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1、2 反应釜釜体的设计2.1釜体和材料的选择2.1.1 釜体的选型聚合釜选型是聚合釜设计的第一步，从结构上，聚合釜可以分为立式釜和卧式釜。，立式釜通过维持一定的转速利用轴流，径流和周向流分配来形成聚合反应所需流动场，但是不论如何分配，都会在内外层流间产生较高的剪切流动，这不适合那些低剪切流要求的聚合反应，这是因为即使通过降低转速满足了低剪切流，同时也会丧失流动场的建立。卧式聚合釜虽然可以满足低剪切流的要求。但是卧式釜的结构和载荷更加复杂，设计和建造也比立式聚合釜困难。此外，立式釜也可以通过合适的结构设计让釜内流动满足一定的要求，而且立式聚合技术成熟，应用广泛。因此立式釜在结构、载荷、技术方面具有
2、一定的优势，目前大多反应釜都采用立式结构。从换热结构上，聚合釜可以分为外夹套和内夹套釜，一般内夹套在聚合釜制造和难发现泄漏等方面比外夹套差，许多聚合釜采用外夹套。本文采用带有夹套的立式聚合釜。2.1.2釜体材料的选择022Cr17Ni12Mo2是一种不锈钢，也称钛钢和316L精钢，组成成分有C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo,这种钢的冷轧产品具有很好的外观光泽度，钢的的耐点蚀性以及高温蠕变强度性能优异，钢的加工硬化性能也十分优异，钢的固溶状态没有磁性。由于添加了23Mo，材料的性能也因此提高了。在高温条件下，当硫酸浓度或时，022Cr17Ni12Mo2不锈钢可以应用于很多地方。022Cr
3、17Ni12Mo2不锈钢的抗氯化物侵蚀性能优秀，在海洋环境中应用广泛。 其可用于管道制造，热交换器材料，食品工业和化学工业。022Cr17Ni12Mo和 06Cr19Ni10的许用应力见表2-1。表2-1 不同钢板的许用应力表钢号钢板标准使用状态厚度mm在下列温度（OC）下的最大许用应力（MPa）20100150200250300350400450500525022Cr17Ni12Mo2GBT13296141171171171081009590868406Cr19Ni10GB13296热轧，控扎，正火80137137137130122114111107103100981371141039690
4、8582797674732.2釜体尺寸确定釜体的尺寸确定主要在于它的长径比和壁厚两方面。2.2.1 确定筒体内径本次设计型式为立式反应釜，釜体的设备容积=筒体容积+下封头容积，筒体的直径是确定高径比后进行计算的。 反应釜筒体的高径比和反应釜内物料状态有关系，一般对于物料类型为液态与液态或固态时高径比为；对于气液混合，则选择的高径比范围为。本次设计的深冷釜内为物料为有机溶剂，长径比，将釜体视为筒体。釜体直径计算公式为： V是釜体容积；本次设计要求容积为。在选择釜体的长径比时考虑到以下要求：对搅拌功率、结构、传热、物料反应的影响。长径比应该选择得尽可能大些，本次设计选择。直径D取，长径比为1.3时
5、，实际设计容积为。表2-2不同公称直径下聚合釜的规格序号公称直径DN/(mm)总高度h/(mm)容积V/(m3)170012600.440275013500.541380014400.656 2.2.2确定封头尺寸标准椭圆形封头是反应釜设计中最常用的封头型式,封头内径和筒体的内径相等，根据选定的筒体公称内径，确定封头公称内径为800mm，其质量可根据化工机械设备基础进行选择。2.2.3确定筒体高度本次设计为立式反应釜，反应釜容积=筒体容积+下封头容积，其筒体的高度H1可通过以下公式来计算：一反应釜釜体容积-下封头容积,查化工机械设备基础得知所设计封头公称内径对应的封头容积 ，-筒体每一米高相应
