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全日制普通本科生畢業(yè)設計
1.8m3攪拌式反應釜設計
DESIGN 1.8M3AGITATED REACTOR
學生姓名 ：
學 號：
年級專業(yè)及班級：
指導老師及職稱： 副教授
學 部：
提交日期：
全日制普通本科生
畢業(yè)設計誠信聲明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。同時，本論文的著作權由本人與湖南農業(yè)大學東方科技學院、指導教師共同擁有。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。
畢業(yè)設計作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要……………………………………………………………………………1
關鍵詞…………………………………………………………………………1
1 前言……………………………………………………………………………1
1.1 反應器的現狀及發(fā)展前景………………………………………………………1
1.2 攪拌式反應釜結構設計及其工作原理示圖……………………………………2
2 設計條件及設計內容分析………………………………………………………………3
2.1反應釜設計的內容主要有…………………………………………………………3
3 反應釜釜體的設計………………………………………………………………………3
3.1 釜體DN的確定……………………………………………………………3
3.1.1 釜體DN的確定…………………………………………………………3
3.2 釜體筒體壁厚的設計…………………………………………………3
3.2.1 設計參數的確定…………………………………………………3
3.2.2 筒體壁厚的設計………………………………………………………4
3.3 釜體封頭的設計…………………………………………………………4
3.3.1 封頭的選型………………………………………………………4
3.3.2 設計參數的確定………………………………………………………4
3.3.3 封頭的壁厚得設計……………………………………………………4
3.3.4 封頭的直邊尺寸、體積的確定…………………………………4
3.4 筒體長度H的設計……………………………………………………………5
3.4.1 筒體長度H的設計………………………………………………5
3.4.2 釜體長徑比校核…………………………………………………5
3.5 外壓筒體壁厚的設計……………………………………………………5
3.5.1 設計外壓的確定………………………………………………5
3.5.2 試差法設計外壓筒體的壁厚……………………………………5
3.5.3 圖算法設計筒體的壁厚……………………………………………5
3.6 外壓封頭壁厚得設計……………………………………………………6
3.6.1 設計外壓得確定…………………………………………………6
3.6.2 封頭壁厚得計算…………………………………………………6
4 反應釜夾套得設計………………………………………………………………6
4.1 夾套釜體DN，PN得確定…………………………………………………6
4.1.1 夾套釜體DN得確定………………………………………………6
4.1.2 夾套釜體PN得確定………………………………………………6
4.2 夾套筒體的設計…………………………………………………………7
4.2.1 設計參數的確定…………………………………………………7
4.2.2 夾套筒體壁厚的設計……………………………………………7
4.2.3 夾套筒體的高度確定…………………………………………7
4.3 夾套封頭的設計………………………………………………………7
4.3.1 封頭的選型………………………………………………………7
4.3.2 設計參數的確定…………………………………………………8
4.3.3 封頭的壁厚的設計………………………………………………8
4.3.4 封頭的直邊尺寸、體積與重量的確定…………………………8
4.3.5 封頭結構的設計………………………………………………………8
4.4 傳熱面積的校核……………………………………………………………8
5 反應釜釜體及夾套的壓力試驗…………………………………………………9
5.1 釜體的水壓試驗…………………………………………………………9
5.1.1 水壓試驗壓力的確定……………………………………………9
