内压容器夹套式反应釜设计

内蒙古科技大学 化工设备机械基础课程设计

题 目：内压容器夹套式反应釜 学生姓名： 学 号： 班 级： 指

导

老

师

：

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摘要

本文是对带搅拌的夹套式反应釜做简单的设计，简要的说明了设计方法和理论依据。

设计内容主要包括以下几个方面：反应釜釜体的设计，反应釜夹套的设计，反应釜传动装置的设计、搅拌装置的设计、以及轴封装置的设计，还有一些例如人孔、视镜等其他部件的设计。

主要是通过以上几个部分的设计确定其筒体，封头等壁厚，长度的大小，然后进行相应的强度校核，以保证设计设备的使用安全，以及通过查阅标准选型对其他装置的选型，其中应考虑到反应釜筒体内，和夹套中温度、压力、介质的影响。尤其注意是氯乙烯单体具有有毒且易燃易爆的特性，在选型时应确保人员、设备的安全。并综合经济条件，方案的可行性完善反应釜的设计选型。

关键词：反应釜，压力容器，搅拌装置，夹套

I

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Abstract

This article is to bring mixing jacketed type reaction kettle do simple design, briefly illustrates the design method and theoretical basis.

Design content mainly includes the following aspects: the design of the reaction kettle body, the design of jacketed reactor, reaction kettle gearing design, the design of the mixing plant, as well as the design of the shaft sealing device, and some such as the design of the manhole, sight glasses, and other components.

Mainly through the design of the above several parts determine its shell, seal the top wall thickness, the size of the length, then the corresponding intensity, to ensure that the design of the use of safety equipment, and by looking at standard selection of other devices selection, which should take into account the reaction kettle drum body, and the influence of temperature, pressure, medium in the jacket. Especially pay attention to is the characteristic of vinyl chloride monomer is toxic and flammable and explosive, the selection should ensure the safety of personnel and equipment. And general economic conditions, the feasibility of the scheme design selection to improve the reaction kettle.

Key words: the reaction kettle, pressure vessel, stirring device, jacket

II

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目录

摘要 ..................................................................................................................................... I Abstract .............................................................................................................................. II 目录 .................................................................................................................................. III 第一章 绪论 ...................................................................................................................... 1

1.1 设计的目的及意义 ............................................................................................. 1 1.2 设计的要求 ......................................................................................................... 1 1.3 反应釜概述 ......................................................................................................... 1 第二章 反应釜釜体的设计 .............................................................................................. 2

2.1 反应釜筒体的设计和计算 ................................................................................. 2

2.1.1 筒体DN的确定 ........................................................................................ 2 2.1.2 反应釜筒体PN的确定 ............................................................................. 3 2.2 反应釜筒体封头的设计选型和计算 ................................................................. 3

2.2.1 封头的选型 .............................................................................................. 3 2.2.2 设计参数的确定 ...................................................................................... 3 2.2.3 封头壁厚的计算 ...................................................................................... 3 2.2.4 封头深度计算 .......................................................................................... 3 2.3 反应釜筒体长度H的设计 ................................................................................ 3

2.3.1 反应釜筒体长度H计算 ......................................................................... 3 2.3.2 反应釜体长径比L/Di复核 ..................................................................... 4 2.4 反应釜筒体壁厚设计 ......................................................................................... 4 第三章 反应釜夹套的设计 .............................................................................................. 5

3.1 夹套釜体DN、PN的确定 ................................................................................ 5

3.1.1 夹套釜体DN的确定 .............................................................................. 5 3.1.2 夹套釜体PN的确定 ............................................................................... 5 3.2 夹套筒体的设计 ................................................................................................. 5

3.2.1 设计参数的确定 ...................................................................................... 5 3.2.2 夹套筒体壁厚的设计 .............................................................................. 5 3.2.3 夹套筒体长度 .......................................................................................... 5

III

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3.3 夹套封头的设计 ................................................................................................. 6

3.3.1 封头的选型 .............................................................................................. 6 3.3.2 设计参数的确定 ...................................................................................... 6 3.3.3 夹套封头壁厚的设计 .............................................................................. 6 3.4 对筒体和封头进行强度校核 ............................................................................. 6

3.4.1 夹套（内压容器的试压） ...................................................................... 6 3.4.2 筒体（内压容器的试压） ...................................................................... 7 3.5 法兰连接结构的设计 ......................................................................................... 7

3.5.1 法兰的选型 .............................................................................................. 7 3.5.2 密封面选取 .............................................................................................. 8 3.5.3 垫片尺寸 .................................................................................................. 8

第四章 反应釜传动装置 .................................................................................................. 9

4.1 电动机的选型 ..................................................................................................... 9 4.2 减速器的选型 ..................................................................................................... 9 4.3 安装底座的设计 ................................................................................................. 9 4.4 机架的设计 ....................................................................................................... 10 4.5 联轴器的型式及尺寸的设计 ........................................................................... 10

