反應釜設計作業(yè)

1、1.1工藝條件一、設計任務某工段需要每天生產8噸乙酸丁酯。以乙酸和丁醇為原料，要求乙酸的轉化率大于等于50%.其中原料中乙酸的濃度。設計一反應器以達到要求。某工段需要每天生產8噸乙酸丁酯。以乙酸和丁醇為原料，要求乙酸的轉化率大于等于50%.其中原料中乙酸的濃度。設計一反應器以達到要求。二、確定反應器及各種條件選用連續(xù)釜式反應器，取，查資料得：可取反應溫度為100，反應動力學方程為（A為乙酸）攪拌釜的操作壓力為；夾套為冷卻水，入口溫度為30，出口溫度為40，工作壓力;反應方程為：1.體積由于該反應為液相反應，物料的密度變化很小，故可近似認為是恒容過程。原料處理量：反應器出料口物料濃度反應釜的反應

2、速率：空時：理論體積：取裝填系數為0.75，則反應釜的實際體積為：1.2釜體設計1.2.1釜體材料的選擇16MnR 它屬于強度用鋼，是345MPa級的低合金鋼，具有良好的機械性能、焊接性能、工藝性能極低溫沖擊韌性。中低溫時機械性能均優(yōu)于Q235-A、15、20等碳素鋼，使用溫度在-40475的場合，在石油化工設備、鍋爐、壓力容器中廣泛使用。鑒于16MnR能夠滿足材料的使用性能、工藝性能和經濟性能，并且適合本次設備設計，所以本次設計釜體的材料選用16MnR。1.2.2釜體結構型式的選擇筒體：圓柱形罐底的結構形狀：橢圓形頂蓋的結構形狀：橢圓形頂蓋連接方法：可拆換熱器形式：U形夾套1.2.3釜體直徑

3、及高度計算釜體直徑的計算 根據實踐經驗，集中反應釜的H/D如表3-1所示。 表1-1 反應釜的H/D值種類釜物料類型H/D一般反應釜液液相或液固相物料11.3氣液相物料12發(fā)酵罐類氣液相物料1.72.5在確定反應釜直徑及高度時，還根據反應釜操作時所允許的裝料程度裝料系數等予以綜合考慮，通常裝料系數可取0.60.85；如果物料在反應過程中產生泡沫或成沸騰狀態(tài)，應取較低值，一般為0.60.7；若反應狀態(tài)平穩(wěn)，可取0.80.85（物料粘度大時，可取最大值）。因此，釜體容積V與操作容積V應有如下關系：V= V工程實際中，要合理選用裝料系數，以盡量提高設備利用率。對于直立反應釜來說，釜體容積通常是指圓柱

4、形筒體及下封頭所包含的容積之和，根據釜體容積V和物料性質，選定H/D值，估算筒體徑D。 = 可得 D=1620mm式中：V釜體容積，m（本次設計的釜體容積為4m）； H筒體高度，m； D筒體徑，m； H/D由表1.1得，并根據實際情況取H/D=1.2。將計算結果圓整為標準直徑，的D=1600mm。釜體高度的計算對于直立式反應釜，其圓柱部分筒體的高度H。 =式中：V釜體容積，m（本次設計的釜體容積為4m）； V下封頭所包含的容積，V=0.617m；可從標準查得。 V筒體每一米高的容積，V1=0.950m；可從標準查得。H/D校核： 所以合格 V1 =3.141.61.61.7=3.416 m V

5、= V1 + V=3.416 + 0.617 = 4.033 4 m 所以釜體容積合理釜體的裝料量 裝料系數且取0.7； V釜體容積； V = V = 4.03 0.7 = 2.821 m1.2.4釜體厚度計算由于釜承受1.0Mpa壓力，而夾套承受0.5Mpa壓力，所以筒體的厚度有以下幾種情況：1. 只受1.0Mpa壓1) 確定壁厚2) 因為 = 1.1Pw = 1.1 1.0 = 1.1Mpa C=C+C=0.6+1.5=2.1 mm將計算結果圓整，取 設計壓力；筒體徑；名義厚度；有效厚度；3) 驗算最小壁厚對于壓力較低的容器，按強度計算出來的壁厚很薄，往往會給制造和運輸、吊裝帶來困難，為此

6、對殼體元件規(guī)定了不包括腐蝕裕量的最小厚度。對于碳素鋼、低合金鋼制的容器，不小于3mm；對于高合金鋼不小于2mm。 將計算結果圓整，取而所以，取壁厚。4) 校核水壓試驗強度 因為 = 1.1Pw = 1.1 1.0 = 1.1MpaP=1.25P0.9顯然，故水壓試驗強度足夠。設計壓力；實驗壓力；計算應力；屈服應力；焊接接頭系數；1.2.5封頭的選型尺寸確定1.2.5.1封頭的選型橢圓形封頭，如圖3-2所示，是由半個橢球面和一個短圓筒組成，由于封頭的橢球部分經線曲率變化平滑連續(xù)，故應力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓和成型，是目前中、低壓容器中應用較多的封頭之一。受壓橢

