反应釜的设计.docx

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反应釜的设计

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

淮北师范大学

2014届学士学位论文

2㎡反应釜的设计

学院、专业化学与材料科学学院、化学工程与工艺

研究方向化工设备设计

学生姓名夭荣成

学号20101404099

指导教师姓名彭本军

指导教师职称讲师

2014年4月15日

2㎡反应釜的设计

摘要：

反应釜是化工生产中常见的典型设备，一台反应釜大致是由：

釜体部分、传热和搅拌、传动及密封等装置组成。

釜体部分有包容物料反应的空间，由筒体及上、下封头所组成。

传热装置是为了送入或带走热量，本次设计为夹套传热装置结构。

搅拌装置由搅拌器及搅拌轴所组成，根据生产需要可以安装二层浆式搅拌器。

反应釜上的密封装置有两种类型：

静密封是指管法兰、设备法兰等处的密封；动密封是指转轴出口处的机械密封或填料密封等。

反应釜上还根据工艺要求配有各种接管口、人孔、手孔、视镜及支座等部件。

关键词：

反应釜；化工生产；设备；机械密封；工艺要求单

Thedesignofthe2㎡reactionkettle

Abstract:

thereactionkettleiscommontypicalequipmentinthechemicalproduction,byareactionkettleisroughly:

bodyparts,heattransferandmixing,transmissionandsealingdevice.Bodyparthasinclusionmaterialreactionspace,bythecylinderandtheupperandlowerhead.Theheattransferdeviceistoputintoortakeawayheat,theheattransferdevicestructuredesignforthejacket.Stirringdevicecomposedofstirrerandstirringshaft,caninstallsecondpulpagitatoraccordingtoproductionrequirement.Thesealonthereactionkettlehastwotypes:

staticsealisreferstothepipeflangesandequipmentoftheplacesuchasflangeseal;Dynamicsealisreferstotheaxisoftheexitofmechanicalsealsorpackingseal,etc.Onthereactionkettleisalsoequippedwithavarietyofrequirementstotakeoverthemouth,manhole,handhole,sightglasses,bearingparts,etc.

Keywords:

thereactionkettle;Chemicalproduction;Equipment;Mechanicalseal;Thetechnologicalrequirementsofsingle

