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聚合反應釜的結構設計
摘 要
目前，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對壓力容器的使用越來越廣泛，涉及的領域包括化工、橡膠、食品、醫(yī)藥、石油等方面，尤其是我國對橡膠產品的需求量越來越大，聚合反應釜是橡膠生產過程必不可少的反應容器，現(xiàn)在國內主要的反應釜的容積為30m3生產效率低，成本高，已經不能滿足橡膠生產需求，更大容積的反應釜的設計刻不容緩。
故本次設計的反應釜容積為60m3，實現(xiàn)了大容積化設備，提高了其生產效率，釜內的反應溫度為150℃，采用從底部進行通入蒸汽進行加熱，采用蒸汽加熱能使釜內受熱均勻，使物料受熱更均勻，反應更徹底，相比之前夾套加熱傳熱效率更高。本次設計為反應釜釜體的設計，攪拌裝置的選型與尺寸設計（其中攪拌葉選用的是平直槳葉，直葉槳攪拌速度相對于其他攪拌槳速度快，攪拌效率高），人孔的開孔及補強計算，傳動裝置，反應釜的軸封裝置選用，支座的選型，選用焊接類型，同時繪制了零件圖、反應釜釜體體圖以及反應釜的裝配圖等。設計方法采用壓力容器常規(guī)設計的方法，遵循《化工設備》要求，按照GB150-98《鋼制壓力容器》等技術法規(guī)執(zhí)行。
關鍵詞：壓力容器；攪拌器；聚合反應釜
I
ABSTRACT
At present, with the rapid development of China's industry, all walks of life on the use of pressure vessels more and more widely involved in areas such as chemical, rubber, food, medicine, oil, etc., especially China's demand for rubber products more and more The larger, the polymerization reactor is essential for the rubber production process reaction container, and now the main domestic reactor capacity of 30m3low production efficiency, high cost, has been unable to meet the needs of rubber production, the design of larger volume of the reactor without delay.
So the design of the reactor capacity of 60m3, to achieve a large volume of equipment to improve its production efficiency, the reactor temperature of 150℃, the use of steam from the bottom of the heating, the use of steam heating can make the kettle Heat evenly, so that the material is more uniform heat, the reaction more thoroughly, compared to the previous jacket heating heat transfer efficiency is higher. This design is designed for the reactor body design, mixing device selection and size design (which stir the leaves are selected straight blade, straight blade propeller stirring speed relative to other stirring blade speed, high stirring efficiency), people Hole of the hole and reinforcement calculation, transmission device, the reactor shaft seal device selection, bearing selection, selection of welding type, while drawing the parts, the reactor body and the reactor assembly diagram. Design methods using pressure vessel conventional design method, follow the《chemical equipment》requirements, in accordance with GB150-98《steel pressure vessel》and other technical regulations.
Key Words：Pressure vessel; agitator; polymerization reactor
