4立方米的酯化釜及儲罐設計（全套CAD圖+說明書+開題報告+翻譯）,立方米,酯化,設計,全套,cad,說明書,仿單,開題,報告,講演,呈文,翻譯 4m3酯化釜及儲罐設計 摘要: 本設備是酯化反應生產(chǎn)系統(tǒng)，由攪拌反應器和儲罐組成。該設備具備安全可靠、結構簡單、效率高、耗能低等優(yōu)點。本次設計首先進行了總體方案設計，主要是依據(jù)反應物的性質確定。攪拌反應器設計是本設計的一個重點，包括攪拌罐設計、攪拌軸設計、攪拌裝置設計選型、軸封設計等。儲罐也是本次設計的主要內容之一，用來存儲產(chǎn)品。由于酯是有毒物質，而且易燃，因此對反應設備及儲存設備的密封要求相當高，需要對各部件進行選型、校核。本次設計采用計算機輔助設計，使繪圖效率與質量大大提高，節(jié)省大量時間。 關鍵詞 ：酯化；攪拌反應器；儲罐 4m3 esterification kettle and storage tank design Abstract: This device is a producing system of esterification，which is composed of the stirring reactor and the storage tank.The device with simple structure and low consumption of energy is very safe,reliable and efficient.For the first,according to the nature of the reacting substance,I made an overall concept design.The design of the stirring reactor plays an import role, including the stirring tank design, the stirring axis design, the stirring device design and shaping, the axis seals design and so on.The storage tank for keeping the product is another main element. Because the materials are poisonous and flammable. It is highly important to use the best seals for the devices.All the parts must be examined and collated.The computer-aided design used in this design greatly enhanced the efficiency and quality of the drawings and saved me lots of time. Key words: esterification；stirring tank；storage tank 目 錄 引 言 1 第一章 攪拌反應器設計 2 1.1概論 2 1.2攪拌罐尺寸確定及結構選型 3 1.3攪拌器選型與計算及附件 5 1.4攪拌功率及電動機選型 8 1.5攪拌軸軸封設計 10 1.6攪拌器的結構與強度計算 11 1.7攪拌軸直徑設計 12 1.8攪拌罐壁厚設計 16 1.9封頭設計 18 1.10開孔補強 19 1.11減速器選用 22 1.12機架選用 23 1.13聯(lián)軸器選用 23 1.14傳熱部件設計 24 1.15頂蓋及底座結構設計 24 1.16支座設計 25 第二章.儲罐設計 26 2.1儲罐尺寸確定 26 2.2罐體壁厚計算 26 2.3封頭設計計算 27 2.4罐體結構設計 28 2.5開孔補強 28 2.6支座 29 參考文獻 31 英語翻譯 32 謝辭 46 第 3 頁，共 52 頁 引 言 經(jīng)過實驗研究和理論探索，如今的流體混合技術已進人快速發(fā)展的新時期，并且積累了大量可用于分析和預測混合體系的設計經(jīng)驗和關聯(lián)式。但是因為流體混合體系的多樣性和物料流變特性的復雜性，現(xiàn)在對于攪拌設備的選型和設計還主要依賴于經(jīng)驗和實驗，對其好壞很難用理論來預測，對于能量損耗和生產(chǎn)成本，只能在一定規(guī)模的生產(chǎn)裝置上進行對比后才能分出高低。另外對攪拌設備的放大規(guī)律至今仍無足夠的認識，缺少理論指導。 此次設計的攪拌反應設備是酯化釜，酯是一種重要的有機化工產(chǎn)品，除本身是溶劑、增塑劑而用于很多工業(yè)部門外，還大量用來生產(chǎn)聚酯，也有一部分用作有機合成的原料。酯類生產(chǎn)的歷史長遠，針對其基礎理論的研究也早已經(jīng)開始，威廉森在1852年已經(jīng)提出了由酸與醇合成酯的理論。 可生成酯的方法很多，工業(yè)上大多數(shù)直接酯化過程均為液相反應，由于受平衡限制，反應不能進行完全，故常用從反應混合物中移走反應產(chǎn)物（水，酯或兩者在一起）的辦法來移動平衡點。反應器可以是連續(xù)式的或間歇式的。間歇式反應器通常為帶攪拌的反應釜；連續(xù)式反應器則是塔式的。為防止無機酸催化劑對設備的腐蝕，須妥善選擇反應器的材質及結構。 酯化釜的目的是借助攪拌器的作用是使酸跟醇在高溫的條件下發(fā)生化學反應生成酯。該題目主要解決的問題為此設備的設計，包括攪拌裝置、軸封和攪拌罐三大部分設計，并畫出相應的設備圖。 