7、圓形通體封頭中的應力，包括由壓引起的薄膜應力和封頭與圓筒連接處不連續(xù)應力，都與橢圓封頭長軸與短軸的比例有關。目前，工程上一般都采用限制橢圓形封頭最小厚度的方法，如GB150規(guī)定標準橢圓封頭的有效厚度應不小于封頭直徑的0.15%，非標準橢圓形封頭的有效厚度應不小于0.30%。圖 2-1 橢圓形封頭示意圖Fig 2-1 Elliptical head Map 1.2.5.2封頭的厚度計算1. 上封頭厚度的計算1）確定壁厚釜體的上封頭只承受0.5MPa的壓時。 因為 = 1.1Pw = 1.1 1.0 = 1.1MpaC=C+C=0.6+1.5=2.1 mm將計算結果圓整，取2）驗算最小壁厚對于壓力

8、較低的容器，按強度計算出來的壁厚很薄，往往會給制造和運輸、吊裝帶來困難，為此對殼體元件規(guī)定了不包括腐蝕裕量的最小厚度。對于碳素鋼、低合金鋼制的容器，不小于3mm；對于高合金鋼字母不小于2mm。將計算結果圓整，取而所以，取壁厚。3）校核水壓試驗強度=1.25P0.9顯然，故水壓試驗強度足夠。所以，上封頭厚度。2.下封頭厚度的計算 1）當只受0.5MPa壓時與上封頭相同。2）當只承受外壓時與筒體厚度計算方法相同。3）當同時承受壓和外壓時與筒體厚度計算方法相同。所以，封頭厚度取 設計壓力；實驗壓力；計算應力；筒體徑；名義厚度；有效厚度1.3反應釜的攪拌裝置1.3.1攪拌器的類型及選擇由于槳式混合設備

9、結構簡單、混合性能好、能耗低、裝料系數較大、同時所占用空間及作業(yè)面積小、操作維修方便，而且應用很廣泛。由條件可知，攪拌軸的轉速是60，參照攪拌器形式及其參數選取漿式攪拌器。此次設計的基本條件，本次設計選用槳式攪拌器作為反應釜的攪拌裝置。選用平直葉輪，如圖2-3所示。圖 2-3 平直葉輪-攪拌器結構示意圖Fig 2-3 Straight impeller - blender structure diagram攪拌器的基本尺寸滿足：d=(0.2-0.8)D；b=（0.1-0.25）d；h=（0.2-1）d；其中: d表示攪拌器外徑，；b表示槳葉的高度，；h表示槳葉離封頭端部的距離，；D表示反應釜筒

10、的徑，。已知反應釜筒直徑為D=1600可求得d=800；h=400；b=100。1.3.2攪拌功率的計算影響攪拌功率P的主要因素有以下四種：1. 攪拌器的集合尺寸和轉速：如葉輪的直徑d、葉寬b、葉片傾角、轉速N、單個葉片數Np和葉輪離罐底寬度e等。2. 攪拌容器的結構：如罐形、罐徑D、深度H、擋板數Nb和擋板寬度Wb等。3. 攪拌介質的特性：液體的密度、粘度等。4. 重力加速度g等。上述影響因素可以用下式關聯：式中：B槳葉寬，m； d攪拌器直徑，m； D攪拌容器徑，m； Fr弗勞德數，F； h液面深度，m； K系數； N轉速，s； Np功率準數； P攪拌功率，w； r, q指數； R雷諾數，

11、粘度，Pas一般情況弗勞德數F的影響較小，容器的直徑D、擋板的寬度W等幾何參數可歸結到系數K。本次設計已知攪拌反應器筒體的直徑為1600mm，采用螺旋式攪拌器，攪拌軸轉速為63r/min，容器液體密度為913.6kg/m，粘度為0.45310-3mPas。攪拌功率計算如下：n=63r/min=1.05 s由Np-Re算圖可查的Np=1.7按公式可計算攪拌功率： kw所以本次設計的攪拌功率為4.7千瓦。1.3.3攪拌軸的校核1.3.3.1攪拌軸材料的選擇鍛件的部組織比較均勻，強度較好，故重要的軸（或尺寸變化大的軸）應采用鍛件，常用優(yōu)質碳素鋼有35、45、50鋼，其中以45鋼應用最多。攪拌軸收到扭

12、矩和彎曲的組合作用，其中以扭轉為主。本次設計選用45鋼作為攪拌軸的材料。1.3.3.2攪拌軸的強度校核 (4-1)式中：軸橫截面上的最大剪切應力，MPa； MT軸所傳遞的扭矩，N mm；Wp軸的抗扭截面系數，mm；材料許用剪切應力，MPa。通常45鋼取30MPa40MPa, Q235-A 取 12 MPa20 MPa。 選取45鋼，查表可知A，A為(110120)，取A=115 因為d 所以 d d=56.5724mm；取圓整值d=57mm MT =9.55106 (4-2) 所以 MT =9.55106 =9.55106 MT =1.136 106 對于實心軸， (4-3) =36344.1

