夹套反应釜设计

夹套反应釜设计计算说明书

一、罐体和夹套设计计算

罐体几何尺寸计算

选择筒体和封头的形式 选择圆柱筒体及椭圆形封头。 确定筒体内径

已知设备容积要求，按式（4-1）初选筒体内径：

D134Vi罐体结构示意图

式中，V=，根据【2】38页表4-2，常反应物料为液-液类型， i=H1/D1=1～，取 i=，代入上式，计算得

D134V340.95==1.032i3.141.1

将D1的估算值圆整到公称直径系列，取D1=1100mm， 确定封头尺寸

标准椭圆形封头尺寸查附表4-2，DN=1100mm，选取直边高度h2=25mm。 确定筒体高度

当D1=1100mm, h2=25mm时，由【2】附表D-2查得椭圆形封头的容积V封= m3，由附表D-1查得筒体1m高的容积V1m = m3，按式（4-2）:

H1=(V-V封)/V1m =（）/=

考虑到安装的方便，取H1=，则实际容积为

V= V1m×H1+ V封=×+= m3

夹套几何尺寸计算

选择夹套结构

选择【2】39页图4-4 (b)所示结构。 确定夹套直径

查【2】表4-3, D2= D1+100=1100+100=1200mm。套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径。

确定夹套高度

装料系数η=操作容积/全容积== 按式4-4计算夹套高度： H2≥(ηV- V封)/ V1m=× m

取H2=750mm。选取直边高度h2=25mm。 校核传热面积

查【2】附表D-2，由D1=1100mm，得罐体封头表面积F1封= m2 查【2】附表D-1，一米高筒体内表面积F1m= m2 校核传热面积：

实际总传热面积F=F筒+ F1封=F1m×H2 +F1封=×+= m2> m2，可用。

罐体及夹套的强度计算 确定计算压力

按工艺条件，罐体内设计压力P1=；夹套内设计压力P2= 液体静压力P1H=ρgH2×10-6=1000×××10-6=，取P1H= 计算压力P1c=P1+P1H=+=

夹套无液体静压，忽略P2H，故P2c=P2。 选择设备材料

分析工艺要求和腐蚀因素，决定选用Q235-A热轧钢板，其中100℃-150℃下的许用应力为：[ó]t=113Mpa。

罐体筒体及封头壁厚计算 罐体筒体壁厚的设计厚度为

dpcDi2p ctC2采用双面焊缝，进行局部无损探伤检查，按教材表10-9，取焊缝系数φ=，C2=2mm，则

d1=p1cD12p1ctC20.19110021.0923.0921130.850.19

n

查教材表10-10，取钢板负偏差C1=，则δd1+C1=，考虑到最小厚度

mim为3mm，取名义厚度δ=5mm

‘d1=罐体封头壁厚的设计厚度为

P1cD120.5P1ct0.19110021.0923.0921130.850.50.19

查教材表10-10，取钢板负偏差C1=，则δd1’+C1=，考虑到最小厚度

夹套筒体及封头壁厚计算 夹套筒体壁厚的设计厚度为

mim为3mm，取名义厚度δ’=5mm

n

dpcDi2pctC2采用双面焊缝，进行局部无损探伤检查，按【1】161页表10-9，取焊缝系数φ=（夹套封头用钢板拼焊），C2=2mm，则

d2=p2cD22p2ctC20.25120021.5623.56mm21130.850.25

查【1】161页表10-10，取钢板负偏差C1=，则δd1+C1=，考虑到最小厚度δn=5mm

夹套封头壁厚的设计厚度为

mim为3mm，取名义厚度

‘d2=

P2cD220.5P2ct0.25120021.5623.5621130.850.50.25

查【1】161页表10-10，取钢板负偏差C1=，则δd1+C1=，考虑到最小厚度 为照顾到筒体和封头焊接和取材的方便取δ封夹=δ夹=6mm。

釜体的筒体壁厚δ筒 按承受的内压设计

mim为3mm，

取名义厚度δ=5mm

n

筒

PD12PtC

式中，设计压力P=；筒体内径D1=1100mm；许用应力[ó]=113Mpa(同夹套材料)；焊缝同夹套，故φ=，壁厚附加量C=C1+C2+C3=+2+0=；上述各值代入上式：