第 49 頁，共 52 頁 第一章 攪拌反應器設計 1.1概論 攪拌反應設備在工業(yè)生產(chǎn)領域中應用的范圍十分廣泛，特別是在化學工業(yè)生產(chǎn)中，十分多的化學工業(yè)生產(chǎn)都多多少少的應用著攪拌操作。攪拌能夠使得兩種或多種的物質在彼此之間相互分散，從而能夠達到均勻混合，也可以加速傳熱和傳質的過程?；瘜W工藝流程的種種化學變化，都是以參加化學反應物質的充分混合為基礎的。針對加熱，冷卻及液體萃取以及氣體吸收等物理變化過程，也常常須要采用攪拌操作才能得到比較完善的效果。攪拌設備在許多場合是作為反應器來使用的。 攪拌反應設備的作用如下： 1． 使物料混合均勻 2． 使氣體在液相中分散順利 3． 使固體顆粒在液相中懸浮均勻使不相溶的另一液相懸浮均勻或乳化充分 4． 強化相間的傳質 5． 強化傳熱 攪拌設備能從各種不同的角度進行分類，例如按照工藝用途分類，按攪拌器 結構形式分類或按攪拌裝置的安裝形式分類，以下僅按攪拌裝置的各種安裝形式進行分類和選取，主要種類和各種的功能如表1.1。 表1.1各種攪拌器及其功能 種類 主要特點 立式容器中心攪拌 將攪拌裝置安裝在立式設備筒體的中心線上，驅動方式一般為皮帶傳動和齒輪傳動，用普通電機直接連接或與減速器直接連接。 偏心式攪拌 攪拌裝置在立式容器上偏心安裝，能防止液體在攪拌器附近產(chǎn)生“圓柱狀回轉區(qū)”，可以產(chǎn)生與加擋板時相近似的攪拌效果。但偏心攪拌容易產(chǎn)生震動，一般用于小型設備上比較合適。 傾斜式攪拌 為防止渦流產(chǎn)生，對簡單的圓筒形或方形敞開的立式設備，可將攪拌器用于、夾板或卡盤直接安裝在設備筒體的上緣，攪拌軸斜插入筒體內。此種攪拌器小型，輕便，結構簡單，操作容易，應用范圍廣。 底攪拌 攪拌裝置在設備的底部，稱為底攪拌設備。其攪拌軸短而細，無中間軸承；可用機械密封；易維護，檢修；壽命長。 臥式容器攪拌 攪拌器安裝在臥式容器上面，可降低設備的安裝高度，提高攪拌設備的抗震性，改進懸浮液的狀態(tài)等。 臥式雙軸攪拌 攪拌器安裝在兩根平行的軸上，二根軸上的攪拌葉輪不同，軸速也不等，主要用于高黏度液體。 旁入式攪拌 旁入式攪拌是將攪拌裝置安裝在設備筒體的側壁上，分為角度固定式和角度可變式兩種。 組合式攪拌 有時為了提高混合效率，需要將兩種或兩種以上形式不同，轉速不同的攪拌器組合起來使用，稱為組合式攪拌設備。 在此次設計中攪拌反應器是在操作溫度：230℃，夾套：150℃，盤管：250℃，介質：容器內脂肪酸，夾套：水蒸汽，盤管：導熱油，全容積：4立方米，儲罐：常溫常壓，全容積：22.9立方米。即在這樣的條件下將脂肪酸與醇進行反應生成酯，即作為反應器來使用，綜合考慮選用立式容器中心攪拌。 1.2攪拌罐尺寸確定及結構選型 攪拌罐包括罐體和裝焊在其上的各種附件。 通常使用的罐體為立式圓筒形容器，有頂蓋，筒體和罐底，通過支座安裝在基礎或平臺上。罐體在規(guī)定的操作溫度和操作壓力下，為物料完成其攪拌過程提供了一定的空間。此設計即采用立式圓筒形容器。 在知曉攪拌罐操作時盛裝物料的容積后，首先要選擇適當?shù)难b料量和長徑比，從而確定筒體的高度和直徑。 罐體的長徑比應考慮的主要因素有三個方面： 1.攪拌功率 一定結構型式攪拌器的葉輪直徑和與其裝配的攪拌罐體內徑通常有一定的比例范圍。隨著罐體長徑比的減小，攪拌器槳葉直徑也相應放大，在固定的攪拌軸轉速下，攪拌功率與攪拌器槳葉直徑的5次方成正比。所以隨著罐體直徑的放大，功率增加很多，這對于需要較大攪拌作業(yè)功率的攪拌過程是適宜的。 2.傳熱 罐體長徑比對夾套傳熱有顯著影響，容積一定時長徑比越大罐體盛料部分表面積越大，夾套傳熱面積也就越大。同時長徑比越大，傳熱表面積離罐體中心越近，物料的溫度梯度就越小，有利于提高傳熱效果。 3.物料特性 某些物料的攪拌反應過程對罐體長徑比有著特殊要求，例如發(fā)酵罐之類，為了使得通入罐內的空氣與發(fā)酵液有充分的接觸時間，需要有足夠的液位高度，就希望長徑比取得大一些。 綜上，三個方面均要求長徑比取得大一些。 下面根據(jù)物料量初步選定罐體的長徑比和裝料量： 已知容反應釜的容積為4m3，長徑比選取見表1.2。 表1.2攪拌罐長徑比 種類 設備內物料類型 H/Di 一般攪拌罐 液固相或液液相物料 1～1.3 氣液相物料 1～2 發(fā)酵罐類 1.7～2.5 裝料系數(shù)選取： 通?？扇?.6～0.85，如果物料在反應過程中要起泡末或呈沸騰狀，應取低值，約為0.6～0.7，如果物料反應平穩(wěn)，可取0.8～0.85。 本設計中攪拌罐內反應為酯化反應，且為液液相反應， 取長徑比H/ Di =1.1, 取裝料系數(shù)η=0.85 VN=Vη=4×0.85= 3.4m3 VN取3.4m3 筒體直徑D i==4.62m 式中VN-公稱容積,m3 η-裝料系數(shù) 由GB9845-1988《鋼制機械攪拌容器型式及主要參數(shù)》的攪拌罐系列 取Di=1600mm 查JB/T4746-2002 取標準橢圓形封頭EHA1600×10 =1600mm 高度H=415mm 直邊高度h=22mm 封頭容積v=0.55133 罐體高度：H===（3.4÷0.85-0.55133）÷（3.14÷4×1.6×1.6）=1.72m 圓整后取H=1.8m, 實際長徑比為1.8/1.6=1.125， 實際裝料系數(shù)η=3.4÷（π÷4×1.6×1.6×1.8＋0.55133）= 0.8156 基本符合要求。 1.3攪拌器選型與計算及附件 1.3.1攪拌器選型 為了提供能量與造成液體的流動狀態(tài)，攪拌器必須有合理的結構和足夠的強度。