1、淮北師范大學2014屆學士學位論文2反應釜的設計學院、專業化學與材料科學學院、化學工程與工藝研 究 方 向 化工設備設計 學 生 姓 名 夭榮成 學 號 指導教師姓名 彭本軍 指導教師職稱 講 師 2014 年 4 月 15 日2反應釜的設計摘要：反應釜是化工生產中常見的典型設備，一臺反應釜大致是由：釜體部分、傳熱和攪拌、傳動及密封等裝置組成。釜體部分有包容物料反應的空間，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，本次設計為夾套傳熱裝置結構。攪拌裝置由攪拌器及攪拌軸所組成，根據生產需要可以安裝二層漿式攪拌器。反應釜上的密封裝置有兩種類型：靜密封是指管法蘭、設備法蘭等處的密封；動密

2、封是指轉軸出口處的機械密封或填料密封等。反應釜上還根據工藝要求配有各種接管口、人孔、手孔、視鏡及支座等部件。關鍵詞：反應釜；化工生產；設備；機械密封；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 反應釜的釜體設計61.2.1筒體的直徑與高度71.2.2 夾套的結構71.2.3厚度的確定81.3

6、 工藝管口91.3.1 進料管口91.3.2 出料管口92.1 反應釜釜體的設計過程92.2 反應釜的攪拌裝置132.3 反應釜的傳動設備132.3.1電動機的選用132.3.2減速機的選用132.3.3 機架和聯軸器的選用142.3.4 安裝底蓋的選用142.3.5 凸緣法蘭的選用143.1 反應釜軸封裝置的選用143.2反應釜附件的選用154 總裝配圖16參考文獻18致謝181.引言反應釜機械設計1是在工藝要求確定之后進行的。反應釜的工藝要求通常包括反應釜的容積、最大工作壓力、工作溫度工作介質及腐蝕情況、傳熱面積、攪拌形式、轉速及功率、裝配哪些接管口等幾項內容。這些要求一般以表格形式反映在

7、工藝人員提出的設備要求單中。1.1 設備設計要求單設備名稱2m3反應釜技術特性指標 簡 圖壓力 釜內 0.2MPa 夾套內 0.3MPa溫度 釜內 低于120 夾套內 低于120介質 夾套內 冷卻水、蒸汽 腐蝕情況 微弱傳熱面積 夾套 7m2 攪拌方式 漿式 轉速 85r/min 功率 5kW 操作容積 1.6m3 設備容積 2m3 建議采用材料 A3 管 口 表編號 名稱 管徑Dg/mm a 冷鹽水出口 30 b 氨水出口 30 c 人 孔 400 d 溫度計管口 40 e 濃硫酸進口 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 冷鹽水進口 3

8、01.2 反應釜的釜體設計反應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，橢圓形應用最廣泛。釜體結構與傳熱形式有關，最常見的是夾套式壁外傳熱結構，如圖所示；也有釜體內部安設蛇管的傳熱結構，如圖所示；必要時也可將夾套蛇管聯合使用。釜體上按工藝要求還需安裝各種接管口。因此反應釜釜體的設計要確定如下內容：釜體的結構型式和各部分尺寸，傳熱形式和結構，工藝管口的安設等。1.2.1筒體的直徑與高度筒體的基本尺寸是內徑D1和高度H。筒體的基本尺寸首先決定于工藝要求。對于帶攪拌器的反應釜來說，設備容積V為主要決定參數，根據化工原理知識，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，反應釜的直徑太大是不適宜的。又如某些有特定要求的反應釜如發酵罐之類，為了使通入罐中的空氣能與發酵液充分接觸，需要一定的液位高度，故筒體的高度不宜太矮。根據實踐經驗，幾種反應釜的H/D1值大致如表所示。 表1幾種反應釜的H/DiTable1 Several reaction kettle of H/Di種 類 釜 內 物 質 類 型 H/D1一般反應釜 液-固相或液-液相物料汽-液相物料 11.3121.72.5發酵罐類在確定反應釜直接及高度時，還應根據反應釜操作時所允許的裝滿程度裝料系數等給予綜合考慮，通常裝料系數可取0.60.85。如反應

