4m3連續(xù)攪拌釜式反應器設計含9張CAD圖.zip,m3,連續(xù),攪拌,反應器,設計,CAD 摘 要 攪拌反應釜，在化工、科研、食品等行業(yè)中應用范圍廣，操作非常簡單便捷，安全系數(shù)符合要求。它的作用是在為各類反應準備反應發(fā)生的空間以及條件，讓反應得以順利進行。 4m3連續(xù)攪拌釜式反應器是我的本次畢業(yè)設計課題，釜體、攪拌裝置、傳動裝置、軸封以及其他零件是所有釜式反應器的重要的構成部分，當然也包括我這次設計的連續(xù)攪拌釜式反應器。對任務書進行了詳細的分析之后，其要求和其結構特點都確定了，再對工作裝置初步分析，開始實際確定設計方案，首先需要確定的是該反應釜筒體的尺寸數(shù)值，根據(jù)筒體的尺寸分析選擇所需要的夾套。攪拌裝置是設計的第二大部分，根據(jù)分析已經(jīng)確定好的筒體，加上任務書的要求，將攪拌器和攪拌軸進行一個粗略的選擇，接著通過計算強度和強度校核，再進一步確定一個最為恰當?shù)难b置。傳動裝置是該反應釜的三大部分之一，分析計算之后確定的電動機與減速機需兼容經(jīng)濟性與動力效果。接著設計反應釜的軸封，比較并選擇軸封裝置類型，對機械密封的結構、工作原理進行準確的分析。 本次設計表達了攪拌式反應釜的設計過程與工作過程。設計的反應釜在結構上安全可靠，性能良好，對化學反應過程具有很好的保護作用。在經(jīng)濟上，提高了化學反應的效率，從而提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。 關鍵詞：攪拌反應釜；攪拌裝置；傳動裝置；軸封；釜體  ABSTRACT Stirred reaction kettle, in the chemical industry, scientific research, food and other industries wide range of applications, operation is very simple and convenient, safety factor to meet the requirements. Its role is to prepare responses for various reactions to the space and conditions that allow the reaction to proceed smoothly. 4m^3 continuous stirred kettle reactor is my graduation project, kettle body, stirring device, transmission device, shaft seal and other parts are the important components of all kettle reactor, of course, including my design of the continuous stirred kettle reactor. A detailed analysis of the teacher's given task book the design of the reaction Kettle has a preliminary understanding of its requirements and its structural characteristics have been determined, and then the initial analysis of the work device, start to determine the actual design, the first thing to determine the size of the reactor cylinder, the number of the case, the specification has been given, According to the size of the cylinder to select the desired jacket, then the size of the jacket also know. The stirring device is the second most of the design, based on the analysis of the identified cylinder, plus the requirements of the task book, the mixer and the stirring shaft for a rough selection, and then through the calculation of strength and strength check, and then further determine the most appropriate device. The transmission device is one of the three parts of the reaction kettle, and the electric motor and the reducer must be compatible with economy and dynamic effect after the analysis and calculation. Then, for the design of the axial seal of the reactor, the type of shaft seal device is compared and