毕业设计（论文）-4m3酯化釜及储罐设计.doc

南华大学机械工程学院毕业设计引 言经过实验研究和理论探索，如今的流体混合技术已进人快速发展的新时期，并且积累了大量可用于分析和预测混合体系的设计经验和关联式。但是因为流体混合体系的多样性和物料流变特性的复杂性，现在对于搅拌设备的选型和设计还主要依赖于经验和实验，对其好坏很难用理论来预测，对于能量损耗和生产成本，只能在一定规模的生产装置上进行对比后才能分出高低。另外对搅拌设备的放大规律至今仍无足够的认识，缺少理论指导。全套图纸加扣 3012250582此次设计的搅拌反应设备是酯化釜，酯是一种重要的有机化工产品，除本身是溶剂、增塑剂而用于很多工业部门外，还大量用来生产聚酯，也有一部分用作有机合成的原料。酯类生产的历史长远，针对其基础理论的研究也早已经开始，威廉森在1852年已经提出了由酸与醇合成酯的理论。可生成酯的方法很多，工业上大多数直接酯化过程均为液相反应，由于受平衡限制，反应不能进行完全，故常用从反应混合物中移走反应产物（水，酯或两者在一起）的办法来移动平衡点。反应器可以是连续式的或间歇式的。间歇式反应器通常为带搅拌的反应釜；连续式反应器则是塔式的。为防止无机酸催化剂对设备的腐蚀，须妥善选择反应器的材质及结构。酯化釜的目的是借助搅拌器的作用是使酸跟醇在高温的条件下发生化学反应生成酯。该题目主要解决的问题为此设备的设计，包括搅拌装置、轴封和搅拌罐三大部分设计，并画出相应的设备图。第 35 页，共 35 页第一章 搅拌反应器设计1.1概论搅拌反应设备在工业生产领域中应用的范围十分广泛，特别是在化学工业生产中，十分多的化学工业生产都多多少少的应用着搅拌操作。搅拌能够使得两种或多种的物质在彼此之间相互分散，从而能够达到均匀混合，也可以加速传热和传质的过程。化学工艺流程的种种化学变化，都是以参加化学反应物质的充分混合为基础的。针对加热，冷却及液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，也常常须要采用搅拌操作才能得到比较完善的效果。搅拌设备在许多场合是作为反应器来使用的。搅拌反应设备的作用如下：1 使物料混合均匀2 使气体在液相中分散顺利3 使固体颗粒在液相中悬浮均匀使不相溶的另一液相悬浮均匀或乳化充分4 强化相间的传质5 强化传热搅拌设备能从各种不同的角度进行分类，例如按照工艺用途分类，按搅拌器结构形式分类或按搅拌装置的安装形式分类，以下仅按搅拌装置的各种安装形式进行分类和选取，主要种类和各种的功能如表1.1。表1.1各种搅拌器及其功能 种类 主要特点立式容器中心搅拌将搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动和齿轮传动，用普通电机直接连接或与减速器直接连接。偏心式搅拌搅拌装置在立式容器上偏心安装，能防止液体在搅拌器附近产生“圆柱状回转区”，可以产生与加挡板时相近似的搅拌效果。但偏心搅拌容易产生震动，一般用于小型设备上比较合适。倾斜式搅拌为防止涡流产生，对简单的圆筒形或方形敞开的立式设备，可将搅拌器用于、夹板或卡盘直接安装在设备筒体的上缘，搅拌轴斜插入筒体内。此种搅拌器小型，轻便，结构简单，操作容易，应用范围广。底搅拌搅拌装置在设备的底部，称为底搅拌设备。其搅拌轴短而细，无中间轴承；可用机械密封；易维护，检修；寿命长。卧式容器搅拌搅拌器安装在卧式容器上面，可降低设备的安装高度，提高搅拌设备的抗震性，改进悬浮液的状态等。卧式双轴搅拌搅拌器安装在两根平行的轴上，二根轴上的搅拌叶轮不同，轴速也不等，主要用于高黏度液体。旁入式搅拌旁入式搅拌是将搅拌装置安装在设备筒体的侧壁上，分为角度固定式和角度可变式两种。组合式搅拌有时为了提高混合效率，需要将两种或两种以上形式不同，转速不同的搅拌器组合起来使用，称为组合式搅拌设备。在此次设计中搅拌反应器是在操作温度：230，夹套：150，盘管：250，介质：容器内脂肪酸，夹套：水蒸汽，盘管：导热油，全容积：4立方米，储罐：常温常压，全容积：22.9立方米。即在这样的条件下将脂肪酸与醇进行反应生成酯，即作为反应器来使用，综合考虑选用立式容器中心搅拌。1.2搅拌罐尺寸确定及结构选型 搅拌罐包括罐体和装焊在其上的各种附件。通常使用的罐体为立式圆筒形容器，有顶盖，筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。罐体在规定的操作温度和操作压力下，为物料完成其搅拌过程提供了一定的空间。