1.8立方米搅拌式反应釜设计毕业设计正文.doc

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计1.8m3搅拌式反应釜设计DESIGN 1.8M3AGITATED REACTOR 湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日目 录摘要1关键词11 前言11.1 反应器的现状及发展前景11.2 搅拌式反应釜结构设计及其工作原理示图22 设计条件及设计内容分析3 2.1反应釜设计的内容主要有33 反应釜釜体的设计3 3.1 釜体DN的确定3 3.1.1 釜体DN的确定3 3.2 釜体筒体壁厚的设计3 3.2.1 设计参数的确定3 3.2.2 筒体壁厚的设计4 3.3 釜体封头的设计4 3.3.1 封头的选型4 3.3.2 设计参数的确定4 3.3.3 封头的壁厚得设计4 3.3.4 封头的直边尺寸、体积的确定4 3.4 筒体长度H的设计5 3.4.1 筒体长度H的设计5 3.4.2 釜体长径比校核5 3.5 外压筒体壁厚的设计5 3.5.1 设计外压的确定5 3.5.2 试差法设计外压筒体的壁厚5 3.5.3 图算法设计筒体的壁厚5 3.6 外压封头壁厚得设计6 3.6.1 设计外压得确定6 3.6.2 封头壁厚得计算64 反应釜夹套得设计6 4.1 夹套釜体DN，PN得确定6 4.1.1 夹套釜体DN得确定6 4.1.2 夹套釜体PN得确定6 4.2 夹套筒体的设计7 4.2.1 设计参数的确定7 4.2.2 夹套筒体壁厚的设计7 4.2.3 夹套筒体的高度确定7 4.3 夹套封头的设计7 4.3.1 封头的选型7 4.3.2 设计参数的确定8 4.3.3 封头的壁厚的设计8 4.3.4 封头的直边尺寸、体积与重量的确定8 4.3.5 封头结构的设计8 4.4 传热面积的校核85 反应釜釜体及夹套的压力试验9 5.1 釜体的水压试验9 5.1.1 水压试验压力的确定9 5.1.2 液压试验的强度校核9 5.1.3 压力表得量程9 5.1.4 水压试验的操作过程9 5.2.1 气压试验压力的确定9 5.2.2 气压试验的强度校核10 5.2.3 气压试验的操作过程10 5.3 夹套的液压试验10 5.3.1 水压试验压力的确定10 5.3.2 液压试验的强度校核10 5.3.3 压力表的量程、水温的要求10 5.3.4 水压试验的操作过程106 反应釜附件的选型及尺寸设计11 6.1 釜体法兰联接结构的设计11 6.1.1 法兰的设计11 6.1.2 密封面形式的选型11 6.1.3 螺栓、螺母的尺寸规格12 6.1.4 法兰、垫片、螺栓、螺母、垫圈的材料12 6.2 选用手孔，视镜等和工艺接管的设计12 6.2.1 手孔12 6.2.2 视镜12 6.2.3 进料管口12 6.2.4 温度计13 6.2.5 出料口13 6.2.6 安全阀接口13 6.2.7 冷凝器接口i和压力表接管e13 6.2.8 加热蒸汽进口13 6.3 管法兰尺寸的设计13 6.3.1 管法兰的选型13 6.3.2 管法兰的尺寸13 6.4 垫片尺寸及材质14 6.4.1 垫片的结构14 6.4.2 密封面形式及垫片尺寸15 6.5 手孔的设计15 6.5.1 手孔的结构15 6.5.2 手孔尺寸15 6.6 视镜的设计16 6.6.1 视镜的选型17 6.6.2 视镜的结构17 6.6.3 视镜的规定标记、标准图号、视镜的尺寸及材料17 6.6.4 视镜标准件的材料应符合表9的规定17 6.7 支座的选型18 6.7.1 支座的选型及尺寸的初步设计17 6.7.2 支座载荷的校核计算197 搅拌装置的选型与尺寸设计19 7.1 搅拌轴直径的初步计算19 7.1.1 搅拌轴直径的设计19 7.1.2 搅拌轴刚度校核19 7.2 搅拌轴临界转速校核计算19 7.3 联轴器的型式及尺寸的设计19 7.3.1 联轴器型式的确定19 7.3.2 联轴器的结构及尺寸20 7.3.3 联轴节的零件及材料20 7.4 搅拌桨尺寸的设计21 7.4.1 桨式搅拌桨的结构21 7.4.2 桨式搅拌桨的尺寸21 7.4.3 桨式搅拌桨零件明细表21 7.5 搅拌轴的结构及尺寸的设计22 7.5.1 搅拌轴长度的设计22 7.5.2 搅拌轴的结构228 传动装置的选型与尺寸设计22 8.1 电动机的选型22 8.2 减速器的选型23 8.3 机架的设计23 