1、化工設備機械基礎大型作業題 目： 反應釜 教 學 院： 化學與材料工程學院 專 業： 化學工程與工藝 學 號： 15 26 48 52 學生姓名： 楊博 周紅輝 玉仁佐 丁懷交指導教師： 夏 賢 友 年 月 日大型作業任務書220132014 學年第1學期學生姓名： 專業班級：化學工程與工藝（精細化工）2011（1）指導教師： 夏 賢 友 工作部門： 化工教研室 一、大型作業題目：反應釜二、大型作業內容（含技術指標）1反應介質：5m3的水乳膠涂料；2. 容器內壓：常壓；3. 反應溫度：8510；4. 電機功率：5kW；5. 攪拌轉速：50rpm；6、作業成果：計算書1份，設備圖1張（CAD繪制

2、，A1打印）。三、進度安排112月16日：分配任務；212月16日-6月20日：查詢資料、初步設計；312月21日-12月27日：設計計算，完成報告。四、基本要求1設計方案：根據給定的條件合理選擇設備的結構以及合適的材料，立式容器或臥式容器的筒體和封頭、鋼板卷制焊接結構接頭、鋼板材料的型號及熱處理條件等；2設計計算：依據材料的性能，對選用設備的壁厚進行計算、穩定性進行校核；3輔助設備的選型：包括典型輔助設備的主要尺寸計算及型號規格：人孔或手孔設計、法蘭的型號規格、接管開孔結構、視鏡或液面鏡以及容器的支座選型等。 教研室主任簽名： 2013年 月 日目錄設計方案簡介50.1 設計條件50.2 設

3、備外部條件50.3 水乳膠50.4 設計內容及設計方案50.4.1夾套反應釜的總體結構60.4.2 釜體設計內容60.4.3 傳熱裝置設計內容61 反應釜釜體的設計71.1 釜體公稱直徑DN的確定71.2 釜體筒體壁厚的設計71.2.1 設計參數的確定71.2.2 釜體壁厚的確定71.3 釜體封頭的設計81.3.1 釜體封頭厚度的計算81.3.2 釜體封頭相關參數91.4 筒體高度H的確定91.5 外壓筒體壁厚及封頭壁厚的設計91.5.1 外壓筒體壁厚的計算91.5.2 外壓封頭壁厚的計算101.6 筒體液壓試驗及應力校核111.6.1 筒體液壓試驗111.6.2 筒體應力校核112 反應釜夾

4、套的設計122.1 夾套的公稱直徑和設計壓力的確定122.1.1 夾套公稱直徑的確定122.1.2 夾套PN的確定122.2 夾套筒體的設計122.2.1夾套筒體壁厚的設計122.2.2 夾套筒體長度H筒的初步設計122.3 夾套封頭的設備132.3.1 封頭的選型132.3.2 橢球形封頭壁厚的設計（強度和剛度）132.3.3 橢球形封頭結構尺寸的確定132.3.4 帶折邊錐形封頭厚壁的設計142.3.5封頭結構的設計（總體設計）142.3.6 帶折邊錐形封頭厚壁的設計142.4 傳熱面積的校核153 夾套的壓力試驗及應力校核163.1 水壓試驗壓力的確定163.2液壓試驗的應力校核163.

5、3 水壓試驗的操作過程164 反應釜附件的選型及尺寸設計174.1 釜體法蘭聯接結構的設計174.1.1 密封面形式的選型174.1.2 螺栓、螺母和墊圈的尺寸規格及材料的選擇174.2 工藝接管的設計174.3 管法蘭尺寸的設計184.4 墊片及材質194.5 視鏡的選型194.6支座的選型及設計204.6.1支座的選型及尺寸的初步設計204.6.2支座載荷的校核計算215 攪拌軸及槳的設計235.1 攪拌器的結構型式235.2 攪拌軸直徑的初步計算235.2.1 攪拌軸直徑的設計235.2.2 攪拌抽臨界轉速校核計算245.3 聯軸器的型式及尺寸的設計245.4 直葉槳式攪拌器尺寸的設計2