III
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 壓力容器的概述 1
1.2 反應釜的發(fā)展方向 2
1.3 本文設計的研究內容 2
2 材料選擇 3
3 反應釜結構設計 4
3.1 罐體的尺寸參數(shù)確定 4
3.2 傳熱部件 8
3.3 工藝開孔和接管 8
3.4 人孔的補強計算 9
4 攪拌器的選型 11
4.1 攪拌槳的選型 11
4.2 攪拌附件（擋板） 11
4.3 傳動裝置的選型 12
4.4 攪拌功率的計算 12
4.3 攪拌軸的計算 13
4.4 聯(lián)軸器 14
4.5 安裝支座 14
5 密封結構 15
6 安全檢測 16
6.1 無損探傷 16
6.2 強度檢驗 16
6.3 致密性試驗 18
7 結 論 19
參 考 文 獻 20
附錄1：外文翻譯 21
附錄2：外文原文 25
致 謝 32
聚合反應釜的結構設計
1 緒論
1.1 壓力容器的概述
由于壓力容器是化工、石油化工、核能、冶金、機械、輕工、食品、紡織、航空、航天以及海洋石油化工工業(yè)中廣泛使用的、有爆炸危險的承壓設備。在這些設備中，有的用來儲存物料，例如各種貯罐、計量罐、高位罐；有的進行物理過程，例如換熱器、蒸餾塔、沉降器、過濾器；有的用來進行化學反應，例如合成爐、聚合釜、反應器。盡管這些設備的尺寸大小不一，形狀結構不同，內部構件的形式更是多種多樣，但是它們都有一個外殼，這個外殼稱為容器。容器一般由筒體、封頭及其附件（法蘭、支座、接管、人孔、手孔、視鏡、液面計）所組成。這些組成部分統(tǒng)稱為化工設備通用零部件。
容器可根據(jù)不同的用途、構造材料、制造方法、形狀、受力情況、裝配方式、安裝位置、器壁厚薄而有各種不同的分類方法。
（1）根據(jù)形狀，容器主要有圓筒形、球形、矩形三種。其中矩形容器由平板焊成，制造簡便，但承壓能力差，只用作小型常壓貯槽。球形容器由數(shù)塊弓形板拼焊成，承壓能力好，但由于安置內件不便和制造稍難，故一般用作內有一定壓力的大中型貯罐。圓筒形容器是由圓筒形筒體和各種成型的封頭所組成，作為容器主體的圓筒，制造容易，安裝內件方便，而且承壓能力好，因此這類容器應用最廣。
（2）根據(jù)承壓情況，可將容器分為受內壓和外壓兩類，本次設計的為內壓容器，內壓容器按其所能承受的工作壓力大小，劃分為以下四個等級：
低壓容器（L）：0.1MPa≤P<1.6MPa
中壓容器（M）：1.6MPa≤P<10Ma
高壓容器（H）：10MPa≤P<100MPa
超高壓容器（U）：P≥100MPa
（3）根據(jù)器壁厚度又可將容器分為薄壁容器與厚壁容器兩種，兩者是按其外徑與內徑之比K（K=）的大小劃分的，K值小于或等于1.2的稱為薄壁容器，K值大于1.2的稱為厚壁容器。
（4）根據(jù)材料，可將容器劃分為鋼制的，鑄鐵制的，鋁制的，石墨制的，塑料制的等等。在化學工業(yè)中，大多數(shù)的容器都是由鋼材制成的。對于不同材料的容器有不同的設計規(guī)定。
1.2 反應釜的發(fā)展方向
反應釜是綜合反應容器，根據(jù)生產工藝、操作條件的不同，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，反應釜一般由容器部分，換熱裝置，攪拌裝置，密封裝置，其他結構五大部分組成。根據(jù)反應條件對反應釜結構功能及配置的設計，常見的反應釜的攪拌器有錨式、框式、槳式、渦輪式、刮板式、組合式，轉動機構可采用無級變速減速機或變頻調速等，可滿足各種物料的特殊反應要求。密封裝置可采用機械密封、填料密封等。采用的換熱方式有：夾套冷卻、夾套附加內冷管冷卻、內冷管冷卻、反應物料釜外循環(huán)冷卻、回流冷凝器冷卻等?？筛鶕?jù)用戶工藝要求或者生產要求進行設計制造。
目前，隨著我國反應釜產業(yè)技術水平的提高，我國的反應釜朝著大容積化方向發(fā)展，染料生產用反應釜國內多為6000L以下，其它行業(yè)有的達30m3；國外在染料行業(yè)有20000～40000L，而其它行業(yè)可達120m3。除了反應釜的大容積化，其攪拌裝置也多種多樣，已由單一攪拌器發(fā)展到用雙攪拌器或外加泵強制循環(huán)。國外，除了裝有攪拌器外，尚使釜體沿水平線旋轉，從而提高反應速度。
1.3 本文設計的研究內容
本次設計的為橡膠聚合反應釜，釜內通入橡膠膠粒單質、水蒸氣和汽油（汽油作為催化劑）然后在攪拌裝置的攪拌下使橡膠膠粒溶于汽油中發(fā)生聚合反應，釜內的最高反應溫度為150℃，反應釜內的最高工作壓力為0.5MPa，設計壓力為0.68MPa。
2 材料選擇
材料的選用是容器設計的第一步，不同型號的鋼材的屬性是不一樣的，有的鋼材耐腐蝕性，有的耐高溫，有的耐酸性等等；對于反應容器內的參數(shù)要求選用合理經濟的鋼材，鋼材的選擇要考慮加工性能，一般選取國內易取的材料和易加工的鋼材，一方面要考慮選用材料在耐高溫耐腐蝕的性能，另一方面考慮鋼材的強度條件。所以鋼材的選擇不是單單是力求昂貴的高性能鋼材，而是考慮選材的性能滿足設計要求選擇更經濟的材料。材料的選型要考慮以下的性能指標。
（1）機械性能
強度指標：強度極限和屈服極限
塑性指標：，，等
（2）物理性能：在容器設計時，要考慮材料的熱導率、熔點電阻率、彈性模量等物理性能指標。
（3）耐腐蝕性能：壓力容器的設計應該考慮的材料的耐腐蝕性能，選擇的材料是否耐腐蝕性能會影響制成容器的使用壽命，在材料的計算過程中常引用腐蝕裕量對容器壁厚的增強。