selected, and the structure and working principle of the mechanical seal are analyzed accurately. This design expresses the mixing reaction kettle design process and work process. The design of the reactor is safe and reliable in structure, good in performance, and has a good protective effect on the chemical reaction process. In economy, the efficiency of chemical reaction is improved, the production efficiency is improved and the cost of production is saved. Key words： mixing reactor; stirrer; transmission; gearing； kettle body 目 錄 1 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 反應釜的應用領域及進展趨勢 1 1.2.1 反應釜的應用領域 1 1.2.2 反應釜的進展趨勢 2 2 反應釜釜體的設計 3 2.1 反應釜釜體幾何尺寸的確定及結構選型 3 2.1.1 筒體和封頭型式 3 2.1.2 筒體的內徑及高度 3 2.1.3 夾套的結構和尺寸 4 2.1.4 內筒及夾套的受力分析與厚度計算 5 3 攪拌裝置選型 8 3.1 攪拌器的選擇 8 3.1.1 攪拌器的結構類型 8 3.1.2 攪拌器的選用 10 3.2 攪拌功率計算 10 3.3 攪拌軸設計 11 3.3.1 強度及剛度計算 11 3.2.2 攪拌軸直徑的確定 12 4 傳動裝置的選擇 13 4.1 電動機的選用 13 4.2 減速機的選用 14 4.3 機座的選擇 16 4.4 聯(lián)軸器裝置的選型 16 4.4.1 聯(lián)軸器的機構類型 16 4.4.2 聯(lián)軸器的選用 17 4.5 底座的設計 17 4.6 安裝底蓋與密封箱體、機架的配置 18 5 軸封裝置的選用 19 5.1 反應釜軸封裝置的類型 19 5.2 密封類型的選擇 20 5.3 機械密封的結構和工作原理 21 5.4 機械密封的分類 22 5.5 機械密封的選擇 22 6 零部件的加工要求與檢測 23 6.1 軸的加工要求 23 6.2 機械密封主要零件的加工及檢驗 23 6.2.1 密封環(huán)的加工要求 23 6.2.2 軸套的加工要求 23 6.2.3 彈簧的加工要求 23 6.3 反應釜殼體的制造要求與檢驗 24 參考文獻 25 致 謝 26 1 緒論 1.1 前言 反應釜能給物理或化學反應提供空間的裝置。通過反應器內部的旋轉攪拌裝置，為了將材料獲得均勻的混合，我們在內部設計了旋轉攪拌裝置，物料得到充分反應后，我們的目的產(chǎn)品就能生產(chǎn)出來。攪拌裝置多種多樣，有噴射混合攪拌，機械攪拌，氣流攪拌，再到后來出現(xiàn)更先進的電磁攪拌和管道攪拌等等。機械攪拌是這些攪拌方法中的最早應用，不管過去現(xiàn)在將來依舊會被廣泛使用。 根據(jù)反應釜不同的操作方法，可以將之大概分為三種類型：間歇反應釜、連續(xù)反應釜和半連續(xù)反應釜。這是特點完全不同的裝置：如間歇反應釜簡單易操作，一些需求少且需要的品種復雜多樣，或物料反應時間長，選擇該反應釜非常好、恰當，但其生產(chǎn)的產(chǎn)品不可預知其質量，其質量難以確定是一個最大的弊端。但連續(xù)反應釜確恰恰相反，它與間歇反應釜的優(yōu)缺點正好相反，如規(guī)模大，穩(wěn)定性高，能很好得解決產(chǎn)品的不穩(wěn)定的質量問題，并且非常易于操做和控制，但是返混問題是它最大的弊端，而這個弊端對物料的影響不可忽視，為了解決這個問題我們需要通過詳細計算得到恰當?shù)某叽缗c結構，如此而來返混的問題就迎刃而解了，還有一種反應釜它綜合了上述提及的反應釜部分缺點和優(yōu)點，叫做半連續(xù)反應釜。 1.2 反應釜的應用領域以及發(fā)展趨勢 1.2.1 反應釜的應用領域 反應釜能是給物理或化學反應提供空間的裝置，在操作條件和物料物性的條件復雜或簡單，反應效果都很好，在冶金、醫(yī)藥、化工、食品、廢水處理等行業(yè)，反應釜都是一種不可或缺的裝置。有一些大型反應釜的容積數(shù)值驚人，是其他反應釜尺寸的幾百倍至幾百或上千立方米，濕法冶金、污水處 理、磷肥等等是大型反應釜大展宏圖的地方，而實驗室的反應釜容積非常之小以 至只有幾十毫升。攪拌反應釜除了有化學反應釜和生物反應釜這些用處之外，還廣泛使用在結晶、分散、吸收、結晶、傳熱、溶解或者解析、萃取等等這些物理或化學過程。 搪玻璃反應釜適用領域：廣泛的應用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品、科研、化工、石油等行業(yè)。 碳鋼反應釜適用領域：不含有腐蝕性液體的環(huán)境，例如某些油品加工。 不銹鋼反應釜適用領域：適用于需要進行高溫高壓實驗的行業(yè)，例如冶金、科研、高校等部門。它能使顆粒物和粘稠物 質達到高攪拌的效果。 總而言之，反應釜應用廣泛，安全可靠，是化工機械等行業(yè)不可或缺的一種設備。 1.2.2 反應釜的發(fā)展趨勢 在1912年，經(jīng)過幾代人不斷地試驗，終于發(fā)明了能裝置反應物料的容器，稱作反應釜。