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1、长春理工大学本科毕业设计摘要本论文先介绍了反应釜的概况，反应釜的设计背景及目的，反应釜国内外发展的现状，然后简要地说明了设计方法、理论依据及设计思路。论文在计算方面主要介绍了工艺计算和强度计算。工艺计算主要有以一釜的全年产量为基准的物料衡算，由给定参数进行的热量衡算，实际传热面积的计算及校核。强度计算主要包括由给定工艺参数进行的筒体和夹套的力学分析，反应釜液压试验校核，支座、人孔、视镜的选择及强度校核，搅拌装置的设计计算及搅拌器的选型和搅拌轴长度的确定。本文最后进行了反应釜的优缺点分析及改进方面分析，指出了反应釜设计中需要改进和优化的一些方面。关键词：压力容器 反应釜 搅拌设备 氯乙烯Abst
2、ractThis study first introduces the general reaction kettle, the reaction kettle design background and purpose, the reaction kettle of domestic and foreign development situation, and then explain briefly the design method, the theoretic basis and design ideas.In the aspect of calculation it introduc
3、es the technical calculation and strength calculation. Process calculation with a kettle are mainly for the annual output of material balance calculate, the benchmark by a given parameters, calculation of heat transfer area actual calculation and checking.Strength calculation by a given process para
4、meters include the mechanical analysis of the cylinder and clip , the respective reaction kettle hydraulic test , the choice and strength check of bearing, manhole and lens , mixing device design calculation and blender selection and determination of stirring shaft length.Finally, the study mainly d
5、iscusses the advantages and disadvantages of the analysis and the reaction kettle improvements in analysis, and it points out the reaction kettle design needs to be improved and optimized in some aspects.Keywords: Pressure vessel Reaction kettle Mixing equipment Vinyl chloride目录摘要IAbstractII第1章 绪论11
6、.1 反应釜设计背景及目的11.2 国内外研究现状11.3 设计方法11.4 设计的基本要求21.5 设计计算思路2第2章 工艺计算42.1 工艺条件42.1.1 已知参数42.1.2 原始数据42.2 罐体设计52.2.1 搅拌罐选型52.2.2 反应釜筒体结构尺寸计算52.2.3 装料系数的校核62.2.4 夹套形式与材料62.3 物料衡算72.4 热量衡算72.4.1 热水量的计算82.4.2 冷却水用量102.4.3 所需传热面积112.5 釜体内冷管的计算11第3章 反应釜强度计算123.1内筒及夹套的力学分析123.1.1 工艺条件123.1.2 筒体及夹套的厚度计算123.1.3
7、 反应釜的稳定校核153.2 夹套螺旋导流板的间距确定：173.2.1 夹套与筒体的间隙173.2.2 螺旋导流板间距b173.3 反应釜的液压试验校核173.3.1 计算罐体液压试验压力183.3.2 计算夹套液压试验压力183.3.3 确定罐体和夹套在试验压力下的最大应力183.3.4 计算罐体筒体的应力183.3.5 计算夹套筒体的应力183.4 选择反应釜支座型式并进行强度校核计算193.4.1 反应釜支座型式的选择193.5 选择反应釜的人孔及各接管形式并进行校核计算203.5.1 人孔、视镜形式的选择203.5.2 选择接管、管法兰213.5.3 人孔及各接管的开口补强校核223.
