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  搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计_能源/化工_工程科技_专业资料。搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 2.1 概述 夹套式反应釜的釜体是由封头、筒体和夹套三部分组成。封头有椭圆形封头 和锥形封头等形式。上、下封头与筒体常为焊接。 2.

  搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 2.1 概述 夹套式反应釜的釜体是由封头、筒体和夹套三部分组成。封头有椭圆形封头 和锥形封头等形式。上、下封头与筒体常为焊接。 2.2 釜体材料的选择 根据工艺参数及操作条件(见附录 2)确定封头、筒体及夹套的材料。此设 计的釜体材料选用 0Cr18Ni9 与夹套材料选用 Q235-B,热轧钢板,其性能与用途 见表 2-1。 表 2-1 Q235-B 性能与用途 材料 性能 用途举例 Q235—B 0Cr18Ni9 温度 20℃左右情况下用,抗拉强度: 广泛应用于常、低压 370-500MPa 压力容器的筒体、加 伸长率:26%(厚度 40mm 以下) 强板、支座等方面的 冲击功:≥27J(试验温度 20°) 材料选用 冷、热加工性能好,无磁性和好的低温性 广 泛 应 用 于 化 工 设 能。具有足够的耐晶间腐蚀能力 备,工业设备,常、 低压压力容器的筒体 等方面的材料选用 由工艺参数及操作条件和表 2-1 可知,0Cr18Ni9 和 Q235—B 材料能够满足 任务书中的设计温度、设计压力。在操作条件下,Q235—B 能使设备安全运转, 并且不会因腐蚀而对介质产生污染,而且相对与其他钢号价格便宜,所以本设计 釜体材料选用 0Cr18Ni9 与夹套材料采用 Q235-B,热轧钢板。 2.3 封头的选择 搅拌反应釜顶盖在受压状态下操作常选用椭圆形封头,本设计采用椭圆形标 准封头,直边高度 h 45mm ,其内径取与筒体内径相同的尺寸。 椭圆形封头是由半个椭圆球体和一个圆柱体组成,由于椭圆部分径线曲率平 滑连续,封头中的应力分布不均匀。对于 a b 2 得标准形封头,封头与直边的连 接处的不连续应力较小,可不予考虑。椭圆形封头的结构特性比较好。 2.4 釜体几何尺寸的确定 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 釜体的几何尺寸是指筒体的内径 Di 和高度 H 。釜体的几何尺寸首先要满足 化工工艺的要求。对于带搅拌器的反应釜来说,容积V 为主要决定参数。 2.4.1 确定筒体的内径 由于搅拌功率与搅拌器直径的五次方成正比,而搅拌器直径往往需随釜体直 径的增加而增大。因此,在同样的容积下筒体的直径太大是不适宜的。对于发酵 类物料的反应釜,为使通入的空气能与发酵液充分接触,需要有一定的液位高度, 筒体的高度不宜太矮。因此,要选择适宜的长泾比( H )。 Di 根据釜体长径比对搅拌功率、传热的影响以及物料特性对筒体长径比的要 求,又由实践经验,针对一般反应釜,液—液相物料, H 取值在 1.7-2.3 之 Di 间,并且考虑还要在封头上端布置机座和传动装置,因此,取 H Di =2.3。 由搅拌设备设计可知: Di = 3 4V 1(H Di ) (2-1) 有:操作容积=全容积 0.8=6.4 式中:V ——操作容积,m3 ; H ——筒体高度,m ; Di ——筒体内径;1 —— 装料系数,取值为 0.8。 则: Di = 3 4 6.4 0.8 2.3 =1.638 m 将 Di 值圆整到标准直径,取筒体内径 Di =1600 mm 。 2.4.2 确定筒体的高度 由《搅拌设备设计》可知: H V Vh Di 2 4 Di 2 (V 1 Vh ) (2-2) 4 式中:Vh ——下封头所包含的容积,在《材料与零部件》中查得,Vh =0.617 。 H 4 ( 6.4 0.617) 1.62 .0.8 =3.689 m 把 H1 的值圆整到 H =3700 mm ,则: 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 H Di 3700 1600 2.3 2.5 夹套的结构和尺寸设计 常用的夹套结构形式有以下几种:(1)仅圆筒部分有夹套,用于需加热面积 不大的场合;(2)圆筒一部分和下封头包有夹套,是最常用的典型结构;(3)在 圆筒部分的夹套中间设置支撑或加强环,以提高内筒的稳定性,在夹套中介质压 力较大时,由于这种结构减小了内筒的计算长度,从而减小了筒体的壁厚;(4) 为全包式夹套,与前三种相比,传热面积最大。