某連續(xù)攪拌反應釜的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16022某連續(xù)攪拌反應釜的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算案例 1284491.1設(shè)計任務書 166781.2設(shè)計方案的分析和擬定 2105352.3反應釜釜體的設(shè)計 3151281.3.1釜體的結(jié)構(gòu)尺寸計算 3151141.3.2夾套的結(jié)構(gòu)尺寸計算 4801.3.3盤管的設(shè)計 6281241.3.4水壓試驗強度校核 618071.4反應釜攪拌裝置的設(shè)計 820821.4.1確定攪拌器直徑 821321.4.2攪拌軸設(shè)計 82951.4.3軸承的選擇 9244211.4.4聯(lián)軸器的選擇 929991.4.5密封形式的選擇 935971.5反應釜傳動裝置設(shè)計 971301.5.1常用電機選型及連接 9296851.5.2減速器選型 12264451.6其他結(jié)構(gòu)設(shè)計 12229711.6.1選擇機架及支座 1278741.6.2支座校核 12137371.7開孔及接管設(shè)計 13200211.7.1開孔設(shè)計 13325711.7.2開孔補強 141.1設(shè)計任務書表2-1設(shè)計任務書設(shè)計參數(shù)要求設(shè)計部位內(nèi)筒夾套盤管設(shè)計壓力/MPa7.01.53.0設(shè)計溫度/℃250235320操作壓力/MPa50.92.6操作介質(zhì)/屬性氨水、石油、液化氣、硫磺（易爆）導熱油（易燃）、蒸汽、水導熱油（易燃）、冷卻水腐蝕性有腐蝕有腐蝕有腐蝕設(shè)備容積/m35.2充裝系數(shù)0.85換熱面積/m212.620電機功率/kw15攪拌轉(zhuǎn)速/rpm2001.2設(shè)計方案的分析和擬定根據(jù)任務書要求，設(shè)計帶有夾套的反應釜，主要部件有反應釜主體、傳動裝置、攪拌裝置、軸封裝置、人孔、支座、工藝接管等。而反應釜主體由罐體和夾套組成，內(nèi)部還需要設(shè)置盤管。因為反應釜的工作壓力較高，選材方面初步選擇Q345R。反應釜的溫度也較高，考慮到節(jié)能和安全問題，需要再設(shè)置一層保溫層。攪拌裝置則主要由攪拌器與攪拌軸兩部分組成。此外，根據(jù)實際工藝情況本次設(shè)計的攪拌器采用推進式攪拌器。再考慮到反應釜壓力較為高，所以軸封形式采用安全可靠、應用廣泛的機械密封更合適。根據(jù)設(shè)計任務書，初步擬定如下設(shè)計步驟：（1）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計：根據(jù)工藝的要求，綜合考慮制造安裝和檢修維護的便利性來確定各部分結(jié)構(gòu)形式；（2）容器的設(shè)計：①確定幾何尺寸；②選擇釜體和夾套材料；③進行強度和穩(wěn)定性計算、校核；（3）攪拌器的設(shè)計：①根據(jù)物料實際情況選擇攪拌器類型；②根據(jù)轉(zhuǎn)速、材料等因素來設(shè)計攪拌軸；（4）傳動系統(tǒng)設(shè)計：①電機選型；②選擇傳動方式；③選擇聯(lián)軸器類型；（5）選擇軸封類型以及相關(guān)零部件；（6）繪制總圖以及零部件圖；（7）編寫技術(shù)要求,主要包括制造、組裝、檢驗、以及水壓試驗等方面的要求。2.3反應釜釜體的設(shè)計1.3.1釜體的結(jié)構(gòu)尺寸計算反應釜主體可以看做一個立式的圓筒形容器，主要有筒體和封頭兩大部件。一般由支座承重安裝在平臺上。