合理的結構應符合以下幾個原則：葉輪的制造工藝合理，葉輪與攪拌軸的連接方式穩(wěn)妥可靠，葉輪安裝維修方便等。除推進式等特殊形狀的葉輪加工難度大外，多數(shù)葉輪形狀與加工都比較簡單。采用整體式或可拆式的連接結構，可以從安裝檢修的方便來決定。 1.攪拌條件設定 該反應過程為液液兩相互溶液體的攪拌，互溶液體的攪拌時兩種或數(shù)種互溶液體在攪拌作用下達到濃度或密度或溫度以及其他物性的均勻狀態(tài)的過程，一般稱為混合過程。混合過程都應規(guī)定攪拌液體達到均勻狀態(tài)的標準，而以在攪拌作用下達到這個標準的混合時間作為評價攪拌效果的指標。達到同樣標準作用的混合時間越短，攪拌器的混合性能就越好?；旌蠒r間與攪拌器的幾何尺寸，葉輪的排出流量，葉輪轉速以及攪拌器的滾率大小有關。 2.攪拌葉輪形式和攪拌器附件的選定 1）葉輪形式 各種攪拌葉輪形狀按攪拌器的運動方向與葉輪表面的角度可分為三類， 即平葉，折葉和螺旋面葉。槳式，渦輪式，錨式，框式的葉輪都是平葉或折葉，而推進式，螺桿式，螺帶式的葉輪則為螺旋面葉。 由于平葉的運動方向與槳面垂直，所以當葉輪低速運轉時，液體的主要流動為水平環(huán)向的流動。當葉輪轉速增大時，液體的徑向流動就逐漸增大。葉輪轉速越高，由平葉排出的徑向流越強。折葉由于槳面與運動方向成一定傾斜角度，所以在葉輪轉速增大時，還有逐漸增大的徑向流。螺旋面可以看成是許多折葉的組合，這些折葉的角度逐漸變化，所以螺旋面的流向也有水平環(huán)向流，徑向流和軸向流，其中以軸向流最大。 攪拌器型式 流動狀態(tài) 攪拌目的 對流循環(huán) 湍流循環(huán) 剪切流 低黏液混合 高黏液混合 分散 溶解 固體懸浮 氣體吸收 傳熱 液相反應 渦輪式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 槳式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 推進式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 開啟渦輪式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 表1.3攪拌器型式使用條件表 注：有○者為適合，空白為不合用 為了區(qū)分葉輪排液的流向特點，根據(jù)主要排液方向將典型葉輪分成徑流型和軸流型兩種，平葉的槳式，渦輪式是徑流型，螺旋面葉的螺桿式，推進式是軸流型。 槳式葉輪主要用于排出流，是必要的場合，由于在同樣的排量下，軸向流葉輪的功耗比徑向流低，故軸向流葉輪使用較多。由于結構簡單，即使葉徑大造價也不高，故往往使用與大葉徑低轉速的場合。，綜合考慮互溶液體混合攪拌設備, 由表2.2選用槳式折頁攪拌器，折頁槳的傾斜角度。 1.3.2攪拌器選型與計算 確定葉輪尺寸及轉速 攪拌器直徑DJ=（0.38～0.80）DN=0.381600～0.801600 =608～1280mm 根據(jù)直徑系列選用DJ=743mm，槳葉數(shù)Z=2 槳葉厚度b=（0.1～0.25）DJ=74.3～185.75mm 取b=105mm 示意圖如圖1.1。 圖1.1攪拌器示意圖 攪拌器結構采用對開不可拆式平槳,用筋板焊接固定,如圖1.2。 圖1.2對開不可拆式平槳示意圖 對于長徑比大于1的攪拌罐式液液反應器，采用單層葉輪不能得到良好的混合效果，功耗效率低。因此工業(yè)生產(chǎn)中常采用多層攪拌器。 多層攪拌器的互溶液體攪拌比單層葉輪要復雜得多，每層葉輪都產(chǎn)生各自不同的流型，總攪拌功率與單層葉輪的攪拌功率并沒有簡單的倍數(shù)關系，葉輪間距對多層葉輪的氣液分散能力的影響很大，如果選擇不當，功耗效率反而不如單層葉輪。本設計采用雙層葉輪，葉輪形式同為槳式折頁攪拌器。。葉輪間距取800mm，基本符合要求。 1.3.3攪拌器附件 攪拌器附件通常指在攪拌罐內為了改善流動狀態(tài)而增設的零件，如擋板，導流筒等，在某些場合，這些附件是不可缺少的。采用哪些附件要結合攪拌器的選型綜合考慮，以達到預期的攪拌流動狀態(tài)。增設附件會使液體的流動阻力增大，并影響到攪拌器的功率。本次設計中反應器內物料反應物含腐蝕性液體，反應過程較為劇烈，因此不設置擋板或其他附件，以避免不必要的功率損耗。 1.4攪拌功率及電動機選型 1.4.1攪拌功率計算 攪拌功率包含了攪拌器功率和攪拌作業(yè)功率。 具有一定結構形狀的設備中裝有一定物性的液體，其中用一定形式的攪拌器以一定轉速進行攪拌時，將對液體做功并使之發(fā)生流動，此時為攪拌器連續(xù)運轉所需要的功率就是攪拌器功率。 攪拌作業(yè)功率是把攪拌器使攪拌罐中的液體以最佳方式完成攪拌過程所需要的功率。若葉輪轉速很低，在Re≤10的區(qū)域，僅葉輪周圍的液體隨葉輪旋轉，而遠離葉輪的液體是停滯的，因而混合效果很差，混合時間也很長；當Re增加到大于10，葉輪旋轉產(chǎn)生的離心力就不可忽視了。此離心力產(chǎn)生了排出流量，使角速度傳遞到了遠處的液體，這樣遠離葉輪的液體開始流動，混合大為改善，但在靠近葉輪上下部分仍然出現(xiàn)環(huán)形的停滯區(qū)域；當Re增加到數(shù)百，渦輪式葉輪周圍的液流變成湍流，停滯區(qū)消失。因此，葉輪轉速應適當選取?？紤]到本次設計中攪拌罐內物料反應為酸堿反應，轉速不必取得過大。取轉速為85r/min 。 