化工设备机械基础课程设计-夹套反应釜设计文档格式.doc
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连接面形式
用途
a
25
突面
蒸汽入口
b
加料口
c
80
凸凹面
视镜
d
65
温度计管口
e
压缩空气入口
f
40
放料口
g
冷凝水出口
h
100
手孔
目录
1.概述 5
2.设计标准 6
3.设计方案的分析和拟定 6
4.各部分结构尺寸的确定和设计计算 7
4.1罐体和夹套的结构设计 7
4．1．1罐体几何尺寸计算 7
4．1．2夹套几何尺寸计算 8
4.2夹套反应釜强度计算 8
4.3反应釜的搅拌装置设计 12
4．3．1搅拌装置的搅拌器 13
4．3．2搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计 13
4．3．3搅拌装置的搅拌轴设计 14
4.4反应釜的传动装置设计 15
4．4．1常用电机及其连接尺寸 15
4．4．2釜用减速机类型、标准及其选用 15
4．4．3V带减速机 16
4．4．4凸缘法兰 18
4．4．5安装底盖 18
4．4．6机架 18
4．4．6.1无支点机架 19
4．4．6.2单支点机架 19
4．4．6.3双支点机架 19
4．4．7联轴器 20
4.5反应釜的轴封装置设计 20
4．5．1填料密封 20
4．5．2机械密封 21
4.6反应釜的其他附件设计 22
4.6.1支座 22
4.6.2手孔和人孔 22
4.6.3设备接口 23
4.6.3.1接管与管法兰 23
4.6.3.2补强圈 24
4.6.3.3液体出料管 24
4.6.3.4过夹套的物料进出口 25
4.6.3.5夹套进气管 25
4.6.4视镜 25
5.设计小结 26
6.参考资料 27
附表 28
附图 32
设计说明书
1.概述
带搅拌的夹套反应釜是染料、医药、试剂、食品及合成材料等工业中主要的反应设备之一。
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）液体以及液体与固体或气体物料混匀，促进其反应的设备。
一台带搅拌的夹套反应釜。
它主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。
搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；
搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺设计而定；
传动装置是为带动搅拌装置设置的，主要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成；
封头装置为动密封；
它们与支座、人孔、工艺接管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。
夹套反应釜的设计要注重反应的条件，一般考虑夹套和搅拌器的材料、上下进出口的设计，要注意的有：
温度----这个一般都应当有严格的控制，所以在设计的时候要注意温度计选择。
要是反应温度高可能要使用油浸泡温度计，所以要留可以装油的管槽，要是温度低还要注意冰封现象发生。
要是温度在0—100度之间，要求不高的情况下，可以用塞子直接套温度计（注意压强）。
压强----压强的高低要选择合适的反应釜，一般只要能承受两倍的大气压就可以了。
进料口和出料口----一般进料口做一定大就一个可以了，要注意一些比如回流口、真空口什么的，还有就是出料口的大小，有些物质反应后不容易放出，所以要设计合适。
材料----一般反应釜都是玻璃的，要是工业生产最好用搪瓷的，搅拌的金属要注意保护不要被腐蚀，放料活塞要可以防腐。
还有就是夹套的进出水的控制，防止部分比如盐水的滞留。
2.设计标准
（1）HG/T20569-94《机械搅拌设备》
（2）GB150-1998《钢制压力容器》
（3）HG21563~21572-95HG21537.7~8-92《搅拌传动装置》
（4）TCEDS8-90《压力容器强度计算书统一格式》
（5）CD130A20-86《化工设备设计文件编制规定》
3.设计方案的分析和拟定
由夹套反应釜设计任务书可知一些设计参数及要求。
比如容器内的设计压力为0.2MPa，夹套内的设计压力为0.3MPa，容器内的设计温度<
100℃，夹套内的设计温度<
150℃，再如焊接系数等是由任务书的数据来从参考书上选出的。
任务书中就全容积的大小提供了三组数据供设计者选择。
本设计选V=2.6m3。
已知反应釜的用途为传热带搅拌，因此反应釜需要蒸汽入口、加料口、视镜、温度计管口、压缩空气入口、放料口、冷凝水出口、手孔。
任务书中已经分别给出相应的公称尺寸：