一般橢圓形封頭使用較多。（1）確定筒體直徑根據(jù)給定容積V進行筒體內(nèi)徑Di估算： (2-1)式中i為長徑比即：i=Hi/Di，取i=2.0，已知V=5.2m3，則： (2-2)圓整為1500mm。根據(jù)筒體直徑選擇標準橢圓形封頭，DN=1500mm，封頭深度375mm，直邊段長度25mm。查JBT4746-2002《鋼制壓力容器用封頭》得封頭容積V封=0.486m3，則釜體高度 (2-3)將釜體高度圓整為H=2700mm，則釜體實際容積： (2-4)（2）筒體厚度計算筒體按照內(nèi)壓容器進行設(shè)計，材料選擇Q345R，設(shè)計壓力p1=7.0MPa，設(shè)計溫度T1=250℃。查GB150-2011《壓力容器》得到在設(shè)計壓力和設(shè)計溫度下材料的許用應力=147MPa，焊接接頭系數(shù)為1，則釜體厚度： (2-5)厚度負偏差C1厚度附加量C名義厚度n腐蝕裕量C2設(shè)計厚度d計算厚度有效厚度e厚度圓整值△1圖2-1厚度關(guān)系根據(jù)圖2-1各厚度關(guān)系得以確定名義厚度。計算厚度加上鋼板厚度負偏差0.3mm以及腐蝕裕量2mm,通過向上圓整取得名義厚度n=40mm。（3）筒體封頭厚度計算材料與筒體相同，查JBT4746-2002《鋼制壓力容器用封頭》選取標準橢圓形封頭，封頭深度=375mm，封頭計算公式如下：則封頭厚度 (2-6)為了方便焊接，筒體厚度和封頭厚度取一致，均圓整為40mm。1.3.2夾套的結(jié)構(gòu)尺寸計算（1）夾套直徑確定一般取夾套內(nèi)徑比筒體內(nèi)徑D2大300mm，即 (2-7)1m筒體的體積 (2-8)夾套筒體高度： (2-9)故圓整夾套筒體高度為H2=2500mm。1m高筒體表面積：封頭內(nèi)表面積：實際總傳熱面積： (2-10)符合要求。（2）夾套筒體厚度計算夾套也是一個內(nèi)壓容器，為了防止電偶腐蝕，材料選擇與筒體相同，設(shè)計壓力p2=1.5MPa，設(shè)計溫度T=235℃，查GB150-2011《壓力容器》得到在設(shè)計壓力和設(shè)計溫度下材料的許用應力=157MPa，焊接接頭系數(shù)為1，則夾套厚度： (2-11)考慮鋼板厚度負偏差0.3mm、腐蝕裕量2mm以及一定的安全裕度，將夾套厚度圓整20mm。（3）夾套封頭厚度計算夾套封頭材料與夾套相同，查JBT4746-2002《鋼制壓力容器用封頭》選取標準橢圓形封頭，封頭深度450mm，封頭計算公式：則封頭厚度 (2-12)考慮到鋼板厚度負偏差0.3mm，腐蝕余量以及一定的安全裕度，故將夾套封頭厚度圓整為20mm。1.3.3盤管的設(shè)計盤管采用無縫鋼管制成，根據(jù)工藝以及結(jié)構(gòu)強度的要求，盤管采用φ38×4.5的無縫鋼管，材料0Cr18Ni10Ti。盤管在釜內(nèi)卷成的直徑1200mm，盤管的高度為2650mm。1.3.4水壓試驗強度校核在常溫下進行水壓試驗，查得常溫下36~60mm厚材料的許用應力=181MPa。釜體試驗壓力p1T： (2-13)之前算得釜體的名義厚度=40mm，減去厚度負偏差0.3mm和腐蝕裕量2mm得到釜體的有效厚度為=37.7mm。則釜體的軸向應力： (2-14)根據(jù)應力校核條件，在水壓試驗條件下，軸向拉應力不得超過0.9φReL，ReL為材料常溫屈服強度。查得36~60mm厚Q345R常溫下的屈服強度ReL=315MPa。則軸向拉應力： (2-15)故釜體內(nèi)壓校核合格。查得常溫下16~36mm厚材料的許用應力=185MPa。夾套試驗壓力p2T： (2-16)夾套的名義厚度=20mm，減去厚度負偏差0.3mm和腐蝕裕量2mm得到夾套的有效厚度=17.7mm。