4.5.1 联轴器型式的确定 ................................................................................ 10 4.5.2 联轴器的结构及尺寸 ............................................................................ 11 4.5.3 联轴节的零件及材料 ............................................................................ 11

第五章 搅拌装置的选型与尺寸设计 ............................................................................ 12

5.1 反应釜的搅拌装置 ........................................................................................... 12 5.2 搅拌器的设计 ................................................................................................... 12 5.3 搅拌轴直径的初步计算 ................................................................................... 12

5.3.1 搅拌轴的直径的计算 ............................................................................ 12 5.3.2 搅拌轴刚度校核 .................................................................................... 13 5.4 搅拌轴长度设计 ............................................................................................... 14 第六章 反应釜的轴封装置 ............................................................................................ 15 第七章 反应釜的其它附件 ............................................................................................ 17

7.1 人孔的设计 ....................................................................................................... 17

IV

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7.1.1 人孔的选取 ............................................................................................ 17 7.1.2 人孔补强的计算 .................................................................................... 17 7.2 视镜的选取 ....................................................................................................... 18

7.2.1 视镜的结构 ............................................................................................ 18 7.2.2 视镜的相关参数 .................................................................................... 18 7.3 工艺管及法兰的选取 ....................................................................................... 19

7.3.1 工艺管选取的规格 ................................................................................ 19 7.3.2 管道法兰选取的规格尺寸 .................................................................... 20 7.4 温度计的选型 ................................................................................................... 21 7.5 支座的选型及设计 ........................................................................................... 21 参 考 文 献 .................................................................................................................... 23 致 谢 ................................................................................................................................ 24

V

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第一章 绪论

1.1 设计的目的及意义

《化工设备机械基础课程设计》是化工工艺类专业学生十分重要的教学环节之一。目的是使我们进一步加深并综合运用《化工设备机械基础》及相关课程所学过的基本理论、知识，训练和掌握典型化工设备机械设计的基本技能。培养我们熟悉、查阅并运用各种有关的设计手册、规范、标准、图册等设计技术资料，进一步培养我们运算、编写设计说明书、制图等基本技能，为以后工作做基本的训练。以及培养我们思考，解决问题和团队合作的能力。

1.2 设计的要求

此次设计要求我们树立正确的设计思想，实事求是，秉着认真、严肃的态度综合考虑经济性、实用性、安全可靠性等工程实际问题；要求我们在设计过程中遇到问题不敷衍，通过查阅资料，积极思考，自主解决问题；要求我们正确使用标准和规范，做到有法可依，有章可循。

本次课程设计题目是内压夹套式反应釜的设计，设计压力为体内：2.8MPa，夹套：2.0MPa；设计温度为体内：<200℃，夹套：250℃；介质为体内：氯乙烯单体，夹套内：蒸汽。搅拌形式为浆式；转速为85r/min；功率为2.8kw。操作容积为1.4m3。

设计内容主要有：反应釜釜体的设计、反应釜夹套的设计，包括其筒体、封头壁厚、公称直径；反应釜传动装置的设计；反应釜搅拌装置的设计；反应釜轴封装置的设计；以及包括人孔、视镜、接口管、法兰等其他装置的设计。

1.3 反应釜概述

反应釜主要是由带传热装置的釜体和搅拌传动装置组成。

釜体是物料进行化学反应的空间，大多数釜体都带夹套，它的结构与一般容器无差异，需要考虑的问题主要是如何根据工艺要求确定其长径比。化学反应总伴随有吸热或放热，为了控制反应的正常进行，就要有供热或冷却的传热装置，如外置式夹套与内置式蛇管。本设计即是利用外置式夹套进行换热。

为了使参加反应的各种物料混合均匀，接触良好以利于化学反应的进行，大多数反应釜都有搅拌装置。搅拌器有多种形式，不同形式的搅拌器有各自适用的运转条件，适用的介质性质以及它对物料所造成的液体流动状态。本设计采用的浆式搅拌器。

1

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第二章 反应釜釜体的设计

2.1 反应釜筒体的设计和计算

2.1.1 筒体DN的确定

对于直立反应釜来说，釜体设备的全容积是指圆柱形筒体及下封头容积，即 V = Vg + Vf 式（2.1） 式中 Vg——设备筒体部分容积，m3； Vf——封头容积，m3；