8、6 反应釜搅拌装置的设计计算253.6.1 反应釜搅拌器形式的设计253.6.2 反应釜搅拌器尺寸的确定263.6.3 反应釜搅拌器搅拌功率的计算263.7 反应釜搅拌轴的设计及强度校核283.7.1 工艺条件283.7.2 搅拌轴的结构尺寸及材料选取283.7.3 计算搅拌轴的扭矩283.7.4 计算搅拌轴的最小直径283.7.5 搅拌轴的结构设计303.7.6 釜内联轴器的选择303.7.7 搅拌轴和传动轴长度的设计313.8 电动机的选型323.9 减速机型号的选择323.10 机架结构的选型333.11 轴封装置的选型34第4章 反应釜的优缺点分析及待改进方面分析364.1 优点分析3
9、64.2 缺点分析364.3 待改进方面分析37总结38参考文献39致谢40IV长春理工大学本科毕业设计第1章 绪论1.1 反应釜设计背景及目的在大部分有机化学反应中，由于反应物本身的理化特性，使得许多化学反应在进行工业化，进行工业生产的过程中都存在着反应时间长，反应效率低的缺陷。甚至有些反应物或产物都是对人类有毒有害物质。同时也由于许多化学反应在进行反应时所要求的苛刻的外部条件，如：高温、高压、缓慢加入、搅拌、保温、散热等等各种条件，使得许多有机化学反应不仅存在着生产效率低、周期长、浪费严重、污染环境的不利结果，而且工人在操作的过程中也存在着种种不安全的危险隐患，如：爆炸、泄露中毒等。因此一
10、种高效、方便、安全、无污染的化学反应设备的出现就现得尤为重要，它将会使化工工业的有效利用率及安全系数大大提高，不仅会对化工企业带来良好的经济效益，更会给社会和人类提供各多和谐、舒适的生活和工作环境。在本次毕业设计中，我所设计的自吸式内循环气液压力反应釜正是针对上述要求而进行设计的。自吸式内循环气液压力反应釜主要是针对那些气相和液相反应物之间进行缓慢并需要一定的压力的反应的设备，其核心在于反应釜搅拌器的特殊功用。1.2 国内外研究现状反应釜是指含铬大于12%的钢种。反应釜自1912年发明以来取得迅猛发展，至今全球仍以每年35%的速度递增。全世界反应釜的消费总量达3500万。我国正处于反应釜生产和
11、消费应用的高速增长期，已广泛应用于石油、化工、轻工、食品、酿酒、制药、家电、水电、机械、建筑、市政和各种民用器具中。1990年我国反应釜消费量为26万吨，1999年为153万吨，2000年为173万吨，2001年为225万吨，2004年反应釜消费量达到447万吨左右，居全世界第一位，预计2006年反应釜消费量将达到600万吨以上，其中铬镍奥氏体反应釜的消费量占反应釜总消费量的75%80%。国外反应釜的工业化生产始于二十年代初期，随后出现相应的反应釜焊条，成熟的反应釜焊条产品出现于1965年左右，以欧洲国家为代表，尤其是西欧的瑞典，人口仅800万左右，且集中产生了ESAB、AVESTA和SAND
12、VIK等世界级的反应釜焊材企业，其中AVESTA的野牛牌反应釜焊条更是世界反应釜焊条的典范。日本、台湾及有南亚国家的反应釜焊条其技术根基在欧洲。1.3 设计方法本设计的设计方法为：查阅有关化工设备方面的书籍，研究一般带搅拌器反应釜的设计思路与方法。将反应釜的结构设计出来，然后再根据反应釜的结构尺寸对搅拌器进行设计。同时结合国内外自吸式搅拌器的设计成果，研究一个性能更好的新型自吸式搅拌器。最后根据具体的结构尺寸确定所需要的配套设备。并分析其优越之处和缺陷的地方，进一步提出改进方案。1.4 设计的基本要求做本设计应达到以下要求：1 树立正确的设计思想能够结合生产实际综合地考虑先进、安全、经济、可靠
