反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)

1、淮北師范大學(xué)2014屆學(xué)士學(xué)位論文2反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)學(xué)院、專業(yè)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、化學(xué)工程與工藝研 究 方 向 化工設(shè)備設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 夭榮成 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師姓名 彭本軍 指導(dǎo)教師職稱 講 師 2014 年 4 月 15 日2反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)摘要：反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)中常見的典型設(shè)備，一臺(tái)反應(yīng)釜大致是由：釜體部分、傳熱和攪拌、傳動(dòng)及密封等裝置組成。釜體部分有包容物料反應(yīng)的空間，由筒體及上、下封頭所組成。傳熱裝置是為了送入或帶走熱量，本次設(shè)計(jì)為夾套傳熱裝置結(jié)構(gòu)。攪拌裝置由攪拌器及攪拌軸所組成，根據(jù)生產(chǎn)需要可以安裝二層漿式攪拌器。反應(yīng)釜上的密封裝置有兩種類型：靜密封是指管法蘭、設(shè)備法蘭等處的密封；動(dòng)密

2、封是指轉(zhuǎn)軸出口處的機(jī)械密封或填料密封等。反應(yīng)釜上還根據(jù)工藝要求配有各種接管口、人孔、手孔、視鏡及支座等部件。關(guān)鍵詞：反應(yīng)釜；化工生產(chǎn)；設(shè)備；機(jī)械密封；工藝要求單The design of the 2 reaction kettleAbstract: the reaction kettle is common typical equipment in the chemical production, by a reaction kettle is roughly: body parts, heat transfer and mixing, transmission and sealing dev

3、ice. Body part has inclusion material reaction space, by the cylinder and the upper and lower head. The heat transfer device is to put into or take away heat, the heat transfer device structure design for the jacket. Stirring device composed of stirrer and stirring shaft, can install second pulp agi

4、tator according to production requirement. The seal on the reaction kettle has two types: static seal is refers to the pipe flanges and equipment of the place such as flange seal; Dynamic seal is refers to the axis of the exit of mechanical seals or packing seal, etc. On the reaction kettle is also

5、equipped with a variety of requirements to take over the mouth, manhole, hand hole, sight glasses, bearing parts, etc. Key words: the reaction kettle; Chemical production; Equipment; Mechanical seal; The technological requirements of single目錄1.引言51.2 反應(yīng)釜的釜體設(shè)計(jì)61.2.1筒體的直徑與高度71.2.2 夾套的結(jié)構(gòu)71.2.3厚度的確定81.3

6、 工藝管口91.3.1 進(jìn)料管口91.3.2 出料管口92.1 反應(yīng)釜釜體的設(shè)計(jì)過程92.2 反應(yīng)釜的攪拌裝置132.3 反應(yīng)釜的傳動(dòng)設(shè)備132.3.1電動(dòng)機(jī)的選用132.3.2減速機(jī)的選用132.3.3 機(jī)架和聯(lián)軸器的選用142.3.4 安裝底蓋的選用142.3.5 凸緣法蘭的選用143.1 反應(yīng)釜軸封裝置的選用143.2反應(yīng)釜附件的選用154 總裝配圖16參考文獻(xiàn)18致謝181.引言反應(yīng)釜機(jī)械設(shè)計(jì)1是在工藝要求確定之后進(jìn)行的。反應(yīng)釜的工藝要求通常包括反應(yīng)釜的容積、最大工作壓力、工作溫度工作介質(zhì)及腐蝕情況、傳熱面積、攪拌形式、轉(zhuǎn)速及功率、裝配哪些接管口等幾項(xiàng)內(nèi)容。這些要求一般以表格形式反映在