8.4 底座的设计24 8.5 反应釜的轴封装置设计24 8.5.1 反应釜的轴封装置的选型24 8.5.2 轴封装置的结构及尺寸259 焊缝结构的设计25 9.1 釜体上主要焊缝结构的设计25 9.2 夹套上的焊缝结构的设计2810 固体物料进口的开孔及补强计算29 10.1 封头开固体物料进口后被削弱的金属面积A的计算29 10.2 有效补强区内起补强作用的金属面积的计算30 10.2.1 封头起补强作用金属面积A1的计算30 10.2.2 接管起补强作用金属面积A2的计算30 10.2.3 焊缝起补强作用金属面积A3的计算30 10.3 判断是否需要补强的依据3011 结论31参考文献 31致谢32附录33341.8m3搅拌釜式反应器设计学 生：李建军指导老师：汤兴初(湖南农业大学东方科技学院,长沙410128)摘 要：搅拌釜式反应器由搅拌器和釜体组成。搅拌器包括传动装置，搅拌轴（含轴封），搅拌桨;釜体包括筒体，夹套和内件，盘管，导流筒等。工业上应用的搅拌釜式反应器有成百上千种，按反应物料的相态可分成均相反应器和非均相反应器两大类。非均相反应器包括固-液反应器，液-液反应器，气-液反应器和气-液-固三相反应器。本次设计的釜式反应器适用性广操作弹性大，是工业生产中最广泛使用的反应器。关键词：反应釜； 釜体； 搅拌器Design 1.8m3 Stirred Tank Reactor Author:Li Jianjun Tutor:Tang Xingchu(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract：Stirred tank reactor by the stirrer and the reactor body. The agitator gear stirring shaft ( with shaft seal), impeller, kettle body including a cylinder, jacket and coil, draft tube etc. Industrial application of stirred tank reactor, there are hundreds of homogeneous reaction and heterogeneous reactor can be divided into two major categories according to the phase of the reaction materials. The non - homogeneous reactor, including the solid - liquid reactor, liquid - liquid reactor, the gas - liquid reactor and gas - liquid - solid three-phase reaction device. The design of the tank reactor wide applicability of the operating flexibility,the most widely used in industrial production reactor.Key words：Reactor; Electric; Agitator; 1 前言1.1 反应器的现状及发展前景反应釜的广义理解即有物理或化学反应的不锈钢容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混合功能。随之，反应过程中的压力要求对容器的设计要求也不尽相同。生产必须严格按照相应的标准加工、检测并试运行。不锈钢反应釜根据不同的生产工艺、操作条件等不尽相同，反应釜的设计结构及参数不同，即反应釜的结构样式不同，属于废标的容器设备。不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等生产型用户和各种科研实验项目的研究，用来完成水解、中和、结晶、蒸馏、储存、氢化、烃化、聚合、缩合、加热混配、恒温反应等工业过程的容器。反应釜是综合反应容器，根据反应条件对反应釜结构功能及配置附件的设计。从开始的进料-反应-出料均能够以较高的自动化程度完成预先设定好的反应步骤，对反应过程中的温度、压力、力学控制（搅拌、鼓风等）、反应物/产物浓度等重要参数进行严格的调控。