8m3連續(xù)攪拌釜式反應器設計含9張CAD圖帶開題報告.zip,m3,連續(xù),攪拌,反應器,設計,CAD,開題,報告 8m3連續(xù)攪拌釜式反應器設計 摘 要 反應釜是一種在化工生產(chǎn)過程中為化學反應提供反應條件和反應空間的裝置。該裝置安全可靠，使用方便。 本設計為8m3連續(xù)攪拌釜式反應器設計，連續(xù)攪拌釜式反應器的組成部分分別是：釜體、夾套、電動機、減速機、聯(lián)軸器以及其他零件。查閱資料與題目分析，在本次設計對反應釜的結(jié)構(gòu)特點，工作裝置進行了仔細分析。在設計的第一部分，對釜體的筒體和夾套的結(jié)構(gòu)、尺寸進行了設計，然后選擇攪拌裝置，通過結(jié)構(gòu)分析，功率計算，得到攪拌器和攪拌軸，設計傳動裝置，包括電動機，減速機等的選用，最后是反應釜的密封設計，主要是選擇軸封裝置類型，分析機械密封的結(jié)構(gòu)、工作原理。 本次設計表達了攪拌式反應釜的設計過程與工作過程。設計的反應釜在結(jié)構(gòu)上安全可靠，性能良好，對化學反應過程具有很好的保護作用。在經(jīng)濟上，提高了化學反應的效率，從而提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。 關鍵詞：攪拌反應釜；攪拌器；傳動裝置；機械密封 ABSTRACT The reactor is a device that provides reaction conditions and reaction space for the chemical reaction in the chemical production process. The device is safe and reliable, easy to use. The design is 8m3 continuous stirred tank reactor design, the components of the continuous stirred tank reactor are kettle bodies, jackets, motors, reducers, couplings and other parts Access to information and subject analysis, in this design of the reactor structure characteristics, work device was carefully analyzed. In the first part of the design, the structure and size of the cylinder body and jacket of the kettle body are designed, and then the stirring device is selected. Through the structural analysis and power calculation, the stirrer and the stirring shaft are obtained. The transmission device is designed, including the motor, Machine, etc., and finally the reactor design of the seal, the main choice of shaft seal device type, analysis of mechanical seal structure, working principle. This design expresses the design process and working process of the stirred reactor. The design of the reactor in the structure of safe and reliable, good performance, the chemical reaction process has a very good protective effect. In the economy, improve the efficiency of chemical reactions, thereby enhancing the production efficiency and save production costs. Key words： mixing reactor; stirrer; transmission; gearing 目 錄 1 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 反應釜的應用領域及進展趨勢 1 1.2.1 反應釜的應用領域 1 1.2.2 反應釜的進展趨勢 1 2 反應釜釜體的設計 3 2.1 反應釜釜體幾何尺寸的確定及結(jié)構(gòu)選型 3 2.1.1 筒體和封頭型式 3 2.1.2 筒體的內(nèi)徑及高度 3 2.1.3 夾套的結(jié)構(gòu)和尺寸 4 2.1.4 內(nèi)筒及夾套的受力分析與厚度計算 4 3 攪拌裝置選型 7 3.1 攪拌器的選擇 7 3.1.1 攪拌器的結(jié)構(gòu)類型 7 3.1.2 攪拌器的選用 9 3.2 攪拌功率計算 9 3.3 攪拌軸設計 10 3.3.1 強度及剛度計算 10 3.2.2 攪拌軸直徑的確定 12 4 傳動裝置的選擇 13 4.1 電動機的選用 13 4.2 減速機的選用 14 4.3 機座的選擇 16 4.4 聯(lián)軸器裝置的選型 