【正文】 前 言課題的背景及意義反應釜廣泛應用于石油、化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、食品，用來完成硫化、硝化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過程的壓力容器，材質(zhì)一般有碳錳鋼、不銹鋼、鋯、鎳基（哈氏、蒙乃爾、因康鎳）合金及其它復合材料。不銹鋼反應釜廣泛應用于石油、化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、食品等生產(chǎn)型用戶和各種科研實驗項目的研究，用來完成水解、中和、結晶、蒸餾、蒸發(fā)、儲存、氫化、烴化、聚合、縮合、加熱混配、恒溫反應等工藝過程的容器。不銹鋼反應釜根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝、操作條件等不盡相同，反應釜的設計結構及參數(shù)不同，即反應釜的結構樣式不同，屬于非標的容器設備。攪拌機的操作性能直接關系到產(chǎn)品的質(zhì)量、能耗和生產(chǎn)成本，工程界和學術界對攪拌混合都非常重視，進行了大量的研究工作，取得了不少的研究成果。攪拌器是化學工程和生物工程中最常見也是最重要的單元設備之一。目前，攪拌器的選型和內(nèi)構件的設計在很大程度上依賴試驗和經(jīng)驗，對放大規(guī)模還缺乏深入的認識，對于能耗和生產(chǎn)成本只能在一定規(guī)模的生產(chǎn)裝置上對比后才能得出結論，由于對產(chǎn)品的回收率和質(zhì)量要求越來越高，對攪拌器的研究日趨深入，已從早期對攪拌功率和混合時間的研究，20世紀80年代對反應釜內(nèi)的流體速度場分布的研究，進入20世紀90年代以來的攪拌釜內(nèi)三維流場的數(shù)值模擬研究。流場數(shù)值模擬必須在深入進行流體力學研究的基礎上，綜合考慮流體流動的三維性、隨機性、非線性和邊界條件不確定性。通過數(shù)值模擬不但可以解決反應器的放大機理，而且可以優(yōu)化設計開發(fā)新型高效攪拌器，使機械攪拌器的設計理論更加完善。對于不同的介質(zhì)，不同的化學反應過程，要求攪拌裝置的結構和攪拌速度不同，根據(jù)不同的場合一般分為以下幾種情況：液液互溶系統(tǒng)的場合，一般采用低速攪拌就能足夠完成，這種場合常用漿葉式攪拌裝置。液液互不相溶的場合，這種場合則需要強烈的上下翻滾，常用漿葉攪拌器，在釜體內(nèi)加有一定形狀的擋板，或采用推進式攪拌器。反應介質(zhì)里有少量的固體且不易沉降時可采用比較緩和的攪拌，反之當反應介質(zhì)或反應過程的生成物中固體較多，且容易沉降時必須采用強烈的上下的翻動的攪拌，這些攪拌均屬于固液相的攪拌系統(tǒng)。課題的來源、研究目的課題來源于本人頂崗實習單位——張家港化工機械股份有限公司的實際課題。研究目的：設計一臺常溫常壓下使用的攪拌類的無夾套反應釜；通過這個簡單的反應釜的設計，熟悉反應釜的基本設計思路和方法，能了解并掌握該設備的傳動結構的設計及其相關工藝。通過本次設計使自己對反應釜的相關設計工藝有全面的了解，并掌學會了這壓容器設計的總體流程及相關準則的參考。在本人設計的課題中攪拌器中所攪拌的介質(zhì)是二甲苯，在該設備要求中反應攪拌機的目的是由電機作為驅(qū)動裝置，經(jīng)減速器聯(lián)軸器帶到槳葉旋轉使物料攪拌均勻課題的研究內(nèi)容、方法研究內(nèi)容：反應釜的設計方案的分析和擬定反應釜釜體的分析和設計攪拌裝置的選用傳動裝置的設計第一章 反應釜的設計方案的分析和擬定 反應釜的相關設計要求 設計技術特性表密度（Kg/M179。）