搅拌釜式反应器，这种反应器是工业生产中最广泛采用的反应器形式，适用于各种相态物料的反应。反应釜中设有各种不同型式的搅拌、传热装置，可适应不同性质的物料和不同热效应的反应，以保持反应物料在釜内合理地流动、混合和料号的传热。搅拌釜式反应器既可间隙操作也可连续操作或半连续操作，既可单釜操作，又可多釜串联操作。搅拌釜式反应器的使用性广，操作弹性大，浓度容易控制。它通常由釜体、换热装置。搅拌器和传动装置等构件组成。11.2 搅拌式反应釜结构设计及其工作原理示意图图1 反应釜结构及原理图Fig.1 the reactor structure and schematic diagram2 设计条件及设计内容分析由设计条件单可知，设计的反应釜可操作容积为1.8m3、搅拌装置配置的电动机功率为1.8KW、搅拌轴的转速为60r/min、搅拌桨的形式为框式；加热的方式为用夹套内的导热油进行电加热：装置上设有8个工艺接管、1个视镜、4个耳式支座、1个人孔（或固体物料进口）。 2.1 反应釜设计的内容主要有：釜体的强度、刚度、稳定性计算和结构设计夹套的强度、刚度计算和结构设计；设计釜体的法兰联接结构、选择接管、管法兰；人孔的选型及补强计算；支座选型及验算；视镜的选型；焊缝的结果与尺寸设计；电机、减速机的选型；搅拌轴及框式搅拌桨的尺寸设计；选择联轴器；设计机架结构及尺寸；设计底盖结构及尺寸；选择轴封形式；绘总装配图及搅拌轴零件图等。3 反应釜釜体的设计3.1 釜体DN的确定3.1.1 釜体DN的确定选取反应釜装料系数=0.8，由V=V0/,可得设备体积 V=2.25m3 （1）对于液液相类型选取H/Di=1.2.由此，估算筒体的内径为 Di=1.337m （2）将计算结果圆整至公称直径标准系列，选取筒体直径Di=1400mm。3.2 釜体筒体壁厚的设计3.2.1 设计参数的确定取P=1.1PW （3）P=1.1PW=1.10.33=0.33MPa 液体静力压力：由于PL=0.1=0.0143<5%P=0.051.10.33=0.01815因此可以忽略PL 取PC=P=1.10.33MPa 用导热油加热取介质最高温度130ºC,查表得取t=150 º3.2.2 筒体壁厚的设计假设Sn=6mm 在t=150下查得Q235-A材料t=113MPa由S=5.971mm （4）圆整 S=6mm=Sn 假设合理3.3 釜体封头的设计3.3.1 封头的选型球冠形封头，平板封头都存在较大的边缘应力，且采用平板封头厚度较大，故不宜采用。理论上应对各种凸形封头进行比较计算，再确定封头形式。但由于定性分析半封形封头受力最好壁厚最薄，质量轻，但深度大，制造较难，中低压小设备不宜采用；蝶形封头的深度通读过度半径r加以调节，但由于母线曲率不连续，存在局部应力，故受力不如椭圆形封头；标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比蝶形封，头好。因此题目该反应釜的封头采用标准椭球封头，类型是EHA3.3.2 设计参数的确定P=1.1PW=1.10.4MPa，压力同釜体PC=P=0.33MPa=0.6（从安全考虑，检讨上所有焊缝系数都为0.6）t=150 ºC C1=0.6mm C2=1mm 3.3.3 封头的壁厚得设计设封头壁厚Sn=6mm （封头厚度取与筒体厚度一致）查表得t=113MPaS=+1.6=4.767mm （5）圆整Sn=6mm= S 假设合理3.3.4 封头的直边尺寸、体积的确定查表知EHA的总高度 HF =325mm对于标准椭圆形封头直边高度h2=25mm （6）h1=350-25=325mm体积VF=0.3208m33.4 筒体长度H的设计3.4.1 筒体长度H的设计由上计算的每一米高的筒体积V1=1.327m3H=1.454m （7）筒体高度圆整为H=1400mm。H/D=1400÷1300=1.08，复核结果基本符合原定范围。3.4.2 釜体长径比校核H/D=1400÷1300=1.08，复核结果基本符合原定范围。