17 4.4.1 聯(lián)軸器的機構(gòu)類型 17 4.4.2 聯(lián)軸器的選用 18 4.5 底座的設計 18 4.6 安裝底蓋與密封箱體、機架的配置 19 5 軸封裝置的選用 20 5.1 反應釜軸封裝置的類型 20 5.2 密封類型的選擇 21 5.3 機械密封的結(jié)構(gòu)和工作原理 22 5.4 機械密封的分類 23 5.5 機械密封的選擇 24 6 零部件的加工要求與檢測 25 6.1 軸的加工要求 25 6.2 機械密封主要零件的加工及檢驗 25 6.2.1 密封環(huán)的加工要求 25 6.2.2 軸套的加工要求 25 6.2.3 彈簧的加工要求 25 6.3 反應釜殼體的制造要求與檢驗 26 參考文獻 27 致 謝 28 1 緒論 1.1 前言 反應釜是一種在內(nèi)部有化學或物理反應發(fā)生的容器。通過釜內(nèi)的攪拌裝置的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)對物料的混合，使其充分反應，從而生產(chǎn)出我們預期的產(chǎn)品。實現(xiàn)攪拌的措施：氣流 攪拌、射流攪拌、機械攪拌 、電磁攪拌和靜 態(tài)（管道）攪拌等。機械攪拌是其中應 用最早的，至今仍然被廣泛采用。 按照反應釜的操作方式，可將其分為三種類型：間歇反應釜、半連續(xù)反應釜和連續(xù)反應釜。這三種反應釜各有自己的優(yōu)缺點：間歇反應釜設備簡單，操作靈活，適合多品種、小批量、反應時間相對較長的產(chǎn)品生產(chǎn)，但其生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；連續(xù)反應釜適合大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于操控，但存在一定程度的返混，對釜內(nèi)物料的反應有一定的影響，不過我們可以通過選擇合理的釜體尺寸和結(jié)構(gòu)來減少返混現(xiàn)象；半連續(xù)反應釜則是一種介于兩者之間的反應釜。 1.2 反應釜的應用領域及進展趨勢 1.2.1 反應釜的應用領域 攪拌反應釜是一種復雜地 非線性化學反應器，適用于各種操作條件（溫度、壓力） 和各種物性（如粘度、密度）的化學或物理反應過程，在食品、醫(yī)藥、燃料、合成橡膠、冶金、廢水處理、化工等行業(yè)被廣泛應用。例如用于濕法冶金、污水處 理、磷肥等工業(yè)的大型反應釜的容積可以達到數(shù)千立方米，而實驗室的反應釜可小 至數(shù)十毫升。攪拌反應釜除了用作化學反應釜和生物反應釜外，還大量用于混合、分散、溶解、結(jié)晶、萃取、吸收或解析、傳熱等操作。 搪玻璃反應釜適用領域：廣泛的應用在食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥、石油、化工、科研等行業(yè)。 碳鋼反應釜適用領域：不含腐蝕性液體的環(huán)境，例如某些油品加工。 不銹鋼反應釜適用領域：適用于需要進行高溫高壓實驗的行業(yè)，例如冶金、科研、高校等部門。它能使顆粒物和粘稠物 質(zhì)達到高攪拌的效果。 反應釜應用廣泛，歷史悠久，是我們化工機械等行業(yè)不可缺少的一種設備。 1.2.2 反應釜的進展趨勢 反應釜于1912年被發(fā)明，在其被發(fā)明之后，發(fā)展非常迅速，至今為止，全世界依然以每年3-5%的速率遞增。從大的發(fā)展趨勢上來看，以后 反應釜的發(fā)展，將從環(huán)保，節(jié)能、材料以 及更高的工藝操作等方 面著手，來滿足市場要求。 未來反應釜的發(fā)展可能從以下這幾個方面來進行： 加大反應釜的容積，這是未來發(fā)展的趨勢，隨著科學技術的發(fā)展，對產(chǎn)品的要求也越來越高，小批量，高質(zhì)量的生產(chǎn)模式備受青睞，國內(nèi)外在反應釜的容積方面相對以前來說都有了長足的進步，目前反應釜容積可以達到120 m3。 反應釜的攪拌器，已經(jīng)不再是單一的攪拌器，由于對反應釜反應速度的要求變高，用外加泵或雙攪拌器以及更先進的讓釜體沿水平線旋轉(zhuǎn)的方法已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)開始出現(xiàn)。 自動化技術的運用，開始代替了手工操作，這樣的好處是解放了勞動力，降低了成本，從而使收益增加，同時產(chǎn)品質(zhì)量也會由于采用低失誤的程序控制而得到提高。在環(huán)境方面，由于自動化的進行，污染也會變得很小。 合理地把熱能利用起來，提高傳熱效率，把熱損失降 至最低。反應釜未來的發(fā)展方向，也會朝著熱管技術這方面發(fā)展。 2 反應釜釜體的設計 2.1 反應釜釜體幾何尺寸的確定及結(jié)構(gòu)選型 2.1.1 筒體和封頭型式 從任務書所列的工作壓力及溫度范圍以及該設備的工藝性質(zhì)，可以看出它屬于低壓反應釜，查相關文獻選擇圓柱筒體和EHA橢圓形封頭。 2.1.2 筒體的內(nèi)徑及高度 （1）反應釜的/和裝填系數(shù) 由文獻[7]表6-1可知幾種反應釜的/如表1： 表1 反應釜的/值 種類 設備內(nèi)物料類型 H/Di 一般反應釜 液-固相物料或液-液相物料 1～1.3 氣-液相物料 1～2 發(fā)酵罐類 氣-液相物料 1.7～2.5 在確定反應釜的直徑和 高度時，還需要根據(jù)裝料系數(shù)（反應釜操作時所能允許的裝料程度）等予以綜合考慮，通常取0.6～0.85。若反應狀態(tài)平穩(wěn)，可取 0.8～0.85。在工程實際中，裝料系數(shù)的合理選用，可以提高設備利用z效率。