其得到了科學家們的廣泛認可，其優(yōu)良的性能可以說讓其在世界風靡，至今為止，仍舊有很大一部分的人在使用反應釜，并且數(shù)量從未遞減而是一直以百分之三到百分之五的速度增加。但是根據(jù)以往發(fā)生的實驗失誤，我們通過反復思考，大量實驗，預言未來的反應釜需要加大容積，并且增強節(jié)能環(huán)保，為環(huán)境做出貢獻，其自身的工藝的技術也需要更加成熟，還有材料選擇方面也是需要重點研究的，不斷加強自身硬件的修煉才能不被甩在越來越先進的科技產(chǎn)品的末尾，被人棄之。 改進反應釜可以從以下幾個方面為出發(fā)點： 如何增加其容積是我們未來的努力方向，在未來小批量將是產(chǎn)品制造的主流，對其品質要求也會越來越高，并且伴隨世界飛速發(fā)展的科學技術，我相信達到這些目標指日可待。并且目前反應釜容積大多可以達到120 m3，在國內外相比較而言，在容積的提升這方面已經(jīng)有了非常大的進步，。 而位于反應釜中的攪拌裝置，簡單的攪拌器早已滿足不了復雜的反應需求，只有使用外加泵攪拌器加快攪拌速度讓物料的轉動速度加快從而加快其反應速度，才能反應生產(chǎn)出高質量的目標產(chǎn)品。更加先進的讓釜式反應器中物質旋轉速度變高的方法已經(jīng)在行業(yè)內被人們發(fā)現(xiàn)，并將之廣泛用于實際操作中來。 隨著科學技術的快速發(fā)展，自動化技術在世界普及，人力早已被機械替代，大大解放了勞動力，這也可以說減少了不必要的成本，一些人為的失誤也隨之消失了，由那些失誤導致的浪費和許多不必要的污染也會隨之減少，進而提升環(huán)境質量。 最后，熱能是生命的能源，和人類的生活息息相關，若能有效合理地將熱能好好利用起來，提高反應釜的傳熱效率，將這些熱能充分運用，把熱損失降 至最低。這不僅僅是節(jié)約了成本，更是對資源的一種保護和節(jié)約，改進熱管技術是我們的目標，朝這方面去努力，能讓浪費的資源得到更有效的利用。 2 反應釜釜體的設計 2.1 反應釜幾何尺寸的確定及結構選型 2.1.1 筒體及封頭型式的確定 由任務書可知該設備所承受的工作壓力及溫度范圍以及其工藝性質，可以知道它屬于低壓反應釜，根據(jù)要求查閱相關的書籍文獻最后選擇圓柱筒體EHA橢圓形封頭。 2.1.2筒體的內徑及高度 （1）反應釜的/和裝填系數(shù) 由文獻[7]表6-1可查得幾種反應釜的/如表1 表1 反應釜的/值 種類 設備內物料類型 H/Di 一般反應釜 液-固相物料或液-液相物料 1～1.3 氣-液相物料 1～2 發(fā)酵罐類 氣-液相物料 1.7～2.5 在設計反應釜的直徑與 高度時，還需要根據(jù)裝料系數(shù)（反應釜操作時所能允許的裝料程度）等予以綜合考慮，通常取0.6～0.85。若反應狀態(tài)平穩(wěn)，可取 0.8～0.85。在工程實際中，裝料系數(shù)的合理選用，可以提高設備利用z效率。本設計選用=0.8，長徑比選擇H/=1.8。 （2）筒體內徑的計算 通過查閱參考文獻[7],可查得下列公式來計算筒體的內徑： V=π4Di2H=π4Di3(HDi) （1） 則 Di=34Vπ(HDi) （2） 式中：Di為筒體內徑，m ；V為釜體容積，m3；H為筒體高度，m。 根據(jù)說明書可知，氣體和液體的混合物為反應釜內的物質，因此長徑比為1.8是最恰當?shù)倪x擇，將m3代入公式（3）： （3） (3)確定筒體內徑和高度 計算所得的結果圓整為標準直徑，因此取Di=1500mm，在文獻[8]中查閱表4-14，得知25mm為標準橢圓形封頭的直邊高度h2的數(shù)值，=1,由文獻8可得封頭各參數(shù)公式。 曲面高度按下式計算 ab=DI2hi=2 （4） 得曲面 高度h1為375mm 使用公式0.5πD2求得內表面積為2.47m2,使用公式π24Di3得Vh的數(shù)值為 0.442m3, 筒體的容積V1可以由文獻[8]表4-20得知，其數(shù)值為1.767m3。 下式的公式（5）為筒體高度的標準公式： （5） 把上述公式計算所得的數(shù)值代進公式（3）： 計算所得的數(shù)值H≈2.68m，而一般取H=2700mm。 所以H/=1.6，在合理的長徑比范圍之內，符合要求。 2.1.3 夾套的結構和尺寸 （1）夾套的選型 所謂夾套，即在釜體外側用法蘭連接或焊接的 方式裝飾各種形狀的鋼結構，使其與釜體外壁形成一個密閉的空間。夾套的主要有以下幾種結構形式：型鋼夾套半圓管 夾套、蜂窩夾套、 和整體夾套等，由文獻[7]表6-2可知本設計選用的夾套為不可拆式U型夾套。 （2）確定夾套的直徑與夾套筒體高度 為了有利于按標準選擇夾套封頭，夾套直徑Dj一般選取公稱尺寸，具體可以根據(jù)筒體直徑Di按文獻[7]表6-3中推薦的數(shù)值選用，見表2： 表2 筒體直徑與夾套直徑的關系 Di/mm 500～600 700～1800 2000～3000 Dj/mm Di+50 Di+100 Di+200 由表2可知夾套直徑Dj=Di+100=1500+100=1600mm。夾套筒體的高度估算如下： （6） Hj的數(shù)值為1600mm，其為圓整后的數(shù)值，夾套封頭和筒體皆為橢圓形且具有相同的直徑。 2.1.4 內筒及夾套的受力分析與厚度計算 （1）內筒及夾套的受力分析 由任務書可知：夾套內工作壓力0.35Mpa，釜體筒中的工作壓力0.25MPa。所以可以知道夾套封頭和夾套筒體均承受0.35MPa內壓；而內筒的筒體和下封頭既要承受0.25MPa內壓，又要承受來自夾套的0.35MPa外壓，當停止操作時，內筒沒有壓力而夾套內仍有蒸汽壓力存在，此時內筒承受0.35MPa外壓。 （2）計算夾套筒體、封頭厚度 該反應釜中的環(huán)焊縫很難得到檢查，需要從文獻[8]的表格4-8中確定其數(shù)值為=0.6。 查閱文獻[8]得知 公式（7）為厚度（夾套）公式： δd≥pDj2σt-p+C1+C2 （7） =1.1×0.35×16002×113×0.6-1.1×0.35+0.3+2 =4.48mm Pc——計算壓力，MPa Di——圓筒的內直徑，mm σt——在設計溫度下圓筒的許用應力,MPa δn——圓筒的名義厚度，mm C1——鋼板厚度的負偏差，mm C2——腐蝕裕量，mm 公式（8）也為厚度（夾套封頭）公式，: δd≥pDj2σt-0.5p+C1+C2 （8） =1.1×0.2×16002×113×0.6-0.5×1.1×0.35+0.3+2 =4.48mm pc——計算壓力，MPa Di——圓筒的內直徑，mm σt——在設計溫度下圓筒的許用應力,MPa δn——圓筒的名義厚度，mm C1——鋼板厚度的負偏差，mm C2——腐蝕裕量，mm 最終確定，封頭的材料為Q235-A鋼且為標準的橢圓形，上述計算所得厚度數(shù)值圓整后數(shù)值都是5毫米。 （3）計算內筒筒體厚度 查閱文獻[8]中4-9 4-11的表格得C1=0.3 C2=2 同樣由表4-8中分析比較可以得出焊縫系數(shù)的數(shù)值為1 存在0.25兆帕內壓時，公式（9）可計算筒體厚度： δn≥PCDi2σt-PC+C1+C2 （9）=1.1×0.25×15002×113×1-1.1×0.25+0.3+2 =4.13mm Pc——計算壓力，MPa Di——圓筒的內直徑，mm σt——在設計溫度下圓筒的許用應力,MPa δn——圓筒的名義厚度，mm C1——鋼板厚度的負偏差，mm C2——腐蝕裕量，mm 當存在0.35兆帕外壓時，為了簡便計算筒體厚度，首先假設δn=5mm，則δe=5-2.3=2.7mm，由于 夾套頂部與容器法蘭面的距離實際定為150mm，則內筒受到外壓部分 的高度為H-150mm，由此來可以知道L/D0及D0/δe的值。 D0=Di+2δn=1500+2×5=1510mm （10） L=H-150+h2+13h1=2700-150+25+1/3×450=2725mm （11） 式中 h2—橢圓封頭的直邊 高度，根據(jù)Di=1500mm，δn=5mm由文獻[8]表16-7查得h2=25mm h1—橢圓封頭的曲面高度，根據(jù)Di=1500mm，δn=5mm由文獻[8]表16-6查得h1=375mm 故 L/D0=2725/1510≈1.8；D0/δe=1510/2.7≈559 由文獻[8]圖15-4查得A=0.00007，再據(jù)此查文獻[8]圖15-5 ，B不存在。 所以，當名義厚度δn=5mm時， 不能滿足穩(wěn)定要求。 再假設δn=10mm，則δe=δn-C1-C2=10-0.3-2=7.7mm，而D0/δe=1510/9.7≈156，L/D0=2735/1510≈1.6。 由文獻[8]圖15-4查得A=0.0003,再由此查文獻[8]圖15-5得 B=45,則許用壓力為： p=BD0/δe=451824/9.2=0.377MPa>0.35MPa （12） 結果合適。 因為既只可能出現(xiàn)內壓 也可能只出現(xiàn)外壓，也有可能同時出現(xiàn)兩種壓力。因此筒體壁厚的 選擇應綜合考慮，處于二者范圍的最大 值是最恰當?shù)倪x擇，最后確定筒體厚度為10mm。 （4）計算內筒封頭厚度 存在0.25兆帕內壓時，公式（12）可計算筒體厚度： δd≥pDi2σt-0.5p+C1+C2 （13） =1.1×0.3×15002×113×0.85-0.5×1.1×0.25+0.3+2 =4.46mm 存在0.25兆帕內壓時，公式（13）可計算筒體厚度： 設δn=10mm，則δe=δn-C1-C2=10-0.3-2=7.7 mm，而 A=0.1250.9D0/δe=0.1250.9×1510/7.7=0.0007 （14） 查文獻[8]圖15-5得B=100，由公式（12）可得 p=B0.9D0/δe=1000.9×1624/9.2=0.56MPa>0.35MPa 結果合適。 最終決定10mm的數(shù)值是內筒封頭厚度的最佳選擇。  3 攪拌裝置選型 3.1 攪拌器的選擇 攪拌裝置是反應釜的關鍵組件部分。 反應釜攪拌器型式多樣，通常根據(jù)工藝要求來選擇攪拌器的類型。下面所列的是幾種常見的攪拌器的結構特點、安裝方法以及攪拌軸的設計。 3.1.1 攪拌器的結構類型 （1） 渦輪式攪拌器 渦輪式攪拌器應用廣泛，能有效地實現(xiàn)幾乎所有的攪拌操作，并且能適用于于處理一些黏度范圍比較廣的流體。渦輪攪拌器在水平圓盤上有2～6片彎曲的或平直的葉片，槳葉的圓周速度一般能達到1秒3-8米左右，由于它能使物料產(chǎn)生徑向流動，所以它在不互溶液體與氣體的分散以及液液相反應過程方面得到了大量的使用。其中被攪拌液體的黏度不會超過25Pa·s。渦輪式攪拌器的結構圖見圖1。 圖1 渦輪式攪拌器 （2）漿式攪拌器 槳式攪拌器的結構非常簡單，它的槳葉一般由扁鋼制造而成的，材料可以選用合金鋼、碳素鋼、有色金屬、環(huán)氧樹脂、酚醛、玻璃布等。槳分為折葉和直 葉兩種類型：其中折葉式是槳葉與旋轉方向有一個傾斜角θ，θ= 45°或 60°，可使物料有較多的軸向分流；而直葉的 葉面與旋轉方向呈直角，使物料能在切線方向產(chǎn)生流動。槳式攪拌器的運轉速度比較遲緩，速度多在 20～80 r/ min之間，v≤5m/ s。 在料液層比較高的情況下，常裝有幾層槳葉，以使物料攪拌均勻，相鄰的兩層攪拌葉交錯成 90°安裝。 一般情況下，不同層數(shù)的槳葉安裝位置如下： 一層：安裝在下封頭環(huán)向焊縫 線所在水平線上。 