本设计中夹套的结构选择第一种 最最常用的典型结构。 夹套上设有介质进出口。当夹套中用蒸汽作为载热体时,蒸汽一般从上端进 入夹套,冷凝液从夹套底部排出,如用液体作为冷却液时则相反,采取下端进, 上顿出,以使夹套中经常充满液体,充分利用传热面,加强传热效果。 2.5.1 确定夹套与封头的内径 夹套的内径 Dj 一般按公称尺寸系列选取,以利于按标准选择夹套封头,具 体可根据筒体直径 Di 按表 2-2 中推荐的数值选用。 表 2-2 夹套内径与筒体内径的关系 Di 500—600 700—800 2000—3000 Dj Di +50 Di +100 Di +200 由此关系可取: Dj = Di +200=1600 200 =1800 mm 。 2.5.2 确定夹套筒体高度 由于: S 夹 = Di H1 + S封 (2-3) 则: H1 = S 夹 S封 D1 (2-4) 已知:传热面积 S 夹 =12 m2 ,封头的内表面积 S封 = 2.98m2 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 则: H 1 = S 夹 S封 D1 = 12 2.98 3.14 1600 = 2600mm 圆整后取: H1 = 2600 mm 。 2.6 釜体和夹套的壁厚的确定 釜体和夹套的强度和稳定性设计可按内、外压容器的设计方法进行。 本设计中,釜体的筒体与其下封头按承受内压和外压分别进行计算,釜体内 压设计压力为 0.21 MPa ,釜体外压设计压力为 0.315 MPa 。夹套的筒体以及釜体 的上封头按内压容器设计,其设计压力为 0.21 MPa 。 2.6.1 釜体的筒体壁厚计算 (1) 首先对筒体按照承受 0.21 MPa 的内压进行计算 由于: td PDi 2 t P C2 (2-5) 式中: t d 为内压筒体设计厚度;P 为设计压力,P = 0.21 MPa ; Di 为筒体内径,mm ; t 为 Q235—B 热轧钢板,在设计温度下的许用应力, t =137 MPa ; 为焊 缝系数,采用双面焊缝,局部无损探伤, = 0.85;C2 为腐蚀裕度,取值为 0 mm 。 将上述各值代入(2-5)中得: 0.211600 td 2 137 0.85 0.21 0.8 2.24mm 圆整后,取名义厚度 t n = 6 mm 。 (2)按照承受 0.315 MPa 的外压进行计算 ① 设筒体的有效厚度 te =10 mm 则: D =1600 210 1620mm 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 然后确定 L , D 的值 D te 由于 h1 = 450 mm , D =1620 mm 因本结构没有下封头, 所以 : L=Hg = 2600 所以: L D = 2600 1620 1.604 D te =1620 10 162 在《化工设备机械基础》中查图可知:A= 0.0005,B= 50 MPa 则: p B D = 50 162 0.308 MPa 0.315 MPa te 由此可知:壁厚不符合要求,需增加壁厚计算。 ②再设筒体的有效厚度 te =12 mm 则: D = Di +2 te =1600 212 1624mm L D = 2600 1624 1.6 D te =162412 =135.3 查图得 A= 0.0005,B= 64.3 MPa 则: p= B D = 64.3 135.3 = 0.47 0.315 MPa te 可知: te =12 mm 时,满足外压稳定性要求 综上所述可知,釜体的筒体名义厚度 t n 取12 mm 。 2.6.2 釜体的封头厚度计算 (1)首先对封头按照承受 0.21 MPa 的内压进行计算 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 已知:P= 0.21 MPa , Di =1600 mm , 0.85,采用双面焊缝,100% 无损探 伤, t =137 MPa ,C= C1 C2 C3 = 0.8 0 0 0.8 将上述各值代入下列计算式中,得: t封 PDi 2 t 0.5P C (2-6) = 0.21 1600 0.8 2 137 0.85 0.5 0.21 = 2.3 mm 考虑到封头与筒体的焊接方便,取封头与筒体相等壁厚,即取封头壁厚名义 厚度 t n =12 mm 。 