此设计即采用立式圆筒形容器。在知晓搅拌罐操作时盛装物料的容积后，首先要选择适当的装料量和长径比，从而确定筒体的高度和直径。罐体的长径比应考虑的主要因素有三个方面：1.搅拌功率一定结构型式搅拌器的叶轮直径和与其装配的搅拌罐体内径通常有一定的比例范围。随着罐体长径比的减小，搅拌器桨叶直径也相应放大，在固定的搅拌轴转速下，搅拌功率与搅拌器桨叶直径的5次方成正比。所以随着罐体直径的放大，功率增加很多，这对于需要较大搅拌作业功率的搅拌过程是适宜的。 2.传热罐体长径比对夹套传热有显著影响，容积一定时长径比越大罐体盛料部分表面积越大，夹套传热面积也就越大。同时长径比越大，传热表面积离罐体中心越近，物料的温度梯度就越小，有利于提高传热效果。 3.物料特性某些物料的搅拌反应过程对罐体长径比有着特殊要求，例如发酵罐之类，为了使得通入罐内的空气与发酵液有充分的接触时间，需要有足够的液位高度，就希望长径比取得大一些。综上，三个方面均要求长径比取得大一些。下面根据物料量初步选定罐体的长径比和装料量：已知容反应釜的容积为4m3，长径比选取见表1.2。 表1.2搅拌罐长径比种类设备内物料类型H/Di一般搅拌罐液固相或液液相物料11.3气液相物料12发酵罐类1.72.5装料系数选取：通常可取0.60.85，如果物料在反应过程中要起泡末或呈沸腾状，应取低值，约为0.60.7，如果物料反应平稳，可取0.80.85。本设计中搅拌罐内反应为酯化反应，且为液液相反应，取长径比H/ Di =1.1, 取装料系数=0.85VN=V=40.85= 3.4m3 VN取3.4m3筒体直径D i=4.62m式中VN-公称容积,m3 -装料系数由GB9845-1988钢制机械搅拌容器型式及主要参数的搅拌罐系列取Di=1600mm查JB/T4746-2002 取标准椭圆形封头EHA160010=1600mm 高度H=415mm 直边高度h=22mm 封头容积v=0.55133罐体高度：H=（3.40.85-0.55133）（3.1441.61.6）=1.72m圆整后取H=1.8m,实际长径比为1.8/1.6=1.125，实际装料系数=3.4（41.61.61.80.55133）= 0.8156 基本符合要求。1.3搅拌器选型与计算及附件1.3.1搅拌器选型为了提供能量与造成液体的流动状态，搅拌器必须有合理的结构和足够的强度。合理的结构应符合以下几个原则：叶轮的制造工艺合理，叶轮与搅拌轴的连接方式稳妥可靠，叶轮安装维修方便等。除推进式等特殊形状的叶轮加工难度大外，多数叶轮形状与加工都比较简单。采用整体式或可拆式的连接结构，可以从安装检修的方便来决定。 1.搅拌条件设定 该反应过程为液液两相互溶液体的搅拌，互溶液体的搅拌时两种或数种互溶液体在搅拌作用下达到浓度或密度或温度以及其他物性的均匀状态的过程，一般称为混合过程。混合过程都应规定搅拌液体达到均匀状态的标准，而以在搅拌作用下达到这个标准的混合时间作为评价搅拌效果的指标。达到同样标准作用的混合时间越短，搅拌器的混合性能就越好。混合时间与搅拌器的几何尺寸，叶轮的排出流量，叶轮转速以及搅拌器的滚率大小有关。2.搅拌叶轮形式和搅拌器附件的选定1）叶轮形式各种搅拌叶轮形状按搅拌器的运动方向与叶轮表面的角度可分为三类，即平叶，折叶和螺旋面叶。桨式，涡轮式，锚式，框式的叶轮都是平叶或折叶，而推进式，螺杆式，螺带式的叶轮则为螺旋面叶。 由于平叶的运动方向与桨面垂直，所以当叶轮低速运转时，液体的主要流动为水平环向的流动。当叶轮转速增大时，液体的径向流动就逐渐增大。叶轮转速越高，由平叶排出的径向流越强。折叶由于桨面与运动方向成一定倾斜角度，所以在叶轮转速增大时，还有逐渐增大的径向流。螺旋面可以看成是许多折叶的组合，这些折叶的角度逐渐变化，所以螺旋面的流向也有水平环向流，径向流和轴向流，其中以轴向流最大。搅拌器型式流动状态搅拌目的对流循环湍流循环剪切流低黏液混合高黏液混合分散溶解固体悬浮气体吸收传热液相反应涡轮式桨式推进式开启涡轮式表1.3搅拌器型式使用条件表注：有者为适合，空白为不合用 为了区分叶轮排液的流向特点，根据主要排液方向将典型叶轮分成径流型和轴流型两种，平叶的桨式，涡轮式是径流型，螺旋面叶的螺杆式，推进式是轴流型。桨式叶轮主要用于排出流，是必要的场合，由于在同样的排量下，轴向流叶轮的功耗比径向流低，故轴向流叶轮使用较多。由于结构简单，即使叶径大造价也不高，故往往使用与大叶径低转速的场合。，综合考虑互溶液体混合搅拌设备, 由表2.2选用桨式折页搅拌器，折页桨的倾斜角度。