二層：其中一層安裝在下 封頭的環(huán)向 焊縫線所在水平線上， 把另一層安裝在液面與 下封頭的環(huán)向焊 縫線的中間或者稍微高一點的位置上。 三層 ：一層安裝在下封頭的焊 縫線所在水平線上， 另一層安裝在液面下方大約 200mm 處，在兩者中間再安裝一層。 槳式攪拌器直徑D約取反應釜內徑Di大小的14～34為合理。 漿式攪拌器的結構示意圖見圖2。 圖2 槳式攪拌器 （3） 錨式與框式攪拌器 這種類型的攪拌器底部形狀[[跟反應釜的下封頭形狀相似?？蚴綌嚢杵骺煽醋魇?漿式的變形，垂直與水平的槳葉聯(lián) 成一個剛性框架，結構較為堅固。攪拌葉可用扁鋼(碳素鋼、不銹鋼)或碳素鋼角鋼彎制。在某些場合，可采用管材制作槳葉，外表搪瓷、覆膠或覆其它保護性覆蓋層，以防止腐蝕。這種攪拌器叫做錨式攪拌器?？蚴綌嚢杵鞯慕Y構示意圖見圖3。 框式或錨式攪拌器的直徑較大，一般為釜體筒體內徑Di的23~910， v≤5m/ s, 轉速范圍為 50～70r/ min。 圖3 框式攪拌器 （4） 推進式攪拌器 推進式攪拌器有三瓣螺旋形葉片，它的螺距和漿直徑D相等。一般采用整體鑄造的方法來鑄造推進式攪拌器，加工方便。但采用焊接時需要模鍛 后才能與軸套焊接，加工比較 困難。在制造過程中都應 做靜平衡試驗。攪拌器可用軸套以平鍵和 緊定螺釘與軸聯(lián)接。 推進式攪拌器直徑的 取值約為反應釜內徑Di 的 1/6～1/2。其切向線速度 v≤15m/ s, 轉速為 300～600r/ min，甚至更快，一般來說大直 徑取較低轉速，小直徑取高轉速。材料常用 鑄鐵、鑄鋼等。推進式攪拌器的結構示意圖見圖4。 圖4 推進式攪拌器 3.1.2 攪拌器的選用 攪拌器的選型既要考慮物 料黏度、釜體容積大小和攪[拌效果，也應該考慮到操作費用、動力 消耗以及制造、維護和檢修 等各方面的因素。因此一個完善的選型方案 必須滿足經(jīng)濟、安全和效 果等各方面的要求。 根據(jù)本次設計的原始資料以及相關文獻，選用渦輪式攪拌器。渦輪攪拌器應用廣泛，能完成很多的攪拌任務，再加上生產(chǎn)它的廠家很多，容易以低廉的價格購買到更多的尺寸類型不同的同類產(chǎn)品，實在是我們這次設計的不二選擇。最終選擇6片平直葉圓盤渦輪攪拌器，d=700 mm，材料Q235-A。 3.2 攪拌功率計算 攪拌功率：攪拌器攪 拌時，對液體做功并使 其產(chǎn)生流動所需要的功率。 計算攪拌功率的目的就是為了選用合適的傳動裝置。 由任務書可知電動機的功率為Pd=11kw，而攪拌功率與電動機功率有如下關系： Pd=P+Pmη （13） 式中：Pd—電動機功率Pd=11kw； Pm—軸封系統(tǒng)損失功率, Pm =0.08KW； η—傳動系統(tǒng)的總機 械效率，η=0.9； 求得 P=9.82kw 3.3 攪拌軸設計 攪拌軸的材料通常選用45鋼，為了提高軸的耐磨性和強度，有時還需要進行適當?shù)臒崽幚??？捎闷胀ㄌ妓劁摚ㄈ鏠235A）來制造要求較低的攪拌軸。當耐磨性要求比 較高或者是不允許鐵離子污染釜內 物料時，應 當采取防腐措施或采用不銹鋼。本設計攪拌軸 采用45鋼制造。 攪拌軸受到彎曲和扭矩 的組合作用，其中以扭矩為 主，所以在工程上需要設計攪拌軸的直 徑時，首先假設攪拌軸只受到 扭矩的作用，然后再用增加安全系數(shù)的方法來降低材料[許用應力，從而彌補由于忽略軸受到彎曲作用所引起的誤差。 3.3.1 強度及剛度計算 （1）攪拌軸的強度計算 由于攪拌軸的特性，攪拌時軸受到了扭轉和彎曲的作用，但彎曲其實可以忽略不計，因此為了計算方便，就忽略了彎曲作用，由此產(chǎn)生的誤差可以用安全系數(shù)來彌補。由文獻[7]可得出實心軸的直徑如表3。 表3 按軸的強度算出的軸直徑 序號 名稱 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 最大剪應力 τmax MPa τmax=MTWρ≤[τ] 2 扭矩 MT N.mm 9.55×106Pn 3 抗扭矩截面模量 Wρ mm3 Wρ=πd316 4 降低后的材料許用應力 [τ] MPa 35 5 攪拌軸所傳遞的功率 P kw 8.92 6 攪拌軸的轉速 n r/min 85 7 軸的直徑 d mm d≥3653Pn[τ] 52.6 （2）軸的剛度計算 我們通常是不允許軸在工作時出現(xiàn)過度地變形，因為在接下來一連串的其他錯誤，如軸發(fā)生震動，最后會阻礙軸工作的秩序。因此通過設置一段數(shù)值可以變化的范圍，這樣可以最大程度上避免發(fā)生軸嚴重的變形偏差。而查閱資料可得知如何算出軸的剛度范圍。扭轉角θ必須低于許用扭轉角[θ]的大小。 表4 按軸剛度算出的軸直徑 序號 名稱 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 軸扭轉變形 的扭轉角 θ °/m θ=MTGJρ×103×180°π≤[θ] 2 攪拌軸材料剪切彈性模量 G MPa 8.1×104 3 軸截面的極慣性矩 Jρ mm4 Jρ=πd232 4 許用扭轉角 [θ] °/m 0.8 5 攪拌軸所傳遞的功率 P kw 8.92 6 攪拌軸的轉速 n r/min 85 7 軸的直徑 d mm d≥15374PGn[θ] 54.8 3.3.2 攪拌軸直徑的確定 攪拌軸的直徑應該同時滿足剛度和 強度兩個條件，再取二者最大值?？紤]到攪拌軸上有鍵槽或孔存在會對軸橫截面的局部削弱，還有就是介質會對攪拌軸有一定的腐蝕，所以攪拌軸的直徑應按計算直徑適當增大，并圓整到適當?shù)妮S徑，以便與其他零件配合。 因此，取d=60mm。  