13、2mm3 將式（6-2）和（6-3）代入（6-1）中，得 (4-4)式中：d攪拌軸直徑，mm；P攪拌軸傳遞的功率，kw；n攪拌軸轉速，r/min。本次設計：MPa 取圓整值為32 MPa 30 MPa40MPa mm本次設計選用45鋼，經校核，攪拌軸的強度合格。1.3.3.3攪拌軸的剛度校核為了防止攪拌軸產生過大的扭轉變形，從而在扭轉中 振動，影響正常工作，應把軸的扭轉變形限制在一個允許的圍，即規(guī)定一個設計的扭轉剛度條件。工程上以單位長度的扭轉角不得超過許用扭轉角的剛度條件，即：式中：軸扭轉變形的扭轉角，/m；G攪拌軸材料的剪切彈性模數，MPa，對于碳鋼及合金鋼為8.1MPa；I軸截面的極慣性

14、矩，mm4，對于實心軸公式I；許用轉角，/m。對于一般傳動，如攪拌軸，取0.5 /m1.0 /m由上式可導出實心軸的直徑為： (4-5)本次設計：/m mm經校核，攪拌軸的剛度合格。通過校核，攪拌軸的直徑同時滿足強度和剛度兩個條件。所以本次設計攪拌軸直徑選用d=57mm滿足設計要求。1.4電機的選用攪拌反應釜所需電動機的功率可由計算。式中：P工藝要求的攪拌功率，kw； P電動機功率，kw；Pm軸封摩擦損失功率，kw； 傳動系統的機械效率。本次設計選用YXJ系列擺線針輪減速異步電動機。1.5反應釜的傳熱裝置1.5.1傳熱裝置的類型及選擇本次設計采用整體U型夾套。并且按照過程設備材料的選用原則，此

15、次設計的夾套材料選用16MnR。1.5.2傳熱裝置的尺寸計算1.5.2.1夾套直徑及高度的選擇夾套的直徑Dj一般按表5-2工程尺寸系列選取。表 5-2 夾套直徑與筒體直徑關系Di50060070080020003000DjDi+50Di+100Di+200以利于按標準選擇夾套和封頭。本次設計由于工程實際要求Dj=1800mm。夾套筒體高度Hj主要由傳熱面積確定，一般不低于料液的高度，以保證充分傳熱，根據裝料系數，操作容積V，夾套筒體的高度Hj可由下式估算 mm 取圓整值=1200mm確定夾套筒體高度還應考慮兩個因素：當反應釜筒體與上封頭采用平面法蘭連接時，夾套頂邊應在法蘭下150mm200mm

16、處，當反應釜具有懸掛支座時，應考慮避免因夾套頂部位置而影響支座的焊接。所以本次設計，根據實際情況，取夾套高度Hj=1200mm。1.5.2.2夾套筒體厚度的計算由于夾套只承受1.8MPa的壓，所以夾套的壁厚采用壓容器壁厚的計算方法進行計算。1. 確定壁厚 經查表Di DI +100=1600+100=1700mm =1.1Pw =1.10.5=0.55 MPa； mmC=C mm mm2. 驗算最小壁厚 mm而 故最小壁厚能合格。3. 校核水壓試驗強度 MPa MPa0.9 MPa顯然，故水壓試驗強度足夠。所以，此次設計夾套筒體厚度取 mm。設計壓力；實驗壓力；計算應力；筒體徑；名義厚度；有效

17、厚度 1.6反應釜的密封裝置設計由于攪拌軸是轉動的，而反應釜的封頭是靜止的，在攪拌軸伸出封頭處必須進行密封，以阻止反應釜介質外漏，或阻止空氣漏人反應釜。由于本次設計的容器壓力為1.0MPa，設計溫度為133，所以選擇常壓填料箱來作為反應釜的密封裝置。1.7反應釜的其它附件1.7.1設備的支座圖8-1 耳式支座由于耳式支座是立式容器中應用較為廣泛的一種，尤其是中小型設備。并且使用這種設備有利于增強軸向剛性及改善殼體由支座幾種載荷所產生的局部應力狀態(tài)。所以根據設計條件，本次設計選用耳式支座。一臺設備一般配置有24個支座。必要時也可以適當增加，但在安裝時不容易保證各支座在同一平面上，也就不保證各耳座

18、受力均勻。本次設計選用4個耳式支座。并且在容器和支座之間加墊板。支座的材料選用0Crl8Ni9。耳式支座的作用是承受容器的重量。若容器安裝在室外或者側面掛有重物，則在支座計算中要相應計入風載荷和偏心載荷所造成的外力距M。有地震的地區(qū)還要考慮由地震載荷引起的力矩。當容器裝滿介質時，支座中最大應力在背風側，因為靜載荷與風載荷引起的附加載荷是相加的，因此在背風側支座中的應力是支座設計時的控制應力。單個支座的最大總壓縮載荷Q可按下式計算。 當容器時空的時候，最大拉應力在向風側，因為在這種情況下，引起拉應力的載荷為由風載荷引起的支座上附加載荷揀去靜載荷。因此，單個支座最大拉伸載荷Q為：式中：D支座安裝尺寸，mm；g重力加速度，去g=9.8m/s；Ge偏心載荷，N；h水平作用點至底板高度，mm；k不均勻系數，安