攪拌功率準數(shù)Np是攪拌設備最基本的特性參數(shù)之一，攪拌功率則按照下式計算：P= 式中ρ-密度，kg/m3 N-轉速，r/min d-葉輪直徑，mm 先采用Rushton算圖計算功率因數(shù)Np 查化工工藝設計手冊，脂肪酸在240的黏度μ≈0.00015 Pa·s 密度=845kg/ 攪拌轉速n=85r/min=1.42r/s Re==0.8736×0.8736×1.42×845÷0.000156.10屬于湍流區(qū) 查Rushton圖 Np=1.9 式中Re-雷諾數(shù) ｄ-葉輪直徑，m N-轉速,r/min ρ-密度,㎏/m3 μ-黏度,Pa·s 所需的攪拌功率為：P==1.9845(0.8736×0.8736×0.8736×0.8736×0.8736)=2339.044w=2.3kw 攪拌罐內有溫度計套管和沿罐壁安裝的蛇管，將引起攪拌功率的增加。 攪拌功率P= P（1+q）=2.3（1+0.2）=2.76kw 1.4.2傳動方式和選型 電動機功率除了滿足攪拌器攪動液體所需的攪拌功率外，還要考慮軸封裝置所產(chǎn)生的摩擦阻力以及傳動裝置所產(chǎn)生的功率損失。 電動機功率= 傳動方式采用行星齒輪減速器，0.95～0.98，取η=0.95 軸封方式采用填料密封，其摩擦損失= 10%=0.276kw 電動機功率為==(2.76+0.276)÷0.95 3.20kw 攪拌設備選用電動機的問題，主要是確定系列，功率，轉速以及安裝測試和防爆要求等幾項內容。 由《機械設計手冊》表16-1-21,選電動機型號為Y2-132M-4 額定功率Ne=7.5kw, 額定電流I=15.6A，滿載轉速n=1440r/min, 傳遞效率, 功率因數(shù)cosφ=0.84, 傳動比i=1440/85=16.9 1.5攪拌軸軸封設計 機械攪拌反應器的軸封主要有兩種：填料密封和機械密封。軸封的目的是避免介質通過轉軸從攪拌容器內泄露或外部雜質滲入攪拌容器內。 機械密封由固定在軸上的動環(huán)及彈簧壓緊裝置，固定在設備上的靜環(huán)以及輔助密封圈組成。機械密封的泄露率低，密封性能可靠，功耗小，使用壽命長，在攪拌反應器中得到廣泛的應用。 表1.4機械密封分類 密封面對象 壓力等級（MPa） 使用溫度（℃） 最大線速度（m/s） 介質端材料 單端面 0.6 -20~150 3 碳素鋼，不銹鋼 雙端面 1.6 -20~300 2~3 碳素鋼，不銹鋼 單端面的結構簡單，制造容易，維修方便，應用廣泛。雙端面密封有兩個密封面，且可在兩密封面之間的空腔中注入中性液體，使其壓力略大于介質的操作壓力，起到堵封和潤滑的雙重作用，故密封效果好，但結構復雜，制造拆裝比較困難，需一套封液輸送裝置，且不便于維修。 罐體反應物中酯為有毒物質，因此為安全考慮，軸封方式采用機械密封，根據(jù)HG21571-95，密封型號選用2005軸向雙端面非平衡型。密封結構圖如1.3。 圖1.3攪拌軸機械密封結構圖 1.6攪拌器的結構與強度計算 攪拌器的強度計算主要是計算葉片的厚度。它必須在決定了葉片的直徑，寬度，數(shù)量，并相應決定了攪拌器功率之后，對葉片進行結構設計。要分析葉片的受力狀況，找出危險截面，然后用設計或校核的方法，決定葉片厚度。 關于葉輪離心力的問題，由于通常的葉輪端部線速不會超過30m/s，所以離心力所引起的葉輪拉伸應力很小，設計中可以不計。 為了保證葉輪在腐蝕性介質，磨損性介質中工作的安全性，應該給葉輪尺寸增加腐蝕裕度。在難以定量確定腐蝕裕度時，可以將葉輪強度尺寸每邊增大1mm。強度計算中要用葉片去掉腐蝕裕度后的凈面積，凈厚度。 對于本設計中采用的圓盤式渦輪，在強度計算時，以各葉片同樣受力，各自作功相等來處理，這樣，總的動力消耗除以葉片數(shù)即得到一個葉片的動力消耗。 葉輪強度計算中的計算功率： =2.30.957.5-0.276=16.1115kw k-啟動時電機的過載系數(shù) -傳動系統(tǒng)的機械效率 -電機的額定功率，kw -軸封處的摩擦損失功率，kw 每個葉片的危險截面都是端截面，該斷面的彎矩值為： M==(9545÷2)×(16.1115÷85)×1.414=1279.12326（N·m） z-葉片數(shù)目 n-攪拌軸轉速，r/min -折頁槳的傾斜角度 折頁槳式的W值可用式W=(mm3)計算，應力為σ=M/W，也應滿足校核公式σ≤[σ]，帶入可得：δ≥=1.02mm 式中b-葉片寬度,mm [σ]-許用應力,MPa 考慮葉片在腐蝕介質中工作，加上腐蝕裕量4mm，向上圓整至5mm。 1.7攪拌軸直徑設計 攪拌軸的計算主要包括軸的強度和剛度計算，以確定軸的最小截面尺寸，保證攪拌軸的安全平穩(wěn)運轉。 1.7.1強度計算 作用在軸上的力包括： 1）流體作用力 2）軸和葉輪自身重量的重力 3）由軸和葉輪的組合質量偏心旋轉中產(chǎn)生垂直于 軸心線的徑向離心力，進而產(chǎn)生徑向彎曲應力 4）如果是密閉攪拌壓力容器，還作用有因容器內外壓差引起軸橫截面上的軸向推力，產(chǎn)生軸向拉壓和彎曲應力 5）傳動裝置傳遞的扭矩主要是傳遞流體作用力的切向合力矩，同時還包括了克服支撐裝置，密封裝置等對軸摩擦損耗的附加扭矩，增加了軸中的扭轉剪切力 由《攪拌設備》圖9-47，應力變化和分布可知，軸上每點應力是拉應力和剪應力的組合，故需用材料力學的方法進行強度校核。對于塑性材料有兩種強度理論可以應用于屈服和疲勞失效，即最大剪應力理論和剪應變能理論。工程上最大剪應變理論常被許多設計規(guī)范所采用，但其結果比較保守。此處采用剪應變能理論。其當量應力計算公式為： σe= σe-當量應力，MPa σ-計算點的合成拉應力，MPa -計算點的剪應力，MPa 由于影響流體作用力的因素非常復雜，除用一定實驗手段測得外，難有一種統(tǒng)一的計算方法，因此工程上提出的各種強度計算方法都要對條件進行簡化。此處按照彎扭合成來計算軸的強度。 