攪拌反應釜課程設計.doc

課程設計說明書專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 設計時間：要 求 與 說 明一、學生采用本報告完成課程設計總結。二、要求文字（一律用計算機）填寫，工整、清晰。所附設備安裝用計算機繪圖畫出。三、本報告填寫完成后，交指導老師批閱，并由學院統(tǒng)一存檔。目錄一、設計任務書5二、設計方案簡介61.1罐體幾何尺寸計算71.1.1確定筒體內徑71.1.2確定封頭尺寸81.1.3確定筒體高度91.2夾套幾何計算101.2.1夾套內徑101.2.2夾套高度計算101.2.3傳熱面積的計算101.3夾套反應釜的強度計算111.3.1強度計算的原則及依據111.3.2按內壓對筒體和封頭進行強度計算121.3.2.1壓力計算121.3.2.2罐體及夾套厚度計算121.3.3按外壓對筒體和封頭進行穩(wěn)定性校核141.3.4水壓試驗校核16（二）、攪拌傳動系統(tǒng)172.1進行傳動系統(tǒng)方案設計172.2作帶傳動設計計算172.2.1計算設計功率Pc172.2.2選擇V形帶型號172.2.3選取小帶輪及大帶輪172.2.4驗算帶速V182.2.5確定中心距182.2.6 驗算小帶輪包角182.2.7確定帶的根數Z182.2.8確定初拉力Q192.3攪拌器設計192.4攪拌軸的設計及強度校核192.5選擇軸承202.6選擇聯軸器202.7選擇軸封型式21（三） 、設計機架結構21（四）、凸緣法蘭及安裝底蓋224.1凸緣法蘭224.2安裝底蓋23（五）、支座形式245.1 支座的選型245.2支座載荷的校核計算25(六)、容器附件266.1手孔和人孔276.2設備接口276.2.1接管與管法蘭276.3視鏡28四、設計結果匯總31五、參考資料33六、后記35七、設計說明書評定37八、答辯過程評定37一、設計任務書設計題目：夾套反應釜的設計設計條件：設計參數及要求設計參數及要求簡圖容器內夾套內工作壓力/MPa0.180.25設計壓力/MPa0.20.3工作溫度/100130設計溫度/1203腐蝕情況微弱推薦材料Q345R或Q245R攪拌器型式漿式攪拌軸轉速/(r/min)200軸功率/kW4工 藝 接 管 表符號公稱尺寸連接面形式A25PL/RF蒸汽入口B65PL/RF進料口C1，2100-視 鏡D25PL/RF溫度計管口E25PL/RF壓縮空氣入口F40PL/RF放料口G25PL/RF冷凝水出口設備安裝場合室內二、設計方案簡介 攪拌釜式反應器的工藝給出的條件一般包括：釜體容積、設計壓力、設計溫度、介質腐蝕性、傳熱面積、攪拌形式、轉速和功率、工藝接管尺寸等。我們作為設計者要做的工作就是根據工藝條件提出的要求和條件，對攪拌反應釜的容器、攪拌軸、傳動裝置和軸封裝置結構進行合理的選型、設計和計算。攪拌反應釜的機械設計大體上按以下步驟進行： （1）進行罐體的設計計算 （2）進行攪拌傳動系統(tǒng)設計 （3）設計機架結構 （4）選擇凸緣法蘭及安裝底蓋結構 （5）選擇支座形式及進行計算 （6）選擇容器附件 （7）繪制總裝配圖（A1圖紙） （8）編寫設計說明書一份三、工藝計算及主要設備計算（一）、罐體和夾套的結構設計夾套式反應釜是由罐體和夾套兩大部分組成的。罐體在規(guī)定的操作溫度和操作壓力下，為物料完成其攪拌過程提供了一定的空間。夾套傳熱是一種應用最普遍的外部傳熱方式。罐體和夾套的設計主要包括其結構設計，各部分幾何尺寸的確定和強度的計算與校核。罐體一般是立式圓筒容器，有頂蓋、筒體和罐底，通過支座安裝在基礎或平臺上。罐底通常為橢圓形封頭。1.1罐體幾何尺寸計算1.1.1確定筒體內徑一般由工藝條件給定全容積V，筒體內徑 按照D1公式 估算 D1 1式中 V工藝條件給定容積，m3； i長徑比， 其按物料選取，根據參考文獻1，圖1-1 幾種攪拌釜的長徑比值選取i=1.3。