1.3.2搅拌器选型与计算确定叶轮尺寸及转速搅拌器直径DJ=（0.380.80）DN=0.3816000.801600 =6081280mm根据直径系列选用DJ=743mm，桨叶数Z=2桨叶厚度b=（0.10.25）DJ=74.3185.75mm 取b=105mm 示意图如图1.1。 图1.1搅拌器示意图搅拌器结构采用对开不可拆式平桨,用筋板焊接固定,如图1.2。图1.2对开不可拆式平桨示意图 对于长径比大于1的搅拌罐式液液反应器，采用单层叶轮不能得到良好的混合效果，功耗效率低。因此工业生产中常采用多层搅拌器。多层搅拌器的互溶液体搅拌比单层叶轮要复杂得多，每层叶轮都产生各自不同的流型，总搅拌功率与单层叶轮的搅拌功率并没有简单的倍数关系，叶轮间距对多层叶轮的气液分散能力的影响很大，如果选择不当，功耗效率反而不如单层叶轮。本设计采用双层叶轮，叶轮形式同为桨式折页搅拌器。叶轮间距取800mm，基本符合要求。1.3.3搅拌器附件搅拌器附件通常指在搅拌罐内为了改善流动状态而增设的零件，如挡板，导流筒等，在某些场合，这些附件是不可缺少的。采用哪些附件要结合搅拌器的选型综合考虑，以达到预期的搅拌流动状态。增设附件会使液体的流动阻力增大，并影响到搅拌器的功率。本次设计中反应器内物料反应物含腐蚀性液体，反应过程较为剧烈，因此不设置挡板或其他附件，以避免不必要的功率损耗。1.4搅拌功率及电动机选型1.4.1搅拌功率计算搅拌功率包含了搅拌器功率和搅拌作业功率。具有一定结构形状的设备中装有一定物性的液体，其中用一定形式的搅拌器以一定转速进行搅拌时，将对液体做功并使之发生流动，此时为搅拌器连续运转所需要的功率就是搅拌器功率。搅拌作业功率是把搅拌器使搅拌罐中的液体以最佳方式完成搅拌过程所需要的功率。若叶轮转速很低，在Re10的区域，仅叶轮周围的液体随叶轮旋转，而远离叶轮的液体是停滞的，因而混合效果很差，混合时间也很长；当Re增加到大于10，叶轮旋转产生的离心力就不可忽视了。此离心力产生了排出流量，使角速度传递到了远处的液体，这样远离叶轮的液体开始流动，混合大为改善，但在靠近叶轮上下部分仍然出现环形的停滞区域；当Re增加到数百，涡轮式叶轮周围的液流变成湍流，停滞区消失。因此，叶轮转速应适当选取。考虑到本次设计中搅拌罐内物料反应为酸碱反应，转速不必取得过大。取转速为85r/min 。搅拌功率准数Np是搅拌设备最基本的特性参数之一，搅拌功率则按照下式计算：P=式中-密度，kg/m3N-转速，r/mind-叶轮直径，mm先采用Rushton算图计算功率因数Np查化工工艺设计手册，脂肪酸在240的黏度0.00015 Pas密度=845kg/ 搅拌转速n=85r/min=1.42r/sRe=0.87360.87361.428450.000156.10属于湍流区 查Rushton图 Np=1.9式中Re-雷诺数-叶轮直径，mN-转速,r/min-密度,/m3-黏度,Pas所需的搅拌功率为：P=1.9845(0.87360.87360.87360.87360.8736)=2339.044w=2.3kw搅拌罐内有温度计套管和沿罐壁安装的蛇管，将引起搅拌功率的增加。搅拌功率P= P（1+q）=2.3（1+0.2）=2.76kw1.4.2传动方式和选型电动机功率除了满足搅拌器搅动液体所需的搅拌功率外，还要考虑轴封装置所产生的摩擦阻力以及传动装置所产生的功率损失。电动机功率=传动方式采用行星齿轮减速器，0.950.98，取=0.95 轴封方式采用填料密封，其摩擦损失= 10%=0.276kw电动机功率为=(2.76+0.276)0.95 3.20kw搅拌设备选用电动机的问题，主要是确定系列，功率，转速以及安装测试和防爆要求等几项内容。由机械设计手册表16-1-21,选电动机型号为Y2-132M-4额定功率Ne=7.5kw, 额定电流I=15.6A，满载转速n=1440r/min,传递效率, 功率因数cos=0.84, 传动比i=1440/85=16.91.5搅拌轴轴封设计机械搅拌反应器的轴封主要有两种：填料密封和机械密封。轴封的目的是避免介质通过转轴从搅拌容器内泄露或外部杂质渗入搅拌容器内。机械密封由固定在轴上的动环及弹簧压紧装置，固定在设备上的静环以及辅助密封圈组成。机械密封的泄露率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长，在搅拌反应器中得到广泛的应用。