5.1.2 液壓試驗的強度校核………………………………………………9
5.1.3 壓力表得量程……………………………………………………9
5.1.4 水壓試驗的操作過程……………………………………………9
5.2.1 氣壓試驗壓力的確定……………………………………………9
5.2.2 氣壓試驗的強度校核……………………………………………10
5.2.3 氣壓試驗的操作過程……………………………………………10
5.3 夾套的液壓試驗…………………………………………………………10
5.3.1 水壓試驗壓力的確定……………………………………………10
5.3.2 液壓試驗的強度校核……………………………………………10
5.3.3 壓力表的量程、水溫的要求……………………………………10
5.3.4 水壓試驗的操作過程…………………………………………10
6 反應釜附件的選型及尺寸設計…………………………………………………11
6.1 釜體法蘭聯(lián)接結構的設計……………………………………………11
6.1.1 法蘭的設計……………………………………………………11
6.1.2 密封面形式的選型……………………………………………11
6.1.3 螺栓、螺母的尺寸規(guī)格…………………………………………12
6.1.4 法蘭、墊片、螺栓、螺母、墊圈的材料………………………12
6.2 選用手孔，視鏡等和工藝接管的設計…………………………………12
6.2.1 手孔………………………………………………………………12
6.2.2 視鏡………………………………………………………………12
6.2.3 進料管口…………………………………………………………12
6.2.4 溫度計……………………………………………………………13
6.2.5 出料口……………………………………………………………13
6.2.6 安全閥接口………………………………………………………13
6.2.7 冷凝器接口i和壓力表接管e……………………………………13
6.2.8 加熱蒸汽進口………………………………………………………13
6.3 管法蘭尺寸的設計……………………………………………………13
6.3.1 管法蘭的選型…………………………………………………13
6.3.2 管法蘭的尺寸…………………………………………………13
6.4 墊片尺寸及材質………………………………………………………14
6.4.1 墊片的結構……………………………………………………14
6.4.2 密封面形式及墊片尺寸………………………………………15
6.5 手孔的設計……………………………………………………………15
6.5.1 手孔的結構……………………………………………………………15
6.5.2 手孔尺寸……………………………………………………………15
6.6 視鏡的設計……………………………………………………………………16
6.6.1 視鏡的選型……………………………………………………17
6.6.2 視鏡的結構…………………………………………………………17
6.6.3 視鏡的規(guī)定標記、標準圖號、視鏡的尺寸及材料……………17
6.6.4 視鏡標準件的材料應符合表9的規(guī)定………………………………17
6.7 支座的選型……………………………………………………………………18
6.7.1 支座的選型及尺寸的初步設計………………………………………17
6.7.2 支座載荷的校核計算…………………………………………………19
7 攪拌裝置的選型與尺寸設計…………………………………………………………19
7.1 攪拌軸直徑的初步計算………………………………………………………19
7.1.1 攪拌軸直徑的設計……………………………………………………19
7.1.2 攪拌軸剛度校核………………………………………………………19
7.2 攪拌軸臨界轉速校核計算……………………………………………………19
7.3 聯(lián)軸器的型式及尺寸的設計…………………………………………………19
7.3.1 聯(lián)軸器型式的確定……………………………………………………19
7.3.2 聯(lián)軸器的結構及尺寸…………………………………………………20
7.3.3 聯(lián)軸節(jié)的零件及材料…………………………………………………20
7.4 攪拌槳尺寸的設計…………………………………………………………21
7.4.1 槳式攪拌槳的結構……………………………………………………21
7.4.2 槳式攪拌槳的尺寸……………………………………………………21