9001050粘度()100介質(zhì)名稱二甲苯設計壓力（MPa）工作壓力(MPa)常壓（）工作溫度(℃)常溫（25℃）攪拌目的攪拌均勻設計容積(m3)3．0攪拌器型式螺旋推進式電機功率(KW)電機防護等級IP54電機防爆等級d ⅡB T4攪拌轉速(r/min)281葉端線速度(m/s)物料流動方向向下 設計方案的分析和擬定根據(jù)任務書中的要求，一個無夾套反應釜主要有攪拌容器、攪拌裝置、傳動裝置、軸封裝置、支座、人孔、工藝接管等一些附件構成。而攪拌容器即為罐體。攪拌裝置分為攪拌器和攪拌軸，根據(jù)任務說明書的要求本次設計攪拌器為推進式攪拌器；考慮到機械軸封的實用性和應用的廣泛性，所以軸封采用機械軸封。在閱讀了設計任務書后,按以下內(nèi)容進行無夾套反應釜的機械設計。（1）總體結構設計。根據(jù)工藝的要求，并考慮到制造安裝和維護檢修的方便來確定各部分結構形式。（2）傳動系統(tǒng)設計，包括選擇電機、確定傳動類型、選擇聯(lián)軸器等。（3）攪拌器的設計。①根據(jù)工藝參數(shù)確定各部幾何尺寸；②考慮壓力、溫度、腐蝕因素，選擇釜體材料；③對罐體進行強度和穩(wěn)定性計算、校核；（4）決定并選擇軸封類型及有關零部件。（5）繪圖，包括總圖、部件圖。第二章 反應釜釜體的設計反應釜是由罐體和攪拌裝置兩大部分構成，罐體是反應的核心，為物料完成攪拌過程提供一個空間。釜體的設計包括罐體材料的選取，罐體的幾何尺寸（包括內(nèi)直徑Di、高度H、容積V及壁厚δ）的計算，強度校核等。 罐體的結構設計罐體采用立式的圓筒形容器，由筒體和封頭構成。通過支座安裝在基礎平臺上。封頭一般采用橢圓形封頭。而為了拆卸清洗方便，上部采用平蓋法蘭與筒體連接，下部采用橢圓封頭與筒體連接。反應釜釜體主材預選用GB245112009的牌號06Gr19Ni10 美標ASME（2007）SA240型號304對于直立的反應釜來說，釜體的設備容積通常是指圓柱形筒體及下封頭所包含的容積。罐體為一個提供化學反應空間的容器，由于化學反應一般都要吸收或放出熱量，因此會在容器的內(nèi)部或外部設置加熱或冷卻結構的裝置。但是因為本次設計的反應釜的主要作用是將二甲苯攪拌均勻，屬于物理反應，因此本次設計沒有設置冷卻或加熱裝置。1封頭 2筒體 3支座 4平蓋封頭 5攪拌機構圖21反應釜結構圖 罐體幾何尺寸計算一、 筒體尺寸的確定筒體內(nèi)徑（Di）的計算由于罐體全容積V與操作時物料熔劑V0的關系為：V0=η*V————————(21)圖21 立式攪拌器則 V= V0η = 3 =≈ 根據(jù)實際經(jīng)驗,幾種攪拌反應器罐體的長徑比如表21[1]所示表21幾種攪拌反應器罐體的H/Di值種類設備內(nèi)物料類型H/Di一般攪拌器液固或液液相容物料1―氣液相容物料1―2發(fā)酵罐類―筒體內(nèi)徑Di 的估算： Di ≈34V筒πi ———————————————————（22）式31中i為長徑比即： i=HiDi ，根據(jù)表221可查的，i=，先忽略罐底封頭容積,則可認為V筒=V 即：V==106mm3 則：Di ≈1549mm, 將Di 圓整到公稱直徑系列，則：　Di =1500(mm).筒體厚度（δn）的計算已知：工作溫度Tc=25℃ 設計壓力pc= 在25℃下06Gr19Ni10 的許用應力 [σ] t=137MPa [2] 筒體焊接采取單面焊、全焊透，局部無損傷，則焊接系數(shù) = [2] δe= pcDi2[σ]tφpc≈ ———————————————（23）[2]查得： 負偏差 C2= 腐蝕裕量 C2=0mm [2]名義厚度δn=δe＋C1＋C2＋Δ=10mm二、封頭尺寸的確定封頭內(nèi)徑的計算橢圓封頭選取標準件，則它的內(nèi)徑與筒體內(nèi)徑相同，即封頭內(nèi)徑DN=Di =150mm[1]。