蒸汽入口公称尺寸DN=25、加料口公称尺寸DN=25、视镜公称尺寸DN=80、温度计管口公称尺寸DN=65、压缩空气入口公称尺寸DN=25、放料口公称尺寸DN=40、冷凝水出口公称尺寸DN=25、手孔公称尺寸DN=100。
设备制造完毕后设备内0.25MPa进行水压试验，合格后焊上夹套，夹套内以0.38MPa进行水压试压。
设备上凸缘与安装底座的连接表面，应在组焊后加工，安装时轴线应处于垂直状态，搅拌轴轴封处轴的径向摆动量不得大于0.5mm,搅拌轴轴向窜动量不得大于0.3mm。
设备制造完毕后以水代料试运转1小时，应使设备达到工作压力，试运转过程中不得有不正常的噪音和震动。
最后完成设计时，将设计的反应釜绘制成装配图及绘出传动系统部件图。
4.各部分结构尺寸的确定和设计计算
4.1罐体和夹套的结构设计
4．1．1罐体几何尺寸计算
由任务书给定，本装置夹套反应釜的全容积V=2.0m3
操作容积V1取全容积的80%，即V1=2.08m3
传热面积F=7.0m2
釜体形式为常用结构圆筒形，封头形式为常用结构椭圆形。
按表4-2几种搅拌釜的长径比i值,选取=1.1
初算筒体内径D1
按附表4-1筒体的容积、面积和质量,选取圆整筒体内径D1=1400mm，一米高的容积V1m=1.539m3
按附表4-2以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸,选取釜体封头容积V1封=0.398m3
釜体高度H1
选取圆整釜体高度H1=1400mm
实际容积V
4．1．2夹套几何尺寸计算
按表4-3夹套直径D2选取夹套筒体内径D2=1500mm
装料系数η=2.08/2.6=0.8
夹套筒体高度H2=（0.8*2.6-0.398）/1.539=1.09m
选取圆整夹套筒体高度H2=1100mm。
按附表4-2以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸,选取罐体封头表面积F1封=2.2346m2。
按附表4-1筒体的容积、面积和质量,选取一米高筒体表面积F1m=4.40m2。
实际总传热面积F=4.4*1.1+2.2346=7.07m2>
7m2
4．2夹套反应釜强度计算
①强度计算（按内压计算强度）
据工艺条件或腐蚀情况确定，设备材料选用Q235-A。
由工艺条件给定,设计压力（罐体内）p1=0.2MPa，
设计压力（夹套内）p2=0.3MPa，
设计温度（罐体内）t1<
100℃，
设计温度（夹套内）t2<
150℃。
液柱静压力p1H=10-6*1000*10*1.4=0.014MPa
压力p1C=0.2+0.014=0.214MPa
液柱静压力p2H忽略不计。
压力p2C=0.3MPa
按表焊接接头系数Φ,选取罐体及夹套焊接接头系数Φ=0.85。
按表压力容器用碳素钢钢板的许用应力,选取设计温度下材料许用应力[]t=113Mpa。
罐体筒体计算厚度δ1
夹套筒体计算厚度δ2
罐体封头计算厚度
夹套封头计算厚度
按表钢板厚度负偏差,选取钢板厚度负偏差C1=0.6mm。
据经验规律，腐蚀裕量C2=2.0mm。
厚度附加量C
=0.6+2.0=2.6mm
罐体筒体设计厚度δ1c
=1.56+2.0=3.56mm
夹套筒体设计厚度δ2c
=2.35+2.0=4.35mm
罐体封头设计厚度
夹套封头设计厚度
=2.34+2.0=4.34mm
圆整选取罐体筒体名义厚度
圆整选取夹套筒体名义厚度
圆整选取罐体封头名义厚度
圆整选取夹套封头名义厚度
②稳定性校核（按外压校核厚度）
假设罐体筒体名义厚度=8mm
按表钢板厚度负偏差,选取钢板厚度负偏差C1=0.8mm
据经验规律，腐蚀裕量C2=2.0mm
厚度附加量C
=0.8+2.0=2.8
罐体筒体有效厚度
=8-2.8=5.2mm
罐体筒体外径
=1400+2*8=1416mm
筒体计算长度L
=1100+350/3+25=1242mm
系数=1242/1416=0.877
系数=1416/5.2=272.3
查附图1曲线（用于所有材料），得系数A=0.00036
查附图2曲线，得系数B=48
许用外压力
再假设罐体筒体名义厚度=10mm
=8-2.8=7.2mm
=1400+2*10=1420mm
筒体计算长度L
系数=1242/1420=0.875
系数=1420/7.2=197.2
查附图1曲线（用于所有材料），得系数A=0.0006
查附图2曲线，得系数B=83
许用外压力
确定罐体筒体名义厚度=10mm
假设罐体封头名义厚度=10mm
厚度附加量C
=2.8mm
罐体封头有效厚度
=10-2.8=7.2mm
罐体封头外径
标准椭圆封头当量球壳外半径
=0.9*1420=1278mm
系数A
查附图2曲线，得系数B=98
许用外压力
确定罐体封头名义厚度=10mm
③水压试验校核
罐体试验压力