目录

1.引言5

1.2反应釜的釜体设计6

1.2.1筒体的直径与高度7

1.2.2夹套的结构7

1.2.3厚度的确定8

1.3工艺管口9

1.3.1进料管口9

1.3.2出料管口9

2.1反应釜釜体的设计过程9

2.2反应釜的搅拌装置13

2.3反应釜的传动设备13

2.3.1电动机的选用13

2.3.2减速机的选用13

2.3.3机架和联轴器的选用14

2.3.4安装底盖的选用14

2.3.5凸缘法兰的选用14

3.1反应釜轴封装置的选用14

3.2反应釜附件的选用15

4总装配图16

参考文献18

致谢18

1.引言

反应釜机械设计[1]是在工艺要求确定之后进行的。

反应釜的工艺要求通常包括反应釜的容积、最大工作压力、工作温度工作介质及腐蚀情况、传热面积、搅拌形式、转速及功率、装配哪些接管口等几项内容。

这些要求一般以表格形式反映在工艺人员提出的设备要求单中。

1.1设备设计要求单

设备名称2m3反应釜

技术特性指标

简图

压力釜内0.2MPa

夹套内0.3MPa

温度釜内低于120℃

夹套内低于120℃

介质夹套内冷却水、蒸汽

腐蚀情况微弱

传热面积夹套7m2

搅拌方式浆式

转速85r/min

功率5kW

操作容积1.6m3

设备容积2m3

建议采用材料A3

管口表

编号名称管径Dg/mm

a冷盐水出口30

b氨水出口30

c人孔400

d温度计管口40

e浓硫酸进口50

f压缩空气管30

g压料口60

h压料管套管100

I放料口40

j冷盐水进口30

1.2反应釜的釜体设计

反应釜釜体的主要部分是容器，其筒体基本上是圆柱形，封头常用椭圆形、锥形和平板，椭圆形应用最广泛。

釜体结构与传热形式有关，最常见的是夹套式壁外传热结构，如图所示；也有釜体内部安设蛇管的传热结构，如图所示；必要时也可将夹套蛇管联合使用。

釜体上按工艺要求还需安装各种接管口。

因此反应釜釜体的设计要确定如下内容：

釜体的结构型式和各部分尺寸，传热形式和结构，工艺管口的安设等。

1.2.1筒体的直径与高度

筒体的基本尺寸是内径D1和高度H。

筒体的基本尺寸首先决定于工艺要求。

对于带搅拌器的反应釜来说，设备容积V为主要决定参数，根据化工原理知识，搅拌功率与搅拌器直径的五次方成正比，而搅拌器直径往往需随容器直径的增大而加大，因此在同样的容积下，反应釜的直径太大是不适宜的。

又如某些有特定要求的反应釜如发酵罐之类，为了使通入罐中的空气能与发酵液充分接触，需要一定的液位高度，故筒体的高度不宜太矮。

根据实践经验，几种反应釜的H/D1值大致如表所示。

表1几种反应釜的H/Di

Table1SeveralreactionkettleofH/Di

种类釜内物质类型H/D1

一般反应釜

液-固相或液-液相物料

汽-液相物料

1—1.3

1—2

1.7—2.5

发酵罐类

在确定反应釜直接及高度时，还应根据反应釜操作时所允许的装满程度——装料系数等给予综合考虑，通常装料系数η可取0.6——0.85。

如反应时易起泡沫或呈沸腾状态，η应取低值，如取0.6——0.7；反应状态平稳，η可取0.8——0.85（物料粘度较大时，可取最大值）。

因此设备容积V与操作容积V0应有如下关系：

V0=ηV。

在生产中要合理选择装料系数，以尽量提高设备利用率。

1.2.2夹套的结构

夹套传热结构简单，基本上不需要进行检修。

但有衬里的反应釜或釜壁采用导热性不良的材料（如塑料、木材）制造时，因传热效果差，不宜采用夹套传热。

采用夹套传热[2]时，因夹套向外有热量散失，故需要在夹套外包以保温材料。

夹套型式可按工艺设计要求及反应釜具体结构的不同而选择，一般仅圆筒和下封头部分有夹套应用最为广泛，下面主要介绍如下：

这种夹套结构的应用压力为0.6MPa（350℃时）和1MPa（300℃时）。

夹套顶端的密封结构通常是由夹套筒体扳边而成，再焊在釜壁上，也可以采用不同形状的密封件焊接而成，但必须使密封件厚度δc≧δj（夹套厚度）；封闭件与夹套筒体的焊接须用垫板，并全焊接。

当夹套中用蒸汽作为载体热体[3]时，一般从上端进入夹套，凝液从夹套底部排出；如用液体作为冷却液时则相反，采用下端进、上端出，以使夹套中经常充满液体，充分利用传热面，加强传热效果。

夹套内径Dj可根据釜体直径按表中推荐的数值选取。

表2夹套直径与筒体直径的关系

Table2Jacketedcylinderdiameterandthediameteroftherelationship

Di500—600700—18002000—3000

DjDi+50Di+100Di+200

夹套的下封头根据夹套直径及所选形式，按标准选取。

夹套筒体的高度Hj主要决定于传热面积Fh的要求，夹套的高度一般应不低于料液的高度，以保证充分传热。

根据装料系数η、操作容积ηV，夹套筒体的高度Hj可由下是式估算值

夹套高度的确定，还应考虑两个因素：

当反应釜筒体与上封头用设备法兰联接时，夹套顶边至少应在法兰下方150—200mm处；而当反应釜具有悬挂支座时，须考虑避免因夹套顶部位置而影响支座的焊接地位。

1.2.3厚度的确定[4]

中低压反应釜釜体部分和夹套厚度，基本上按容器设计方法来确定。

反应釜在压力状态下操作，如不带夹套，则筒体及上、下封头均按内压容器设计，以操作时釜内最大压力为工作压力；如带夹套，则反应釜筒体及下封头应按承受内压和外压分别进行计算，并取二者中的最大值。