因本结构没有夹套下封头,所以不用按照外压进行计算封头厚度。 2.6.3 夹套的筒体壁厚计算 夹套筒体按承受 0.21 MPa 的内压计算 由于: td PDi 2 t P C (2-7) 式中: P= 0.21 MPa , Di =1800 mm , t =113 MPa , 0.85 , C= C1 C2 C3 = 2.8 mm 将上述各值分别代入(2-7)式中,得: td = 0.211800 2.8 2 113 0.85 0.21 = 4.77 mm 圆整后取 tn = 8 mm 。 2.6.5 水压试验校核 (1)试验压力 根据设计规定: PT =1.25P t MPa 或 P+ 0.1 MPa (2-8) 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 取两者中较大的值。 式中: PT ——试验压力, MPa ; 式中: t 1 P ——对釜体试验压力, P = 0.26 MPa ,对夹套试验压力, P = 0.39 MPa , 则: 釜体试验压力和夹套试验压力分别为 0.26 MPa 和 0.39 MPa 。 (2)内压水压试验 ①对于釜体,根据式: T = PT Di 2te te (2-9) 式中: PT = 0.26 MPa , Di =1600mm, te = tn C =12 0.8=11.2 mm 则: T = 0.261600 11.2 22.4 =18 MPa 而 90% S 0.9 235 211 .5 MPa 可见 T 90% S ,所以水压试验强度足够。 ②对于夹套,把 PT = 0.39 MPa , Di =1800mm, te = tn C = 8 2.8= 5.2 mm 代 入(2-10)中得: T = 0.391800 2 5.2 5.2 = 67.7 MPa 而 90% S 0.9 235 211 .5 MPa 可见 T 90% S ,所以水压试验强度足够。 ③对于釜体封头, 根据式: T = PT K1Di 0.4te (2-10) 2 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 式中: PT = 0.26 MPa , Di =1600mm, K1 = 0.9 te = tn C =12 2.8= 9.2 mm 则: T = 0.260.91600 0.49.2 2 9.2 =16.6 MPa 而 90% S 0.9 235 211 .5 MPa 可见 T 90% S ,所以水压试验强度足够。 综上所述,内压水压试验安全。 (3)外压水压试验 对于釜体 由于 te tn C 12 0.8 11.2mm D Di 2te 1600 2 11.2 1622 .4mm 则: D te = 1622.4 11.2 144.86 L D 2600 1622.4 1.6 在《化工设备机械基础》查得 A= 0.00049,B= 63 MPa 。 故许用应力 P = B D = 63 144.86 = 0.43 MPa te P PT = 0.26 MPa 可知外压水压试验安全。若 P PT ,则作水压试验时应在釜体内充压,以防止 釜体筒体失稳。 2.6.6 计算结果的统计 如下表 2-3 表 2-3 釜体 夹套 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 筒体壁厚 12mm 8mm 封头壁厚 12mm 2.6.7 传热面积的校核 又工艺要求夹套传热面积为12 m2 。 可知实际总传热面积大于工艺要求的传热面积,满足传热要求,(如果其小 于工艺要求的传热面积,则应再釜体内设置其他换热装置)。 3 反应釜搅拌装置的设计 3.1 概述 搅拌器又称搅拌桨或叶轮,它的功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动 状态以达到搅拌的目的。本设计中,搅拌介质为有机溶, =1000 kg m3 , =1 Pa .S 。 3.2 搅拌器的选型—《搅拌设备设计》 搅拌器的型式是根据搅拌的目的来选择的 ,本设计选用六直叶圆盘涡轮式。 原因有以下几点: ⑴ 根据不同的搅拌过程的搅拌器型式,可选用表 3-1 中的几种搅拌器型式。 