根据V及选用的H/Di，将反应釜体视为圆柱形筒体，可初步估算筒体内径。 长径比的影响：

（1）对搅拌功率的影响，因为搅拌功率与搅拌桨叶直径的五次方成正比，如果搅拌桨叶的直径岁釜体长径比的减小而增大时，将会增大搅拌功率。

（2）对传热的影响，当使用夹套传热时，长径比的增大会使夹套的传热面积增大，同时改善传热效果。

（3）工艺上的特定要求，例如物料反应，要求通入反应釜的空气与物料要有足够的接触时间，这样液位就必须有一定的高度，因而反应釜的长径比应满足这样的特定要求。

由于反应时基本处于气液共存状态，换热一定要及时，所以主要目的要增大传热面积，根据实际经验几种搅拌器的长径比大致如《化工设备机械基础》[1]所示。

设备条件反应温度小于200℃，物料在反应过程中要呈沸腾的状态，并且在反应过程中要进行搅拌，根据操作时允许的装满程度来确定装料系数η。本反应釜内的反应物质为氯乙烯单体，其粘度远小于水，为提高设备的利用率，故选用η=0.85。设备容积V与操作容积的关系为：

Vg = ηV 式（2.2） 故全容积为 V=Vg∕η = 1.7 m3 若长径比L/ Di = 1.4时

Di3

4Vg41.431144mmHDi1.50.85

式（2.3）

圆整后Di =1100 根据规定DN=1100 mm

2

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2.1.2 反应釜筒体PN的确定

根据设计要求，反应釜体内部压力为2.8MPa，因此PN=2.8MPa

2.2 反应釜筒体封头的设计选型和计算

2.2.1 封头的选型

根据设计要求，该反应釜的封头选用标准为椭圆形封头。 2.2.2 设计参数的确定

Pc=2.8MPa ，Φ=1 (双面焊接，100％无损探伤) C1=1mm，C2=1mm 当操作温度为200℃ 时，查表得到16MnR材料t=170MPa

2.2.3 封头壁厚的计算

KPcDi2t0.5P C式子中 K1Di2622hi是一经验式。因所选的为标准椭圆形封头，所以 K=1

将确定的参数代入公式 12.81100217010.52.89.10mm

设计厚度

dC2= 9.10+1.0=10.10 mm 名义厚度 ndC1= 10.10+ 1 + ∆ = 11.10+∆ 圆整后取 n =12mm

有效厚度 eC1C210mm 2.2.4 封头深度计算

hi=Di∕4=275mm 故封头深度为 hi=275mm

2.3 反应釜筒体长度H的设计

2.3.1 反应釜筒体长度H计算

椭圆形封头的容积 VF24D3i 带入已知的数据，则 VF241.430.174m3

3

式（2.4）式（2.5）式（2.6）式（2.7）式（2.8）式（2.9）

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筒体每米高容积 V142 Di 式（2.10）

带入相关数据，则 V11.045m3

则筒体高度估算为 H=VVF1.70.1741410mmV11.045

式（2.11）

圆整后取得 H=1400mm 2.3.2 反应釜体长径比L/Di复核

反应釜体长度 L=H+h+1/3hi 其中：H—─筒体

h——标准椭圆封头直变长 hi——椭圆深度

L=1400+25+13×275= 1516mm

圆整后 L=1500 mm 长径比复核 LD15001.379

i1100与所选用的长径比基本相符。

2.4 反应釜筒体壁厚设计

内压容器的壁厚计算公式为 PcDi2tP C代入数据得 2.81100217012.89.13mm

设计厚度

dC2=9.13+1.0=10.13 mm

名义厚度 ndC1= 10.13 + 1 + ∆ = 11.13+∆ 圆整后取

n = 12mm

筒体的壁厚和封头的相同所以选 n= 12mm

4

式（2.12） 式（2.13）

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第三章 反应釜夹套的设计

3.1 夹套釜体DN、PN的确定

3.1.1 夹套釜体DN的确定

表2.1 夹套直径与筒体直径的关系

Di Dj

500~600 Di+50

700~1800 Di+100

2000~3000 Di+200

DjDi10011001001200mm

3.1.2 夹套釜体PN的确定

由设计要求知夹套内部压力为2.0MPa，因此夹套釜体PN=2.0MPa

3.2 夹套筒体的设计

3.2.1 设计参数的确定

Pc=2.0MPa ，Φ=1（双面焊接，100％ 无损伤探伤），C1=1mm，C2=1mm， 查表得到 16MnR的250156MPa

3.2.2 夹套筒体壁厚的设计

内压薄壁圆通的厚度设计可由公式



PCDit2Pc 式（3.1）

代入数据 2.011007.10mm

215612.0设计厚度 dC27.1018.10mm 式（3.2） 名义厚度 ndC18.10110mm

式（3.3)3.2.3 夹套筒体长度

椭圆形封头的容积 VF 代入数据 VF筒体每米高容积 V13 Di24 式（3.4）

241.230.226MPa

42 Di 式（3.5）

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代入数据 V11.13m3 则夹套筒体高度估算为 Hi圆整后 Hi=1000mm

