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1、南华大学机械工程学院毕业设计1前言1.1课题介绍搅拌设备使用历史悠久，广泛应用于化工、医药、食品、采矿、造纸、涂料、冶金、废水处理等行业中。搅拌器除用作化学反应器和生物反应器外，搅拌反应器还大量用于混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。在化工容器制造过程中，一台压力容器从设计到投入运行，要经过设计、制造、检验、安装、运行监督和维修等多个环节，设计是其中一个十分重要的环节。设计的正确、合理与否，不仅涉及到制造、检验等环节的难易程度，影响到压力容器的制造成本和运转费用，而且直接关系到产品运行的可靠性。1.2课题研究背景及发展趋势压力容器从产生到现在，大约可以分为三个阶段：第一阶段,
2、主要表现在20世纪初，随着石油化学工业的发展，所以一些应用于化工生产的中、低压力容器的设计与试验应用，主要是薄壁容器的碳钢容器及部分不锈钢容器的应用。第二阶段，21世纪50年代以后，随着世界经济的飞速发展，压力容器有广泛的应用于工业、农业、军工及民用等许多部门，这时的压力容器不能单独地构成一台设备，它内部必须装入为完成某一化工单元操作所需的内件，诸如合成塔、分离器、热交换器及特殊工艺的高压容器。第三阶段，21世纪的中国等发展中国家，制造也的发展是社会发展、经济提高的基础。但随着世界性的能源危机，许多国家正在大力的开发能源，一方面加紧开发煤气和天然气，另一方面积极发展核能发电，这些能源装置需要大
3、量的高压容器和超高压容器。预计在不久的将来，高压容器的设计理论与制造技术将会成为我们所要掌握的关键部分。1.3机械搅拌设备的组成机械搅拌设备由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括釜体、封头、内构件以及各种用途的开孔接管等，在运行过程中与搅拌机共同完成介质的悬浮、分散、乳化、混匀、溶解、吸收、萃取、化学反应以及传热等物理、化学反应。搅拌机包括传动装置、搅拌器、搅拌轴、轴封等。1.4课题设计内容、设计参数及生产工艺1.4.1设计内容搅拌容器：1.壳体材料的选择以及厚度的计算和校核；2.上下封头型式的确定以及厚度的计算和校核；3.管口开孔补强计算及接管规格的确定；4.容器支座的确定.搅拌机：
4、1.搅拌器的选型及校核；2.搅拌轴的计算及选材；3.传动装置的选择；4.电机功率的计算；5.搅拌轴封的型式确定及材料选用.1.4.2设计参数设计压力：0.6MPa;设计温度：35水的密度：1000kg/m3有机物的密度：835kg/m3水的粘度：110-3Ns/m3有机物的粘度：0.80210-3 Ns/m3水的重量分率：0.8有机物的重量分率：0.2混合物表面张力：3010-3 N/m搅拌器转速：130r/min2.反应釜总体结构设计搅拌压力容器的结构和计算按GB150的规定。反应釜的机械设计是在工艺设计之后进行的，设计依据是工艺提出的要求和条件。设计工艺条件一般包括反应釜的全容积、最大工作
5、压力、工作温度、介质腐蚀性、搅拌形式、转速和功率、工艺接管尺寸方位等,而这些条件都是由用户提供的。反应釜设备主要用于医药，化工，食品，轻工等行业中的水解，中和，结晶，蒸馏，蒸发，储存等生产环节。该反应釜主要由筒体、封头、搅拌轴、搅拌器、电动机、减速机、联轴器、轴承组件、填料箱、机架等部件组成。在阅读了设计任务书之后，按以下内容和步骤进行搅拌反应釜的机械设计。（1） 总体结构设计。 根据工艺要求并考虑制造、安装和维护检修的方便，确定各部分结构形式，如封头形式、传动类型、轴封和各种附件的结构形式。（2） 搅拌容器的设计。 A. 根据工艺参数确定各部分几何尺寸；B. 考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜
6、体材料；C. 对罐体、封头等进行强度和稳定性计算、校核。（3） 传动装置设计，包括选择电动机、确定传动类型、选择减速机、联轴器、机架及支座设计等。（4） 决定并选择轴封类型及有关零部件。（5） 绘图，包括总装图、部件图和零件图。（6） 编制技术要求，提出制造、装配、检验和试车等方面的要求。反应釜结构简图见图2.1： 图2.1 反应釜总图2.1 搅拌容器的设计搅拌容器的结构和设计按GB150-1998钢制压力容器的规定。2.1.1搅拌容器的几何尺寸计算搅拌容器罐体一般是立式圆筒容器，有顶盖、筒体和封头，通常支座安装在基础或平台上。罐底通常为椭圆形封头。顶盖在受压状态下操作常选用椭圆形封头。2.1
