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沙洲职业工学院毕业设计（论文）1前言1、课题的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、缩合等工艺过程的压力容器，材质一般有碳锰钢、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。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。搅拌机的操作性能直接关系到产品的质量、能耗和生产成本，工程界和学术界对搅拌混合都非常重视，进行了大量的研究工作，取得了不少的研究成果。搅拌器是化学工程和生物工程中最常见也是最重要的单元设备之一。目前，搅拌器的选型和内构件的设计在很大程度上依赖试验和经验，对放大规模还缺乏深入的认识，对于能耗和生产成本只能在一定规模的生产装置上对比后才能得出结论，由于对产品的回收率和质量要求越来越高，对搅拌器的研究日趋深入，已从早期对搅拌功率和混合时间的研究，20世纪80年代对反应釜内的流体速度场分布的研究，进入20世纪90年代以来的搅拌釜内三维流场的数值模拟研究。流场数值模拟必须在深入进行流体力学研究的基础上，综合考虑流体流动的三维性、随机性、非线性和边界条件不确定性。通过数值模拟不但可以解决反应器的放大机理，而且可以优化设计开发新型高效搅拌器，使机械搅拌器的设计理论更加完善。对于不同的介质，不同的化学反应过程，要求搅拌装置的结构和搅拌速度不同，根据不同的场合一般分为以下几种情况：1、液-液互溶系统的场合，一般采用低速搅拌就能足够完成，这种场合常用浆叶式搅拌装置。2、液-液互不相溶的场合，这种场合则需要强烈的上下翻滚，常用浆叶搅拌器，在釜体内加有一定形状的挡板，或采用推进式搅拌器。3、反应介质里有少量的固体且不易沉降时可采用比较缓和的搅拌，反之当反应介质或反应过程的生成物中固体较多，且容易沉降时必须采用强烈的上下的翻动的搅拌，这些搅拌均属于固-液相的搅拌系统。沙洲职业工学院毕业设计（论文）22、课题的来源、研究目的课题来源于本人顶岗实习单位——张家港化工机械股份有限公司的实际课题。研究目的：设计一台常温常压下使用的搅拌类的无夹套反应釜；通过这个简单的反应釜的设计，熟悉反应釜的基本设计思路和方法，能了解并掌握该设备的传动结构的设计及其相关工艺。通过本次设计使自己对反应釜的相关设计工艺有全面的了解，并掌学会了这压容器设计的总体流程及相关准则的参考。在本人设计的课题中搅拌器中所搅拌的介质是二甲苯，在该设备要求中反应搅拌机的目的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、课题的研究内容、方法研究内容：1、反应釜的设计方案的分析和拟定2、反应釜釜体的分析和设计3、搅拌装置的选用4、传动装置的设计沙洲职业工学院毕业设计（论文）3第一章反应釜的设计方案的分析和拟定第1.1节反应釜的相关设计要求设计技术特性表密度（Kg/M³）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℃）搅拌目的搅拌均匀设计容积(m3)3．0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dⅡBT4搅拌转速(r/min)281叶端线速度(m/s)6.6物料流动方向向下沙洲职业工学院毕业设计（论文）4第1.2节设计方案的分析和拟定根据任务书中的要求，一个无夹套反应釜主要有搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管等一些附件构成。而搅拌容器即为罐体。搅拌装置分为搅拌器和搅拌轴，根据任务说明书的要求本次设计搅拌器为推进式搅拌器；考虑到机械轴封的实用性和应用的广泛性，所以轴封采用机械轴封。在阅读了设计任务书后,按以下内容进行无夹套反应釜的机械设计。（1）总体结构设计。根据工艺的要求，并考虑到制造安装和维护检修的方便来确定各部分结构形式。（2）传动系统设计，包括选择电机、确定传动类型、选择联轴器等。（3）搅拌器的设计。①根据工艺参数确定各部几何尺寸；②考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体材料；③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有关零部件。（5）绘图，包括总图、部件图。沙洲职业工学院毕业设计（论文）5第二章反应釜釜体的设计反应釜是由罐体和搅拌装置两大部分构成，罐体是反应的核心，为物料完成搅拌过程提供一个空间。釜体的设计包括罐体材料的选取，罐体的几何尺寸（包括内直径Di、高度H、容积V及壁厚δ）的计算，强度校核等。第2.1节罐体的结构设计罐体采用立式的圆筒形容器，由筒体和封头构成。通过支座安装在基础平台上。封头一般采用椭圆形封头。而为了拆卸清洗方便，上部采用平盖法兰与筒体连接，下部采用椭圆封头与筒体连接。反应釜釜体主材预选用GB24511-2009的牌号06Gr19Ni10美标ASME（2007）SA240型号304对于直立的反应釜来说，釜体的设备容积通常是指圆柱形筒体及下封头所包含的容积。罐体为一个提供化学反应空间的容器，由于化学反应一般都要吸收或放出热量，因此会在容器的内部或外部设置加热或冷却结构的装置。但是因为本次设计的反应釜的主要作用是将二甲苯搅拌均匀，属于物理反应，因此本次设计没有设置冷却或加热装置。