（4）制造工藝性能：選材時要考慮材料的可鍛性、可加工性、可進行熱處理等工藝性能。
（5）價格與來源：制造中大型的容器設備，其成本大部分來源于材料成本，為了節(jié)省資金，在設備的選材時要選擇經濟合理性的材料。
綜上因素,本次設計的反應容器的筒體和封頭用到的主要方法是滾卷與沖壓，所以筒體的形成需要用到焊接工藝，焊接工藝性能的好壞取決于焊接的母材的屬性，因此在選擇筒體跟封頭的材料時，一般選擇含碳量較低的鋼材，可以提高焊接處的強度，其次材料的選擇并不是高性能的昂貴材料，高性能的材料制成的壓力容器器壁由于高強度而減少器壁厚度，而且使用的壽命比較長，但是成本比較昂貴，,故在進行材料選擇時除了要考慮鋼材的強度還要考慮其價格是否經濟實惠，最好是首先考慮國家生產的鋼材，通過各方面的比較，選擇更經濟合理的材料。本次設計的壓力容器屬于低壓的承壓容器，而且容器要有耐高溫腐蝕等性能，市場上現(xiàn)有的低壓容器材料有，對于直徑較大的可以采用合金鋼16MnR，對于容器內盛放的介質腐蝕性較高的介質則可以采用0Cr18Ni12Mo2Ti和0Cr18Ni12Mo37等材料。所以經過比較，最用選擇普通碳素結構鋼Q235-A.F,鋼板標準GB3274。
3 反應釜結構設計
設計參數(shù)表3.1
設計壓力
設計溫度
焊接系數(shù)
操作介質
最高工作 壓力
公稱容積
電機功率
0.68MPa
150 ℃
0.85
膠粒、水蒸氣、汽油
0.5MPa
60mm3
75KW
3.1 罐體的尺寸參數(shù)確定
反應釜是由筒體和封頭兩個部分組成，筒體和封頭的尺寸都有一定的規(guī)定標準，所以在計算出筒體和封頭的尺寸后還需要進行查選。
3.1.1 罐體長徑比的確定
在知道反應釜內的操作介質以及在釜內存在的狀態(tài)后，首先要選擇合適的長徑比（）和裝料量，其次確定筒體的直徑和高度，常見的筒體的長徑比如下表3.2所示。
表3.2常見攪拌容器筒體的長徑比
種類
設備內物料類型
一般攪拌罐
液—固相、液—液相
氣—液相
1～1.2
聚合釜
懸浮液、乳化液
發(fā)酵釜
發(fā)酵液
1.7～2
本次釜內的操作介質為橡膠單質、汽油和水的三者的混合物，所以
3.1.2 反應釜的裝料量
在確定好筒體的高徑比的數(shù)值之后，如上圖3.1所示，還要考慮到反應容器內所盛裝物料量占容器容積的最大百分比，選擇合適的物料系數(shù)，從而進行筒體的高度和直徑計算。
（1）裝料系數(shù)
反應釜的公稱容積與釜內全容積和物料系數(shù)的關系有如下：
（3.1）
常見的物料系數(shù)取值范圍，為了充分利用容積提高其生產效率，故
初步計算筒體直徑
在選擇相應的高徑比和裝料系數(shù)，就可以進行計算求出相應反應容器的直徑和高度，計算所得的數(shù)值為小數(shù)時，要進行數(shù)值圓整，計算公式如下：
(3.2)
式中，及的單位是m把筒體代入上式為：
（3.3）
將式子（1-1）代入（3-2），并整理得：
（3.4）
即
查表取標準直徑=3.0m ∴H=2.5D=3×2.5=7.5m
3.1.3 壁厚附加量
考慮到鋼板或鋼管的壁厚負偏差，介質對容器壁的腐蝕以及在滾軋、沖壓成型過程中的器壁減薄，計算出來的筒體厚度還要加上一系列的壁厚附加量C:
式中: ；
；
為制造減薄量，原則上按不同的制造工藝決定；
故
3.1.4 壓力容器的最小壁厚
容積比較大的低壓容器生產后，在進行運輸或者安裝過程中會受到外力等因素的影響，此時如果制造的壓力容器壁厚過于單薄的話，會發(fā)生容器變形，所以，為使其在運輸安裝過程中不發(fā)生變形，規(guī)定了容器設計時必須要有一個最小的壁厚標準，即：
低壓容器在制造和運輸、安裝時由于剛度太小會造成過大的變形，從而影響使用。為了保證容器具有一定的剛度，并從我國的生產實際情況出發(fā)，規(guī)定了容器的最小壁厚，即
時，
Smin≥2Di/1000=2×3000/1000=6mm 且不小于3mm,腐蝕裕量另加，故
S=6+C=6+1.75=7.75mm 取圓整S=8mm
3.1.5 內壓筒體設計
筒體的壁厚計算所用的許用應力應該為所選材料在設計溫度下的許用應力，由于的選用除了跟溫度有關，還跟筒體厚度有關，此時的筒體厚度未知，故必須首先假定一厚度值，查的許用應力在計算厚度范圍內，查表在鋼板厚度小于16mm下的=160MPa?？紤]到在薄殼體的無力矩理論中所采用的D為其平均直徑，并考慮到實際筒體總存在焊縫系數(shù)而必須引入焊縫系數(shù)，在設計計算的基礎上，由殼體理論所求出的計算厚度必須要加上相應的壁厚附加量，其公式如下：
(3.5)
取圓整
中低壓筒體一般都屬K≤1.2的薄壁筒體，所以可以由薄壁殼體的無理距理論求取在內壓作用下的周向應力和軸向應力，根據(jù)第一強度理論，筒體受到的軸向應力為周向應力的一半，故在筒體校核時應以為最大主應力，并按其失效準則將其最大主應力限制在材料的許用應力以內，即
(3.6)
故其計算出的壁厚符合強度要求。
3.1.6 內壓封頭設計
結合本次設計的聚合反應釜筒體內承受一定的壓力，故不宜采用錐形、無折邊 球形和平板型，半球形封頭承受壓力性能好，但是結構為球形，生產較為復雜，制作成本高，適合用在高壓且容積小的容器上，碟形封頭雖然結構簡單便于制造，且成本不高，但是在曲面向筒體連接的過渡部分曲率不是連續(xù)的，導致在過渡部分承受的應力能力很差，故不宜采用蝶形封頭，綜合考慮，本次選用的事橢圓形封頭，橢圓形封頭是封頭上半部分為半橢圓形，且橢圓形處跟筒體的連接過渡部分是連續(xù)性的，故承受壓力性能較好，所以采用橢圓形封頭。
