《化工机械与设备》课程设计任务书Word格式文档下载.docx
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1
操作容积/m3
0.8×
全容积
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/（r/min）
200
轴功率/kW
4
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
加料口
C1,2
-
视镜
D
温度计口
E
压缩空气入口
F
40
放料口
G
冷凝水出口
三、设计项目
1.进行罐体和夹套设计
2.进行搅拌传动系统设计
①进行传动方案设计计算（指定用V带传动）。
②作带传动设计计算。
③进行上轴的结构设计及强度校核。
④选择轴承、进行轴承寿命校核。
⑤选择联轴器。
⑥进行罐内搅拌轴的结构设计、搅拌器与搅拌轴的链接结构设计。
⑦选择轴封形式。
3.设计机架结构。
4.选择凸缘法兰及安装底盖结构。
5.选择支座形式并进行计算。
6.选择接管、管法兰、设备法兰、手孔、视镜等容器附件。
7.绘制装配图（A3纸张），图纸包括：
技术要求、技术特性表、接管表、标题栏、明细表。
四、设计说明书内容
1.封面
2.任务书
3.目录
4.文本（设计项目计算、选型、参考文献等）
5.装配图（附录）
成绩评定指导教师田小宁
2013年06月16日
1罐体和夹套设计
反应釜是有罐体和夹套两部分构成，罐体是反应的核心，为物料完成搅拌过程提供一个空间。
夹套为反应的操作温度提供保障，是一个套在罐体外的密封空间容器。
1.1罐体和夹套的结构设计
罐体采用立式的圆筒形容器，有筒体和封头构成。
通过支座安装在基础平台上。
封头一般采用椭圆形封头。
由于筒体内径Di<
1200mm，因此下封头与筒体的连接采用焊接连接。
而为了拆卸清洗方便，上封头采用法兰与筒体连接。
夹套型式与罐体大致一致。
1.2罐体几何尺寸计算
1.2.1确定筒体内径
一般有工艺条件给定容积V、筒体内径D1估算
式中i为长径比即：
由参考文献2中表4-2选取。
根据题意取i=1.0，已知V=1.0m3，则D1=1084mm,将D1圆整到公称直径系列，则
D1=1100（mm）.
1.2.2确定封头尺寸
（1）椭圆封头选取标准件，它的内径与筒体内径相同，标准椭圆封头尺寸见附表4-2.即DN=D1=1000（mm）
由附表4-2知曲边高度hi=250mm直边高度h2=25mm容积V封=0.1505m3
（2）封头厚度计算
由公式
其中Pc=0.55
=170MP（由参考文献附表9查的）
封头焊接采取双面焊、全焊透，局部无损伤，则φ=0.85
计算S=0.55×
1000/（2×
170×
0.85-0.5×
0.55）=1.90mm
由参考文献一表4-9查得：
负偏差C1=0.25mm
由参考文献一表4-11查得：
腐蚀裕量C2=2mm
计算名义厚度Sn=S+C1+C2=1.90+0.25+2=4.15mm
故封头厚度取4.15mm
（3）由于S<
10mm则封头的直边高度h2=25mm
有附表4-2知封头内表面积F封=1.1625m2容积V封=0.1505m3
1.2.3确定筒体的高度Hi
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Hi按下式计算并进行圆整：
Hi=（V－V封）/Vim
式中V封------------封头容积：
0.1505m3
V1m------------1m高筒体容积（见附表4-1）：
V1m=0.785m3/m
得H1=（1-0.1505）/0.785=1.082m
圆整后的H1=1100mm
按筒高圆整后修正实际容积：
V=V1m×
H1+V封=0.785×
1.1+0.1505=1.014m3>
1m3
复核结果符合规定范围
1.3夹套几何尺寸计算
夹套和筒体的连接常焊接成封闭结构，夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。
夹套的安装尺寸，夹套内径D2可根据筒体内径D1按表4-3选取：
D2=D1+100=1100mm
夹套下封头型式同筒体封头，直径D2与夹套筒体相同。
夹套高H2有传热面积而决定，不能低于料液高，
装料系数：
η=操作容积/全容积=0.8÷
1=0.8
夹套高H2计算：
H2=（ηV-V封）÷
Vim代入数值计算
得：
H2=0.7617m圆整后H2=800mm
夹套所包围的罐体的表面积，一定要大于工艺要求的传热面积F，即：
F封＋F筒>
=F其中F筒=H2×
F1m
故F封＋F筒=1.1625＋3.14×
0.7617=3.55m2>
3m2
所以换热要求满足。
筒体和上封头的连接采用甲型平焊法兰连接，选取凹凸密封面法兰，其尺寸见附图4-2（参考文献【3】P111页），主要尺寸由附表4-4查的，其中：
D=1530mmD1=1490mmD2=1455mmD3=1441mm
D4=1438mmS=46mmd=23mm
1.4夹套反应釜的强度计算