图2-1反应釜结构图第2.2节罐体几何尺寸计算一、筒体尺寸的确定1、筒体内径（Di）的计算由于罐体全容积V与操作时物料熔剂V0的关系为：V0=η*V————————(2-1)1-封头2-筒体3-支座4-平盖封头5-搅拌机构沙洲职业工学院毕业设计（论文）6则V===3.75≈3.8M3根据实际经验,几种搅拌反应器罐体的长径比如表2-1[1]所示表2-1几种搅拌反应器罐体的H/Di值种类设备内物料类型H/Di一般搅拌器液-固或液-液相容物料1―1.3气-液相容物料1―2发酵罐类1.7―2.5筒体内径Di的估算：———————————————————（2-2）式3-1中i为长径比即：，根据表2-2-1可查的，i=1.3，先忽略罐底封头容积,则可认为V筒=V即：V=3.8M3=3.8×106mm3则：Di≈1549mm,将Di圆整到公称直径系列，则：Di=1500(mm).2、筒体厚度（δn）的计算已知：工作温度Tc=25℃设计压力pc=0.125Mpa在25℃下06Gr19Ni10的许用应力[σ]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]δe=≈8.054mm———————————————（2-3）[2]查得：负偏差C2=0.8mm腐蚀裕量C2=0mm[2]名义厚度δn=δe＋C1＋C2＋Δ=10mm二、封头尺寸的确定1、封头内径的计算椭圆封头选取标准件，则它的内径与筒体内径相同，即封头内径DN=Di=150mm[1]。对于标准椭圆封头，长轴与短轴的比值为2:1[1]，即短轴为750mm2、封头厚度计算由公式δe=——————————————————————（2-4）图2-1立式搅拌器沙洲职业工学院毕业设计（论文）7K——椭圆封头形状系数，K=[2+()2]，其值列于表2-2-2[2]，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[σ]t——在设计温度下材料许用应力，其值查参考文献2可得[σ]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δe=≈8.05mm由于≤2的椭圆封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%，即δe≥2.25计算名义厚度δn=δe+C1+C2+Δ查得：负偏差C1=0.8mm腐蚀裕量C2=0mm[2]故封头厚度取δn=10mm故可查参考文献[1]表9-6得：封头直边段高度取40mm[1]即封头的内径DN=1500mm直边高度h2=40mm容积V≈0.45m3三、确定筒体的高度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=(V－V封)/Vim[1]式中V封------------封头容积：V封=0.45m3Vim-----------1m高筒体容积：Vim≈1.767m3/m得：Hi=(3.8-0.45)/1.767≈1.895m圆整后的Hi=1.9m=1900mm按筒高圆整后修正实际容积：V=Vim×Hi+V封=1.767×1.9+0.45=3.8573m33.8m3——————————(2-5)第2.3节反应釜的强度计算反应釜几何尺寸确定后，要根据已知的公称直径，设计压力和设计温度进行强度计算沙洲职业工学院毕业设计（论文）8确定罐体及筒体和封头的厚度。强度计算中各参数的选取及计算，均应符合GB150-1998《钢制压力容器》的规定。一、筒体强度校核计算已知：Tc=25℃pc=0.125Mpa[σ]t=137MPa=0.80≈8.054mm———————————————————(2-6)负偏差C2=0.8mm腐蚀裕量C2=0mm名义厚度δn=S＋C1＋C2＋Δ=10mm筒壁的应力校核==11.703MPa[δ]t———————(2-7)即筒体选用06Gr19Ni10同一数字代号S30403，厚度δ=10mm，强度能够达到所需，符合设计要求。二、封头厚度校核计算由于δe===8.052mm———————(2-8)同理名义厚度：δn=δe＋C1＋C2＋Δ=10mm由椭圆壳体的应力分析可知，椭球壳体上的应力分布是变化的，应力分布随点的位置不同而不同。当≤2时，最大薄膜应力在椭球壳的顶点，其值为：—————————（2-9）[1]代入数值得：即封头选用06Gr19Ni10同一数字代号S30403，厚度δ=10mm，设计强度达到使用要求。沙洲职业工学院毕业设计（论文）9第三章反应釜的搅拌装置搅拌装置由搅拌器、轴及其支撑组成。搅拌器的形式很多，根据任务说明书的要求，本次设计采用的是推进式搅拌器。推进式搅拌器的特点是能使液体产生激烈流动及湍流运动的性能很高。推进式搅拌器的主要运用范围是搅拌及混合绝对粘度小于36000厘泊的各种流动性的液体，以及制成乳浊液或悬浮液。[3]推进式搅拌器机械设计的主要内容是：确定搅拌轴的直径、搅拌器直径、搅拌器与搅拌轴的连接结构。进行搅拌轴的强度设计和临界转速校核、选择轴的支撑结构及材料的选用。由于介质具有一定的腐蚀性，搅拌装置的材料选用与反应罐主体材料相同的材料06Gr19Ni10同一数字代号S30403。由前三章的相关设计得知反应釜净直径Di=1500mm，净高H=1900mm；工作温度：25℃；工作压力：0.125MPa；搅拌目的：搅拌均匀。第3.1节搅拌器形式的确定根据实际生产要求，初步设定搅拌器为两层搅拌，采用三叶开启涡轮式搅拌器(又称为螺旋推进式搅拌器）。图3-2推进式搅拌器图3-1搅拌装置沙洲职业工学院毕业设计（论文）10搅拌器直径Dj取标准值，即搅拌容器直径的三分之一：[4]Dj=Di/3=1500m/3=500mm————————————（3-1）底间距（C）即搅拌器距容器底部高度，通常底间距与搅拌容器内径比值一般在0.05~0.3范围内选取[4]。则C=（0.05~0.3）Dj=15~150mm——————————（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的前提下，该比值尽量取得最小。但是考虑到实际生产中容器底部会出现一定量的沉积物，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的深度（S），搅拌器浸入液体内的最佳深度为：[2]——————————（3-3）对于双层搅拌器，搅拌器层间距（Sp）与桨径之比一般为0.