在計算封頭直徑的時候，考慮到容器橢圓形封頭不同則長短軸比值也不同，故封頭的受到的應力也不相同，但是要引入一個形狀系數(shù)對橢圓形封頭的計算厚度進行系統(tǒng)的修正。式中，取K=1.3,C=1.75m
(3.7)
取圓整
3.2 傳熱部件
夾套是套在壓力容器外側的，在容器外側形成一定的密閉空間，在密閉的空間內通以一定的傳熱介質或者冷卻介質，有加熱保溫的功能，以提供反應容器內所需要的條件溫度，夾套加熱一般通以水或者水蒸氣作為傳熱介質，由于水或水蒸氣的最高溫度為100℃，故利用夾套加熱冷卻的反應容器對溫度的要求比較低，夾套一般是通過焊接的方式焊接在筒體外側，壁厚有一定的增加從而對筒體進行加強的作用，特別是半圓管的焊接，由于管道小而密，焊縫多，焊縫材料也可以起到加強罐體的作用，因此在中大型容器上采用夾套可以使壁厚減薄，節(jié)約用料。
結合本次設計反應釜的溫度條件，反應釜內的溫度為150℃，故不宜采用夾套加熱方式，在底部開設蒸汽入口，進行通入水蒸氣進行加熱，水蒸氣能夠快速充滿釜體，使釜體受熱更均勻，還可以采用熱電偶加熱方式，熱電偶加熱快，加熱效果好，且溫度調節(jié)靈活，熱電偶的入口開設在筒體上，能夠直接對物料進行加熱，減少了熱量散失。
3.3 工藝開孔和接管
壓力容器的器壁上有各種開孔，各個孔的功能及用途都不一樣，且開孔的直徑也盡不相同，根據(jù)用戶的要求或者根據(jù)使用要求，對開孔的位置以及開孔的類型也不相同，但是大部分的壓力容器有著必須要開設的孔，如人孔，人孔是中大型容器開設的一類孔，是工作人員進入容器內部進行內部器件的安裝和后期的維修檢查進出口；溫度計口，一般裝設溫度敏感電偶，用來檢測反應釜內的溫度；進料口，是物料進入釜內的唯一通道，一般開口的大小除了要考慮反應容器的封頭大小外，還要考慮物料的粘度性質，避免開口較小，造成具有粘度的物料在開孔處堆積掛料，影響物料的正常進入，物料管一般伸進釜內一定距離，而且開口為斜開口45°，開后面對著筒體的軸線，這是防止物料順著容器壁往下流，對筒壁造成磨蝕腐蝕；安全閥，是保證壓力容器的安全運行的一個不可或缺的裝置，當釜內壓力過高會啟動該裝置自動排泄壓力直至到安全壓力，還有警示報警的作用，防止釜內壓力過高造成容器破壞。
壓力容器上開設不同種類型的孔、接管，勢必會造成開孔處的結構不連續(xù)造成的應力集中，從而導致了在開孔的接口處的承受能力減弱，為此，當開的口較大時，要進行開孔補強的計算，采取相應的加強結構對開孔處的增強，保證容器的整體剛度。對于較小的開孔，在如果不滿足開孔補強的要求可以忽略，但是開孔要合理的布局，開孔避免開設在有焊縫處。
3.4 人孔的補強計算
設計條件：設計壓力，設計溫度，內筒直徑，名義厚度，開孔接管材料選用16MnR，許用應力，，開孔直徑：
（1） 封頭的計算厚度
(3.8)
（2） 開孔所需補強面積
(3.9)
（3） 有效補強范圍：
有效寬度B：
(3.10)
故B取大值
有效高度：
(3.11)
（4） 有效補強面積
封頭有效厚度： (3.12)
封頭多余金屬面積：
(3.13)
接管計算厚度：
接管多余金屬面積：
(3.14)
補強區(qū)內焊縫面積：
（5）所需另行補強面積： (3.15)
補強圈設計：補強圈的外直徑應該小于有效寬度，參考JB-1207 標準取。
（6） 補強圈的厚度： (3.16)
對數(shù)值進行圓整取6mm，但是為了制造材料的方便，故經常在對加強圈厚度的取值跟封頭或者筒體的壁厚取值一致，即。
對于反應釜上其他的開孔補強同上述計算過程，不一一列舉。
4 攪拌器的選型
4.1 攪拌槳的選型
攪拌槳是聚合反應釜攪拌裝置的重要部件。根據(jù)操作介質（液-相-氣混合）的粘度、反應釜的容積大小，從本次設計的攪拌條件（容積60m3，主要攪拌物料為汽油、水蒸氣、膠粒三者的混合物，設計溫度150℃，設計壓力0.68MPa,最高工作壓力0.5MPa,連續(xù)性操作），最后選定槳式攪拌器，葉片型式采用直葉葉式，其設計結構簡單，便于生產，對于粘度高的流體物料攪拌效果好，價格低，節(jié)能等優(yōu)點。
有計算公式：槳徑罐徑比d/D=0.35～0.8，其中D=3000mm,初取d/D=0.35，則,取整d=1000mm, 槳寬為b,常用尺寸b/d=0.1～0.25，初取b/d=0.12 ,則b=1000×0.12=120mm ，Bn=4,常用的運轉條件n=1～125r/min ,v=1.0～5.0m/s，確定了攪拌槳的形式，還要考慮攪拌槳到攪拌釜釜底的距離C，，故mm；考慮到反應釜比較高，盛裝的物料液面相對較高，所以應該采用三層攪拌槳，攪拌槳層與層之間的距離為
4.2 攪拌附件（擋板）
擋板一般是焊接在容器筒壁上長條形的豎直固定的板，主要的功能是防止釜內介質流體在攪拌時產生的端流狀態(tài)，設立擋板可以避免物料在攪拌時形成漩渦狀態(tài),提高物料的混合效果,擋板的數(shù)量及其長度寬度、安裝方式都是根據(jù)設計容器體積的大小而決定的,擋板的設立影響流形的混合狀態(tài)和動力消耗。
