高温高压腐蚀反应釜课程设计.doc

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1、目 录1 设计方案的分析和拟定（3）2. 反应釜釜体的设计（4）2.1罐体和夹套的结构设计（4）2.2 罐体几何尺寸计算（5）2.2.1确定筒体内径和高度 （5）2.2.2 确定筒体的厚度（5）2.2.3 确定封头的厚度（6）2.3 反应釜夹套的选择（7）2.4 夹套几何尺寸的计算 （7）2.5 按内压对筒体和封头进行强度计算（8）2.6 按外压对筒体和封头进行强度校核（8）2.7水压试验校核计算（12）3反应釜的搅拌装置 （12）3.1 搅拌器型式的选择 （13）3.2 搅拌轴设计 （13）4 反应釜的传动装置（14）4.1 常用电机及其连接 （15）4.2 釜用减速机类型，标准及其选用（1

2、5）4.3 机座的设计（16）4.4 底座的设计 （17）4.5 联轴器 （18）4.6 轴封装置 （18）5 反应釜内表面的防腐蚀措施（19）6 反应釜的其他附件 （19）6.1 支座 （20）6.2 设备接口 （20）7 本设计的改进和建议 （20）8 反应釜的装配图 （21）9 设计参数汇总 （21）参考文献 （21）高温高压腐蚀试验评价釜的设计 课程设计是培养学生设计能力的重要实践教学环节，通过裸程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决生产实际问题的能力。当学生首次完成该课程设计后，应达到一下几个目的： （1）熟练掌握查阅文献资料、收集相关数据、

3、正确选择公式。（2）在兼顾技术先进性、可行性、经济合理的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全可行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。 （3）用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图表来表达自己的设计思想和计算结果。设计要求和设计指标：设计最高工作150C； 设计工作压力：20MPa； 容积：5L； 釜内介质：二氧化碳，高矿化度中性水介质1 设计方案的分析和拟定 根据任务书中的要求，一个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。而搅拌容器又可以分为罐体和夹套两部分。搅拌装

4、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浆式搅拌器；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,按以下内容和步骤进行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）搅拌器的设计。 根据工艺参数确定各部几何尺寸； 考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体和夹套材料； 对罐体、夹套进行强度和稳定性计算、校核；（3）传动系统设计，包括选择电机、确定传动类型、选择联轴器等。（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。（6）编制技术要求，提出制造、装配、检验和试

5、车等方面的要求。2. 反应釜釜体的设计 反应釜是有罐体和夹套两部分构成，罐体是反应的核心，为物料完成搅拌过程提供一个空间。夹套为反应的操作温度提供保障，是一个套在罐体外的密封空间容器。此设计中采用Q235-A钢，其在150。C许用应力为113MPa。2.1罐体和夹套的结构设计罐体采用立式的圆筒形容器，有筒体和封头构成。通过支座安装在基础平台上。下封头与筒体的连接采用焊接连接。而为了拆卸清洗方便，上封头采用法兰与筒体连接。夹套型式与罐体大致一致。2.2 罐体几何尺寸计算2.2.1确定筒体内径和长度一般有工艺条件给定容积V、筒体内径Di 估算： 式中i为长径比即： ，长径比的值可根据釜的形状和标准

6、来确定。由表可知，长径比在反应釜中常取1.02.0，则此设计中取为1.2，且知道V=510-3 m3,得Di =0.174m即Di =174mm，根据GB9019-2001压力容器公称直径标准取Di =159mm钢管做筒体，筒底采用半球形封头，则下封头直径为159mm，半球型封头容积为2.1L，则直钢管的容积为2.9L，深度为182.4mm，整取为H1=183mm。则筒体总长度为262.5mm。2.2.2 确定筒体的厚度 因为釜体上装有安全阀，设计压力为P=20MPa，=1.0（全部无损检测），钢板或钢管在轧制过程中，其厚度可能出现减薄（即负偏差），因而在设计容器时应预先给壁厚一个增量C1，根

7、据常用标准取C1=0.5。而与介质接触的筒体、封头、接管等附件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度的削弱和减薄，均应考虑腐蚀裕量C2。此处C2=2则内压圆筒的计算壁厚由公式得Sn=（20159）/（211320）+0.5+2=18mm2.2.3 确定封头厚度 平板封头在制作上方便，应用广泛，故此设计上封头采用平板封头。当平盖周边与筒体连接为刚性固定连接时，最大应力发生在周边处。圆形平盖的厚度可按下式计算：式中 Dc-计算直径 K-平盖系数，随平板形封头结构的不同而不同，其值可查表而Dc=Di+2Sn得Dc=195mm根据封头的加工方式取为1.0K根据计算直径、设计压力、螺孔到筒体的距离等因素查值为0.