7、.1.1计算筒体的内径D一般由工艺条件给定容积v,筒体的内径可按如下公式计算 其中V表示工艺条件给定的容积，,此处V=3 i表示长径比（按物料类型选取,见下表） 表2.1 几种搅拌釜的长径比i值种类设备内物料类型i一般搅拌釜液-固相或液-液相物料11.3气-液相物料12发酵罐类1.22.5代入数据并进行计算得将D估算值圆整到公称直径，取D=1400mm2.1.1.2 确定封头的形式及尺寸本搅拌反应釜的封头采用标准椭圆封头，且椭圆封头的内径与筒体的内径相同，故DN=1400mm封头形状如下图二： 图2.2 标准椭圆封头形状及其尺寸 查以内径为公称直径的椭圆封头的形式和尺寸表得h1=350mm h
8、2=25mm V=0.39772.1.1.3 确定筒体的高度H 反应釜容积通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。故筒体高度可以按如下公式计算式中V表示封头容积， V表示1m高筒体的体积，查椭圆形封头尺寸表得V=0.3977查筒体的容积、面积和质量表得V=1.539代入数据计算得H=圆整得H=1.7m故与取定值符合当筒体高度确定后，应按圆整后的筒体高度修正实际容积，则2.1.2搅拌容器筒体内压计算2.1.2.1 计算条件设计压力P=0.6液柱静压故计算压力P=0.6Mpa(当液柱静压力小于设计压力的5%时，液柱静压力可以忽略不计)设计温度 t=35内径D=1400mm焊接接头系数取筒体材料：Q2
9、35-B(热轧)（板材）2.1.2.2 厚度计算计算厚度：钢板厚度负偏差C取1mm腐蚀裕量C取2mm则设计厚度名义厚度向上圆整到8mm有效厚度2.1.2.3压力试验时应力校核压力试验类型：液压试验试验压力值：式中：表示试验温度下许用应力，113Mpa表示设计温度下许用应力，113Mpa压力试验允许通过的应力水平试验温度下屈服点试验压力下圆筒的应力：校核条件： 校核结果：合格2.1.2.4压力及应力计算最大允许工作压力设计温度下计算应力校核条件校核结论：合格213 搅拌容器上下封头内压计算2.1.3.1计算条件上下封头都为校准椭圆封头，且符合JB/T4746-2002压力容器封头要求设计压力p=
10、0.6Mpa设计温度t=35内径D=1400mm焊接接头系数 曲面高度材料：Q235-B(热轧)（板材）试验温度许用应力设计温度许用应力钢板厚度负偏差复试裕量2.1.3.2 厚度计算形状系数计算厚度则设计厚度 名义厚度向上圆整到8mm 有效厚度满足设计要求2.1.3.3压力计算最大允许工作压力最大允许工作压力计算压力校核结论：合格2.1.4人孔接管开孔补强计算人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。当设备直径大于900mm是应开设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形两种。圆形人孔制造方便，应用较为广泛。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
11、轴能通过人孔放入罐体内。容器开孔后由于壳体材料的削弱，出现开孔应力集中现象。因此，要考虑加强。补强圈就是用来弥补设备壳体因开孔过大而造成的强度损失的一种常用形式。补强圈形状应与被补强部分相符，使之与设备壳体密切贴合，焊接后能与壳体同时受力。补强圈上有一小螺纹孔（M10），焊后通入空气，以检查焊缝的气密性。补强圈的厚度和材料一般与设备壳体相同。 2.1.4.1 接管规格：f, 2.1.4.1.1设计条件设计压力 设计温度 壳体型式：椭圆形封头 接管材料： Q235-B(热轧) 板材补强圈材料名称：Q235-B(热轧)壳体开孔处焊接接头系数：1壳体内直径：D=1400mm壳体开孔处名义厚度：壳体厚
12、度负偏差壳体腐蚀裕量壳体材料许用应力接管名义厚度：椭圆封头长短轴之比为2开孔中心至封头轴线的距离为0mm接管实际外伸长度接管实际内伸长度接管焊接接头系数接管腐蚀裕量接管厚度负偏差接管材料许用应力补强圈材料许用应力2.1.4.1.2开孔补强计算（a）补强及补强方法判别补强判别 根据下表，允许不另行补强的最大接管外径为89mm。本开孔外径远大于该值，故需另行考虑其补强。表2.2 不另行补强的接管最小厚度 mm接管公称外径253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0注：1. 钢材的标准抗拉强度下限值时，接管与壳体的连接宜采用全熔透的结构形式;2. 接管的腐蚀裕量为1mm补强方法判别开孔直径 本凸形封头开孔直径d=416mmD，补强圈在有效补强范围内。补强圈厚度为 考虑钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为8mm（与封头厚度