最大扭矩應大于葉輪產(chǎn)生的扭矩，但軸的支撐裝置和密封裝置消耗的功率較小，可忽略不記，于是可認為軸傳遞的最大扭矩就是各層葉輪扭矩和。 Mt(max) =Σ(9553000P0/n)=9553000×2.76/85=3.10×105（N·mm） Mt(max)-作用在攪拌軸上的最大扭矩，N·mm P0-一個葉輪的攪拌功率，kw 最大彎矩是液體的作用力與每一層葉輪到下一個軸承之間距離乘積的總和 Mb(max)=Σ(Fh·Li) 式中，L1，L2取值如圖1.4所示 圖1.4 ,的取值 Fh-作用在一個葉輪上水平方向流動力，N d-葉輪直徑 ，mm fs-在下列情況中可取為1： 1） 在混合操作時，其攪拌等級低于7級 2） 正常的操作條件，即攪拌罐位于容器中心及葉輪不是長期在液面上操作 表1.5攪拌等級表 攪拌等級 說明 0 對于0級攪拌時氣體跑空，故化學工業(yè)生產(chǎn)過程中不用該級 1～2 對于1級和2級攪拌一般適用于氣體分散不是關鍵因素的工藝過程。 2級攪拌的能力為：①攪拌器的轉速一般超過氣體分散操作的臨界轉速，氣體在液體中有較低水平的分散；②可用于不受傳質所限制的過程 3～5 對于3～5級的攪拌一般適合用在中等氣體分散水平的工藝過程 可知，5級攪拌的能力為①可以使得細小氣泡到達此容器的壁面； ②可以使得分散的氣泡再一次循環(huán)到攪拌葉輪產(chǎn)生再一次循環(huán)。 6～10 對于6至10級的攪拌一般適合用在需要快速傳質的氣液反應釜中 可知，10級的攪拌能力為：①可以使氣泡表面面積達到最大程度； ②可以使得分散的氣泡再次循環(huán)到攪拌葉輪產(chǎn)生再次循環(huán) 顯然，攪拌等級小于7級，fs=1 材料00Cr17Ni14Mo2 許用剪應力 許用拉應力 N Mb(max) =(2888000×2.76/85×743)×(800+2200)=3.79×105N·mm ds==39.65mm dt==51.9439mm ds-用剪應力計算的最小軸徑，mm dt-用拉應力計算的最小軸徑，mm 1.7.2剛度計算 1.按允許扭轉變形 為了防止轉軸產(chǎn)生過大的扭轉變形，以免在運轉中引起振動造成軸封失效，對表面涂覆保護層的軸也為了防止由于過大變形造成涂覆層的破壞，所以因該將軸的扭轉變形限制在一個允許的范圍內。這就是設計中的扭轉剛度條件，為此，攪拌軸要進行剛度計算，工程上以單位長度的比扭轉角[γ]作為扭轉的剛度條件。 γ=≤[γ] 式中γ-扭轉變形的扭轉角，（°）/m G0-切變模量 Jp-截面的極慣性矩，mm4 材料00Cr17Ni14Mo2 G=75000Mpa n=85r/min N=2.76kw =0.5/m 對于實心軸直徑，由剛度有： d=1536.6=46.8733mm G-軸的切變模量 N-消耗功率 2.按扭轉強度 許用剪切力=40Mpa 攪拌扭矩T=9740=9740×(2.76÷85)=316.2635N·m 不穩(wěn)定力 F=533=533×(316.2635÷743)=226.8754N 作用于軸的彎矩M=（F+F）L1 F=0.01 F=0.01×226.8754=2.268754N L1=2200mm M=0 M=（F+F）L1=（429.69+4.2969）=504.117N·m M= M+ M=504.117+0=504.117N·m 攪拌扭矩Tε=√(316.2635×316.2635)＋(504.117×504.117)=595.1105N·m d=17.205=42.3156mm 1.7.3設計載荷的考慮 除去一般按照通常的條件來確定攪拌軸的設計載荷外，不可忽略在一些特定操作狀況下所引起的設計載荷的變化和增大，設計時必須充分意識到這些所 可能遇到的特殊狀況，從而能夠加大設計載荷采用必不可少的防止措施。像此些特殊狀況主要是指一些影響流體作用力驟劇變化的因素。 ①葉輪在埋入固體沉淀層中的啟動 ②在葉輪轉動中向攪拌容器中進料或排料，將使得流體作用力加大 ③葉輪浸入液體的深度不夠，可能會引起流體的流動形態(tài)發(fā)生變化，變 得很不穩(wěn)定并加大了流體作用力 ④進入液層中的流體進口位置應當遠離葉片 ⑤啟動扭矩的影響 1.7.4軸的最終設計 在以前的設計計算中都沒有考慮到軸上鍵槽，銷孔等對軸截面削弱的影響，現(xiàn)規(guī)定如下： 1.開一個鍵槽或淺孔引起局部削弱時，將使直徑比計算直徑大出4%~5%； 開兩個鍵槽或淺孔時，將使直徑比計算直徑大7%~10%； 2.沿徑向開對穿孔，軸徑按計算直徑增加15%以上。 如按照剛度條件計算的軸徑比之強度條件計算者大許多，那么可考慮選擇較低強度的材料制作攪拌軸。 綜上，攪拌軸直徑取80mm。 1.8攪拌罐壁厚設計 1.8.1攪拌罐壁厚計算 圓柱形容器一般是最常見的一種壓力容器結構形式，不但有結構簡單，而且有制造，更有便于在內部裝設附件等優(yōu)點，被廣泛的用作反應器，換熱器，分離器和中小容積存儲容器。圓筒形容器的容積主要由圓柱形筒體提供。圓筒可分為單層式和組合式兩大類。本設計中的攪拌反應器屬于低壓容器范圍，選用單層式圓筒即可。 設計壓力P=1.10.1Mpa=0.11Mpa 設計溫度t=230℃ 盛裝介質脂肪酸，醇均為無毒液體，攪拌器內為常壓，因此本攪拌罐為第三類壓力容器。選用材料00Cr17Ni14Mo2，許用應力 ，屈服極限。Φ為焊接接頭系數(shù)，此處焊接接頭型式采用雙面焊，100%全部無損檢測，Φ取1.0 由液柱產(chǎn)生的靜壓力Pl=ρgh=845×9.8×2.153=0.01783Mpa，已大于設計壓力的5%，故應計入計算壓力中，則計算壓力P。 