VgVFV11.40.226 1.03m91.13 式（3.6）

3.3 夹套封头的设计

3.3.1 封头的选型

根据设计要求可选用椭圆形封头。 3.3.2 设计参数的确定

Pc=2.0MPa ，Φ=1（双面焊接，100％无损探伤），C1=1mm，C2=1mm，在250℃时 16MnR的156MPa。

t3.3.3 夹套封头壁厚的设计

将已知参数代入公式

PcDj20.5Pct2.012007.72mm215610.52.0 式（3.7）

nC1C29.72mm 式（3.8）圆整后 n10mm

3.4 对筒体和封头进行强度校核

根据《化工设备机械基础》[1]得到：常温下[σ]=170MPa，在操作温度下（250℃）在操作时夹套的内压P=2.0MPa，筒体的内压Pc=2.8MPa，Φ=1因为：P 所以在进行校核时筒体应该按照筒体的内压P=2.8MPa进行校核，夹套按照夹套的内压p=2.0MPa进行校核。

3.4.1 夹套（内压容器的试压）

=1.25×2.0 ×170=2.72MPa 式（3.9）

156t170气压：Pt=1.15 pt=1.15×2.0×=2.51MPa 式（3.10） 156液压：Pt=1.25 p

e=10－2=8 mm s=345MPa

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液压：T=

PtDie2.7212008==205.36MPa 式（3.11）

282e 0.9Φs=0.9×1×345=310.5MPa 式（3.12） 因为T< 0.9Φs，所以水压试验验证强度足够。 气压：T=

PtDie2.51(12008)=1.51MPa

282e 0.8Φs=0.8×1×345=276MPa 式（3.13） 因为T< 0.8Φs， 所以气压实验验证强度足够 3.4.2 筒体（内压容器的试压）

=1.25×2.8 ×170=3.81MPa 156t170气压：Pt=1.15 pt=1.15×2.8×=3.51MPa 156液压：Pt=1.25 p

e=12－2=10 mm s=345MPa 液压：T=

PtDie3.81110010==211.4MPa

2102e 0.9Φs=0.9×1×345=310.5MPa

因为T< 0.9Φs，所以水压试验验证强度足够。 气压：T=

PtDie3.51(110010)==194.8MPa

2102e 0.8Φs=0.8×1×345=276MPa

因为T< 0.8Φs， 所以气压实验验证强度足够

3.5 法兰连接结构的设计

3.5.1 法兰的选型

法兰连接是由一对法兰、数个螺栓和一个垫片（圈）所组成。法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于法兰密封表面上的凹凸不平处填满，这样就为阻止介质泄漏形成了初始密封条件。

压力容器法兰从整体看有三种形式：甲型平焊法兰；乙型平焊法兰；长颈对焊法兰。本设计选用的法兰为长颈对焊法兰。

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3.5.2 密封面选取

容器法兰密封面有三种形式：平面型密封面；凹凸型密封面；榫槽型密封面，因凹凸型、榫槽型密封面，对于平面型压紧密封面，在PN ≥ 0.6MPa的情况下，应用最为广泛。此外，当釜体内介质有毒或易燃易爆时，不能采用，而氯乙烯单体是一种易燃、易爆且有毒的物质。

凹凸型密封面由一个凸面和一个凹面相配合组成，在凹面上放置垫片。其优点便于对中，防止垫片被挤出，故可适用于压力较高的场合。

榫槽型密封面适用于易燃、易爆且有毒的介质以及有较高压力的场合，与本设计中的介质性质符合所以，密封面的型号选为榫槽型。 3.5.3 垫片尺寸

垫片是构成密封的重要元件，适当的垫片变形和回弹是形成密封的必要条件。最常用的垫片可分为非金属垫片、金属垫片以及非金属混合制的垫片。考虑到操作介质的有毒性、易燃性、易爆性，操作压力2.8MPa温度小于 200℃。其主要尺寸如下表：

表2.2 垫片的主要尺寸

釜体 人孔 底座

内径（d/mm）

1600 450 400

外径（D/mm）

1632 478 428

宽（b/mm）

16 14 14

厚度（/mm）

3 3 3

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第四章 反应釜传动装置

4.1 电动机的选型

反应釜的搅拌器是由传动装置来带动。传动装置通常设置在釜顶封头的上端。 搅拌设备选用电动机，主要是确定系列、功率、转速以及安装形式等几项内容。电动机功率必须满足搅拌器运转功率与传动系统、轴封系统功率损失的要求。可根据《化工设备课程设计指导》[5]公式计算。