4 傳動裝置的選擇 傳動裝置設計是反應釜設計中很重要的一塊，電動機、減速機、聯(lián)軸器、機座組成了傳動裝置，由于本設計是立式攪拌反應釜，所以把傳動裝置裝在反應釜的頂部，按電動機、減速機、聯(lián)軸器、機座的順序，從上往下排列。電動機提供動力，然后經(jīng)減速機減速把轉速降下來，然后經(jīng)聯(lián)軸器帶動攪拌軸轉動，再帶動攪拌器完成作業(yè)。為了日后檢修方便以及同心度要求，把傳動裝置和軸封裝置一起安裝在一個裝在反應釜上封頭上的底座上。所以，傳動裝置的設計，應該根據(jù)實際要求選擇適合的電動機，減速機和聯(lián)軸器，同時根據(jù)這些數(shù)據(jù)和釜體的數(shù)據(jù)把機與底座設計出來。 圖5 傳動裝置的結構 4.1 電動機的選用 因為我們這次設計的攪拌轉速只有85r/min，不是很大，所以它是需要減速機的，同時為了避免減速機與電動機之間的不協(xié)調，應該把減速機和電動機一起考慮。 反應釜電動機的選用，其實就是去選擇合適的功率、轉速以及結構尺寸。電動機的選用有兩點要求需要注意一下： （1）電動機功率必須同時滿足兩點：攪拌器的 運轉功率以及軸封系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)所損失的功率 （2）還應當考慮到在某些不利條件下功率消耗會很大。 從任務書可以知道電動機功率為Pd=11kw。 本文設計的反應釜用于制藥，無易燃易爆介質，也不存在腐蝕性介質，因此我們選擇Y系列三相異步電機。 一般異步電動機的同步轉速有這么幾種： 600r/min，750r/min，1000r/min，1500r/min,3000r/min等，其中1500r/min的電動機價格低廉，供應也 比較普遍，故應用的最廣泛，因此此次設計選用同步轉速為1500r/min的電動機。 由Pd=11kw，n=1500r/min，查Y系列電動機的參數(shù)表，選用電動機型號為Y160L-6。 4.2 減速機的選用 根據(jù)我國目前的情況，用于反應釜的立式減速機主要有：齒輪減速器，擺線針輪行星減速器，諧波減速器，行星齒輪減速器等。我國于2001年全面修訂了減速機行業(yè)標準，標準內容給予大范圍擴充，形成了HG/T 3139.1~HG/T 3139.12《釜用立式減速機》標準族。新標準共包括三大類減速機68種機型，共3800多個規(guī)格的產(chǎn)品。幾種常見的減速器特點見表5： 表5 四種常見減速器的基本特征 特性參數(shù) 減速器類型 擺線針輪行星減速器 齒輪減速器 V形皮帶減速器 圓柱蝸桿減速器 傳動比i 9～87 12～6 4.53～2.96 80～15 輸出軸轉速（r/m） 17～160 65～250 200～500 12～100 輸入功率KW 0.04～55 0.55～315 0.55～200 0.55～55 傳動效率 0.9～0.95 0.95～0.96 0.95~0.96 0.8~0.93 傳動原理 利用少齒差內嚙合行星傳動 兩級同中心距斜齒輪傳動 單級V形皮帶傳動 圓弧齒圓柱蝸桿傳動 續(xù)表5 特性參數(shù) 減速器類型 擺線針輪行星減速器 齒輪減速器 V形皮帶減速器 圓柱蝸桿減速器 主要特點 傳動比大，傳動效率高，拆裝方 便，結構緊湊，體積小，重量輕，壽命 長，承載能力高，工作平穩(wěn)。能承 受過載和沖擊載荷，允許正反 轉。 在相同傳動比范圍內擁有制 造成本低，傳動效率高，體積小，結構 簡單，裝配檢修方便，不允許承受外 加軸向載荷，允許正反轉。 結構非常簡單，而且過 載時能打滑，因此可以起到安全保 護作用，但不能保持精確的傳動比。 凹凸面圓弧齒廓嚙合，效率 高，發(fā)熱低，磨損小，承載能力高，重量輕，體 積小，結構緊湊，廣泛用于搪玻璃反應釜。 一般根據(jù)設計所需要的轉速和功率來選擇減速機。在選用減速機時應優(yōu)先考慮傳動效率高的類型，按照表5發(fā)現(xiàn)齒輪[[減速機和擺線針輪行星減速機比較符合我們的設計要求，再經(jīng)過查詢相關資料，最終確定使用擺線針輪行星減速器。 擺線針輪行星減速器 的外形和尺寸見圖6： 圖6 減速機形狀及安裝尺寸 4.3 機座的選擇 立式攪拌反應釜的傳動裝置是布置在反應釜的上封頭上，而傳動裝置又不可能直接裝在封頭上，所以就需要通過機座來安裝在反應釜封頭上，同時在機座里面要留有足夠的空間，用來容納聯(lián)軸器、軸封裝置等各種部件，還需要在機座內保證安裝操作所需要的空間。機座中間還要求安裝中間軸承裝置，用來改善攪拌軸的支撐條件。 機座有三種型式：分為是雙支點機座、單支點機座以及無支點機座。雙支點機座適用于懸臂軸。單支點機座適用于減速機或電動機可看作一個支點，或反應釜內可設置底軸承和中間軸承的情況。無支點機座一般用于軸向載荷較小和傳遞小功率的條件。 單支點機座和雙支點機座都[[已經(jīng)有標準系列產(chǎn)品。目前國內使用的機座標準為HG 21566—1995《攪拌傳動裝置—單支點支架》和HG 21657—1995《攪拌傳動裝置—雙支點支架》。 根據(jù)攪拌軸的轉速條件，軸徑選擇公稱直徑為500 mm的單支點機架，材料HT200，Q235-A。單支點支架的結構示意圖見圖7。 圖7 單支點機座 4.4 聯(lián)軸器裝置的選型 為了將電動機和轉動裝置聯(lián)接起來，在它們中間設置了一個中間裝置，這個裝置就叫做聯(lián)軸器，為了減少機器的損耗，必須保證電動機和轉動裝置的中心線在同一個圓心上。 4.4.1 聯(lián)軸器的機構類型 聯(lián)軸器因需要連接很多種不同的結構，所以要滿足各種機構的需求，因此有兩種不同類型的選用：彈性聯(lián)軸器和剛性聯(lián)軸器。 