攪拌反應釜的釜體設計及夾套設計

1、攪拌反應釜的釜體設計及夾套設計2.1概述夾套式反應釜的釜體是由封頭、筒體和夾套三部分組成。封頭有橢圓形封頭 和錐形封頭等形式。上、下封頭與筒體常為焊接。2.2釜體材料的選擇根據(jù)工藝參數(shù)及操作條件（見附錄 2 ）確定封頭、筒體及夾套的材料。此設 計的釜體材料選用0Cr18Ni9與夾套材料選用Q235-B，熱軋鋼板，其性能與用 途見表2-1 0表2-1 Q235-B性能與用途材料性能用途舉例溫度20 C左右情況下用， 抗拉強度：廣泛應用于常、低壓370-500MPa壓力容器的筒體、力口Q235 B伸長率：26% （厚度40mm以下）強板、支座等方面的沖擊功： 27J （試驗溫度 20 °

2、 ）材料選用冷、熱加工性能好，無磁性和好的低溫性廣泛應用于化工設0Cr18Ni9能。具有足夠的耐晶間腐蝕能力備，工業(yè)設備，常、低壓壓力容器的筒體等方面的材料選用由工藝參數(shù)及操作條件和表2-1可知，0Cr18Ni9和Q235 B材料能夠滿足 任務書中的設計溫度、設計壓力。在操作條件下， Q235B能使設備安全運轉， 并且不會因腐蝕而對介質產生污染， 而且相對與其他鋼號價格便宜，所以本設計 釜體材料選用0Cr18Ni9與夾套材料采用Q235-B，熱軋鋼板。2.3封頭的選擇攪拌反應釜頂蓋在受壓狀態(tài)下操作常選用橢圓形封頭，本設計采用橢圓形標 準封頭，直邊高度h 45mm，其內徑取與筒體內徑相同的尺寸。

3、橢圓形封頭是由半個橢圓球體和一個圓柱體組成， 由于橢圓部分徑線曲率平 滑連續(xù)，封頭中的應力分布不均勻。對于ab 2得標準形封頭，封頭與直邊的連 接處的不連續(xù)應力較小，可不予考慮。橢圓形封頭的結構特性比較好。2.4釜體幾何尺寸的確定釜體的幾何尺寸是指筒體的內徑 Di和高度H。釜體的幾何尺寸首先要滿足 化工工藝的要求。對于帶攪拌器的反應釜來說，容積V為主要決定參數(shù)。確定筒體的內徑由于攪拌功率與攪拌器直徑的五次方成正比，而攪拌器直徑往往需隨釜體直徑的增加而增大。因此，在同樣的容積下筒體的直徑太大是不適宜的。 對于發(fā)酵類物料的反應釜，為使通入的空氣能與發(fā)酵液充分接觸，需要有一定的液位高度, 筒體的高度

4、不宜太矮。因此，要選擇適宜的長涇比（H d）。根據(jù)釜體長徑比對攪拌功率、傳熱的影響以及物料特性對筒體長徑比的要求，又由實踐經(jīng)驗，針對一般反應釜，液一液相物料，H D 取值在之間，并且考慮還要在封頭上端布置機座和傳動裝置，因此，取H ° =2.3 o由 << 攪拌設備設計 >> 可知:4V(2-1 )有：操作容積=全容積0.8=6.4m3; H 筒體高度，m ； Di 筒體內徑;式中：V操作容積,裝料系數(shù)，取值為0.8則:=34 6.4i = ；0.8 2.3=1.638 m將Di值圓整到標準直徑，取筒體內徑 Dj =1600 mm確定筒體的高度由攪拌設備設計可

5、知:H V 2Vh A（V Vh） （2-2）Di / Di i4式中：Vh下封頭所包含的容積，在材料與零部件中查得，Vh =0.61746 4H（0.617）1.62 .0.8=3.689 m把H i的值圓整到H =3700 mm，貝歸370016002.32.5夾套的結構和尺寸設計常用的夾套結構形式有以下幾種：（1）僅圓筒部分有夾套，用于需加熱面積 不大的場合；（2）圓筒一部分和下封頭包有夾套，是最常用的典型結構；（3）在圓筒部分的夾套中間設置支撐或加強環(huán)， 以提高內筒的穩(wěn)定性，在夾套中介質壓 力較大時，由于這種結構減小了內筒的計算長度，從而減小了筒體的壁厚；（4）為全包式夾套，與前三種相