擋板的寬度，擋板的數(shù)量n根據(jù)筒體的直徑大小而定，本次設計的為中大容器，故n=4 ,一般擋板的安裝方式有以下四種情況,如下圖4.1所示：（a）當粘度較低時擋板可緊貼筒壁上且擋板與液體的環(huán)流方向成直角；（b)當粘度較高時，或流體為固液混合物時，擋板離開筒壁距離為擋板寬度1/5-1倍；(c)當粘度更高時，應該將擋板傾斜一定的角度，這樣可以有效的防止物料的粘黏性，以及防止固體顆粒的堆積。取Wb=1/10D 其中,所以，考慮到流體具有一定的粘度，所以安裝方式取種形式，4個擋板距離筒壁為100mm。
圖4.1擋板的安裝型式
4.3 傳動裝置的選型
由于攪拌軸的轉速一般為低速，故在安裝時不能直接與電動機相連接，電機一般安裝上減速裝置方可與攪拌軸連接，常見用在反應釜的減速裝置有齒輪加速器，渦輪減速器和擺線針齒行星減速器三類，最常用的安裝形式是固定和移動式減速攪拌機，因為它們結構簡單，組裝和維護方便。本次設計的是一個簡單的攪拌裝置，直接在容器封頭的頂部安裝電機及減速裝置，電機的傳動軸通過聯(lián)軸器將動力傳送到攪拌槳上。
隨著工業(yè)的發(fā)展，反應釜的攪拌結構不單單是從封頭處安裝，現(xiàn)在設計的反應釜的容積越來越大，攪拌結構也多種多樣，有的攪拌軸可以從底部的封頭伸進反應釜內，有的可以從側面的筒壁開孔伸進去，攪拌的型式多種多樣，本次設計主要是從封頭頂部伸進去，由于筒體較長，考慮到傳動軸的可加工性，采用多跟軸用聯(lián)軸器進行連接，在筒體的中部跟底部設有軸承可以對長軸進行支承的作用，提高軸的穩(wěn)定傳動和使用壽命。
在封頭上安裝電動機和減速器組合的，故選用BLD18型號擺線針輪減速機。
4.4 攪拌功率的計算
根據(jù)攪拌物料的性質，可以大概的計算出攪拌軸的功率從而選用電機的功率，以下為快速查表計算出攪拌軸的功率，不同液體的單位體積的平均攪拌功率有如下的表4.1推薦值：
表4.1 不同攪拌種類液體單位體積的平均攪拌功率
攪拌過程的種類
液體單位體積的平均攪拌功率（Hp/m3）
液體混合
0.09
固體有機物懸浮
0.264～0.396
固體有機物溶解
0.396～0.528
固體無機物溶解
1.32
乳液聚合
1.32～2.64
懸浮聚合
1.585～1.894
氣體分散
3.96
注1):1Hp=735.499w
攪拌軸的功率：
由于攪拌軸之間有聯(lián)軸器，考慮到聯(lián)軸器的傳動效率，故電機的的功率為：
故最終選用電機的功率為75KW,轉速為125r/min
4.3 攪拌軸的計算
根據(jù)電動機選擇功率的大小，軸的剛度，以及攪拌軸的轉速可以計算出軸的最小直徑，攪拌軸主要受到力矩為扭矩，故采用實心軸作為傳動軸，由于筒體較高，攪拌軸較長，為了確保軸工作中的穩(wěn)定性，在罐底設計了底支承結構，能夠起到支撐攪拌軸的作用和加強軸工作的穩(wěn)定性。
軸強度計算：
其扭矩的強度條件： （4.1）
式中：為截面上最大的剪切應力MPa；
Mt為軸所傳遞的扭矩；
Wt為抗彎截面系數(shù)mm3；
為許用剪切應力MPa；
其中： ， （實心軸） （4.2）
式中：P為攪拌軸功率kw；
N為攪拌軸的轉數(shù)r/min；
d為實心軸的直徑mm；
令 ，
取圓整 :d=115mm
4.4 聯(lián)軸器
聯(lián)軸器是把兩個獨立的傳動軸連接在一起可以使其互相地傳遞動力。聯(lián)軸器的種類有很多種，其用途也不一樣，根據(jù)聯(lián)軸器的工作性質，選用的聯(lián)軸器類型也不一致，我們常用的聯(lián)軸器有剛性聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器的剛性比較大，傳遞的扭矩也相對大，但是一般這種剛性聯(lián)軸器使用在轉速不大，沒有什么沖擊的兩軸連接；還有常見的彈性聯(lián)軸器，彈性聯(lián)軸器可以對兩根軸的傳動有一定的緩沖作用，對軸有一定的保護作用，但是這種聯(lián)軸器承受載荷能力較差，易于磨損，對使用的場合有一定的限制。
本次設計的傳動軸連接，除了減速器跟電機之間采用彈性聯(lián)軸器連接（此聯(lián)軸器可以起到減震緩沖的作用），其他的軸間連接采用立式夾殼聯(lián)軸器，此聯(lián)軸器的剛性大，制造簡單，便于安裝，且此處軸的運轉平穩(wěn)，轉速不是很大，考慮到經濟合理性故適合使用立式夾殼聯(lián)軸器。
4.5 安裝支座
反應容器有各種安裝方式，一般小型容器常采用支腿式支座，支腿式支座的設計安裝比較方便，一般采用三條腿支撐，但是穩(wěn)定性比較差；支承式支座是在腿式支座跟容器連接處增加了墊板，能夠提高支撐的剛性；比較各種安裝支座的優(yōu)缺點，結合本次設計的容器，選用了裙座支座的安裝方式，裙座支座的安裝較為穩(wěn)定，特別是作為中大型容器的支撐支座，裙座還能夠避免機器產生的振動，使容器的工作狀態(tài)更為穩(wěn)定。
本次設計的裙座為圓筒形，裙座上開設有人孔、出料孔和蒸汽入口孔，裙座的材料可以選用Q235-A.F號鋼，主要是承受容器的重量以及反應物料的重量，除此之外還得考慮裙座的抗震載荷跟抗風載荷，一般裙座的跟筒體采用焊接的型式連接，裙座的厚度與筒體的厚度一致，經過校核符合強度要求，在裙座上開設人孔可以方面人員進出觀察容器底部情況，裙座底部的基礎環(huán)上有螺栓孔，能夠把裙座跟地基用地腳螺栓進行連接，提高反應釜工作過程的穩(wěn)定性。
5 密封結構
軸封是在容器上安裝傳動軸時對開口處進行密封的型式，軸的密封能夠確保反應釜內的壓力保持在一定值，軸封的型式有多種多樣。由于不同容器的壓力條件不一樣，故采用的軸封也盡不相同，為了保證反應容器內的壓力要求，選擇合適的密封形式也是相當?shù)闹匾?