电机的功率按下式计算：PnPPm 式（4.1）

已知：P2.8kw，0.950.96，选用 0.95，设计采用机械轴封。功率消耗小，Pm0.8kw，则Pn3.79kw

式中 Pn——电机功率，kw P——搅拌功率，kw

Pm——轴封系统的摩擦损失，kw ——转动系统的机械效率。

由于反应釜里的物料具有易燃性和易爆性，故选用隔爆型三相异步电机。估计电动机的功率Pd=3.58kw ，查阅文献可选用机型号为Y112M-2。

4.2 减速器的选型

反应釜的减速器大部分与电动机配套使用，只在搅拌转速很高时，才见到电动机不经减速器而直接驱动搅拌轴。因此电动机的选用一般应与减速器的选用互相配合考虑。

《搅拌传动装置—单支点机架》（HG21566—95）标准的附录中列有常用的“釜用传动装置、减速机型号以及技术参数”，可以根据机架公称直径和搅拌轴速来选择减速器的型号。机架公称直径DN=250mm，减速机选用LC100两级圆柱齿轮减速机。

4.3 安装底座的设计

安装底座的作用是安装机架和密封箱体。安装底座常用形式为RS（上装式无衬里突面）和LRS（上装式带不锈钢衬里突面）。由于安装底座的公称直径与凸缘法兰相同，故在形式选取上应该注意与凸缘法兰的密封面相匹配。参阅《化工设备机械基础》[2]安装底座的主要尺寸如表4.2所示。

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内蒙古科技大学课程设计说明书 表4.1 电动机的规格

型号 Y80M1-2 Y80M2-2 Y90S-2 Y90L-2 Y100L-2 Y112M-2

功率马力（Kw） （HP） 0.75 1.1 1.5 2.2 3 4

1 1.5 2 3 4 5.5

电流 （A） 1.8 2.5 3.4 4.8 6.4 8.2

转速（r/min） 2825 2825 2840 2840 2880 20

效率

（%） 75 77 78 80.5 82 85.5

功率 因数 0.84 0.86 0.85 0.86 0.87 0.87

重量（Kg） 17 18 22 27 34 46

表4.2 安装底座尺寸/mm

公称直径 DN（mm）

400

外径 D（mm）

565

螺柱中心圆直径 K（mm）

515

凹底直径D3(mm) 415

形式代号 LRS

4.4 机架的设计

反应釜立式传动装置是通过机架安装在反应釜封头的底座或安装底盖上的，机架上端要求减速机装配，下端则与底座或底盖装配。

由于反应釜传来的轴向力不大，减速器输出轴使用了带短节的夹克联轴节，且反应釜使用不带内置轴承的机械密封，参阅《化工设备机械基础》[3]，故选用A型单支点机架（HG215666—95），由搅拌轴的直径d=50mm可知，机架的公称直径DN=250mm，尺寸如下表：

表4.3 机架尺寸

D1D2D3D4D5n-ϕH H1质量（mm） （mm） （mm） （mm） （mm） （mm） （mm） （mm） （kg） 290

350

395

425

455

12-ϕ22

750

288

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4.5 联轴器的型式及尺寸的设计

4.5.1 联轴器型式的确定

由于选用LC100两级圆柱齿轮减速机，所以联轴器的型式选用立式夹壳联轴节（D型）。标记为：DN 50 HG5-213—65，结构如图4.1。由文献分别确定联轴节的尺寸和零件及材料如表4.4。由于联轴节轴孔直径DN=50mm，因此搅拌轴的直径d调整至50mm。

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4.5.2 联轴器的结构及尺寸

1-夹壳；2-悬吊环；3-垫圈；4-螺母；5-螺栓

图4.1 立式夹壳联轴节

表4.4 夹壳联轴节的尺寸

轴孔直径DN50

D

d1 d2 d3 90

L 190 Δ 18

l1 l2 l3

135 62 42 34

b

83

f

6

R

螺栓 数量 规格 6 M12

l4 94

l5 5

l6 70

l7 100

16 0.6 0.4

4.5.3 联轴节的零件及材料

表4.5 夹壳联轴节的零件及材料

件号 1 2 3

名 称 材 料 件 号 名 称 4 5

材 料

左、右夹壳 ZG-1Cr18Ni9Ti(GB2100) 吊 环 垫 圈

0Cr18Ni9Ti(GB4385 Ⅲ) A-140(GB/T 97.2)

螺 母 0Cr18Ni9Ti(GB/T6170) 螺 栓

A2-70(GB/T 5782)

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第五章 搅拌装置的选型与尺寸设计

5.1 反应釜的搅拌装置

在反应釜中，为增加反应速率、强化传质或传热效果以及加强混合等作用，常常装设搅拌装置。搅拌装置由搅拌器与搅拌轴组成，搅拌器形式很多，通常由工艺确定。搅拌轴可用实心或空心直轴，碳钢材料常选用45号钢，有防腐或污染要求的场合，应采用不锈耐酸钢。

5.2 搅拌器的设计

搅拌器又称搅拌桨或叶轮。它的功能是提供工艺过程所需的能量和适宜的流动状态，以达到搅拌的目的。

搅拌器的型式主要有：桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式。 根据任务说明书要求，并参阅《化工设备机械基础》[3]，选取搅拌器，其参数如下表：