7、工藝人員提出的設(shè)備要求單中。1.1 設(shè)備設(shè)計(jì)要求單設(shè)備名稱2m3反應(yīng)釜技術(shù)特性指標(biāo) 簡(jiǎn) 圖壓力 釜內(nèi) 0.2MPa 夾套內(nèi) 0.3MPa溫度 釜內(nèi) 低于120 夾套內(nèi) 低于120介質(zhì) 夾套內(nèi) 冷卻水、蒸汽 腐蝕情況 微弱傳熱面積 夾套 7m2 攪拌方式 漿式 轉(zhuǎn)速 85r/min 功率 5kW 操作容積 1.6m3 設(shè)備容積 2m3 建議采用材料 A3 管 口 表編號(hào) 名稱 管徑Dg/mm a 冷鹽水出口 30 b 氨水出口 30 c 人 孔 400 d 溫度計(jì)管口 40 e 濃硫酸進(jìn)口 50 f 壓縮空氣管 30 g 壓料口 60 h 壓料管套管 100 I 放料口 40 j 冷鹽水進(jìn)口 3

8、01.2 反應(yīng)釜的釜體設(shè)計(jì)反應(yīng)釜釜體的主要部分是容器，其筒體基本上是圓柱形，封頭常用橢圓形、錐形和平板，橢圓形應(yīng)用最廣泛。釜體結(jié)構(gòu)與傳熱形式有關(guān)，最常見的是夾套式壁外傳熱結(jié)構(gòu)，如圖所示；也有釜體內(nèi)部安設(shè)蛇管的傳熱結(jié)構(gòu)，如圖所示；必要時(shí)也可將夾套蛇管聯(lián)合使用。釜體上按工藝要求還需安裝各種接管口。因此反應(yīng)釜釜體的設(shè)計(jì)要確定如下內(nèi)容：釜體的結(jié)構(gòu)型式和各部分尺寸，傳熱形式和結(jié)構(gòu)，工藝管口的安設(shè)等。1.2.1筒體的直徑與高度筒體的基本尺寸是內(nèi)徑D1和高度H。筒體的基本尺寸首先決定于工藝要求。對(duì)于帶攪拌器的反應(yīng)釜來說，設(shè)備容積V為主要決定參數(shù)，根據(jù)化工原理知識(shí)，攪拌功率與攪拌器直徑的五次方成正比，而攪拌器

9、直徑往往需隨容器直徑的增大而加大，因此在同樣的容積下，反應(yīng)釜的直徑太大是不適宜的。又如某些有特定要求的反應(yīng)釜如發(fā)酵罐之類，為了使通入罐中的空氣能與發(fā)酵液充分接觸，需要一定的液位高度，故筒體的高度不宜太矮。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，幾種反應(yīng)釜的H/D1值大致如表所示。 表1幾種反應(yīng)釜的H/DiTable1 Several reaction kettle of H/Di種 類 釜 內(nèi) 物 質(zhì) 類 型 H/D1一般反應(yīng)釜 液-固相或液-液相物料汽-液相物料 11.3121.72.5發(fā)酵罐類在確定反應(yīng)釜直接及高度時(shí)，還應(yīng)根據(jù)反應(yīng)釜操作時(shí)所允許的裝滿程度裝料系數(shù)等給予綜合考慮，通常裝料系數(shù)可取0.60.85。如反應(yīng)

10、時(shí)易起泡沫或呈沸騰狀態(tài)，應(yīng)取低值，如取0.60.7；反應(yīng)狀態(tài)平穩(wěn)，可取0.80.85（物料粘度較大時(shí)，可取最大值）。因此設(shè)備容積V與操作容積V0應(yīng)有如下關(guān)系：V0=V。在生產(chǎn)中要合理選擇裝料系數(shù)，以盡量提高設(shè)備利用率。1.2.2 夾套的結(jié)構(gòu)夾套傳熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本上不需要進(jìn)行檢修。但有襯里的反應(yīng)釜或釜壁采用導(dǎo)熱性不良的材料(如塑料、木材)制造時(shí)，因傳熱效果差，不宜采用夾套傳熱。采用夾套傳熱2時(shí)，因夾套向外有熱量散失，故需要在夾套外包以保溫材料。夾套型式可按工藝設(shè)計(jì)要求及反應(yīng)釜具體結(jié)構(gòu)的不同而選擇，一般僅圓筒和下封頭部分有夾套應(yīng)用最為廣泛，下面主要介紹如下：這種夾套結(jié)構(gòu)的應(yīng)用壓力為0.6MPa（3

