反应釜课程设计.docx
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目录
1.总体结构设计 1
1.1罐体和夹套的设计 1
1.2罐体几何尺寸计算 1
1.2.1确定筒体内径 1
1.2.3确定筒体的高度H 2
1.3夹套集合尺寸计算 2
1.4夹套反应釜的强度计算 3
1.4.1按内压对圆筒和封头进行强度计算 3
1.4.2按外压对筒体和封头进行强度校核 4
1.4.3夹套厚度计算 5
1.4.4水压试验校核计算 6
2.反应釜的搅拌装置 7
2.1搅拌器的安装方式及其轴连接设计 8
2.2搅拌轴的设计 8
3.反应釜的传动装置设计 9
3.1常用电机及其连接尺寸 10
3.2釜用减速机类型,标准及其选用 10
3.3凸缘法兰 11
3.4底盖 12
3.5机架 12
3.6联轴器 13
4.反应釜的轴封装置 13
5.其他的附件设计 14
5.1支座 14
5.1.1支座实际承受载荷计算 14
5.2设备接管及管法兰 15
5.2.1设备接管及其补强 15
5.2.2管法兰选型 16
5.2.3人孔及其补强 16
5.2.3接管位置设计 18
6.焊接结构设计 19
6.1釜体上主要焊缝结构设计 19
6.2夹套上的焊缝在结构上的设计 20
7.设计总结 21
附录 22
参考文献 29
1.总体结构设计
1.1罐体和夹套的设计
罐体采用立式圆筒形容器,有筒体和封头组成,通过支座安装在基础平台上。
封头采用标准椭圆形封头,由于筒体内径Di>1200mm,因此下封头与筒体采用焊接连接,而为了拆卸和清洗方便,上封头采用法兰与筒体连接。
夹套类型与罐体一致。
1.2罐体几何尺寸计算
1.2.1确定筒体内径
先忽略封头提及,按式估算筒体内径Di
计算得
式中V ——工艺条件给定的容积
I——筒体高径比i=H/Di
将Di圆整到公称直径DN,则Di=1500mm
1.2.2确定封头尺寸
椭圆封头选取标准件,它的内径与筒体内径相同,标准椭圆封头尺寸见【1】表3-3,即DN=Di=1500mm
查表得:
曲边高度
直边高度h=25mm
容积=0.4860m²
1.2.3确定筒体的高度H
反应釜容积V通常按下封头和筒体两部分容积之和计算
筒体高度Hi按式
计算得
式中——容器封头容积
圆整后的Hi=2600mm
高径比i核算
在取值范围内,合格
按筒高圆整后修正实际容积
属于第I类压力容器
1.3夹套集合尺寸计算
夹套直径
装料系数
夹套筒体高度按式
计算得
即夹套筒体的最小高度为1.7064m
选取圆整夹套筒体高度=2400mm
查【4】,以内径为工程直径的椭圆封头的形式和尺寸,选取的罐体封头的表面积=1.398m²
一米高的筒体的表面积
故,可以算得,实际总传热面积
传热面积校核合格
综上所述,筒体和夹套尺寸为下表1-1所示
表1-1筒体和夹套尺寸
直径(mm)
高度(mm)
筒体
1500
2600
夹套
1600
2400
1.4夹套反应釜的强度计算
1.4.1按内压对圆筒和封头进行强度计算
(1)筒体强度计算
已知,Tc=80℃Pc=0.35MPa
计算厚度
负偏差=0.8mm腐蚀裕量=2mm
名义厚度
(2)封头强度计算
封头的计算厚度
同理,名义厚度
1.4.2按外压对筒体和封头进行强度校核
(1)假设罐体的名义厚度
钢板厚度负偏差腐蚀裕量
则筒体的有效厚度
筒体外径
筒体长度
系数
系数
查【1】附录七图曲线和曲线
得系数A=0.0001
得系数B=25MPa
许用外压力[P]按式
计算得[p]=0.07MPa>0.35MPa
假设罐体的名义厚度=8mm
钢板厚度负偏差腐蚀裕量
则筒体的有效厚度
筒体外径
筒体长度
系数
系数
查【1】附录七图曲线和曲线
得系数A=0.00045
得系数B=65MPa
许用外压力[P]按式
计算得[p]=0.343MPa>0.35MPa
假设罐体的名义厚度=10mm
钢板厚度负偏差腐蚀裕量
则筒体的有效厚度
筒体外径
筒体长度
系数
系数
查【1】附录七图曲线和曲线
得系数A=0.0012
得系数B=120MPa
许用外压力[P]按式
所以,确定筒体的名义厚度
(2)假设封头的名义厚度
钢板厚度负偏差腐蚀裕量
则封头的有效厚度
封头外径
标准椭圆封头当量球壳外半径=0.9
