化工机械设备课程设计—反应釜

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1、化工设备机械基础大型作业题目：反应釜教学院：化学与材料工程专业：应用化工技术学号：19202122学生姓名：马耀溪 亢新荣 王中磊 王高飞指导教师： 夏贤友 胡燕辉2014 年6 月 15日大型作业任务书520132014学年第2学期学生姓名：亢新荣专业班级：应用化工技术专）2012指导教师： 夏贤友工作部门：化工教研室一、大型作业题目：反应釜二、大型作业内容（含技术指标）1 反应介质：25m3的水乳胶涂料；.容器内压:常压；.反应温度：8010C； 4.电机功率：10KW； 5.搅拌转速：50rpm。6.作业成果：计算书1份，设备图 1 张（ A2 图纸手工绘制 ）。三、进度安排1 6 月

2、9 日：分配任务；26月9日-6月12日：查询资料、初步设计；36月12日-6月20日：设计计算，完成报告。四、基本要求1设计方案：根据给定的条件合理选择设备的结构以及合适的材料，立式容 器或卧式容器的筒体和封头、钢板卷制焊接结构接头、钢板材料的型号及热处理 条件等；2设计计算：依据材料的性能，对选用设备的壁厚进行计算、稳定性进行校 核；3辅助设备的选型：包括典型辅助设备的主要尺寸计算及型号规格：人孔或 手孔设计、法兰的型号规格、接管开孔结构、视镜或液面镜以及容器的支座选型 等。教研室主任签名：2014年 6月 15日目录概 述 50.1 设计说明书主要内容 50.2 水乳胶 51 反应釜釜体

3、设计 61.1 釜体的 DN、PN 的确定 61.2 釜体筒体壁厚的设计71.3 釜体封头的设计71.4 筒体长度的设计 81.5 外压筒体壁厚的设计82 反应釜夹套的设计 92.1夹套的DN、PN的确定92.2 夹套筒体的设计102.3 夹套封头的设计103 反应釜釜体及夹套的压力试验123.1 釜体的水压试验123.2 夹套的液压试验124 反应釜附件的选型及尺寸设计134.1 釜体法兰联接结构的设计134.2工艺接管的设计135 搅拌轴及浆的设计155.1 搅拌轴直径的初步计算155.2 直叶桨式搅拌器尺寸的设计156 传动装置的选型和尺寸计算 166.1 电动机的选型166.2 减速机

4、的选型166.3 反应釜的轴封装置设计167 焊缝结构的设计 177.1 釜体上主要焊缝结构的设机177.2 夹套上的焊缝结构的设计188 设计评论 199 参考文献 19概述0.1 设计内容介绍及内容分析由设计条件单可知，设计的反应釜体积为V = V /n = 25/0.85 = 29.4m205=0.85)，圆整V=30m3；搅拌轴的转速为50r/min,电机功率10kW (%=0.9), 轴的功率为P=P0xni=O.5kW;搅拌桨的形式为推进式；装置上设有3个工艺接管、2 个视镜、4 个耳式支座、1 个温度计管口， 1 个人孔。0.2 水乳胶由于水性涂料不用有机溶剂，对人体无毒害，对环

5、境无污染，固而近年来发展 十分迅速。凡是用水作溶剂或者分散在水中的涂料部可称之为水性涂料。水性涂料 包括水溶性涂料和水胶乳涂料两种，采用乳液聚合工艺制备成合成树脂水胶乳，胶 粒径0.1-10仏在合成树脂水胶乳中，加入颜料、体质颜料、保护胶体、各种添加 剂后，经过研磨或 分散处理，即成为水乳胶涂料。目前，世界上使用较广的水胶乳涂料有聚醋酸乙烯水胶乳涂料、聚丙烯酸酯水 胶乳涂料、醇酸树脂水胶乳涂料和偏氯乙烯共聚树脂水胶乳涂料。水乳胶可用：丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、 而烯酸丁酯、丙烯酸 异丁酯、丙烯酸 2 乙基 己酯 2 一甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯，苯乙 烯、氯乙 烯和丙烯腈。以上这些单

6、律在使用时不少于一种 使用量最好为单体总量的 4-45%。在进行操作时可将水乳胶的密度近似于水的密度进行计算。1-1 )1-2)1 反应釜釜体设计1.1 釜体的 DN、PN 的确定111釜体DN的确定将釜体视为筒体，取 L/D=1.4,V=30m3。由V=(n/4) D 2L式中V操作体积，m3;D釜体的直径，m；L釜体的长度，m。,30 x 4L=1.4d，贝U D =5.2mm，圆整 D = 5000mm。1.4兀得釜体的 DN=5000mm。112釜体PN的确定由设计说明书知常压反应，所以釜体的设计压力= 0.2MPa。1.2 釜体筒体壁厚的设计121 设计参数的确定设计压力 P1：P/