聯(lián)軸器聯(lián)接兩邊的轉軸允許有一定量的不對中發(fā)生的稱為彈性聯(lián)軸器，即動態(tài)下可變形的聯(lián)軸器；不允許有不對中發(fā)生的，且聯(lián)軸器本身動態(tài)下無變形的稱為剛性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器沒有彈性量，使用螺栓、短管連接，具有超低慣量、重量輕和非常高的靈敏度，不需要保養(yǎng)，還具有超強抗油與耐腐蝕性等優(yōu)點。彈性聯(lián)軸器允許兩根被聯(lián)接到一起的軸之間的同心度有一定的偏差，應用廣泛。 表6是一些是我們經(jīng)常用到的聯(lián)軸器類型： 表6 幾種聯(lián)軸器的基本特征 聯(lián)軸器類型 立式夾殼聯(lián)軸器 凸緣聯(lián)軸器 十字滑塊聯(lián)軸器 彈性圓柱銷聯(lián)軸器 特點 靠摩擦力傳導扭矩力，由兩個半環(huán)組裝而成的懸吊環(huán)在夾殼的中部，作用是用來固定軸的軸向位置。適用于最高使用溫度為250℃，最高圓周速度5m/s。 由兩個凸緣盤式半聯(lián) 軸器、聯(lián)接鍵和螺栓等 組成。有兩種不同的結構 由兩個帶有溝槽的半聯(lián)軸器 和一個帶有互 相垂直凸牙的中間盤組成?？梢匝a償兩軸間的軸向偏移、徑向偏移和小量的 角偏移。 它的構造與剛性凸 緣聯(lián)軸器相似，不 同的是用套有橡膠圈的柱銷代替了聯(lián) 接螺栓。通過橡膠 圈傳遞運動和扭矩徑向偏移量為3-6mm，角偏移量為1°。 優(yōu)缺點 優(yōu)點是構造簡單、拆卸方便。缺點是只適用于低轉速，并且不適用于有沖擊的情況，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品單一，后期還要加工。 可承受較大載荷，結構簡單，被聯(lián)接的兩軸對中精確，應用廣泛，但要求安裝準確。 只適用于轉速少于250r/min，軸剛度較大，并無劇烈沖突的場合。 制造容易、成本低，裝拆方便，適用于載荷平穩(wěn)，需要正、反轉或起動頻繁的中、小載荷傳遞 的情況。 4.4.2 聯(lián)軸器的選用 由于本設計使用的是擺線針輪行星減速器，為了使設計合理，所以聯(lián)軸器的型式選用立式夾殼聯(lián)軸器。由攪拌軸的直徑d=60mm，查立式夾殼聯(lián)軸器基本參數(shù)和尺寸，取GJL4型立式夾殼聯(lián)軸器。 4.5 底座的設計 如圖8所示，底座的兩邊設有孔，其中還有設置在孔旁邊用來調節(jié)螺桿以及調節(jié)螺桿的把手，其中把手位于底座的側面上，圖9底座上表面至少三個凹槽存在，凹槽的下面部分與孔相連。填料箱的結構如圖8所示： 圖8 填料密封的結構型式 填料箱的箱體的 其它尺寸都由和它相 匹配的安裝底蓋確定。 4.6 安裝底蓋與密封箱體、機架的配置 配置結構如圖9所示 圖9 安裝底蓋與密封箱體、機架的配置結構  5 軸封裝置的選用 軸封裝置的選用是反應釜設計中很重要的一個環(huán)節(jié)，軸封裝置的好關系到整個反應釜設備的安全，同時對操作人員的人身有著至關重要的影響。反應釜中介質的泄露會使物料 浪費并對環(huán)境造成污染， 劇毒、腐蝕性介質、以及易燃、易爆物質的泄露會危及設備安全和人身安全。安全總是應該放在第一位，所以說選擇一個合適的軸封裝置是非常重要的。 5.1 反應釜軸封裝置的類型 在反應釜中的使用的軸封裝置主要有兩種，即機械密封與填料密封，其優(yōu)缺點如表7： 表7 機械密封與填料密封的特點與優(yōu)缺點 項目 機械密封 填料密封 特點 泄漏的量很少，幾乎沒有泄漏。使用壽命很長，大約可以連續(xù)使用2～3年或者更加長的壽命，而且不會有軸的磨損，動環(huán)密封圈與軸（軸套）有輕微磨損時，可以不作調整，自動調整補償，泄漏量不變。 泄漏的量多：一般泄漏量為5ml/min～20ml/min，壽 命短的需要定期更換軸（軸套）和填加物，當軸（軸套）有磨損時，就需要用壓緊填料壓蓋的方法來調整，不然泄漏量將變大，這是由于填料與軸的接觸面積大，所以應適當增加功率，相應的摩擦系數(shù)跟著增加。 優(yōu)點 功率消耗小，摩擦系數(shù)較小，接觸面積小，用途非常廣泛，能夠適應比較高的轉動速度、壓力和較大的溫差。 泄漏的量非常少，幾乎沒有泄漏。并且使用期限非常長，能夠連續(xù)使用2～3年或達到更長的期限，并且軸不會受到磨損，動環(huán)密封圈與軸有輕微磨損時，可以不采取任何措施，能夠自行進行補償量的調整，讓泄漏的數(shù)值不發(fā)生變化。 續(xù)表7 項目 機械密封 填料密封 缺點 結構復雜，由于工件的數(shù)量眾多，所以加工精度很高，安裝起來比較困難，要求操作者有一定的技術能力。更換起來更難，需要將整個主機拆分才能更換。 適用范圍不大，在轉速、溫度、密封壓力等方面有限制。 5.2 密封類型的選擇 由表8經(jīng)過對兩種軸封裝置的比較，發(fā)現(xiàn)機械密封應用在本次設計的反應釜非常符合，能夠有效達到密封的要求，它安全系數(shù)高并且能夠有效提升反應釜的性能，所以機械密封是本次設計的。 表8 填料密封與機械密封的詳細比較 比較項目 填料密封 機械密封 泄漏量 180~450mL/h 一般平均泄漏量是填料密封的1% 摩擦功損失 機械密封為填料密封的10%~15% 幾乎沒有磨損 維護及壽命 需要經(jīng)常維護，更換填料，個別情況8小時更換一次 壽命2~3年或更 長，很少需要維護 高參數(shù) 高壓、高溫、高真空、高轉速、大直徑密封很難解決 可以  續(xù)表8 比較項目 填料密封 機械密封 加工及安裝 加工要求一段，填料更換方便 動環(huán)、靜環(huán)平直度及表面光潔程度要求高，不易加工，裝拆不便，成本高 對材料的要求 一般 動環(huán)、靜環(huán)要求較高減摩擦性能 5.3機械密封的結構和工作原理 圖10 機械密封的結構圖示 圖10是一種釜用機械密封裝置的簡單結構圖 。