填料密封是攪拌器最早采用的軸封結構，隨著工業(yè)的發(fā)展，機械密封的發(fā)展和其具有一系列的優(yōu)點，機械密封發(fā)揮了它獨特的優(yōu)勢，有著取代填料密封的趨勢，填料密封的工作原理是：填料密封是在攪拌軸跟一些組合部件之間環(huán)形的間隙進行填料充填，然后再外力壓力如螺栓連接的壓緊力作用下對攪拌軸表面形成一層極薄的膜，這層膜可以可以阻止反應釜內的氣體或者流體向外流出的作用，還能對攪拌軸的轉動起到潤滑的作用。
機械密封式相對填料密封來說性能更優(yōu)越，機械密封狀態(tài)良好，泄漏量低，損耗功率低，密封性能相對較好，使用壽命長，適用于各種高溫高壓的環(huán)境和各種腐蝕環(huán)境，但是其結構比較復雜，對技術人員安裝要求較高，后期更換零件較為繁瑣。
結合本次設計的參數(shù)要求，根據(jù)其攪拌軸的轉速不大，且釜內壓力屬于低壓，為了提高生產效率，最終考慮使用機械密封結構。
6 安全檢測
設備制成后，或在制造過程中，必須進行檢驗，以保證設備符合技術要求和質量標準，通常用到的檢驗方法有無損探傷、強度檢驗和致密性檢驗。
6.1 無損探傷
(1)超聲波探傷：超聲波探傷是利用儀器發(fā)射一股振動頻率大于20000Hz的聲波對選用材料進行探測，超聲波可以從金屬的一面穿過金屬的另一面，在界面的邊緣處發(fā)生反射的特性來檢驗所選材料或者所選工件是否存在缺陷，如果所選的材料或工件存在缺陷，則超聲波在零件的底面就會反射束波與合格零件反射的束波在熒光屏上以脈沖的形式顯現(xiàn)出來，對脈沖的比較進行判斷缺陷的位置和大小。
(2)射線探傷：利用和具有穿透金屬性能的特點，并且能夠被吸收的一種射線，對鋼板或者焊接處進行射線探傷時，當射線探射缺陷或者裂縫時，射線穿過金屬的衰減程度明顯和穿過良好的金屬板的衰減程度不一致，以此來判別設備是否存在缺陷或者裂縫。
（3） 磁粉探傷：利用帶有磁性材料和氣體或非金屬夾雜物的導磁慮的不同的原理來檢查制成設備的缺陷。將制成的設備或者工件進行磁化處理，當磁化接近于飽和狀態(tài)時，被檢驗的設備或者工件由于磁化產生密閉的磁感線，整個設備或工件變成了一個磁場。如果制造的設備或者工件有缺陷，就會在缺陷處產生氣體或者非金屬夾渣物等。
（4） 著色探傷：利用具有良好浸潤滲透的紅色染料液體，對工件進行浸潤，紅色染液會滲入到零件的各個縫隙，等完全浸潤滲透之后，將工件的紅色涂料進行擦干并及時的在工件表面涂上一層白色的涂料，在工件的缺陷處的白色涂料會將滲透在缺陷或者縫隙中的紅色涂料吸附出來，我們就可以根據(jù)顯示出來的紅色痕跡判斷工件的缺陷位置和大小。
6.2 強度檢驗
壓力容器制成后在投入使用之前必須進行強度測試檢驗，經過熱處理及焊縫處的無損探傷檢驗合格的容器要進行水壓試驗或者氣壓試驗來檢驗容器的強度。一般情況下，除了不能進行水壓試驗的容器進行氣壓試驗外，一般進行水壓試驗，因為氣壓試驗的容器在承受氣壓時，一旦容器強度不夠發(fā)生破壞時，其破壞產生的能量一般遠遠大于水壓破環(huán)產生的能量，具有一定的危險性，除了一些容器不適合采用水壓進行壓力測試外，大部分采用水壓試驗，水壓的測試遠遠比氣壓測試安全。
水壓試驗的目的：(1)用水壓模擬反應容器的壓力，檢驗容器的實際抗壓能力及強度，可以發(fā)現(xiàn)容器在投入使用之前制造缺陷，并采取有效的手段進行補修。(2)可以消除筒體上的一部分應力。當容器水壓試驗時（預加載荷處理），在焊縫區(qū)（特別是未經消除應力處理的容器）產生據(jù)不屈服，可以重新分配殘余應力，特別是大大降低在焊縫處的殘余應力，從而減小了壓力容器在承受外加載荷產生脆性破壞的風險性。
水壓試驗壓力的取值為容器設計壓力的1.25倍到1.5倍。如果設計的壓力容器為立式安放，就要考慮容器內盛放物料的液注靜壓力，所采用的水壓試驗壓力值就要加上立式設備的液面靜壓力，鋼制外壓容器：帶夾套外壓容器，夾套內試驗壓力按內壓容器；不帶夾套外壓容器，以1.5倍設計外壓做內壓試驗。沒有夾套的外壓容器，一般取設計壓力的1.5倍值。
當立式容器臥置進行水壓試驗時，試驗壓力應為立置試驗壓力加設備液注靜壓力。鋼制外壓容器：帶夾套外壓容器，夾套內試驗壓力按內壓容器；不帶夾套外壓容器，以1.5倍設計外壓做內壓試驗。負壓容器，以0.2MPa做內壓試驗。實驗時，壓力應緩慢上升，達到圖紙規(guī)定的實驗壓力后，應保持足夠長的時間，且不少于30min。對所有焊縫和連接部位進行檢查。
水壓試驗時，介質的溫度不能低于5～7℃。如果試驗的溫度太低，會使容器所制成的材料變脆，可能出現(xiàn)脆性破裂，為了防止出現(xiàn)脆性斷口破裂的敏感性，本次采用的水壓測試溫度為常溫測試（水溫常溫取25攝氏度）。
對工作中最高使用溫度超過200℃的容器，實驗壓力為
(6.1)
式中：—水壓試驗壓力，MPa；
—設計壓力，MPa；
內壓圓筒的水壓驗算：
= (6.2)
要求；常溫下Q235-A.F鋼的；故140.8≤235×0.9滿要求。
式中：-壁厚，mm；
-容器或封頭內徑，mm；
-水壓試驗時的壓力，MPa；
-焊縫系數(shù)；
-壁厚附加量，mm；
6.3 致密性試驗
氣密性試驗是檢測制成的壓力容器設備是否嚴密性。氣密性試驗在完成上述的水壓試驗或者氣壓試驗合格后方可進行的檢測試驗，其試驗壓力為設計壓力的1.05倍。在容器內通以試驗氣體介質時，應當緩慢進行充壓，當壓力達到規(guī)定的壓力后維持衡定壓力進行，然后進行緩慢泄壓直至設計壓力，對容器的焊縫處連接處進行嚴密的檢查，當發(fā)現(xiàn)有氣體泄漏，需要對泄露處進行氣密性修補，完成修復后需要重新進行所有的安全檢測試驗。