6、46 傳動裝置的選型和尺寸計算256.1 電動機的選用256.2 減速機的選用266.3 機座的設計266.4 軸封裝置26總結26參考文獻28設計方案簡介0.1 設計條件（1）反應介質：5m3的水乳膠涂料；（2）容器內壓：常壓；（3）反應溫度：8010；（4）電機功率：5kW；（5）攪拌轉速：50rpm。0.2 設備外部條件 黃石年平均氣溫17。最熱月（7月）平均29.2，最冷月（1月）平均3.9。無霜期年平均264天，年平均降水量1382.6毫米，年平均降雨日132天左右，全年日照1666.4-2280.9小時，占全年月日可照射時數的31-63。境內多東南風，年平均風速為每秒2.17米。0

7、.3 水乳膠的介紹由于水性涂料不用有機溶劑，對人體無毒害，對環境無污染，因而近年來發展十分迅速。凡是用水作溶劑或者分散在水中的涂料部可稱之為水性涂料。水性涂料包括水溶性涂料和水膠乳涂料兩種，采用乳液聚合工藝制備成合成樹脂水膠乳，膠粒徑0.1-10m。 目前，世界上使用較廣的水膠乳涂料有聚醋酸乙烯水膠乳涂料、聚丙烯酸酯水膠乳涂料、醇酸樹脂水膠乳涂料和偏氯乙烯共聚樹脂水膠乳涂料。水乳膠可用：丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸異丁酯、醋酸乙烯酯、苯乙烯、氯乙烯和丙烯腈等單體合成。例如：苯丙乳液（苯乙烯-丙烯酸酯乳液）是由苯乙烯和丙烯酸酯單體經乳液共聚而得。乳白色液體，帶藍光。固體含量4045

8、，粘度801500mPas，單體殘留量0.5%，PH值89。苯丙乳液附著力好，膠膜透明，耐水、耐油、耐熱、耐老化性能良好。苯丙乳液用作紙品膠粘劑，也可與淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉等膠粘劑配合使用。貯存于530的庫房內，貯存期1年。苯丙乳液作為一類重要的中間化工產品,有著非常廣泛的用途，現主要用作建筑涂料、金屬表面乳膠涂料、地面涂料、紙張粘合劑、膠粘劑等。在進行操作時可將水乳膠的密度近似于水的密度進行計算。0.4 設計內容及設計方案0.4.1夾套反應釜的總體結構帶攪拌的反應釜是化學、醫藥及食品等工業中常用的典型反應設備之一。它是一種在一定壓力和溫度下，借助攪拌器將一定容積的兩種（或多種）液體

9、以及液體與固體或氣體物料混勻，促進其反應的設備。一臺帶攪拌的反應釜主要有攪拌容器、攪拌裝置、傳動裝置、軸封裝置、支座、人孔、工藝接管和一些附件組成。 反應釜分罐體和夾套兩部分，主要有封頭和筒體組成，多為中、低壓壓力容器；攪拌裝置有攪拌器和攪拌軸組成，其形式通常由工藝而定；傳動裝置是為帶動攪拌裝置設置的，主要有電動機、減速器、聯軸器和傳動軸等組成；軸封裝置為動密封，一般采用機械密封或填料密封；它們與支座、人孔、工藝接管等附件一起，構成完整的反應釜。0.4.2 釜體設計內容釜體一般是立式圓筒形容器，有頂蓋、筒體和釜底，通過支座安裝在基礎或平臺上。根據反應釜的設計參數及要求可知，釜體采用立式圓筒形結

10、構，上、下封頭均采用標準橢圓形封頭。下封頭與筒體焊接，上封頭與筒體采用法蘭連接。夾套采用焊接式整體結構形式。0.4.3 傳熱裝置設計內容為及時送入化學放應所需熱量或傳出化學放應放出的熱量，在釜體外部或內部可設置傳熱裝置，使溫度控制在需要的范圍之內。 常用的傳熱裝置是在釜體外部設置夾套或在釜體內部設置蛇管。反應釜的攪拌裝置由攪拌軸和攪拌器組成，可使物料混合均勻、良好接觸，加速化學反應的進行。 攪拌過程中，物料的湍動程度增大，反應物分子之間、反應物分子與容器器壁之間的接觸不斷更新，既強化了傳質和傳熱，又有利于化學反應的進行。攪拌器采用推進式攪拌器。反應釜的傳動裝置主要由電機、減速器、聯軸器和傳動軸

