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机械式搅拌反应釜设计说明书

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2020年4月19日
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目 录

前 言 4
1 反应釜的设计参数及要求 5
1.1 设计任务书 5
1.2 设计方案的分析和拟定 6
2 夹套反应釜设计 6
2.1 反应釜的罐体和夹套的设计 6
2.2 夹套反应釜的强度计算 9
3 反应釜的搅拌装置 12
3.1 选择搅拌器 12
3.2 搅拌轴的设计 12
3.3搅拌轴强度校核 13
3.4 搅拌抽临界转速校核计算 14
4 V带轮设计计算 15
5 反应釜其它附件 16
5.1 设备法兰 16
5.2 支座 16
5.3 手孔和人孔 17
5.4 设备接口 17
5.5 视镜 17
6 设计小结 18
参考文献 19

前 言
反应釜的广义理解即有物理或化学反应的不锈钢容器，经过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。随之 反应过程中的压力要求对容器的设计要求也不尽相同。生产必须严格按照相应的标准加工、检测并试运行。不锈钢反应釜 根据不同的生产工艺、操作条件等不尽相同，反应釜的设计结构及参数不同，即反应釜的结构样式不同，属于非标的容器设备。
反应釜材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔）合金及其它复合材料。反应釜可采用SUS304、SUS316L等不锈钢材料制造。搅拌器有锚式、框式、桨式、涡轮式，刮板式，组合式，转动机构可采用摆线针轮减速机、无级变速减速机或变频调速等，可满足各种物料的特殊反应要求。密封装置可采用机械密封、填料密封等密封结构。加热、冷却可采用夹套、半管、盘管、米勒板等结构，加热方式有蒸汽、电加热、导热油，以满足耐酸、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等不同工作环境的工艺需要。可根据用户工艺要求进行设计、制造。
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各种科研实验项目的研究，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的容器。

1 反应釜的设计参数及要求
1.1 设计任务书
简图
设计参数及要求

容器内
夹套内
工作压力，MPa
0.25
0.35
设计压力，MPa

工作温度，℃

设计温度，℃
﹤100
﹤100
介质
有机溶剂
蒸汽
全容积，m³
1.0
操作容积，m³

传热面积，㎡
＞3
腐蚀情况
微弱
推荐材料
Q235-R
搅拌器型式
推进式
搅拌轴转速，r/min
250
轴功率，kW
3
接管表
符号
公称尺寸DN
连接面形式
用 途
A
25
PL/RF
蒸汽入口
B
65
PL/RF
加料口
C
100
PL/RF
视镜
D
25
PL/RF
温度计管口
E
25
PL/RF
压缩空气入口
F
40
PL/RF
放料口

G

25

PL/RF

冷凝水出口
1.2 设计方案的分析和拟定
按照设计任务书提供的工艺条件，选定容器的型式和材料后，进行反应釜的机械设计，主要是计算釜体和夹套的尺寸；选择搅拌器和设计搅拌轴；选择搅拌的传动装置和轴封装置；选择法兰、支座和各种工艺接管，并核算开孔补强；绘制装配图；编写设计计算说明书。
2 夹套反应釜设计
2.1 反应釜的罐体和夹套的设计
2.1.1 确定筒体的型式
从技术特性表上所得到的工作压力及温度以及该设备的工艺性质，能够看出它是属于带搅拌的低压反应釜类型，一类低压容器，根据惯例选择圆柱形筒体。
2.1.2 确定罐体几何尺寸
（1）确定筒体直径 反映物料为液-固相类型，从表3-1中，H/Di为1～1.3.设备容积要求为1.0m3,考虑到容器的体积不大，可取H/Di=1.3，这样能够使直径不致太小，从工艺上反应状态无泡沫或沸腾情况，黏度也不大，故取装料系数η=0.8。
表3-1 罐体长径比经验表
种类
罐体物料类型
H/Di
一般搅拌罐
液—固或液—液相物料
1～1.3