7.4.3 槳式攪拌槳零件明細表………………………………………………21
7.5 攪拌軸的結構及尺寸的設計…………………………………………………22
7.5.1 攪拌軸長度的設計……………………………………………………22
7.5.2 攪拌軸的結構…………………………………………………………22
8 傳動裝置的選型與尺寸設計…………………………………………………………22
8.1 電動機的選型…………………………………………………………………22
8.2 減速器的選型…………………………………………………………………23
8.3 機架的設計……………………………………………………………………23
8.4 底座的設計……………………………………………………………………24
8.5 反應釜的軸封裝置設計………………………………………………………24
8.5.1 反應釜的軸封裝置的選型……………………………………………24
8.5.2 軸封裝置的結構及尺寸………………………………………………25
9 焊縫結構的設計………………………………………………………………………25
9.1 釜體上主要焊縫結構的設計…………………………………………………25
9.2 夾套上的焊縫結構的設計………………………………………………28
10 固體物料進口的開孔及補強計算……………………………………………………29
10.1 封頭開固體物料進口后被削弱的金屬面積A的計算………………………29
10.2 有效補強區(qū)內起補強作用的金屬面積的計算……………………………30
10.2.1 封頭起補強作用金屬面積A1的計算…………………………………30
10.2.2 接管起補強作用金屬面積A2的計算…………………………………30
10.2.3 焊縫起補強作用金屬面積A3的計算…………………………………30
10.3 判斷是否需要補強的依據…………………………………………………30
11 結論……………………………………………………………………………………31
參考文獻 …………………………………………………………………………………31
致謝………………………………………………………………………………………32
附錄…………………………………………………………………………………………33
33
1.8m3攪拌釜式反應器設計
學 生：李建軍
指導老師：湯興初
(湖南農業(yè)大學東方科技學院,長沙410128)
摘 要：攪拌釜式反應器由攪拌器和釜體組成。攪拌器包括傳動裝置，攪拌軸（含軸封），攪拌槳;釜體包括筒體，夾套和內件，盤管，導流筒等。工業(yè)上應用的攪拌釜式反應器有成百上千種，按反應物料的相態(tài)可分成均相反應器和非均相反應器兩大類。非均相反應器包括固-液反應器，液-液反應器，氣-液反應器和氣-液-固三相反應器。本次設計的釜式反應器適用性廣操作彈性大，是工業(yè)生產中最廣泛使用的反應器。
關鍵詞：反應釜； 釜體； 攪拌器
Design 1.8m3 Stirred Tank Reactor
Author:Li Jianjun
Tutor:Tang Xingchu
(Oriental Science ＆Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)
Abstract：Stirred tank reactor by the stirrer and the reactor body. The agitator gear stirring shaft ( with shaft seal), impeller, kettle body including a cylinder, jacket and coil, draft tube etc. Industrial application of stirred tank reactor, there are hundreds of homogeneous reaction and heterogeneous reactor can be divided into two major categories according to the phase of the reaction materials. The non - homogeneous reactor, including the solid - liquid reactor, liquid - liquid reactor, the gas - liquid reactor and gas - liquid - solid three-phase reaction device. The design of the tank reactor wide applicability of the operating flexibility,the most widely used in industrial production reactor.