表1.4机械密封分类密封面对象压力等级（MPa）使用温度（）最大线速度（m/s）介质端材料单端面0.6-201503碳素钢，不锈钢双端面1.6-2030023碳素钢，不锈钢单端面的结构简单，制造容易，维修方便，应用广泛。双端面密封有两个密封面，且可在两密封面之间的空腔中注入中性液体，使其压力略大于介质的操作压力，起到堵封和润滑的双重作用，故密封效果好，但结构复杂，制造拆装比较困难，需一套封液输送装置，且不便于维修。罐体反应物中酯为有毒物质，因此为安全考虑，轴封方式采用机械密封，根据HG21571-95，密封型号选用2005轴向双端面非平衡型。密封结构图如1.3。图1.3搅拌轴机械密封结构图1.6搅拌器的结构与强度计算搅拌器的强度计算主要是计算叶片的厚度。它必须在决定了叶片的直径，宽度，数量，并相应决定了搅拌器功率之后，对叶片进行结构设计。要分析叶片的受力状况，找出危险截面，然后用设计或校核的方法，决定叶片厚度。 关于叶轮离心力的问题，由于通常的叶轮端部线速不会超过30m/s，所以离心力所引起的叶轮拉伸应力很小，设计中可以不计。为了保证叶轮在腐蚀性介质，磨损性介质中工作的安全性，应该给叶轮尺寸增加腐蚀裕度。在难以定量确定腐蚀裕度时，可以将叶轮强度尺寸每边增大1mm。强度计算中要用叶片去掉腐蚀裕度后的净面积，净厚度。对于本设计中采用的圆盘式涡轮，在强度计算时，以各叶片同样受力，各自作功相等来处理，这样，总的动力消耗除以叶片数即得到一个叶片的动力消耗。叶轮强度计算中的计算功率： =2.30.957.5-0.276=16.1115kwk-启动时电机的过载系数-传动系统的机械效率-电机的额定功率，kw-轴封处的摩擦损失功率，kw每个叶片的危险截面都是端截面，该断面的弯矩值为： M=(95452)(16.111585)1.414=1279.12326（Nm） z-叶片数目 n-搅拌轴转速，r/min -折页桨的倾斜角度折页桨式的W值可用式W=(mm3)计算，应力为=M/W，也应满足校核公式，带入可得：=1.02mm 式中b-叶片宽度,mm -许用应力,MPa 考虑叶片在腐蚀介质中工作，加上腐蚀裕量4mm，向上圆整至5mm。1.7搅拌轴直径设计搅拌轴的计算主要包括轴的强度和刚度计算，以确定轴的最小截面尺寸，保证搅拌轴的安全平稳运转。1.7.1强度计算作用在轴上的力包括：1）流体作用力2）轴和叶轮自身重量的重力3）由轴和叶轮的组合质量偏心旋转中产生垂直于 轴心线的径向离心力，进而产生径向弯曲应力4）如果是密闭搅拌压力容器，还作用有因容器内外压差引起轴横截面上的轴向推力，产生轴向拉压和弯曲应力5）传动装置传递的扭矩主要是传递流体作用力的切向合力矩，同时还包括了克服支撑装置，密封装置等对轴摩擦损耗的附加扭矩，增加了轴中的扭转剪切力由搅拌设备图9-47，应力变化和分布可知，轴上每点应力是拉应力和剪应力的组合，故需用材料力学的方法进行强度校核。对于塑性材料有两种强度理论可以应用于屈服和疲劳失效，即最大剪应力理论和剪应变能理论。工程上最大剪应变理论常被许多设计规范所采用，但其结果比较保守。此处采用剪应变能理论。其当量应力计算公式为： e=e-当量应力，MPa-计算点的合成拉应力，MPa-计算点的剪应力，MPa由于影响流体作用力的因素非常复杂，除用一定实验手段测得外，难有一种统一的计算方法，因此工程上提出的各种强度计算方法都要对条件进行简化。此处按照弯扭合成来计算轴的强度。最大扭矩应大于叶轮产生的扭矩，但轴的支撑装置和密封装置消耗的功率较小，可忽略不记，于是可认为轴传递的最大扭矩就是各层叶轮扭矩和。Mt(max) =(9553000P0/n)=95530002.76/85=3.10105（Nmm）Mt(max)-作用在搅拌轴上的最大扭矩，NmmP0-一个叶轮的搅拌功率，kw最大弯矩是液体的作用力与每一层叶轮到下一个轴承之间距离乘积的总和Mb(max)=(FhLi)式中，L1，L2取值如图1.4所示图1.4 ,的取值Fh-作用在一个叶轮上水平方向流动力，N d-叶轮直径 ，mmfs-在下列情况中可取为1：1） 在混合操作时，其搅拌等级低于7级 2） 正常的操作条件，即搅拌罐位于容器中心及叶轮不是长期在液面上操作 表1.5搅拌等级表搅拌等级 说明0对于0级搅拌时气体跑空，故化学工业生产过程中不用该级12对于1级和2级搅拌一般适用于气体分散不是关键因素的工艺过程。