关 键 词：

10 立方米 反应

资源描述：

10立方米的中压反应釜,10,立方米,反应

内容简介：

IVertical stirrer tanks of mechanical designAbstractReactors are one kind of important vessels in chemical production. The reaction mechanism in it is complicated. Because of multiple controlled objects and big time-variant, non-linear, time-delay, classical control theory and optimal control of modern control theory are not fit for the control of reactors. The analysis of the reactors heat transfer characteristics, and the transfer function of cooling mixtures flux to the temperature in reactors are concluded in the paper. Intelligent control system of two-part control according to error range is designed also. Adaptive fuzzy-control based on modified rule and incomplete differential PID-control are adapted in the system. The analysis process and control algorithm are described in detail. On the basis of this, intelligent controller based on series of MCS-51 single-chipcomputer is designed, and popular serial bus-I2C bus and 1-wire bus are used in thispaper, which constitute the system of multiple points temperature measurement. Port circuits of single-chip computer and software program are designed in the paper, too. By controlling the executive device and condition parameters of the reactor, the control of temperature and its grade realized.The equipment is about the design of demulsified polymerize, which is used in medical, the structure of polymerize is jacket style, the media of boiler is ethylene oxide and propylene oxide, the designed pressure is 0.55MPa, the media of the jacket is water, the designed pressure is 1.98MPa; the main material is 0Cr18Ni9, and stirring speed is 85r/min. The water of jacket cools the material of boiler. Designed methods is common, and according to GB150-98steel pressure vessels, the major designed content included the choice of designed method, the design of cauldron bodys (including boiler inner and jacket) strength and structural, design of Mixing device、Heat transfer device、Actuator and other parts.Key words：Reactor; polymerization reactor; mixing equipment; heat transfer devices.II目目 录录摘 要.IABSTRACT .II第 1 章 绪论.1第 2 章 设计方案的选择及设计参数的确定.32.1 反应釜类型的选择.32.2 设计参数的确定.32.2.1 设计压力的确定.32.2.2 设计温度的确定.4第 3 章 反应釜的结构设计.53.1 釜体的选型及尺寸确定.53.1.1 釜体材料及结构型式的选择.53.1.2 釜体直径及高度计算.63.1.3 