Key words：Reactor; Electric; Agitator;
1 前言
1.1 反應器的現狀及發(fā)展前景
反應釜的廣義理解即有物理或化學反應的不銹鋼容器，通過對容器的結構設計與參數配置，實現工藝要求的加熱、蒸發(fā)、冷卻及低高速的混合功能。隨之，反應過程中的壓力要求對容器的設計要求也不盡相同。生產必須嚴格按照相應的標準加工、檢測并試運行。不銹鋼反應釜根據不同的生產工藝、操作條件等不盡相同，反應釜的設計結構及參數不同，即反應釜的結構樣式不同，屬于廢標的容器設備。
不銹鋼反應釜廣泛應用于石油、化工、橡膠、農藥、染料、醫(yī)藥、食品等生產型用戶和各種科研實驗項目的研究，用來完成水解、中和、結晶、蒸餾、儲存、氫化、烴化、聚合、縮合、加熱混配、恒溫反應等工業(yè)過程的容器。
反應釜是綜合反應容器，根據反應條件對反應釜結構功能及配置附件的設計。從開始的進料-反應-出料均能夠以較高的自動化程度完成預先設定好的反應步驟，對反應過程中的溫度、壓力、力學控制（攪拌、鼓風等）、反應物/產物濃度等重要參數進行嚴格的調控。
攪拌釜式反應器，這種反應器是工業(yè)生產中最廣泛采用的反應器形式，適用于各種相態(tài)物料的反應。反應釜中設有各種不同型式的攪拌、傳熱裝置，可適應不同性質的物料和不同熱效應的反應，以保持反應物料在釜內合理地流動、混合和料號的傳熱。攪拌釜式反應器既可間隙操作也可連續(xù)操作或半連續(xù)操作，既可單釜操作，又可多釜串聯(lián)操作。攪拌釜式反應器的使用性廣，操作彈性大，濃度容易控制。它通常由釜體、換熱裝置。攪拌器和傳動裝置等構件組成。[1]
1.2 攪拌式反應釜結構設計及其工作原理示意圖
圖1 反應釜結構及原理圖
Fig.1 the reactor structure and schematic diagram
2 設計條件及設計內容分析
由設計條件單可知，設計的反應釜可操作容積為1.8m3、攪拌裝置配置的電動機功率為1.8KW、攪拌軸的轉速為60r/min、攪拌槳的形式為框式；加熱的方式為用夾套內的導熱油進行電加熱：裝置上設有8個工藝接管、1個視鏡、4個耳式支座、1個人孔（或固體物料進口）。
2.1 反應釜設計的內容主要有：
釜體的強度、剛度、穩(wěn)定性計算和結構設計
夾套的強度、剛度計算和結構設計；
設計釜體的法蘭聯(lián)接結構、選擇接管、管法蘭；
人孔的選型及補強計算；
支座選型及驗算；
視鏡的選型；
焊縫的結果與尺寸設計；
電機、減速機的選型；
攪拌軸及框式攪拌槳的尺寸設計；
選擇聯(lián)軸器；
設計機架結構及尺寸；
設計底蓋結構及尺寸；
選擇軸封形式；
繪總裝配圖及攪拌軸零件圖等。
3 反應釜釜體的設計
3.1 釜體DN的確定
3.1.1 釜體DN的確定
選取反應釜裝料系數η=0.8，由V=V0/η,可得設備體積
V===2.25m3 （1）對于液—液相類型選取H/Di=1.2.由此，估算筒體的內徑為
Di===1.337m （2）
將計算結果圓整至公稱直徑標準系列，選取筒體直徑Di=1400mm。
3.2 釜體筒體壁厚的設計
3.2.1 設計參數的確定
取P=1.1PW （3）
P=1.1PW=1.10.33=0.33MPa
液體靜力壓力：
由于PL=0.1=0.0143<5%P=0.051.10.33=0.01815
因此可以忽略PL 取PC=P=1.10.33MPa
用導熱油加熱取介質最高溫度130oC,查表得取t=150 o
3.2.2 筒體壁厚的設計
假設Sn=6mm 在t=150℃下查得Q235-A材料[]t=113MPa
由S===5.971mm （4）
圓整 S=6mm=Sn 假設合理
3.3 釜體封頭的設計
3.3.1 封頭的選型
球冠形封頭，平板封頭都存在較大的邊緣應力，且采用平板封頭厚度較大，故不宜采用。理論上應對各種凸形封頭進行比較計算，再確定封頭形式。但由于定性分析半封形封頭受力最好壁厚最薄，質量輕，但深度大，制造較難，中低壓小設備不宜采用；蝶形封頭的深度通讀過度半徑r加以調節(jié)，但由于母線曲率不連續(xù)，存在局部應力，故受力不如橢圓形封頭；標準橢圓形封頭制造比較容易，受力狀況比蝶形封，頭好。
因此題目該反應釜的封頭采用標準橢球封頭，類型是EHA
3.3.2 設計參數的確定
P=1.1PW=1.10.4MPa，壓力同釜體PC=P=0.33MPa