气—液相物料
1～2
发酵罐类

1.7～2.5
反应釜的直径估算如下：
VN=Vη
V===1.25 m3(全容积除系数明显有问题)
Di===993.2mm
圆整至公称直径标准系列，取Di=1000mm,封头取相同的内径？，
（2）确定筒体的高度
当DN=1000mm，查得标准椭圆形封头的容积Vh=0.198m3，则筒体的高度估算为: H===1.11m
取H为1.1m，于是H/Di=1
（3）确定夹套的直径
夹套的内径与釜体的内径有关，可按表3－2选取。
夹套的内径为： ；
表3-2 夹套直径与罐体直径DN的关系（mm）
DN
500～600
700～1800
～3000

DN+50
DN+100
DN+200

（4）夹套的高度
夹套的尺寸为1200mm，夹套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同的直径。从文献查得筒体每一米的容积,则夹套筒体的高度估算如下:

取为900mm。
（5）内筒及夹套的受力分析
工艺条件中：反应釜内的工作压力为0.25Mpa，夹套内工作压力为0.35Mpa，则夹套筒体和夹套封头为受0.35Mpa的内压而内筒的筒体和下封头为既承受0.25Mpa的内压同时又承受0.35Mpa的外压，其最恶劣的工作条件为停止操作时内筒无压力而夹套内仍有蒸汽压力，此时内筒承受0.35Mpa的外压。
（6）计算夹套的厚度
夹套筒体与内筒的环焊缝，因检测困难，故取，从安全计夹套上所有的焊缝均取，封头采用由钢板压制的标准椭圆形封头，材料均为Q345.
夹套的厚度计算如下：

夹套的厚度为4mm,圆整至钢板规格厚度并考虑封头的标准，夹套的厚度为。
（7）计算筒体的厚度
①承受0.2Mpa内压时筒体的厚度

②承受0.3Mpa外压时筒体的厚度
承受0.3Mpa外压时筒体的厚度为简化起见，首先假设，则，由于夹套顶部距离容器法兰面积实际定为150mm，因此内筒体承受外压部分的高度为H-150mm，并以此定及之值。

式中h——标准椭圆封头之边高度，根据由表查得总深度，再由表推荐得。
——标准椭圆封头曲面高度，。
则
=
=
因此由文献［6］图5-19查得A=0.00002，再据此查图3-4，B不存在。
因此当名义厚度为4mm时，不能满足稳定要求。
再假设，则
=
==213.08
由文献［6］图5-19，查得A=0.0005，据此查图3-4得B=64
Mpa>0.3Mpa
因此名义厚度为8mm时，筒体能满足0.3Mpa的外压要求。
由于筒体既可承受内压，又可能承受外压，因此筒体壁厚应选取两者中最大值，即确定筒体厚度为8mm.

2.2 夹套反应釜的强度计算
2.2.1 强度计算(按内压计算强度)
据工艺条件或腐蚀情况确定，设备材料选用Q235-A。
由工艺条件给定：
设计压力（罐体内） =0.25MPa，
设计压力（夹套内） =0.35MPa，
设计温度（罐体内） <100℃，
设计温度（夹套内） <150℃。
按参考文献[1]第九章计算：
液柱静压力p1H=10-6ρgh=0.013MPa
计算压力P1c=P1+P1H =0.213MPa；
液柱静压力P2H==0MPa
计算压力 P2c=P2H+P2c=0.3MPa
焊接接头系数,选取罐体及夹套焊接接头系数 =0.85。
设计温度下材料许用应力：[]t=113 MPa。
罐体筒体计算厚度按式：
夹套筒体计算厚度按式：
封头计算厚度按式：
夹套封头计算厚度按式：
取最小厚度作为计算厚度
腐蚀余量：C2=2.0 mm
罐体筒体设计厚度按式：
夹套筒体设计厚度按式：
罐体封头设计厚度按式：
夹套封头设计厚度按式：
钢板厚度负偏差：C1=0.6mm（按钢板厚度6㎜）
罐体筒体厚度负偏差

2.2.2 稳定性校核(按外压校核厚度)
（1）假设罐体筒体名义厚度 =8mm
厚度附加量按式：
罐体筒体有效厚度按式：
罐体筒体外径按式：
筒体计算长度按式：
系数 ：=1092/1120=0.975
系数 ：=1120/7.2=155.5
经查表得：系数=0.00076
系数B=102MPa

