反应釜的设计及其制造工艺模板.doc
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1、前 言1、课题背景及意义反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品,用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程压力容器,材质通常有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基(哈氏、蒙乃尔、因康镍)合金及其它复合材料。不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等生产型用户和多种科研试验项目标研究,用来完成水解、中和、结晶、蒸馏、蒸发、储存、氢化、烃化、聚合、缩合、加热混配、恒温反应等工艺过程容器。不锈钢反应釜依据不一样生产工艺、操作条件等不尽相同,反应釜设计结构及参数不一样,即反应釜结构样式不一样,属于非标容器设备。搅拌机操作性能直接关系到产品质量、能耗和生产成本,工程
2、界和学术界对搅拌混合全部很重视,进行了大量研究工作,取得了不少研究结果。搅拌器是化学工程和生物工程中最常见也是最关键单元设备之一。现在,搅拌器选型和内构件设计在很大程度上依靠试验和经验,对放大规模还缺乏深入认识,对于能耗和生产成本只能在一定规模生产装置上对比后才能得出结论,因为对产品回收率和质量要求越来越高,对搅拌器研究日趋深入,已从早期对搅拌功率和混合时间研究,20世纪80年代对反应釜内流体速度场分布研究,进入20世纪90年代以来搅拌釜内三维流场数值模拟研究。流场数值模拟必需在深入进行流体力学研究基础上,综合考虑流体流动三维性、随机性、非线性和边界条件不确定性。经过数值模拟不仅能够处理反应器
3、放大机理,而且能够优化设计开发新型高效搅拌器,使机械搅拌器设计理论愈加完善。对于不一样介质,不一样化学反应过程,要求搅拌装置结构和搅拌速度不一样,依据不一样场所通常分为以下多个情况:1、液-液互溶系统场所,通常采取低速搅拌就能足够完成,这种场所常见浆叶式搅拌装置。2、液-液互不相溶场所,这种场所则需要强烈上下翻滚,常见浆叶搅拌器,在釜体内加有一定形状挡板,或采取推进式搅拌器。3、反应介质里有少许固体且不易沉降时可采取比较缓解搅拌,反之当反应介质或反应过程生成物中固体较多,且轻易沉降时必需采取强烈上下翻动搅拌,这些搅拌均属于固-液相搅拌系统。2、课题起源、研究目标课题起源于本人顶岗实习单位张家港
4、化工机械股份实际课题。研究目标:设计一台常温常压下使用搅拌类无夹套反应釜;经过这个简单反应釜设计,熟悉反应釜基础设计思绪和方法,能了解并掌握该设备传动结构设计及其相关工艺。经过此次设计使自己对反应釜相关设计工艺有全方面了解,并掌学会了这压容器设计总体步骤及相关准则参考。在本人设计课题中搅拌器中所搅拌介质是二甲苯,在该设备要求中反应搅拌机目标是由电机作为驱动装置,经减速器联轴器带到桨叶旋转使物料搅拌均匀3、课题研究内容、方法研究内容:1、反应釜设计方案分析和确定2、反应釜釜体分析和设计3、搅拌装置选择4、传动装置设计第一章 反应釜设计方案分析和确定第1.1节 反应釜相关设计要求 设计技术特征表密
5、度(Kg/M)900-1050粘度()100介质名称二甲苯设计压力(MPa)0.125MPa工作压力(MPa)常压(0.1MPa)工作温度()常温(25)搅拌目标搅拌均匀设计容积(m3)30搅拌器型式螺旋推进式电机功率(KW)电机防护等级IP54电机防爆等级d B T4搅拌转速(r/min)281叶端线速度(m/s)6.6物料流动方向向下第1.2节 设计方案分析和确定依据任务书中要求,一个无夹套反应釜关键有搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管等部分附件组成。而搅拌容器即为罐体。搅拌装置分为搅拌器和搅拌轴,依据任务说明书要求此次设计搅拌器为推进式搅拌器;考虑到机械轴封实用