=0.6（從安全考慮，檢討上所有焊縫系數都為0.6）
t=150 oC C1=0.6mm C2=1mm
3.3.3 封頭的壁厚得設計
設封頭壁厚Sn=6mm （封頭厚度取與筒體厚度一致）
查表得[]t=113MPa
S==+1.6=4.767mm （5）
圓整Sn=6mm= S
假設合理
3.3.4 封頭的直邊尺寸、體積的確定
查表知EHA的總高度 HF =325mm
對于標準橢圓形封頭直邊高度h2===25mm （6）
h1=350-25=325mm
體積VF=0.3208m3
3.4 筒體長度H的設計
3.4.1 筒體長度H的設計
由上計算的每一米高的筒體積V1=1.327m3
H===1.454m （7）
筒體高度圓整為H=1400mm。
H/D=1400÷1300=1.08，
復核結果基本符合原定范圍。
3.4.2 釜體長徑比校核
H/D=1400÷1300=1.08，
復核結果基本符合原定范圍。
3.5 外壓筒體壁厚的設計
3.5.1 設計外壓的確定
PC=0.1MPa
3.5.2 試差法設計外壓筒體的壁厚
設筒體的壁厚為Sn=6mm Se=Sn-C=6-1.25=4.75mm
D0=Di+2Sn=1200+26=1212mm
由Lcr=1.17 D0（D0/ Se）1/2得Lcr=1.171212(1212/4.75)1/2=22651.3mm
L/=H+(h1-h)/3+h=1140+(325-25)/3+25=1265mmLcr=22651.3mm
該筒體為短圓筒，圓筒的臨界壓力Pcr=2.59E/[L/D0(D0/Se)1/2]
查表15-7得E=1.91105代入
得Pcr=2.591.911053.752/[9451212(1212/4.75)1/2]=0.34522MPa =3.4522Kgf/cm2 （8）
[P]=Pcr/m對于圓筒 m=3 得 [P]=3.4522 /3=1.1507Kgf/cm2
圓筒設計外壓P=1.0Kgf/cm2 （9）
可知[P]>P 則Sn=6mm設計合理。
3.5.3 圖算法設計筒體的壁厚
設筒體的壁厚＝6mm，則：==6-1.25 = 4.75，
=1212，。
在文獻[2]305頁中圖15- 4中的坐標上找到1.102的值，由該點做水平線與對應的線相交，沿此點再做豎直線與橫坐標相交，交點的對應為：≈0.00029。
由文獻[2]307頁中圖15- 7中選取，在水平坐標中找到=2.9×10-4點，由該點做豎線與對應的材料溫度線相交，沿此點再做水平線與右方的縱坐標相交，得到系數的值為：≈37MPa、=1.900×105。
根據=得： ==0.145（）． （10）
因為＝0.1 < ＝0.145，所以假設＝6合理，取封頭的壁厚＝6。
由文獻[2]316頁表16-3知，、＝6的筒體高筒節(jié)鋼板的質量約178，則筒體質量為：178×1.360=242.08（）又知1m高的內表面積
故筒體的內表面積：= （11）
3.6 外壓封頭壁厚得設計
3.6.1 設計外壓得確定
PC=0.1MPa
3.6.2 封頭壁厚得計算
設封頭的壁厚為Sn=6mm Se=Sn-C=4.75mm
對于標準橢球形封頭 K=0.9，Ri=KDi=0.91200=1080mm （12）
Ri/Se=1080/4.75=227.4
計算系數A=0.125/(Ri/Se)= 5.50010-4 由A=5.50010-4可確定B
查表15-7得B=63MPa，E=1.91=1.91105MPa
由[P]=B/(Ri/Se)得[P]=63 /(1080/4.75)=0.2770Mpa=2.770Kgf/cm2
P=1.0Kgf/cm2<[P]=2.770Kgf/cm2假設Sn=6mm合理。
4 反應釜夾套得設計
4.1 夾套釜體DN，PN得確定
4.1.1 夾套釜體DN得確定
Di=Di+100=1300+100=1400mm
所以DN=1400mm
4.1.2 夾套釜體PN得確定
Pw=0.4MPa P=1.1Pw=0.44MPa
4.2 夾套筒體的設計
4.2.1 設計參數的確定
因為釜體內反應物濃度與水相近，故按水計算反應物靜壓，即：
P液==1.01039.81.26510-6=0.0124MPa （13）
（14）
P液不能忽略
PC=P+P液=0.11.1+0.0124=0.1224MPa，
由于夾套內的溫度為125℃～150℃
故取t=150℃，查Q235-A的[]t=113MPa
4.2.2 夾套筒體壁厚的設計
按強度條件設計
由公式Sd=PCDi/{2[]t-PC}+C （15）
得Sd=(0.12241400)/(21130.6-0.1224)+1.0+0.6=2.8642mm
圓整Sd=3mm Sn=Sd
因此假設合理