7、 = 0.2MPa；液柱静压力 P1H：P 口=10人(-6)x1.8x14x10人3x10=0.0252MPa1H计算压力 P1c：P = P + P“=0.2+0.0252=0.2252MPa；1c 11H设计温度 t1：J v100C ；焊缝系数：=0.85许用应力b t:根据材料Q235-B、设计温度V100C，由文献店知b t = 113MPa ；钢板负偏差 C ：1C =0.6mm (GB6654-96)；1腐蚀裕量 C ：C = 2.0mm 。22122 筒体壁厚的设计pD由公式： =f于一i+ Cn 2kyJt 一 pc 式中： 受力物体的厚度， mm;nP计算的压力，kPa;

8、CD釜体的直径，m；焊缝系数：b t许用应力，MPaC 腐蚀裕量和偏差的和，mm。得：51n0.2252 x 50002 xll3 x 0.85 0.2252+ 0.6 + 2.0 = 8.4mm圆整5= 8mmln刚度校核：碳素钢的5 . 3mm min故筒体的壁厚取5 = 8mm。nl.3 釜体封头的设计1.3.1 封头的选型釜体的下封头选标准椭球型，代号EHA、标准JB/T47462002。1.3.2 封头的直边尺寸、体积及重量的确定根据DN = 5000 mm，由文献 根据JB/T47462002知：直边高度 h2：25mm容积 V：0.8270m3曲边高度 hl：450mm内表面积

9、A：l3.6535m2质量 m :225kgl.4 筒体长度的设计1.4.1筒体长度H 的设计l-3)V-V 筒体高度：H = 封i S式中H筒体高度，m;V 操作体积，m3;V 封封头体积， m3；S筒体截面积，m2。Hl=(30-0.827)/2.543=2.033m 圆整 Hl 至 2000mm。l.5 外压筒体壁厚的设计1.5.1设计外压的确定由设计条任务书可知，夹套内介质的压力为常压，取设计外压 p =0.101MPa 。1.5.2试差法设计筒体的壁厚设筒体的壁厚=12mm，贝V：有效厚度8 =6 -C = 12-3.8 = 8.2mmn e n筒体外径： N =1824mm，TI由

10、L = 1.17 D Do(1-5)croi 8e式中L 当量长度，mm；crD0筒体外直径，mm；3有效厚度，mm。e得：L = 3182mm。cr筒体的计算长度L = H + - h + h1 3 1 2L =2050+ 150 + 25 = 2225mmL = 3182mm L；该筒体为短圆筒。 cr圆筒的临界压力为：Pcr2.6E8 2(1-6)式中P 临界压力，kPa；crL筒体的计算长度，mm；Do筒体外径，mm；E设计温度下的弹性模量，MPa3 有效厚度， mm；em稳定系数。E=2.0x105MPa，cr= 0.5554MPa2.6 x 2.0 x 105 x 8.22m x

11、2225 x 1824 xY譬对于圆筒 m=3 ,P=0.5554/3=0.185MPa故P=1.01 3mm，筒体的壁厚取5 = 10mm。 minn2.2.2夹套筒体长度H筒的初步设计筒2-1)H筒=式中 H 夹套的筒体长度， m; 筒V 操作体积，m3;V 内径封头体积， m3； 封S 筒体截面积， m2。耳V - VhV10.8 x 6 一 0.827=1562mm2.543圆整后H筒=1600mm。2.3 夹套封头的设计2.3.1 封头的选型夹套的下封头选标准椭球型，内径与筒体相同(Dj = 5000mm)。代号EHA,标准JB/T47462002。夹套的上封头选带折边锥形封头，且半

12、锥角a = 45。02.3.2 椭球形封头壁厚的设计因为PW为常压v0.3MPa，所以需要根据刚度条件设计封头的最小壁厚。 W取=2 D. /1000且不小于3 mm另加c ,min i2所以 S . =3+3=6 (mm),圆整 =10mm。m.nn对于碳钢制造的封头壁厚取 =10mm。n2.3.3 椭球形封头结构尺寸的确定夹套封头的尺寸见图 2-1表 2-1 夹套封头的尺寸直边高度h曲面咼度h2容积VFF质量内表面积25 mm500mm1.126m386.49kg4.493m2封头的下部结构如图 2-1图 2-1 封头的下部结构图由设计条知：下料口的DN =50mm，封头下部结构的主要结构