筒 按承受的外压设计

设罐体筒体的名义厚度δ1n=5mm 厚度附加量C=C1+C2+C3=+2+0= 罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C==

PD12PtC3.59

罐体筒体外径D10=D1+2δ1n=1100+2ⅹ5=1110mm 筒体计算长度L=H2+1/3h1=750+1/3(300-25)=842mm 系数L/D0=842/1110= 系数D0/δe=1110/=444

由【1】168页图10-15，查得 ：系数 A=；由【1】170页图10-17，查得：系数 B=27 则许用外压[P]=Bδe/D=（27ⅹ）/1110=<3Mpa 因此壁厚5mm不能满足外压稳定要求，需增大壁厚重新计算。现重新假设δ1n=8mm

厚度附加量C=C1+C2+C3=+2+0= 罐体筒体有效厚度δ1e=δ1n-C==

罐体筒体外径D10=D1+2δ1n=1100+2ⅹ8=1116mm 筒体计算长度L=H2+1/3h1=750+1/3(300-25)=842mm 系数L/D0=842/1116= 系数D0/δe=1116/=215

由参考资料图9-7，查得 ：系数 A=，系数 B=81 则许用外压[P]=Bδe/D=81ⅹ1116=>故δe=满足外压稳定性要求,其圆整到标准钢板厚度规格取δe=8mm. 釜体的封头壁厚计算 按内压计算δ封:

封PD120.5PtC

式中,P=,D1=1100mm, φ=, [ó]=113Mpa, C=C1+C2+C3=+2+0=,代入上式:

封PD120.5PtC3.59

考虑到封头与筒体的焊接方便取封头与筒体等壁厚δ封=8mm. 按外压校核δ封,采用图算法:

封头有效壁厚δ0=δ- C==

椭圆封头的计算当量半径Rv=K1D0,由设计规定或查资料知K1=,故Rv=ⅹ1116=1005mm; 系数A=ⅹδ0/Rv=ⅹ1005=,由【1】170页图10-17，查得B=84,则许用外压[P]: [P]=B(δ0/Rv)=84ⅹ1116)=大于水压实验时的压力,故用δ封=8mm,外压稳定安全. 水压实验校核

确定实验水压Pr,根据设计规定知: 釜体水压取

P1T1.25P1夹套水压取

=1.250.18113=0.23t113

P2T1.25P2 内压实验时:

釜体筒壁内压应力

=1.250.25113=0.32t113

1T 夹套筒壁内压应力

0.2311005.2P1T(D1e)24.4MPa2e25.2

2T釜体封头壁内应力

P2T(D1e)0.3212003.456.6MPa2e23.4

1T封=p1TK1D12n2e=0.230.91100280.55.2=22.2PMa2e25.2

夹套封头壁内应力

P2TK1D22n0.5e0.320.91200260.53.451.4MPa2T封2e23.4

因Q235-A常温σ=235Mpa,看出σr,σr夹,σr夹,σr封夹都小于φσs=,故水压实验安全.

外压水压实验 釜体筒体外压校核:

δ0=δ- C==,L/D0=842/1110= D0/δe=1110/=215

由【1】168页图10-15查得A=,由【1】170页10-17查得B=81, 故许用外压[P]=BS0/D0=81ⅹ1116=>水压压力Pr=,故在外压水压实验时应可以不在釜体内充压,以防釜体筒体失稳.

釜体底封头外压校核 因其允许外压[P]=>外压Pr=,故安全.

表1-1 釜体夹套厚度计算结果

筒 体 封 头 釜 体 8 mm 8 mm 夹 套 6 mm 6 mm

二、进行搅拌传动系统设计

.进行传动系统方案设计和作带传动设计计算

此搅拌釜采用V带推进搅拌器，选用库存电机Y160M2-8，转速n1=720r/min,功率,搅拌轴转速n2=200r/min,轴功率，设计V带。

表2-1 V型带的型号选择与计算

步 骤 1 2 3 4 5 设计项目 传动的额定功率P 小皮带轮转速n1 大皮带轮转速n2 工况系数KA 设计功率Pd 单 位 KW r/min r/min KW 公式及数据 720 200 Pd=KAⅹP=ⅹ=