夹套水压试验压力
查表碳素钢、普通低合金钢钢板许用应力,得材料屈服点应力
罐体圆筒应力
夹套内压试验应力
4．3反应釜的搅拌装置设计
本反应釜的搅拌装置由搅拌器，轴及其支承组成。
4．3．1搅拌装置的搅拌器
搅拌器的型式主要有：
桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。
当用来调和（低黏度均相液体混合）时，适用的搅拌器型式有推进式和涡轮式，主要受到容积循环速率的影响。
当用来分散（非均匀相液体混合），适用的搅拌器型式有涡轮式，主要受到液滴大小（分散度）、容积循环速率的影响。
当用于固体悬浮时，按固体粒度、含量及密度，决定用桨式、推进式或涡轮式，主要受到容积循环速率、湍流强度的影响。
当用于气体吸收时，适用的搅拌器型式有涡轮式，主要受到剪切作用、容积循环速率、高速度的影响。
当用于传热时，适用的搅拌器型式有桨式、推进式、涡轮式，主要受到容积循环速率、流经传热面的湍流速度的影响。
当用于高黏度操作时，适用的搅拌器型式有框式、涡轮式、螺杆式、螺带式、带横挡板的桨式，主要受到容积循环速率、低速度的影响。
当用于结晶时，按控制因素用涡轮式、桨式和桨式变种，主要受到容积循环速率、剪切作用低速度的影响。
本反应釜搅拌装置的搅拌器采用推进式，主要用于调和染料及其有机溶剂。
4．3．2搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计
推进式搅拌器是类似风扇扇叶结构。
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。
为防螺纹腐蚀加轴头保护帽。
本反应釜的推进式搅拌器直径
圆整推进式搅拌器直径DJ=500mm
按表4-6推进式搅拌器的主要尺寸,当DJ=500mm时,d=65mm,d1=110mm,do=M16,键槽b=18mm,t=70.6mm,H=105mm,质量m=10.42Kg,N/n不大于0.05。
4．3．3搅拌装置的搅拌轴设计
搅拌轴的机械设计内容主要是结构设计（包括轴的支承结构）和强度校核,对于n>
200r/m的，还要进行临界转速的校核。
因本反应釜的转速n=200r/m，因此不需要进行临界转速的校核。
（1）搅拌轴的材料：
选用45号钢。
（2）搅拌轴的结构：
常用实心或空心直轴，其结构型式根据轴上安装的搅拌器类型、支承的结构和数量、以及与联轴器的连接要求而定，还要考虑腐蚀等因素的影响。
本反应釜搅拌轴的结构型式选用实心直轴。
连接推进式搅拌器的轴头车削台肩，开键槽，轴端车螺纹。
（3）搅拌轴强度校核：
由夹套反应釜设计任务书给定，轴功率P=4kW
搅拌轴转数n=200r/min
常用轴材料为45号钢。
轴所传递的扭矩
查表轴常用材料的及值，材料许用扭转剪应力=35Mpa，系数A0=112。
轴端直径
。
开一个键槽，轴径扩大5%，为d=31.9mm
圆整轴端直径d得d=40mm。
因此搅拌轴的直径为40mm。
（4）搅拌轴的形位公差和表面粗糙度要求：
搅拌轴转速n=200r/min，直线度允许差1000:
0.1。
（5）搅拌轴的支承：
一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。
搅拌轴的支撑采用滚动轴承。
反应釜搅拌轴的滚动轴承，通常根据转速、载荷的大小及轴径d选择，高转速、轻载荷可选用角接触球轴承；
低速、重载荷可选用圆锥滚子轴承。
根据轴端直径d=40mm，选用圆锥滚动轴承，由附表5-2圆锥滚动轴承，选用型号为7208E，d=40mm。
安装轴承处轴的公差带采用k6，外壳孔的公差带采用H7。
安装轴承处轴的配合表面粗糙度Ra取1.0，外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra取1.6。
采用背对背安装成对轴承。
4．4反应釜的传动装置设计
反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。
传动装置通常设置在釜顶封头的上部。
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。
4．4．1常用电机及其连接尺寸
Y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机为最常用的；
当有防爆要求时，可选用YB系列。
由任务书给定，本反应釜用库存电机Y132M2-6，转速960r/min,电机功率P=5.5kW。
4．4．2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。
由任务书给定，反应釜采用V带传动减速机。