6、的容积数据带入公式得 本次设计中实际容积为，即带入以上数据求得 2.2.4 长径比校核，在允许范围内，所以设计的深冷釜筒体内径和高度选择满足要求。故选用合理。2.2.5釜体装料量选取反应釜装料系数 ，由 ，代入数据可得装料量为0.525m3。2.3 釜体筒体壁厚的设计2.3.1设计参数的确定设计压力：0.4MPa；计算压力是压力容器设计的关键参数，在通常的设计中，液柱静压力如果不能忽略不计时，计算压力可以是设计压力与液柱静压力之和。此外，计算压力也可以取设计压力的1.1倍。釜内介质密度为1011kg/m3,则液柱静压力P1为：由于液柱静压力与设计压力的比值为0.026，表明液柱静压力小于设计压
7、力。则液柱静压力可以忽略不计。但是考虑设计余量，故本文计算压力取设计压力的1.1倍。计算压力设计温度： ；根据GB150中的要求,双面焊的无损检测为，局部无损为。单面焊的局部无损检测为。本文取。焊缝系数： ；许用应力的确定：根据材料022Cr17Ni12Mo2、设计温度-196，查得钢板的许用应力表得；据GB 713-2008，钢板负偏差，腐蚀裕量 2.3.2 筒体壁厚的设计根据GB150.1150.4-2011压力容器，筒体壁厚设计如下：由公式设计壁厚得： （2-1）公式中：为设计壁厚，mm为计算压力，Mpa为直径，mm为需用应力，Mpa为焊接系数计算得到： 当壁厚为2.5mm时，满足要求。
8、根据国标GB150.1-2011规定，碳素钢和低合金钢壳体加工成型后不包括腐蚀余量的最小厚度为3mm。本次设计取设计厚度8mm。2.3.3 上封头壁厚的设计根据GB150.1150.4-2011压力容器，筒体壁厚设计如下：由公式设计壁厚得： （2-2）公式中：为设计壁厚，mm为计算压力，Mpa为直径，mm为需用应力，Mpa为焊接系数计算得到：壁厚为1.88mm时，满足要求。根据国标GB150.1-2011规定，碳素钢和低合金钢壳体加工成型后不包括腐蚀余量的最小厚度为3mm。本文取设计厚度8mm。2.3.4 下封头壁厚的设计根据GB150.1150.4-2011压力容器，筒体壁厚设计如下：由公式
9、设计壁厚得： （2-2）公式中：为设计壁厚，mm为计算压力，Mpa为直径，mm为需用应力，Mpa为焊接系数计算得到：壁厚为1.88mm时，满足要求。根据国标GB150.1-2011规定，碳素钢和低合金钢壳体加工成型后不包括腐蚀余量的最小厚度为3mm。本文取设计厚度8mm。质量m为234.98kg。2.4 外压筒体壁厚的校核2.4.1设计外压的确定根据已知的设计条件可知，夹套内介质的压力为0.6MPa，计算压力取设计外压的1.1倍，因此。2.4.2图算法设计筒体的壁厚被夹套包围的筒体按外压设计，钢板偏差选 腐蚀余量：设计的筒体名义壁厚，则有效厚度： 内筒受到外压作用的计算长度L为被夹套包围的筒体
10、部分加凸型封头高1/3，本文采用标准椭圆封头，其封头高是筒体直径的四分之一，筒体的计算长度：图 2.1 外压应变曲线表查外压应变曲线表，在坐标上找到1.35的值，在1.35处做水平线与 相交，交点的对应值为：0.009。图 2.2 外压应力系数B曲线查图2.2计算系数，在水平坐标中找到的位置，从此点做一条与对应的材料温度线相交的竖直线，过此点再做一条和右方的纵坐标相交的水平线，得到系数的值为：。根据=得： =80/105.97=0.75（）因为0.6 0.75，所以合理，取筒体的壁厚。2.5 封头（下封头）外压壁厚校核2.5.1 设计外压的确定封头的外压校核与筒体相同，即设计外压。2.5.2封