取Pd= 6 选V带型号 根据Pd和n1选取B型带 7 8 9 速比i 小皮带轮计算直径d1 验算带速V mm m/s i=n1/n2=720/200= 140 V=лd1n1/60ⅹ1000= 10 11 大皮带轮计算直径d2 初定中心距a0 mm mm d2=id1(1-ε)=500 (d1+d2)120° 16 17 单根V带额定功率P1 i≠1时，单根V带额 定功率增量Δp1 18 19 20 包角修正系数Ka 带长修正系数KL V带根数Z Z=Pd/{( P1+Δp1)ⅹKaKL} ={+ⅹ}=取Z=5

搅拌轴的设计

KW KW 由于搅拌轴的长度较大，考虑加工的方便，将搅拌轴设计成两部分

进行上轴的结构设计及强度校核

上轴材料选用常用材料45钢，结构如图4-17.由于上轴只要受转矩，故按转矩初估最小轴径，轴上开有一个键槽，轴径扩大并圆整后，取最小轴径为40mm。

表2-2 上轴的计算

步骤 1 2 3 4 项目及代号 轴功率P，Kw 轴转数n,r/min 轴材料 轴所传递的转矩T=9550P/n，N`m 5 7 8 9 10

搅拌轴直径的设计

取用材料为45钢 ， []＝40MPa，剪切弹性模量G＝×104MPa，许用单位扭转角[]＝1°/m。

材料许用扭转切应力[t],N/mm2 35 轴端直径d>=365（P/n[t]）1/3 32 参数及结果 200 45 开一个键槽，轴径扩大5%，mm 圆整轴端直径d，mm 长度l，mm 40 530 P4.7M=9550=9550=224.4Nmn200

利用截面法得：

由maxMTmax M

MT3.0P6[] 得：W9.553106=9.55310

8540Wn[]W0.2d3=9550103Pn=95501034.720040搅拌轴为实心轴，则： d ≥ 取d＝40mm 搅拌轴刚度的校核

=

由maxMTmax180103得： GJ224.4103180=103=0.620/m448.1100.140

因为最大单位扭转角搅拌轴长度的设计

搅拌轴的长度L近似由釜外长度L1、釜内未浸入液体的长度L2、浸入液体的长度L3 三部分构成。即：L=L1+L3+L2

其中L1=H+M+F-A（H-凸缘法兰的高度；M-安装底盖的高度；F-机架高度；A-机架H1）

max＝

o/m＜[] ＝1o/m。 所以圆轴的刚度足够。

L1=40+50+550-372=268（mm）

L2=HT+HFHi（HT—釜体筒体的长度；HF—封头深度；Hi液体的装填高度）

液体装填高度Hi的确定： 釜体筒体的装填高度H1VcVF

4D2i式中Vc—操作容积（m3）；VF—釜体封头容积（m3）；Di—筒体的内径（m）

H10.91050.198041.12=0.75m

液体的总装填高度Hi=H1h1h2=750+25+275

=1050（mm）

L2=900+2x（25+275）+2x40-1050 =530（mm） （40-甲型平焊法兰高度）

浸入液体搅拌轴的长度L3的确定：

搅拌桨的搅拌效果和搅拌效率与其在釜体的位置和液柱高度有关。搅拌桨浸入液体内的最佳深度为：

S22DiHi（见文献[4]215） 33 当DiHi时为最佳装填高度；当Di＜Hi时，需要设置两层搅拌桨。 由于Hi=1050mm＜Di=1100mm，本设计选用一个搅拌桨。

搅拌桨浸入液体内的最佳深度为：S=2Hi/3=2x1050/3=700（mm）

故浸入液体的长度：L3=700（mm）

搅拌轴搅拌轴的长度L为：L=268+530+700=1498（mm） 取L=1500（mm） 搅拌抽临界转速校核计算

由于反应釜的搅拌轴转速n=200r/min不大于200r/min，故不作临界转速校核计算。

联轴器的型式及尺寸的设计

由联轴器的型式选用凸缘联轴节。标记为：GYH5 GB/T5843-2003，结构如图2-1。

图2-1 联轴器

轴承的型式及尺寸的设计

根据搅拌轴的大小，选择带轮和联轴器的连接选用平键12x8x40；轴承选用7210C，90x50x20；

拌桨尺寸的设计

框式搅拌桨的结构如图2-2所示。由【2】44页表表4-5，零件明细表见表2-3。

图2-2框式搅拌桨的结构

1-桨叶；2-横梁；3-筋板；4-连接螺栓；5-螺母；6-穿轴螺栓；7-螺母

表2-3 框式搅拌桨的尺寸（HG/T2123—91） 螺栓 螺钉 数量 δ Dj d a d1 40 M12 数量 d3 M12 d4 1 16 600 B 2 h1 h2 c 140 e 3 m 110 f 45 f1 - 重量 P/n 不大于 60