计算得
系数A按式
计算得
查【1】附录七图曲线,得系数B=43MPa
许用外压力[p]按式
计算得
假设封头的名义厚度:
8mm
钢板厚度负偏差腐蚀裕量
则封头的有效厚度
封头外径
标准椭圆封头当量球壳外半径=0.9
计算得
系数A按式
计算得
查【1】附录七图曲线,得系数B=67MPa
许用外压力[p]按式
计算得
假设封头的名义厚度:
10mm
钢板厚度负偏差腐蚀裕量
则封头的有效厚度
封头外径
标准椭圆封头当量球壳外半径=0.9
计算得
系数A按式
计算得
查【1】附录七图曲线,得系数B=96MPa
许用外压力[p]按式
计算得
所以,确定封头的名义厚度
1.4.3夹套厚度计算
(1)夹套筒体部分厚度计算
已知,Pc2=0.35MPaTc2=160℃
计算厚度按式
计算得
负偏差C1=0.8mm腐蚀裕量C2=2mm
名义厚度
有效厚度
(2)夹套封头厚度计算
同理,名义厚度
1.4.4水压试验校核计算
夹套反应釜应对罐体和夹套分别进行水压试验,并校核圆筒应力
(1)罐体水压试验
由于
所以PT1=1.25P=1.25Pc=1.25×0.25=0.3125MPa
所以罐体水压试验强度足够
(2)夹套水压试验
夹套水压实验时,内筒需充压0.036MPa。
由于
所以PT1=1.25P=1.25Pc=1.25×0.45=0.5625MPa
所以夹套水压试验强度足够
表1-2筒体和夹套加工尺寸
筒体(mm)
封头(mm)
罐体
10
10
夹套
6
6
2.反应釜的搅拌装置
搅拌装置是由搅拌器,轴及其支承组成。
根据任务说明书的要求,本次设计采用的是桨式搅拌器,其机械设计的主要内容是:
确定搅拌器直径,搅拌器与搅拌轴的连接结构,进行搅拌轴的强度设计和选择轴的支承结构。
查【5】查得相关数据
选择桨式平直叶搅拌器,结构如图所示
根据式
可计算得
图1桨式平直叶搅拌器尺寸示意图
2.1搅拌器的安装方式及其轴连接设计
桨式搅拌器结构如上图所示,周转色65r/min,采用搅拌器与轴连接常采用的螺栓对夹,用一对螺栓固定,再加紧定螺钉固定
螺栓d0=M10数量:
4
螺钉d1=M10数量:
1
2.2搅拌轴的设计
搅拌轴的设计内容包括结构设计和强度设计,因为转速n<200r/min,所以不需要校核临界转速。
(1)搅拌轴的材料:
选用45号钢
(2)搅拌轴的结构:
选用实心轴
连接桨式搅拌器的轴头削台肩,开键槽,轴端车螺纹
(3)搅拌轴强度校核
由设计任务书给定:
轴功率P=1.5KW
搅拌轴速率n=65/min
轴所传递的扭矩
查表得轴常用材料的[T]T及A0值,材料许用扭转剪应力[τ]=35MPa,系数A0=112
轴端直径
开键槽,轴径扩大5%
计算得d×(1+5%)=33.49mm
圆整轴端直径d=40mm
即搅拌轴的直径为40mm
(4)搅拌轴的刚度校核
由得:
因为最大单位扭转角max=0.255<[]=1。
所以圆轴的刚度足够。
(5)搅拌轴的形位公差和表面粗糙度要求
转速n=65r/min直线度允差1000:
0.15
(6)搅拌轴的支承
一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承,减半周的支承采用滚动轴承,反应釜搅拌轴的滚动轴承通常根据转速、载荷大小及轴径选择,本反应釜选用圆锥滚子轴承。
根据轴端直径d=40mm,选用圆锥滚子轴承,型号为32010
安装轴承处轴的公差带采k6,外壳孔的公差带采用H7,安装轴承处的配合表面粗糙度Ra取1.0,外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra取1.6。
3.反应釜的传动装置设计
反应釜的搅拌器是由传动装置来带动,传动装置设置在釜顶封头的上部,其设计内容一般包括:
电机,减速机的选型,选择联轴器,选用和设计机架和底座。
3.1常用电机及其连接尺寸
选用电机主要考虑到它的系列、功率、转速,以及安装形式和防爆要求等几项内容,本反应釜选用Y系列,全封闭自扇冷式三相异步电动机。
电动机功率必须满足搅拌器运轴功率与传动系统、轴封系统功率损失的要求,还要考虑到有事在搅拌过程操作中会出现的不利条件造成功率过大。
电动机功率可按此式确定
式中P=1.5KW η=0.95~0.98