查表4-9标准减速机的功率、转速范围、类型代号及特性参数，V带传动减速机标准号G5-747-78，转速范围320-500r/min,电机功率范围0.6-5.5kW，类型代号P，特性参数为三角皮带型号及根数。
4．4．3V带减速机
V带减速机的特点是：
结构简单，制造方便，价格低廉，能防止过载，噪声小。
但不适用于防爆场合。
查表Y系列三相异步电动机主要技术数据，传动的额定功率P=5.5kW
小皮带轮转速
大皮带轮转速
按附表9工作情况系数，选取工况系数=1.3
设计功率
查附图3普通V带选型图，根据和选取V带型号为A型号
速比
按附表8普通V带轮的最小基准直径，初选
小皮带轮计算直径
验算带速V
查附表7普通V带轮的基准直径系数，选取小皮带轮计算直径=140mm
验算带速V
选取滑动率
大皮带轮计算直径
查附表7普通V带轮的基准直径系数，选取大皮带轮计算直径=710mm
中心距符合
即
初定中心距
带的基准长度Ldo
按附表6V带型号、截面尺寸和基准长度圆整取
中心距
安装V带时所需最小中心距
安装V带时所需最大中心距
小皮带轮包角
符合的条件。
查附表12单根普通V带的基本额定功率，选取单根V带额定功率
查附表13单根普通V带额定功率的增量，选取i1时，单根普通V带额定功率的增量
查附表10包角系数，选取包角修正系数
查附表11长度系数，选取带长修正系数
V带根数z
圆整取z=4
4．4．4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两种结构形式，密封面分突面（R）和凹面（M）两种。
根据搅拌轴的直径和附图，由附表4-6凸缘法兰主要尺寸，选择公称直径DN=400mm，螺纹为M24，螺栓数量为16个，质量为46kg的R型凸缘法兰。
选择的凸缘法兰焊接于搅拌容器封头上，采用整体结构形式，密封面采用突面（R）。
4．4．5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）。
本反应釜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。
采用RS型形式，整体结构、密封面形式（突面）以及传动轴的安装形式（上装），按HG21565-95选取。
安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同，均为DN=500mm。
4．4．6机架
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。
标准机架有三种。
4．4．6.1无支点机架
无支点机架的选用条件：
①电动机或减速机具备两个支点，并经核算确认轴承能够承受由搅拌轴传递而带来的径向和轴向载荷者；
②电动机或减速机有一个支点，但釜内设有底轴承，中间轴承或轴封本体设有可以作为支点的轴承，上下组成一对轴支撑者。
无支点机架一般仅适用于传递小功率和小的轴向载荷的条件。
减速器输出的轴联轴器形式为夹壳式联轴器或刚性凸缘联轴器。
4．4．6.2单支点机架
单支点机架的选用条件：
①电动机或减速机有一个支点，经核算可承受搅拌轴的载荷；
②搅拌容器内设置底轴承，作为一个支点；
③轴封本体设有可以作为支点的轴承；
④在搅拌容器内，轴中部设有导向轴承，可以作为一个支点者。
当按上述条件选用单支点机架时，减速器输出轴与搅拌器之间采用弹性联轴器连接；
当不具备上述条件而选用单支点机架时，减速器输出轴与搅拌器之间采用刚性联轴器连接。
4．4．6.3双支点机架
在不宜采用单支点机架或无支点机架，可选用双支点机架，但减速器输出轴与搅拌器之间必须采用弹性联轴器连接。
选用双支点机架时必须考虑由于机架内有两个支承点的关系,机架高度相应增大。
由任务书给定，反应釜采用V带传动减速机。
由于V带减速机自带机架，所以不用选配机架。
4．4．7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，刚性凸缘联轴器，夹壳联轴器和紧箍夹壳联轴器等。
根据所选V带减速机的规格,本反应釜采用刚性凸缘联轴器。
附表5-10GT型凸缘联轴器主要参数及尺寸，选用联轴器的符号为GT-45，孔径为45，质量为16kg。
4．5反应釜的轴封装置设计
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力的真空状态以及防止反应物料逸出和杂质的渗入。
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况复杂，轴的偏摆振动大，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，它们都有标准，设计时可根据要求直接选用。
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