表5.1 搅拌器主要参数

型式 直径Dj（mm） 叶宽b（mm） 转速（r/min)

85

550 82.5 直叶

Dj=0.5DN=0.5×1100=550mm b=0.15Dj=0.15×550=82.5mm

搅拌桨的搅拌效果和搅拌效率与其在釜体的位置和液柱的高度有关。搅拌桨浸入液体内的最佳深度为下封头与圆筒交界处。

由所选封头可知，搅拌桨高度为300mm。

5.3 搅拌轴直径的初步计算

5.3.1 搅拌轴的直径的计算

轴的强度计算应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法。对于只传递扭矩的圆截面，其强度条件为

TW9.551060.2d3Pn

 式（5.1）

其中，式中

——轴的扭剪应力，MPa；

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T——扭距，N·mm；

W——抗扭截面模量，mm3；对圆截面轴，W=d3/160.2d3；

P——轴所传递的功率，kW； n——轴的转速，r/min； d——轴的直径，mm；

——轴的材料的许用应力，MPa。

对于既传递扭矩又承受弯矩的轴，也可采用上式初步估算轴的直径；但应将轴的许用剪应力适当降低，以弥补弯矩对轴的影响。将降低后的许用应力代入上式，可得如下设计公式

9.55106P/nP d3A3mm0.2n 式（5.2）

A是由轴的材料和承载情况确定的系数。 查阅《化工设备设计基础》[4]， 得A=118， 所以 d=11832.8=37.8mm。 85根据安装轴上零件及其他结构上的要求，轴径还需要适当增加5%~15%，通常得增加2~4mm的腐蚀裕量。

所以 d=37.81.15+4=47.47mm 圆整得 50mm。 轴的材料：45钢 5.3.2 搅拌轴刚度校核

电动机功率P=2.8KW，搅拌轴的转速n=85r/min，材料为45钢，=40MPa，剪切弹性模量G=8104MPa,许用单位扭转角=1.00/m。

由Tmax=9.55106maxmax2.8mm) 式（5.3） 3371.7（N·

85Tmax180103得 式（5.4） GJ33371.718000.9433/m1.0/m 480.140所以圆轴的刚度足够。

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5.4 搅拌轴长度设计

根据所选联轴器，传动轴伸入釜体长度L1=350mm，可知L=H-L1-L2，其中H为釜体高度，L2为桨叶距釜底距离。封头的深度为275mm。

H=275+1800+275=1950mm.

桨叶距釜底距离L2的确定：L2=300mm 所以，搅拌轴长度L=1950-350-300=1300mm

表5.2 搅拌轴尺寸

传动轴轴径d（mm）

50

伸入釜体长度L1(mm)

350

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第六章 反应釜的轴封装置

解决化工设备的跑、冒、滴、漏问题，特别是防止有毒、易燃介质的泄露，是一个很重要的问题。因此在反应釜设计过程中选择合理的密封装置是很重要的。

密封装置按照密封面间有无相对运动，可区分为静密封和动密封两大类型。静止的反应釜封头和转动的搅拌轴之间存在相对运动，为防止介质的泄露也必须采用密封装置，成为搅拌轴密封装置，或简称“轴封”。

在反应釜中使用的轴封装置主要是填料箱密封和机械密封两种。 填料箱密封：

填料箱密封结构简单，填料装拆方便，但使用寿命较短，尽管大多数填料是非金属的并有润滑剂，轴旋转时轴和填料间的摩擦和磨损是不可避免的，因而总有微量的泄露。

机械密封：

机械密封又称端面密封。机械密封系指两块环形密封元件，在其光洁而平直的端面上，依靠介质压力或弹簧力的作用，在互相贴合的情况下相对转动，从而构成了密封结构。

机械密封是一种功能耗小、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轴封转轴的选取。

在本设计中，釜内介质为氯化烯，考虑到乙烯有毒且易燃、易爆，一旦泄露出将对人身安全及生产安全构成威胁，为避免生产事故的发生，合理的选取轴封装置至关重要。比较填料箱密封和机械密封的特点，权衡各影响因素，最终选定轴封装置为机械密封。

机械密封型号：59B型 适用范围: 压力：0 ～ 5MPa 温度：-50 ～ 250℃ 转速：≤5000r/min

介质：油、水、有机溶剂及其他弱腐蚀性溶剂。

形式特点：59B型密封是平衡型多弹簧结构、轴向尺寸小、密封端面受压平均。采用由聚四氟乙烯或柔性

石墨制作的契形环做辅助密封圈，结构紧凑，密封可靠。

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内蒙古科技大学课程设计说明书 表5.1 填料箱密封和机械密封的比较