由任務書給出的V=2.5m3，可得D1=1.348m=1348mm，查閱壓力容器公稱直徑GB901919982圖1-2 筒體的容積、面積和質量圓整為D1=1400 mm,同時得到V1m=1.539m3/m， F1m=4.40m2。1.1.2確定封頭尺寸反應釜筒體與夾套最常用的封頭型式是標準橢圓封頭，以內徑為基準的橢圓封頭類型代號為EHA，其內徑與筒體內徑相同，根據筒體內徑D1=1400mm,參閱3可選取以下信息： 曲邊高度h1（mm） 350 直邊高度h2 (mm) 25 內表面積F封（m2） 2.2346 容積V封（m3） 0.3977 圖1-3 以內徑為公稱直徑的橢圓封頭的型式和尺寸1.1.3確定筒體高度 反應釜容積V通常按下封頭和筒體兩部分容積之和計算。則筒體高度按公式計算，并進行圓整。 H1=（VV封）/V1m 4式中 V封封頭容積，m3； V1m1m高筒體容積，m3/m； V1m=1.539m3/m，V封= 0.3977m3 H1=（2.50.3977）/1.539=1.366m=1366mm 圓整后H1=1400mm 當筒體高度確定后，應按圓整后的筒體高度修正設計容積，則 V修正=V1mH1V封=1.5391.40.3977=2.5523 m31.2夾套幾何計算夾套的結構尺寸常根據安裝和工藝兩方面的要求而定。夾套和筒體的連接常焊接成封閉結構。1.2.1夾套內徑夾套下封頭直徑D2可根據筒體內徑D15： 表1-1 夾套直徑 D2 /mmD1500-600700-18002000-3000D2 因為D1=1400mm在700-1800mm之間，所以D2=D1+100=1400+100=1500mm1.2.2夾套高度計算 夾套高H2由傳熱面積決定，不能低于料液高。若裝料系數沒有給定，則應合理選用裝料系數的值，盡量提高設備利用率。通常取=0.6-0.85。染料及有機溶劑的粘度較大，選用=0.8。 夾套高H2由公式 H2=（VV封）/V1m 6其中操作容積V1=V=0.82.5=2.0 m3 H2=(0.82.55230.3977）/1.539=1.0684m=1068.4mm圓整為H2=1100mm1.2.3傳熱面積的計算夾套所包圍罐體的表面積（筒體表面積F筒封頭表面積F封）一定要大于工藝要求的傳熱面積F，即 F筒F封 F 6式中 F筒 筒體表面積F筒，F筒=H2F1m，m2 F封封頭面積，m2 F1m1m高筒體內表面積，m2/m F筒 =H2F1m=1.1004.40=4.84m2 ， F筒F封=4.842.2346=7.0746m2 3m2因此符合傳熱要求。因圓筒型夾套傳熱面積小，故選用圓筒型夾套。 圖1-4 U型夾套與圓筒型夾套的比較 1.3夾套反應釜的強度計算當反應釜的幾何尺寸確定后，則要根據已知的公稱直徑、設計壓力和設計溫度進行強度計算，確定罐體及夾套的筒體和封頭的厚度。1.3.1強度計算的原則及依據 根據任務書給出的條件，反應釜體內為正壓外帶夾套，被夾套包圍的罐體分別按內壓和外壓計算，罐體內壓為0.2MPa，外壓為極限時最大內外壓差 0.3MPa；其余部分按內壓圓筒設計。 圓筒為正壓外帶夾套：7 （1）當圓筒體的公稱直徑DN600mm時，被夾套包圍部分的筒體分別按內壓和外壓計算，取其中最大值；其余部分按內壓圓筒設計。 （2）當圓筒體的公稱直徑DN600mm時，全部圓筒分別按內壓圓筒和外壓圓筒計算，取其中較大值。