11、等組成。反應釜的軸封裝置：為維持設備內的壓力或阻止釜內介質泄漏，在攪拌軸伸出封料抖出必須進行密封（動密封）。軸封裝置通常有填料密封和機械密封。反應釜的其他附件，包括支座、人孔、工藝接管等。1 反應釜釜體的設計1.1 釜體公稱直徑DN的確定 在確定反應釜釜體直徑和高度時，考慮到操作時所允許的裝料程度，即裝料系數的影響，通常裝料系數可取0.60.85。如果物料在反應過程中產生泡沫或呈沸騰狀態，應取較低值，一般為0.60.7；如果反應狀態平穩，可取0.80.85（物料粘度大時，可取最大值）。所以，取=0.85。反應釜內物料類型為液-液相物料L/Di可取1.01.3。所以，取L/Di=1.3。設計的反

12、應釜體積V=V0/=5/0.85=5.88m3，圓整得V=6m3。由 （1-1）式中 V釜體的體積，m3; Di釜體的內徑，m; L釜體的長度，m。所以，=1.8m，故得釜體DN=1800mm。1.2 釜體筒體壁厚的設計1.2.1 設計參數的確定根據設計要求，容器內壓為常壓，取設計壓力p=0.1MPa。 設計壓力p：p0.1MPa； 液柱靜壓力p液：MPa; 計算壓力pc：pc= p+ p液 =0.1+0.1929=0.2929MPa； 設計溫度t：t= 8010；焊接接頭系數：0.85；設計壓力p=0.1MPa，設計溫度t=8010，可選擇Q235-B號鋼，查文獻1得在該溫度下的許用壓力t=

13、113MPa。1.2.2 釜體壁厚的確定釜體的計算厚度為： （1-2）式中 釜體的計算厚度，mm;Pc釜體的計算壓力，MPa; Di釜體的內徑，mm；焊接接頭系數； t許用應力，MPa。所以，釜體的計算厚度：mm預計釜體的名義厚度在6.07.0之間，則取負偏差C1=0.60mm，雙面腐蝕取C2=3mm。釜體的設計厚度d=+C2=2.75+3=5.75mm;釜體的名義厚度n=+C1+C2+=8mm;釜體的有效厚度e=+=4.4mm。故，釜體的壁厚為8mm。查文獻2得：釜體一米高的容積V1m=2.545m3;釜體一米高的內表面積Fi=5.66m2；釜體一米高筒節的質量G=356kg。1.3 釜體封

14、頭的設計1.3.1 釜體封頭厚度的計算 采用標準橢圓形封頭作為釜體的下封頭，如圖1-1所示。 圖1-1 橢圓形封頭示意圖 由于封頭為橢圓形封頭，所以，Di/2hi=2，查文獻2得橢圓形封頭形狀系數K=1.00，則封頭厚度S: （1-3）故, Smm 封頭設計厚度Sd=S+C2=2.67+3=5.67mm；封頭名義厚度Sn=S+C1+C2+=8mm。1.3.2 釜體封頭相關參數封頭的公稱直徑為1800mm，名義厚度為8mm，材質為Q235-B，根據橢圓形封頭標準（JB/T473795）2，得：曲邊高度h1=450mm；直邊高度h2=25mm；內表面積Fi=3.64m2；容積V封=0.826m3；

15、質量G封=232kg。1.4 筒體高度H的確定 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L按1-4式計算。 H= (V-V封)/V1m (1-4)式中 V封封頭容積，m3； V1m1米高筒體容積，m3/m。因此，筒體長度H=(6-0.826)/2.545=2.033m=2033mm，圓整得H=2050mm。按圓整后的筒體高度修正實際容積，則 V=V1mH+V封 (1-5)筒體實際容積V實=2.5452.050+0.826=6.043m3。1.5 外壓筒體壁厚及封頭壁厚的設計1.5.1 外壓筒體壁厚的計算夾套內介質的壓力為常壓，取設計外壓p=0.1 MPa。設筒體的壁厚n=1

