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1、立式带夹套的反应釜设计,绪 论 一、化工设备课程设计的目的和要求 (1)课程设计的目的 化工设备课程设计是培养学生设计能力的重要实践教学环 节。在教师指导下，通过课程设计，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 工程实际问题的能力。当学生完成课程设计后，应达到下列 目的： 1)通过课程设计，能够将化工设备课程和有关先修课程所 学的知识，在设计中综合地加以运用，使学到的知识得到巩 固、加深和提高。,2)初步培养学生独立进行工程设计的工作能力，树立正确 的设计思想，掌提化工容器及设备设计的基本方法和程 序，为今后从事工程设计打下良好的基础。 3)使学生能够熟悉和
2、运用设计资料，如有关国家（部颁） 标准，以完成作为工程技术人员在机械设计方面所必备的 基本训练。 (2)化工设备课程设计的要求 通过课程设计应达到以下要求： 1)树立正确的设计思想 能够结合生产实际综合地考虑先进、安全、经济、可靠和 实用等方面的要求，严肃认真地进行设计。 2)具有积极主动的学习态度,在课程设计中遇到的问题，要随时查阅有关教科书或文 献，通过积极思考，提出个人见解尽可能自己解决，不要 太多地依靠指导老师帮助解决问题。 3)正确处理好几个关系 继承和发展的关系 强调独立思考，并不等于设计者凭 空假想，不依靠设计资料和继承前人经验，这样是得不出 高质量设计的。对于初学设计的人来说，
3、学会收集、理解 、熟悉和使用各种资料，正是培养设计能力的重要方面。 因此正确处理好继承和发展条件下的抄、搬、套问题，正 是设计能力强的重要表现。 正确使用标准规范 化工设备设计非常强调标准规范。 但是并不是限制设计的创造和发展，因此遇到与设计要,求有矛盾时，经过必要的手续可以放弃标准而服从设计要 求。但非标准件中的参数，一般仍宜按标准选用。 学会统筹兼顾、抓主要矛盾 ) 计算结果要服从结构设计的要求：对初学设计者，最 易把设计片面划解为就是理论上的 强度、刚度、稳定性等计算，认为这些计算结果不可更 改，实际上，对一个合理的设计，这些计算结果只对零件 尺寸提供某一个方面的依据。而部件实用尺寸一定
4、要符合 结构等方面的要求。 ) 按几何等式关系计算而得的尺寸，一般不能随意圆整 变动；按经验公式得来的尺寸一般应圆整使用。 ) 处理好计算与绘图的关系：设计中要求算、画、选、,改同时进行，但零件的尺寸以最后图样确定的为准。对尺 寸作出修改后，有时并不一定要求再对零件强度等进行计 算，可以据修改幅度、计算准确程度等来判断是否有必要 再行计算。 二、化工设备课程设计的内容和步骤 (1) 课程设计的内容 根据设计任务书的要求和设计条件单的 内容，在二周的时间内， 完成一种典型钢制容器 或设备(如贮罐、反应釜) 的机械设计。 绘制设备 总装图一张、重要部件图 一张；书写设计说明书一份。 (2)课程设计
5、的一般步骤,1)准备阶段 设计前应准备好有关的设计资料、手册、图册。 认真研究设计条件单，分析设计条件单中的技术特性 参数、接管表中各接管的规格和用途、设备示意图，明确 设计要求和设计内容。 设计前应认真复习教科书的内容、熟悉有关的设计资 料和设计步骤。 结合实验室的现有实验设备（如列管式换热器、填料 塔、精馏塔、反应釜等），熟悉典型设备的结构，为设计 做准备。 2)机械设计阶段 化工容器及设备的机械设计是在设备的工艺设计后进行 的。其内容和任务是根据设备的工艺条件（如工作压力、,温度、介质腐蚀性、结构形式和尺寸、接管方位标高等） ，围绕着确定壳体壁厚这一尺寸进行的强度、刚度和稳定 性的设计或