計算厚度δ=（PcDi）÷(2[σ]tΦ-Pc)=(0.13×1600)÷(2×70×1-0.13)=1.487mm 對于攪拌壓力容器，規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度不小于3mm，取剛板厚度負偏差C=0.8mm，脂肪酸為腐蝕性液體，取腐蝕裕量C=6mm。 設計厚度δd=δ+C2=1.487+6=7.487mm 名義厚度δn=δd＋C1=7.487+0.8=8.287mm 取=10mm 檢查=10mm時，[] 沒有變化，故取名義厚度 =10mm合適。 有效厚度=-C=10-0.8-6=3.2mm 最大允許工作壓力P==(2×70×1.0×3.2)÷(1600＋3.2)=0.2794MPa>P 計算應力 ==(0.13(1600+3.2))÷(2×3.2×1.0)=32.565Mpa< [] 1.8.2水壓實驗校核 除了材料本身的缺陷外，容器在制造（尤其是焊接過程）和使用過程中會產(chǎn)生各種缺陷，為了考核缺陷對壓力容器安全性的影響，壓力容器制造完后或定期檢查時，都須要進行壓力試驗。壓力試驗包括耐壓試驗和氣密性試驗。 對于內壓容器，耐壓試驗的目的是：在超設計壓力下，考核缺陷是否會發(fā)生快速擴展造成破壞或開裂造成泄露，檢驗密封結構的密封性能。 水壓實驗應力校核：實驗壓力系數(shù)為1.25 實驗壓力P=1.25P=1.25×0.11×(70÷32.565)=0.2956MPa 同時，為使液壓試驗時容器材料處于彈性狀態(tài)，在壓力試驗前必須按照下式校核試驗時圓筒的薄膜應力： 試驗時薄膜應力= =(0.2956×(1600＋3.2))÷(2×3.2×1.0) =74.0478Mpa〈0.9 1.9封頭設計 容器封頭的種類很多，分為半球形，橢圓形，碟形，球冠形封頭等，其中橢圓封頭的應力分布比較均勻，且易于沖壓成型，是目前中低壓容器中應較多的封頭之一。本設計采用標準橢圓封頭。 材料選用00Cr17Ni14Mo2 公稱直徑DN1600mm 曲面高度H=415mm 直邊高度h=22mm 取封頭厚度與筒體厚度相同進行驗算。 選用材料00Cr17Ni14Mo2，許用應力，屈服極限。焊接接頭型式采用雙面焊，100%全部無損檢測，焊接接頭系數(shù)Ф=1.0。 取剛板厚度負偏差C=0.8mm，脂肪酸為腐蝕性液體，取腐蝕裕量C=6mm。 名義厚度=10mm 有效厚度=3.2mm 應力校核： ==(0.13×1601.6)÷6.4=32.5325MP< 最大允許工作壓力： [P]==(2×70×1.0×3.2)÷(1.0×1600＋0.5×3.2)=0.27972MP>P 水壓實驗校核：實驗壓力系數(shù)為1.25 實驗壓力P=1.25P=1.25×(70÷32.5325)=29.5858MPa 實驗時薄膜應力 = =(0.2956×(1600＋3.2))÷(2×3.2×1.0)=74.0478Mpa〈0.9 1.10開孔補強 1.10.1允許開孔的范圍 等面積補強法是以無窮大平板上開小孔的孔邊應力分析作為其理論依據(jù)。但實際的開孔接管是位于殼體而不是平板上，殼體總有一定的曲率，為減少實際應力集中系數(shù)與理論分析結果之間的差異，必須對開孔的尺寸和形狀給予一定的限制。GB150對開孔最大直徑作了如下限制。 ①圓筒上開孔的限制，當其內徑Di≤1500mm 時，開孔最大直徑d≤1/2 Di, 且d≤520mm；當其內徑>1500mm時，開孔最大直徑d≤1/3 Di,且d≤1000mm。 ②凸形封頭或球殼上開孔最大直徑d≤1/2 Di。 ③錐殼或錐形封頭上開孔最大直徑d≤1/3 Di, Di為開孔中心處的錐殼內直徑。 1.10.2所需最小補強面積A 對受內壓的圓筒或球殼，所需要的補強面積A=dδ+2δδet(1-fr) 式中A-開孔削弱所需補強面積，mm d-開孔直徑，mm δ-殼體開孔處的計算厚度， mm δet-接管有效厚度，δet=δ-C，mm fr-強度削弱系數(shù)，等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比，大于1時，取fr=1。 補強材料一般與殼體材料相同，若補強材料許用應力小于殼體材料許用應力，則補強面積按照殼體材料與補強材料許用應力之比而增加。若補強材料許用應力大于殼體材料許用應力，則所需補強面積不得減少。 1.10.3接管方位 根據(jù)等面積補強設計準則，開孔所需最小補強面積主要由δ確定，這里的δ為按照開孔處的最大應力計算得到的計算厚度。對于內壓圓筒上的開孔，δ為按照周向應力計算而得到的計算厚度。當在內壓橢圓封頭或內壓碟形封頭上開孔時，則應區(qū)分不同的開孔位置取不同的計算厚度。這是由于常規(guī)設計中，內壓橢圓形封頭和內壓碟形封頭的計算厚度都是由轉角過渡區(qū)的最大應力確定的，而中心部位的應力則比轉角過渡區(qū)的應力要小，因而所需要的計算厚度也較小。 具體接管方位見攪拌罐總裝圖。 1.10.4開孔設計 1.人孔 本攪拌罐DN=1600mm，設計溫度230℃，設計壓力0.11Mpa，根據(jù)HGJ-86不銹鋼人手孔標準選擇標準號為HGJ505-86的人孔。示意圖如圖1.5。 圖1.6 人孔示意圖 尺寸如下： =350 S=3.5 b=26 b1=19 D=450 D1=420 H1=183 ～H=278 A=245 L=245 d=16 - 螺栓螺母數(shù)量20 直徑長度=M1685 2.放凈口 便于放凈罐體內液體，在罐底開有放凈口Ф110，并設置凸緣。見裝配圖。 3.取樣孔 管孔開在罐體一側，管徑大小取DN=20，規(guī)格為φ23×1.5。 