釜体厚度计算.83.2 封头的选型及尺寸确定.103.2.1 封头材料及结构型式的选择.103.2.2 封头的厚度计算.11第 4 章 反应釜的搅拌装置.134.1 搅拌器的类型及选择.134.2 搅拌功率的计算.154.3 搅拌轴的校核.174.3.1 搅拌轴材料的选择.174.3.2 搅拌轴的强度校核.174.3.3 搅拌轴的刚度校核.19第 5 章 反应釜的传热装置.205.1 传热装置的类型及选择.205.2 传热装置的尺寸计算.20III5.2.1 夹套直径及高度的选择.205.2.2 夹套筒体厚度的计算.21第 6 章 反应釜的传动装置.236.1 传动方式.236.1.1 电机的选用.236.1.2 电机的选用.246.2 底座的设计.24第 7 章 反应釜的密封装置设计.25第 8 章 反应釜的其它附件.278.1 设备的支座.278.2 联轴器的选用.288.3 法兰的选用.298.4 手孔的类型及选择.30结 论.32参考文献.33谢 辞.340第第 1 章章 绪论绪论在生产实践中，要实现某种化工生产就需要由相应的机器和设备。例如，对物料进行混合、分离、加热和化学反应等操作，就需要有混合搅拌设备、分离设备、传热和反应设备；对流体进行输送，就血药有管道、阀门和储存设备等因此，化工机器及设备是实现化工生产的重要工具，没有相应的机器和设备，任何化工生产过程都将无法实现。石油化工生产过程主要由物理加工过程和化学加工过程所组成。物理加工过程可通过精馏、吸收、萃取、过滤、干燥等化工单元操作来完成。化工加工过程则是在反应设备内，而许多化工生产过程都需要采用搅拌操作来完成，搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之间互相分散，从而达到均匀混合，也可以加速传热和传质过程，它是一种广泛应用的单元操作，它的复杂性正在于它的原理要涉及流体力学、传热、传质以及化学反应等多种过程，它既可以是独立流体力学范畴的单元操作，又往往是完成其他单元操作的必要手段。从本质上讲搅拌过程就是在流动场中进行单一的动量、热量、质量传递及化学反应的过程。搅拌设备设计的基本要求有：1. 安全可靠2. 满足过程要求3. 综合经济性4. 易于操作、维护和控制5. 优良的环境性能搅拌反应设备对于流体力学的研究具有重要意义，在液体中进行搅拌时，搅拌器功能不仅引起液体的整个运动，而且在液体中会产生湍动，这就需要设计出避免产生涡旋现象的搅拌器，常用的搅拌器有浆式、推进式和涡轮式。搅拌反应设备的应用很广泛。主要用于物料的混合、溶解、传热、制备悬浮液、制备催化剂等。尤其是化学工业中，很多的化工生产中都应用搅拌操作，化学工艺过程中的种种化学变化是以参加反应物的充分混合为前提的，对于加热、冷却、液体的萃取以及气体的吸收等物理变化过程，也往往要采用搅拌操作才能得到良好的效果，减半反应设备在许多场合时作为反应器来应用的。例如在三大合成材料的生产中，它作为反应器占反应器总数的 90%，其他如染料、1医药、农药、油漆等行业，都采用各种型式的搅拌反应设备。搅动液体使之发生某种方式的循环流动，从而使物料混合均匀或使物理、化学过程加速的操作。搅拌在工业生产中的应用有：气泡在液体中的分散，如空气分散于发酵液中，以提供发酵过程所需的氧；液滴在与其不互溶的液体中的分散，如油分散于水中制成乳浊液；固体颗粒在液体中的悬浮，如向树脂溶液中加入颜料，以调制涂料；互溶液体的混合，如使溶液稀释，或为加速互溶组分间的化学反应等。此外，搅拌还可以强化液体与固体壁面之间的传热，并使物料受热均匀。搅拌的方法有机械搅拌和气流搅拌。搅拌操作分为机械搅拌和气流搅拌。气流搅拌是利用气体鼓泡通过液体层，对液体产生搅拌作用，或使气泡群以密集状态上升借所谓气升华作用促进液体产生对流循环。与机械相比，仅气泡的作用对液体所进行的搅拌是比较弱的，对于几千毫帕秒以上的高黏度液体是难于适用的。但气流搅拌无运动部件，所以在处理腐蚀性液体，高温高压条件下的反映液体的搅拌是很便利的。在工业生产中，大多数的搅拌操作均系机械搅拌。搅拌设备在工业生产中应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生产都或多或少地应用着搅拌操作。化学工艺过程的种种化学变化，是以参加反应物质的充分混合为前提的。对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，也往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备在许多场合是作为反应器来应用的。例如在三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器约占反应器总数的 90%。其他如染料、医药、农药、油漆等行业，搅拌设备的使用亦很广泛。搅拌设备的应用之所以这样广泛，还因搅拌设备操作条件（如浓度、温度、停留的时间等）的可控范围较广，又能适应多样化的是生产。在石油工业中因为大量应用催化剂、添加剂，所以对搅拌设备的需要量很大。由于物料操作条件的复杂性、多样性，对搅拌设备的要求也复杂化了。如炼油厂的硅铝反应器、打浆罐、等都是装有各种不同型式的搅拌器的搅拌设备。2第第 2 章章 设计方案的选择及设计参数的确定设计方案的选择及设计参数的确定2.1 反应釜类型的选择反应釜类型的选择随着石油化工生产的不断发展和需求，搅拌反应釜成为化工生产中常用的反应设备，一台搅拌反应设备大致由釜体、换热元件、搅拌装置、传动装置以及密封装置等组成。