6、比，傳熱面積最大。本設計中夾套的結構選擇第一種 最最常用的典型結構。夾套上設有介質進出口。當夾套中用蒸汽作為載熱體時，蒸汽一般從上端進 入夾套，冷凝液從夾套底部排出，如用液體作為冷卻液時則相反，采取下端進， 上頓出，以使夾套中經(jīng)常充滿液體，充分利用傳熱面，加強傳熱效果。確定夾套與封頭的內徑夾套的內徑Dj 一般按公稱尺寸系列選取，以利于按標準選擇夾套封頭，具體可根據(jù)筒體直徑Di按表2-2中推薦的數(shù)值選用。表2-2夾套內徑與筒體內徑的關系Di50060070080020003000DjDi+50Di +100Di +200由此關系可?。篋j = Di+200= 1600 200= 1800 mm則

7、:Hi =確定夾套筒體高度由于：S 夾=DiH1 + S封（2-3）則：H1 =S夾頭寸:二-（2-4）D1已知：傳熱面積22S夾=12 m，封頭的內表面積S- = 2.98mS夾S封=12 2.98=3.14 1600=2600mm圓整后?。罕?2600 mm。2.6釜體和夾套的壁厚的確定釜體和夾套的強度和穩(wěn)定性設計可按內、外壓容器的設計方法進行。本設計中，釜體的筒體與其下封頭按承受內壓和外壓分別進行計算，釜體內 壓設計壓力為0.21 MPa，釜體外壓設計壓力為0.315 MPa。夾套的筒體以及釜體 的上封頭按內壓容器設計，其設計壓力為 0.21 MPa。釜體的筒體壁厚計算（1）首先對筒體按

8、照承受0.21 MPa的內壓進行計算PD由于：td十 C2 （ 2-5）2P式中：td為內壓筒體設計厚度；P為設計壓力，P = 0.21 MPa ； Di為筒體內徑，mm；t為Q235 B熱軋鋼板，在設計溫度下的許用應力，、137 MPa ；為焊縫系數(shù)，采用雙面焊縫，局部無損探傷，=0.85 ； C2為腐蝕裕度，取值為0 mm。將上述各值代入(2-5)中得:td圓整后，取名義厚度tn = 6 mm o0.21 16002 137 0.85 0.210.82.24mm(2) 按照承受0.315 MPa的外壓進行計算 設筒體的有效厚度te = 10 mm則：D =1600 2 10 1620mm然

9、后確定 %，D/te 的值由于 h1 = 450 mm， D = 1620 mm因本結構沒有下封頭，所以：= 2600所以:在化工設備機械基礎中查圖可知：A=0.0005，B=50 MPa則:0.308 MPa <0.315 MPaB _ 50D 162te由此可知：壁厚不符合要求，需增加壁厚計算再設筒體的有效厚度te _ 12 mm則：D _ Di+2te_1600 2 12 1624mmLD _260016241.6Dte_162412_135.3查圖得 A= 0.0005, B= 64.3 MPa則：P=d=64%35.3= 0.470.315Mpa/te可知：te=12mm時，滿

10、足外壓穩(wěn)定性要求綜上所述可知，釜體的筒體名義厚度tn取12 mm。釜體的封頭厚度計算（1）首先對封頭按照承受0.21 MPa的內壓進行計算已知：P=0.21MPa，Di = 1600mm，0.85，采用雙面焊縫，100% 無損探傷， 七= 137 MPa，C=C1 C2 C3 = 0.8 0 00.8將上述各值代入下列計算式中，得：PDit封t !C（ 2-6）20.5P0.21 1600= 0.82 137 0.850.5 0.21=2.3 mm考慮到封頭與筒體的焊接方便，取封頭與筒體相等壁厚，即取封頭壁厚名義厚度 tn = 12 mm。因本結構沒有夾套下封頭，所以不用按照外壓進行計算封頭厚

11、度。夾套的筒體壁厚計算夾套筒體按承受0.21 MPa的內壓計算由于：PDjtdC （ 2-7）2P式中：P=0.21 MPa，Dj = 1800 mm，t=113MPa，0.85，C=C1C2 C3= 2.8 mm將上述各值分別代入（2-7）式中，得:0.21 1800=2 113 0.85 0.21=4.77 mm2.8圓整后取tn=8mm。水壓試驗校核（1）試驗壓力根據(jù)設計規(guī)定：Pt = 1.25Pr MPa或 P+0.1 MPa （2-8）取兩者中較大的值。式中：Pt 試驗壓力，MPa ；P對釜體試驗壓力,P = 0.26 MPa，對夾套試驗壓力,P = 0.39 MPa，則：釜體試驗壓