10、時易起泡沫或呈沸騰狀態，應取低值，如取0.60.7；反應狀態平穩，可取0.80.85（物料粘度較大時，可取最大值）。因此設備容積V與操作容積V0應有如下關系：V0=V。在生產中要合理選擇裝料系數，以盡量提高設備利用率。1.2.2 夾套的結構夾套傳熱結構簡單，基本上不需要進行檢修。但有襯里的反應釜或釜壁采用導熱性不良的材料(如塑料、木材)制造時，因傳熱效果差，不宜采用夾套傳熱。采用夾套傳熱2時，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計要求及反應釜具體結構的不同而選擇，一般僅圓筒和下封頭部分有夾套應用最為廣泛，下面主要介紹如下：這種夾套結構的應用壓力為0.6MPa（3

11、50時）和1MPa（300時）。夾套頂端的密封結構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。當夾套中用蒸汽作為載體熱體3時，一般從上端進入夾套，凝液從夾套底部排出；如用液體作為冷卻液時則相反，采用下端進、上端出，以使夾套中經常充滿液體，充分利用傳熱面，加強傳熱效果。夾套內徑Dj可根據釜體直徑按表中推薦的數值選取。表2夾套直徑與筒體直徑的關系Table 2 Jacketed cylinder diameter and the diameter of the relationship D

12、i 500600 7001800 20003000Dj Di + 50 Di + 100 Di + 200夾套的下封頭根據夾套直徑及所選形式，按標準選取。夾套筒體的高度Hj主要決定于傳熱面積Fh的要求，夾套的高度一般應不低于料液的高度，以保證充分傳熱。根據裝料系數、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，還應考慮兩個因素：當反應釜筒體與上封頭用設備法蘭聯接時，夾套頂邊至少應在法蘭下方150200mm處；而當反應釜具有懸掛支座時，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中低壓反應釜釜體部分和夾套厚度，基本上按容器設計方法來確定。反應釜在壓力狀態下

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

14、量。1.3 工藝管口5反應釜上工藝管口，包括進出料口、溫度計口、壓力計口及其他儀表管口等，其結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，下面介紹一些進出料口的結構型式。1.3.1 進料管口有固定式和可拆式兩種。管接伸進設備內，可避免物料沿釜體內壁流動，以減少物料對釜壁的局部磨損與腐蝕。管端一般制成45斜口，以避免噴灑現象。對于易磨損、易堵塞的物料，宜用可拆式管口，以便清洗和檢修。進口管如需浸沒于料液中，以減少沖擊液面而產生泡沫，管可稍長，液面以上的部分開小孔可以防止虹吸現象。1.3.2 出料管口有上出料和下出料等形式。當反應釜內液體物料需要輸送到位置更高或與它并列的另一設備

15、中去時，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因攪拌影響而晃動，除使其基本與釜體貼合，并以管卡或擋板固定。當向下放料時，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 反應釜的設計2.1 反應釜釜體的設計過程以設備要求單進行反應釜的釜體的設計。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備之工藝性質，可以看出它是屬于帶攪拌的低壓反應釜類型，根據慣例，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物料為液-固相類型，從表H/Di為11.3。設備容積要求為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狀態無泡沫或沸騰情況，粘度也不大，故取裝料系數=0.8。反應釜直徑估算如下：，圓整至公稱直徑標準系列，取Di=1300mm。封頭取相同的內徑，其曲面高度由附表1（以內徑為公稱直徑的橢圓形封頭的尺寸、內表面積、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Di=1300mm時，從附表1、附表2查得Fh=1.99，F1=4.09。則F=FhHiF1=1.990.954.09=5.87.計算所得傳熱面積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。在本次設計中，夾套高度最后定為1000mm。這樣考慮的目的是使該反應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，從而使該反應釜操作的適應性更廣泛一些。另一方面也可使懸掛式支座的安裝高度有較大的變動幅度，以便于設備在車間中的布置定位。g 內筒及夾套的受力分析工藝提供的條件為：釜體內筒中工作壓力0.2MPa，夾套內工作壓力0.3MPa。則夾套筒體和夾套封頭為承受0.3MPa內壓；而內筒的筒體和下封頭為既承受0.2MPa內壓，同時又承受0.3MPa外壓，其最惡劣的工作條件為：停止操作時，內筒無壓而夾套內仍有蒸汽壓力，此時內筒承受0.3MPa外壓。h 計算夾套筒體、封頭厚度