11、头的直边尺寸、体积及重量的确定封头相关参数可根据筒体公称直径进行确定，本次设计的深冷釜筒体公称直径为800mm,查表得知封头相关参数：；。2.5.3 最大应力校核设计封头的壁厚，则: ，对于标准椭球形封头=1。椭圆形封头的最大允许工作压力：计算得到最大需用压力为因为0.6 1.79，所以假设合理，取封头的壁厚为8mm。2.6 压力试验及其强度校核容器制成以后，必须做压力试验，其目的在于考察容器的密封性，以确保设 备的安全进行。做压力试验时需要在图纸上注明试验的类型，要求和试验压力值。 气压测试通常用于液压测试，以及不适合液压测试的容器。例如，容器内部不允许有少量残留液体，或者由于结构原因而无法
12、填充液体的容器，则可以使用气压测试。本设计没有特殊要求，所以采用液压试验。压力容器需要通过液压试验才算合格，其计算与条件如下：应满足条件：所选材质022Cr17Ni12Mo2的屈服压力为170MPa。由于 ，所以成立式中：所以水压试验强度足够。2.7传热装置设计2.7.1夹套的材料选择06Cr19Ni10钢可用作薄壁焊接件，它是使用最广泛的不锈钢，也称为304不锈钢。其成分有C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、N。这种钢可以承受800的高温，因为具有出色的加工性能和高韧性被广泛使用。它可用于制造高要求综合性能（耐腐蚀性和可成型性）的设备和零件。304不锈钢作为最广泛使用的铬镍不锈钢，具有良好的
13、耐腐蚀性，耐热性，低温强度和机械性能。用于食品加工，储藏和运输。具有良好的加工性能和可焊性。304不锈钢是国家认可的食品级不锈钢。 2.7.2夹套几何尺寸计算通常，在设计中，我们会根据釜体的安装过程要求来确定。夹套和筒体之间的连接经常被焊在一起，形成封闭结构。夹套内径可根据筒体内径D1,按表4-3选取。夹套下封头型式同筒体封头,其直径与夹套筒体相同。表4-3 聚合釜夹套直径经验值D1/mm500600700180020003000D2/mmD1+50D1+100D1+200筒体内径，则夹套内径为，符合压力容器公称直径系列。按公式估算夹套的高度为圆整得到，夹套高度为800mm。则封头直边长度为：
14、满足筒体法兰螺栓的装拆要求。2.7.3确定夹套的材料和壁厚（1）夹套材料和壁厚设计对于夹套来说，其内部压力为0.6MPa,外部为大气压，所以夹套的厚度计算方法是内压容器的计算方法。本次设计中，选用了06Cr19Ni10作为夹套的材料，假设厚度范围为，夹套设计温度为，故可根据许用应力表选出06Cr19Ni10的许用应力。根据已知的夹套设计压力，计算压力取设计压力的1.1倍。夹套筒体与内筒的环焊缝无法双面焊和作相应的探伤检查，因此，从安全考虑，夹套上所有焊缝均取焊缝系数 ，取厚度附加量中的钢板厚度负偏差，腐蚀取腐蚀余量。筒体夹套的壁厚计算如下：取夹套厚度为。筒体夹套质量m为120.56kg。夹套下
15、封头的壁厚计算如下：取夹套厚度为。封头夹套质量m为27kg。（2）夹套外压校核筒体夹套受外压力为0.1Mpa。钢板偏差选 腐蚀余量：设计的筒体名义壁厚，则有效厚度： 夹套外压校核高度按夹套高度计算： 查外压应变曲线表图2.1，在坐标上找到0.877的值，在0.877处做水平线与 D0/Se=160相交，交点的对应值为：0.0085。查图2.2计算系数，在水平坐标中找到点，过该点做一条与对应的材料温度线相交的竖直线，从此点再做与右方的纵坐标相交的水平线，得到系数的值为：。根据=得： =70/160=0.44（）因为0.1 0.44，所以合理，取筒体夹套的壁厚。封头夹套最大需用应力校核封头夹套设计
