1、1 概述HOC22CH21.1. 机械设计的意义和主要内容（1 ）机械设计的主要内容机械设计基础课程设计是在完成机械设计基础课程课堂理论学习后的一项重要的实践性设计环节，要求学生综合运用机械设计基础课程及其它先修课程的理论和生成实际知识进行机械设计训练。结合一个简单的机械系统，综合运用所学理论和方法，使学生能受到拟定机械运动方案的初步训练，并能对方案中某些机构进行分析和设计，针对某种简单机器进行机构运动简图设计。设计过程指从明确设计任务到编制技术文本为止的整个设计工作的过程，一般包括四个阶段：1）明确设计任务和要求；2）原理方案设计；3）技术设计；4）施工设计。（2 ）设计的意义1.通过课程设
2、计实践环节，使学生树立正确的设计思想，培养学生综合运用理论与生产实际知识来分析和解决机械设计问题的能力，巩固和发展所学到的相关知识。2.学习和掌握通用机械零件、机械传动装置或简单机械的一般设计方法，培养学生工程设计能力和分析问题、解决问题的能力。3.进行机械设计基础技能的训练，如计算、绘图、运用设计资料（包括手册、标准和规范等）以及经验估算、CAD 技术等机械设计方面的基本技能进行一次训练，以提高这些技能的水平，并为后续专业课程设计和毕业设计奠定基础。4.结合工业设计专业特点，将结构设计与造型设计知识相结合，通过实践，使学生了解产品设计的基本原则和方法，创造性地提出解决方案，将学生培养成能够在
3、设计中有工程自觉意识的工业设计师。（3 ）设计要求：1.根据机器的使用要求，通过功能分析，制定或分析设计方案。2.根据机器的工作状态分析和零件载荷计算，合理地选择零件材料，计算正确零件工作能力和确定零件主要参数和尺寸。3.综合考虑制造工艺、安装和调试、使用和维护、经济和安全等问题，对机器和零部件进行结构设计。4.图面符合绘图标准规范，尺寸标注正确，技术要求完整合理；说明书计算准确、内容完整、层次清楚、格式规范。1.2. 反应釜基础知识和应用背景（1 ）反应釜的基础知识1、反应釜是在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种或多种液体以及液体与固体或气体物料混匀，促进其反应的设备。通常伴随有热
4、效应，由换热装置输入或移出热量。2、釜体上的夹套主要是用于加热和冷却的模块。釜体内筒通常为一圆柱形壳体，它提供反应所需空间；传热装置的作用足满足反应所需温度条件；搅拌装置包括搅拌器、搅拌轴等，是实现搅拌的工作部件；传动装置包括电机、减速器、联轴器及机架等附件，它提供搅拌的动力；轴封装置是保证工作时形成密封条件，阻介质向外泄漏的部件。内筒一般为钢制圆筒。封头大多选用标准椭圆形封头，为满足工艺要求釜体上安装有多种接管，如物料进出口管、检测装置接管等。常用的传热装置有夹套结构的壁外传热和釜内装设换热管传热两种形式，应用最多的是夹套传热。当反应釜采用衬里结构或夹套传热不能满足温度要求时，常用蛇管传热方
5、式。3、反应釜根据反应釜的制造结构可分为开式平盖式反应釜、开式对焊法兰式反应釜和闭式反应釜三大类，根据反应釜的密封型式不同可分为:填料密封、机械密封和磁力密封。这次我们实验用的是夹套反应釜，夹套反应釜主要有搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管等一些附件构成。而搅拌容器又可以分为罐体和夹套两部分。（2 ）反应釜的应用背景反应釜普遍应用于石油化工、橡胶、农药、燃料、医药和三大合成材料等过程工业，其中三大合成材料是指塑料、合成橡胶和合成纤维。它们是用人工方法，由低分子化合物合成的高分子化合物，又叫高聚物。反应釜用来完成化工工艺过程的反应。反应釜内进行化学反应的种类很多，控制条
6、件差异很大，物料的聚集状态也各不一样。反应釜具有如下特点：1）操作灵活：可以按照工艺要求进行间歇式、半间歇式及连续操作。2）温度易于控制：根据生产需要，控制生产的时间，易于控制反应速率。目前，反应釜逐渐大容积化，这是增加产量、减少批量生产之间的质量误差、降低产品成本的有效途径和发展趋势；反应釜的搅拌器，已由单一搅拌器发展到用双搅拌器或外加泵强制循环。反应釜发展趋势除了装有搅拌器外，尚使釜体沿水平线旋转，从而提高反应速度；合理地利用热能，选择最佳的工艺操作条件，加强保温措施，提高传热效率，使热损失降至最低限度，余热或反应后产生的热能充分地综合利用。1.3. 本设计的主要思路（1 ）设计的主要思路