16、0mm，取C1=0.8mm，則： 筒體的計算長度H1=H+h1/3+h2=2050+150+25=2225mm e=n-C=10-3-0.8=6.2mm；Do=Di+2n=1800+20=1820mm；Do/e=1820/6.2=294，（Do/e20）；H1/Do=2225/1820=1.22。在文獻1中的H1/Do坐標上找到1.22的值，由該點做水平線與對應的Do/e=294線相交，沿此點再做豎直線與橫坐標相交，交點的對應值為：A0.00025。再由文獻1中選取，在水平坐標中找到A0.00025點，由該點做豎直線與對應的材料溫度線相交，沿此點再做水平線與右方的縱坐標相交，得到系數的值為：B

17、34.8MPa、E=2.00105MPa。根據 = （1-6）式中 P許用外壓力，MPa； B 查表的系數，MPa； D0筒體的外徑，mm； e筒體的有效厚度，mm。由（1-6）得，故 p =0.118MPa 大于p=0.1MPa 且較為接近，所以假設n=10mm滿足筒體穩定性要求。1.5.2 外壓封頭壁厚的計算假設標準橢圓形封頭的n=10mm，p=0.1MPa。則，e=10-3.8=6.2mm，K1=0.90，Do=Di+2n=1800+20=1820mm，Do/e=1820/6.2=294。系數查文獻1得系數B=57.5 MPa，E=2.00105 MPa。所以，封頭的許用外壓力: MPa

18、故，p =0.196 MPa 大于p=0.1 MPa且較為接近，所以假設n=10mm滿足封頭穩定性要求。1.6 筒體液壓試驗及應力校核1.6.1 筒體液壓試驗水壓試驗的壓力： (1-7)式中 PT水中壓力，MPa； P設計壓力，MPa； 水中應力，MPa；t許用應力，MPa。查.0，則PT=1.250.11.0=0.125MPa。1.6.2 筒體應力校核 筒體的取設計厚度n=10mm，則有效厚度e=6.2mm，設計溫度下的材料的許用應力t=113 MPa。在壓力試驗前，應對試驗壓力下的筒體應力進行校核，即容器壁內所產生的最大應力不超過所用材料在試驗溫度上屈服極限的90%（液壓試驗）。應力校核：

19、 （1-7）式中T設計溫度下的計算應力，MPa。由（1-7）得， MPa0.9t=0.9113=101.7 MPa因T0.9t，所以液壓試驗足夠。2 反應釜夾套的設計2.1 夾套的公稱直徑和設計壓力的確定2.1.1 夾套公稱直徑的確定 夾套套內徑可根據釜體直徑關系確定，如表2-1： 表2-1 夾套直徑與筒體直徑的關系(單位：mm)Di500600700180020003000DjDi+50Di+100Di+200 由夾套的筒體內徑與釜體筒體內徑之間的關系可知： Dj= Di +100 =1800+100=1900 (mm) 考慮到Dj=1900mm不在表2-1取值范圍，故取DN=2000mm。

20、2.1.2 夾套PN的確定 由設備的設計條件可知，夾套內介質的工作壓力為常壓，取PN=0.1 MPa。2.2 夾套筒體的設計2.2.1夾套筒體壁厚的設計 夾套筒體壁厚： =4.64mm 圓整后得，1n=6mm。 剛度校核：碳素鋼的，筒體的壁厚取。2.2.2 夾套筒體長度H筒的初步設計由 H筒= （2-1）式中 H筒夾套的筒體長度，m; V 操作體積，m3; Vh內徑封頭體積，m3； V1 筒體每一米高的容積； 裝料系數。可取0.60.85；如反應時易起泡或呈沸騰狀態，應取低值，如0.60.7；反應狀態平穩，可取0.80.85（物料黏度較大時，可取最大值）。夾套筒體長度H筒： mm 圓整后得，H