6、性和应用广泛性,所以轴封采取机械轴封。在阅读了设计任务书后,按以下内容进行无夹套反应釜机械设计。(1)总体结构设计。依据工艺要求,并考虑到制造安装和维护检修方便来确定各部分结构形式。(2)传动系统设计,包含选择电机、确定传动类型、选择联轴器等。(3)搅拌器设计。依据工艺参数确定各部几何尺寸;考虑压力、温度、腐蚀原因,选择釜体材料;对罐体进行强度和稳定性计算、校核;(4)决定并选择轴封类型及相关零部件。(5)绘图,包含总图、部件图。第二章 反应釜釜体设计反应釜是由罐体和搅拌装置两大部分组成,罐体是反应关键,为物料完成搅拌过程提供一个空间。釜体设计包含罐体材料选择,罐体几何尺寸(包含内直径Di、高
7、度H、容积V及壁厚)计算,强度校核等。第2.1节 罐体结构设计罐体采取立式圆筒形容器,由筒体和封头组成。经过支座安装在基础平台上。封头通常采取椭圆形封头。而为了拆卸清洗方便,上部采取平盖法兰和筒体连接,下部采取椭圆封头和筒体连接。反应釜釜体主材预选择GB24511-牌号06Gr19Ni10 美标ASME()SA240型号304对于直立反应釜来说,釜体设备容积通常是指圆柱形筒体及下封头所包含容积。罐体为一个提供化学反应空间容器,因为化学反应通常全部要吸收或放出热量,所以会在容器内部或外部设置加热或冷却结构装置。不过因为此次设计反应釜关键作用是将二甲苯搅拌均匀,属于物理反应,所以此次设计没有设置冷
8、却或加热装置。1-封头 2-筒体 3-支座 4-平盖封头 5-搅拌机构图2-1反应釜结构图第2.2节 罐体几何尺寸计算一、 筒体尺寸确实定1、筒体内径(Di)计算因为罐体全容积V和操作时物料熔剂V0关系为:V0=*V(2-1)图2-1 立式搅拌器则 V= = =3.753.8M3 依据实际经验,多个搅拌反应器罐体长径比如表2-11所表示表2-1多个搅拌反应器罐体H/Di值种类设备内物料类型H/Di通常搅拌器液-固或液-液相容物料11.3气-液相容物料12发酵罐类1.72.5筒体内径Di 估算: (2-2)式3-1中i为长径比即: ,依据表2-2-1可查,i=1.3,先忽略罐底封头容积,则可认为
9、V筒=V 即:V=3.8M3=3.8106mm3 则:Di 1549mm, 将Di 圆整到公称直径系列,则:Di =1500(mm).2、筒体厚度(n)计算已知:工作温度Tc=25 设计压力pc=0.125Mpa 在25下06Gr19Ni10 许用应力 t=137MPa 2 筒体焊接采取单面焊、全焊透,局部无损伤,则焊接系数 =0.80 2 e=8.054mm (2-3)2查得: 负偏差 C2=0.8mm 腐蚀裕量 C2=0mm 2名义厚度n=eC1C2=10mm二、封头尺寸确实定1、封头内径计算椭圆封头选择标准件,则它内径和筒体内径相同,即封头内径DN=Di =150mm1。对于标准椭圆封头
10、,长轴和短轴比值为2:11,即 短轴为750mm 2、封头厚度计算由公式 e= (2-4)K椭圆封头形状系数,K=2+()2,其值列于表2-2-22,取K=1.00表2-2 封头形状系数2.62.52.42.32.22.12.01.91.8K1.461.371.291.211.141.071.000.930.87 t在设计温度下材料许用应力,其值查参考文件2 可得 t=137MPa 2其中计算压力pc =0.125MP封头焊接采取单面焊、全焊透,局部无损伤,则焊接系数 =0.8 2则e=8.05mm因为2椭圆封头有效厚度应大于封头内直径0.15%,即e2.25计算名义厚度n=e+C1+C2+查
11、得:负偏差 C1=0.8mm 腐蚀裕量C2=0mm 2故封头厚度取n=10mm 故可查参考文件1表9-6得:封头直边段高度取40mm 1 即封头内径DN=1500mm 直边高度h2=40mm 容积V0.45 m3三、确定筒体高度Hi反应釜容积V通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度Hi按下式计算并进行圆整:Hi=(VV封)/Vim 1式中V封 -封头容积: V封= 0.45 m3Vim -1m高筒体容积: Vim1.767m3 /m 得 :Hi= (3.8-0.45)/1.7671.895m圆整后Hi=1.9m=1900mm按筒高圆整后修正实际容积: V= VimHi + V封=1.