1.3.2按內壓對筒體和封頭進行強度計算1.3.2.1壓力計算 材料選擇Q235B，由設計壓力P1（罐體內）0.2MPa，設計壓力P2（夾套內）0.3MPa，可得： 工作壓力（罐體內）為0.2/1.1=0.18MPa 工作壓力（夾套內）為0.3/1.2=0.25MPa8設計溫度（罐體內）t1120；溫度（夾套內）t2 C1=0.6mm)同理： 夾套筒體名義厚度=5mm； 罐體封頭名義厚度=5mm； 夾套封頭名義厚度=5mm；1.3.3按外壓對筒體和封頭進行穩(wěn)定性校核假設一：罐體筒體名義厚度=5 mm； 厚度附加量C= C1 +C2=2.5 mm；13罐體筒體有效厚度=-C=5-2.5=2.5 mm；罐體筒體外徑=+2=1400+25=1410mm； 筒體計算長度L=+=1100+350=1217 mm；14式中 夾套筒體高度=1100mm； 曲邊高度，350mm 系數=1217/1410=0.863； 系數=1410/2.5=564 系數A15圖10-3得：A=0.00012； 系數B16圖10-4得：B不存在，故采用公式：許用外壓P= =0.0218MPa（其中E=1.54105）0.3MPa，滿足對穩(wěn)定性的要求。假設罐體封頭名義厚度=10mm；罐體封頭鋼板厚度負偏差C1=0.8mm；罐體封頭厚度附加量C= C1 +C2=2.8 mm；罐體封頭有效厚度=C=102.8=7.2 mm；罐體筒體外徑=+2=1400+210=1420 mm； 標準橢圓封頭當量球殼外半徑=0.91420=1278 mm；系數=0.0007，系數B=98；許用外應力=0.497MPa0.3MPa； 罐體封頭最小厚度=0.15%=14000.0015=2.1mm（小于，滿足要求）。1.3.4水壓試驗校核 罐體試驗壓力=1.250.2=0.25MPa，當設計溫度小于200時，二者接近，可以忽略。17 夾套水壓試驗壓力=1.250.3=0.375MPa； 材料屈服點應力=235MPa ； =0.90.85235=179.8MPa ，表示為水壓試驗時的許可應力。 罐體圓筒應力：=24.1MPa79.8MPa； 夾套內壓試驗應力: =39.25MPa 5 r/min。選取滑動率0.02，則大帶輪直徑d2=（1-0.02i d1=0.984.8106=498.6mm。圓整后取d2=500mm，選用YP系列帶傳動減速機。2.2作帶傳動設計計算按設計書任務要求，選用電機Y132M26，轉速960r/min,功率5.5kW。2.2.1計算設計功率Pc 查得工作情況系數KA= 1.218 ，故 Pc= KA P= 1.2 5.5=6.6kW2.2.2選擇V形帶型號 根據PC=6.6kW，n1=960r/min,初步選用B型帶19。2.2.3選取小帶輪及大帶輪 選取小帶輪基準直徑d1=125 mm20，公式得： d2=（n1d1）/n2=（960125）/200=600mm；21即取d2=600 mm2.2.4驗算帶速V =（3.14125960）/（601000）=6.28 m/s；在(5-25m/s) 范圍內，帶速合適。2.2.5確定中心距 在0.7（+）21 包角合適。2.2.7確定帶的根數Z 因d1=125 mm ，=600 mm，帶速v=6.28 m/s；，傳動比i=/d1=4.8由n1=960r/min，d1=125 mm；用內插法得：P0=1.64kW； KB=1.9875； Ki=1.14 =0.23kW由=125得=0.84，=1.00： =4.20，取z=5根。2.2.8確定初拉力Q m=0.17kg，得到： =214.4 N；由公式算出作用在軸上的力為 Q=2zsin=25214.4 sin 62.5=1901.8 N242.3攪拌器設計 攪拌裝置由攪拌器、軸及其支撐組成。攪拌器的形式很多，根據任務說明書的要求，本次設計采用的是漿式攪拌器。其機械設計的主要內容是：確定攪拌器直徑、攪拌器與攪拌軸的連接結構、進行攪拌軸的強度設計和臨界轉速校核、選擇軸的支撐結構。