11、50時(shí)）和1MPa（300時(shí)）。夾套頂端的密封結(jié)構(gòu)通常是由夾套筒體扳邊而成，再焊在釜壁上，也可以采用不同形狀的密封件焊接而成，但必須使密封件厚度cj（夾套厚度）；封閉件與夾套筒體的焊接須用墊板，并全焊接。當(dāng)夾套中用蒸汽作為載體熱體3時(shí)，一般從上端進(jìn)入夾套，凝液從夾套底部排出；如用液體作為冷卻液時(shí)則相反，采用下端進(jìn)、上端出，以使夾套中經(jīng)常充滿液體，充分利用傳熱面，加強(qiáng)傳熱效果。夾套內(nèi)徑Dj可根據(jù)釜體直徑按表中推薦的數(shù)值選取。表2夾套直徑與筒體直徑的關(guān)系Table 2 Jacketed cylinder diameter and the diameter of the relationship D

12、i 500600 7001800 20003000Dj Di + 50 Di + 100 Di + 200夾套的下封頭根據(jù)夾套直徑及所選形式，按標(biāo)準(zhǔn)選取。夾套筒體的高度Hj主要決定于傳熱面積Fh的要求，夾套的高度一般應(yīng)不低于料液的高度，以保證充分傳熱。根據(jù)裝料系數(shù)、操作容積V，夾套筒體的高度Hj可由下是式估算值夾套高度的確定，還應(yīng)考慮兩個(gè)因素：當(dāng)反應(yīng)釜筒體與上封頭用設(shè)備法蘭聯(lián)接時(shí)，夾套頂邊至少應(yīng)在法蘭下方150200mm處；而當(dāng)反應(yīng)釜具有懸掛支座時(shí)，須考慮避免因夾套頂部位置而影響支座的焊接地位。1.2.3厚度的確定4中低壓反應(yīng)釜釜體部分和夾套厚度，基本上按容器設(shè)計(jì)方法來確定。反應(yīng)釜在壓力狀態(tài)下

13、操作，如不帶夾套，則筒體及上、下封頭均按內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)，以操作時(shí)釜內(nèi)最大壓力為工作壓力；如帶夾套，則反應(yīng)釜筒體及下封頭應(yīng)按承受內(nèi)壓和外壓分別進(jìn)行計(jì)算，并取二者中的最大值。按內(nèi)壓計(jì)算時(shí)，最大壓力差為釜內(nèi)工作壓力；按外壓時(shí)，最大壓力差為夾套內(nèi)工作壓力（當(dāng)釜內(nèi)為常壓或尚未升壓時(shí)）或夾套內(nèi)工作壓力加0.1 MPa（當(dāng)釜內(nèi)為真空時(shí)）。上封頭如不包在夾套內(nèi)，則不承受外壓作用，只按內(nèi)壓計(jì)算，但通常與下封頭相同的厚度。夾套筒體及夾套封頭則以?shī)A套內(nèi)的最大工作壓力按內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)，真空時(shí)按受外壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常封頭與筒體取相同的厚度，必要時(shí)還得考慮內(nèi)、外筒體膨脹差的影響。當(dāng)夾套上有支承件時(shí)，還應(yīng)考慮容器和所裝載物料的重

14、量。1.3 工藝管口5反應(yīng)釜上工藝管口，包括進(jìn)出料口、溫度計(jì)口、壓力計(jì)口及其他儀表管口等，其結(jié)果和容器上的管口基本相同。管口的管徑及方位分布由工藝要求確定，下面介紹一些進(jìn)出料口的結(jié)構(gòu)型式。1.3.1 進(jìn)料管口有固定式和可拆式兩種。管接伸進(jìn)設(shè)備內(nèi)，可避免物料沿釜體內(nèi)壁流動(dòng)，以減少物料對(duì)釜壁的局部磨損與腐蝕。管端一般制成45斜口，以避免噴灑現(xiàn)象。對(duì)于易磨損、易堵塞的物料，宜用可拆式管口，以便清洗和檢修。進(jìn)口管如需浸沒于料液中，以減少?zèng)_擊液面而產(chǎn)生泡沫，管可稍長(zhǎng)，液面以上的部分開小孔可以防止虹吸現(xiàn)象。1.3.2 出料管口有上出料和下出料等形式。當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)液體物料需要輸送到位置更高或與它并列的另一設(shè)備