7、夹套反应釜主要有搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管等一些附件构成，而搅拌容器又可以分为罐体和夹套两部分。反应釜的设计可分为工艺设计和机械设计两大部分。工艺设计的主要内容有：反应釜所需容积（2m ） 、传热面积及构设计成形式、搅拌器形式和功率、转速、管口方位不值等。本文叙述了带搅拌的夹套反应釜设计的程序及注意事项，简述了从问题的提出到参数的确定的全过程。夹套反应釜设计主要包括以下设计及有关零部件、绘图，包括总装图、不见图和零件图等几大部分。1.总体结构设计根据工艺的要求，并考虑到制造安装和维护检修的方便来确定各部分结构形式。 2.搅拌器的设计根据工艺参数确定各部几何尺寸
8、；考虑压力、温度、腐蚀因素，选择釜体和夹套材料对罐体、夹套进行强度和稳定性计算、校核。3.传动系统设计，包括选择电机、确定传动类型、选择联轴器等。 4.决定并选择轴封类型及有关零部件。 5.绘图，包括总图、部件图。反应釜机械设计工艺说明产品介绍：1-3 丙二醇：无味、透明粘稠液体有吸湿性、与水、醇及多种有机溶剂互溶、稍溶于苯和氯仿能与酸反应生成酯。1-3 丙二醇，可作为进一步生产香料、药物等多聚物或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET） 、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT） 、聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）等高聚物的单体；缩合脱水产物 ，-不饱和醛氧化得到相应的可广泛用作精细化工生产原料的羧酸。工艺介绍：该
9、反应是以丙烯醛，水和氢气和碱性催化剂为原料制。以丙烯醛、水、氢气和碱性催化剂为原料制备 1-3 丙二醇，罐体几何尺寸计算1 确定筒体自内径一般由工艺条件给定全容积，筒体内径按照 D1 公式估算（1）314iVD式中 V-工艺条件给定容积， m3；i-长径比， 1Hi根据题意取 i=1.2。已知 V=2.5，则，查阅压力容器公称直径 GB9019-1998 圆整为m13852.43iVD31 D1=1400mm,同时得到 V1m=1.539m3/m，F 1m=4.40m2。2 确定封头尺寸根据设计要求，该反应釜的封头选用标准为椭圆形封头，类型是 EHA。椭圆封头选取标准件，它的内径与筒体内径相同
10、，即 DN=D1=1400mm。查附表 4，曲边高度 h1=350mm，直边高度 h2=25mm，封头总高度为 H=h1+h2=375mm，内表面积 F 封=2.2346m2，容积 V 封 =0.3977m3。3、确定筒体高度反应釜容积 V 通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度 H1 按公式（2）计算，并进行圆整。（2）mVH11/）（ 封式中：V 封封头容积，m；V1m1m 高筒体容积，m/m；V1m=1.539m3/m，V 封 =0.3977m3，圆整后 H1=1400mmm1659./）705.2（H1 当筒体高度确定后，应按圆整后的筒体高度修正设计容积，则 3封1m修 正
11、m52.397043VHV 夹套几何计算夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。夹套和筒体的连接常焊接成封闭结构。1、 夹套内径夹套下封头直径 D2 可根据筒体内径 D1 选取表 1-1 夹套直径 D2 /mmD1 500-600 700-1800 2000-3000D2 Di+50 Di+100 Di+200因为 D1=1400mm，在 700-1800mm 之间，所以 D2=D1+100=1400+100=1500mm2、 夹套高度计算夹套高 H2 由传热面积决定，不能低于液料高。若装料系数 没有给定，则应合理选用装料系数的值，尽量提高设备利用率。通常取 =0.6-0.85。=操作