由PC=0.1MPa<0.3MPa 按強度設計的壁厚不能滿足剛度要求，需按剛度條件重新計算
Di=1500<3800mm Smin=2Di/1000+C2 =4mm
所以Sn=4mm
對于碳鋼制造的筒體壁厚取Sn＝6mm
4.2.3 夾套筒體的高度確定
Hj====1.115m （16）
選取夾套高度Hj=1200mm，則H0=H-Hj=200mm,這樣是便于筒體法蘭螺栓拆裝的。
4.3 夾套封頭的設計
4.3.1 封頭的選型
由所給題目可得封頭采用橢球封頭，類型是EHA
4.3.2 設計參數的確定
因為釜體內反應物濃度與水相近，故按水計算反應物靜壓，即：
P液==1.01039.81.26510-6=0.0124MPa
P液不能忽略
PC=P+P液=0.11.1+0.0124=0.1224MPa
4.3.3 封頭的壁厚的設計
設夾套封頭的壁厚Sn=3mm []t=113MPa C1=0.6mm C2=1mm
由公式Sd=PCDi/{2[]t-0.5PC}+C
得Sd=(0.12241400)/(21130.6-0.50.1224)+1.6=2.864mm
圓整Sd=3mm Sn=Sd
因此假設合理
與筒體取一致，故Sn=4mm
因為Sn=4mm EHA為了便于生產，所以夾套筒體厚度和封頭厚度為6mm。
4.3.4 封頭的直邊尺寸、體積與重量的確定
表1 封頭的尺寸
Table 1 the size of head
公稱直DN/mm
總深度H/mm
內表面積A/m2
容積V/m3
1400
375
2.2346
0.3977
4.3.5 封頭結構的設計
封頭的下部結構如圖2-1。由設備設計條件單知：出料口的＝65，封頭下部結構的主要結構尺寸＝180。
圖2 封頭下部結構
Fig.2 Head lower part structure
4.4 傳熱面積的校核
DN=1300釜體下封頭的內表面積Fh = 1.9340m2
=1300筒體（1m高）的內表面積F1=4.09m2
夾套包圍筒體的表面積FS=F1×Hj = 4.09×1.2=4.908（m2） （17）
Fh+FS= 1.9340+ 4.908 = 6.842 （m2）
由于釜內進行的反應是放熱反應，產生的熱量不僅能夠維持反應的不斷進行，且會引起釜內溫度升高。為防止釜內溫度過高，在釜體的上方設置了冷凝器進行換熱，因此不需要進行傳熱面積的校核。如果釜內進行的反應是吸熱反應，則需進行傳熱面積的校核，即：將Fh+FS = 6.842 m2與工藝需要的傳熱面積F=6.8m2進行比較。+≥，所以不需要在釜內另設置蛇管。
5 反應釜釜體及夾套的壓力試驗
5.1 釜體的水壓試驗
5.1.1 水壓試驗壓力的確定
水壓試驗的壓力：且不小于(+0.1) ， （18）
當＞1.8時取1.8。
PT=1.251.10.581=0.80MPa
PT=0.80MPa>P+0.1=0.68MPa
PT=0.80MPa
5.1.2 液壓試驗的強度校核
由 （19）
得==101.5MPa
查表14-4 =203MPa
得=101.5MPa<0.9=0.92031.0=182.7MPa
因此液壓強度足夠
5.1.3 壓力表得量程
壓力表的最大量程：P表=2PT=20.80=1.60MPa
水溫：t15℃，水中濃度≤25。
5.1.4 水壓試驗的操作過程
在保持釜體表面干燥的條件下，首先用水將釜體內的空氣排空，再將水的壓力緩慢升至0.80，保壓不低于30，然后將壓力緩慢降至0.64 ，并保壓足夠長時間，檢查所有焊縫和連接部位有無泄露和明顯的殘留變形。若質量合格，緩慢降壓，將釜體內的水排凈，用壓縮空氣吹干釜體。若質量不合格，修補后重新試壓直至合格為止。
5.2 釜體的氣壓試驗
5.2.1 氣壓試驗壓力的確定
由公式PT=1.15P得PT=1.151.10.581=0.7337MPa （20）
5.2.2 氣壓試驗的強度校核
由公式 （21）
得==93.045MPa
=93.045<0.9=0.92031.0=182.7MPa
因此氣壓強度足夠
5.2.3 氣壓試驗的操作過程
做氣壓試驗時，將壓縮空氣的壓力緩慢升至0.05MPa時，保持5min進行初檢合格后繼續(xù)升至0.367 MPa，其后按每級0.07337MPa為級差升至0.7337MPa，保持10min，然后降至0.6383 MPa并保持足夠長時間同時進行檢查，如有泄露，修補后重新進行試驗，至合格為止。
5.3 夾套的液壓試驗
5.3.1 水壓試驗壓力的確定
且不小于(+0.1) ，當＞1.8時取1.8。
PT=1.251.10.11=0.1375MPa
因為PT
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