16、名义厚度为，则有效厚度为 深冷釜采用标准椭圆封头，夹套形状也是标准椭圆封头，对于标准椭球形封头。椭圆形封头夹套的最大允许工作压力计算： 计算得到最大需用压力为因为0.11.04，所以假设合理，取封头夹套的的壁厚为6mm。（3）水压试验做水压试验时，工作压力取设计压力的1.25倍。因为满足所以夹套水压试验通过。2.7.4 夹套传热计算深冷釜总传热量计算q为每立方米聚合釜传热量，w/m3v为深冷釜体积，m3聚合釜在热平衡时，传热方程为：是总传热量，w是传热系数,w/(m2K)是传热温差,K是传热面积,m2深冷釜夹套设计压力为150摄氏度，聚合釜釜体为-196摄氏度，传热温差为=346K。传热系数计
17、算：是传热系数，w/(m2K)是釜壁内传热系数, w/(m2K)是釜壁外传热系数，w/(m2K)是釜壁厚,m釜壁导热系数, w/(m3K)釜内传热系数h1为2047.74 m2K/w夹套传热系数h2为2793.96 m2K/w为568.24 m3K/w釜体厚度为=8mm夹套换热面积为：夹套提供的传热量为：夹套提供的传热量不够，需采取额外的传热措施。2.7.5盘管设计传热系统是聚合釜设计的关键之一，如今传热装置的形式有夹套传热、内冷管传热和釜顶冷凝器传热，内冷管传热按结构可分为套管式和三角形。本聚合釜的夹套提供的换热面积不够，需采取额外的传热措施，盘管是可选择的一种措施。虽然从防粘釜来说，内冷管
18、越少越好，特别是夹套内冷管。但是对于粘度不大的物系，这就不是问题。而且冷管的增加可以一定程度改善釜内介质的混合效果，从而进一步地提高釜内物质的湍动程度，因此提高釜内对流传热系数，有利于传热。因此本文设置内冷管。反应釜内设有螺旋状内盘管；本文将螺旋状内盘管的位置设计于反应釜的顶部设有进口管，底部管道折弯向上至反应釜顶部后设有出口管。该内盘管传热快，传热均匀，提高了产品质量和效益。该设备可以均匀反应釜内的温度，提升反应的效果。盘管传热量为盘管采用323mm的夹套内管，盘管传热温差也为，需要的盘管的换热面积为：1米盘管换热面积： 则需要盘管长度为：一圈盘热管长度：需要盘管圈数为圆整取25圈。盘管采用
19、管卡固定并电焊在聚合釜内壁上，一圈等距离放置8个管卡。3反应釜附件的选型及尺寸设计3.1釜体法兰联接结构的设计釜体法兰联接结构的设计主要有以下几个方面：设计法兰、选择密封面的形式、设计螺栓和螺母。根据,，本次深冷釜采用甲型平焊法兰，材料为022Cr17Ni12Mo2,其结构如图所示这个材料不行，跟主体一样，否者这一块容易失效。 图5-1甲型平焊法兰结构表 5-1 法兰结构尺寸三线公称直径DN/mm法兰/mmDD1D2D3D4螺栓规格数量厚度质量800930890855845842M20244047.83.2人孔设计为了方便设备检修和釜内物料清理，本釜需设置人孔，由于本设备设计压力小于0.7MP
20、a，人孔尺寸根据化工行业标准HG T 21515-2005设计公称直径DN=400mm。人孔采用022Cr17Ni12Mo2材料，位于釜顶。见下表：表5-2 人孔材料序号名称数量材料1筒节1022Cr17Ni12Mo22法兰1022Cr17Ni12Mo23垫片1石棉橡胶板4盖子1Q235A5螺栓16Q235A6螺母16Q235A7把手1Q235A3.3搅拌装置的设计3.3.1搅拌轴直径的设计一般来说，釜的竖直搅拌轴在大釜中安装在釜底，这是因为这样会使得传动结构的轴短，轴径小，轴重量轻，且在釜底部布置传动轴和管口的空间大。而在中小型釜中安装在釜顶，这样可以避免竖直安装的缺点；并且釜体积小，只能安