比较项目 泄漏量 摩擦功损失 轴磨损 维护及寿命 高参数 加工及安装 对材料要求

填料箱密封 180—450mL/h

机械密封

一般平均泄露量为填料箱密封的1%

机械密封为填料箱密封的10%-50%

有磨损，用久后轴要换 需要经常维护，更换填料，个别情况8小时（每班）更换一次 高压、高温、高真空、高转速、

大直径密封很难解决 加工要求一段，填料更换方便

一般

几无损失

寿命0.5—1年或更长，很少需要维护

可以

动环、静环表面光洁程度及平面要求高，

不易加工，成本高；装拆不便

动环、静环要求较高减摩性能

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第七章 反应釜的其它附件

7.1 人孔的设计

7.1.1 人孔的选取

人孔的设置是为了安装，拆卸，清洗和检修设备内部的装置，当设备的直径大于900mm时，应开设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形两种。圆形孔制造方便，应用较广泛。人孔的大小及位置应以人进出设备方便为原则，对于反应釜，还要考虑搅拌器的尺寸，以便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入筒体内，其主要尺寸如下表：

表7.1 人孔尺寸

人孔类型 带颈对焊法兰人孔 7.1.2 人孔补强的计算

公称压力 4.0

公称直径 450

Dw×S 480×14

D 685

D1 610

d 448

1、计算所需要的最小补强面积A

对内压圆筒或球壳 Ad2et(1fr) 式（7.1） ddi2Ct458mm 式（7.2） Pck1Di2.80.57550（7.3） 2.83mm 式t21560.52.820.5Pc其中K1=0.57，fr1 参阅《化工设备课程设计指导》[5]，则 A=1877.8mm² 2、计算有效补强范围

补强有效宽度 B=max{2d,d2n2nt} 式（7.4） 2d=916 mm 式（7.5）

d+2n2nt458219230556mm 式（7.6）

则 B=916mm

补强有效高度 ，外侧的有效高度h1

h1=min{dnt，接管实际外伸高度} 式（7.7） 其中dnt=117 ，则 h1=117mm

有效高度h2 =min{dnt,接管实际内伸高度} =0 式（7.8） 3、计算补强范围内多余的补强面积

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有效补强区内壳内有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A1

A1(Bd)(e)2et(e)(1fr) 式（7.9）

则 A15908.2mm²

有效补强区内壳内有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A2

（7.10） A22h1(ett)fr2h2(etC2t)fr 式 t2pctdipc4582.84.15mm21562.8

式（7.11）

A22117(284.15)05580.9mm²

有效补强区内焊接缝金属的截面积A3

A32

式（7.12）

判断是否需要补强

由于Ae=A1+A2+A3>A，则开孔不需另行补强

7.2 视镜的选取

视镜是用来观察设备内部情况的，由容器制造厂（按HGJ501-86），有的则可直接外购（HG 21605- 95）

该反应主要反应形式为气液混合态反应，在反应结束后聚氯乙烯会形成液体在釜底，因此有必要安装视镜，观察内部的反应情况。 7.2.1 视镜的结构

由于釜内介质压力Pw=2.8MPa，DN=1200mm，反应釜内密封不透光，故本设计选用防爆带灯视镜。如图7.1所示 7.2.2 视镜的相关参数

表7.2 视镜的尺寸

公称直径 115

公称压力 6.0

D 200

D1 165

b 40

H(≈)防爆 220

n*d 8*M16

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表7.3 视镜的材料

件号 1 2 3 4 5 6

名称 视镜玻璃 衬垫 接缘 紧压环 双头螺柱 螺母

数量 1 2 1 1 8 16

材料

钢化硼硅玻（HGJ501-86) 石棉橡胶（GB3985-83)

1Cr18Ni9Ti Pg16Q235-C

35 25

图7.1 视镜结构

7.3 工艺管及法兰的选取

7.3.1 工艺管选取的规格

反应釜上工艺管口，包括温度计口、压力计口、进料口、出料口及其他仪表管口等，其结构和容器上的管口基本相同。管口的管径及分布部位置由工艺要求决定。

A：进料管口，有固定式和可拆式两种

接管伸进设备内，可避免物料沿釜体内壁流动，以减少物料对釜壁的局部磨损与腐蚀。管一般制成45°斜口，以避免喷洒现象。对于易磨损、易堵塞的物料，宜采用可拆式管口，以便清洗和检修。考虑到氯乙烯对管壁具有腐蚀性，所以在设计中采用检修和更换方便的可拆式进料管口。

B：出料管口，有上出料管口和下出料管口等形式。

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当反应釜内液体物料需要输送到位置更高或者与它并列的另一设备中去时，可采用压料管装置，利用压缩空气或惰性气体的压力，将物料压出。压料管一般做成可拆式，釜体上的管口大小要保证压料管能顺利取出。为防止压料管在釜体内因搅拌的影响而晃动，除使其基本与釜体贴合外，并以管卡或挡板固定。在本设计中，物料无需输送到更高的位置或者与它并列的另外设备中去。所以采用下出料管口形式。 7.3.2 管道法兰选取的规格尺寸