13、和实用等方面的要求，严肃认真地进行设计。2 具有积极主动的学习态度在课程设计中遇到的问题，要随时查阅有关教科书或文献，通过积极思考，提出个人见解尽可能自己解决，不要太多地依靠指导老师帮助解决问题。3 正确处理好几个关系 继承和发展的关系强调独立思考，并不等于设计者凭空假想，不依靠设计资料和继承前人经验，这样是得不出高质量设计的。对于初学设计的人来说，学会收集、理解、熟悉和使用各种资料，正是培养设计能力的重要方面。因此正确处理好继承和发展条件下的抄、搬、套问题，正是设计能力强的重要表现。正确使用标准规范化工设备设计非常强调标准规范。但是并不是限制设计的创造和发展，因此遇到与设计要求有矛盾时，经过
14、必要的手续可以放弃标准而服从设计要求。但非标准件中的参数，一般仍宜按标准选用。学会统筹兼顾、抓主要矛盾计算结果要服从结构设计的要求：对初学设计者，最易把设计片面划解为就是理论上的强度、刚度、稳定性等计算，认为这些计算结果不可更改，实际上，对一个合理的设计，这些计算结果只对零件尺寸提供某一个方面的依据。而部件实用尺寸一定要符合结构等方面的要求。按几何等式关系计算而得的尺寸，一般不能随意圆整变动；按经验公式得来的尺寸一般应圆整使用。处理好计算与绘图的关系：设计中要求算、画、选、 改同时进行，但零件的尺寸以最后图样确定的为准。对尺寸作出修改后，有时并不一定要求再对零件强度等进行计算，可以据修改幅度、
15、计算准确程度等来判断是否有必要再行计算。1.5 设计计算思路本设计的设计计算思路是首先根据设计条件对反应釜的结构进行设计计算，其次根据反应釜的几何结构尺寸对搅拌装置进行设计，然后后根据前面的设计结果，对反应釜的传动部分进行设计与选型，最后对反应釜的优缺点进行分析并提出改进方案。设计的内容和过程为：1、反应釜釜体结构的设计计算；2、反应釜搅拌装置的设计计算；3、反应釜搅拌设备转动装置的设计与选型；4、反应釜的优缺点分析及改进方面分析第2章 工艺计算2.1 工艺条件2.1.1 已知参数序号名称： 指标釜内夹套 设计压力： 釜内 1.4MPa 夹套 0.4MPa 设计温度： 釜内 140 夹套 90
16、物料： VC等 水等 公称容积： 13.5 m3 搅拌转速： 134.5rpm 电机功率： 22 KW 2.1.2 原始数据产品型号：SG-4 型紧密型树脂 反应压力： 0.75Mpa反应温度： 51 0.5 设计压力： 1.4Mpa 水油比： 1.2 1 引发剂用量： 0.12 %分散剂用量： 0.12 % 聚合时间： 11h 辅助时间： 3h 全年工作时间： 300 天 单位 VC 纯度： 99.9 %聚合率： 90 % 收率： 98 % 釜的装料的系数： =0.9热负荷系数： R=2 热水进口温度： 90 热水的出口温度： 80 进料温度： 20 冷却水进口温度：28 冷却水出口温度：3
17、2 聚合热：1537.2KJ/Kg 水垢及釜物厚度vc=0.1 mm 水=0.3 mmPVC 平均粒度：0.2 mm搅拌热：Q搅=20 N搅拌热N搅拌轴=N 搅拌功率粘度按具体计算条件而定 传热系数：K夹=2100KJ/ m2 h K管=2940KJ/ m2h , 加热时间：1小时 安全阀开启压力：1.25MPa 夹套压力：0.4MPa 放料时间：半小时 加料时间：20 分钟悬浮夜重度：冷搅（20 ）r=956kg/m3 =0.729cp51 转化率80%：r=1088 kg/m3 =0.507cp51 转化率90%：r=1113 kg/m3 =0.468cp51 PVC比热：c=1596KJ
18、/kg. r=849kg/m3PVCr=1400kg/m32.2 罐体设计2.2.1 搅拌罐选型罐底的结构形状：椭圆形顶盖的结构形状：椭圆形换热器形式：整体夹套2.2.2 反应釜筒体结构尺寸计算操作容积: Vg=13.5m3查阅文献1取装量系数: =0.8因Vg=V(2-1)则反应釜容积为:V=13.5/0.8=16.875查表2-1，一般搅拌罐，气液相物料，的取值12表2-1 几种搅拌器的长径比值1种类设备内物料类型一般搅拌器液-固相或液-液相物料11.3气-液相物料12发酵罐类1.72.5初步取反应釜筒体长径比为：=1.3(2-2)所以D=2547圆整到公称直径D=2500选用椭圆形封头（