按内压计算时，最大压力差为釜内工作压力；按外压时，最大压力差为夹套内工作压力（当釜内为常压或尚未升压时）或夹套内工作压力加0.1MPa（当釜内为真空时）。

上封头如不包在夹套内，则不承受外压作用，只按内压计算，但通常与下封头相同的厚度。

夹套筒体及夹套封头则以夹套内的最大工作压力按内压容器设计，真空时按受外压进行设计。

通常封头与筒体取相同的厚度，必要时还得考虑内、外筒体膨胀差的影响。

当夹套上有支承件时，还应考虑容器和所装载物料的重量。

1.3工艺管口[5]

反应釜上工艺管口，包括进出料口、温度计口、压力计口及其他仪表管口等，其结果和容器上的管口基本相同。

管口的管径及方位分布由工艺要求确定，下面介绍一些进出料口的结构型式。

1.3.1进料管口

有固定式和可拆式两种。

管接伸进设备内，可避免物料沿釜体内壁流动，以减少物料对釜壁的局部磨损与腐蚀。

管端一般制成45°斜口，以避免喷洒现象。

对于易磨损、易堵塞的物料，宜用可拆式管口，以便清洗和检修。

进口管如需浸没于料液中，以减少冲击液面而产生泡沫，管可稍长，液面以上的部分开小孔可以防止虹吸现象。

1.3.2出料管口

有上出料和下出料等形式。

当反应釜内液体物料需要输送到位置更高或与它并列的另一设备中去时，可采用压料管装置，利用压缩空气或惰性气体的压力，将物料压出。

压料管一般做成可拆式，釜体上的管口大小要保证压料管能顺利取出。

为防止压料管在釜内因搅拌影响而晃动，除使其基本与釜体贴合，并以管卡或挡板固定。

当向下放料时，管口及夹套的尺寸如表所示

表3夹套底部及管口尺寸

Table3Atthebottomofthejacketandthenozzlesize

管口公称直径Dg5070100125150

Dmin130160210260290

2反应釜的设计

2.1反应釜釜体的设计过程

以设备要求单进行反应釜的釜体的设计。

a确定筒体和封头型式

从要求单上所列的工作压力及温度以及该设备之工艺性质，可以看出它是属于带搅拌的低压反应釜类型，根据惯例，选择圆柱形筒体和椭圆形封头。

b确定筒体和封头直径

反应物料为液-固相类型，从表H/Di为1—1.3。

设备容积要求为2m3，考虑到容积不大，可取H/Di=1，这样可使直径不致太小。

从工艺上了解到反应状态无泡沫或沸腾情况，粘度也不大，故取装料系数η=0.8。

反应釜直径估算如下：

，

圆整至公称直径标准系列，取Di=1300mm。

封头取相同的内径，其曲面高度由附表1（以内径为公称直径的椭圆形封头的尺寸、内表面积、容积）查得h1=325mm，直边高度h2初步取值为40mm。

c确定筒体高度

当Di=1300mm，h2=40mm，从附表1中查得椭圆形封头的容积Vh=0.341m3，从附表2（筒体的容积、面积及重量（钢制））查得筒体每一米高的容积V1=1.327m3/m，则筒体高估算为

，

取H=1.3m，于是H/Di=1300/1300=1。

d确定夹套直径

从表得Dj=Di+100=1300+100=1400mm。

夹套封头也采用椭圆形，并与夹套筒体取相同直径。

e确定夹套高度

夹套筒体的高度估算如下：

，

取Hj为950mm。

f校核传热面积

当Di=1300mm时，从附表1、附表2查得Fh=1.99㎡，F1=4.09㎡。

则

F=Fh＋Hi×F1=1.99＋0.95×4.09=5.87㎡.