6、校核计算；对设备内、外附件进行机械结构设 计和选型。这一过程往往通过“边算、边选、边画、边改” 的作法来实现，没有一次成功完成整个设计的做法。 选材 当设计条件单中没有提供使用的材料牌号时，通常先按 压力因素进行选材。当操作温度高于200或低于一40 时，温度就是选材的决定因素；在腐蚀强烈或对物料的污 染有特定要求的，腐蚀因素是选材的主要依据。当设计条,件单中提供了使用的材料牌号时，按要求使用，不需要另 行选材。 外载荷的计算 外载荷的计算包括内压、外压、设备自重，零部件的偏载 、风载载、地震载荷等，常用列表法，分项统计的方法来 进行。 强度、刚度、稳定性设计或校核计算 根据结构形式、受力条件
7、和材料的力学性能、耐腐性能等 进行强度、刚度和稳定性计算，最后确定出合理的结构尺 寸。 选用零部件 设备的附件结构，一般由工艺设计确定，附件的结构形式,在满足工艺要求的条件下，由受力条件、制造、安装等因 素决定。如法兰、支座、人孔、视镜、液面计等附件。 传动装置的选型与计算 对带有机械传动、液压传动的设备，这部分零部件大都标 准化、可参考有关手册（如机械零件设计手册）进行计算 、选型。 三、绘制设备装配图 (1)选择主视图 根据设备设计条件单中的图示特点，采用全剖视的表达方 法，用以表达设备上各零部件之间的装配关系。 (2)确定其它视图 主视图确定后，选择俯视（或侧视）图，以表达设备上各,接管
8、周向方位及支座的数量、外形及周向方位，补充了主 视图对这些部分表达的不足。 (3)选择辅助图及各种表达方法 根据设备的结构特点，采用局部放大图等表达方法来补充 基本视图的不足，可用若干个局部放大图，分别表达设备 与工艺接管、筒体与封头等连接情况和焊缝结构。 (4)提出技术要求 对设备制造、装配、检验和试车等工序提出合理的要求， 以文字的形式标注在总装图上。 四、绘制零部件图 对于标准零部件，有专门厂家生产的，可以不绘制零部件 图；对于具有独立结构的零部件需要绘图，以便加工制 造。,五、设计计算说明书 设计计算说明书是图纸设计的理论依据，是设计计算的整 理和总结，是审核设计的技术文件之一。其内容
9、一般有以 下部分： (1)设计任务书； (2)前言；(3)目录； (4)设计条件单； (5) 设计方案的分析和拟定； (6)各部分结构尺寸的确定和设 计计算； (7)设备装配图； (8)设备部件图；(9)鸣谢； (10) 参考文献 设计计算说明书要求计算结果正确，论述清楚、文字精 练，插图简明，体式符合学校的有关规定，装订成册 。,立式带夹套的反应釜设计 带有搅拌装置的釜式反应器是化工、医药、染料、涂料等 行业生产中常用的典型设备， 它们的机械设计除涉及到化 工设备机械基础教材中化工 容器设计的内容外，还有不 同的设计和计算要求。右图 为一台典型的带搅拌及夹套 传热的反应釜。由图可知， 反应釜
10、通常由釜体、传热、 搅拌、传动、密封等装置及 有关附件组成。,搅拌轴,夹 套,釜 体,机 架,减速器,电动机,密封装置,搅拌桨,温度计,釜体是物料进行反应的空间，由筒体及上、下封头组成。 传热装置是为了提供化学反应所需的热量或带走反应生成 的热量。除了图中所用的夹套传热外，还有蛇管形式的传 热装置。搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其作用是迅速 、均匀地混合物料，强化传质传热过程，从而加快反应速 率。为使搅拌器能够以一定的转速转动，需要设置与之配 套的由电动机和减速机等组成的传动装置。反应釜上除了 有设备法兰、管法兰等静密封结构外，还有保证转轴密封 的动密封装置。可采用填料密封或机械密封。此外，根