19、如图2.1），由文献2得出相关数据：容积为Vh =2.242，公称直径DN=2500，曲面高度=625，直边高度=40，一米筒体体积V1=4DN2=4.909m3/m图 2-1 椭圆形封头示意图(2-3)所以H(16.875-2.242)/(/4) =2.98m，圆整后H=3000mm。当筒体高度确定后，应按下式用圆整后的筒体高度修正实际容积。V=V1H1+Vh=16.969m32.2.3 装料系数的校核已知本釜的装料系数=0.8，实际的装料系数：=Vg/=13.5/16.969=0.796，所以釜体高H和直径Di选择较合理。2.2.4 夹套形式与材料(1)夹套形式与尺寸夹套的内径由筒体内径根
20、据表2-2确定。则可知：=2500+200=2700mm夹套下封头型式同罐体封头其直径D2与夹套筒相同。表2-2 夹套直径mm350060070018002000300050100200夹套高度：h(2-4) =13.5-2.242/(/4) =2293圆整反应釜夹套筒体高度由于2293mm，故将圆整为=2300mm2.3 物料衡算以一釜的全年产量为基准：20 进料时：设加入VC单体量为X，则水量为 1.2X引发剂为0.12X ，分散剂为0.12X ，有效容积Vg=30m3冷搅时20，悬浮液比重为956kg/m2（已知）所以X+1.2X+0.12X+0.12X=Vgr(2-5)X=5.860t
21、所以VC单体重量为:Qvc=5.86t加入水量为:QH2O=1.2X=1.25.86=7.032t分散剂、引发剂量为:0.12X=0.12%5.86=0.007032t=7.032Kg纯 VC 量为：聚合量为：Q聚=Q纯vc聚=5.8690=5.27t得到的PVC量为：Q=Q聚收=5.2798=5.17t2.4 热量衡算首先查文献4，得出关于水的性质的下列数据：表2-3 水的特性表4表2-4 20条件下VC及PVC的特性4物料密度r（kg/m3）粘度（cp）导热系数（kJ/mKg）比Cp(kJ/kg)VC919.50.87PVC13800.5881.848查文献5上册，得钢及不锈钢的重要物性如
22、下：表2-5 钢的特性52.4.1 热水量的计算 设加热时间为1小时，如图2-2所示，查文献5上册P4公式22得加热时所需总热量本 Q总为：Q总=Qvc+Q水+Q釜+Q损=KA1tmK釜体传热系数 A1釜体传热面积tm温差因为损失热量少，所以略去 Q 损。图2-2 釜的热量简图1 物料吸热量水吸收的热量Q水=m水（Cpt）=m 水（Cp2t2-Cp1t1）(2-6)m水物料中含水量 kg t2，t1进口水温度Cp 水的比热kcal/kgm水 =7032kg,进料温度t1=20,反应温度t2=51则有Q 水=VC气体吸收的热量：Qvc=m(Cpt)=mvcCp(t2-t1)因t2和t1的Cp相差
23、较小所以取51 时Cp=1.6kJ/kg由物料衡算得mvc=5860kg 则有Q=58601.6(51-20)=2.907105kJ2 釜体吸收的热量夹套的传热面积A夹=H夹Di+FB (2-7)前面已知椭圆形封头的短半轴 h1=625mm ,直边高h2=40mm 封头面积FB=7.089m2，又夹套筒体高度H夹=2.3m 则A夹=2.3反应釜釜体吸热部分的重量：m釜 =A夹（S钢r钢+S不r不）(2-8)S钢，S不钢和不锈钢的厚度用类比法取S钢 =0.021m ，S不 =0.003mr钢， r不钢和不锈钢的比重由表2-5得r钢=7850kg/ , r不=7900kg/则m釜=25.15(0.