12、力和夾套試驗壓力分別為0.26 MPa 和 0.39 MPa。（2）內壓水壓試驗對于釜體，根據(jù)式:PtDite(2-9)式中：Pt = 0.26 MPa，Di = 1600mm，te = tn C =12 0.8=11.2mm則：_ 0.261600 11.2T =22.4=18 MPaT2te而 90% S 0.9 235211.5 MPa式中：一1可見T90% s,所以水壓試驗強度足夠 對于夾套，把 Pt = 0.39 MPa , Di = 1800mm ,te = tn C =8 2.8= 5.2 mm 代 入（2-10 ）中得：_ 0.391800 5.2T =2 5.2= 67.7

13、MPa而 90% S 0.9 235211.5 MPa可見T 90% S，所以水壓試驗強度足夠。 對于釜體封頭，根據(jù)式：T=吐衛(wèi)嚴（2-10） 式中：PT = 0.26 MPa， Dj = 1600mm， K1 = 0.9 te = tn C = 12 2.8= 9.2 mm則:=0.26 0.9 1600 0.4 9.2=2 9.2= 16.6 MPa而 90% s 0.9 235211.5 MPa可見T 90% s，所以水壓試驗強度足夠綜上所述，內壓水壓試驗安全（3）外壓水壓試驗對于釜體由于 te tn C 12 0.811.2mmD Di 2te 16002 11.21622.4mm則:

14、1622.411.2144.86LD26001622.41.6在化工設備機械基礎查得A= 0.00049，B=63MPa。故許用應力P = BDte6 = 0.43 MPa144.86PT = 0.26 MPa可知外壓水壓試驗安全Pt，則作水壓試驗時應在釜體內充壓，以防止釜體筒體失穩(wěn)。計算結果的統(tǒng)計如下表2-3表2-3釜體夾套筒體壁厚12mm8mm封頭壁厚12mm傳熱面積的校核2又工藝要求夾套傳熱面積為12m?？芍獙嶋H總傳熱面積大于工藝要求的傳熱面積，滿足傳熱要求，（如果其小于工藝要求的傳熱面積，則應再釜體內設置其他換熱裝置）。3反應釜攪拌裝置的設計3.1概述攪拌器又稱攪拌槳或葉輪，它的功能是

15、提供過程所需要的能量和適宜的流動 狀態(tài)以達到攪拌的目的。本設計中，攪拌介質為有機溶，=1000kg m3，= lPa.S。3.2攪拌器的選型一攪拌設備設計攪拌器的型式是根據(jù)攪拌的目的來選擇的，本設計選用六直葉圓盤渦輪式。原因有以下幾點： 根據(jù)不同的攪拌過程的攪拌器型式，可選用表3-1中的幾種攪拌器型式表3-1攪拌目的擋板條件推薦型式液一液相分散不互溶的液體及在其中強化傳質和進行化學反應有擋板槳式、渦輪式、推進式由于其攪拌目的及擋板條件均與本設計的攪拌介質相符，所以選用上表所推薦的型式之一渦輪式式攪拌器。 液體的粘度對攪拌狀態(tài)有很大影響，所以根據(jù)攪拌介質的粘度大小來選 型是一種基本方法，在本設計

16、中所選介質的粘度為=1 Pa.S，屬于低粘度介質,而本設計所選的圓盤渦輪式，由于其結構簡單且用擋板可改善流型， 所以在低粘 度時應用較普遍。 根據(jù)渦輪式攪拌器型式的適用條件，表 3-2所示：表3-2槳式攪拌器型式的適用條件攪拌 器 型 式流動狀態(tài)攪拌目的槽 容 量 范 圍轉速 范 圍最 高 粘 度對 流 循 環(huán)湍流 擴 散剪切流低 粘 度 液 混 合溶解結晶傳執(zhí)八、液相 反 應槳式000000001-30010-3002備注：表中“0”表示適合。根據(jù)上表可知渦輪式攪拌器適用的條件與本設計的相應條件相符，其中流體的流動狀態(tài)三者兼有，攪拌目的為低粘度液體混合，槽容量為8 m3，轉速為60 r mi

