搅拌釜式反应器课程设计

搅拌釜式反应器课程设计任务书

一、设计内容安排

1. 釜式反应器的结构设计

包括：设备结构、人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等。 2. 设备壁厚计算及其强度、稳定性校核 3. 筒体和裙座水压试验应力校核 4. 编写设计计算书一份

5. 绘制装配图一张（电子版） 二、设计条件

工作压力 工作温度 釜内 夹套 釜内 夹套 釜内 工作介质 夹套 腐蚀情况 型式 搅拌 转速 功率 设备容积V 传热面积 推荐材料

0.1MPa 0.3 MPa 80℃ 140℃ 溶液 水、蒸汽 轻微 平桨式 85r/min 1.4Kw 21.65m3 >7.1m2 Q235－A 三、设计要求

1.学生要按照任务书要求，完成塔设备的机械设计； 2.根据设计计算书、图纸及平时表现综合评分。

四、设计说明书的内容

1.符号说明 2.前言

（1）设计条件； （2）设计依据；

（3）设备结构形式概述。 3.材料选择

（1）选择材料的原则；

（2）确定各零、部件的材质；

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（3）确定焊接材料。 4.绘制结构草图

（1）按照工艺要求，绘制工艺结构草图；

（2）确定裙座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示； （3）标注形位尺寸。

5.标准化零、部件选择及补强计算：

（1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括：代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。 （2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算。 （3）其它标准件选择。

6.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。 7.主要参考资料。

【设计要求】：

1.计算单位一律采用国际单位； 2.计算过程及说明应清楚；

3.所有标准件均要写明标记或代号；

4.设计计算书目录要有序号、内容、页码；

5.设计计算书中与装配图中的数据一致。如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；

6.设计计算书要有封面和封底，均采用A4纸，正文用小四号宋体，行间距1.25倍，横向装订成册。

II

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目录

0.搅拌釜式反应器设计条件 ............................................................................................................. 1 1.确定筒体的直径和高度 ................................................................................................................. 2 2.确定夹套的直径和高度 .................................................................................................................. 2 3.确定夹套的材料和壁厚 ................................................................................................................. 3 4.确定内筒的材料和壁厚 ................................................................................................................. 4 5.水压试验及其强度校核 .................................................................................................................. 5 6.选择釜体法兰 ................................................................................................................................. 6 7.选择搅拌器、搅拌轴和联轴器 ..................................................................................................... 6 8.选择搅拌传动装置和密封装置 ..................................................................................................... 7 9.校核L1/B和L1/D ............................................................................................................................ 8 10.容器支座的选用计算 ................................................................................................................... 8 11.选用手孔、视镜、温度计和工艺接管 ....................................................................................... 9 12.参考资料 ..................................................................................................................................... 10 13.设计感想 ..................................................................................................................................... 11

III

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0.搅拌釜式反应器设计条件

工艺条件

工艺条件图

工作压力 工作温度 釜内 夹套 釜内 夹套 釜内 工作介质 夹套 腐蚀情况 型式 搅拌 转速 功率 设备容积V 传热面积 推荐材料 管 口

0.1MPa 0.3 MPa 80℃ 140℃ 溶液 水、蒸汽 轻微 平桨式 85r/min 1.4Kw 21.65m3 >7.1m2 Q235－A

Fegi编号 a b c d e f g h i 备注 名称 进蒸汽 压力表 手孔 温度计 进物料 安全阀 出料 排凝液 视镜 DN 25 25 250 40 25 40 40 25 80 hbc2eihc1d夹套加热蒸汽系统装上安全阀，釜外保温，反应釜安装在楼板上。 fg

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1.确定筒体的直径和高度

反应釜的H/Di值如表1所示。

表 1 反应釜的H/Di值

种 类 一般搅拌釜 发酵罐类 设备内物料类型 液-固相或液-液相物料 气-液相物料 气液相物料 H/Di 1～1.3 1～2 1.7～2.5 根据以上的设计要求，对于液－液相类型或液固相物料以及气液相物料

H/Di1～1.3，本设计选取H/Di1.3 。

由筒体的直径Di34V421.6532.77 m。

H/Di1.3当Di2m时，间隔为100 mm，Di2m时，间隔为200 mm。因此将以上Di圆整到标准公称直径系列，应当选取筒体直径Di2.8m。

查标准封头参数资料得，Di2.8m时，标准椭圆封头高度h1740mm，直边高度h240mm，内表面积Fn8.85m2，容积Vh3.12m3。

计算得每米高圆筒的体积V144VVh21.653.12H3.008m

V16.16Di22.826.16m3/m

筒体高度圆整为H3m

于是H/Di3/2.81.071，核查结果符合原定范围内。

2.确定夹套的直径和高度

夹套直径与筒体直径的关系如表2所示。

表 2 夹套直径与筒体直径的关系

Di/mm Dj/mm 500～600 Di+50 700～1800 Di+100 2000～3000 Di+200 当Di2000～3000mm时，夹套的直径DjDi20028002003000mm。

