搅拌反应釜的设计(2)

一、设计（论文）题目1.2m3搅拌反应釜的设计二、设计（论文）参数及依据设计参数：技术特性工作压力釜内0.3Mpa夹套0.4Mpa工作温度釜内110℃夹套140℃介质釜内液体与液体均匀混合夹套饱和蒸汽腐蚀情况一般腐蚀搅拌型式圆盘涡轮式转速125r/min功率2.0Kw操作容积1.2m3夹套传热面积4.5m2推荐材料Q345管口表编号名称公称直径DN(㎜)a蒸汽进口32b进料50c视镜80d温度计接口65e蒸汽进口32f出料65g冷凝液出口25h手孔150i安全阀40设计依据：《钢制压力容器》（GB150-1998）、《压力容器安全监察规程》、《化工机械基础课程设计》1.绪论搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散,从而达到均匀混合；也可以加速传热和传质过程。在工业生产中，搅拌操作是从化学工业开始的，围绕食品、纤维、造纸、石油、水处理等，作为工艺过程的一部分而被广泛应用。搅拌操作分为机械搅拌和气流搅拌。气流搅拌是利用气体鼓泡通过液体层，对液体产生搅拌作用，或使气体群以密集状态上升借所谓气升作用促进液体产生对流循环。与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体所进行的搅拌是比较弱的，对于几千毫帕.秒以上的高黏度液体是难以适用的。但气流搅拌无运动部件，所以在处理腐蚀性液体，高温高压条件下的反应液体的搅拌是很便利的。在工业生产中，大多数的搅拌操作是机械搅拌。搅拌设备主要由搅拌装置、轴封和搅拌罐三大部分组成。从1-1图中可以看出，一台反应釜大致由：釜体部分、传热、搅拌、传动及密封等装置组成。釜体部分有包容物料反应的空间，由筒体及上下封头组成传热装置是为了送入或带走热量，图中的是夹套传热装置结构。搅拌装置由搅拌器与搅拌轴组成。为了给搅拌传动，就需要传动的装置，用电机经V带传动，蜗杆减速机减速后，在经过联轴器带动搅拌器转动。反应釜上的密封装置有两种类型：静密封是指管法兰，设备法兰等处的密封；动密封是指转轴出口处的机械密封或填料密封等。反应釜上还根据工艺要求配有各种接管口、人孔、手孔、视镜及支座等部件。反应釜的机械设计是在工艺要求确定之后进行的。反应釜的工艺要求通常包括反应釜的容积，最大工作压力，工作温度，工作介质及腐蚀情况，传热面积，搅拌形式，转速及功率，配备哪些接管等几项内容。这些要求一般以表格及示意图形式反应在工艺人员提出的设备设计要求当中。搅拌设备在工业中的作用和地位:化工过程可分为传递过程(热量传递、质量传递的物理过程)和化学反应过程。通常，反应设备都是过程工业的核心设备。本课题之所以介绍搅拌设备，这是因为搅拌设备是一种典型的在静态容器的基础上加入动态机械的特殊设备。搅拌设备在工业生产中应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生产都或多或少地应用着搅拌操作。化学工艺过程的种种变化，是以化学反应物质的充分混合为前提的。对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，也往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备的作用如下：①使物料混合均匀；②使气体在液相中很好地分散；③使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀地悬浮；④使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化；⑤强化相间的传质（如吸收等）⑥强化传热。对于均相反应，主要是①、⑥两点。混合的快慢、均匀程度和传热情况好坏，都会影响反应结果。搅拌设备在石油化工生产中被应用于物料混合、溶解、传热、制备悬浮液、聚合反应、制备催化剂等。例如石油工业中，异种原油的混合调整和精制，汽油中添加四乙基铅等添加物而进行混合使原料液或产品均匀化。化工生产中，制造苯乙烯、乙烯、高压聚乙烯、聚丙烯、合成橡胶、苯胺染料和油漆颜料等工艺过程，都装着各种型式的搅拌设备。搅拌设备大量应用于化学纤维生产中，如聚酯、尼龙等生产装置。搅拌也可以在管路中进行采用在管路中安装装置的办法对气-液系和液-液系进行混合。在石油精制中，也采用使液体流过设置在管路中的锐孔板或挡板，以便使两种液体进行接触。还有在管道中放入搅拌器的，即所谓管道搅拌。2.釜体的选材与设计釜体的材料要满足生产工艺的要求，例如耐压、耐温、耐介质腐蚀，以及保证产品清洁等。由于材料的不同，搅拌容器的制造工艺、结构也有所不同，因此可分为钢制搅拌设备、搪玻璃搅拌设备和带衬里的搅拌设备等。这里釜体材料为Q345，其力学性能热处理状态是固溶，屈服强度Mpa3452.0，抗拉强度Mpa600510b，符合所设计的搅拌工艺要求，所以选用Q345作釜体的材料。2.1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，可以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。2.2确定筒体、封头和夹套的直径与高度反映物料为液-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，这样可以使直径不致太小，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=VηV=ηNV=8.00.1=1.25m3Di=34DiHVπ=3114.325.14=1.14m圆整至公称直径标准系列，取Di=1100mm,封头取相同的内径，确定筒体的高度当DN=1100mm，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=24DiVVhπ=21.1414.3198.025.1=1.11m取H为1.1m，于是H/Di=1,确定夹套的直径搅拌反应釜上的夹套的类型有整体型、半圆管型、型钢型、蜂窝型，在现在采用最多的夹套型式是整体夹套，由于应用广泛，工程上习惯简称为夹套。