搅拌目的 表 3-1 挡板条件 推荐型式 液—液相分散不互溶的 液 有挡板 桨式、涡轮式、推进式 体及在其中强化传质和 进 行化学反应 由于其搅拌目的及挡板条件均与本设计的搅拌介质相符,所以选用上表所推 荐的型式之一涡轮式式搅拌器。 ⑵ 液体的粘度对搅拌状态有很大影响,所以根据搅拌介质的粘度大小来选 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 型是一种基本方法,在本设计中所选介质的粘度为 =1 Pa .S ,属于低粘度介质, 而本设计所选的圆盘涡轮式,由于其结构简单且用挡板可改善流型,所以在低粘 度时应用较普遍。 ⑶ 根据涡轮式搅拌器型式的适用条件,表 3-2 所示: 表 3-2 桨式搅拌器型式的适用条件 搅 流动状态 搅拌目的 槽 转 最 拌 容 对湍剪低溶结传液 器流流切粘解晶热相 量 型循扩流度 反 范 式环散 液 应 围 速 高 范 粘 围 度 混 合 桨 0 0 0 0 0 0 0 0 1-300 10-300 2 式 备注:表中“0”表示适合。 根据上表可知涡轮式搅拌器适用的条件与本设计的相应条件相符,其中流体 的流动状态三者兼有,搅拌目的为低粘度液体混合,槽容量为 8 m3 , 转速为 60 r min ,选用涡轮式搅拌器。 3.3 搅拌器的尺寸及搅拌层数的确定 3.3.1 搅拌器的尺寸确定 根据桨径 d j 与釜体内径之比,一般涡轮式搅拌器 di DI = 0.35 0.8 ,本设计取 di DI = 0.5 ,则涡轮径 d j =16000.5 800 mm 。搅拌器示意图如图 3-1 所示。 800 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 图 3-1 搅拌器示意图 3.3.2 搅拌层数的确定 安装在搅拌设备中心的各种搅拌器,当液体粘度不高时,搅拌器转速足够高 时,切向流会形成“圆柱状回转区”,另外,在釜体内的离心力作用下甩向器壁, 使周边液体沿器壁上升,而中心液面下降形成“旋涡”,为了消除湍流状态时的 “圆柱状回转区”和打旋现象,可在反应器内安装挡板。 本设计在器壁上安装 4 块互成 90角的挡板,如图 3-2 所示。挡板的作用: ⑴ 将切向流动转变为轴向流动,对于釜体内液体的主体对流扩散、轴向扩散和 径向流动都是有效的; 综上所述,本设计采用双层桨。 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 图 3-2 挡板示意图 3.4 搅拌器的位置确定 桨叶为一层,安装位置如图 2-3 所示,接近封头与筒体的连接处。 图 3-3 搅拌器位置示意图 3.5 搅拌器的功率计算 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 搅拌器功率是搅拌器形状、转速、液体性质、反应釜的尺寸和内部附件以及 搅拌器在反应釜内的位置的函数。 根据永田进治公式进行计算: 当无挡板时搅拌器功率的计算式为: N P = N n3d 5 j =A Re B 103 103 1.2Re 0.66 3.2Re 0.66 P H Di 0.35 b Di s in 1.2 (3-1) 当有挡板时,把上式中的 Re 换成 Rc = 25 b Di di Di 2 0.4 b Di 0.11 b Di 0.0048 上式中: A ——14+ b Di 670 di Di 0.6 2 185 ; B —— 10 ; 1.34 b Di 0.5 2 1.14 di Di P ——1.1 4 b Di 2.5 di DI 2 0.6 7 b Di 4 , b Di = 100 1600 = 0.0625, d i Di = 8001600= 0.5 ; ——桨叶倾斜角,平桨 = 90; B ——桨叶宽度, m ; H ——叶层深度, m 。 