15、中去時(shí)，可采用壓料管裝置，利用壓縮空氣或惰性氣體的壓力，將物料壓出。壓料管一般做成可拆式，釜體上的管口大小要保證壓料管能順利取出。為防止壓料管在釜內(nèi)因攪拌影響而晃動(dòng)，除使其基本與釜體貼合，并以管卡或擋板固定。當(dāng)向下放料時(shí)，管口及夾套的尺寸如表所示表3 夾套底部及管口尺寸Table 3 At the bottom of the jacket and the nozzle size 管口公稱直徑Dg 50 70 100 125 150Dmin 130 160 210 260 2902 反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)2.1 反應(yīng)釜釜體的設(shè)計(jì)過程以設(shè)備要求單進(jìn)行反應(yīng)釜的釜體的設(shè)計(jì)。a 確定筒體和封頭型式從要求單上所列的

16、工作壓力及溫度以及該設(shè)備之工藝性質(zhì)，可以看出它是屬于帶攪拌的低壓反應(yīng)釜類型，根據(jù)慣例，選擇圓柱形筒體和橢圓形封頭。b 確定筒體和封頭直徑反應(yīng)物料為液-固相類型，從表H/Di為11.3。設(shè)備容積要求為2m3，考慮到容積不大，可取H/Di=1，這樣可使直徑不致太小。從工藝上了解到反應(yīng)狀態(tài)無泡沫或沸騰情況，粘度也不大，故取裝料系數(shù)=0.8。反應(yīng)釜直徑估算如下：，圓整至公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)系列，取Di=1300mm。封頭取相同的內(nèi)徑，其曲面高度由附表1（以內(nèi)徑為公稱直徑的橢圓形封頭的尺寸、內(nèi)表面積、容積）查得h1=325mm，直邊高度h2初步取值為40mm。c 確定筒體高度當(dāng)Di=1300mm，h2=40mm

17、，從附表1中查得橢圓形封頭的容積Vh=0.341m3，從附表2（筒體的容積、面積及重量（鋼制）查得筒體每一米高的容積V1=1.327m3/m，則筒體高估算為，取H=1.3m，于是H/Di=1300/1300=1。 d 確定夾套直徑從表得Dj=Di+100=1300+100=1400mm。夾套封頭也采用橢圓形，并與夾套筒體取相同直徑。e 確定夾套高度夾套筒體的高度估算如下：，取Hj為950mm。f 校核傳熱面積當(dāng)Di=1300mm時(shí)，從附表1、附表2查得Fh=1.99，F(xiàn)1=4.09。則F=FhHiF1=1.990.954.09=5.87.計(jì)算所得傳熱面積5.87小于工藝要求的6，說明以上確定夾

18、套高度是可以的。在本次設(shè)計(jì)中，夾套高度最后定為1000mm。這樣考慮的目的是使該反應(yīng)釜在保證法蘭上螺栓裝拆方便的前提下，可具有最大傳熱面積，從而使該反應(yīng)釜操作的適應(yīng)性更廣泛一些。另一方面也可使懸掛式支座的安裝高度有較大的變動(dòng)幅度，以便于設(shè)備在車間中的布置定位。g 內(nèi)筒及夾套的受力分析工藝提供的條件為：釜體內(nèi)筒中工作壓力0.2MPa，夾套內(nèi)工作壓力0.3MPa。則夾套筒體和夾套封頭為承受0.3MPa內(nèi)壓；而內(nèi)筒的筒體和下封頭為既承受0.2MPa內(nèi)壓，同時(shí)又承受0.3MPa外壓，其最惡劣的工作條件為：停止操作時(shí)，內(nèi)筒無壓而夾套內(nèi)仍有蒸汽壓力，此時(shí)內(nèi)筒承受0.3MPa外壓。h 計(jì)算夾套筒體、封頭厚度