反应釜的轴封装置设计 反应釜的轴封装置的选型

反应釜中应用的轴封结构主要有两大类，填料箱密封和机械密封。考虑到釜内的物料具有易燃性和一定的腐蚀性，因此选用填料密封。根据pW＝MPa、t＝120℃、n=200r/min、d=40mm。选用R40 HG 21537-1992其结构如图2-3、主要尺寸如表2-4所示。

轴封装置的结构及尺寸

图2-3 填料密封结构

表2-4 填料密封的主要尺寸（mm）

轴径d

D1

175

D2

145

D3

110

H

315

n

8-18

螺柱 4xM16

40

三．机架的设计

由于反应釜传来的轴向力不大，减速机输出轴使用了带短节的凸缘联轴器，且反应釜使用不带内置轴承的机填料密封，故选用DJ型单支点机架（HG21566—95）。参考【2150页表E-8选代号为DJ55机架。结构如图3-1所示。

图3-1 DJ型单支点机架

四.选择接管、管法兰、设备法兰及其他构件

法兰及其他构件 管法兰

蒸汽入口A、温度计接口D、压缩空气入口、冷却水出口G采用ф32ⅹ无缝钢管，法兰PL25（B）-10，HG20592；

加料口B采用ф76ⅹ6无缝钢管，法兰PL65（B）-10，HG20592； 视镜采用108无缝钢管

放料口采用ф45ⅹ无缝钢管，法兰PL40（B）-10，HG20592-97； 甲型平焊法兰 法兰-FM ；法兰-M 凸缘法兰 法兰 R300 16Mn

防冲板50x50x10材料Q235-A；挡板800x80x12材料Q235-A

法兰垫片选耐酸石棉板，ò=2mm。

视镜的选型

由于釜内介质压力较低（pW＝MPa）且考虑DN=1100，本设计选用两个DN=100的带颈视镜。其结构见图4-1。

由文献【5】 4-159页表4-5-7确定视镜的规定标记、标准图号、视镜的尺寸及材料。 标 记：视镜ⅡPN，DN100 标准图号：HG21575-11994。

图4-1 视镜的结构型式 表4-1 视镜的尺寸

视镜玻璃

DN

dnS

D

180

D1

150

b1 b2 h

28

28

50

双头螺柱

dH

133

H1

数量 170

8

直径×长度 4×133

100

表4-2 视镜的材料

件号 1 名称 视镜玻璃 2 3

衬 垫 接 缘 2 1 石棉橡胶板 1Cr18Ni9Ti 5 6 双头螺柱 螺母 8 16 Q235-A Q235-A 数量 1 材料 硼硅玻璃(SJ-6) 件号 4 名称 压紧环 数量 1 材料 Q235-A 五.选择安装底盖结构

对于不锈钢设备，本设计选择DN300 HG21565-1995，其上部与机架的输出端接口和轴封装置采用可

拆相联，下部伸入釜内。

六、选择支座形式并进行计算

确定耳式支座实际承受载荷Q Q=[m0g+Ge/kn+Geⅹδe/nφ] ⅹ10

m0为设备总质量(包括客体及其附件,内部介质及保温的质量)Q1为釜体和夹套筒体总重载荷，查附表4-1，有：

Dg=1100mm, δ=8mm 的1米高筒节的质量q1=219kg, Dg=1200mm, δ=6mm 的1米高筒节的质量q2=178kg, 故Q1=H1q1+H2q2=+=，

Q2为釜体和夹套封头重载荷，查【1】312页附续表 Dg=1100mm, δ=8mm 的封头的质量，Dg=1200mm, δ=6mm 的封头的质量,

Q2=ⅹ2+=257kg.