24、0217850+0.0037900)=4742.03kg m釜钢=25.150.0217850=4145.98kg m釜不=m釜-m釜钢=4742.03-4145.98=596.05kg 所以釜体吸收的热量为：Q釜=m釜钢Cpt+m釜不Cp不t=0.687kJQ总=m釜钢+QVC+Q水=0.687+2.907105+9.13105=12.724kJ3 所需传热面积水T1=90-T2=80物料t2=51-t1=20t1=T1-t2=90-51=39, t2=T2-t1=80-20=60tm =（t1-t2）/ln（t1/t2）=（39-60）/ln（39/60）=48.75则所需传热面积A1=（
25、Q釜+QVC+Q水）/（Ktm）(2-9)=（0.687105+2.90710 5+9.13105）/2100=24.09m24 所需热水的量m热水 =Q总/（Cp2t2-Cp1t1）(2-10)由表4-1得，T1=90，Cp1=1.0036kcal/kgT2 =80 Cp2=1.0017 kcal/kg则有 m热水=24.09105/（4.2151904.2071480=5628.64kg/h.2.4.2 冷却水用量设聚合时间为11小时，冷却时，水垢及粘釜物厚度很薄VC=0.1mm, 水=0.3mm, 所以放出的热量不计，因而，可以认为需要冷却的热量，是聚合反应放出的热量Q聚及搅拌器搅拌放出
26、的热量Q搅。1 搅拌放出的热量由原始数据得Q搅=20%N拌轴又 N搅拌轴=21.3kw所以 Q搅=20%21.3=4.26Kw2 聚合热单釜一次聚合VC的总热量m=Qvc纯 聚由表21Qvc纯=13.00t 由原始数据聚合率聚=90则m=5.850.9=5.265t由原始数据得聚合热q=1537.2kJ/kg则聚合放出的总热量为Qpvc=52651537.2=8093358kJ3 洪峰换热量平均热负荷指数=总放热量/放热时间=热负荷指数R=洪峰换热量/平均热负荷由前计算得：Q搅=4.263600=15336kcal ，Qpvc=8093358kcal由原始数据得：热负荷指数R=2因而，洪峰换热
27、量Q峰 =（Q 搅+Qpvc/t）R (2-11)=(15336+8093358/11)2=1502191.636kcal/hQ峰 =KtmA2A2冷却过程所需传热面积物料 T1=51T2=51冷却水t2=32t1=28t1=T1-t2=51-32=19 ，t2=T2-t1=51-28=23tm=(t1-t2)/(ln(t1/t2)=(19-23)/ln(19/23)=20.9所以A2=Q峰/（Ktm）=1502191.636/(210020.9)=34.23m24 所需冷却水的量所需冷却水的量：m=Q/（Cp2t2-Cp1t1）由表2-3得，t1=28时Cp1=4.1907kJ/kgT2=3
28、2时Cp2=4.1895kJ/kg则有m冷却水=1502191.636/（0.997532-0.997828）=377283.41kg/h2.4.3 所需传热面积A=（A1，A2）max=A2=34.23m2所需最大水量：m=（m冷，m热）max=377283.41kg/h2.5 釜体内冷管的计算由2.3.1中计算得夹套的传热面积A夹=25.15m20.4 MPa（设计要求）故罐体筒体名义厚度=18mm满足设计要求。8 计算罐体封头的有效厚度罐体封头的有效厚度为其名义厚度与厚度附加量的差，用下式进行计算，(3-12)则代入数据得： =182.8=15.2 mm9 计算罐体封头的外径罐体封头的外
29、径为罐体封头内径与两倍名义厚度的和，用下式进行计算， (3-13)则代入数据得：=2500218=2536mm10 计算罐体封头的标准椭圆封头当量球壳外半径标准椭圆封头当量球壳外半径用下式进行计算，(3-14)则代入数据得： =0.9=0.92536=2282.4mm11 确定系数A和B系数A由下式确定： (3-15)则代入数据得：A=0.1251R1o=0.12515.22282.4= 0.00083系数B由系数A和设计温度t1=140查表3可得：B=11012 计算许用外压力许用外压力用下式进行计算，(3-16)则代入数据得：=0.733MPa因为0.733 MPa0.4 MPa（设计要求