夹套反应釜几何尺寸确定后，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。
1.4.1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GB150-1998《钢制压力容器》的规定。
圆筒为正压外带夹套时：
当圆筒的公称直径DN>
=600㎜时，被夹套包围部分的圆筒分别按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中较大值，其余部分按内压圆筒设计。
1.4.2按内压对圆筒和封头进行强度计算
（1）筒体强度计算
已知：
Tc=120℃Pc=0.55Mpa
=170MPφ=0.85
S=（PcDi）/（2
φ-Pc）=1.90mm
腐蚀裕量C2=2mm
名义厚度Sn=S＋C1＋C2=4.15mm
（2）封头厚度计算
φ-0.5Pc）=1.90同理
名义厚度：
Sn=S＋C1＋C2=4.15mm
1.4.3按外压对筒体和封头进行强度校核
（1）筒体图算法强度校核计算
1当罐体筒体名义厚度Sn=14mm令Se=Sn-C=11.75mm，D0=Di+2Sn=1020mmL=H2+1/3h1=883mm
2则L/D0=883÷
1028=0.860，D0/Se=1028/11.75=87.5
3查图5-5得A=0.0025
4查图5-9由于Tc=120℃则B=169Mpa
计算许应外压力[p][p]=B/（D0/Se）=0.621Mpa
所以[p]>
0.62故筒体厚度Sn取14mm
（2）外压封头强度校核计算
①设封头名义厚度Sn=8mm计算有效厚度Se=Sn-C=5.75mm
R0=K1D0式中K1=0.9D0=Di+2Sn=1016mm
R0=0.9×
1016=914.4mmRo/Se=159.0
②计算系数A
A=0.125/（Ro/Se）=0.00078
③查参图5-9T=<
120℃查的系数B=100
[p]=B/（Ro/Se）=0.629Mpa>
0.62Mpa
所以封头厚度确定Sn=8mm
1.4.4夹套厚度计算
（1）夹套筒体部分厚度计算
由Pc2=0.65MpaTc2=<
150℃
=170MPφ=0.85
S2=（Pc2Di）/（2
φ-Pc2）=2.15mm不满足刚度条件
所以取最小厚度作为计算厚度S=3mm
腐蚀裕量C2=2mm
则夹套筒体设计厚度Sn2=S＋C2=5mm
（2）夹套封头厚度计算
同理：
S2`=（Pc2Di）/（2
φ-0.5Pc2）=2.15mm
不满足刚度条件,所以取最小厚度作为计算厚度S=3mm
则Sn2`=S3＋C2=5mm
1.4.5水压试验校核计算
夹套反应釜应对罐体和夹套分别进行水压试验，并校核圆筒应力σT
罐体水压试验
由于[σ]≈[σ]t故pT=1.25p=1.25Pc=0.65MpaDi+Se=1011.75
=27.98Mpa
材料屈服点应力σs=345Mpa
0.9σsφ=263.9Mpa
≦0.9σsφ所以罐体水压试验强度足够
（2）由于[σ]≈[σ]t故pT=1.25p=1.25Pc2=0.775MpaDi+Se=1005.75
67.78Mpa
≦0.9σsφ所以夹套水压试验强度足够
2反应釜的搅拌装置
搅拌装置由搅拌器、轴及其支撑组成。
搅拌器的形式很多，根据任务说明书的要求，本次设计采用的是推进式搅拌器。
其机械设计的主要内容是：
确定搅拌器直径、搅拌器与搅拌轴的连接结构、进行搅拌轴的强度设计和临界转速校核、选择轴的支撑结构。
由表4-4查的D1/DJ取推进式D1/DJ=0.2-0.5H0/DJ不限
则可以取搅拌器直径DJ=300mm
液面高度：
H0=300mm
2.1搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计
桨式搅拌器，其桨叶为三叶。
轴转速为200r/min,采用单层桨安装在与下封头焊缝等高的位置。
搅拌器与轴的连接是通过套用平键或紧定螺钉固定.轴端加固定螺母。
搅拌器主要尺寸有表4-5查的：
DJ=300mmD=50mmd1=80mmH=65mmN/n不大于0.02
Do:
M12键槽B:
12mm键槽t:
43.6mm质量为3.62Kg
2.2搅拌轴设计
搅拌轴的机械设计内容同一般传动轴，主要是结构设计和强度校核
2.2.1搅拌轴的结构
用实心直轴，V带传动的上轴一端安装大带轮,另一端安装刚性联轴器,带轮和联轴器均采用平键传动,考虑到带轮和联轴器的轴向定位均加轴肩,并在轴端采用挡圈轴向固定.
2.2.2确定最小轴径
轴功率P＝4KW，搅拌轴的转速n＝200r/min，材料为45钢,[
]＝35
，剪切弹性模量G＝8×
104MPa，许用单位扭转角[
]＝1.0°
/m，系数A取112。
则轴端直径d>
=Ao×
（p/n）1/3=30.4mm,轴所传递的转矩T=9500p/n=191N.m
考虑开键槽和物料对轴的腐蚀,轴径扩大7%,即d=32.528mm.圆整取较大值,所以d=40mm.由结构确定其他各段轴径:
带轮和联轴器轴向定位的轴肩d2=45mm,取轴端挡圈公称直径50mm.