21、筒=1600mm。2.3 夾套封頭的設備2.3.1 封頭的選型夾套的下封頭選標準橢球型，內徑與筒體相同（Dj2000mm）。代號EHA，標準JB/T47462002。夾套的上封頭選帶折邊錐形封頭，且半錐角。2.3.2 橢球形封頭壁厚的設計（強度和剛度）因為Pw為常壓，所以需要根據剛度條件設計封頭的最小壁厚。 因為 Dj2000mm3800mm，取2 Di /1000，且不小于3 mm 另加C2，所以 min3+3=6mm，圓整后n=6mm。對于碳鋼制造的筒體厚壁取n=6mm。2.3.3 橢球形封頭結構尺寸的確定 夾套封頭的尺寸見表2-2：表2-2 夾套封頭尺寸直邊高度h1曲面深度h2容積VjF

22、質量25mm500mm1.126m386.49kg 封頭的下部結構如圖2-1：圖 2-1 封頭的下部結構圖 由設備設計條件可知：下料口的50mm，封頭下部結構的主要結構尺寸146mm。2.3.4 帶折邊錐形封頭厚壁的設計考慮到封頭的大端與夾套筒體對焊，小端與釜體筒體角焊，因此取封頭的壁厚與夾套筒體的壁厚一致，即6mm。2.3.5封頭結構的設計（總體設計）表2-3 封頭結構的設計數據表公稱直徑DN/mm總深度H/mm內表面積A/m2容積V/m320002001.22460.3232.3.6 帶折邊錐形封頭厚壁的設計由于封頭過渡部分與錐體部分受力情況不同，分兩部分計算：過渡部分：=45；K=0.8

23、181；f=0.645；椎體大端過渡區圓弧半徑R=0.15Di，選型為CHB。 由公式 （2-2） 公式中 n 受力物體的厚度，mm； Pc計算壓力，MPa； K過渡區形變系數； 焊縫系數； f錐形形變系數； Di釜體直徑，mm； 許用應力，MPa； C 附加厚度，mm；mm 椎體部分：mm 考慮到與夾套筒體的焊接，故圓整=8mm。2.4 傳熱面積的校核DN=1800mm釜體下封頭的內表面積Fh = 3.6535 m2；DN=1800mm筒體（1m高）的內表面積= 5.655 m2；夾套包圍筒體的表面積：Fs =H筒= 5.6551.6=9.048 m2 Fh +Fs=3.6535+9.048

24、=12.70 m2 釜內進行的反應是吸熱反應，則需進行傳熱面積的校核，將Fh +Fs = 12.70m2，與工藝需要的傳熱面積進行比較。Fh +Fs F=11.57 m2，滿足要求。3 夾套的壓力試驗及應力校核3.1 水壓試驗壓力的確定 水壓試驗的壓力： （3-1）式中 PT 試驗壓力，MPa； P 設計壓力，MPa；試驗溫度下的材料的許用應力，MPa；設計溫度下的材料的許用應力，MPa。 當設計溫度小于200時，與t 接近，此項=1.0 。試驗壓力PT =1.250.11.0=0.125 MPa。3.2液壓試驗的應力校核由 （3-2）式中 Di釜體直徑，mm； e有效厚度，mm； PT水中壓

25、力，MPa； max最大應力，MPa。 得： MPa MPa由，故液壓強度足夠。3.3 水壓試驗的操作過程將容器充滿液體，待容器壁溫與液體溫度相同時緩慢升到0.1MPa，保持一點時間，一般不小于30min，然后將壓力降到規定實驗壓力的80%，并保持足夠的時間以對所有焊接和連接部位進行檢查，如有泄露，修補后重新試驗。4 反應釜附件的選型及尺寸設計4.1 釜體法蘭聯接結構的設計設計內容包括：法蘭的設計、密封面形式的選型、墊片設計、螺栓和螺母的設計。4.1.1 密封面形式的選型根據PN0.6MPa2.5 MPa、介質溫度小于100和介質的性質，由文獻3知密封面形式為光滑面。4.1.2 螺栓、螺母和墊