设计采用填料密封,按式
计算得
则可以算出
查JB/T9616-1999可得,选用电动机的型号为Y112M-4,额定功率4kw,满载转速1440r/min,圆整转速1500r/min
3.2釜用减速机类型,标准及其选用
反应釜的立式减速机的选用根据:
轴转速n=65r/min,电动机功率3.79kw,查【1】表7-8可选择BLD摆线针轮行星减速器
BLD摆线针轮行星减速器相关尺寸:
传动比i=87~9
输出轴转速17~160
输入功率0.04~55
传动功率0.9~0.95
3.3凸缘法兰
凸缘法兰一般焊接于搅拌器封头上,用于连接搅拌传动装置,亦可兼做安装、维修、检查用孔,本反应釜采用整体结构形式,密封面采用突面R,根据搅拌轴的直径和附面,由下表选取凸缘法兰,选择公称直径DN=400mm,螺纹为M24,螺栓数量16。
图3-1凸缘法兰尺寸示意图
表3-1凸缘法兰结构尺寸和安装尺寸表
3.4底盖
安装底盖采用螺栓等紧固件与凸缘法兰连接,是整个搅拌传动装置与容器连接的主要连接件。
安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同,形式选取时应注意凸缘法兰的密封面配合(突面配突面,凹面配凹面)。
本反应釜安装底盖采用螺柱等紧固件,上与机架连接,下与凸缘法兰连接,采用RS型形式,整体结构、密封面形式(突面)以及传动轴的安装形式(上装),按【7】选取。
安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同,均为DN=400mm。
3.5机架
机架是安装减速机用的,它的尺寸与减速机底座尺寸相匹配,其选用类型有三种,本次选用无支点机架。
选用WJ90型无支点机架H1=50mmH2=25mmH3=7mmH4=8mm
D1=400D2=450mmD3=490mmD4=430mm
D5=515mmD6=565mmH=660mm
3.6联轴器
常用的电动机和减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接,都是通过联轴器连接的,查【2】表12-4,凸缘联轴器主要参数尺寸,选用联轴器的型号为GY7,孔径为50mm,数量n=1
4.反应釜的轴封装置
轴封是指搅拌设备传动轴的密封装置,是搅拌设备的一个重要组成部分,其功能是保证设备内处于一个正压或真空状态,阻止或减少工作介质向外泄露以及外界杂质进入内部工作系统。
这次设计采用填料密封,采用标准填料箱,选择PN0.6的碳钢填料箱,适用设计压力PN=0.3~1.6MPa,设计温度-20℃~+300℃的搅拌容器。
尺寸数据由下表查得:
4-1标准填料箱尺寸表
轴径DN=40mmD1=175D2=145D3=110H=147
法兰螺栓孔径Ф=18mmn=8填料箱本体法兰与搅拌装置——安装底盖的连接为凸凹面连接,填料箱本体为凸面,配合面H7/h6
5.其他的附件设计
5.1支座
搅拌反应釜多为立式容器,最常用的支座为耳式支座,标准耳式支座分为A型和B型。
本反应釜为夹套立式安装,选用B型标准耳式支座,耳座为4个,但作承重计算式,考虑到安装误差造成的手里情况变坏,应按两个支座计算。
5.1.1支座实际承受载荷计算
(1)筒体重量M1=284.17kg
(2)封头重量M2=75.52kg
(3)夹套筒体重量M3=126.98kg
(4)夹套封头重量M4=57.11kg
(5)聚羧酸减水剂的密度为500kg/m³,筒体容积为5m³。
所以,当装满物料时,筒体内物料的重量M5=500×1.43=715kg
(6)水蒸气在143℃,0.65MPa时的密度密度为1.958kg/m³,夹套容积为夹套筒体的容积加上夹套封头的容积,夹套筒体的容积为π×(R²-r²)=0.7622m³,夹套封头的容积为0.2545-0.1980=0.0565m³,装满物料时,夹套内水蒸气的重量M6=(0.0565+0.7622)×1.958=2.57kg
(7)人孔等其他接管及其附件重量M7=252+16.4+46+3.25+1.24×3+2.36×2+1.03=327.12kg
设备总质量M=M1+2M2+M3+M4+M5+M6+M7=1663.99kg
由计算可得,容器的总质量为1663.99kg,选择B2型支座本体允许载荷Q=26kN。