30、）故罐体筒体名义厚度=18mm满足设计要求。结论：由以上稳定性校核可知，罐体筒体和封头的名义厚度均为18mm。3.2 夹套螺旋导流板的间距确定：3.2.1 夹套与筒体的间隙a=76mm（其中 S 为补强后厚度）3.2.2 螺旋导流板间距b 为得到较好的传热效果，再内加装螺旋导流板，以减小流通面积，提高流速和避免短路。水量： M水 =377283.41kg/h V水=M水/水=377283.41/1000=377m3/h=0.105m3/h取流速u=4m/s，则由V =Au，A=ab，得，b=V/au=0.345m=345mm3.3 反应釜的液压试验校核在压力试验前，应对试验压力下产生的圆筒应力
31、进行校核，即容器壁内所产生的最大应力不超过所用材料在试验温度上屈服极限的90%（液压试验）。3.3.1 计算罐体液压试验压力罐体的液压试验压力按下式确定，(3-17)由于当设计温度小于200时，式中=13，可简化为：故=1.251.4=1.75 MPa3.3.2 计算夹套液压试验压力夹套的液压试验压力按下式确定，(3-18)同计算罐体液压试验压力一样，式中=1，故=1.250.4=0.5 MPa3.3.3 确定罐体和夹套在试验压力下的最大应力由罐体的材料为：0Cr18Ni12Mo2Ti， 查表3得：该材料的屈服点应力为：=205 MPa故罐体在试验压力下的最大应力为=3=0.90.85205=
32、156.825 MPa由夹套的材料为：Q235-B，查表3得：该材料的屈服点应力为：=235 MPa故夹套在试验压力下的最大应力=0.90.85235=179.775 MPa3.3.4 计算罐体筒体的应力罐体筒体在液压试验时的应力由下式进行计算，(3-19)则代入数据得：=144.790 Mpa因为=144.790 Mpa=156.825 Mpa，所以设计符合要求。3.3.5 计算夹套筒体的应力夹套筒体在液压试验时的应力由下式进行计算， (3-20)则代入数据得：=111.86Mpa因为=111.86 Mpa=179.775 Mpa，所以设计符合要求。3.4 选择反应釜支座型式并进行强度校核计
33、算3.4.1 反应釜支座型式的选择反应釜属于立式容器，立式容器的支座常见的有耳式支座（又称悬挂式支座）、支撑式支座和裙式支座三种。小型直立设备采用前两种，高大的设备则广泛采用裙式支座。夹套反应釜多为立式安装，比较常用的支座为支承式支座，本设计选用支撑式支座。支座实际承受的载荷Q4由下式进行计算，(3-21)确定各相关参数：1 确定的设备总质量m0设备的总质量包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量，经分别计算得：经查表(JBT4737-95)得椭圆封头的质量为986.26Kg，查表1得罐体筒体的质量为4873=1461Kg，容积为=14.7188m3，则内部介质（假定水）的质量为14.72103Kg，为提高稳定性和强度，假定夹套的质量与罐体筒体的质量相等，且封头的质量也相等。同时也假定配件的质量为400Kg，则设备的总质量=1461（罐体筒体）1461（夹套筒体）986.263（封头）14.72103水）+400(配件)=21000.78Kg2 确定支座型号及数量并计算安装尺寸D由反应釜的公称直径=2500mm，质量为21KN和反应釜为需要保温的实际情况经查表3可知，选B型支承式式支座，支座号为5。其标记为：JB/T4712.4-2007，支座B5，材料为：10号钢。计算安装尺寸D由表3可知；Dr=1720则代入数据得：D=Dr=1720mm3 确定