次设的工作状态已知时，圆筒为外压筒体并带有夹套，由筒体的公称直径 mm，被夹套包围的部分分别按照内压和外压圆筒计算，并取其中较大者。
2.1设备选用Q-235-A优质沸腾碳素钢。
2.2设计的设备有工艺参数给定的内压为＝0.25MPa。
2.3夹套内的设计压力由工艺参数给定为＝0.33MPa。
2.4罐体内的设计温度℃。
2.5夹套内的设计温度℃。
2.6在加压和工作状态下要考虑液柱的高度由《化工设备机械基础课程设计指导书式P1h=0.01MPa
2.7计算压力
2.8 夹套的液柱静压力P1c=P1+P1h=0.25+0.01=0.26MPa。
2.9 计算压力＝
2.10经过焊接的容器，其焊缝中可能存在一定的缺陷，而且在焊缝附近会由于受热而引起组织结构的变化，从而成为薄弱环节，因此在计算是要加入焊缝系数可按《过程设备设计》表4-5选取＝0.85做为其接头系数。
2.11设计温度下的材料许用应力由《化工设备机械基础》表9-5查取＝113。

2.12罐体的筒体的计算厚度。δ1=P1cD1/（2[б]tΦ-P1c）

=0.26×1300/（2×113×0.85-0.26）
=0.891mm

2.13夹套的筒体的计算厚度 δ2=P2cD2/（2[б]tΦ-P2c）
=0.3×1400/（2×113×0.85-0.3）
=1.234mm。
2.14罐体封头的计算厚度δ1′=P1cD1/（2[б]tΦ-0.5P1c）
=0.26×1300/（2×113×0.85-0.5×0. 26）
=0.89mm

2.15夹套封头的计算厚度δ2′=P2cD2/（2[б]tΦ-0.5P2c）
=0.3×1400/（2×113×0.85-0.3×0.5）
=1.233mm

2.16钢板的厚度负偏差由《过程设备设计》表4-2取。
2.17腐蚀裕量 C2=2.0mm
2.18由此的厚度附加量。C=C1+C2=2.6mm
2.19则罐体筒体的设计厚度δ1d=δ1+C2=2.891mm
2.20则夹套筒体的设计厚度δ2d=δ2+C2=3.234mm
2.21罐体封头的设计厚度δ1d′=δ1′+C2=2.89mm
2.23夹套封头的设计厚度δ2d′=δ2′+C2=3.233mm
2.24对于碳素钢或是低合金钢规定筒体的最小厚度不应小于，若加上腐蚀裕量，则名义厚度至少应取，由钢板的标准规格名义厚度取为。
2.25罐体筒体的名义厚度取5mm。
2.26夹套筒体的名义厚度取5mm。
2.27罐体封头的名义厚度取5mm。
2.28夹套封头的名义厚度取5mm。

3稳定性计算
各国的设计规范均推荐采用图算法，此次设计的也采用图算法。由罐体圆筒＝168因此是薄壁圆筒，仅需进行稳定性校核。
3.1假设罐体筒体的名义厚度为8mm。
3.2在内压计算时由《过程设备设计》表4-2能够查6mm的钢板厚度负偏差C1=0.6mm，腐蚀裕量主要是防止容器在受压的条件下由于均匀腐蚀，机械磨损而导致的厚度消弱减薄，筒体和封头都要考虑，对于碳素钢和底合金钢不小于1.0。此处取，C=C1+C2=2.6mm。
3.3罐体筒体的有效厚度δ1e=δ1n-C=8-2.6=5.4mm。
3.4罐体筒体的外径 D1o=1120mm
3.5由《化工设备机械基础》查椭圆封头的曲边高度h1=350mm，直边高度h2=50mm，筒体的计算L=H2+1/3h1+h2=891.67mm。
3.6计算系数L/D10=0.796。
3.7计算系数D10/δ1e151.35
3.8以和的值由《过程设备设计》图4-7做为计算图查得A值A＝0.00072。
3.9由所选的材料为碳素钢由《过程设备设计》查4-6做为计算图查B的值B＝97。
3.10由《过程设备设计》的式4-26计算许用压力[p]，
[P]=B/ D1o/δ1e=97/151.35=0.641>0.3MPa
3.11假设罐体封头的名义厚度为8mm。
3.12在内压计算时由《过程设备设计》表4-2能够查8mm的钢板厚度负偏差，腐蚀裕量主要是防止容器在受压的条件下由于均匀腐蚀，机械磨损而导致的厚度消弱减薄，筒体和封头都要考虑，对于碳素钢和底合金钢不小于1.0。此处取，。
3.13罐体封头的有效厚度δ1e=δ1n-C=8-2.8=5.2mm。
3.14罐体筒体的外径D1o=1016mm。
3.15筒体的计算L=H2+1/3h1+h2=966.7mm。
3.16能够由《过程设备设计》式4-89得 A=0.0007。
3.17由《过程设备设计》图4-7能够查的相应的。
3.18许用外压力[P]=B/ D1o/δ1e=97/1151.35=0.641>0.3MPa
罐体封头的名义厚度取为为8mm。