计算所得传热面积5.87㎡小于工艺要求的6㎡，说明以上确定夹套高度是可以的。

在本次设计中，夹套高度最后定为1000mm。

这样考虑的目的是使该反应釜在保证法兰上螺栓装拆方便的前提下，可具有最大传热面积，从而使该反应釜操作的适应性更广泛一些。

另一方面也可使悬挂式支座的安装高度有较大的变动幅度，以便于设备在车间中的布置定位。

g内筒及夹套的受力分析

工艺提供的条件为：

釜体内筒中工作压力0.2MPa，夹套内工作压力0.3MPa。

则夹套筒体和夹套封头为承受0.3MPa内压；而内筒的筒体和下封头为既承受0.2MPa内压，同时又承受0.3MPa外压，其最恶劣的工作条件为：

停止操作时，内筒无压而夹套内仍有蒸汽压力，此时内筒承受0.3MPa外压。

h计算夹套筒体、封头厚度

夹套筒体与内筒的环焊缝，因无法探伤检查，故从附表3中查得Φ=0.6，从安全计夹套上所有焊缝均取Φ=0.6，封头采用由钢板拼制的标准椭圆形封头，材料均为A3钢。

夹套厚度计算如下：

夹套封头厚度计算如下：

圆整至钢板规格厚度并查阅封头标准，夹套筒体与封头厚度均取为8mm。

i计算内筒筒体厚度

承受0.2MPa内压时筒体厚度

，

承受0.3MPa外压时筒体厚度为简化起见，首先假设δn=8mm，则δe=δn-c1-c2=8-2.6=5.4mm，由于夹套顶部距离容器法兰面实际定为150mm，因此内筒体承受外压外压部分的高度为H-150mm，并以此决定L/D0及D0/δe之值。

，

。

式中h2——椭圆封头直边高度，根据Di=1300mm、δn=8mm由表16-7查得h2=25mm；

h1——椭圆封头曲面高度，根据Di=1300mm由表16-6查得h1=325mm。

因此。

由图15-4查得A=0.00037，再据此查图15-5得B=50，则许用压力可计算如下：

。

因此，当名义厚度为8mm时，不能满足稳定要求。

再假设δn=10mm，则δe=δn-c1-c2=10-0.8-2=7.2mm，而D0/δe=1320/7.2=

183.3，L/D0≈1。

由图15-4查得A=0.00052，据以查图15-5得，B=70，则

。

因此，名义厚度δn=10mm时，筒体能够满足0.3MPa外压的要求。

由于筒体既可能承受内压，又可能承受外压。

因此筒体厚度应选择二者中之大值，即确定筒体厚度为10mm。

j确定内筒封头厚度

承受0.2MPa内压

。

承受0.3MPa外压设δn=10mm，则δe=δn-c1-c2=10-0.8-2=7.2mm，而

查图15-5得B=110，则

。

满足稳定要求。

2.2反应釜的搅拌装置

在反应釜中，为了加快反应速率、强化传质或传热效果以及加强混合等作用，常装设搅拌装置。

搅拌装置由搅拌器与搅拌轴组成，搅拌器型式很多，通常由工艺要求确定。

工艺单上要求使用浆式搅拌器，搅拌器的直径D取值为反应釜内径Di的1/3—2/3，不宜过大。

所以搅拌器直径D=Di/2=1300/2=650mm，而搅拌轴的轴径设计公式为:

mm。

化工设备中常用45号钢作为实心搅拌轴的材料，查《轴与联轴器》可知系数A=118—107，根据设计单可知功率P=5kW，转速n=85r/min，所以搅拌轴的轴径：

mm。

根据轴上的安装零件及其它结构上的要求计算所得的轴径还需增加10%—15%，通常还得增加2mm的腐蚀裕量。

都按最大值计算得：

45.89×1.15+2=54.77mm。

最后把确定的轴径圆整到搅拌轴轴径的标准系列查表后取d=56mm。

2.3反应釜的传动设备

反应釜的搅拌器是由传动装置带动，传动装置通常设置在釜顶封头的上部。

反应釜的传动装置包括电机、减速器、联轴器、机架、底座和凸缘法兰。

2.3.1电动机的选用

反应釜用的电动机绝大部分与减速机配套使用，只在搅拌转速很高时，才见到电动机不经减速机而直接驱动搅拌轴。

因此电动机的选用一般应与减速机的选用互相配合考虑。

很多场合下，电动机与减速机一并配套供应，所以可根据选定的减速机选用配套的电动机。

按设计任务书要求,选用电机YA132S-4,其轴功率为5kW,轴转速为n=1440r/min,电流为11.4A,最大扭矩为2.3,效率为85.5%，功率因数cosφ=0.83，质量为67Kg。