2级搅拌的能力为：搅拌器的转速一般超过气体分散操作的临界转速，气体在液体中有较低水平的分散；可用于不受传质所限制的过程35对于35级的搅拌一般适合用在中等气体分散水平的工艺过程可知，5级搅拌的能力为可以使得细小气泡到达此容器的壁面；可以使得分散的气泡再一次循环到搅拌叶轮产生再一次循环。610对于6至10级的搅拌一般适合用在需要快速传质的气液反应釜中可知，10级的搅拌能力为：可以使气泡表面面积达到最大程度；可以使得分散的气泡再次循环到搅拌叶轮产生再次循环显然，搅拌等级小于7级，fs=1材料00Cr17Ni14Mo2 许用剪应力 许用拉应力NMb(max) =(28880002.76/85743)(800+2200)=3.79105Nmmds=39.65mmdt=51.9439mmds-用剪应力计算的最小轴径，mmdt-用拉应力计算的最小轴径，mm1.7.2刚度计算1.按允许扭转变形为了防止转轴产生过大的扭转变形，以免在运转中引起振动造成轴封失效，对表面涂覆保护层的轴也为了防止由于过大变形造成涂覆层的破坏，所以因该将轴的扭转变形限制在一个允许的范围内。这就是设计中的扭转刚度条件，为此，搅拌轴要进行刚度计算，工程上以单位长度的比扭转角作为扭转的刚度条件。=式中-扭转变形的扭转角，（）/m G0-切变模量 Jp-截面的极惯性矩，mm4材料00Cr17Ni14Mo2 G=75000Mpa n=85r/min N=2.76kw =0.5/m对于实心轴直径，由刚度有：d=1536.6=46.8733mmG-轴的切变模量N-消耗功率 2.按扭转强度许用剪切力=40Mpa 搅拌扭矩T=9740=9740(2.7685)=316.2635Nm不稳定力 F=533=533(316.2635743)=226.8754N作用于轴的弯矩M=（F+F）L1F=0.01 F=0.01226.8754=2.268754N L1=2200mm M=0M=（F+F）L1=（429.69+4.2969）=504.117NmM= M+ M=504.117+0=504.117Nm搅拌扭矩T=(316.2635316.2635)(504.117504.117)=595.1105Nmd=17.205=42.3156mm1.7.3设计载荷的考虑除去一般按照通常的条件来确定搅拌轴的设计载荷外，不可忽略在一些特定操作状况下所引起的设计载荷的变化和增大，设计时必须充分意识到这些所 可能遇到的特殊状况，从而能够加大设计载荷采用必不可少的防止措施。像此些特殊状况主要是指一些影响流体作用力骤剧变化的因素。叶轮在埋入固体沉淀层中的启动在叶轮转动中向搅拌容器中进料或排料，将使得流体作用力加大叶轮浸入液体的深度不够，可能会引起流体的流动形态发生变化，变 得很不稳定并加大了流体作用力进入液层中的流体进口位置应当远离叶片启动扭矩的影响1.7.4轴的最终设计在以前的设计计算中都没有考虑到轴上键槽，销孔等对轴截面削弱的影响，现规定如下：1.开一个键槽或浅孔引起局部削弱时，将使直径比计算直径大出4%5%；开两个键槽或浅孔时，将使直径比计算直径大7%10%；2.沿径向开对穿孔，轴径按计算直径增加15%以上。如按照刚度条件计算的轴径比之强度条件计算者大许多，那么可考虑选择较低强度的材料制作搅拌轴。 综上，搅拌轴直径取80mm。1.8搅拌罐壁厚设计1.8.1搅拌罐壁厚计算圆柱形容器一般是最常见的一种压力容器结构形式，不但有结构简单，而且有制造，更有便于在内部装设附件等优点，被广泛的用作反应器，换热器，分离器和中小容积存储容器。圆筒形容器的容积主要由圆柱形筒体提供。圆筒可分为单层式和组合式两大类。本设计中的搅拌反应器属于低压容器范围，选用单层式圆筒即可。设计压力P=1.10.1Mpa=0.11Mpa 设计温度t=230盛装介质脂肪酸，醇均为无毒液体，搅拌器内为常压，因此本搅拌罐为第三类压力容器。选用材料00Cr17Ni14Mo2，许用应力 ，屈服极限。为焊接接头系数，此处焊接接头型式采用双面焊，100%全部无损检测，取1.0由液柱产生的静压力Pl=gh=8459.82.153=0.01783Mpa，已大于设计压力的5%，故应计入计算压力中，则计算压力P。计算厚度=（PcDi）(2t-Pc)=(0.131600)(2701-0.13)=1.487mm对于搅拌压力容器，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度不小于3mm，取刚板厚度负偏差C=0.8mm，脂肪酸为腐蚀性液体，取腐蚀裕量C=6mm。