4．水压试验校核
出材料本身的缺陷外，压力容器在制造过程中由于焊缝的存在可能会有缺陷存在，为了考察缺陷对压力容器的影响，压力容器完成后要进行压力试验。对于内压容器耐压试验的目的是为了在超压的情况下缺陷是不是会迅速扩展开了，酿成事故，同时检测密封结构的密封性能。
4.1内压容器圆筒试验压力按《过程设备设计》式4-87 P1T=0.187MPa。
4.2夹套的水压试验压力按《过程设备设计》式4-87 P2T=0.247MPa。
4.3材料在屈服点的应力бs=345MPa。
4.4 бT=236.925MPa。
4.5罐体圆筒的应力б1T=P1T（D1+δ1e）/2δ1e
=13.98MPa＜179.8MPa。
4.6夹套圆筒的应力 б2T=P2T（D2+δ2 e）/2δ2 e
=20.12MPa＜179.8MPa
因此压力试验合格，所选的厚度合适。

5 搅拌轴的设计
搅拌轴的设计与一般的机械轴的设计方法与一般的传动轴相同。此处选轴的材料为45钢。
5.1轴的功率p为4kw。
5.2轴的转速为。
5.3轴的材料为45。
5.4轴所传递的扭矩。
5.5所选的45钢的许用剪切应力为35MP。
5.6系数A。取为112。
5.7轴端直径
5.8开1 个键槽轴径扩大5《过程设备设计》：28.22×（1＋0.05）＝29.63mm
5.9圆整轴径，即直径d＝30mm

5.10连轴器选用

`

6 V带轮的设计计算内容和步骤
6.1传动的额定功率P为5.5KW
6.2查附表5－4则取Y132M1-6型电机
6.3小带轮转速n1=960r/min
6.4大带轮转速
6.5工况系数KA＝1.2
6.6设计功率Pd=1.2×5.5=6.6KW
6.7选V带型号B型带
6.8传动比i=960/250=3.84
6.9小皮带计算直径选160mm
6.10验证代速v=πD1n1/60×1000=8.04m/s>5m/s
6.11所选定速度应在最大25～30和最小5之间，正好符合要求。因此选小带轮的直径为160mm。
6.12 滑动率取0.02。
6.13大带轮的计算直径 D2=（n1/n2）D1（1-ε）
=960/250×160×（1-0.01）
=602.1mm
因此取大带轮的直径为630mm。
6.14 初定中心距由因此取＝1000。
6.15 能够计算带的基准长度为能够有式计算得到而且要在最大最小距离之间，
=2a+π/2（D1+D2）+（D2-D1）（D2-D1）/4a
=2×1000+3.14/2（160+630）+（630-160）（630-160）/4×1000
=3295.5.1mm
在最大最小距离之间。选取基准长度Ld=3550mm
6.16确定中心距a确定带按装时的最大最小距离之间，
a=ao+（Ld-Ldo）/2
=1000+（3550-3295.5）/2
=1127mm

6.17小带轮包角，α=180°-（D2-D1）/a×57.3°
=180°-（630-160）/1000×57.3°
=156°＞120，
大于120度。
6.18单根V带的额定功率Po=1.66kw。ΔPο=0.17KW
6.19包角修正系数
6.21带长修正系数
6.22V带根数z=Pc/（Po+ΔPο）Ka KL
=6.6/（1.66+0.17）×0.98×1.11
=3.35，
圆整取4根带。

7 参考文献
1. 郑津洋主编，《过程设备设计》。北京：化学工业出版社
2. 周开勤主编，《机械零件设计手册》第五版。北京：高等教育出版社 。
3. 哈工大龚桂义主编，《机械设计课程设计图册》。北京：高等教育出版社1989。
4. 蔡纪宁主编，《化工设备机械基础课程设计指导书》。化学工业出版社 。
5. 朱家诚主编，《机械设计基础》。合肥工业大学出版社 .
6. 赵军等主编，《工设备机械基础》。北京：化学工业出版社。
7. HG/T20569——94《机械搅拌设备》。