夾套的軸向應力： (2-17)根據(jù)應力校核條件，查得16~36mmQ345R在常溫下的屈服強度為ReL=325MPa，則： (2-18)故夾套校核合格。釜體外壓校核：當釜體內(nèi)部沒加壓而夾套加壓時，釜體是一個外壓容器，需要進行壓應力校核。釜體外徑Do=1580mm，則長徑比： (2-19) (2-20)由L/Do和Do/查外壓圓筒壁厚計算圖得系數(shù)A=2.8×10-3，再根據(jù)A查材料的外壓應力系數(shù)B曲線，得到B=125MPa。則許用外壓力： (2-21)故釜體外壓校核合格。盤管水壓試驗校核：查得φ38×4.5管材料在常溫下的許用應力=137MPa，在設(shè)計溫度下的許用應力=111MPa。盤管試驗壓力： (2-22)保持此壓力一段時間，看盤管有無泄漏。盤管的軸向應力： (2-23)查得常溫下盤管材料的屈服強度ReL=137MPa，則： (2-24)盤管水壓試驗合格。故釜體的結(jié)構(gòu)尺寸如下表所示：表2-2反應釜尺寸單位：mm直徑厚度直邊段長度封頭深度釜體150040夾套180020釜體封套封頭180020254501.4反應釜攪拌裝置的設(shè)計攪拌裝置的主要部件有攪拌器、攪拌軸及支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)工藝要求，本次設(shè)計采用的是推進式攪拌器。其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要從以下幾個方面進行：確定攪拌軸直徑、確定攪拌器直徑、選擇聯(lián)軸器、進行攪拌軸的強度校核以及臨界轉(zhuǎn)速校核、選擇軸承等。1.4.1確定攪拌器直徑根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值d/D=0.35~0.8，取d/D=0.6，則攪拌器直徑： (2-25)1.4.2攪拌軸設(shè)計根據(jù)設(shè)計任務書，攪拌轉(zhuǎn)速最大為200rpm，電機功率15KW。整個裝置的傳動效率取0.75，設(shè)計的攪拌軸為實心軸。則最大扭矩： (2-26)將攪拌軸看作懸臂梁，則許用扭轉(zhuǎn)角=0.35°/m。軸的材料選擇20號鋼，查得其剪切彈性模量為G=7.7820×1010Pa。則按扭轉(zhuǎn)變形計算攪拌軸的直徑： (2-27)考慮到軸上開鍵槽和物料的腐蝕作用，軸徑擴大5%，則： (2-29)向上圓整取標準軸徑d=65mm。直線度允許誤差1000:0.1。使用SW6軟件對攪拌軸進行校核，經(jīng)過校核，軸徑取65mm時，攪拌軸的強度不合格。修改軸徑為85mm，軸徑較大設(shè)計為空心軸，軸內(nèi)外徑之比取為0.3。再次校核，軸的強度合格，校核的條件如表2-3所示。校核結(jié)果如表2-4所示。1.4.3軸承的選擇軸承在機械設(shè)備中起到減小摩擦系數(shù)和固定的作用，根據(jù)攪拌軸的載荷和軸徑，選擇深溝球軸承，軸承代號為：1.4.4聯(lián)軸器的選擇根據(jù)不同的工作條件，聯(lián)軸器的選擇有以下原則：（1）可移性：用于補償回轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的相對位移；（2）緩沖性：其內(nèi)部的彈性元件可以保證工作部件少受傷害甚至不受傷害；（3）安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單以及足夠的強度和使用壽命。根據(jù)以上原則及工藝條件，選擇柔性聯(lián)軸器，軸徑d=85mm。選擇聯(lián)軸器型號為：LT11，公稱轉(zhuǎn)矩TN=4000N·m，許用轉(zhuǎn)速[n]=1800r/min，d1=85mm，質(zhì)量m=120.7kg。