本設計選用=0.8，長徑比選擇H/=1.8。 （2）筒體內(nèi)徑的計算 通過查閱參考文獻[7],可查得下列公式來計算筒體的內(nèi)徑： V=π4Di2H=π4Di3(HDi) （1） 則 Di=34Vπ(HDi) （2） 式中：Di為筒體內(nèi)徑，m ；V為釜體容積，m3；H為筒體高度，m。 由于本設計為氣-液相物料，所以取DiH為1.8，已知V=8m3將其代入（2）式得： Di=34×81.8π≈1.78m (3)確定筒體內(nèi)徑和高度 將計算所得的結(jié)果圓整為標準直徑，因此取Di=1800mm,由文獻[8]表16-6可得，標準橢圓形封頭曲面 高度h1為450mm,取直邊高度h2為25mm,則內(nèi)表面積為3.64m2,容積Vh為0.826m3,由文獻[8]表16-5可知筒體每一米的容積V1為2.545m3。 筒體高度H可按下式計算： H=V-VhV1 （3） 將數(shù)據(jù)代入式(3)得： H≈2.82m，將其圓整為標準直徑，取H=2800mm。 所以H/=1.6，在允許范圍之內(nèi)，符合要求。 2.1.3 夾套的結(jié)構(gòu)和尺寸 （1）夾套的選型 所謂夾套，即在釜體外側(cè)用法蘭連接或焊接的 方式裝飾各種形狀的鋼結(jié)構(gòu)，使其與釜體外壁形成一個密閉的空間。夾套的主要結(jié)構(gòu)形式：蜂窩夾套、型鋼夾套半圓管 夾套、 和整體夾套等，由文獻[7]表6-2可知本設計選用的夾套為不可拆式U型夾套。 （2）確定夾套的直徑與夾套筒體高度 為了有利于按標準選擇夾套封頭，夾套直徑Dj一般選取公稱尺寸，具體可以根據(jù)筒體直徑Di按文獻[7]表6-3中推薦數(shù)值選用，見表2： 表2 筒體直徑與夾套直徑的關系 Di/mm 500～600 700～1800 2000～3000 Dj/mm Di+50 Di+100 Di+200 由表2可知夾套直徑Dj=Di+100=1800+100=1900mm。夾套封頭與夾套筒體取相同直徑，也采用橢圓形。 夾套筒體的高度估算如下： Hj=ηV-VhV1=0.8×8-0.8262.545≈2.19m （4） 取Hj為2200mm 2.1.4 內(nèi)筒及夾套的受力分析與厚度計算 （1）內(nèi)筒及夾套的受力分析 由任務書可知：夾套內(nèi)工作壓力0.2Mpa，釜體筒中的工作壓力0.3MPa。所以可以知道夾套封頭和夾套筒體均承受0.2MPa內(nèi)壓；而內(nèi)筒的筒體和下封頭既要承受0.3MPa內(nèi)壓，又要承受來自夾套的0.2MPa外壓，當停止操作時，內(nèi)筒沒有壓力而夾套內(nèi)仍有蒸汽壓力存在，此時內(nèi)筒承受0.2MPa外壓。 （2）計算夾套筒體、封頭厚度 釜體內(nèi)筒與夾套筒體之間的環(huán)焊縫 ，由于無法探傷檢查，故從文獻[8]表14-4中查得焊縫系數(shù)=0.6，封頭采用由鋼板拼制的標準橢圓形封頭 ，材料為Q235-A鋼。 由文獻[8]可知 夾套的厚度計算公式如下： δd≥pDj2σt-p+C1+C2 （5） =1.1×0.2×19002×113×0.6-1.1×0.2+0.8+2 =5.89mm 夾套封頭的厚度計算如下: δd≥pDj2σt-0.5p+C1+C2 （6） =1.1×0.2×19002×113×0.6-0.5×1.1×0.2+0.8+2 =5.89mm 查閱相關資料與文獻，把夾套筒體與封頭的厚度均圓整為6mm。 （3）計算內(nèi)筒筒體厚度 由文獻[8]表14-4中查得焊縫系數(shù)=0.85 當筒體承受0.3MPa內(nèi)壓 時筒體厚度： δd≥pDi2σt-p+C1+C2 （7） =1.1×0.3×18002×113×0.85-1.1×0.3+0.6+2 =5.70mm 當筒體承受0.2MPa外壓力 時筒體厚度： 為了簡化起見，首先假設δn=6mm，則δe=6-2.6=3.4mm，由于 夾套頂部與容器法蘭面的距離實際定為150mm，則內(nèi)筒受到外壓部分 的高度為H-150mm，由此來可以知道L/D0及D0/δe的值。 D0=Di+2δn=1800+2×6=1812mm （8） L=H-150+h2+13h1=2800-150+25+1/3×450=2825mm （9） 式中 h2—橢圓封頭的直邊 高度，根據(jù)Di=1800mm，δn=6mm由文獻[8]表16-7查得h2=25mm h1—橢圓封頭的曲面高度，根據(jù)Di=1800mm，δn=6mm由文獻[8]表16-6查得h1=450mm 故 L/D0=2825/1812≈1.6；D0/δe=1812/3.4≈533 由文獻[8]圖15-4查得A=0.00007，再據(jù)此查文獻[8]圖15-5 ，B不存在。 所以，當名義厚度δn=6mm時， 不能滿足穩(wěn)定要求。 再假設δn=12mm，則δe=δn-C1-C2=10-0.8-2=9.2mm，而D0/δe=1824/9.2≈198，L/D0=2825/1824≈1.6。 由文獻[8]圖15-4查得A=0.0003,再由此查文獻[8]圖15-5得 B=45,則許用壓力為： p=BD0/δe=451824/9.2=0.227MPa>0.2MPa 滿足要求。 由于筒體既可能承受內(nèi)壓 和外壓，又可能只 承受外壓。因此筒體壁厚 應選取二者中間的最大 值，即可以確定筒體厚度為12mm。 （4）計算內(nèi)筒封頭厚度 承受0.3MPa內(nèi)壓時： δd≥pDi2σt-0.5p+C1+C2 （10） =1.1×0.3×18002×113×0.85-0.5×1.1×0.3+0.6+2 =5.69mm 承受0.2MPa外壓時： 設δn=12mm，則δe=δn-C1-C2=12-0.8-2=9.2 mm，而 A=0.1250.9D0/δe=0.1250.9×1824/9.2=0.0007 （11） 查文獻[8]圖15-5得B=100，則 p=B0.9D0/δe=1000.9×1824/9.2=0.56MPa>0.2MPa （12） 滿足穩(wěn)定要求。 所以可以確定內(nèi)筒封頭厚度為12mm。 3 攪拌裝置選型 3.1 攪拌器的選擇 攪拌裝置是反應釜的關鍵組件部分。 反應釜攪拌器型式很多，通常是由工藝要求所決定。下面所列的是幾種常見的攪拌器的結(jié)構(gòu)特點、安裝方法以及攪拌軸的設計。 3.1.1 攪拌器的結(jié)構(gòu)類型 （1） 渦輪式攪拌器 渦輪式攪拌器應用廣泛，能有效地實現(xiàn)幾乎所有的攪拌操作，并能處理一些黏度范圍很廣的流體。渦輪攪拌器在水平圓盤上有2～6片彎曲的或平直的葉片。 槳葉的圓周速度一般能達到1秒3-8米左右，由于它能使物料產(chǎn)生徑向流動，所以它在不互溶液體與氣體的分散以及液液相反應過程方面得到了大量的使用。其中被攪拌液體的黏度不會超過25Pa·s。渦輪式攪拌器的結(jié)構(gòu)圖見圖1。 圖1 渦輪式攪拌器 （2）漿式攪拌器 槳式攪拌器的結(jié)構(gòu)很簡單，它的槳葉通常是由扁鋼制造的，材料可以采用有色金屬、碳素鋼、合金鋼、酚醛、環(huán)氧樹脂、玻璃布等。槳有直 葉和折葉兩種類型：其中直葉的 葉面跟旋轉(zhuǎn)方向垂直，使物料在切線方向產(chǎn)生流動；折葉式則是槳葉與旋轉(zhuǎn)方向有一個傾斜角θ，θ= 45°或 60°，可使物料有較多的軸向分流。槳式攪拌器的運轉(zhuǎn)速度比較慢，大多為 20～80 r/ min，v≤5m/ s。 在料液層比較高的情況下，常裝有幾層槳葉，以使物料攪拌均勻，相鄰的兩層攪拌葉交錯成 90°安裝。 一般情況下，不同層數(shù)的槳葉安裝位置如下： 一層：安裝在下封頭環(huán)向焊縫 線所在水平線上。 二層：其中一層安裝在下 封頭的環(huán)向 焊縫線所在水平線上， 把另一層安裝在液面與 下封頭的環(huán)向焊 縫線的中間或者稍微高一點的位置上。 三層 ：一層安裝在下封頭的焊 縫線所在水平線上， 另一層安裝在液面下方大約 200mm 處，在兩者中間再安裝一層。 槳式攪拌器直徑D約取反應釜內(nèi)徑Di的14～34。 漿式攪拌器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。 圖2 槳式攪拌器 （3）錨式與框式攪拌器 這種類型的攪拌器底部形狀[[跟反應釜的下封頭形狀相似?？蚴綌嚢杵骺煽醋魇?漿式的變形，垂直與水平的槳葉聯(lián) 成一個剛性框架，結(jié)構(gòu)較為堅固。攪拌葉可用扁鋼(碳素鋼、不銹鋼)或碳素鋼角鋼彎制。在某些場合，可采用管材制作槳葉，外表搪瓷、覆膠或覆其它保護性覆蓋層，以防止腐蝕。這種攪拌器叫做錨式攪拌器。框式攪拌器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。 框式或錨式攪拌器的直徑較大，一般為釜體筒體內(nèi)徑Di的23~910， v≤5m/ s, 轉(zhuǎn)速范圍為 50～70r/ min。 圖3 框式攪拌器 （4）推進式攪拌器 推進式攪拌器有三瓣螺旋形葉片，它的螺距和漿直徑D相等。一般采用整體鑄造的方法來鑄造推進式攪拌器，加工方便。但采用焊接時需要模鍛 后才能與軸套焊接，加工比較 困難。在制造過程中都應 做靜平衡試驗。攪拌器可用軸套以平鍵和 緊定螺釘與軸聯(lián)接。 推進式攪拌器直徑的 取值約為反應釜內(nèi)徑Di 的 1/6～1/2。其切向線速度 v≤15m/ s, 轉(zhuǎn)速為 300～600r/ min，甚至更快，一般來說大直 徑取較低轉(zhuǎn)速，小直徑取高轉(zhuǎn)速。材料常用 鑄鐵、鑄鋼等。推進式攪拌器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。 圖4 推進式攪拌器 3.1.2 攪拌器的選用 攪拌器的選型既要考慮物 料黏度、釜體容積大小和攪[拌效果，也應該考慮到操作費用、動力 消耗以及制造、維護和檢修 等各方面的因素。因此一個完善的選型方案 必須滿足經(jīng)濟、安全和效 果等各方面的要求。 根據(jù)本次設計的原始資料以及相關文獻，選用渦輪式攪拌器。渦輪攪拌器應用廣泛，能完成很多的攪拌任務，再加上生產(chǎn)它的廠家很多，容易以低廉的價格購買到更多的尺寸類型不同的同類產(chǎn)品，實在是我們這次設計的不二選擇。最終選擇6片平直葉圓盤渦輪攪拌器，d=700 mm，材料Q235-A。 3.2 攪拌功率計算 攪拌功率：攪拌器攪 拌時，對液體做功并使 其產(chǎn)生流動所需要的功率。 計算攪拌功率的目的是為了選用傳動裝置。 由任務書可知電動機的功率為Pd=11kw，而攪拌功率與電動機功率有如下關系： Pd=P+Pmη （13） 式中：Pd—電動機功率Pd=11kw； Pm—軸封系統(tǒng)損失功率, Pm =0.08KW； η—傳動系統(tǒng)的總機 械效率，η=0.9； 求得 P=9.82kw 3.3 攪拌軸設計 攪拌軸的材料一般選用45鋼，為了提高軸的耐磨性和強度，有時還需要進行適當?shù)臒崽幚??？捎闷胀ㄌ妓劁摚ㄈ鏠235A）來制造要求較低的攪拌軸。當耐磨性要求比 較高或者是不允許鐵離子污染釜內(nèi) 物料時，應 當采取防腐措施或采用不銹鋼。本設計攪拌軸 采用45鋼制造。 攪拌軸在攪拌過程中會受到彎曲和扭矩 的組合作用，其中以扭矩為 主，因此工程上在確定攪拌軸的直 徑時，首先假定攪拌軸只受到 扭矩的作用，然后再用增加安全系數(shù)的方法來降低材料[許用應力，從而彌補由于忽略軸受到彎曲作用所引起的誤差。 