Q3为料液重载荷，按水压试验时充满水计，r=1000kg/m3,现以夹套尺寸估计。由【1】312页附续表，

有：Dg=1100mm的封头容积V封=常1米筒节的容积V1米= m常

故Q3=Vr=(2V封+=（+ⅹ）ⅹ1000=。 Q4为其它附件重量。

m=+257++=

确定支座的型号及数量

初定支座的型号及数量并算出安装尺寸D

容器总重量约，选B3型支座本体允许载荷Q=30KN四个。

D=Di+2n+2e22b22l2s1=1200262882220550=1537.97mm

确定水平力P

因为容器置于室内，不考虑风载，所以只计算水平地震力Pe，根据抗震8度取а0=，于是Pe =ⅹⅹⅹ=(h取180mm)

mgGe4PhGeSe2255.99.841768.618033Q=0101013.73KNnD21537.97kn20.83则：

M=Q(l2-s1)=（）=\"m 当δe==,DN=1200mm,筒体内压P=,材料Q235-A采用B3型耳式支座时，[M]=4KN\"m> KN\"m,所以容器选用B3型耳式支座是没问题的。

七.焊缝结构的设计

釜体上主要焊缝结构的设计

(a)筒体的纵向焊缝 （b）筒体与下封头的环向焊缝

（c）固体物料进口与封头的焊缝 （d）进料管与封头的焊缝

（e）冷却器接管与封头的焊缝 （f）温度计接管与封头的焊缝

（h）出料口接管与封头的焊缝

图7-1 釜体主要焊缝的结构及尺寸

夹套上的焊缝结构的设计

夹套上的焊缝结构及尺寸如图7-2。

（a）夹套的纵向焊缝 （c）导热油进口接管与筒体的焊缝

（f）釜体与夹套的焊缝

（b）夹套与封头的横向焊缝

e）导热油出口接管与筒体的焊缝

（

图7-2 夹套主要焊缝的结构及尺寸

八、手孔选择与补强校核

手孔选择带颈平焊法兰手孔，其公称直径DN=150mm,S=. 开孔补强校核：

由文献表14-24知此手孔超出不另行补强的最大孔径范围，故必须进行补强计算： 开孔直径d=150+2ⅹ=159mm

开孔削弱面积F=dS0=DPK1Di/2[ó]φ=(159ⅹⅹⅹ1100)/2ⅹ113ⅹ=

有效补强区尺寸：h1=√d(S-c)= √[159在有效补强区内，可作为补强金属截面面积计算： A=（B-d）φ[(δn-c)-s6]=(318-159) ⅹ []=

因为A1>F故另需加补强圈进行补强，补强的截面面积为A2=确定补强圈的外径及厚度： 补强圈的外径：B=2d=2ⅹ159=318 mm

补强圈的厚度: δ=(F-A1)/{B-[d+2(S-C)]}=[159-2考虑其腐蚀裕量为2mm，故加强圈的厚度为3mm可以满足。

小结

在为期一周的设计里（6月13号开始到6月19号结束），我对机械设计有了初步的认识，它并不是简单的画图。

课程设计不同于书本理论知识的学习，有些问题是实际过程中的，无法用理论知识得到答案，因此不免过程中有很多困难，但通过与同学的交流和探讨，查阅文献资料，查阅互联网以及在张老师的指导帮助下，问题都得到很好的解决。这让我深深意识到自己知识体系的浅薄，但同时也深刻体会到同学间的团结互助的精神。

通过此次课程设计，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，同时我也意识到自己应该把所学到的知识应用到设计中来。同时在设计中同学之间的相互帮助，相互交流，认识的进一步加深，对设计中遇到的问题进行讨论，使彼此的设计更加完善，对设计的认识更加深刻。

由于首次做设计，过程中难免疏忽与错误，感谢有关老师同学能及时给予指出。

参考文献

[1]陈国恒主编，《化工机械基础》。北京： 化学工业出版社2006

[2]蔡继宁主编，《化工设备机械基础课程设计指导书》。化学工业出版社2011 [3]赵军等主编，《化工设备机械基础》 。北京：化学工业出版社。 [4]周开勤主编，《机械零件设计手册》第五版。北京：高等教育出版社2011. [5]哈工大龚桂义主编，《机械设计课程设计图册》。 北京：高等教育出版社19. [6] 朱家诚主编，《机械设计基础》。合肥工业大学出版社2003. [7]HG/T20569-94《机械搅拌设备》。