21、装在顶部。搅拌轴竖直安装，风扇取3层，搅拌轴用螺钉固定。搅拌轴的转速，选用材料为45钢， 40，剪切弹性模量8104，许用单位扭转角1.0/m。本搅拌釜搅拌轴转速取50r/min，功率取10Kw。搅拌最大扭矩，NmN空心轴与外径比代入数据计算得到： 圆整取搅拌轴直径取70mm。 搅拌轴长度取1000mm，此时临界转速为4468，因此本文轴直径与长度满足要求。3.3.2搅拌轴刚度的校核最大单位扭转角和许用单位扭转角进行计算，判断所选搅拌轴刚度是否满足要求。3.3.3搅拌抽临界转速校核计算因为反应釜的搅拌轴转速在范围内，所以不需要 作临界转速校核计算。3.4联轴器的选择联轴器通常设于釜体内，它的功
22、能是连接不同结构的主动轴和从动轴，从而使其连接的结构一起旋转。联轴器由刚性联轴器与柔性联轴器组成。其中，刚性联轴器不具备缓冲与补偿两轴线的相对位移功能，但是这种联轴器结构简单，制造成本低，安装维护方便，被广泛应用于不同行业。常用的的有凸缘联轴器、套筒联轴器与夹壳联轴器等。本次深冷釜设计选择联轴器的形式为C型凸缘联轴器。联轴器位于电动机驱动转轴和搅拌轴之间，起到连接作用。由参数可知搅拌器的形式为浆式搅拌器，本文选用平直叶可拆浆式，其型式如图6-2： 图3-2搅拌器形式，本次设计取，搅拌器具体结构如图6-3： 图3-3桨式搅拌桨的结构 3.5反应釜的传动装置反应釜的搅拌器是由传动装置带动，而传动装
23、置包括了电机、减速器、联轴器、机架、底座和凸缘法兰，在通常的设计中，传动装置会设计在釜顶封头的上部，本次设计同样使用这种方法。本设计内容包括：减速机，电机的选用，选用和设计机架和底座等。3.5.1选用减速器传递运动和改变速率是减速器的作用，本次深冷釜设计选用摆线针齿行星减速器，具体型号型号为CVVJ-6170。3.5.2电动机的选用电动机的功率主要取决于工作时需要的功率和传动装置的传动效率。 设备的选择主要考虑以下几个方面：系列，功率，速度，安装形式和防爆要求。对于反应釜中作业环境及要求，选择Y系列三相异步电动机，型号为YBBP132M-4。所以，选用电机符合。 3.5.3选用凸缘法兰凸缘法兰
24、是焊接在釜体封头上的，它的上边就是整个传动装置，凹缘法兰还可以当做釜体维修时的检查孔使用。选用凸缘法兰的尺寸：公称直径DNDKDih25039535024565 材料选用022Cr17Ni12Mo2其标记为HG21564-95.法兰R250-022Cr17Ni12Mo2 查化工机械基础选用垫片、螺纹、螺母材料。 本设计采用GB/73985 石棉橡胶板、适用范围法兰种类垫片法兰螺柱与螺母种类温度范围材料温度范围螺柱材料螺母材料温度范围平型法 兰GB/73985石棉橡胶板-20-350板材022Cr17Ni12Mo2-20-450GB/769935GB/769925-20-3503.5.4反应釜的
25、轴封装置轴封是非常重要的组件。其作用是确保搅拌设备处于一定的正压和真空状态，防止反应物料逸出和杂质渗透。搅拌设备的常用类型是立式容器中心的顶部插入式搅拌。通常，反应釜釜体不会被装满。轴封主要的针对对象是气体。并且搅拌设备在工作时的反应条件复杂，轴会产生偏斜，摆锤振动，导致运行稳定性差。因此，并非所有形式的轴封都可以在搅拌设备上使用。反应釜搅拌轴处的密封属于动态密封。在产品设计中，填料密封和机械密封这两种使用地最多。填料密封的特点是结构简单、容易制造，在搅拌设备中广泛应用。通常用于常压，低压，低速和定期维护的搅拌设备；机械密封具有低功耗，低泄漏率和可靠的密封性能。使用寿命长的轴封主要用于在腐蚀，
26、易燃，易爆，有毒和固体颗粒的介质中工作的高压和真空设备。根据已知工况，在本次设计中，选用机械密封。 结构和部件如下图所示。图3-4机械密封的结构4 焊缝结构设计及开孔补强计算4.1釜体上的主要焊缝结构釜体上的主要焊缝结构及尺寸如图 （a） 筒体的纵向焊缝（b）筒体与下封头的环向焊缝 （c）进料管与封头的焊缝 （d）筒体与下封头的环向焊缝 （e）温度计接管与封头的焊缝 （f）出料口接管与封头的焊缝4.2夹套上的焊缝结构的设计夹套上的焊缝结构尺寸如图：（a）筒体的纵向焊缝 (b)筒体与封头的横向焊缝 (c）蒸汽接管与夹套焊缝（d）水出口接管与夹套的焊缝 （e）夹套与釜体焊缝4.3封头开人孔后被削弱