12、7671.9+0.45=3.8573 m3 3.8 m3 (2-5)第2.3节 反应釜强度计算 反应釜几何尺寸确定后,要依据已知公称直径,设计压力和设计温度进行强度计算确定罐体及筒体和封头厚度。强度计算中各参数选择及计算,均应符合GB150-1998钢制压力容器要求。一、 筒体强度校核计算已知:Tc=25 pc=0.125Mpa t=137MPa = 0.808.054mm (2-6)负偏差 C2=0.8mm腐蚀裕量 C2=0mm 名义厚度n=SC1C2=10mm筒壁应力校核 = =11.703MPat (2-7)即筒体选择06Gr19Ni10 同一数字代号S30403,厚度=10mm,强度能
13、够达成所需,符合设计要求。二、封头厚度校核计算因为 e= = 8.052mm (2-8)同理名义厚度 : n=eC1C2=10mm由椭圆壳体应力分析可知,椭球壳体上应力分布是改变,应力分布随点位置不一样而不一样。当2时,最大薄膜应力在椭球壳顶点,其值为: (2-9)1代入数值得: 即封头选择06Gr19Ni10 同一数字代号S30403,厚度=10mm,设计强度达成使用要求。第三章 反应釜搅拌装置搅拌装置由搅拌器、轴及其支撑组成。搅拌器形式很多,依据任务说明书要求,此次设计采取是推进式搅拌器。推进式搅拌器特点是能使液体产生猛烈流动及湍流运动性能很高。推进式搅拌器关键利用范围是搅拌及混合绝对粘度
14、小于36000厘泊多种流动性液体,和制成乳浊液或悬浮液。3推进式搅拌器机械设计关键内容是:确定搅拌轴直径、搅拌器直径、搅拌器和搅拌轴连接结构。进行搅拌轴强度设计和临界转速校核、选择轴支撑结构及材料选择。因为介质含有一定腐蚀性,搅拌装置材料选择和反应罐主体材料相同材料06Gr19Ni10 同一数字代号S30403。图3-1搅拌装置由前三章相关设计得悉反应釜净直径Di=1500mm,净高H=1900mm;工作温度:25;工作压力:0.125MPa;搅拌目标:搅拌均匀。第3.1节 搅拌器形式确实定依据实际生产要求,初步设定搅拌器为两层搅拌,采取三叶开启涡轮式搅拌器(又称为螺旋推进式搅拌器)。图3-2
15、 推进式搅拌器搅拌器直径Dj取标准值,即搅拌容器直径三分之一:4 Dj=Di/3=1500m/3=500mm (3-1) 底间距(C)即搅拌器距容器底部高度,通常底间距和搅拌容器内径比值通常在0.050.3范围内选择4。则 C=(0.050.3)Dj=15150mm(3-2)因为底间距比值越小,固相完全离底悬浮临界转数越小,所以在满足底层桨轴向排量前提下,该比值尽可能取得最小。不过考虑到实际生产中容器底部会出现一定量沉积物,C值不能太小4; C值太大搅拌效果不足,结合实际取C=130mm搅拌器浸入搅拌容器液面下深度(S),搅拌器浸入液体内最好深度为:2 (3-3)对于双层搅拌器,搅拌器层间距(
16、Sp)和桨径之比通常为0.52范围内,由搅拌桨轴向作用范围和反应釜高度决定搅拌桨层数。对于两层以上多层桨,要调整桨径和层数取得合理层间距,达成搅拌效果好,轴功率低效果。2故: Sp=(0.91.5)Di=2501000mm (3-4)取Sp=700mm搅拌器和容器几何参数条件如表3-15:表3-1 搅拌器容器几何参数条件挡板数量无搅拌器距容器底部距离挡板宽度无搅拌器潜液深度S=1200挡板和容器内壁间距无搅拌器直径Dj=500搅拌器桨叶数量Zj=3搅拌器桨叶螺距Pt=Dj=500表3-2推进式桨叶尺寸表2djdd1螺钉11h键槽aP/n小于d2bt1503060M1210540833.1513
17、10.0082003060M1210545833.143220.0082504080M12105551243.636110.013004080M12126651243.639590.014005090M16148951655.135190.03150065110M1618101051870.634390.06260065110M2022121251870.629590.1170080140M2022121502487.232140.16注:表中P/n为搅拌器桨叶强度所许可数值,其计算温度200;P计算功率,Kw;n搅拌器每分钟转数。表3-3推进式桨叶展开截面尺寸第3.2节 搅拌轴设计搅拌轴将电
18、动机动力传输给搅拌器。它承受是以扭转为主扭弯联合作用。已知混合物密度为(9001050)Kg/m3,则取=1050Kg/m3;搅拌器直径Dj=500mm;搅拌器搅拌转速n=281r/min=4.68r/s;粘度=100cP=100mPas =0.1Pas搅拌液雷诺准数: (3-5) 代入3-2-1式可得 一、搅拌轴消耗功率单层搅拌器搅拌轴上所消耗功率: (3-6)式中 功率准数,和被搅拌液体雷诺准数(Re)相关,和搅拌器形式及交融其相关几何参数相关。对于双层搅拌器总功率准数 : (3-7) 式中和多层搅拌器间距和直径比()相关系数图3-3多层搅拌器总功率准数系数且 两层搅拌器排液方向相同,查图
19、4-1可得: 5由图4-2功率准数P0和雷诺准数Re关系关系图可得: P0=0.36 5图3-4功率准数P0和雷诺准数Re关系故 讲个数值带入式3-6和3-7可得:二、搅拌轴轴径设计计算搅拌轴材料:选择06Gr19Ni10(304 旧钢号0Gr18Ni9);搅拌轴结构:用实心直轴。N0=0由上节相关计算得悉:搅拌轴功率: P0c=1.8KW Pc=1.2KW搅拌轴转速: n=281r/minL2L1FA底轴承Fe传动侧轴承LeL图3-5搅拌轴受力图Fb1Fb2L=2560 L1=2285 L2=1585 1、受扭转变形控制轴径d1: (3-8)式中 轴许用扭转角, 由实践经验得: 对于单跨轴:
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