设计厚度d=+C2=1.487+6=7.487mm名义厚度n=dC1=7.487+0.8=8.287mm 取=10mm检查=10mm时， 没有变化，故取名义厚度 =10mm合适。有效厚度=-C=10-0.8-6=3.2mm最大允许工作压力P=(2701.03.2)(16003.2)=0.2794MPaP计算应力 =(0.13(1600+3.2)(23.21.0)=32.565Mpa 1.8.2水压实验校核除了材料本身的缺陷外，容器在制造（尤其是焊接过程）和使用过程中会产生各种缺陷，为了考核缺陷对压力容器安全性的影响，压力容器制造完后或定期检查时，都须要进行压力试验。压力试验包括耐压试验和气密性试验。对于内压容器，耐压试验的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄露，检验密封结构的密封性能。水压实验应力校核：实验压力系数为1.25实验压力P=1.25P=1.250.11(7032.565)=0.2956MPa同时，为使液压试验时容器材料处于弹性状态，在压力试验前必须按照下式校核试验时圆筒的薄膜应力：试验时薄膜应力= =(0.2956(16003.2)(23.21.0) =74.0478Mpa0.91.9封头设计容器封头的种类很多，分为半球形，椭圆形，碟形，球冠形封头等，其中椭圆封头的应力分布比较均匀，且易于冲压成型，是目前中低压容器中应较多的封头之一。本设计采用标准椭圆封头。材料选用00Cr17Ni14Mo2公称直径DN1600mm曲面高度H=415mm直边高度h=22mm取封头厚度与筒体厚度相同进行验算。选用材料00Cr17Ni14Mo2，许用应力，屈服极限。焊接接头型式采用双面焊，100%全部无损检测，焊接接头系数=1.0。 取刚板厚度负偏差C=0.8mm，脂肪酸为腐蚀性液体，取腐蚀裕量C=6mm。 名义厚度=10mm 有效厚度=3.2mm 应力校核： =(0.131601.6)6.4=32.5325MPP 水压实验校核：实验压力系数为1.25 实验压力P=1.25P=1.25(7032.5325)=29.5858MPa实验时薄膜应力 = =(0.2956(16003.2)(23.21.0)=74.0478Mpa0.91.10开孔补强 1.10.1允许开孔的范围等面积补强法是以无穷大平板上开小孔的孔边应力分析作为其理论依据。但实际的开孔接管是位于壳体而不是平板上，壳体总有一定的曲率，为减少实际应力集中系数与理论分析结果之间的差异，必须对开孔的尺寸和形状给予一定的限制。GB150对开孔最大直径作了如下限制。圆筒上开孔的限制，当其内径Di1500mm 时，开孔最大直径d1/2 Di, 且d520mm；当其内径1500mm时，开孔最大直径d1/3 Di,且d1000mm。凸形封头或球壳上开孔最大直径d1/2 Di。锥壳或锥形封头上开孔最大直径d1/3 Di, Di为开孔中心处的锥壳内直径。1.10.2所需最小补强面积A对受内压的圆筒或球壳，所需要的补强面积A=d+2et(1-fr)式中A-开孔削弱所需补强面积，mmd-开孔直径，mm-壳体开孔处的计算厚度， mmet-接管有效厚度，et=-C，mmfr-强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，大于1时，取fr=1。补强材料一般与壳体材料相同，若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面积按照壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。若补强材料许用应力大于壳体材料许用应力，则所需补强面积不得减少。1.10.3接管方位根据等面积补强设计准则，开孔所需最小补强面积主要由确定，这里的为按照开孔处的最大应力计算得到的计算厚度。对于内压圆筒上的开孔，为按照周向应力计算而得到的计算厚度。当在内压椭圆封头或内压碟形封头上开孔时，则应区分不同的开孔位置取不同的计算厚度。这是由于常规设计中，内压椭圆形封头和内压碟形封头的计算厚度都是由转角过渡区的最大应力确定的，而中心部位的应力则比转角过渡区的应力要小，因而所需要的计算厚度也较小。具体接管方位见搅拌罐总装图。1.10.4开孔设计1.人孔本搅拌罐DN=1600mm，设计温度230，设计压力0.11Mpa，根据HGJ-86不锈钢人手孔标准选择标准号为HGJ505-86的人孔。示意图如图1.5。