1.10.5接管設計 接管材料采用00Cr17Ni14Mo2，據(jù)GB/T8163-1999選用φ50×3.0 接管法蘭據(jù)HG/20592-97采用法蘭型號為PN1.0 DN44，法蘭材料選用00Cr17Ni14Mo2。 法蘭結構如圖1.6。 圖1.7 法蘭結構圖 尺寸如下： A1=50 D=144 K=109 L=16 n=3.5 Th=M16 B1=52 C=17 R=7 法蘭密封據(jù)GB/T9126.3-1988選用平墊密封，密封材料為石棉橡膠墊。與筒體焊接見圖紙。 1.10.6補強設計 由于開孔以后，除削弱器壁的強度外，在殼體和接管的連接處，因結構的連續(xù)性被破壞，回產(chǎn)生很高的局部應力，給容器的安全操作帶來隱患，因此壓力容器設計必須充分考慮開孔補強的問題。壓力容器接管補強結構通常采用局部補強結構，主要有：a.補強圈補強 b.厚壁接管補強 c.整鍛件補強 其中補強圈補強是中低壓容器應用最多的補強結構，補強圈貼焊在殼體與接管連接處，它結構簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐富，但補強圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時二者存在較大的熱膨脹差，因而使補強圈局部區(qū)域產(chǎn)生較大的溫差應力；此外補強圈與殼體用搭接聯(lián)結，難以與殼體形成整體，所以抗疲勞性能差。一般用在靜載，常溫，中低壓，材料的標準抗拉強度低于540MPa，補強圈厚度小于或等于1.5倍名義厚度，且名義厚度不大于38mm的場合。 補強準則采用等面積補強：即認為殼體因開孔被削弱的承載面積，須有補強材料在離孔邊一定距離范圍內予以等面積補償。該方法是以雙向受拉伸的無限大平板上開有小孔時孔邊的應力集中作為理論基礎的，即僅考慮殼體中的拉伸薄膜應力，且以補強殼體的一次應力強度作為設計準則，故對小直徑的開孔安全可靠。 GB150規(guī)定，當在設計壓力小于或等于2.5MPa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心的間距（對曲面間距以弧長計算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑小于或等于89mm時，只要接管最小厚度滿足下表1.5要求，就可以不另行補強。 表1.6 接管最小厚度 接管公稱外徑 25 32 38 45 48 57 65 76 89 最小厚度 3.5 4.0 5.0 6.0 根據(jù)上表，可知各孔不需要另行補強。 1.11減速器選用 在比電動機速度低得多的攪拌器上常用的減速裝置是裝在設備上的齒輪減速器，蝸輪減速器，三角皮帶以及擺線針齒行星減速攪拌器等。其中最常用的是固定和可移動的齒輪減速攪拌器，但由于只有一個軸承所以需要設置底軸承，也不能用在有防火防爆要求的場合。根據(jù)《機械設計手冊》，選用X系列釜用立式擺線針輪減速器， 機型號XL5，傳動比17 d(h6)=48 b=14 h=52 e=69 H1=79 G=65 F=36 d1=26 b1=7 h1=29 e1=39 R=3.5 D1=297 D2=271 D3(h)=236 H2=191 H=348 E=17 M為M10 n-d 為6-φ11 1.12機架選用 由《機械設計手冊》選用型號為LDJ100A的機架，尺寸見1.7圖所示： 圖1.8 LDJ100A機架 1.13聯(lián)軸器選用 由《機械設計手冊》，選用GT型剛性凸緣聯(lián)軸器，型號GT35，材料為HT200尺寸詳見圖1.8所示： 圖1.9 GT型剛性凸緣聯(lián)軸器 1.14傳熱部件設計 在筒體外側，以焊接連接或法蘭連接的方法裝設各種形狀的鋼結構，使其與筒體的外表面形成密閉的空間，在此空間內通入載熱流體，以加熱或冷卻物料，維持物料的溫度在預定的范圍內，這種鋼結構統(tǒng)稱為夾套。本次設計物料反應溫度為240，要求較高，罐體外側半圓管夾套Φ89×4，材料為00Cr17Ni14Mo2，通以150，0.4Mpa水蒸氣傳熱。筒體內設置蛇管，Φ57×3.5，材料同為00Cr17Ni14Mo2。傳熱部件連接方式及尺寸見總裝圖。 1.15頂蓋及底座結構設計 攪拌罐頂蓋在受壓狀態(tài)下操作常采用橢圓形。設計時一般先算出頂蓋承受操作壓力所需要的最小壁厚，然后根據(jù)頂蓋上密集的開孔情況按整體補強的方法計算其壁厚，經(jīng)圓整即是采用采用的封頭壁厚。一般攪拌器質量及工作載荷對封頭穩(wěn)定性影響不太大時，不必將封頭另行加強；如果攪拌器的工作狀況對封頭影響較大，則要把封頭壁厚適當增加一些。 底座焊接在罐體的頂蓋上，用以連接減速器和軸的密封裝置，有整體式，分裝式底座等型式。為保證既與減速器牢固連接又使穿過密封裝置的攪拌軸運轉順利，要求軸的密封裝置與減速器安裝時有一定的同軸度，為此常常采用的是整體式底座。本次設計即采用整體式底座，底座與封頭接觸處為平面，其間隙中間墊一適當直徑的圓鋼后，再焊成一體。底座連接方式及尺寸見總裝圖。 1.16支座設計 支座用來支承容器及設備重量，并使其固定在某一位置的壓力容器附件，其結構形式很多。立式容器支座有耳式支座，支承式支座，腿式支座和裙式支座四種。中小型直立容器常采用前三種支座，高大的塔設備則廣泛采用裙式支座。本設計采用耳式支座。 根據(jù)JB/T4725-92，選用B型耳式支座： 支座號：4， 數(shù)量：4， 支座允許載荷：60kN 適用壓力容器公稱直徑：1000～2000mm 具體尺寸見《壓力容器與化工設備實用手冊》表3-3-10。 第二章.