许用外压力按式：

确定罐体筒体名义厚度: =8mm

（2）假设罐体封头名义厚度 =8 mm
按表4-9 钢板厚度负偏差，选取钢板厚度负偏差 =0.8mm
据经验规律，腐蚀裕量 =2.0mm
厚度附加量按式：
罐体封头有效厚度按式：:
罐体封头外径按式：
标准椭圆封头当量球壳外半径按式:
系数按式:
查图4-2 曲线，得系数 =115MPa
许用外压力按式:
确定罐体封头名义厚度：=8mm

（3）水压测试校核
罐体的测试压力
其中Q235-B一般温度下的许用应力157MPa
由此，
=0.347MPa
夹套的水压测试压力

=0.521MPa
材料的屈服点应力
=
=179.8MPa

容器圆筒应力
=
=26.68<179.8MPa
夹套内压试验应力
=
=43.59<179.8MPa
3 反应釜的搅拌装置
3.1 选择搅拌器
搅拌器的型式主要有：桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。
本反应釜搅拌装置的搅拌器采用推进式。
3.2 搅拌轴的设计
搅拌轴一般既承受转矩又承受弯矩，一般先按转矩初估最小轴径，然后根据轴上零件的安装和定位及轴的制造工艺等要求进行轴的结构设计，最后按第三强度理论进行弯扭强度校核。结构设计时要注意，确定的搅拌轴的直径需要圆整到标准直径系列。对于转速＞200r/min的，还要进行临界转速的校核。
（1）材料上轴选用常见材料45号钢。
（2）结构V带传动的上轴一端（第1段）安装有大带轮，另一端安装刚性联轴器，带轮和联轴器均采用平键传动，考虑带轮和联轴器的轴向定位，均加有轴肩，并在轴端采用挡圈轴向固定。上轴采用一对角接触轴承做支点（第3段），轴承两端（第2段和第4段）装有轴承压盖，并采用毡圈密封防尘。
（3）确定最小轴径 由于轴上主要受转矩，故按转矩初估最小轴径，有

轴上开有两个键槽，轴径扩大并圆整后为40mm。
（4）由结构确定其它各段轴径 带轮和联轴器轴向定位的轴肩，取轴端挡圈公称直径为50mm。根据带轮的设计，带轮毂孔的长度为，为了保证轴端挡圈只压在带轮面上而不压在轴的端面上，轴的长度应取略短些，取。带轮和联轴器的连接用平键，查表选用平键12×8×56.
（5）轴承选取 轴承同时承受径向力及轴向力的作用，转速较高，轻载荷，可选用角接触轴承；考虑其安装与调整，采用正装方式。初选轴承为7210C，查表，其尺寸为50×90×20。确定第三段轴径，轴的长度，轴承采用轴肩定位，第4段的轴径为。考虑轴承的密封和固定，第2段轴上装有轴承盖，可选用旋转轴唇型密封圈。轴与轴承内圈采用过渡配合，取其直径尺寸公差为k6。轴承的轴向距离按搅拌釜支承条件确定。
搅拌轴与上轴采用刚性联轴器连接，把两轴当作一个整体进行设计和校核。

3.3搅拌轴强度校核
(1)轴的受力分析如下图：

压紧力，

(2)轴的剪力和弯矩图如下：

（3）轴的扭矩为：

（4）因轴单向转动，可认为扭矩为脉动循环变化，故折合系数，
（5）因此危险截面B处的当量弯矩为：

（6）计算危险截面B处的轴径如下：

又知该处轴径为45mm，轴的强度满足要求。
3.4 搅拌抽临界转速校核计算
搅拌轴上装有搅拌器，往往由于结构不对称、加工安装有误差等原因，使回转中心离开其回转轴线而产生回转离心力，使轴受到周期性载荷干扰。当周期载荷和频率与搅拌轴的自然频率接近时，轴便发生剧烈运动，该现象为轴的共振，产生共振时搅拌轴达到其临界转速。
搅拌轴的转速为，应作临界转速校核。该搅拌轴上装有一层搅拌器，其一阶转速为：