3.3.1 強度及剛度計算 按扭矩計算軸的強度及剛度 （1）軸的強度的計算 由于攪拌軸的特性，攪拌時軸受到了扭轉(zhuǎn)和彎曲的作用，但彎曲其實可以忽略不計，因此為了計算方便，就忽略了彎曲作用，由此產(chǎn)生的誤差可以用安全系數(shù)來彌補。由文獻[7]可得出實心軸的直徑如表3。 表3 按軸的強度算出的軸直徑 序號 名稱 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 最大剪應力 τmax MPa τmax=MTWρ≤[τ] 2 扭矩 MT N.mm 9.55×106Pn 3 抗扭矩截面模量 Wρ mm3 Wρ=πd316 4 降低后的材料許用應力 [τ] MPa 35 5 攪拌軸所傳遞的功率 P kw 9.82 6 攪拌軸的轉(zhuǎn)速 n r/min 85 7 軸的直徑 d mm d≥3653Pn[τ] 54.3 （2）軸的剛度計算 為了避免攪拌軸產(chǎn)生過大 的扭轉(zhuǎn)變形，在運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生振動，進而影響到正常的工作 ，應在一個允許的范圍之內(nèi)限制軸的扭轉(zhuǎn)變形，即 規(guī)定一個設計 好的扭轉(zhuǎn)剛度條件。扭轉(zhuǎn)的剛度條件：單位長度的扭轉(zhuǎn)角θ不得 超過許用扭轉(zhuǎn)角[θ]，按軸剛度算出的軸直徑見表4。 表4 按軸剛度算出的軸直徑 序號 名稱 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 軸扭轉(zhuǎn)變形 的扭轉(zhuǎn)角 θ °/m θ=MTGJρ×103×180°π≤[θ] 2 攪拌軸材料剪切彈性模量 G MPa 8.1×104 3 軸截面的極慣性矩 Jρ mm4 Jρ=πd232 4 許用扭轉(zhuǎn)角 [θ] °/m 0.8 5 攪拌軸所傳遞的功率 P kw 9.82 6 攪拌軸的轉(zhuǎn)速 n r/min 85 7 軸的直徑 d mm d≥15374PGn[θ] 56.2 3.2.2 攪拌軸直徑的確定 攪拌軸的直徑應該同時滿足剛度和 強度兩個條件，再取二者最大值。考慮到攪拌軸上有鍵槽或孔存在會對軸橫截面的局部削弱，還有就是介質(zhì)會對攪拌軸有一定的腐蝕，所以攪拌軸的直徑應按計算直徑適當增大，并圓整到適當?shù)妮S徑，以便與其他零件配合。 因此，取d=60mm。 4 傳動裝置的選擇 傳動裝置設計是反應釜設計中很重要的一塊，電動機、減速機、聯(lián)軸器、機座組成了傳動裝置，由于本設計是立式攪拌反應釜，所以把傳動裝置裝在反應釜的頂部，按電動機、減速機、聯(lián)軸器、機座的順序，從上往下排列。電動機提供動力，然后經(jīng)減速機減速把轉(zhuǎn)速降下來，然后經(jīng)聯(lián)軸器帶動攪拌軸轉(zhuǎn)動，再帶動攪拌器完成作業(yè)。為了日后檢修方便以及同心度要求，把傳動裝置和軸封裝置一起安裝在一個裝在反應釜上封頭上的底座上。所以，傳動裝置的設計，就需要考慮如何選取合適的電動機，減速機和聯(lián)軸器，同時根據(jù)這些數(shù)據(jù)和釜體的數(shù)據(jù)把機與底座設計出來。 圖5 傳動裝置的結(jié)構(gòu) 4.1 電動機的選用 因為我們這次設計的攪拌轉(zhuǎn)速只有85r/min，不是很大，所以它是需要減速機的，同時為了避免減速機與電動機之間的不協(xié)調(diào)，應該把減速機和電動機一起考慮。 反應釜電動機的選用，其實就是去選擇合適的功率、轉(zhuǎn)速以及結(jié)構(gòu)尺寸。電動機的選用有兩點要求需要注意一下： （1）電動機功率必須同時滿足兩點：攪拌器的 運轉(zhuǎn)功率以及軸封系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)所損失的功率 （2）還應當考慮到在某些不利條件下功率消耗會很大。 從任務書可以知道電動機功率為Pd=11kw。 本文設計的反應釜用于制藥，無易燃易爆介質(zhì)，也不存在腐蝕性介質(zhì)，因此我們選擇Y系列三相異步電機。 一般異步電動機的同步轉(zhuǎn)速有這么幾種： 600r/min，750r/min，1000r/min，1500r/min,3000r/min等，其中1500r/min的電動機價格低廉，供應也 比較普遍，故應用的最廣泛，因此此次設計選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min的電動機。 由Pd=11kw，n=1500r/min，查Y系列電動機的參數(shù)表，選用電動機型號為Y160L-6。 4.2 減速機的選用 根據(jù)我國目前的情況，用于反應釜的立式減速機主要有：齒輪減速器，擺線針輪行星減速器，諧波減速器，行星齒輪減速器等。我國于2001年全面修訂了減速機行業(yè)標準，標準內(nèi)容給予大范圍擴充，形成了HG/T 3139.1~HG/T 3139.12《釜用立式減速機》標準族。新標準共包括三大類減速機68種機型，共3800多個規(guī)格的產(chǎn)品。