8、4计算得p=1950.266+0.5+2=54mm下封头厚度：当受内压时，与其他封头相比其薄膜应力最小，故所需厚度也最薄。按设计规定，封头中只有球形封头的最小厚度可以小于筒体的最小厚度。在实际中，考虑封头与筒体焊接方便，以及降低封头和筒体连接的边缘应力，通常取与筒体等厚。2.3 反应釜夹套的选择 为了从容器外面加热或冷却，最为简单的方法是在其筒体上设置夹套，通入加热或冷却介质。夹套的结构形式由使用要求和工艺可能性决定，主要形式有：仅在容器圆柱壳上设置夹套；在容器圆柱壳和底部封头上设有夹套；在一个封头上设置夹套；在整个圆柱壳体两侧封头上设置夹套。夹套的形式有普通型、半圆管型、螺旋型、半圆型和波纹

9、型；而普通型夹套又分为同心型和非同心型。在夹套壳与容器壳体连接方式上又有锥形封口环、半圆封口环和平板封口环。 夹套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确定罐体及夹套的筒体和封头的厚度。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。2.4 夹套几何尺寸计算夹套和筒体的连接常焊接成封闭结构，夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。夹套内径D2可根据筒体内径D1大小来确定，内径D2=D1+50=209mm夹套高H2有传热面积而决定，不能低于料液高。若装料系数没有给定，则应合理选择装料系数的值，尽量提高设备利用率。通常的取值

10、范围为0.6-0.85。在二氧化碳和高矿化度中性水介质中，粘度较低，可以取为=0.6。夹套高H2由公式H2=（VV封）/V1m式中 V1m为1m高筒体容积 V封为封头的容积算得H2=156mm圆整为H2=160mm 此设计中采用U型夹套将筒体全部包围，故此夹套的高度将根据筒体的高度而定。 夹套厚度按照筒体厚度计算方法，可得夹套厚度Sj=18mm，夹套内表面与筒体外表面间距选取40mm。2.5 按内压对筒体和封头进行强度计算压力计算：材料选择Q235A，由设计压力（罐体内）P=20MPa，可得：工作压力（罐体内）为20/1.1=18.2MPa设计温度（罐体内）为t150C；内压圆筒的计算壁厚由公

11、式得Sn=（20159）/（211320）+0.5+2=18mm2.6 按外压对筒体和封头进行强度校核假设一：罐体筒体的名义厚度Sn=18mm；厚度附加量C=C1+C2=2.5mm；罐体筒体有效厚度S=SnC=15.5mm；罐体筒体外径Dc=195mm；筒体计算长度Hi=263mm；长径比系数Hi/Dc=1.35；系数Dc/S=195/15.5=12.58根据所得数据以及下图可得：系数A=0.025；系数B=162MPa根据许用外压公式P=B*S/Dc=12.88MPa20.0026MPa,满足对稳定性的要求。在此设计中夹套所受的压力不会高于筒体所受的压力，为保证设备的安全，夹套取用与筒体相同

12、的厚度。外压封头强度计算：设封头厚度为s=30mm；有效厚度为s1=27.1mm；R0=K1D0 式中K1 =0.9 D0 =Di+2Sn=219mmR0=197.1mm计算系数A 得A=0.017查得系数B=162MPa则许用应力为得B=22.3MPa20.0026MPa，满足对稳定性的要求。图1图22.7 水压试验校核计算罐体水压试验由于t 故pT=1.25p=1.2520=25MPa，有效厚度S=27.1mm根据公式得T=85.8MPa材料屈服点应力为s=113MPa0.9 s=101.7MPa 得 0.9s 所以罐体水压试验强度足够3 反应釜的搅拌装置搅拌传动系统为整个系统提供动力支持

13、，组成有电动机、减速器、搅拌轴及其联动器等。搅拌器的形式很多，需要按照任务说明说的要求选择合适的搅拌器，本次设计采用的是浆式搅拌器。3.1 搅拌器结构型式的选择桨式搅拌器是搅拌器中最简单的一种，叶片一般用扁钢制造，材料可以采用碳钢、合金钢、有色金属或碳钢包橡胶环氧树脂、酚醛树脂、酚醛玻璃布等。桨叶有平直叶和折叶两种。平直叶的叶面与其旋转方向垂直，折叶则是与旋转方向成一倾斜角度。平直叶主要使物料产生切线方向的流动，折叶除了能使物料做=作圆周运动外，还能使物料上下运动，因而折叶比平直叶搅拌作用更充分。所以此设计采用折叶设计。如图：桨式搅拌器直径D一般取反应釜内径Di的1/3-2/3，因此在此设计中