19、夾套筒體與內筒的環焊縫，因無法探傷檢查，故從附表3中查得=0.6，從安全計夾套上所有焊縫均取=0.6，封頭采用由鋼板拼制的標準橢圓形封頭，材料均為A3鋼。夾套厚度計算如下：夾套封頭厚度計算如下：圓整至鋼板規格厚度并查閱封頭標準，夾套筒體與封頭厚度均取為8mm。i 計算內筒筒體厚度承受0.2MPa內壓時筒體厚度， 承受0.3MPa外壓時筒體厚度 為簡化起見，首先假設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際定為150mm，因此內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Di=1300mm由表16-6查得h1=325mm。因此 。由圖15-4查得A=0.00037，再據此查圖15-5得B=50，則許用壓力可計算如下：。因此，當名義厚度為8mm時，不能滿足穩定要求。再假設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，據以查圖15-5得，B=70，則。因此，名義厚度n=10mm時，筒體能夠滿足0.3MPa外壓的要求。由于筒體既可能承受內壓，又可能承受外壓。因此筒體厚度應選擇二者中

21、之大值，即確定筒體厚度為10mm。j 確定內筒封頭厚度承受0.2MPa內壓。承受0.3MPa外壓 設n=10mm，則e=n-c1-c2=10-0.8-2=7.2mm，而查圖15-5得B=110，則。滿足穩定要求。2.2 反應釜的攪拌裝置在反應釜中，為了加快反應速率、強化傳質或傳熱效果以及加強混合等作用，常裝設攪拌裝置。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取值為反應釜內徑Di的1/32/3，不宜過大。所以攪拌器直徑D=Di/2=1300/2=650mm，而攪拌軸的軸徑設計公式為:mm。化工設備中常用45號鋼作為實心攪拌軸的材

22、料，查軸與聯軸器可知系數A=118107，根據設計單可知功率P=5kW，轉速n=85r/min，所以攪拌軸的軸徑：mm。根據軸上的安裝零件及其它結構上的要求計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準系列查表后取d=56mm。2.3 反應釜的傳動設備 反應釜的攪拌器是由傳動裝置帶動，傳動裝置通常設置在釜頂封頭的上部。反應釜的傳動裝置包括電機、減速器、聯軸器、機架、底座和凸緣法蘭。2.3.1電動機的選用反應釜用的電動機絕大部分與減速機配套使用，只在攪拌轉速很高時，才見到電動機不經

23、減速機而直接驅動攪拌軸。因此電動機的選用一般應與減速機的選用互相配合考慮。很多場合下，電動機與減速機一并配套供應，所以可根據選定的減速機選用配套的電動機。 按設計任務書要求,選用電機YA132S-4,其軸功率為5kW,軸轉速為n=1440r/min ,電流為11.4A,最大扭矩為2.3,效率為85.5%，功率因數cos=0.83，質量為67Kg。2.3.2減速機的選用反應釜的立式減速機的選用根據：機軸轉速 n=1440r/min 電機功率為5kW 攪拌軸轉速為n1=85r/min, 傳動比i=n/n1=1440/85=17,減速機選用BLD擺線針齒行星減速機。 其標定符號為BLD5-3-17根

24、據設計任務書要求，選用電機Y32M2-6,選用軸功率P=5kW,軸轉速n=900r/min。2.3.3 機架和聯軸器的選用機架是用來支撐加速機和傳動軸的。軸承軸也歸屬于機架，機架機型有4種，本設計選用A型單支點機架。電機或減速器輸出軸與傳動軸之間及傳動軸與攪拌軸之間的連接，都是通過聯軸器連接的。常用的聯軸器有彈性塊式聯軸器、夾殼聯軸器和緊箍夾殼聯軸器。查文獻，傳動軸與攪拌軸間的聯軸器選用剛性凸緣聯軸器GT45-HT200。2.3.4 安裝底蓋的選用安裝底蓋采用螺柱等緊固件，上與機架連接，下與凸緣法蘭連接，是整個攪拌傳動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，其他結構（整

25、體或襯里）、密封面形式（突面或凹面）以及傳動軸的安裝形式（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。形式選取時應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構形式，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，按照已選定的電動機和減速機的設計要求，最終選用R型凸緣法蘭DN=25mm。3反應釜的軸封裝置及附件的選用3.1 反應釜軸封裝置的選用解決化