19、夾套筒體與內(nèi)筒的環(huán)焊縫，因無法探傷檢查，故從附表3中查得=0.6，從安全計(jì)夾套上所有焊縫均取=0.6，封頭采用由鋼板拼制的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，材料均為A3鋼。夾套厚度計(jì)算如下：夾套封頭厚度計(jì)算如下：圓整至鋼板規(guī)格厚度并查閱封頭標(biāo)準(zhǔn)，夾套筒體與封頭厚度均取為8mm。i 計(jì)算內(nèi)筒筒體厚度承受0.2MPa內(nèi)壓時(shí)筒體厚度， 承受0.3MPa外壓時(shí)筒體厚度 為簡(jiǎn)化起見，首先假設(shè)n=8mm，則e=n-c1-c2=8-2.6=5.4mm，由于夾套頂部距離容器法蘭面實(shí)際定為150mm，因此內(nèi)筒體承受外壓外壓部分的高度為H-150mm，并以此決定L/D0及D0/e之值。，。式中 h2橢圓封頭直邊高度，根據(jù)Di=13

20、00mm、n=8mm由表16-7查得h2=25mm；h1橢圓封頭曲面高度，根據(jù)Di=1300mm由表16-6查得h1=325mm。因此 。由圖15-4查得A=0.00037，再據(jù)此查圖15-5得B=50，則許用壓力可計(jì)算如下：。因此，當(dāng)名義厚度為8mm時(shí)，不能滿足穩(wěn)定要求。再假設(shè)n=10mm，則e=n-c1-c2=10-0.8-2=7.2mm，而D0/e=1320/7.2=183.3，L/D01。由圖15-4查得A=0.00052，據(jù)以查圖15-5得，B=70，則。因此，名義厚度n=10mm時(shí)，筒體能夠滿足0.3MPa外壓的要求。由于筒體既可能承受內(nèi)壓，又可能承受外壓。因此筒體厚度應(yīng)選擇二者中

21、之大值，即確定筒體厚度為10mm。j 確定內(nèi)筒封頭厚度承受0.2MPa內(nèi)壓。承受0.3MPa外壓 設(shè)n=10mm，則e=n-c1-c2=10-0.8-2=7.2mm，而查圖15-5得B=110，則。滿足穩(wěn)定要求。2.2 反應(yīng)釜的攪拌裝置在反應(yīng)釜中，為了加快反應(yīng)速率、強(qiáng)化傳質(zhì)或傳熱效果以及加強(qiáng)混合等作用，常裝設(shè)攪拌裝置。攪拌裝置由攪拌器與攪拌軸組成，攪拌器型式很多，通常由工藝要求確定。工藝單上要求使用漿式攪拌器，攪拌器的直徑D取值為反應(yīng)釜內(nèi)徑Di的1/32/3，不宜過大。所以攪拌器直徑D=Di/2=1300/2=650mm，而攪拌軸的軸徑設(shè)計(jì)公式為:mm。化工設(shè)備中常用45號(hào)鋼作為實(shí)心攪拌軸的材

22、料，查軸與聯(lián)軸器可知系數(shù)A=118107，根據(jù)設(shè)計(jì)單可知功率P=5kW，轉(zhuǎn)速n=85r/min，所以攪拌軸的軸徑：mm。根據(jù)軸上的安裝零件及其它結(jié)構(gòu)上的要求計(jì)算所得的軸徑還需增加10%15%，通常還得增加2mm的腐蝕裕量。都按最大值計(jì)算得：45.891.15+2=54.77mm。最后把確定的軸徑圓整到攪拌軸軸徑的標(biāo)準(zhǔn)系列查表后取d=56mm。2.3 反應(yīng)釜的傳動(dòng)設(shè)備 反應(yīng)釜的攪拌器是由傳動(dòng)裝置帶動(dòng)，傳動(dòng)裝置通常設(shè)置在釜頂封頭的上部。反應(yīng)釜的傳動(dòng)裝置包括電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、機(jī)架、底座和凸緣法蘭。2.3.1電動(dòng)機(jī)的選用反應(yīng)釜用的電動(dòng)機(jī)絕大部分與減速機(jī)配套使用，只在攪拌轉(zhuǎn)速很高時(shí)，才見到電動(dòng)機(jī)不經(jīng)