14、取为D桨=1/3Di=53mm。3.2 搅拌轴的设计对搅拌轴而言，实际受力比较复杂，它同时受到扭转和弯曲的组合力作用，其中以扭转为主，所以工程上采用近似的方法来确定搅拌轴的直径，即假定搅拌轴只承受扭转的作用，然后用增加安全系数以降低材料许用应力的方法来弥补由于忽略轴受弯曲作用所引起的误差。（1） 搅拌轴的材料：选用 Q 235-A（2） 搅拌轴的结构：用实心直轴，因是连接的为桨式搅拌器，故采用光轴即可。（3） 搅拌轴强度校核 轴扭转的强度条件是： 对Q235-A k=1220Mpa 对实心轴 Wp=d3/16 而T=9.55106P/n式中 d搅拌轴直径，mm； P搅拌轴传递的功率，kW； n

15、搅拌轴转速，r/min。（4） 搅拌轴的支撑一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。当搅拌轴较长时，轴的刚度条件变坏。为保证搅拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂长L1，轴径d 和两轴承间距B应满足以下关系：L1/B45; L1/d4050本次采取单支点机架，靠机架里的轴承对轴进行支撑。4 反应釜的传动装置反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。传动装置设置在釜顶封头的上部，其设计内容一般包括：电机；减速机的选型；选择联轴器；选用和设计机架和底座等。4.1 常用电机及其连接设备选用电机主要是考虑到它的系列，功率，转速，以及安装形式和防爆要求等几项内容。最常用的为Y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机。电机功率必须满

16、足搅拌器运轴功率与传动系统，轴封系统功率损失的要求，还要考虑到又时在搅拌过程操造作中会出现不利条件造成功率过大。电机功率可按下式确定：式中 Pd电动机功率，kw； P工艺要求的搅拌功率，kw； Pm轴封摩擦损失功率，kw； 传动系统的机械效率。一般异步电动机的同步转速按电动机的极数分成几档，其中1500r/min的电动机价格较低，供应普遍，应用最广泛。4.2 釜用减速机类型，标准及其选用我国目前常用的反应釜用立式减速机主要有摆线针齿形减速机、两级齿轮减速机、三角皮带减速机等几种。减速机型号可先根据基本转速所需功率，查出减速机公称轴转速及所配电动机功率，根据这两项数值，便可确定减速机类型和该减速

17、机的特性参数以及机型的顺序号。在确定机型后，可从有关机械设计手册中查到该型号的减速机外型及安装尺寸、数量以及各项具体参数。4.3 机座的设计搅拌反应釜传动装置的机座上端与减速机装配，下端与底座相连。一般来讲，机座上还需要有容纳联轴器、封轴装置等部件及其安装所需空间。选用时首先考虑上述要求，然后根据所选减速机的输出轴轴径及安装定位面的尺寸选配合适的机座。常用机座有JA、JB和JXLD等。JA型为不带中间支撑的机座，适用于反应釜传来的轴向力不大的情况。在腐蚀评价釜中，满足上述要求，故此设计采用JA型机座。机座的结构尺寸可根据减速机轴径的大小查表得出。4.4 底座的设计 底座一般焊接在釜体的上封头上

18、，为了易于保证底座既与减速机座连接又使穿过轴封装置的搅拌轴运转顺利，要求减速机的机座和轴封装置安装时有一定的同轴度，一般将两者的定位安装面做在同一块底座上。车削时，应在同一装夹位置上将两者的定位安装面车成。 根据釜内物料的腐蚀特性不同，底座材料分为衬里和不衬里两种，要衬里的则在物料可能接触的碳钢表面衬一层不锈钢。 如图： 当封头为椭圆型封头时，底座要按照封头曲率加工；当封头为平板型时，则可以加工成平面。安装时，先将搅拌轴、减速机座与轴封装置同底座装配好放在上封头，位置找准试运转顺利后才将底座焊定位于封头上，然后卸去整个传动装置和轴封装置，再将底座与封头焊牢。4.5 联轴器轴和轴之间常用联轴器进