3.5 外压筒体壁厚的设计3.5.1 设计外压的确定PC=0.1MPa3.5.2 试差法设计外压筒体的壁厚设筒体的壁厚为Sn=6mm Se=Sn-C=6-1.25=4.75mmD0=Di+2Sn=1200+26=1212mm由Lcr=1.17 D0（D0/ Se）1/2得Lcr=1.171212(1212/4.75)1/2=22651.3mmL/=H+(h1-h)/3+h=1140+(325-25)/3+25=1265mmLcr=22651.3mm该筒体为短圆筒，圆筒的临界压力Pcr=2.59E/L/D0(D0/Se)1/2查表15-7得E=1.91105代入得Pcr=2.591.911053.752/9451212(1212/4.75)1/2=0.34522MPa =3.4522Kgf/cm2 （8）P=Pcr/m对于圆筒 m=3 得 P=3.4522 /3=1.1507Kgf/cm2圆筒设计外压P=1.0Kgf/cm2 （9）可知P>P 则Sn=6mm设计合理。3.5.3 图算法设计筒体的壁厚设筒体的壁厚6mm，则：=6-1.25 = 4.75，=1212，。在文献2305页中图15- 4中的坐标上找到1.102的值，由该点做水平线与对应的线相交，沿此点再做竖直线与横坐标相交，交点的对应为：0.00029。由文献2307页中图15- 7中选取，在水平坐标中找到=2.9×10-4点，由该点做竖线与对应的材料温度线相交，沿此点再做水平线与右方的纵坐标相交，得到系数的值为：37MPa、=1.900×105。根据=得： =0.145（） （10）因为0.1 < 0.145，所以假设6合理，取封头的壁厚6。由文献2316页表16-3知，、6的筒体高筒节钢板的质量约178，则筒体质量为：178×1.360=242.08（）又知1m高的内表面积故筒体的内表面积：= （11）3.6 外压封头壁厚得设计3.6.1 设计外压得确定PC=0.1MPa3.6.2 封头壁厚得计算设封头的壁厚为Sn=6mm Se=Sn-C=4.75mm对于标准椭球形封头 K=0.9，Ri=KDi=0.91200=1080mm （12）Ri/Se=1080/4.75=227.4计算系数A=0.125/(Ri/Se)= 5.50010-4 由A=5.50010-4可确定B查表15-7得B=63MPa，E=1.91=1.91105MPa由P=B/(Ri/Se)得P=63 /(1080/4.75)=0.2770Mpa=2.770Kgf/cm2P=1.0Kgf/cm2<P=2.770Kgf/cm2假设Sn=6mm合理。4 反应釜夹套得设计4.1 夹套釜体DN，PN得确定4.1.1 夹套釜体DN得确定Di=Di+100=1300+100=1400mm所以DN=1400mm4.1.2 夹套釜体PN得确定Pw=0.4MPa P=1.1Pw=0.44MPa4.2 夹套筒体的设计4.2.1 设计参数的确定因为釜体内反应物浓度与水相近，故按水计算反应物静压，即：P液=1.01039.81.26510-6=0.0124MPa （13） （14）P液不能忽略PC=P+P液=0.11.1+0.0124=0.1224MPa，由于夹套内的温度为125150 故取t=150，查Q235-A的t=113MPa4.2.2 夹套筒体壁厚的设计按强度条件设计由公式Sd=PCDi/2t-PC+C （15）得Sd=(0.12241400)/(21130.6-0.1224)+1.0+0.6=2.8642mm圆整Sd=3mm Sn=Sd 因此假设合理由PC=0.1MPa<0.3MPa 按强度设计的壁厚不能满足刚度要求，需按刚度条件重新计算Di=1500<3800mm Smin=2Di/1000+C2 =4mm所以Sn=4mm对于碳钢制造的筒体壁厚取Sn6mm4.2.3 夹套筒体的高度确定Hj=1.115m （16）选取夹套高度Hj=1200mm，则H0=H-Hj=200mm,这样是便于筒体法兰螺栓拆装的。4.3 夹套封头的设计4.3.1 封头的选型由所给题目可得封头采用椭球封头，类型是EHA4.3.2 设计参数的确定因为釜体内反应物浓度与水相近，故按水计算反应物静压，即：P液=1.01039.81.26510-6=0.0124MPa P液不能忽略PC=P+P液=0.11.1+0.0124=0.1224MPa4.3.3 封头的壁厚的设计设夹套封头的壁厚Sn=3mm t=113MPa C1=0.6mm C2=1mm由公式Sd=PCDi/2t-0.5PC+C得Sd=(0.12241400)/(21130.6-0.50.1224)+1.6=2.864mm圆整Sd=3mm Sn=Sd 因此假设合理与筒体取一致，故Sn=4mm因为Sn=4mm EHA为了便于生产，所以夹套筒体厚度和封头厚度为6mm。4.3.4 封头的直边尺寸、体积与重量的确定表1 封头的尺寸Table 1 the size of head公称直DN/mm总深度H/mm内表面积A/m2容积V/m314003752.23460.39774.3.5 封头结构的设计封头的下部结构如图2-1。