5.2设备接管及管法兰
表5-1设备接管直径表
接口
加料口
蒸汽
入口
凝液
出口
备用
管口
放料管
人孔
温度计管口
公称直径
25
25
25
40
40
450
20
5.2.1设备接管及其补强
因为开孔补强只与公称直径有关,所以公称直径一样的管口放在一起计算开孔补强。
(1)公称直径为25mm的管口,因为接管的公称直径小于50mm,则外伸长度取100mm。
接管材料采用Φ32×3.5无缝钢管。
根据GB150.3规定,查【3】158页开孔补强相关内容可知,本反应釜开孔无需另行补强。
(2)公称直径为40mm的管口,因为接管的公称直径小于50mm,则外伸长度取100mm。
接管材料选择Q345D,规格Φ48×4
(3)公称直径为20mm的管口,因为接管的公称直径小于50mm,则外伸长度取100mm。
接管材料采用规格为φ28×4无缝钢管。
根据GB150.3规定,查【3】158页开孔补强相关内容可知,本反应釜开孔无需另行补强。
5.2.2管法兰选型
蒸汽入口A选用法兰PL25(B)-16RF。
加料口B选用法兰PL25(B)-25RF。
人孔C选用法兰PL450(B)-16RF。
温度计管口D选用法兰PL20(B)-25RF。
备用关口E选用法兰PL40(B)-16RF。
放料管口I选用法兰PL40(B)–16RF。
凝液出口J选用法兰PL25(B)-25RF。
5.2.3人孔及其补强
(1)人孔选型
人孔的设置是为了安装、拆卸、清晰和检修设备内部的装置。
设备的直径大于900mm时,应开设人孔。
人孔的形状有圆形和椭圆形两种。
圆形人孔制造方便。
应用较为广泛。
人孔的大小及位置应以人进出设备方便为原则,对于反应釜,还要考虑搅拌器的尺寸,以便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入罐体内。
本次设计根据储罐是在80℃及设计压力0.30Mpa条件下工作,人孔标准按照公称压力PN2.5的等级选取,受压设备的人孔盖较重,一般均选用吊盖式人孔或回转盖式人孔。
吊盖式人孔使用方便,垫片压紧较好,回转盖式人孔结构简单,转动时所占空间平面较小,如布置在水平位置时,开启时较费力。
故选水平吊盖带颈对焊法兰人孔,该人孔结构中有吊钩和销轴,检修时只须松开螺栓将盖板绕销轴旋转一个角度,由吊钩吊住,不必将盖板取下。
根据人孔设计标准【8】,选取PN=2.5Mpa,公称直径为DN=450mm
选择人孔的密封面为凹凸面,结构尺寸如下表
表5-2人孔尺寸安装表
(2)人孔补强
表5-3允许不另行补强的最大直径
公称直径(外径)
25
32
38
45
48
57
65
76
89
最小壁厚
3.5
4.0
5.0
6.0
经SW6软件计算,无需补强,补强计算书见附页。
5.2.3接管位置设计
接管位置如下图:
图5-1接管位置示意图
6.焊接结构设计
6.1釜体上主要焊缝结构设计
()筒体的纵向焊缝(b)筒体与下封头的环向焊缝
(c)加料口与封头的焊缝(d)备用管口与封头的焊缝
(e)温度计接管与封头的焊缝(h)出料口接管与封头的焊缝
6.2夹套上的焊缝在结构上的设计
(a)夹套的纵向焊缝(b)夹套与封头的横向焊缝
(c)蒸汽入口接管与筒体的焊缝(e)凝液出口接管与筒体的焊缝
(f)釜体与夹套的焊缝
7.设计总结
虽然这已经不是我第一次做课程设计,但是对于这种看起来很复杂的东西总是会有一种难以名状的恐惧。
但我相信迈出第一步,以后的路就会越走越顺畅,于是我怀着一种挑战自己的心境开始了自己的课程设计。
可以说,刚开始的我根本不知道从什么地方着手,找资料就花了我很长的时间。
还好有一本课程设计参考,最后不知所措的我最后还是在这本书里有了些概念。
关于专业知识,我在前面已经有详细说明了,这里就不多解释。
我还是多说说自己关于整个设计流程的心得体会吧。
1、自我学习的能力很重要。
课程设计可以让我们学会怎样把课本的知识用于实际生产,但是老师上课的时间很有限,我们头脑里知识的覆盖面也非常狭小。
涉及到实际生产,复杂而艰巨的难题就赤裸裸把在我们面前,对于自己没学到过的但是设计里必须用到的知识,只能通过自己自学把它搞懂,这时候毅力显得无比重要。
2、查表格的能力非常重要。
真理是什么?