2.2.3搅拌轴强度校核
轴扭转的强度条件是：
（参考文献1.公式9-5）
对45刚[τ]k=35Mpa
对实心轴Wp=πd3/16=12560mm3
Tθ=9.55×
106p/n=191000N•mm
则：
τmax=15.207<
[τ]k故d=40mm强度足够
2.2.4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。
当转速n<
200r/min时直度允许误差：
1000：
0.1。
轴的表面粗糙度可按所配零件的标准要求选取。
2.2.5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,外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra取1.6
3反应釜的传动装置
反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。
传动装置设置在釜顶封头的上部，其设计内容一般包括：
电机；
减速机的选型；
选择联轴器；
选用和设计机架和底座等。
3.1常用电机及其连接
按设计任务书要求,选用电机Y132M2-6,其轴功5.5Kw,轴转速为n=960r/min,电流为12.6A,最大扭矩为2.0,转动惯量为0.0449Kg.m2,质量为84Kg,V型带传动。
3.2釜用减速机类型，标准及其选用
反应釜的立式减速机的选用根据：
机轴转速n=50r/min电机功率为5.5Kw,搅拌轴转速为n1=200r/min,I况系数KA=1.2,又有传动比i=n/n1=960/200=4.8,d1=106mm
所以减速机得设计功率Pd=KA*P=6.6Kw.转速v=3.14d×
960/（60×
1000）=5.32544r/min>
5r/min,选取滑动率0.02,则大带轮直径d2=（1-0.02）id1=0.98×
4.8×
106=498.624mm,圆整后取d2=500mm
3.3法兰的选择
选取R型（DN=200mm）
3.4安装底盖
安装底盖采用螺栓等紧固件，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。
设计选取了RS型安装底盖。
其主要尺寸查附图4-7和附表4-7,选取安装底盖DN=250mm，并确定其尺寸。
3.5机架选择
机架按类别分为搪玻璃反映罐专用机架、无支点，单支点和双支点机架四大类。
原则上是根据减速机输出轴径的大小来确定型号，只要接口形式及安装尺寸相符，减速机的输出轴大小在一定范围内可以对机架型号作上下浮动。
此处选PV6减速机自带机架。
3.6联轴器
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，都是通过联轴器连接的。
扭矩Tca=KAT=1.3×
955×
P/n=247N.m,按轴径d=40mm,由Tca及n条件查标准尺寸,查得TL6的数据为d1=40mm,许用最大扭矩为250N.m,[n]max=2800r/min,满足要求.
所以选用TL6型弹性联轴器.
4反应釜的轴封装置
轴封式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物料溢出和杂质的掺入。
鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式为主，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况复杂，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两种形式。
他们都有标准，设计时可根据要求直接选用。
这次设计选用填料密封,因为轴径d=40mm,查得D1=175mm,D2=145mm,D3=110mm,H=147mm,填料规格10*10,法兰螺栓孔4*φ18mm,填料箱质量为7.5Kg.
5反应釜的其他附件
5.1接管与管法兰
接管与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通径（DN）和公称压力（PN）。
管子的公称通径和钢管的外径关系见表6.3。
表6.3
5.2手孔和人孔
手孔和人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。
手孔直径一般为150—250mm，应使工人带上手套并握有工具的手能方便的通过。
手孔和人孔的种类较多，且大部分有标准。
本设计采用手孔，为带颈平焊法兰手孔，其主要尺寸见表
人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。
设备的直径大于900mm，应开设人孔。
人孔的形状有圆形和椭圆形两种。
圆形人孔制造方便。
应用较为广泛。
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，一便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入罐体内。
其主要尺寸见附表4-11，型式见附图4-11.
密封面型式：
突面（RF型）公称压力：
1.0Mpa公称直径：
DN=450mm
总质量：
125Kg螺柱：
20个螺栓：
40个。
螺柱：
M24-125视镜
5.3视镜
主要用来观察内物料及其反应情况，也可作为料面指示镜，一般成对使用。
其结构型式如图6.2。
当视镜需要斜装或设备直径较小时，采用带颈视镜。
本设计采用带灯有颈视镜，主要尺寸见表6.7。
视镜的结构型式
表6.7
5.4设备接口
化工容器及设备，往往由于工艺操作等原因，在筒体和封头上需要开一些各种用途的孔。
接管和法兰是用来与管道和其他设备连接的。
标准管法兰的主要参数是公称直径和公称压力。
管子的公称直径和与钢管的外径的关系见表4-13.
接管的伸长度一般为从法兰密封面到壳体外径为150mm。
液体出料管的设计主要从无聊易放尽、阻力小和不易堵塞等原因考虑。
另外还要考虑温差应力的影响。
参考文献
[1]刁玉玮,王立业,喻健良.化工设备机械基础[M].大连:
大连理工大学出版社,2008.
[2]赵军,张有忱,段成红.化工设备机械基础[M].北京:
化学工业出版社,2012.
[3]蔡纪宁,张丽颜.化工设备机械基础课程设计指导书[M].北京:
附录
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