图1.6 人孔示意图尺寸如下： =350 S=3.5 b=26 b1=19 D=450 D1=420 H1=183 H=278 A=245 L=245 d=16 - 螺栓螺母数量20 直径长度=M1685 2.放净口便于放净罐体内液体，在罐底开有放净口110，并设置凸缘。见装配图。3.取样孔管孔开在罐体一侧，管径大小取DN=20，规格为231.5。1.10.5接管设计接管材料采用00Cr17Ni14Mo2，据GB/T8163-1999选用503.0接管法兰据HG/20592-97采用法兰型号为PN1.0 DN44，法兰材料选用00Cr17Ni14Mo2。 法兰结构如图1.6。 图1.7 法兰结构图尺寸如下： A1=50 D=144 K=109 L=16 n=3.5 Th=M16 B1=52 C=17 R=7 法兰密封据GB/T9126.3-1988选用平垫密封，密封材料为石棉橡胶垫。与筒体焊接见图纸。1.10.6补强设计由于开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，回产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔补强的问题。压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有：a.补强圈补强 b.厚壁接管补强 c.整锻件补强 其中补强圈补强是中低压容器应用最多的补强结构，补强圈贴焊在壳体与接管连接处，它结构简单，制造方便，使用经验丰富，但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时二者存在较大的热膨胀差，因而使补强圈局部区域产生较大的温差应力；此外补强圈与壳体用搭接联结，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。一般用在静载，常温，中低压，材料的标准抗拉强度低于540MPa，补强圈厚度小于或等于1.5倍名义厚度，且名义厚度不大于38mm的场合。 补强准则采用等面积补强：即认为壳体因开孔被削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内予以等面积补偿。该方法是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则，故对小直径的开孔安全可靠。GB150规定，当在设计压力小于或等于2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm时，只要接管最小厚度满足下表1.5要求，就可以不另行补强。表1.6 接管最小厚度接管公称外径253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0根据上表，可知各孔不需要另行补强。1.11减速器选用在比电动机速度低得多的搅拌器上常用的减速装置是装在设备上的齿轮减速器，蜗轮减速器，三角皮带以及摆线针齿行星减速搅拌器等。其中最常用的是固定和可移动的齿轮减速搅拌器，但由于只有一个轴承所以需要设置底轴承，也不能用在有防火防爆要求的场合。根据机械设计手册，选用X系列釜用立式摆线针轮减速器， 机型号XL5，传动比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为M10 n-d 为6-111.12机架选用由机械设计手册选用型号为LDJ100A的机架，尺寸见1.7图所示： 图1.8 LDJ100A机架1.13联轴器选用由机械设计手册，选用GT型刚性凸缘联轴器，型号GT35，材料为HT200尺寸详见图1.8所示： 图1.9 GT型刚性凸缘联轴器1.14传热部件设计在筒体外侧，以焊接连接或法兰连接的方法装设各种形状的钢结构，使其与筒体的外表面形成密闭的空间，在此空间内通入载热流体，以加热或冷却物料，维持物料的温度在预定的范围内，这种钢结构统称为夹套。本次设计物料反应温度为240，要求较高，罐体外侧半圆管夹套894，材料为00Cr17Ni14Mo2，通以150，0.4Mpa水蒸气传热。筒体内设置蛇管，573.5，材料同为00Cr17Ni14Mo2。传热部件连接方式及尺寸见总装图。1.15顶盖及底座结构设计搅拌罐顶盖在受压状态下操作常采用椭圆形。设计时一般先算出顶盖承受操作压力所需要的最小壁厚，然后根据顶盖上密集的开孔情况按整体补强的方法计算其壁厚，经圆整即是采用采用的封头壁厚。