12、容积/全容积=2.0/2.5=0.8夹套高 H2 由公式 计算：lm封2V-H其中操作容积 V1= =0.8 2.5=2.0m3H2=（0.8 2.5523-0.3977）/1.539=1.0684m=1068.4mm圆整为 H2=1100mm3、 传热面积的计算夹套所包围罐体的表面积（筒体表面积 F 筒+ 封头表面积 F 封）一定要大于工艺要求的传热面积 F，即 封筒 式中 F 筒 -筒体表面积 F 筒 ，F 筒 =H2 F1m，m 2F 封 -封头面积， m2F1m-1m 高筒体内表面积，m/m 2 221m筒 m84.041.H2封筒 376348F因此符合传热要求。因圆筒型夹套传热面积
13、小，故选用圆筒型夹套。夹套反应釜的强度计算当反应釜的几何尺寸确定后，则要根据已知的公称直径、设计压力和设计温度进行强度计算，确定罐体及夹套的筒体和封头的厚度。1 强度计算的原则及依据根据任务书给出的条件，反应釜体内为正压外带夹套，被夹套保围的罐体分别按内压和外压计算，罐体内压为 0.6Mpa，外压为极限时最大内外压差 0.3Mpa；其余部分按内压圆筒设计。圆筒为正压外带夹套 ：（1 ） 当圆筒体的公称直径 DN600mm 时，被夹套包围部分的筒体分别按内压和外压计算，取其中最大值；其余部分按内压圆筒设计。（2 ） 当圆筒体的公称直径 DN600mm 时，全部圆筒分别按内压圆筒和外压圆筒计算，取
14、其中较大值。按内压对筒体和封头进行强度计算压力计算材料选择 Q235R，由 设计压力 P1（罐体内）0.6Mpa，设计压力 P2（夹套内）0.9Mpa，可得：工作压力（罐体内）为 0.6/1.1=0.55Mpa工作压力（夹套内）为 0.9/1.2=0.75Mpa设计温度（罐体内）t1=115；温度（夹套内）t2=135；液柱静压力： Mpa014.100.1gh10P36-6H 式中 -水的密度，kg/m 3；g-重力加速度，取值 10m/s2；h-罐体筒体高度 H1=1.4m；计算压力： Mpa614.06.0PP1H1C 液柱静压力忽略，计算压力：P 2C=P2=0.9Mpa罐体及夹套厚度
15、计算因我们选用的为双面焊的对接焊缝且局部无损伤，故选取罐体及夹套焊接接头系数 85.0设计温度下材料需用应力=147Mpa罐体筒体计算厚度m45.3610872DP 1tC1 夹套筒体计算厚度 m42.5908172DP tC2 罐体封头计算厚度 m4.3610584725.0DP 1tC,1夹套封头计算厚度 m4.905814725.0DP tC,2 取最小厚度 作为计算厚度 ，腐蚀裕量 C2=2.0mm，m6in罐体筒体设计厚度 mC45.0245.32d1 夹套筒体设计厚度 72d2罐体封头设计厚度 mC4.5024.32,d1 夹套封头设计厚度 17152,d2钢板厚度负偏差 C1=0
16、.6mm；罐体筒体名义厚度 （满足m9n1）mC6.05.243611min 夹套筒体名义厚度 m9n2罐体封头名义厚度 ,n1夹套封头名义厚度 m9,n2按外压对筒体和封头进行稳定性校核假设一：罐体筒体名义厚度 ；m12n厚度附加量 m8.2C1罐体筒体有效厚度 mn 2.91e 罐体筒体外径 14402Dn10 筒体计算长度 m2735h3HL12 式中 H2-夹套筒体高度，H2=1100mm；h1-曲边高度， 350mm系数 ；85.0142/7D/L0系数 9e0系数 A 由图得：A=0.0008系数 B 由图得：B=100 许用外压 ，不满足对稳定性的要求。0.9Mpa65/DBPe0假设二：罐体筒体名义厚度 ；m14n钢板厚度负偏差 ；8.0C1厚度附加量 ；m21罐体筒体有效厚度 ；mCn 2.184e 罐体筒体外径 ；4102Dn10