这种夹套是在罐体的外面再套上一个直径稍大的容器。结构简单方便基本上不需要维修。缺点是换热面积受到罐体几何形状的限制而不能做得太大。整体夹套的结构类型按照对罐体的包覆程度夹套可分为4种类型。I型仅圆筒的一部分有夹套，用在需要加热面积不大的场合。II型为圆筒的一部分和下封头包有夹套。这种夹套是常用的典型结构。III型是为了减少罐体的外压计算长度（当按外计算罐体壁厚时）L，或者为了实现在罐体的轴线方向分段地控制温度、进行加热和冷却而采用的分段夹套，各段之间设置加强圈或采用能够起到加强圈作用的夹套封口件。此结构适用于罐体细长的场合。IV型为全包覆式夹套。与前3种夹套比较具有最大的换热面积。I型II型III型IV型考虑到本课题设计的要求，传热面要求不大，故使用II型圆筒的一部分和下封头包有夹套较为合适。夹套封头根据夹套直径及所选封头型式按标准选取,整体夹套与筒体的连接方式分为两种可拆卸式和不可拆卸式。不可拆卸式夹套（图3-1）的结构简单，密封可靠，主要适用于同一种材料支撑的搅拌设备。如果釜体与夹套用不同的材料制造，两者材料不能用焊接方法连接，或者因操作条件恶劣要求定期检查釜体表面时，应采用可拆连接（图3-2）。本课题设计搅拌反应釜釜体所用的材料Q345与夹套的材料Q345相同且是碳钢制的搅拌设备，所以整体夹套采用不可拆卸式,结构简单，密封可靠。图3-1可拆卸整体夹套结构图3-2不可拆卸整体夹套结构夹套的内径与釜体的内径有关，可按表3－2夹套的内径为：mmDDNj12001001100100；表3-2夹套直径jD与罐体直径DN的关系（mm）DN500～600700～18002000～3000jDDN+50DN+100DN+200夹套的高度jH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6查得筒体每一米的容积mmV/95.031,则夹套筒体的高度估算如下:mVVVHhj84.095.0198.025.18.01取jH为900mm。2.3校核传热面积当ND为1100mm时从文献6表16-5、16-3查得封头内表面积2398.1mFh；筒体一米内表面积2146.3mF，则2215.4512.446.39.0398.11.1mmFFFh计算所得传热面积4.5122m大于工艺要求的4.52m，说明以上确定的夹套高度是可以的。2.4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0.2Mpa，夹套内工作压力为0.3Mpa，则夹套筒体和夹套封头为受0.3Mpa的内压而内筒的筒体和下封头为既承受0.2Mpa的内压同时又承受0.3Mpa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0.3Mpa的外压。2.5计算夹套筒体的厚度夹套筒体与内筒的环焊缝，因检测困难，故取85.0，从安全计夹套上所有的焊缝均取85.0，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：mmCpDpctjcd37.323.01.185.0170212003.01.122夹套的厚度为4mm,圆整至钢板规格厚度并考虑封头的标准，夹套筒体的厚度为mmn4。2.6计算筒体的厚度①承受0.2Mpa内压时筒体的厚度mmCpDpcticd71.222.01.1170211002.01.122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mmn4，则mmCne75.125.24，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0DL及eD0之值。mmDDni110842110020mmhhHL67.106627531251501100311501式中h——标准椭圆封头之边高度，根据mmDi1100由文献6表查得总深度mmhh3001，再由表推荐得mmh25。1h——标准椭圆封头曲面高度，mmh2751。则0DL=96.0110867.1066eD0=1.63375.11108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mmn8，则mmCCne2.528.08210DL=96.0110867.1066eD0=2.51108=213.08由文献［6］图5-19，查得A=0.0005，据此查图3-4得B=6431.008.213640eDBpMpa0.3Mpa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.3.封头的选择凸形封头包括椭圆形封头、蝶形封头、球冠形封头（见图3-1、图3-2、图3-3）和半球形封头（图3-4）。椭圆形封头推荐采用长短轴比值为2的标准型。蝶形封头球面部分的内半径应不大于封头的内直径，通常取0.9倍的封头内直径，封头转角内半径应不小于封头内直径的10%，且不得小于3倍的名义厚度δn。图3-1图3-2图3-3图3-4椭圆形封头是由半个椭球面和一圆筒直边段组成（图2-1），其结构设计充分吸取了半球形封头受力好和碟形封头深度浅的优点，其应用最为广泛。所以选择椭圆形封头。3.符号Di------封头内直径,mm；Dn------封头外直径（Dn=Di+2δn），mm;hi------封头曲面深度，mm;pc------计算压力，Mpa;［pw］------最大允许工作压力，Mpa；Ri------蝶形封头或球冠形封头球面部分内半径，mm;r------蝶形封头过渡段转角内半径，mm;δ------封头计算厚度，mm;δe------封头的有效厚度，mm;δn------封头的名义厚度，mm;［σ］t设计温度下封头材料的许用应力，Mpa;φ------焊接接头系数3.2标准椭圆形封头的计算pctpcDi5.023.3夹套封头厚度计算根据工艺上的工作压力和工作温度