表7.4 管法兰垫片选型表

接管名称 工艺物料进口 加热蒸汽进口 温度计接口 放料口 加热蒸汽出口

密封面型式

RF RF RF RF RF

垫片尺寸（mm） 外径D0 210 200 160 210 200

内径di 110 91 77 110 91

厚度δ 2 2 2 2 2

垫片材料 耐油石棉橡胶板 耐油石棉橡胶板 耐油石棉橡胶板 耐油石棉橡胶板 耐油石棉橡胶板

表7.5 接管及管法兰尺寸

接管名称

公

称直径

DN 接管外径A

连接尺寸

D K d L n Th

法兰厚度C 6 6 6 8 6

密封面厚度f 2 2 2 2 2

法

坡兰

口内

宽径

度b B 59 59 78 110 59

— — — — —

工艺物料进口 100 108 210 170 加热蒸汽进口 温度计接口 放料口 加热蒸汽出口

50 65 50

76

140 160

88 88

18 18 14 18 18

4 4 4 4 4

M16 M16

160 130 118 140 160

88

M12

100 108 210 170 144 M16

M16

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7.4 温度计的选型

表7.6 温度计的型号

检测元件名称 镍铬-镍硅热电偶 镍铬-铜镍热电偶 铁-铜镍热电偶 铜-铜镍热电偶

分度号 K E J T

测量范围 ‒50~1000 ‒40~800 ‒40~700 ‒400~300

7.5 支座的选型及设计 表7.7 支座的尺寸

公称直径DN mm 1100 1m高的容积V m3 1.045 1m厚度为16mm钢板质量kg 638 1、筒体质量：DN=1600mm，δn=16mm，每米质量638Kg，

Q1=1.8×638=1148.4 Kg

2、筒体封头质量：DN=1100mm, δn=12mm的椭圆形封头质量

Q2=2×362=724 Kg

表7.8 筒体封头质量

公称直径 1100

曲面高度 275

直边高度 25

容积 0.174

厚度 12

质量 362

3、介质质量：介质密度为910，容积2.6m3，则质量为 Q3=2.6×910=2366 Kg

4、夹套筒体质量：DN=1200mm，δn=12mm，则

Q4=1×592=592 Kg

5、夹套封头质量：DN=1200mm，δn=12mm的椭圆封头质量为

Q5=365 Kg

6、其他：视镜约6.4Kg，电机约46Kg，釜体法兰146.5Kg

则总重量Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+6.4+46+146.5=8805.3Kg

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选取4个支座，支座最大载荷Q=2201.3Kg 4Q9.81Kg/N103=21.6KN 4根据《化工设备课程设计指导》[5]选取B型支座

表7.9 支座的尺寸

支座号 4

支座本体允许载荷

60 KN

适用容器公称直径 1000-2000mm

高度 250mm

支座质量 15.7Kg

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参 考 文 献

[1]玉玮，王立业，喻健良编著，《化工设备机械基础》大连：大连理工大学出版社，2006.12

[2]董大勤编著，《化工设备机械基础》，北京：化学工业出版社，2002.12 [3]汤善甫，朱思明主编，《化工设备机械基础》，上海：华东理工大学出版社，2004.12

[4]谭蔚，主编 ，聂清德，主审，《化工设备设计基础》，天津：天津大学出版社，2007.3

[5]方书起，主编，魏新利，主审，《化工设备课程设计指导》，北京：化学工业出版社，2010.8

[6]刘立平，许立太，主编，《化工制图》，北京：化学工业出版社，2010.7 [7]李多民，俞惠敏，主编，江楠，主审，《化工过程设备机械基础》，北京：中国石化出版社，2006

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致 谢

为期的两周化机设计就要结束了，虽然这只是短短的两周但是它让我们从中学到了很多，甚至多于课堂，多于课本。

首先它让我们感受到化机课程设计是对这门课程的最好的总结，通过这次的设计让我在此过程中对课本知识有了更好的理解。在以前的学习过程中有很多知识掌握的都很肤浅，不知道应该怎么应用。让我们可以使理论与实践相结合，更好的巩固和掌握所学的课本知识。

其次他还提高了我们的自主学习能力，和团队合作的能力，让我们每个人在相互辩证，讨论的过程中相互学习。

最后我要感谢韩老师可以给我们这次设计的机会，让我们学到更多的东西；分组进行设计使我这个“新生”在班级里认识了更多的人；感谢您在设计中给予我们的建议和帮助。我还要感谢同组的XXX,XXX等同学在设计过程中的帮助和默契的配合，使得我们在规定的时间内完成了这次设计任务。

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