幾種常見的減速器特點見表5： 表5 四種常見減速器的基本特征 特性參數(shù) 減速器類型 擺線針輪行星減速器 齒輪減速器 V形皮帶減速器 圓柱蝸桿減速器 傳動比i 9～87 12～6 4.53～2.96 80～15 輸出軸轉(zhuǎn)速（r/m） 17～160 65～250 200～500 12～100 輸入功率KW 0.04～55 0.55～315 0.55～200 0.55～55 傳動效率 0.9～0.95 0.95～0.96 0.95~0.96 0.8~0.93 傳動原理 利用少齒差內(nèi)嚙合行星傳動 兩級同中心距斜齒輪傳動 單級V形皮帶傳動 圓弧齒圓柱蝸桿傳動 主要特點 傳動比大，傳動效率高，拆裝方 便，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，壽命 長，承載能力高，工作平穩(wěn)。能承 受過載和沖擊載荷，允許正反 轉(zhuǎn)。 在相同傳動比范圍內(nèi)擁有制 造成本低，傳動效率高，體積小，結(jié)構(gòu) 簡單，裝配檢修方便，不允許承受外 加軸向載荷，允許正反轉(zhuǎn)。 結(jié)構(gòu)非常簡單，而且過 載時能打滑，因此可以起到安全保 護作用，但不能保持精確的傳動比。 凹凸面圓弧齒廓嚙合，效率 高，發(fā)熱低，磨損小，承載能力高，重量輕，體 積小，結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛用于搪玻璃反應釜。 一般根據(jù)設計所需要的轉(zhuǎn)速和功率來選擇減速機。在選用減速機時應優(yōu)先考慮傳動效率高的類型，按照表5發(fā)現(xiàn)齒輪[[減速機和擺線針輪行星減速機比較符合我們的設計要求，再經(jīng)過查詢相關資料，最終確定使用擺線針輪行星減速器。 擺線針輪行星減速器 的外形和尺寸見圖6： 圖6 減速機形狀及安裝尺寸 4.3 機座的選擇 立式攪拌反應釜的傳動裝置是布置在反應釜的上封頭上，而傳動裝置又不可能直接裝在封頭上，所以就需要通過機座來安裝在反應釜封頭上，同時在機座里面要留有足夠的空間，用來容納聯(lián)軸器、軸封裝置等各種部件，還需要在機座內(nèi)保證安裝操作所需要的空間。在很多情況下，機座中間還要求安裝中間軸承裝置，用來改善攪拌軸的支撐條件。 機座有三種型式：分為是雙支點機座、單支點機座以及無支點機座。雙支點機座適用于懸臂軸。單支點機座適用于減速機或電動機可看作一個支點，或反應釜內(nèi)可設置底軸承和中間軸承的情況。無支點機座一般用于軸向載荷較小和傳遞小功率的條件。 單支點機座和雙支點機座都[[已經(jīng)有標準系列產(chǎn)品。目前國內(nèi)使用的機座標準為HG 21566—1995《攪拌傳動裝置—單支點支架》和HG 21657—1995《攪拌傳動裝置—雙支點支架》。 根據(jù)攪拌軸的轉(zhuǎn)速條件，軸徑選擇公稱直徑為500 mm的單支點機架，材料HT200，Q235-A。單支點支架的結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。 圖7 單支點機座 4.4 聯(lián)軸器裝置的選型 為了將電動機和轉(zhuǎn)動裝置聯(lián)接起來，在它們中間設置了一個中間裝置，這個裝置就叫做聯(lián)軸器，為了減少機器的損耗，必須保證電動機和轉(zhuǎn)動裝置的中心線在同一個圓心上。 4.4.1 聯(lián)軸器的機構(gòu)類型 聯(lián)軸器因需要連接很多種不同的結(jié)構(gòu)，所以要滿足各種機構(gòu)的需求，因此有兩種不同類型的選用：彈性聯(lián)軸器和剛性聯(lián)軸器。 聯(lián)軸器聯(lián)接兩邊的轉(zhuǎn)軸允許有一定量的不對中發(fā)生的稱為彈性聯(lián)軸器，即動態(tài)下可變形的聯(lián)軸器；不允許有不對中發(fā)生的，且聯(lián)軸器本身動態(tài)下無變形的稱為剛性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器沒有彈性量，使用螺栓、短管連接，具有超低慣量、重量輕和非常高的靈敏度，不需要保養(yǎng)，還具有超強抗油與耐腐蝕性等優(yōu)點。彈性聯(lián)軸器允許兩根被聯(lián)接到一起的軸之間的同心度有一定的偏差，應用廣泛。 表6是一些是我們經(jīng)常用到的聯(lián)軸器類型： 表6 幾種聯(lián)軸器的基本特征 聯(lián)軸器類型 立式夾殼聯(lián)軸器 凸緣聯(lián)軸器 十字滑塊聯(lián)軸器 彈性圓柱銷聯(lián)軸器 特點 靠摩擦力傳導扭矩力，由兩個半環(huán)組裝而成的懸吊環(huán)在夾殼的中部，作用是用來固定軸的軸向位置。適用于最高使用溫度為250℃，最高圓周速度5m/s。 由兩個凸緣盤式半聯(lián) 軸器、聯(lián)接鍵和螺栓等 組成。有兩種不同的結(jié)構(gòu) 由兩個帶有溝槽的半聯(lián)軸器 和一個帶有互 相垂直凸牙的中間盤組成?？梢匝a償兩軸間的軸向偏移、徑向偏移和小量的 角偏移。 它的構(gòu)造與剛性凸 緣聯(lián)軸器相似，不 同的是用套有橡膠圈的柱銷代替了聯(lián) 接螺栓。通過橡膠 圈傳遞運動和扭矩徑向偏移量為3-6mm，角偏移量為1°。 優(yōu)缺點 優(yōu)點是構(gòu)造簡單、拆卸方便。缺點是只適用于低轉(zhuǎn)速，并且不適用于有沖擊的情況，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品單一，后期還要加工。 可承受較大載荷，結(jié)構(gòu)簡單，被聯(lián)接的兩軸對中精確，應用廣泛，但要求安裝準確。 只適用于轉(zhuǎn)速少于250r/min，軸剛度較大，并無劇烈沖突的場合。 制造容易、成本低，裝拆方便，適用于載荷平穩(wěn)，需要正、反轉(zhuǎn)或起動頻繁的中、小載荷傳遞 的情況。 