除了氣密性試驗外還有煤油滲透試驗，該實驗一般用來檢驗常壓的容器設備，煤油滲透實驗的過程是將設備需要檢驗的焊縫進行清理干凈并涂上特殊的粉筆水溶液，等到水溶液干燥后在焊縫的另一面，未涂有水溶液的一面進行涂抹或噴涂2-3次煤油，當噴涂的煤油浸潤金屬表面后，由于煤油的表面張力很小，可以擴散至焊縫的極小縫隙里，穿過極小的焊縫縫隙，當焊縫處的焊接有缺陷，必定會導致煤油穿過縫隙在干燥的涂有粉筆水溶液的一面形成油斑或帶條痕跡。
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7 結 論
通過查閱各種相關的化工設備的相關書籍，根據(jù)設計的參數(shù)和條件，筒體跟底部兩封頭采用焊接的方式連接，所選用的材料為碳素鋼鋼板，此材料在剛度、耐腐蝕耐高溫符合要求，且價格經濟合理，攪拌槳采用的是直葉式攪拌槳，直葉式攪拌槳具有高效的特點，在導流筒的作用下不僅使物料形成軸向流，還能形成縱向流，使筒內物料充分混合，聚合反應釜釜內屬于低壓，故筒體跟端蓋采用法蘭容器連接，便于拆裝跟后期內部較大零件的更換，本此設計的難點是攪拌軸，由于本次設計的反應釜比較高，考慮到材料的可加工性，可以槳攪拌軸設計為幾根軸通過聯(lián)軸器連接，但是當軸比較長時，導致傳遞的扭矩也異常的增大，為了保證容器的使用壽命，還應該適當?shù)脑黾右恍┙M合件對軸進行支撐，由于軸是采用聯(lián)軸器連接且軸的動力輸出在頂部，攪拌槳在底端，所以在軸的中間處添加一些組合件（中間軸承）來穩(wěn)固軸的轉動，提高軸的使用壽命。
另一個重要是軸封的設計，本次采用的是填料密封，其結構簡單便于安裝，對于低壓容器密封效果好，還有一點是聚合反應釜的開孔及補強，當容器開孔比較大的時候要進行計算及補強，開孔要盡量的避開筒體與端蓋的焊接部分，當容器設計完成在投入使用之前要進行壓力試驗和致密性試驗，合格的容器方可投入使用。
故本次設計的聚合反應釜從選材、軸的設計及校核、組合件的選用、標準件的選用等都符合標準。
參 考 文 獻
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附錄1：外文翻譯
強度標準與壓力容器設計和分析中使用的塑性流動標準
摘要：這篇文介紹了傳統(tǒng)強度標準和壓力容器結構設計和完整性評估中使用的現(xiàn)代塑性流動標準的重要比較。這包括（1）簡要介紹ASME鍋爐和壓力容器（B＆PV）規(guī)范中使用的傳統(tǒng)強度標準，（2）討論傳統(tǒng)強度標準在用于預測壓力容器爆裂壓力時的缺點（3 ）對改進傳統(tǒng)強度標準的挑戰(zhàn)，技術差距和基本需求的分析，（4）比較韌性材料的強度理論和塑性理論，（5）評估可用的塑性流動標準及其壓力預測壓力的缺點（ 6）對新開發(fā)的多軸屈服準則的描述及其在壓力容器中的應用，以及（7）當頂層壓縮薄壁壓力容器的爆破壓力時，新的塑性流動標準的實驗驗證表明。最后，提出了進一步研究的建議，以改進傳統(tǒng)的強度設計標準，并促進現(xiàn)代塑料流動標準的壓力容器設計和分析。
關鍵詞：壓力容器，管道，強度理論，塑性流動理論，強度設計，完整性評估
壓力容器是大容器，設計用于容納或輸送大體積的流體，內部壓力大大高于標準大氣壓力。它們具有各種形狀，尺寸和操作條件，并廣泛應用于核反應堆，化學反應堆，管道，儲罐和油氣管道等能源和石化工程。流體可以是液體或壓縮氣體，例如原油，天然氣，汽油，氫氣，二氧化碳和其他化學或石化產品。許多流體是易燃的，有毒的，反應性的，腐蝕性的或爆炸性的，因此是危險的。加上高壓，如果壓力容器的設計，建造，操作，檢驗，測試或修理設計不當，存在潛在的危險。發(fā)生了致命的事故
壓力容器開發(fā)和運行歷史，對人類、環(huán)境、財產和經濟都有重大影響。一般來說，較大的閥體中的較高的操作壓力會產生更多的能量以在破裂中釋放并導致更差的后果。即使船只不易燃，反應性或爆炸性，也存在危險。例如，含有水或空氣的高壓容器在破裂時可釋放大量的能量。如果船只的內容物易燃或有毒，其后果可能會大幅度放大。因此，壓力容器的安全性和完整性在結構設計，制造，施工，運行和安全管理方面至關重要。
通過廣泛的努力和調查，多年來一直開發(fā)出多種壓力容器技術和設計方法。在此基礎上，壓力容器設計，制造和運行受到工程部門的監(jiān)管，并得到立法支持，如美國機械工程師協(xié)會（ASME）鍋爐和壓力容器（B＆PV）代碼[1] .Witkin和Mraz [2]討論了壓力容器的早期設計理念和基本應力標準。伯恩斯坦[3]評論在美國開發(fā)的鍋爐和壓力容器的設計標準和方法，包括ASME B＆PV Code的演變，代碼操作，規(guī)則設計，分析設計，故障模式，強度理論，設計負載和代碼案例。 Spence和Nash [4]對壓力容器技術及其發(fā)展進行了很好的回顧，其中確定了多個里程碑，為開發(fā)新的設計標準，分析方法，制造，操作過程和壓力設備提供了刺激。 Hasagawa等[5]回顧了日本B＆PV代碼和標準的發(fā)展歷史背景，現(xiàn)狀和未來趨勢。哈維[6]的專著是一本優(yōu)秀的教科書，具有基本的力學理論和各種實際使用的壓力容器的基本設計方法。參考文獻[7]詳細介紹了核壓力容器的結構設計和實踐的技術和方法。