2.3.2减速机的选用

反应釜的立式减速机的选用根据：

机轴转速n=1440r/min电机功率为5kW搅拌轴转速为n1=85r/min,传动比i=n/n1=1440/85=17,减速机选用BLD摆线针齿行星减速机。

其标定符号为BLD5-3-17根据设计任务书要求，选用电机Y32M2-6,选用轴功率P=5kW,轴转速n=900r/min。

2.3.3机架和联轴器的选用

机架是用来支撑加速机和传动轴的。

轴承轴也归属于机架，机架机型有4种，本设计选用A型单支点机架。

电机或减速器输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接，都是通过联轴器连接的。

常用的联轴器有弹性块式联轴器、夹壳联轴器和紧箍夹壳联轴器。

查文献，传动轴与搅拌轴间的联轴器选用刚性凸缘联轴器GT45-HT200。

2.3.4安装底盖的选用

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HG21565-95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（突面配突面，凹面配凹面）。

选用RS型。

查资料可得，选取安装底盖DN=25mm。

2.3.5凸缘法兰的选用

凸缘法兰一般焊接于釜体封头上，用于连接搅拌传动装置，亦可兼坐安装、维修、检查用孔。

凸缘法兰分整天和衬里两种结构形式，密封面分凸面（R）和凹面（M）两种。

查阅资料，凸缘法兰的最大允许工作压力取决于所用材料及工作温度，按照已选定的电动机和减速机的设计要求，最终选用R型凸缘法兰DN=25mm。

3反应釜的轴封装置及附件的选用

3.1反应釜轴封装置的选用

解决化工设备的跑、冒、滴、漏，特别是防止有毒、易燃介质的泄露，是一个很重要的问题。

因此在反应釜的设计过程中选择合理的密封装置是很重要的。

密封装置按照密封面间有无相对运动，可区分为静密封和动密封两大类型。

对于反应釜来说，例如封头与釜身的压力容器法兰、法兰管口、人孔、视镜等附件上密封处，它们密封面是相对静止的，故称为静密封。

静止的反应釜封头和转动的搅拌轴之间存在相对运动，为了防止介质的泄露须采用密封装置，称为搅拌轴密封装置，或简称为“轴封”。

在反应釜设计中使用的轴封装置主要是填料箱密封和机械密封两种。

鉴于本次反应釜设计要求是低温低压的操作环境，选用填料箱密封装置，其结构简单、填料装拆方便。

3.2反应釜附件的选用

反应釜的组成除了釜体部分、传热、搅拌、传动及密封装置以为，还一些必不可少的附件，如人孔、视镜和工艺接管。

综合设计要求及查阅资料，选用光滑密封面的人孔PN0.6，DN400。

规格M20,16个螺柱或螺栓。

视镜是用来观察设备内部情况的。

视镜的公称直径最多有五种公称直径，取决于视镜的公称压力。

视镜的使用温度为0~200度，温度上限是由玻璃材质决定。

选用的视镜：

公称直径DN80，工程压力10的碳素钢HGJ501-86-4。

进料口采用Ф57×3.5无缝钢管。

出料口采用Ф76×4无缝钢管。

加热蒸汽进口管采用Ф38×3.5无缝钢管。

冷凝液出口管和压力表接管都选用Ф32×3.5无缝钢管。

4总装配图

参考文献

[1]汤善甫朱思明等编化工设备机械基础华东理工大学出版社，1999.04.

[2]姚玉英编化工原理上册，天津大学出版社，1999.09.

[3]姚玉英编化工原理下册，天津大学出版社，1999.09.

[4]陈国恒编化工机械基础北京化学工业出版社，2006.01.

[5]黄英编化工设计北京科学出版社，2011.06.

致谢

本文是在彭本军老师认真负责，精益求精的指导下完成的,彭老师不仅让我学到很多知识，而且还让我懂得了作为科研人员应具有的素质，让我受益终生,在此向彭老师表示衷心的感谢！

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