一般搅拌器质量及工作载荷对封头稳定性影响不太大时，不必将封头另行加强；如果搅拌器的工作状况对封头影响较大，则要把封头壁厚适当增加一些。底座焊接在罐体的顶盖上，用以连接减速器和轴的密封装置，有整体式，分装式底座等型式。为保证既与减速器牢固连接又使穿过密封装置的搅拌轴运转顺利，要求轴的密封装置与减速器安装时有一定的同轴度，为此常常采用的是整体式底座。本次设计即采用整体式底座，底座与封头接触处为平面，其间隙中间垫一适当直径的圆钢后，再焊成一体。底座连接方式及尺寸见总装图。1.16支座设计支座用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位置的压力容器附件，其结构形式很多。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种。中小型直立容器常采用前三种支座，高大的塔设备则广泛采用裙式支座。本设计采用耳式支座。根据JB/T4725-92，选用B型耳式支座：支座号：4， 数量：4， 支座允许载荷：60kN适用压力容器公称直径：10002000mm具体尺寸见压力容器与化工设备实用手册表3-3-10。第二章.储罐设计2.1储罐尺寸确定储存介质为酯，并含有杂质酸跟醇，为易然介质。按要求须储存酯体积约为 依GB9019-88筒体用钢板卷制，公称直径取DN2600。则罐长L=2.36m=3360mm 取L=3400mm。选用标准椭圆形封头，封头规格如下：DN=2600 曲面高度 直边高度 容积v=2.51罐体总容积V=22.9m装量系数，满足装量要求。酯的装量高度为H，查表 H/DN=0.73H=0.73DN=0.732600=1898mm1900mm液注静压力P=16775Pa0.017MPa2.2罐体壁厚计算储罐内气体压力位常压，液注静压力P=0.017MPa ，取设计压力为P=0.2Mpa，罐体材料选用00Cr17Ni14Mo2假设罐体厚度在4.5-16之间,=70MPa焊接形式采用全溶透对接接头,局部无损检测,=0.85罐体计算厚度:取钢板厚度负偏差C=0.3 腐蚀裕度C=3设计厚度mm名义厚度mm 圆整至钢材标准规格，=8mm，没有变化，故取=8mm合适。 有效厚度=8-0.3-3=4.7mm 最大允许工作压力: Pw=0.215MpaPc 应力校核:=65.2MPa 水压试验:试验压力系数=1.25 实验压力P=1.250.21=0.25MPa 实验时薄膜应力=81.5MPa2.3封头设计计算取封头厚度与罐体厚度、材料均相同，=70MPa。焊接形式采用全溶透对接接头,局部无损检测,=0.85。取钢板厚度负偏差C=0.3，取腐蚀裕度C=3名义厚度=7.68mm，有效厚度=8-0.3-3=4.7mm最大允许工作压力:Pw=0.215MPaPc应力校核:=65.2MPa 水压试验:试验压力系数=1.25 实验压力P=1.250.2=0.25MPa 实验时薄膜应力=81.5MPa2.4罐体结构设计为了满足工艺的要求，罐体上必须开设进料管，人孔，排渣孔。2.4.1进料管,排料管设计出料管,进料管设计数据及法兰同搅拌器。2.4.2人孔设计人孔的设计与搅拌器，都是HGJ505-86，公称规格为PN0.6 DN500。2.4.3排渣孔设计为了便于清洗罐体，在罐体的底部开有57的孔，并且连接规格为DN50-PN0.6的法兰。2.5开孔补强人孔补强设计： 罐体材料00Cr17Ni14Mo2 =70MPa 计算壁厚=4.38人孔材料00Cr17Ni14Mo2 =70MPa 人孔直径d=500强度削弱系数 =min（，1）=min（，1）=1削弱的金属面积 A=d+2（=5004.38=2190mm 壳体上超过计算厚度的多余金属面积： =（B-d）（ B= 人孔计算壁厚=0.81mm有效补强宽度B=max(2500,500+28+2.5)=1000mm =（B-d）（=(1000-500)(8-3.3)-4.38=160mm接管上超过计算厚度的多余金属截面积:=接管实际外伸长度:=63.2mm =263.2(8-3.3)-0.811=491.7mm 焊接形式采用如下结构： 图2.1 焊接形式 =50 k=6 p=20.5 b=20.5 补强区内焊缝金属的截面积为:=193.1mm须补强的金属截面积A1+A2+A3=160+491.7+193.1=844.8mm A4=A-(A1+A2+A3)=2190-844.8=1345.2mm 取补强圈的厚