由工藝條件確定選漿式攪拌器，查表得：D1 /DJ 取1.25:12:1 H0/DJ 取1:12:1則 攪拌器直徑：900mm 液面高度：900mm2.4攪拌軸的設計及強度校核攪拌軸的機械設計內容同一般傳動軸，主要是結構設計和強度校核。（1）攪拌軸的材料：選用45鋼（2）攪拌軸的結構：用實心直軸，因是連接的為槳式攪拌器，故采用光軸即可。（3）攪拌軸強度校核： 軸扭轉的強度條件是：max=MT/WP 對45鋼，= 35 MPa 對實心軸，WP = d3 / 16 = 12560 mm容易得出，=15.2 35 ，所以選d=40mm，強度足夠。按強度計算軸徑：d 365P/（n）= 30.3，所以也證明選取d=40mm 強度足夠。項目及代號參數及結果備注軸功率P4kW由工藝條件確定軸轉速200r/min由工藝條件確定軸材料45鋼常用軸傳遞轉矩MT=9.55106（P/n）191.0 N.mm計算材料許用扭轉剪切應力35MPa選取按強度計算軸徑：d 365P/ （n）= 30.3故取攪拌軸軸徑為40mm 計算表2.1 攪拌器尺寸 2.5選擇軸承 一般攪拌軸可依靠減速器內的一對軸承支承。當攪拌軸較長時，軸的剛度條件變壞。為保證攪拌軸懸臂穩(wěn)定性，軸的懸臂長L1，軸徑d和兩軸承間距B應滿足以下關系：L1/B45；L1/d4050。攪拌軸的支承常采用滾動軸承。安裝軸承處的公差帶常采用K6.外殼孔的公差帶常采用H7 。安裝軸承處軸的配合表面粗糙度Ra取0.8 1.6 。外殼孔與軸承配合表面粗糙度Ra取1.6 。 2.6選擇聯軸器 常用的電機和減速機輸出軸與傳動軸之間及傳動軸與攪拌軸之間的連接，都市通過聯軸器來連接的。 扭矩Tca = KAT = 1.3955（P/n）=247 N .m 。按軸徑d=40mm，由Tca 及n條件查標準尺寸，查得TL6的數據為d=40mm，許用最大扭矩為250 N .m ，nmax = 2800r/min ，滿足要求。 所以選用TL6型彈性聯軸器。2.7選擇軸封型式 反應釜中應用的軸封結構主要有兩大類，填料箱密封和機械密封?？紤]到釜內的物料具有易燃性和一定的腐蝕性，因此選用填料密封。根據PW0.25、120、n=200r/min、d=40mm。 填料式的高度H由壓力而定，壓力越高，所需填料環(huán)數越多，H就越大，通常取H=3S。 填料式寬度S根據軸的直徑確定，得 S=（D-d）/2 查得，S=10mm。 根據PW0.25、120、n=200r/min、d=40mm。選用R40 HG 21537-1992 表2.2 填料密封的主要尺寸（mm） 軸徑d D2 D2 D3 H 螺柱401751451103158-184xM16（3） 、設計機架結構機架是安裝減速機用的，它的尺寸應與減速機底座尺寸相匹配。其選用類型有三種，無支點機架、單支點機架和雙支點機架。 （1）無支點機架 機架本身無軸的支承點，攪拌機是以減速機輸出軸的兩個支承軸承位受力支點。可用于傳動小功率、不受或只受較小軸向負荷、攪拌不太強烈的攪拌裝置。攪拌軸與減速機的聯接必須用剛性聯軸器25。（2）單支點機架單支點機架的選擇條件如下：電動機或減速機有一個支點，經核算可承受攪拌軸的載荷；攪拌容器內設有底軸承，作為一個支點；軸封本體設有可以作為支點的軸承；在攪拌容器內、軸中部設有導向軸承，可以作為一個支點。當按上述條件選用單支點機架時，減速器輸出軸與攪拌器之間采用彈性聯軸器；當不具備上述條件而選用單支點機架時，減速器輸出軸與攪拌器之間采用剛性聯軸器。（3）雙支點機架在不宜采用單支點機架或無支點機架時，可以選用雙支點機架，但減速器輸出軸與攪拌器之間必須采用彈性聯軸器連接。綜上所述，此次設計選用的是單支點機架。單支點機架比無支點機架更適合較強烈的、傳動功率較大的攪拌，且無雙支點機架結構復雜。根據軸封形式26，設計選用的填料密封，故選擇B型單支點機架27，且V帶傳動減速機自帶機架，機架材料選用灰鑄鐵28。 （四）、凸緣法蘭及安裝底蓋4.1凸緣法蘭凸緣法蘭一般焊接于攪拌器封頭上，用于連接攪拌傳動裝置。設計采用R型突面凸緣法蘭，查表即圖6-1和6-2所示其主要尺寸如下：凸緣法蘭DN=250mm； d1=245mm；d2=395mm；k=350mm；d3=280mm；d4=300mm， 螺旋數量：12個，螺紋：M20，質量：102kg 圖4-1 R型凸緣法蘭 圖4-2 凸緣法蘭的密封面尺寸 4.2安裝底蓋安裝底蓋采用螺栓等緊固件，上與機架連接，下與凸緣法蘭連接。是整個攪拌傳動裝置與容器連接的主要件。設計選取了RS型安裝底蓋，其主要尺寸如下(單位：mm)：查表即圖6-3和6-4（已知凸緣法蘭DN=250mm）因安裝底蓋的公稱直徑與凸緣法蘭相同27，則安裝底蓋公稱直徑：250mm，可得d2=395, k=350, d5=22, d6=290, s=40, d9=110, k2=145, d10=M16圖4-3 RS型安裝底蓋 圖4-4 安裝底蓋外形尺寸表 （五）、支座形式5.1 支座的選型由于立式反應釜為夾套傳熱帶攪拌的配料罐，屬于保溫型,所以選擇標準耳式B型，標準號為JB/T4725-92,材料為Q235-A,數目為4個。每臺反應釜常用4個支座，但作承重計算時，考慮到安裝誤差造成的受力情況變壞，應按兩個支座計算29 。 (1)粗略估算反應釜的總質量m0釜體筒體質量m1DN=1400mm，=10mm的筒節(jié)，每米的質量q1=348kg所以m1= q1H1=3481.0=348kg釜體封頭的質量m2DN=1400mm，=10mm查表橢圓形封頭質量得其質量m2=172.7kg夾套筒體質量m3DN=1500mm，=10mm的筒節(jié)，每米的質量q1=372kg所以m1= q1H1=3721.0=372kg夾套封頭質量m4DN=1500mm，=10mm橢圓形封頭質量其質量m2=197.4kg物料質量m5m5=0.81.11031=0.88103kg附件質量m6=70kg所以反應釜的總質量m0= m1+ m2+ m3+ m4+ m5+ m6 =348+172.7+372+197.4+880+70=2040.1kg (2)粗選耳式支座的型號每個支座承受的重量Q=mg/2=2040.19.8/2=9996.49N根據DN=1400mm , Q=9996.49kN，初選B型耳式支座，支座號為4。30標記： JB/T4725-92 耳座B4材料：Q235-A 表5.1 B型耳式支座主要尺寸H底板筋板墊板地腳螺栓支座重量規(guī)格 kg25020014014702901401031525084030M2415.75.2支座載荷的校核計算耳式支座實際承受的載荷按下式近似計算： Q-支座實際承受的載荷，KN； D-支座安裝尺寸，mm； g-重力加速度，取g=9.8m/； Ge-偏心載荷，N； h-水平力作用點至底板高度，mm； K-不均勻系數，安裝3個支座時，取K=1，安裝3個以上支座時，取K=0.83 -設備總質量，kg ； n-支座數量； -偏心距，mm； P-水平力，取Pe和Pw的大值，N； 當容器高徑比大于5，且總高度不大于10mm 時，Pe和Pw可按Pe=ag和Pw=1.2計算，超出此范圍的容器本標準不推薦使用耳座。 Pe=ag=0.242040.149.8=4798.32N式中 Pe-水平地震力，N； a-地震影響系數，對7.8.9度地震設防烈度分別取0.08（0.12）、0.16（0.24）、0.32； Pw=1.2=6091.8N式中 Pw-水平風載荷，N； -容器外徑，mm,有保溫層時取保溫層外徑；=1420mm -容器總高度，mm；6500mm -10m 高度處的基本風壓值，N/；=550m2 -風壓高度變化系數，按設備質心所處高度取；對于B類地面粗糙度的fi按下表取值： 表5.2 風壓高度變化系數設備質心所在高度m 101520風壓高度變化系數fi11.441.25取fi=1 又有D=+2（290-70）=1869.16mmGe=0,=2040.1kg，=4，=Pw=6091.8N，h=1500mm 將已知值代入得 =10.91KN因為=10.91KNQ=60KN，所以選用的耳式支座滿足要求。