23、減速機(jī)而直接驅(qū)動(dòng)攪拌軸。因此電動(dòng)機(jī)的選用一般應(yīng)與減速機(jī)的選用互相配合考慮。很多場(chǎng)合下，電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)一并配套供應(yīng)，所以可根據(jù)選定的減速機(jī)選用配套的電動(dòng)機(jī)。 按設(shè)計(jì)任務(wù)書要求,選用電機(jī)YA132S-4,其軸功率為5kW,軸轉(zhuǎn)速為n=1440r/min ,電流為11.4A,最大扭矩為2.3,效率為85.5%，功率因數(shù)cos=0.83，質(zhì)量為67Kg。2.3.2減速機(jī)的選用反應(yīng)釜的立式減速機(jī)的選用根據(jù)：機(jī)軸轉(zhuǎn)速 n=1440r/min 電機(jī)功率為5kW 攪拌軸轉(zhuǎn)速為n1=85r/min, 傳動(dòng)比i=n/n1=1440/85=17,減速機(jī)選用BLD擺線針齒行星減速機(jī)。 其標(biāo)定符號(hào)為BLD5-3-17根

24、據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，選用電機(jī)Y32M2-6,選用軸功率P=5kW,軸轉(zhuǎn)速n=900r/min。2.3.3 機(jī)架和聯(lián)軸器的選用機(jī)架是用來支撐加速機(jī)和傳動(dòng)軸的。軸承軸也歸屬于機(jī)架，機(jī)架機(jī)型有4種，本設(shè)計(jì)選用A型單支點(diǎn)機(jī)架。電機(jī)或減速器輸出軸與傳動(dòng)軸之間及傳動(dòng)軸與攪拌軸之間的連接，都是通過聯(lián)軸器連接的。常用的聯(lián)軸器有彈性塊式聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器和緊箍夾殼聯(lián)軸器。查文獻(xiàn)，傳動(dòng)軸與攪拌軸間的聯(lián)軸器選用剛性凸緣聯(lián)軸器GT45-HT200。2.3.4 安裝底蓋的選用安裝底蓋采用螺柱等緊固件，上與機(jī)架連接，下與凸緣法蘭連接，是整個(gè)攪拌傳動(dòng)裝置與容器連接的主要連接件。安裝底蓋的常用形式為RS和LRS型，其他結(jié)構(gòu)（整

25、體或襯里）、密封面形式（突面或凹面）以及傳動(dòng)軸的安裝形式（上裝或下裝），按HG21565-95選取。安裝底蓋的公稱直徑與凸緣法蘭相同。形式選取時(shí)應(yīng)注意與凸緣法蘭的密封面配合（突面配突面，凹面配凹面）。選用RS型。查資料可得，選取安裝底蓋DN=25mm。2.3.5 凸緣法蘭的選用凸緣法蘭一般焊接于釜體封頭上，用于連接攪拌傳動(dòng)裝置，亦可兼坐安裝、維修、檢查用孔。凸緣法蘭分整天和襯里兩種結(jié)構(gòu)形式，密封面分凸面（R）和凹面（M）兩種。查閱資料，凸緣法蘭的最大允許工作壓力取決于所用材料及工作溫度，按照已選定的電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)的設(shè)計(jì)要求，最終選用R型凸緣法蘭DN=25mm。3反應(yīng)釜的軸封裝置及附件的選用3.1 反應(yīng)釜軸封裝置的選用解決化