儲罐設計 2.1儲罐尺寸確定 儲存介質為酯，并含有雜質酸跟醇，為易然介質。按要求須儲存酯體積約為 依GB9019-88筒體用鋼板卷制，公稱直徑取DN2600。則罐長L===2.36m=3360mm 取L=3400mm。 選用標準橢圓形封頭，封頭規(guī)格如下：DN=2600 曲面高度 直邊高度 容積v=2.51 罐體總容積V===22.9m 裝量系數(shù)，滿足裝量要求。 酯的裝量高度為H，查表 H/DN=0.73 H=0.73DN=0.73×2600=1898mm1900mm 液注靜壓力P===16775Pa0.017MPa 2.2罐體壁厚計算 儲罐內氣體壓力位常壓，液注靜壓力P=0.017MPa ，取設計壓力為P=0.2Mpa，罐體材料選用00Cr17Ni14Mo2 假設罐體厚度在4.5-16之間,[σ]=70MPa 焊接形式采用全溶透對接接頭,局部無損檢測,φ=0.85 罐體計算厚度: 取鋼板厚度負偏差C=0.3 腐蝕裕度C=3 設計厚度mm 名義厚度mm 圓整至鋼材標準規(guī)格，=8mm，[σ]沒有變化，故取=8mm合適。 有效厚度=8-0.3-3=4.7mm 最大允許工作壓力: [Pw]===0.215Mpa＞Pc 應力校核:==65.2MPa＜[σ] 水壓試驗:試驗壓力系數(shù)η=1.25 實驗壓力P==1.25×0.2×1=0.25MPa 實驗時薄膜應力==81.5MPa＜ 2.3封頭設計計算 取封頭厚度與罐體厚度、材料均相同，[σ]=70MPa。 焊接形式采用全溶透對接接頭,局部無損檢測,φ=0.85。 取鋼板厚度負偏差C=0.3，取腐蝕裕度C=3 名義厚度=7.68mm，有效厚度=8-0.3-3=4.7mm 最大允許工作壓力:[Pw]===0.215MPa＞Pc 應力校核:==65.2MPa＜[σ] 水壓試驗:試驗壓力系數(shù)η=1.25 實驗壓力P==1.25×0.2=0.25MPa 實驗時薄膜應力==81.5MPa＜ 2.4罐體結構設計 為了滿足工藝的要求，罐體上必須開設進料管，人孔，排渣孔。 2.4.1進料管,排料管設計 出料管,進料管設計數(shù)據(jù)及法蘭同攪拌器。 2.4.2人孔設計 人孔的設計與攪拌器，都是HGJ505-86，公稱規(guī)格為PN0.6 DN500。 2.4.3排渣孔設計 為了便于清洗罐體，在罐體的底部開有Φ57的孔，并且連接規(guī)格為DN50-PN0.6的法蘭。 2.5開孔補強 人孔補強設計： 罐體材料00Cr17Ni14Mo2 =70MPa 計算壁厚=4.38 人孔材料00Cr17Ni14Mo2 =70MPa 人孔直徑d=500 強度削弱系數(shù) =min（，1）=min（，1）=1 削弱的金屬面積 A=d+2（=500×4.38=2190mm 殼體上超過計算厚度δ的多余金屬面積： =（B-d）[（ B= 人孔計算壁厚==0.81mm 有效補強寬度B==max(2×500,500+28+2.5)=1000mm =（B-d）[（=(1000-500)[(8-3.3)-4.38]=160mm 接管上超過計算厚度的多余金屬截面積:= 接管實際外伸長度:==63.2mm =2×63.2×[(8-3.3)-0.81]×1=491.7mm 焊接形式采用如下結構： 圖2.1 焊接形式 β=50 k=6 p=2±0.5 b=2±0.5 補強區(qū)內焊縫金屬的截面積為:==193.1mm 須補強的金屬截面積A1+A2+A3=160+491.7+193.1=844.8mm A4=A-(A1+A2+A3)=2190-844.8=1345.2mm 取補強圈的厚度為4mm.則補強圈的外徑D===852.3mm 取D=860mm 其余接管不須補強。 2.6支座 本臥式儲罐總質量當量M=32012.5kg 工作載荷Q=313.7KN采用鞍式支座。根據(jù)JB/T4712-92選用鞍座輕A型，結構如下： 圖2.2 輕A型鞍座 尺寸如下： 鞍座高度h=250 底版： l=1880 b=300 δ=12 腹板： δ=10 筋板： l=293 b=268 b=358 δ=8 墊板： 弧長3030 b=500 δ=8 e=65 螺栓連接尺寸： 間距l(xiāng)=1640 螺孔d=24 M20 孔長l=40 鞍座制造技術要求： 1):鞍座本體的焊接，均為雙面連續(xù)角焊。鞍座與罐體的焊接采用連續(xù)焊.焊接腰高取較薄板厚度的0.5-0.7倍,且不得小于5mm。 2:焊接采用電焊，焊條型號按規(guī)定 3): 鞍座墊板的圓弧表面應能與罐體貼合，要求裝配后的最大缺陷不應超過2mm。 4): 鞍座的螺栓孔和其他部分的制造公差分別按GB1804(未注公差尺寸的極限偏差)中IT14級和IT16級。 5):鞍座螺栓孔間距l(xiāng)允許偏差為±2mm。 6): 焊縫表面不得有裂紋，夾渣，氣孔和弧坑等缺陷。并不得殘留有溶渣和飛濺物。 7): 鞍座組焊完畢,各部件均應平整,不得擾曲。 8): 鞍座的所有組焊零件周邊表面粗糙度為R50um。 9): 與腹板相接側的筋板兩端應切成25×45的倒角。 10): 鞍座墊板應在熱處理前焊于罐體壁上。 參考文獻 [1] 王凱，虞軍等編．《攪拌設備》．北京：化學工業(yè)出版社，2003.8 [2] 鄭津洋，董其伍，桑芝富．《過程設備設計》．北京：化學工業(yè)出版社，2001.8 [3]董大勤，袁鳳隱．《壓力容器與化工設備實用手冊》上冊．北京：化學工業(yè)出版社2000.3 [4]《壓力容器與化工設備實用手冊》下冊．北京：化學工業(yè)出版社，2000 [. 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