11、据 工艺和维修要求，反应釜釜体上还设置了工艺接口管、人 （手）孔、视镜、支座等许多附件。 反应釜的机械设计就是根据工艺设计所确定的操作容积、,工作压力、工作温度、介质情况、传热面积、搅拌形式、 转速和功率、以及管口尺寸和方位等工艺条件，选择各零 部件的材料，确定反应釜釜体、夹套的结构型式和尺寸。 通过强度、刚度和稳定性计算确定反应釜壳体、夹套壳体 的壁厚和搅拌抽直径，并根据有关的标准对搅拌器、传动 装置、密封装置和各种附件进行选型，然后绘出所需的装 配图与必要的零部件图。 一、釜体的结构型式 反应釜的釜体由圆筒形壳体、上封头和下封头组成。封 头型式多为椭球形，但对于含有固体颗粒或粘度较大物料
12、的釜体，其下封头常采用便于出料的锥型封头；筒体与下,筒体与下封头一般采用焊接。上封头与筒体的连接方式由 釜体的直径确定。当釜体直径 800时，人在釜内的活 动空间较小，故一般采用法兰联接。当釜体直径 800 时，封头与筒体也可焊接。内 件的装拆可通过封头上的人孔 进入釜内来完成，有时为方便 装拆和检修，既用法兰来连接 封头和筒体，又在封头上开设 人孔。 (1)筒体的直径和高度 反应釜的外形尺寸如图所示，其中 筒体的内径 和长度 可如下确定。,D i,D j,H,H j,反应釜的外形,筒体直径 的确定 立式反应釜釜体的容积通常是指圆柱形筒体和下封头包含 的容积，即： 将釜体视为圆柱形筒体，初步估
13、算釜体的内径 ，取 将选定的 值代入上式，可初步估算出釜体的内径。 考虑到釜体的内径应符合压力容器公称直径的标准。 筒体的长度 的确定 筒体的长度 可由下式确定,二、釜体壁厚的设计 (1)内压筒体壁厚的设计 设计参数的确定 根据设备设计条件单中提供的 有关技术特性参数和要求，确定设计参数。 设计压力 ：无安全装置取 1.1 ；装安全阀取 (1.051.1) ；装爆破膜取 ； 计算压力 ： ， 5，可以忽略 ； 设计温度 ： 取操作介质的最高温度； 焊缝系数 ： 根据筒体纵向焊缝的结构和无损探伤的要求 由教材中的焊缝系数表确定（见教材中表14-5） 壁厚附加量 ： 0.25mm； 取值见有关文献
14、,筒体壁厚的设计 碳钢、低合金制筒体壁厚的设计采用试差法； 高合金制筒体的壁厚由壁厚计算公式确定。 筒体的刚度校核 碳钢和低合金钢制容器 3800 mm， 2 /1000且不小于3mm另加并圆整 至 。 3800mm ， = /1000+4 mm (2)内压封头壁厚的设计 封头的选型 釜体的上下封头一般采用 椭球型或碟型，且尽可能 选用标准封头。当釜内有 固体物料或物料粘度较大， 下封头可选用锥形封头， 以便卸料。,设计参数的确定 见筒体设计参数的确定。但焊缝系数的取法与筒体略有不 同，即当封头的内径1200mm时，采用整板冲压成型，焊 缝系数取1。 封头壁厚的计算 设计方法与内压筒体壁厚的设
15、计方法相同。 当封头壁厚小于筒体壁厚时，将封头的壁厚调整至与筒体的 壁厚一致；当封头壁厚大于筒体壁厚时，将封头的直边部分 进行加工，以便等壁厚焊接和降低边缘应力。 三、外压釜体壁厚的设计 当夹套内介质的工作压力高于釜内压力时，被夹套包覆的釜 体为外压容器，为防止釜体发生失稳，需要对其进行稳定性 计算。,(1)外压圆筒壁厚的计算-简化公式设计法 设计外压的确定 根据设计条件单中釜体和夹套内介质的工作压力，确定设计 外压 。 圆筒壁厚的计算 假设圆筒的壁厚为 ，由 = C、 分别计算 出 、 由公式 计算出临界长度 值 由 或 计算出筒体的计算长度 将 与 进行比较，若 ，筒体为长圆筒； 若 ，筒体为短圆筒,长圆筒临界压力： 短圆筒临界压力： 由 计算出 p ，对于圆筒m=3。 将p与 p 进行比较，若p p ，则假设 合理；反之不合 理，重新设计，直至满足p p为止。 (2)图算法 外压圆筒所需的壁厚可利用教材中外压容器设计一章中的图 15-415-7进行计算，过程如下： 假设圆筒的壁厚为 ，由 、 ，分别计算 出 、,L,L,在图15-4的 坐标中找到