真理就是指标,就是一张张庞大的表格,一条条错综复杂的线,一个个有具体数据的点。
有些人可能对这个很不以为然,以为表格和参考图形已经是现成的,就不用担心什么。
其实像查数据这种最基本的小事未必有想象的那么简单,只有自己亲身经历才会体会其中的规律。
3、格式一定要规范。
没有规矩不成方圆,就算你设计得再流光溢彩,趣味横生,要是没有一个正确简洁明了的格式作为你的基础,一切都是徒劳。
当然,这只是我个人的想法,而且我也是第一次经历,自己本身就是个新手,我的设计里面液肯定还有很多不足,希望老师同学能给与宝贵的意见。
另外,非常感谢帮助我的学长和同学,学长他们比我们有经验,他们的帮助是功不可没的也是非常有必要的。
附录
表1-1人孔补强计算书
开孔补强计算
计算单位
中航一集团航空动力控制系统研究所
接管:
N1,φ450×3.5
计算方法:
GB150.3-2011等面积补强法,单孔
设计条件
简图
计算压力pc
0.25
MPa
设计温度
80
℃
壳体型式
椭圆形封头
壳体材料
名称及类型
Q345R
板材
壳体开孔处焊接接头系数φ
0.85
壳体内直径Di
1100
mm
壳体开孔处名义厚度δn
8
mm
壳体厚度负偏差C1
0.3
mm
壳体腐蚀裕量C2
1
mm
壳体材料许用应力[σ]t
189
MPa
椭圆形封头长短轴之比
2
凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)
-0
接管实际外伸长度
320
mm
接管连接型式
插入式接管
接管实际内伸长度
312
mm
接管材料
Q345R
接管焊接接头系数
1
名称及类型
板材
接管腐蚀裕量
1
mm
补强圈材料名称
凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈外径
mm
补强圈厚度
mm
接管厚度负偏差C1t
0.3
mm
补强圈厚度负偏差C1r
mm
接管材料许用应力[σ]t
189
MPa
补强圈许用应力[σ]t
MPa
开孔补强计算
非圆形开孔长直径
445.6
mm
开孔长径与短径之比
1
壳体计算厚度δ
0.7706
mm
接管计算厚度δt
0.2932
mm
补强圈强度削弱系数frr
0
接管材料强度削弱系数fr
1
开孔补强计算直径d
445.6
mm
补强区有效宽度B
891.2
mm
接管有效外伸长度h1
39.492
mm
接管有效内伸长度h2
39.492
mm
开孔削弱所需的补强面积A
343
mm2
壳体多余金属面积A1
2642
mm2
接管多余金属面积A2
245
mm2
补强区内的焊缝面积A3
11
mm2
A1+A2+A3=2899
mm2,大于A,不需另加补强。
补强圈面积A4
mm2
A-(A1+A2+A3)
mm2
结论:
合格
表1-2内筒体内压计算书
内筒体内压计算
计算单位
中航一集团航空动力控制系统研究所
计算所依据的标准
GB150.3-2011
计算条件
筒体简图
计算压力Pc
0.25
MPa
设计温度t
80.00
°C
内径Di
1100.00
mm
材料
Q345R(板材)
试验温度许用应力[s]
189.00
MPa
设计温度许用应力[s]t
189.00
MPa
试验温度下屈服点ss
345.00
MPa
钢板负偏差C1
0.30
mm
腐蚀裕量C2
1.00
mm
焊接接头系数f
0.85
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