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夹套筒体的高度HjVVh ，通常装料系数0.6～0.85，如果物料在反应24Di过程中产生泡沫或呈沸腾状态，一般为0.6～0.7；如果反应状态平稳，应取较低值，可取0.8～0.85，物料粘度大时，可取最大值。本设计取0.85。

因此，Hj0.8521.653.1242.482m

2.82选取夹套高度Hj2.6m

则H0HHj30002600400mm，此差距可以便于筒体法兰螺栓的装拆。 验算夹套传热面积

FDiHjFn2.82.68.8531.721m27.1m2

即夹套传热面积符合设计要求。

3.确定夹套的材料和壁厚

夹套选取Q235－A的材质。查资料可以知道，板厚在3～40 mm，设计温度在150℃时，Q235－A的许用应力[ ]t=113MPa。因为有夹套有安全阀，所以设计压力

P1.05～1.1PW ,PW是夹套的工作压力。本设计取P1.1PW1.10.30.33MPa。

焊接接头系数如表3所示。

表 3 焊接接头系数

接头型式 双全焊或相当于双面对接焊的全焊透对接焊缝 带垫板的单面对接焊缝 无法进行探伤的单面焊环向对接焊缝，无垫板 焊接接头系数 全部无损检测 局部无损检测 1.00 0.90 0.60 0.85 0.80 因为内部夹套无法探伤，且属于无垫板的单面焊环向对接焊缝，故取0.60。 查资料可知，一般容器的厚度，分为四个，分别为计算厚度，设计厚度d，名义厚度n以及有效厚度e。一般说的常用厚度指的是名义厚度。各项厚度之间的关系如图1所示。

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厚度负偏差C1厚度附加量C腐蚀裕量C2计算厚度δ有效厚度δe厚度圆整值Δ1设计厚度δd 名义厚度δn

图 1 各项厚度之间的关系图

由上图可以看出，我们可以计算出的是设计厚度d与厚度负偏差C1之和。因为是轻微腐蚀，所以腐蚀裕量取1 mm。因为C1是随着钢板的厚度改变的，所以先算出设计厚度再决定C1。

则dPDj2[]tPC20.33300018.319mm

21130.60.33由此可知钢板厚度应处在8～25 mm内，所以C1取0.8 mm。 所以dC18.3190.89.119mm 标准椭圆形夹套封头的壁厚为:

d封PDj2[]t0.5PC20.33300018.310mm

21130.60.50.33所以d封C18.3100.89.110mm

圆整至钢板规定尺寸，并查阅封头标准,选取夹套的筒体和封头壁厚n均为10 mm。

4.确定内筒的材料和壁厚

内筒的材料也选取Q235－A，查资料可以知道，板厚在3～40 mm，设计温度在

150℃时，Q235－A的许用应力[ ]t=113MPa。因为有夹套有安全阀，所以设计压

筒筒力P筒1.05～1.1PW ,PW是筒工作压力。本设计取P筒1.1PW 1.10.10.11MPa。

则d筒P筒Di2[]tP筒C20.11280013.273mm

21130.60.11由此可知钢板厚度4 mm时， C1取0.3 mm。

筒所以dC13.2730.33.573mm

标准椭圆形内筒封头的壁厚为:

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d筒封P筒Di2[]t0.5P筒C20.11280013.272mm

21130.60.50.11所以d封C13.2720.33.572mm

圆整至钢板规定尺寸，并查阅封头标准,选取夹套的筒体和封头壁厚n均为4 mm。

5.水压试验及其强度校核

PT11.25P筒内筒水压试验压力

t1.250.111130.1375MPa113取两者之中大的。

PT2P筒0.10.110.10.21MPa即PT筒0.21MPa。

夹套水压试验压力

PT11.25Pt1.250.331130.4125MPa113取两者之中大的。

PT2P0.10.330.10.43MPa即PT夹套0.43MPa。 内筒水压试验时壁内应力：

T筒PT筒（Die）0.21（28002.7）181.656 MPa

2e22.70.60.9T筒s0.9235211.5MPa

因为T筒T筒，故筒体厚度满足水压试验时强度要求。 夹套水压试验时壁内应力

T夹套PT夹套（Dje）0.43（30008.2）131.456 MPa

2e28.20.60.9T筒s0.9235211.5MPa

因为T夹套T夹套，故夹套厚度满足水压试验时强度要求。 筒体许用压力PT筒0.21MPa,夹套水压试验时PT夹套0.43MPa。 故夹套在进行水压时筒体内需要充压才能保持筒体稳定。