17、n，選用渦輪式攪拌器。3.3攪拌器的尺寸及攪拌層數(shù)的確定331攪拌器的尺寸確定根據(jù)槳徑dj與釜體內徑之比，一般渦輪式攪拌器di D =0.35 0.8,本設計取= 0.5，則渦輪徑 dj =1600 0.5800 mm。攪拌器示意圖如圖3-1所示圖3-1攪拌器示意圖8001汁61攪拌層數(shù)的確定安裝在攪拌設備中心的各種攪拌器，當液體粘度不高時，攪拌器轉速足夠高 時，切向流會形成“圓柱狀回轉區(qū)”，另外，在釜體內的離心力作用下甩向器壁， 使周邊液體沿器壁上升，而中心液面下降形成“旋渦”，為了消除湍流狀態(tài)時的“圓 柱狀回轉區(qū)”和打旋現(xiàn)象，可在反應器內安裝擋板。本設計在器壁上安裝4塊互成90角的擋板，如

18、圖3-2所示。擋板的作用： 將切向流動轉變?yōu)檩S向流動，對于釜體內液體的主體對流擴散、軸向擴散和 徑向流動都是有效的；綜上所述，本設計采用雙層槳。3.4攪拌器的位置確定槳葉為一層，安裝位置如圖2-3所示，接近封頭與筒體的連接處3.5攪拌器的功率計算反應釜的尺寸和內部附件以及攪拌器功率是攪拌器形狀、轉速、液體性質、 攪拌器在反應釜內的位置的函數(shù)。根據(jù)永田進治公式進行計算：當無擋板時攪拌器功率的計算式為：Np 30.66N A 廠 101.2Re= B 5 3 0.66 n djRe103.2 Re0.35 上Di1 2sin .（ 3-1）當有擋板時，把上式中的Re換成上式中：A25Rcb/Did

19、iDi0.4bDi0." bDi0.004814+bDi 670 di Di20.6185 ；仁3 4 bD1020.51.14 少Di24P-T.1 4 bDi 2.5 di o 0.67 b p,，仏=1001600 = °.0625, diDi=8001600=0-5 ；槳葉傾斜角，平槳=90 ;B 槳葉寬度，m ；H 葉層深度，m首先將bD和di D的值代入Rc、A、B和P中，得:0.11 bD 0.0048bDi250.062520.5 0.40.06250.11 0.0625 0.0048= 34.122A = 14+ 0.0625 670 0.5 0.6185

20、=2621.3 4 0.0625 0.51.14 0.5B= 10=0.9P = 1.1 4 0.0625 2.5 0.5 0.6 212t5 0.0644= 1.324然后將Rc、A、B和P的值分別代入N p得計算式中，得:30 661.3240.35 0.625“ 26cc 101.234.12 .2.6N p =0.930.6634.12103.234.121.6= 1.83 KW修正后攪拌器的攪拌器的功率應按下式計算N = fNp n3dj5（3-2）式中：修正系數(shù)11則：N=1.83 100060 350.860=0.6 KW3.6攪拌軸的設計攪拌軸材料的選擇本設計選用45#鋼為攪拌

21、軸的材料。原因如下：45#鋼為高強度中碳鋼，其特點是強度較高，塑性及韌性較好， 切屑性優(yōu)良，經(jīng)調質處理，獲得較好的綜合機械性能。軸的支承條件設計一般情況下，攪拌軸依靠減速箱內的一對稱軸支持，但是，由于攪拌往往較長而且懸伸在反應器內進行攪拌操作，當攪拌軸懸臂過長而細時，常會將軸扭彎， 使其離心力作用增加，最后達到完全破壞。懸臂的支撐條件如下：（如圖3-4所示）Lib 4-5 ； Lld 40-45式中：Li為懸臂長度軸，m ;B為軸承間距，m ；d為攪拌軸直徑，m。本設計中：已知 L1 = 3700 mm，B=900mm，d= 85 mm則：L% = 370%00 = 4.1，L% = 37o%5 = 43.53由此可知滿足支承條件。圖3-4攪拌軸的支撐圖攪拌軸的強度計算對攪拌軸來說，它承受扭轉的和彎曲的聯(lián)合作用， 但扭轉作用為主，軸承受 扭轉時的強度條件是：maxMtWp(3-3)Nd把Mt = 9551 e和Wp = 代入(2-3)式中，得:n16,i Ne s ,、d= 36.5 3 e (3-4),n(3-3 )和(3-4)式中：max為截面上最大剪應力Pa ；Mt為軸傳遞的扭矩，Nm ;Wp為抗扭截面系數(shù)，m3 ；為降低后的許用剪應力，MPa，已知：=30 MP