19、行连接，使之一起回转并传递扭矩。联轴器可分为固定式和可移式两种，前者要求被联接两轴严格对中和工作时不发生相对移动，而后者允许两轴有一定的安装误差，并能补偿工作时可能产生的相对位移。此设计中采用凸缘联轴器，因其结构简单、制作方便而又能传递较大的扭矩。但缺点是传递载荷时不能缓和冲击和吸收振动，安装要求较高。如图：它由两个带毂的圆盘组成凸缘，两个凸缘键分别装在两轴端，并用几个螺栓将他们联接，主要依靠接触面的摩擦力来传递扭矩。4.6 轴封装置轴封式搅拌设备的一个重要组成部分。其任务是保证搅拌设备内处于一定的正压和真空状态以及防止物料溢出和杂质的掺入。鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式为主，很少满釜操作，

20、轴封的对象主要为气体；而且搅拌设备由于反应工况复杂，轴的偏摆震动大，运转稳定性差等特点，故不是所有形式的轴封都能用于搅拌设备上。反应釜搅拌轴处的密封，属于动密封，常用的有填料密封和机械密封两种形式。他们都有标准，设计时可根据要求直接选用。这次设计选用机械轴封。机械轴封是一种功耗小，泄露率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。主要用于腐蚀、易燃、易爆、剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。机械轴封的结构形式很多，且大都有标准。，可根据标准和需要选择合适的结构。5 反应釜内表面的防腐蚀措施 CO2溶解于反应釜的高矿化度中性水中会形成碳酸盐，使水的pH值下降，酸性增加，有利于氢的析出和金

21、属表面保护膜的溶解破坏。这种碳酸盐溶液引起的应力腐蚀与碱脆和硝脆一样，都是沿晶的阳极溶解型。本设计中可以采用在内表面做一层防腐蚀镀层，通过镀层来将介质与主体材料机械隔离，达到防腐蚀的目的，根据主体材料可以选择镀一层1Cr18Ni9Ti材料的不锈钢，从经济和防腐效果来看是比较合理的。同时可以根据所使用的介质选择缓蚀剂，前提需要保证所加物质不会影响实验结果。6 反应釜的其他附件6.1 支座夹套反应釜多为立式安装，最常用的支座为耳式支座。标准耳式支座（JB/T 4725-92）分为A型和B型两种。当设备需要保温或直接支撑在楼板上时选用B型，否则选择A型。在此设备中则选择B型。6.2设备接口化工容器及

22、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。液体出料管的设计主要从物料易放尽、阻力小和不易堵塞等原因考虑。另外还要考虑温差应力的影响。7 本设计的改进和建议 设计中采用Q235A材料，在本设计情况下满足要求，如果换作其他情况的介质下使用，可能会对设备造成较大的腐蚀，或对试验结果造成影响，在对于介质腐蚀性较强的介质下可以选择1Cr18Ni9Ti为主体材料，因为1Cr18Ni9Ti中含有Ti，Ti具有看晶间腐蚀的能力，所以整体更具抗腐蚀的能力。另外可以通过对主体材料进行适当的热加工工艺来达到适合相应介质环境的防腐蚀要求。由于釜壁较厚，质量较大，所以反应釜的支架可以选择四角支

23、架，更能保障釜的稳定性。同时釜的上封头部件较多，在使用过程中易造成碰撞损坏，所以建议在反应釜的旁边安装一个吊装装置，方便将封盖打开，同时不易损坏设备。由于上封头采用的事平板封头，所以在相同的设定压力下，费料较多，会使成本增加，可以选择加工成椭圆形封头或半球形封头，这样可以在保障设计压力的条件下减少成本的投入。8 反应釜的装配图附图一9 反应釜的设计参数汇总筒体厚度30mm；筒体深度263mm；筒体内径156mm；筒体外径216mm；夹套厚度30mm；夹套深度363mm；夹套内径296mm；夹套外径356mm；封头厚度54mm；封头直径356mm；机座型号JA30，总宽315mm，总高340mm参考文献1李多民，俞惠民. 化工过程设备机械基础. 北京：中国石化出版社，20062王心明，麦克（美）. 工程压力容器设计与计算. 北京：国防工业出版社，2011.103任凌波，任晓蕾. 压力容器腐蚀与控制. 北京：化学工业出版社，2003.64压力容器实用技术丛书编写委员会. 压力容器制造和修理. 北京：化学工业出版社，20045压力容器实用技术丛书编写委员会. 压力容器用材料及热处理. 北京：化学工业出版社，2004.116李铁成. 机械力学与设计基础. 北京：机械工业出版社，2005.77朱学仪. 锅炉及压力容器用钢标注手册. 北京：中国标准出版社，2008