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6.选择釜体法兰

根据Di2800mmP夹套0.3MPa，选用板式乙型平焊法兰。确定为RF型、乙型平焊法兰。其尺寸为D2960mm，D12915mm，D22876mm，D32856mm，

D42853mm。

垫片材料为石棉橡胶板，选用垫片为2855×2805×3，JB/T 4704-2000。垫片示意图如图2所示。

图 2 垫片示意图

7.选择搅拌器、搅拌轴和联轴器

根据工艺条件要求，选取平桨式搅拌器。查阅《搪玻璃搅拌器 桨式搅拌器》（HG/T 2501.4－2007），公称容积VN为25000 L，容器Di为2800时，搅拌轴直径d1＝140 mm。平桨式搅拌器外径d为1280 mm。标记为：搅拌器1280－140。轴的材料选取45钢。常用轴材料的[T]如表4所示。

表 4 几种常用轴材料的[T]值

轴的材料 Q235,20 Q275,35 45 40Cr,35SiMn,40mNb,38SiMnMo,3Cr13 40～52 [T]/ MPa 12～20 20～30 30～40 轴强度校核：

查资料可得，满足强度要求的所需的最小搅拌轴直径公式如下：

d365.13P1.4365.1329.9mm

Tn（30～40）85式中，P—搅拌传递功率，KW n—搅拌轴速率，r/min 可知，所选取的轴完全符合。

查阅标准《搅拌传动装置—联轴器》,（HG/T 21570－1995）中夹壳式联轴器形

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式、尺寸、技术要求、选用立式夹壳联轴器。公称直径140 mm的联轴器的最大扭矩

[Mn]≈19000N/m。

验算联轴器的扭矩：

查表5，选取工作情况系数K＝1.5，联轴器的计算扭矩[Mnj]为：

MnjKMn1.595530001.4236.015N·mMn 85表 5 工作情况系数K

工 作 机 原动机 扭矩变化很小的机械 1.3 扭矩变化很扭矩变化中小的机械 1.5 等的机械 1.7 扭矩变化和冲击扭矩变化和冲击载荷中等的机械 载荷很大的机械 1.9 2.3 电动机 夹壳联轴器的标记为：联轴器DN140。

8.选择搅拌传动装置和密封装置

搅拌传动装置包括1—电动机，2—减速机，3—单支点机架，4—釜外联轴器，5—机械密封， 6—传动轴，7—釜内联轴器，8—安装底盒，9—凸缘法兰，10—循环保护系统等。几乎每个装置都不是唯一的，所以下面只列出应从哪个国标查。

电动机根据不同的要求样式太多，根据厂家的样本以及有关国标选定。 《釜用立式减速机型式和基本参数》, HG/T 3139.1－2001。选择摆线针齿行星减速机。

《搅拌传动装置－单支点机架》, HG/T 21566－1995。 《搅拌传动装置－带短节联轴器》, HG/T 21569.1－1995。 《搅拌传动装置－机械密封》, HG/T 21571－1995。

根据设计条件，查阅标准《搅拌传动装置－传动轴》（HG/T 21568－1995）选取单支点B机架型式，传动轴安装形式，上装BSD,下装BXD。传动轴轴径d是140 mm，d1为120 mm。机架公称直径为700 mm，轴承型号46232（HG/T 21566－1995）。也可有其他选择。

《搅拌传动装置－联轴器》, HG/T 21570－1995。 《搅拌传动装置－安装底盒》, HG/T 21565－1995。 《搅拌传动装置－凸缘法兰》, HG/T 215－1995。

《搅拌传动装置－机械密封循环保护系统》, HG/T 21572－1995。 《搅拌传动装置－碳钢填料箱》, HG/T 21537.7－1992。

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9.校核L1/B和L1/d

桨式搅拌器安装一层，根据安装要求和考虑带衬套填料箱有支承作用。参考《搅拌传动装置－单支点机架》, HG/T 21566－1995，机座J－B－700尺寸，可得B≈960 mm，再参考得《搪玻璃搅拌器 桨式搅拌器》（HG/T 2501.4－2007），L1 ≈4065 mm。

L1/B4065/9604.234～5 L1/d4065/1402940～50均符合要求。

10.容器支座的选用计算

反应釜因需另外保温，故选用B型耳式支座。又因为容器的Di为2800 mm，初选支座为B6—I。此支座的允许载荷Q150KN。JB/T 4712.3—2007。 耳式支座实际承受载荷可按下式近似计算:

mgGe4(PhGeSe)3 Q010nDkn式中:

Q—支座实际承受的载荷，KN； D—支座安装尺寸，mm；

g—重力加速度，取g=9.8 m/s2； Ge—偏心载荷，N；

h—水平力作用点至底板高度，mm;

k—不均匀系数，安装3个支座时，取k=1；安装3个以上支座时，取k=0.83； m0—设备总质量(包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量)，kg； n—支座数量，这里选4个； Se—偏心距，mm；

P—水平力，取PW和Pe+0.25Pw的大值，N。

当容器高径比不大于5,且总高度H0不大于lO m时Pe和Pw可按以下计 算，超出此范围的容器本部分不推荐使用耳式支座。 Pe—水平地震力，N；

a—地震影响系数，对7, 8, 9度地震设防烈度分别取0.08 ( 0.12 ), 0.16 ( 0.24 )、0.320。

水平风载荷:

PW1.2fiQ0D0H0106

D0—容器外径，mm，有保温层时取保温层外径；

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fi—风压高度变化系数，按设备质心所处高度取；

对于B类地面粗糙度如表6所示:

表 6 设备质心所在高度与风压高度变化系数的关系

设备质心所在高度，m 风压高度变化系数fi ≤10 1.00 15 1.14 20 1.25 Ho—容器总高度，mm；

Q0—10 m高度处的基本风压值，N/m2。

支座处圆筒所受的支座弯矩ML的校核： MLQ(l2s1)103 式中：

ML—耳式支座处圆筒所受的支座弯矩，KN·m； [ML]—耳式支座处圆筒的许用弯矩，KN·m。

经计算Q=139.42 KN<150 KN，ML=23.7 KN·m<24.26 KN·m。所以所选支座适用。

11.选用手孔、视镜、温度计和工艺接管

根据《板式平焊法兰手孔》（HG21529－2005）,选用手孔形式为a式，PN＝0.6 MPa， DN＝250 mm。手孔RF，DN250，PN0.6 MPa。

加热蒸汽进口管a采用323.5无缝钢管，配法兰PN0.6，DN25。

冷凝液出口管h 和压力表接管b都选用323.5无缝钢管，配法兰PN0.6，DN25。加强套管温度计d的管口选用453.5。

进料管口e采用323.5无缝钢管，配法兰PN0.6，DN25。 安全阀接管f采用323.5无缝钢管，配法兰PN0.6，DN40。 出料管口g采用453.5无缝钢管，配法兰PN0.6，DN40。

由标准《压力容器视镜》i选用碳素钢带颈视镜4，PN0.6，DN80。标记为JB593--2。

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12.参考资料

[1] 李多民,俞惠敏.《化工过程设备机械基础》[M].北京：中国石化出版社，2011. [2] 王凯,虞军.《搅拌设备》[M]. 北京：化学工业出版社,2003.

[3] 方书起.《化工设备课程设计指导》[M]. 北京：化学工业出版社,2010. [4] 陈炳和,许宁.《化学反应过程与设备》[M]. 北京：化学工业出版社,2003. [5] 冯连芳,王嘉骏.《反应器》[M]. 北京：化学工业出版社,2010.

[6] 匡国柱，史启才.《化工单元过程及设备课程设计》[M].北京: 化学工业出版社

社,2008.

[7] 贺匡国.《化工容器及设备简明设计手册》[M].北京：化学工业出版社,2002. [8] 朱有庭，曲文海，于浦义.《化工设备设计手册》[M].北京：化学工业出版社,2005. [9] 潘红良.《过程设备机械设计》[M].上海：华东理工大学出版社,2006. [10] 玉玮.《化工设备机械基础》[M].大连：大连理工大学出版社,2006.

[11] 王非.《化工压力容器设计—方法、问题和要点》[M].北京：化学工业出版

社,2009.

[12] 魏崇光，郑晓梅.《化工工程制图》[M]. 北京:化学工艺出版社,1994. [13] 邝生鲁.《化学工程师技术全书》[M].北京:化学工艺出版社,2002. [14] 董大勤.《化工设备机械基础》[M].北京：化学工业出版社,2003. [15] 董大勤，袁凤隐.《压力容器设计手册》[M].北京：化学工业出版社,2006.

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13.设计感想

通过此次课程设计，对反应釜有了一个更深刻地认识。并且发现从课本上看来，当条件给定时，计算起来很简单东西。然而当数据要自己查，公式要自己找的时候，还真不太容易。对于反应釜来说，好多东西都是标准件，需要查阅指定的国标。此次设计使我查阅文献的能力和对数据的选择判断能力得到了很好的锻炼，同时也意识到很多知识学的时候感觉没什么大的用处，但是早晚会用到的。所以平时一定要积累，不要吝啬付出。

毕竟有些东西还不太了解，可能考虑到的东西有些欠缺。但是，总体说来，本次设计完成的还算可以。希望老师给予批评与改正。

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