4.4.2 聯(lián)軸器的選用 由于本設計使用的是擺線針輪行星減速器，為了使設計合理，所以聯(lián)軸器的型式選用立式夾殼聯(lián)軸器。由攪拌軸的直徑d=60mm，查立式夾殼聯(lián)軸器基本參數(shù)和尺寸，取GJL4型立式夾殼聯(lián)軸器。 4.5 底座的設計 如圖8所示，底座的兩邊設有孔，其中還有設置在孔旁邊用來調(diào)節(jié)螺桿以及調(diào)節(jié)螺桿的把手，其中把手位于底座的側(cè)面上，圖9底座上表面至少三個凹槽存在，凹槽的下面部分與孔相連。填料箱的結(jié)構(gòu)如圖8所示： 圖8 填料密封的結(jié)構(gòu)型式 填料箱的箱體的 其它尺寸都由和它相 匹配的安裝底蓋確定。 4.6 安裝底蓋與密封箱體、機架的配置 配置結(jié)構(gòu)如圖9所示 圖9 安裝底蓋與密封箱體、機架的配置結(jié)構(gòu) 5 軸封裝置的選用 軸封裝置的選用是反應釜設計中很重要的一個環(huán)節(jié)，軸封裝置的好關系到整個反應釜設備的安全，同時對操作人員的人身有著至關重要的影響。反應釜中介質(zhì)的泄露會使物料 浪費并對環(huán)境造成污染， 劇毒、腐蝕性介質(zhì)、以及易燃、易爆物質(zhì)的泄露會危及設備安全和人身安全。安全總是應該放在第一位，所以說選擇一個合適的軸封裝置是非常重要的。 5.1 反應釜軸封裝置的類型 在反應釜中的使用的軸封裝置主要有兩種，即機械密封與填料密封，其優(yōu)缺點如表7： 表7 機械密封與填料密封的特點與優(yōu)缺點 項目 機械密封 填料密封 特點 泄漏的量很少，幾乎沒有泄漏。使用壽命很長，大約可以連續(xù)使用2～3年或者更加長的壽命，而且不會有軸的磨損，動環(huán)密封圈與軸（軸套）有輕微磨損時，可以不作調(diào)整，自動調(diào)整補償，泄漏量不變。 泄漏的量多：一般泄漏量為5ml/min～20ml/min，壽 命短的需要定期更換軸（軸套）和填加物，當軸（軸套）有磨損時，就需要用壓緊填料壓蓋的方法來調(diào)整，不然泄漏量將變大，這是由于填料與軸的接觸面積大，相應的功率就將增大，摩擦系數(shù)也會隨之變大。 優(yōu)點 功率消耗小，摩擦系數(shù)較小，接觸面積小，用途非常廣泛，能夠適應比較高的轉(zhuǎn)動速度、壓力和較大的溫差。 泄漏的量很少，幾乎沒有泄漏。使用壽命很長，大約可以連續(xù)使用2～3年或者更加長的壽命，而且不會有軸的磨損，動環(huán)密封圈與軸（軸套）有輕微磨損時，可以不作調(diào)整，自動調(diào)整補償，泄漏量不變。 缺點 結(jié)構(gòu)復雜，由于工件的數(shù)量眾多，所以加工精度很高，安裝起來比較困難，要求操作者有一定的技術能力。更換起來更難，需要將整個主機拆分才能更換。 適用范圍不大，在轉(zhuǎn)速、溫度、密封壓力等方面有限制。 5.2 密封類型的選擇 由表8經(jīng)過對兩種軸封裝置的比較，發(fā)現(xiàn)機械密封非常符合我們在這次設計中對于密封的要求，它安全可靠并且可以提高反應釜的性能，因此我們選用了機械密封。 表8 填料密封與機械密封的詳細比較 比較項目 填料密封 機械密封 泄漏量 180~450mL/h 一般平均泄漏量是填料密封的1% 摩擦功損失 機械密封為填料密封的10%~15% 幾乎沒有磨損 維護及壽命 需要經(jīng)常維護，更換填料，個別情況8小時更換一次 壽命2~3年或更 長，很少需要維護 高參數(shù) 高壓、高溫、高真空、高轉(zhuǎn)速、大直徑密封很難解決 可以 加工及安裝 加工要求一段，填料更換方便 動環(huán)、靜環(huán)平直度及表面光潔程度要求高，不易加工，裝拆不便，成本高 對材料的要求 一般 動環(huán)、靜環(huán)要求較高減摩擦性能 5.3 機械密封的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖10 機械密封的結(jié)構(gòu)圖示 圖10是一種釜用機械密封裝置的簡單結(jié)構(gòu)圖 。從圖中可以看到機械密封是由 靜環(huán)5；動環(huán)15；彈簧加荷裝置13、12、11、10、7及輔助 密封圈16、6等四個不可缺少的部分所組成。靜環(huán)依靠靜雙頭螺栓4、螺母3、和環(huán)壓板2一起固定在靜環(huán)座1上，靜環(huán)座與設備 聯(lián)接。當軸9轉(zhuǎn)動時，靜環(huán)是靜止不動的，彈簧座11依靠三只緊定螺釘17固定在軸上，而雙頭螺栓12使彈簧座與彈簧壓板13作軸向固定，三只固定螺釘14又使彈簧壓板與動環(huán)作軸向固定。因為軸轉(zhuǎn)動時的，彈簧座 跟著一起動了，而其他零件也跟著一起 旋轉(zhuǎn)了起來。靜環(huán)和動環(huán)由于彈力的因素 牢牢 的靠在一起。當軸旋轉(zhuǎn)時，動環(huán)在軸轉(zhuǎn)動 的同時也轉(zhuǎn)動了，而靜環(huán)則不能轉(zhuǎn)動，被固定住了，介質(zhì)也就不易泄漏。從結(jié)構(gòu)上看，機械密封可以有效的防止介質(zhì)的泄漏。機械密封有外殼裝置，既能保護動、靜環(huán)等零件不受到碰撞，在其腔體內(nèi)的空隙還需接通 循環(huán)保護系統(tǒng)，以保持調(diào)壓、調(diào)溫、潤滑等功能。 5.4 機械密封的分類 機械密封的分類主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)特點來進行分類的，通常是基于摩擦副的對數(shù)，彈簧的個數(shù)，介質(zhì)在端面引起的壓力情況等加以區(qū)分，其結(jié)構(gòu)型式有以下幾種，見表9。 