(六)、容器附件6.1手孔和人孔 手孔和人孔的設置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設備的內部裝置。手孔直徑一般為150-250mm，應使工人戴上手套并握有工具的手能方便地通過。本設計未設手孔，設有旋轉快開人孔一個。根據任務書要求，選用回轉蓋帶頸平焊法蘭手孔，回轉蓋帶頸平焊法蘭手孔的主要尺寸31。密封面型式：突面（RF型） 公稱壓力：1.0MPa公稱直徑：DN=450mm 總質量：130Kg 螺柱：20個螺母：40個 螺柱：M241256.2設備接口 化工容器及設備，往往由于工藝操作等原因，在筒體和封頭上需要開一些各種用途的孔。6.2.1接管與管法蘭管法蘭分PN系列（歐洲體系）和Class系列（美洲體系），PN系列管法蘭的公稱壓力等級用PN表示。PN系列管法蘭公稱尺寸用DN表示，根據鋼管外徑分A.B兩個系列，A系列為國際通用系列（俗稱英制管），B系列為國內沿用系（俗稱公制管）。 根據任務書要求選用B系列,歐洲體系（PN系列）PN16突面（RF）B板式平焊（PL）鋼制管法蘭及緊固件主要尺寸得32: 表6.1 鋼制管法蘭及緊固件主要尺寸 根據上表數據得: （1）蒸汽入口A、溫度計接口D、壓縮空氣入口E、冷卻水出口G的公稱尺寸DN=25，采用323.5無縫鋼管，法蘭PL25（B）-10，HG20592； （2）放料口的公稱尺寸DN=40，采用453.5無縫鋼管，法蘭PL40（B）-10，HG20592-97；甲型平焊法蘭-FM 1100-0.25 ；法蘭-M 1100-0.25；凸緣法蘭 R300 16Mn；防沖板50x50x10材料Q235-A；擋板800x80x12 ，材料Q235-A；法蘭墊片選耐酸石棉板，=2mm。 （3）加料口B的公稱尺寸DN=65 ，采用 766無縫鋼管，法蘭PL65（B）-10，HG20592； （4）視鏡C1，2的公稱尺寸DN=100，采用108無縫鋼管6.3視鏡視鏡主要用來觀察設備內物料及其反應情況，也可作為料面指示鏡使用，當視鏡需要斜裝或設備直徑較小時，采用帶頸視鏡，其結構見下圖: 圖6-1視鏡主要技術參數 殼體材質：碳鋼WCB、不銹鋼304、321、316、316L、鋼內襯四氟。 視窗材質：鋼化硼硅玻璃、石英玻璃。 密封材質：丁腈橡膠、聚四氟乙烯、石墨金屬纏繞執(zhí)片。 工作壓力（MPa）：0.6 工作溫度（）：0250、 0800表6.2 主要材料表殼體材質碳鋼WCB、不銹鋼304、321、316、316L視窗材料鋼化硼硅玻璃石英玻璃工作溫度（）02500800公稱壓力（MPa）0.60.62.5密封件材質丁腈橡膠、聚四氟乙烯、石墨金屬纏繞執(zhí)片連接形式螺紋連接、法蘭連接允許急變溫度（）60任務書要求視鏡DN=100,帶燈有頸視鏡主要尺寸得：表6.3 視鏡主要尺寸 四、設計結果匯總表3.2 罐體的幾何尺寸 項目及代號 參數及結果備注全容積V，m32.5由工藝條件給定裝料系數0.8選取操作容積V1，m32.0計算筒體型式圓筒型常用結構封頭型式橢圓型常用結構夾套型式圓筒型計算與選取長徑比 1.3選取初算罐體筒體內徑D1，m1.348計算圓整罐體筒體內徑D1，mm1400選取1m高的容積V1m，m31.539選取罐體封頭容積V封，m30.3977選取罐體筒體高度 H1=（VV封）/V1m，m 1.366計算圓