1.4.5密封形式的選擇密封的選擇需要結(jié)合實際工況條件，最終選取合適的密封形式。通常需要考慮的工況條件包括壓力、溫度、介質(zhì)等。由于反應介質(zhì)主要為氨水、石油液化氣、硫磺（易爆）、導熱油（易燃）等危險的介質(zhì)，且反應釜內(nèi)壓力也比較高。密封形式選擇泄露率較低、應用較為廣泛的機械密封，機械密封所在軸徑表面的粗糙度要求較高，Ra應小于，機械密封與軸的裝配精度按基軸制應為。傳動裝置設(shè)計主要從以下幾個方面進行：選擇電機型號；選擇減速機類型；機架以及底座的選用和設(shè)計等。1.5反應釜傳動裝置設(shè)計1.5.1常用電機選型及連接根據(jù)電機系列、功率、轉(zhuǎn)速、安裝形式和防爆要求等，本反應釜電機選用Y系列三相異步電動機，型號為Y220L-8，額定功率15KW轉(zhuǎn)速730r/min。表2-3攪拌軸校核表2-4攪拌軸校核結(jié)果1.5.2減速器選型在攪拌器工作環(huán)境中，載荷不斷變化，存在突變，還可能伴隨抖動，選擇減速機類型時要考慮到上述問題。本設(shè)計從電機轉(zhuǎn)速電機功率出發(fā)考慮，擺線針輪行星減速機傳動效率較高，符合本文設(shè)計。1.6其他結(jié)構(gòu)設(shè)計1.6.1選擇機架及支座機架一般有無支點機架、單支點機架和雙支點機架三類。本反應釜中由于減速機選用懸臂軸，所以選用雙支點機架。夾套反應釜安裝方式一般選擇為立式安裝，所以應用最為廣泛的支座型式是耳式支座。標準耳式支座（JBT4712.3-2007）有A型、B型兩種。當設(shè)備需要設(shè)置保溫層或直接支撐在樓板上時選擇B型支座，否則選A型支座。本反應釜的反應溫度較高，需要設(shè)置保溫層，故選用B型支座。根據(jù)容器直徑尺寸，選用B7型耳式支座，材料Q345R，支座個數(shù)為4。支座允許載荷200KN，地腳螺栓規(guī)格為M30。支座質(zhì)量85.2kg。1.6.2支座校核支座校核從兩個方面進行，實際載荷校核和彎矩校核。設(shè)計條件8級防震，α=0.24，地面類型為B類，基本風壓q0=550N/m2，，設(shè)備質(zhì)心高3.5m，釜上無再沸器等部件，不考慮偏心載荷。設(shè)備重量20000kg。地震載荷： (2-29)風載荷： (2-30)總的載荷： (2-31)安裝尺寸： (2-32)實際載荷： (2-33)支座載荷合格。支座彎矩校核： (2-33)夾套有效厚度=-2.3=17.7mm，根據(jù)和，參照JBT4712.3-2007《耳式支座》取得=42.11kN。，所以選擇4個B7支座符合要求。1.7開孔及接管設(shè)計1.7.1開孔設(shè)計對于本文設(shè)計的反應釜而言，反應釜的長度比較小再加上攪拌器的影響，不宜開設(shè)人孔。本文設(shè)計反應釜的主要開口需求有：在反應釜的頂部和底部分別開直徑為400mm的攪拌器接口和放料口。釜體和夾套上都需要設(shè)置一個測溫口和一個測壓口，釜體和夾套都應該設(shè)置物料進出口、安全閥口、爆破口、真空口等。根據(jù)工藝的要求，反應釜上的開口如下表2-5所示。表2-5開孔接管表名稱數(shù)量密封面型式公稱直徑DN/mm公稱壓力PN/MPa連接法蘭標準攪拌器接口1RJ40015HG20592-2009放料口1RJ40015HG20592-2009內(nèi)筒安全閥口1RJ5016HG20592-2009夾套安全閥口1FM504.0HG20592-2009異丁烯進口1RJ4016HG20592-2009氨水進口1RJ4016HG20592-2009硫磺入口1RJ5016HG20592-2009爆破口1G5