對于標準橢圓封頭，長軸與短軸的比值為2:1[1]，即 短軸為750mm 封頭厚度計算由公式 δe= KpcDi2[σ]tφ－ ——————————————————————（24）K——橢圓封頭形狀系數(shù)，K=1 6[2+(Di2hi)2]，其值列于表222[2]，取K=表22 封頭形狀系數(shù)Di2hiK[σ] t——在設計溫度下材料許用應力，其值查參考文獻2 可得[σ] t=137MPa [2]其中計算壓力pc =封頭焊接采取單面焊、全焊透，局部無損傷，則焊接系數(shù) = [2]則δe= 1**15002*137*－*≈由于Di2hi≤%，即δe≥計算名義厚度δn=δe+C1+C2+Δ查得：負偏差 C1= 腐蝕裕量C2=0mm [2]故封頭厚度取δn=10mm 故可查參考文獻[1]表96得：封頭直邊段高度取40mm [1] 即封頭的內(nèi)徑DN=1500mm 直邊高度h2=40mm 容積V≈ m3三、確定筒體的高度Hi反應釜容積V通常按下封頭和筒體兩部分容積之和計算。則筒體高度Hi按下式計算并進行圓整：Hi=(V－V封)/Vim [1]式中V封 封頭容積： V封= m3Vim 1m高筒體容積： Vim≈ /m 得 ：Hi= ()/≈圓整后的Hi==1900mm按筒高圓整后修正實際容積： V= VimHi + V封=+= m3 m3 ——————————(25) 反應釜的強度計算 反應釜幾何尺寸確定后，要根據(jù)已知的公稱直徑，設計壓力和設計溫度進行強度計算確定罐體及筒體和封頭的厚度。強度計算中各參數(shù)的選取及計算，均應符合GB1501998《鋼制壓力容器》的規(guī)定。一、 筒體強度校核計算已知：Tc=25℃ pc= [σ] t=137MPa = δ=pcDi2[σ]tφpc≈ ———————————————————(26)負偏差 C2=腐蝕裕量 C2=0mm 名義厚度δn=S＋C1＋C2＋Δ=10mm筒壁的應力校核 δt=pc（Di+δe）2δe = (1500+)2 =[δ]t ———————(27)即筒體選用06Gr19Ni10 同一數(shù)字代號S30403，厚度δ=10mm，強度能夠達到所需，符合設計要求。二、封頭厚度校核計算由于 δe= pcDi2[σ] = 15002137 = ———————(28)同理名義厚度 ： δn=δe＋C1＋C2＋Δ=10mm由橢圓殼體的應力分析可知，橢球殼體上的應力分布是變化的，應力分布隨點的位置不同而不同。當ab≤2時，最大薄膜應力在橢球殼的頂點，其值為： σφ=σθ=pc2σ?ab —————————（29）[1]代入數(shù)值得： σφ=7502750375=[σ]t 即封頭選用06Gr19Ni10 同一數(shù)字代號S30403，厚度δ=10mm，設計強度達到使用要求。第三章 反應釜的攪拌裝置攪拌裝置由攪拌器、軸及其支撐組成。攪拌器的形式很多，根據(jù)任務說明書的要求，本次設計采用的是推進式攪拌器。推進式攪拌器的特點是能使液體產(chǎn)生激烈流動及湍流運動的性能很高。推進式攪拌器的主要運用范圍是攪拌及混合絕對粘度小于36000厘泊的各種流動性的液體，以及制成乳濁液或懸浮液。[3]推進式攪拌器機械設計的主要內(nèi)容是：確定攪拌軸的直徑、攪拌器直徑、攪拌器與攪拌軸的連接結構。進行攪拌軸的強度設計和臨界轉速校核、選擇軸的支撐結構及材料的選用。由于介質(zhì)具有一定的腐蝕性，攪拌裝置的材料選用與反應罐主體材料相同的材料06Gr19Ni10 同一數(shù)字代號S30403。圖