從圖中可以看到機械密封是由 靜環(huán)5；動環(huán)15；彈簧加荷裝置13、12、11、10、7及輔助 密封圈16、6等四個不可缺少的部分所組成。靜環(huán)依靠靜雙頭螺栓4、螺母3、和環(huán)壓板2一起固定在靜環(huán)座1上，靜環(huán)座與設備 聯(lián)接。當軸9轉動時，靜環(huán)是靜止不動的，彈簧座11依靠三只緊定螺釘17固定在軸上，而雙頭螺栓12使彈簧座與彈簧壓板13作軸向固定，三只固定螺釘14又使彈簧壓板與動環(huán)作軸向固定。因為軸轉動時的，彈簧座 跟著一起動了，而其他零件也跟著一起 旋轉了起來。靜環(huán)和動環(huán)由于彈力的因素 牢牢 的靠在一起。當軸旋轉時，動環(huán)在軸轉動 的同時也轉動了，而靜環(huán)則不能轉動，被固定住了，介質也就不易泄漏。從結構上看，機械密封可以有效的防止介質的泄漏。機械密封有外殼裝置，既能保護動、靜環(huán)等零件不受到碰撞，在其腔體內的空隙還需接通 循環(huán)保護系統(tǒng)，以保持調壓、調溫、潤滑。 5.4 機械密封的分類 機械密封主要是根據(jù)結構特點來進行分類的，通常是基于摩擦副的對數(shù)，彈簧的個數(shù)，介質在端面引起的壓力情況等加以區(qū)分，其結構型式有以下幾種，見表9。 表9 機械密封的結構型式及特點 結構型式 特點 單面型 只有一對摩擦副，結構結構簡單，制造、安裝非常容易，只適用于對密封要求一般而且壓力較低的場合 雙面型 兩個摩擦副 大彈簧型 又稱作單彈簧，即在密封裝置內只有一個彈簧與軸同心安裝，安裝簡單，軸徑小宜用大彈簧結構， 小彈簧型 又稱為多彈簧，即在密封裝置中有多個彈簧沿圓周均勻分布。彈簧力分布均勻、緩沖性能好。密封要求高者采用小彈簧。 平衡型 介質壓力、負載區(qū)域表面上相應的推力 增加，緊貼的端面就有被推開 的趨勢?？蛰d運行時會導致發(fā)熱加劇和磨損，密封失效，只適用于介質的平衡壓力較低 的場合 非平衡型 可少受或不受介質壓力變化 的影響，結構比較合理，可以用于壓力波動大或壓力較高的密封場合。 5.5 機械密封的選擇 查相關文獻，本次設計采用的機械密封類型為單端面平衡型機械密封2002型帶內置軸。 6 零部件的加工要求與檢測 6.1 軸的加工要求 攪拌軸是反應釜的一個重要部件，它的加工好壞對與之裝配的攪拌器與軸封有一定的影響。安裝機械密封的軸表面，由于無接觸磨損問題，其表面加工光潔度通常為0.8μm左右。裝配精度按基孔制為H8/h7。 軸的直線度要求因轉速不同而異，其值如下： 1000~1800r/min時 0.08/1000以下 100~300r/min時 0.10/1000以下 100r/min以下時 0.15/1000以下 6.2 機械密封主要零件的加工及檢驗 6.2.1 密封環(huán)的加工要求 密封環(huán)是機械密封中最重要的密封元件，密封環(huán)在很大程度上決定了機械密封的使用性能和壽命，所以除了材料選擇外，加工要求是至關重要的一環(huán)。平直度和表面粗糙度是衡量密封環(huán)加工質量的標準，對密封環(huán)而言，經(jīng)過精研的接觸面，其平均粗糙度需為Rp=0.7μm±0.3μm并且其平直度需為2~3個光帶（用單色氦光源測試儀（一氦光帶為0.3μm）測量其表面平直度）。 6.2.2 軸套的加工要求 在平衡型機械密封中，為了避免軸帶有臺階，以降低制造成本，采用帶軸套的結構，軸套是套在轉軸上的筒狀機械零件，是滑動軸承的一個組成部分，因此軸套在機械密封中也是一個重要的部件。軸套的加工主要是滿足裝配精度,一般來說軸與軸套的裝配精度按照基孔制IT9級加工，其外徑按照同樣的等級和同樣的公差制度進行加工。因為在軸套上需要安裝靜密封原件，所以其表面光潔度不能低于0.8μm。 6.2.3彈簧的加工要求 彈簧在機械密封中的主要作用是使密封圈始終保持接觸，并使密封面的初期密封得到保證。為了保證初期密封的可靠性，密封面必須有均勻的彈簧壓力，這對多彈簧的機械密封來說容易辦到，因為它彈簧力比較均勻的作用在接觸密封面上，而且對于同一組彈簧只要求有相同的高度就行。但對于大彈簧來說，要使接觸面彈簧力分布均勻，就必須使彈簧的兩個端面互相平行且垂直于彈簧軸線，這就對大彈簧提出較高的加工要求。大彈簧端面垂直度偏差應小于1/100，若置于平板上不允許有搬動現(xiàn)象。 6.3 反應釜殼體的制造要求與檢驗 對于帶加熱或冷卻夾套的殼體，在制造過程中，還要注意被夾套遮蓋部分的焊縫質量。在不能用其他方法確定焊縫質量的情況下，必須利用殼體夾套進行試壓。具體的相關技術要求見裝配圖。  參考文獻 [1] 陳炳和，許寧.化學反應過程與設備［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2014 [2] 工程材料實用手冊編輯委員會.工程材料實用手冊［Ｍ］.北京：中國標準出版社，2002 [3] 朱有庭.化工設備設計手冊［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2005 [4] 朱振華，邵澤波.過程裝備制造技術［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2011 [5] 華南理工大學化工原理教研組.化工過程及設備設計［Ｍ］.廣州：華南理工大學出版社，1986 [6] 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