13、尺寸D = 146mm。m.n2.3.4带折边锥形封头壁厚的设计 考虑到封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取封头的壁厚与夹套筒体的壁厚一致，即 =8mm。n2.3.5 封头结构的设计表 2-2 封头结构的设计数据表公称直径DN/mm总深H/mm内表面积A/m2容积V/m350002001.22460.3232.3.6 带折边锥形封头壁厚的设计由于封头过渡部分与锥体部分受力情况不同，分两部分计算 过渡部分：Q 二 45o, K=0.8181 , f=0.645 , R 二 0.15D，选型为 CHB,1i由式（1-2）：KP Dci + Cp-0.5Pc式中 8 受力物体的厚度，

14、 mm； nP计算的压力，KPa；cK过渡区形状系数；单焊缝系数；f椎体形状系数；D.釜体的直径，m；i0 t许用应力，MPaC腐蚀裕量，mm。0.8181 x 0.25 x 2000+ 2 = 6.02mm2-2)锥体部分：_fPD_2口 p - 0.5 Pc0.645 x 0.25 x 20002 x 113 x 0.6 - 0.5 x 0.25+ 2 = 5.38mm2 x 113 x 0.6 - 0.5 x 0.25考虑到与夹套筒体的焊接，故圆整8 = 6mm。 n3 反应釜釜体及夹套的压力试验3.1 釜体的水压试验3.1.1 水压试验压力的确定水压试验的压力：p = 1.25 p(3

15、-1)tQt式中PT水中压力，MPa；P 设计压力， MPa；水中应力，MPa；冲许用应力，MPa。查苗二 1.0，p 二 1.25 x 0.2 x 1.0 二 0.25M P a3.1.2水压试验的操作过程操作过程：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0.25MPa,保压不低于30min，然后将压力缓慢降至0.2MPa, 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。水压试验合格后再做气压试验。3.2 夹套的液压试验3.2.1液压

16、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0.3125MPa,保压不低于30min,然后将压力缓慢降至0.3MPa,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。4 反应釜附件的选型及尺寸设计4.1 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。4.1.1密封面形式的选型根据PN =0.6MPaV1.6MPa、介质温度vlOOC和介质的性质，由文献知密封面 形式为光滑面。4

17、.1.2螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格及材料的选择本设计选用六角头螺栓（双头螺柱B级、GB90188）、1型六角螺母（A级 和 B 级、 GB/T61712000）。平垫圈（100HV、GB/T95-2002）。螺栓长度 L 的计算：螺栓4 的长度由法兰的厚度（刃、垫片的厚度（S）、螺母的厚度（H）、垫 圈厚度（h）、螺栓伸出长（0.30.5d）确定。其中 5=80mm、S=3mm、H=21.5mm、h=3.2mm、螺栓伸出长度取0.3d=0.3x33.7。螺栓的长度为：L = 2 + S + H + 2h + 0.3=2 x 80 + 3 + 21.5 + 2 x 3.2 + 0.3 x 33.

18、7=201.01 mm取 L=200mm螺柱标记：螺柱M24x200GB 90188螺母标记：螺母M24GB/T61702000垫圈标记：垫片24-100HVGB/T952002根据乙型平焊法兰、工作温度t C3 = 112 x f 0.5 = 50.2mmn50开一个键槽，轴径扩大 5%，d=50.2x1.05=52.7mm搅拌轴的直径应同时满足强度和刚度两个条件故取两者中的较大值，圆整后得 d=52mm, 考虑到直叶桨式搅拌器的尺寸选择，可将轴端直径圆整至 60mm。5.1.2 搅拌抽临界转速校核计算由文献6知，搅拌轴的转速 n200r/min 时，都应做临界转速校核。由于反应釜的搅拌轴转

19、速n =50 r /min，故不作临界转速校核计算。5.2 直叶桨式搅拌器尺寸的设计由于搅拌轴转速n =50 r /min，选择直叶桨式搅拌器。查工具书1,6可知直叶桨式搅拌器的结构参数如下：DJ=(0.25-0.75)DN ,b=(.01-0.25)DJ,h=(0.2-1)DJ,Z=2直叶桨的直径：DJ=0.5DN=900mm桨底距槽底：h=0.8DJ=720mm桨叶厚度：b=0.15DJ=135mm6 传动装置的选型和尺寸计算6.1 电动机的选型由于反应釜里的物料腐蚀情况微弱且没有防爆要求，所以可选择最常用的 Y 系列全封闭自扇冷式三相异步电动机。电机功率必须满足搅拌器运转功率与传动系统、