26、圈的尺寸規格及材料的選擇本設計選用六角頭螺栓（雙頭螺柱B級、GB90188）、型六角螺母（A級和B級、GB/T61712000），平墊圈（100HV、GB/T95-2002）。螺栓長度L的計算：螺栓3的長度由法蘭的厚度（）、墊片的厚度（）、螺母的厚度（H）、墊圈厚度（h）、螺栓伸出長(0.30.5d)確定。其中=80mm，=3mm，H=21.5mm，h=3.2mm，螺栓伸出長度取0.3d。螺栓的長度為： =201.01 mm取L200mm。螺柱標記：螺柱 M24200 GB 90188螺母標記：螺母 M24 GB/T61702000 墊圈標記：墊片 24-100HV GB/T952002 根據

27、乙型平焊法蘭、工作溫度t200r/min時，都應做臨界轉速校核。由于反應釜的攪拌軸轉速=50r/min，故不作臨界轉速校核計算。5.3 聯軸器的型式及尺寸的設計聯軸器的型式選用剛性凸緣聯軸器（C型2 ）由文獻2確定聯軸器的結構和尺寸如表5-1。表5-1 C型凸緣聯軸器的剛性及尺寸表標定符號軸徑MnmaxNm主要尺寸（mm）質量kgDL1L2LH1H2l1M d4l2bC60976170859820381683M84201820.05.4 直葉槳式攪拌器尺寸的設計查工具書2可知直葉槳式攪拌器的結構參數如下：DJ=(0.75-0.25)DN；b=(0.25-0.1)DJ；h=(1-0.2)DJ；Z

28、=2。直葉槳的直徑：DJ=0.5DN=900mm；槳底距槽底： h=0.8DJ=720mm；槳葉厚度： b=0.15DJ=135mm。6 傳動裝置的選型和尺寸計算 攪拌反應釜傳動裝置的設計包括：電動機、減速機和聯軸器的選用，以及機座和底座的選用及設計等內容。圖6-1 攪拌反應釜的傳動裝置1-電動機；2-減速機；3-聯軸器；4-機座；5-軸封裝置；6-底座；7-封頭；8-攪拌軸6.1 電動機的選用由于反應釜里的物料腐蝕情況微弱且沒有防爆要求，所以可選擇最常用的Y系列全封閉自扇冷式三相異步電動機。考慮到攪拌軸通過軸封裝置時由摩擦而損耗的功率等因素，攪拌反應釜所需電動機的功率可由下式（6-1）表示：

29、 （6-1）式中 p電動機功率，kw； Pe工藝要求的攪拌功率，kw； pm軸封摩擦損失功率，kw； 傳動系統的機械效率。6.2 減速機的選用反應釜用的立式減速機，主要類型有諧波減速機、擺線針輪行星減速機、二級齒輪減速機和V帶傳動減速機。根據電機的功率P=5kW、攪拌軸的轉速n=50 r/min，查文獻可選用BLD擺線針輪行星減速機，其型號尺寸從HG 5-745-78標準中查得BLD-50-29。6.3 機座的設計由于本反應介質體積為5m2且轉速只有50，所以反應釜傳來的軸向力并不大，故機座的類型確定為J-A型，又由于攪拌軸的軸徑為60mm，所以機座的標定符號位J-A-65，其基本尺寸如表（6

30、-1）：表6-1 J-A-65型機座尺寸減速機軸徑尺寸質量（kg）標定符號dD1D2D3HH1b1b2f1f2n1d1J-A-656540036032054026022225681851.56.4 軸封裝置反應釜中介質的泄漏會造成物料浪費并污染環境，且易燃、易爆、劇毒、腐蝕性介質的泄漏會危及人身和設備的安全。反應釜中使用的軸封裝置主要有填料軸封和機械密封兩種，而本設計介質的反應條件為常壓且溫度不高，故選用填料密封。由于本設計中的水乳膠涂料無毒、非易爆易燃且反應條件為常壓，所以可選用油侵石棉填料。總結通過本次課程設計，讓我們更加深刻的了解化工設備機械基礎的基礎知識以及反應釜的設計過程。在不同的地區，不同的溫度，不同的海拔高度，不同的反應溶液，反應釜的設計過程是不同的。經過這次的課程設計，讓我們深刻認識到，僅僅學習了課內的知識是不足以完成這次的課程設計的。在課程設計當中，遇到各種各樣的問題，要查找各種關于化工設備的資料。通過查閱學習資料以及學習手冊，一一突破越到