大多數(shù)壓力容器由易碎的金屬材料（如鑄鐵）或延性材料（如碳鋼或軟鋼）制成。基于尺寸，如果壁厚小于直徑的1/10，或其他厚壁外殼，則壓力容器被分類為薄壁外殼。在壓力容器的強度設計中，確定破壞載荷或爆破壓力對結構完整性評估至關重要。除了ASMEB和PV Code采用的傳統(tǒng)強度設計方法外，還有塑料流動標準和許多其他分析，經驗或數(shù)值方法，這些方法是通過理論建模，數(shù)值模擬和實驗測試和分析。 Chistopher等人[8] Dwivedi和Kumar [9]提出了對薄壁和厚壁壓力容器的爆破壓力預測方法的綜述。 Law和Bowie [10]討論了用于長時間運輸油或氣的高強度管線，即薄壁環(huán)流壓力容器的爆破壓力預測距離。 Zhu和Leis [11]在強度理論和塑性流動理論方面對各種管線鋼進行了一系列爆破壓力預測模型的評估。然而，到目前為止，在公共文獻中沒有提供對傳統(tǒng)強度標準和壓力容器設計和分析中使用的現(xiàn)代塑性流動標準的比較研究。這促使了目前對壓力容器行業(yè)有利的研究，并促進了ASME B＆PV Code的改進。本文簡要回顧了ASME B＆PV Code中傳統(tǒng)實力標準的討論，討論了傳統(tǒng)實力標準的缺陷以及改進傳統(tǒng)設計方法的挑戰(zhàn)，技術差距和需求。 特別注意新技術和開發(fā)的強度設計標準和完整性評估方法，最近為由延性鋼制成的薄壁圓柱形壓力容器。 建議進一步研究，以改進壓力容器的結構設計和完整性評估。
強度理論 - 應用與挑戰(zhàn)
ASME B＆PV代碼中使用的強度設計標準：在壓力容器設計中，假設有兩種基本的強度破壞模式。一種是彈性破壞，由彈性理論決定，一般適用于厚壁壓力容器。另一種是塑性破壞，受塑性理論的約束，一般適用于薄壁或中間壁壓力容器。當材料拉伸超過彈性極限時，發(fā)生塑性變形，并且最終可能發(fā)生塑料容器破裂。與故障相關的材料性能
屈服強度和極限拉伸強度（UTS）。壓力容器通常具有多軸應力狀態(tài)。其故障不受單一應力分量控制，而是由容器中所有應力分量的組合控制。為了簡單，傳統(tǒng)在實際應力與材料強度之間的關系中，利用強度理論來開發(fā)材料破壞準則，用于預測壓力容器故障。經常使用三種理論強度的計算方法：
最大主應力理論或薄殼理論。 對于脆性材料在彈性失效中是有意義的：
最大剪切應力理論或特雷斯卡理論。 對于塑性破壞的延性材料是適用的：
最大失真能量理論或von Mises理論。 它也用于塑性破壞時的延性材料：
在上述三個方程中，是主應力，是Tresca有效應力，是von Mises有效應力，是臨界應力，其經驗定義為屈服應力和UTS的函數(shù)。如果， （2）和（3）分別對應于Trescayield標準和von Mises屈服準則。這兩種屈服準則通常用于描述延性材料的塑性失效。如果r 0?ruts， （2）和（3）分別對應于Tresca強度標準和von Mises強度標準。這兩個強度標準被稱為基于UTS的標準，并且通常用于描述延性材料的塑性塌陷。如果r 0?r流量，則Tresca標準在公式（2）被稱為管道行業(yè)經常用于描述延性管道鋼的塑性破壞失效的流動標準。
原始/舊的ASME B＆PV代碼通過分析使用了剛剛提到的前兩種古典強度理論，并沒有使用第三種。特別是，第一節(jié)第三節(jié)第一節(jié)（NC，ND和NE），第四節(jié)和第八節(jié)第1節(jié)都使用最大主應力理論。第三節(jié)第一部分（NB分部和NC的可選部分）和第八部分第二部分使用了最大剪切應力強度標準。正如參考文獻[7]，ASME使用特雷斯卡有兩個原因標準作為通過分析程序設計的基礎，以預測延性鋼的塑性破壞：（a）它是保守的，（b）工程師在壓力容器設計和整體評估中使用簡單。然而，普遍接受的是，von Mises標準可以更好地描述塑性變形延性材料的破壞行為。 von Mises等效應力被認為是對壓力容器的Tresca等效應力的更好的故障預測因子。因此，2007年新版本的ASME B＆PV Code采用了von Mises的實力標準。參考文獻[12]提出了ASME B＆PV Code-2007第八部分第2部分的綜述，并比較了ASMEB和PV代碼的新舊版本中使用的方法和許用應力。
隨著現(xiàn)代計算機技術和計算力學方法的快速發(fā)展，個人計算機已經經常用于工程設計和分析中，結合使用彈塑性有限元分析（FEA）對任何結構的復雜應力和變形計算）。數(shù)學上在應力空間中，von Mises屈服函數(shù)是連續(xù)的，可以很容易地適應于FEA程序中的代碼，用于復雜應力問題的數(shù)值計算。相比之下，特雷斯卡收益率函數(shù)是不連續(xù)的，難以編碼，因此，它沒有被用于任何商業(yè)的FEA軟件。例如，常用的FEA軟件ABAQUS [13]采用了von Mises金屬可塑性流動理論。使用ABAQUS，Stonehouse等[14]通過噴嘴獲得了壓力容器的FEA數(shù)值結果，并根據(jù)分析程序的設計，對ASME B＆PV Code中的彈塑性方法進行了分析。同樣，已經進行了大量的FEA計算，使用von Mises理論進行分析。 Liu et al