27、的金属面积的计算本次补强计算采用等面积补强的设计方法。 釜体上封头开人孔后被削弱的金属面积为： 式中：=426+22=430（） =1=4301.18=506.35（）4.4有效补强区内起补强作用的金属面积的计算4.4.1封头起补强作用金属面积的计算 式中： 取两者中较大值，则860。=12-2=10（） = 81.25=6.75（）=1 = 3784（）8.4.2接管起补强作用金属面积的计算 其中：=58.6 取其中的较小值58.6（） = =0.896（）=0 =451.68（）4.4.2焊缝起补强作用金属面积的计算 18（） 4.5判断是否需要补强的依据=3784+451.68+18=4
28、253.68（mm2）=506.85（mm2）因为，所以不需要补强。 5深冷釜流场分析本次毕业设计要进行流场分析，采用CFD前处理软件 Gambit对几何模型分玦进行网格的划分。由于流体在釜式反应器中的流动情况较为复杂,选取整个釜体进行模拟。本文将模型分为四个区域:搅拌桨区域、盘管区域、椭圆封头区域和其它部分。其中搅拌桨和盘管作为重点考察对象,对其表面进行了网格加密,以提高计算精度。5.1 Gambit建模首先用Gambit建模图形如下：图9.1：Gambit建立的模型由图可见，分为了两个区域，里面的圆柱为动区域，外面包着的大圆柱设为静区域，静区域划分网格大，划分粗糙，内部动区域划分网格小，划
29、分精细。边界条件主要设置了轴，搅拌桨，底部挡板，上层液面。以下就是fluent进行数值模拟。5.2 fluent数值模拟5.2.1对网格进行检查Minimum volume的数值大于0即可。图9.2网格检查5.2.2调节比例单位选择mm单位。图9.3比例调节5.2.3定义求解器参数设置如图9.4所示图9.4设置求解器参数5.2.4设置能量线图9.5能量线5.2.5设置粘度模型，选择k-e模型k-e模型对该模型模拟十分实用。图9.6粘度模型5.2.6定义材料介质选择液体水。图9.7介质选择5.2.7定义操作条件由于存在着重力，建模时的方向向上，所以在Z轴增加一个重力加速度。图9.8操作条件5.2
30、.8定义边界条件在边界设置重，动区域如图所示，将材料设成水，motion type设成moving reference frame（相对滑动），转速设为10rad/s，单位可在Define中的set unit中的angular-velocity设置。而在在轴的设置中，如上图所示，将wall motion设成moving wall，motion设成Absolute，速度设成-10，由于轴跟动区域速度是相对的，所以设成反的。图9.9动区域边界条件图9.10轴边界条件5.2.9设置求解器求解器的设置如图9.11需将momentum改成0.5即可图9.11求解器5.2.10初值初始化在Slove中选择solution initialiation设置一下，初值全为0.5.2.11设置残留控制将plot点上，其他参数如图9.12所示。图9.12残留控制5.2.12结果通过fluent的数值模拟，得出以下的结论。图59.13-a 距釜底中心20 mm处横截面速度矢量图图5.13-b 距釜底中心20 mm处横截面速度云图从图9.13-a和9.13-b可以看出，靠近反应釜底部的流体会产生由外向内的径向流动，此时在搅拌釜的底部形成了伯格斯4(Burgers)涡流，在挡板和反应釜底部中心的间距的径向上，靠近挡板一侧的流体的速度达到最大，在反应釜底部中心处流体的速度较大。40