经校核，满足要求。

4 V带轮设计计算
传动的额定功率p=4.4kw
小皮带轮转速为电机转速
大皮带轮转速为已知搅拌轴转速
工况系数查表有=1.2
设计功率
根据和，选取B型带
速比i==3.84
初选小皮带轮直径=125
验算带速
带速在5m/s~25m/s范围内，带速合适
选取滑动率=0.02，则
大皮带轮直径=i（1-）=470.7，由表取直径系列=475mm
初定中心距0.7（+）<<2(+)
即420<<1200
取中心距=450mm
带的基准长度=
圆整到基准系列，取= mm
=+(-)/2 =495
小带轮包角
合适
确定v带根数，查表有，单根v带传递功率
单根普通v带i不等于1时，传递功率增量
包角系数 长度系数

因此，v带为4根。
5 反应釜其它附件

5.1 设备法兰
当筒体与上封头用法兰连接时，常采用甲型平焊法兰连接，这是压力容器法兰中的一种，甲型平焊法兰密封面结构常见平封封面和凹凸封面两种，这里选用凹凸封面。法兰的尺寸见总装配图。

5.2 支座
夹套反应釜多为立式安装，最常见的支座为耳式支座。当设备需要保温或直接支承在楼板上时选用B型或C型，否则选用A型，这里选用B型支座。耳式支座的尺寸按规定选取，材料采用Q235-A。并对其进行相关的强度校核。

5.3 手孔和人孔
手孔和人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备的内部装置。这里由于反应釜尺寸所限，不设人孔，仅设手孔，手孔的直径见总装配图。

5.4 设备接口
化工容器及设备，往往由于工艺操作等原因，在筒体和封头上需要开一些各种用途的孔。
5.4.1 接管与管法兰
接管与管法兰是用来与管道或其它设备连接的。标准管法兰的主要参数是公称通径（DN）和公称压力（PN）。具体尺寸须按设计要求分别选取。
5.4.2 补强圈
容器开孔后由于壳体材料的削弱，出现开孔应力集中现象。因此要考虑补强。
补强圈就是用来弥补设备壳体因开孔过大而造成的强度损失的一种常见形式。补强圈形状应与被补强部分相符，使之与设备壳体密切贴合，焊接后能与壳体同时受力。补强圈上有一小孔，焊后同如压缩空气，以检查焊缝的气密性。补强圈的厚度和材料一般均与设备壳体相同。
5.4.3 液体出料管和过夹套的物料进出口
出料管结构设计主要从物料易放尽、阻力小和不易堵塞等因素考虑。另外还要考虑温差应力的影响。
5.4.4 固体物料进口的设计
由于釜体的内径，因此不需要在釜体的封头上设置人孔，本设计选用板式平焊法兰物料孔。物料孔的尺寸按设计要求选取。
5.5 视镜
视镜主要用来观察内物料及其反应情况，也可作为料面指示镜，一般成对使用。其结构形式查阅相关文献。当视镜需要斜装或设备直径较小时，采用带颈视镜。本设计采用带灯有颈视镜，其尺寸型号见总装配图。

6 设计小结
设计一个反应釜是我们学习《化工设备机械基础》这门课程的一次实践性测试。在本次设计的过程中，我们能够将所学的内容更进一步的了解，同时也加深了我们对于知识的认识，是一个很好的锻炼机会。
由于是初次做化工设备机械设备的课程设计，设计过程中难免遇到各种各样的困难。课程设计不同于书本理论知识的学习，有些问题是实际实践过程中的，无法用理论推导得到，但经过与同学的交流和探讨，查阅文献资料、互联网以及在老师们的指导帮助下，问题都得到很好的解决。
此次课程设计，感谢三位指导老师，感谢她们一直以来对我的支持与帮助，不但教会我解决设计上出现的问题，还教会了我一种认真治学的态度，教会我一些做人的道理，是她们毫无保留的把专业知识传授给我，并鼓励我、帮助我。我一定会谨遵老师的教诲，继续努力，让自己变得更优秀！

参考文献
[1] 郑津洋 董其伍 桑芝富主编，《过程设备设计》 化学工业出版社
[2] 朱家诚 王纯贤主编，《机械设计基础》合肥工业大学出版社
[3] 吴宗泽，《机械设计实用手册》机械工业出版社
[4] 齐 芳. 夹套容器的设计 [J]. 石油化工设计，