20、轴封系统功率损失的要求，还 要考虑到有时在搅拌操作中会出现不利条件造成功率过大。6.2 减速机的选型反应釜用的立式减速机，主要类型有谐波减速机、摆线针轮行星减速机、二级 齿轮减速机和 V 带传动减速机。根据电机的功率P=10kW、搅拌轴的转速n=50 r/min,查文献可选用BLD行星减速机，其型号尺寸从 HG 574578 标准中查得 BLD5029。6.3 反应釜的轴封装置设计轴封是搅拌设备的一个重要组成部分,其任务是保证搅拌设备内处于一定的正 压和真空状态及防止反应物料逸出和杂质的渗入。鉴于搅拌设备以立式容器中心顶 插式搅拌为主,很少满釜操作,轴封的对象主要为气体；而且搅拌设备由于工况复

21、 杂,轴的偏摆振动大,运转稳定性差等特点,故不是所有形式的轴封都能用于搅拌 设备上。反应釜搅拌处的轴封,属于动密封,常用的轴封结构主要有两大类,填料箱密 封和机械密封。填料密封式搅拌设备最早采用的一种轴封结构,它的基本结构是由填料、填料 箱、压盖、压紧螺栓及油杯等组成。特点是结构简单、易于制造,在搅拌设备上曾 得到广泛应用。一般用于常压、低压、低转速及允许定期维护的搅拌设备。机械密封是一种功耗小、泄漏率低,密封性能可靠,使用寿命长的转轴密封。 主要用于腐蚀、易燃、易爆、剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。由设计任务书知,釜内介质的腐蚀性微弱,釜内压力较低,所以可以选择应用 广泛的填

22、料密封。7 焊缝结构的设计7.1 釜体上主要焊缝结构的设计 釜体的主要焊接结构图如下图 7-1 图 7-2 图 7-3 图 7-4 图 7-5 图 7-645Q图 7-1 筒体的纵向焊缝图 7-2 筒体与下封头的环向焊缝7-3 固体物料进口与封头的焊缝图 7-4 进料管与封头的焊缝图 7-5 温度计接管与封头的焊缝图 7-6 出料口接管与封头的焊缝7.2 夹套上的焊缝结构的设计 焊缝结构如下图 7-7 图 7-8 图 7-8 图 7-9 图 7-10 图 7-11图 7-7 夹套的纵向焊缝6图7-8夹套与封头的横向焊缝图 7-9 进水口接管与筒体的焊缝图 7-10 出水口接管与筒体的焊缝十6#

23、图7-1L釜体与夹套的焊缝8 设计评论经过两周的时间，终于完成了课程设计，有那么一点点心得。为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备设计计算。本设计包括塔板结构 和附属设备的结构计算。工程设计表达能力。工程设计完成后，往往要交付他人实 施或与他人交流。在工程设计和完成过程中，都必须将设计理念、理想、设计过程 和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。本大型作业中，我作为组长，主要把任务分配给大家，组织大家一起讨论，负 责把大家计算的结果统计检查，并打在 WPS 上面，在其中我们遇到了种种超自己 所学的知识能够解决的问题，但是我们通过不断的查找细料，翻阅相关的工具书， 最终将困难一一击破。同样团队

24、的协作也是很重要的，我们的团队合理分工，各司 其职，同时又相互帮助，最终完成了本次课程设计。我们学会了把平时所学的理论知识运用到实践上面，使得我们体会到了理论知 识对实践工作的重要指导意义，也让我们深刻的明白了学无止境，我们懂得了在校 大学生必须经历的一个过程，为我们即将毕业设计打下坚实的基础。9 参考文献1 贺匡国化工容器及设备简明设计手册 M . 第 2 版北京：化学工业出版 社,2002.042 靳士兰.化工制图M.北京：国防工业出版社,2008.93 俞建良.化工设备机械基础M.大连：大连理工大学出版社,2009.74 曹 岩.化工标准法兰手册与三维图库M.北京：化学工业出版社,2010.5丁伯民，黄正林化工容器M.北京：化学工业出版社,2002.12 董大勤.化工设备机械基础M.北京：化学工业出版社,2002.12