由设备设计条件单知：出料口的65，封头下部结构的主要结构尺寸180。图2 封头下部结构Fig.2 Head lower part structure4.4 传热面积的校核DN=1300釜体下封头的内表面积Fh = 1.9340m2=1300筒体（1m高）的内表面积F1=4.09m2夹套包围筒体的表面积FS=F1×Hj = 4.09×1.2=4.908（m2） （17）Fh+FS= 1.9340+ 4.908 = 6.842 （m2）由于釜内进行的反应是放热反应，产生的热量不仅能够维持反应的不断进行，且会引起釜内温度升高。为防止釜内温度过高，在釜体的上方设置了冷凝器进行换热，因此不需要进行传热面积的校核。如果釜内进行的反应是吸热反应，则需进行传热面积的校核，即：将Fh+FS = 6.842 m2与工艺需要的传热面积F=6.8m2进行比较。+，所以不需要在釜内另设置蛇管。5 反应釜釜体及夹套的压力试验5.1 釜体的水压试验5.1.1 水压试验压力的确定水压试验的压力：且不小于(+0.1) ， （18）当1.8时取1.8。PT=1.251.10.581=0.80MPaPT=0.80MPa>P+0.1=0.68MPa PT=0.80MPa5.1.2 液压试验的强度校核由 （19）得=101.5MPa查表14-4 =203MPa得=101.5MPa<0.9=0.92031.0=182.7MPa因此液压强度足够5.1.3 压力表得量程压力表的最大量程：P表=2PT=20.80=1.60MPa水温：t15，水中浓度25。5.1.4 水压试验的操作过程在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.80，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.64 ，并保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压，将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。5.2 釜体的气压试验5.2.1 气压试验压力的确定由公式PT=1.15P得PT=1.151.10.581=0.7337MPa （20）5.2.2 气压试验的强度校核由公式 （21）得=93.045MPa=93.045<0.9=0.92031.0=182.7MPa因此气压强度足够5.2.3 气压试验的操作过程做气压试验时，将压缩空气的压力缓慢升至0.05MPa时，保持5min进行初检合格后继续升至0.367 MPa，其后按每级0.07337MPa为级差升至0.7337MPa，保持10min，然后降至0.6383 MPa并保持足够长时间同时进行检查，如有泄露，修补后重新进行试验，至合格为止。5.3 夹套的液压试验5.3.1 水压试验压力的确定且不小于(+0.1) ，当1.8时取1.8。PT=1.251.10.11=0.1375MPa 因为PT<P+0.1=1.10.1+0.1=0.21MPa得PT=0.21MPa5.3.2 液压试验的强度校核由 得=33.26MPa=33.26MPa<0.9=0.92350.6=126.9MPa因此强度足够5.3.3 压力表的量程、水温的要求压力表得量程：P表=2PT=20.21=0.42MPa，水温 t55.3.4 水压试验的操作过程在保持夹套表面干燥的条件下，首先用水将夹套内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.21，保压不低于30min，然后将压力缓慢降至0.168，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将夹套内的水排净，用压缩空气吹干。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。6 反应釜附件的选型及尺寸设计6.1 釜体法兰联接结构的设计设计内容包括：法兰的设计、密封面形式的选型、垫片设计、螺栓和螺母的设计。6.1.1 法兰的设计图3 釜体法兰Fig.3 The kettle body flang根据DN=1300mm、，由文献表16-9确定法兰的类型法兰的选型：乙型平焊法兰法兰的标准代号：法兰GI