表9 機械密封的結(jié)構(gòu)型式及特點 結(jié)構(gòu)型式 特點 單面型 只有一對摩擦副，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝非常容易，只適用于對密封要求一般而且壓力較低的場合 雙面型 兩個摩擦副 大彈簧型 又稱作單彈簧，即在密封裝置內(nèi)只有一個彈簧與軸同心安裝，安裝簡單，軸徑小宜用大彈簧結(jié)構(gòu)， 小彈簧型 又稱為多彈簧，即在密封裝置中有多個彈簧沿圓周均勻分布。彈簧力分布均勻、緩沖性能好。密封要求高者采用小彈簧。 平衡型 介質(zhì)壓力、負載區(qū)域表面上相應的推力 增加，緊貼的端面就有被推開 的趨勢?？蛰d運行時會導致發(fā)熱加劇和磨損，密封失效，只適用于介質(zhì)的平衡壓力較低 的場合 非平衡型 可少受或不受介質(zhì)壓力變化 的影響，結(jié)構(gòu)比較合理，可以用于壓力波動大或壓力較高的密封場合。 5.5 機械密封的選擇 查相關文獻，本次設計采用的機械密封類型為單端面平衡型機械密封2002型帶內(nèi)置軸。 6 零部件的加工要求與檢測 6.1 軸的加工要求 攪拌軸是反應釜的一個重要部件，它的加工好壞對與之裝配的攪拌器與軸封有一定的影響。安裝機械密封的軸表面，由于無接觸磨損問題，其表面加工光潔度通常為0.8μm左右。裝配精度按基孔制為H8/h7。 軸的直線度要求因轉(zhuǎn)速不同而異，其值如下： 1000~1800r/min時 0.08/1000以下 100~300r/min時 0.10/1000以下 100r/min以下時 0.15/1000以下 6.2 機械密封主要零件的加工及檢驗 6.2.1 密封環(huán)的加工要求 密封環(huán)是機械密封中最重要的密封元件，除了材料選擇外，加工要求是重要的一環(huán)，因為它對密封的使用壽命和可靠性有很大的影響。衡量密封環(huán)加工質(zhì)量的標準是平直度和表面粗糙度，對密封環(huán)來說，規(guī)定經(jīng)過精研的接觸面，其平均粗糙度為Rp=0.7μm±0.3μm和平直度為2~3個光帶。測量表面平直度用單色氦光源測試儀（一氦光帶為0.3μm）。 6.2.2 軸套的加工要求 在平衡型機械密封中，為了避免軸帶有臺階，以降低制造成本，采用帶軸套的結(jié)構(gòu)，因此軸套在機械密封中也是一個重要的部件。關于軸套的加工主要是滿足裝配精度，通常軸套與軸的裝配精度可按基孔制IT9級加工，其外徑可按相同的公差制度和相同的等級進行加工。由于需要在軸套上安裝靜密封原件，其表面光潔度應不低于0.8μm。 6.2.3 彈簧的加工要求 彈簧在機械密封中的主要作用是使密封圈始終保持接觸，并使密封面的初期密封得到保證。為了保證初期密封的可靠性，密封面必須有均勻的彈簧壓力，這對多彈簧的機械密封來說容易辦到，因為它彈簧力比較均勻的作用在接觸密封面上，而且對于同一組彈簧只要求有相同的高度就行。但對于大彈簧來說，要使接觸面彈簧力分布均勻，就必須使彈簧的兩個端面互相平行且垂直于彈簧軸線，這就對大彈簧提出較高的加工要求。大彈簧端面垂直度偏差應小于1/100，若置于平板上不允許有搬動現(xiàn)象。 6.3 反應釜殼體的制造要求與檢驗 對于帶加熱或冷卻夾套的殼體，在制造過程中，還要注意被夾套遮蓋部分的焊縫質(zhì)量。在不能用其他方法確定焊縫質(zhì)量的情況下，必須利用殼體夾套進行試壓。具體的相關技術要求見裝配圖。 參考文獻 [1] 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Continuous Stirred Tank Reactors［Ｊ］. Chemical Reactor Analysis and Applications for the Practicing Engineer, 181-207 致 謝 在畢業(yè)論文即將完成之際，我要特別感謝這兩年來在學習和生活方面支持鼓勵我的老師和同學們。一方面，我要感謝我的指導老師，是XX老師對學術的嚴謹踏實以及對工作的兢兢業(yè)業(yè)使得我在整個學習期間都充滿了動力，是XX老師的辛勤指導讓我一步一步走到今天。每當學習過程中陷入迷茫之時，XX老師總是耐心的加以引導并給予最大的支持；學習之余，言談之中，XX老師經(jīng)常講述一些為人處世基本的道理，對此我受益匪淺。本文的完成，得到XX老師莫大的幫助，經(jīng)過畢業(yè)設計階段的磨練和努力，終于獨立完成了冷卻器的設計。在這期間，我查閱了學校圖書館里很多關于相關領域機械的資料，并且在網(wǎng)上查閱了相關內(nèi)容，學習了很多知識，受益匪淺。 無論是課題的選取還是最終的論文設計，在每一個重要環(huán)節(jié)都有XX老師的耐心指導，不然我不會這么輕松順利地完成。特別是在前期的準備工作當中，XX老師給我提供的建議讓我心里有了大致的安排計劃。此外，在后期修改上XX老師也同樣耗費了巨大的心思，XX老師提出一些我意想不到的問題和建議，這些都是我感觸良多。XX老師的博學讓我明白人永遠都不能停止學習，要多用腦，開發(fā)思維，這樣才能做一個思維靈活、合格嚴謹?shù)脑O計人員。總之，在整個設計期間XX老師對我的激勵和啟發(fā)是很大的，不僅僅是老師學術超群，更重要的是XX老師待人處事的風格，不弄虛作假、實事求是的品格更是值得我去研究學習。在此，我由衷地向XX老師再說一聲謝謝。 與此同時，也同樣感謝各級領導、同學和老師們的幫助以及關心。在此還要感謝我論文中所用到的參考文獻與他們的作者，正是你們的研究成果才能讓我能夠順利完成論文。因為本人時間有限、水平不足，本文有欠缺之處，還請各位老師多多指教。 38