首先将 b Di 和 di Di 的值代入 Rc 、 A 、 B 和 P 中,得: Rc = 25 b Di di Di 2 0.4 0.11 b Di b Di 0.0048 = 25 0.0625 0.5 0.42 0.11 0.0625 0.0625 0.0048 = 34.12 A =14+ 0.0625 670 0.5 0.62 185 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 = 26 B = 10 1.340.06250.521.140.5 = 0.9 P =1.1 4 0.0625 2.50.5 0.62 12t5 0.064 4 =1.324 然后将 Rc 、 A 、 B 和 P 的值分别代入 N P 得计算式中,得: N p = 26 34.12 0.9 103 103 1.2 34.120.66 3.2 34.120.66 1.324 2.6 1.6 0.350.625 =1.83 KW 修正后搅拌器的搅拌器的功率应按下式计算 N = fNP n3d j5 (3-2) 式中:修正系数 f 1 则: N =1.831000 60 3 0.85 60 = 0.6 KW 3.6 搅拌轴的设计 3.6.1 搅拌轴材料的选择 本设计选用 45# 钢为搅拌轴的材料。 原因如下: 45# 钢为高强度中碳钢,其特点是强度较高,塑性及韧性较好, 切屑性优良,经调质处理,获得较好的综合机械性能。 3.6.2 轴的支承条件设计 一般情况下,搅拌轴依靠减速箱内的一对称轴支持,但是,由于搅拌往往较 长而且悬伸在反应器内进行搅拌操作,当搅拌轴悬臂过长而细时,常会将轴扭弯, 使其离心力作用增加,最后达到完全破坏。悬臂的支撑条件如下:(如图 3-4 所 示) L1 B 4-5; L1 d 40-45 式中: L1 为悬臂长度轴, m ; 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 B 为轴承间距, m ; d 为搅拌轴直径, m 。 本设计中:已知 L1 = 3700 mm , B= 900 mm ,d= 85 mm 则: L1 B = 3700 900 = 4.1 , L1 d = 3700 85 = 43.53 由此可知满足支承条件。 图 3-4 搅拌轴的支撑图 3.6.3 搅拌轴的强度计算 对搅拌轴来说,它承受扭转的和弯曲的联合作用,但扭转作用为主,轴承受 扭转时的强度条件是: m a x = Mt Wp (3-3) 把Mt = 9551 Ne n 和Wp = d 3 16 代入(2-3)式中,得: d= 36.5 3 Ne (3-4) n (3-3)和(3-4)式中: max为截面上最大剪应力, Pa ; 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 M t 为轴传递的扭矩, Nm ; Wp 为抗扭截面系数, m3 ; 为降低后的许用剪应力, MPa ,已知: = 30 MPa ; N e 为电机功率,由搅拌器功率圆整后修正得到,N e = 2.2 KW ; n 为搅拌轴的转速,n= 60 r min ; d 为搅拌轴的直径, m 。 则: d= 36.5 3 Ne n = 36.5 3 2.2 60 30 106 = 39 mm 圆整后取 d= 50 mm ,这个满足强度条件,但不满足支承条件。 3.6.4 搅拌轴的刚度计算 为了防止转轴产生过大的扭转变形,以免在运转中产生振动引起轴封泄漏, 单位长度的扭转角 不得超过许用扭转角 作为扭转的刚度条件: = M t 180 (3-5) GJ P 式中: 为轴扭转变形的扭转角, m ; G 为剪切弹性模量, Pa ,对于碳钢及合金 G=0.81 105 MPa ; J P 为轴截面的牛顿惯性矩, m4 ; 为许用扭转角, m ,一般传动中取 1 2 -1,在本设计中取值为 1; M t 为轴传递的扭矩, Nm 。 把 J P = d 4 32 ,G=0.81 105 MPa ,=1 m ,M t = 9551N n e 代入(3-5)式中,得: d= 4 180 32 9551 Ne 0.81105 106 2n 搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 = 4 180 32 9551 2.2 0.81105 106 2 1 60 = 39.2 mm 圆整后取 d= 50 mm ,满足强度和刚度条件。 3.6.5 搅拌轴的临界转速 当搅拌轴的转速达到其自振频率时会发生剧烈振动,并出现很大的弯曲,这 个速度称为临界转速 nc 。轴在接近临界转速转动时,常因剧烈振动而破坏,因此 工程上要求搅拌轴的转速应避开临界转速。通常把工作转速 n 低于第一临界转速 的轴称为刚性轴,要求 n 0.7nc ;把工作转速 n 大于第一临界转速的轴称为柔性 轴,要求 n 1.3nc 。轴还有第二、第三临界转速。搅拌轴一般转速较低,很少达 到第二、第三临界转速。 低速旋转的刚性轴,一般不会发生共振。当搅拌轴转速 n 200 r min 时,应 进行临界转速的验算。