搅拌容器筒体基本上是圆筒形，封头常采用椭圆形封头、锥形封头和平盖，其中以椭圆形封头应用最广。反应釜是综合反应容器，根据反应条件对反应釜结构功能及配置附件的设计。为了在操作过程中队反应物进行控制，从开始的进料-反应-出料均能够以较高的自动化程度完成预先设定好的反应步骤，对反应过程中的温度、压力、力学控制反应物/产物浓度等重要参数进行严格的调控。反应釜操作温度较高，通常化学反应需要在一定的温度条件下才能进行，所以反应釜既承受压力又承受温度。获得高温的方法通常有水加温要求温度不高时可采用，其加热系统有敞开式和密闭式两种。敞开式较简单，它由循环泵、水槽、管道及控制阀门的调节器所组成，当采用高压水时，设备机械强度要求高，反应釜外表面焊上蛇管，蛇管与釜壁有间隙，使热阻增加，传热效果降低。反应釜一般分为 4 类；搅拌反应釜：一般用于石油化工业、以及化学工业物质材料的搅拌，使物质更加均匀，反应充分等。不锈钢反应釜：适用于石油、化工、医药、冶金、科研、大专院校等部门进行高温、高压的化 学反应试验，对粘稠和颗粒的物质均能达到高搅拌的效果.搪玻璃反应釜：广泛应用于石油、化工、食品、医药、农药、科研等行业电加热反应釜：广泛应用于石油、化工、食品、医药、农药、科研等行业，是用业完成聚合、缩合、硫化、烃化、氢化等化学工艺过程，出及有机染料和中间体许多工艺过程的反应设备。32.2 设计参数的确定设计参数的确定2.2.1 设计压力的确定设计压力的确定设计压力是指容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不的低于工作压力。实际计算时可以按压力容器安全技术监察规程等有关规来确定相信的设计压力1 当容器上装有安全泄放装置时，考虑到安全阀开启时动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力应低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的1.051.10 倍；2 装设爆破片时，设计压力不得低于爆破片的爆破压力。3 当容器出口侧管线上装有安全阀时，其设计压力应不低于安全阀的开启压力加上流体从容器至安全阀处的压力降。 本次设计为立式搅拌反应釜的机械设计，釜内和夹套的工作压力分别为1.0Mpa 和 0.5Mpa，容器上并未装设安全阀和爆破片等安全泄放装置，但是为了使设备能安全地进行工作，本次釜内和夹套的设计压力都取 1.1 倍的工作压力，分别为 1.1Mpa 和 0.55Mpa。2.2.2 设计温度的确定设计温度的确定设计温度是指容器在正常工作的情况下，在相应设计压力下，设定的受压元件的金属温度（指沿金属截面厚度的温度平均值） 。当元件金属温度不低于0时，其值不得高于金属可能达到的最低温度；GB150 规定设计的温度等于或低于20的容器于低温元件的金属温度，可以通过传热计算或实测得到，也可按内部介质的最高（或最低）温度确定，或在此基准上增加（或减少）一定数值。设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。本次设计严格遵循 GB150 规定，并且考虑到设计压力，釜内的设计温度取95，夹套的设计温度取 133。4第第 3 章章 反应釜的结构设计反应釜的结构设计3.1 釜体的选型及尺寸确定釜体的选型及尺寸确定反应釜筒体的主要部分是容器，如图 3-1（a）所示。其筒体基本是圆筒形，封头常采用椭圆形、锥形和平板形，其中以椭圆形应用最广泛。釜体结构与传热形式有关，最常见的是夹套式壁外传热结构，如图 3-1（b）所示；也有釜体内设蛇管的传热结构，如图 3-1（c）所示，必要时也可将夹套和蛇管联合使用。釜体上按工艺要求还需要安装各种接管口。(a) 筒体 （b）夹套 （c）蛇管图 3-1 釜体结构3.1.1 釜体材料及结构型式的选择釜体材料及结构型式的选择1. 釜体材料的选择反应釜应用在在石油化工业、医药、食品、农药等行业，这些行业大多是化学反应的，对釜体材料要求较高，应该考虑到它的耐腐蚀性、使用性能、工艺性、以及经济合理性、都要符合规定。在满足了以上要求之后，还要充分考虑介质的特性，介质特性主要是介质的组成、浓度和 PH 等，介质通常与构件材料以界面形式直接接触的，因此主要考虑的是材料的耐腐蚀性和耐磨性，腐蚀性的组分种类不同，含量不同，对材料的腐蚀性也不同；并且化工神色悲大多处理流动介质，当介质包含有固体颗粒或有很高的流速时，它会在构件的表面产生冲刷、涡旋和湍流等现象，引5起材料严重冲击、磨损，这时又要求材料又足够的耐磨性。压力容器常用的材料又如下几种：1) Q235-AF 容器设计压力 P0.6MPa；钢板使用温度为 0250；用于壳体时，钢板厚度不大于 12mm；不得用于易燃介质以及毒性程度为中度、高度或极度危害介质的压力容器。2) Q235A 容器设计压力 P1.0MPa；使用温度在 0350。不得用于盛装液化石油气介质以及毒性程度为高度或极度危害介质。3) Q235B 容器设计压力 P1.6MPa；钢板使用温度在 0350；不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器。4) 16MnR 它属于强度用钢，是 345MPa 级的低合金钢，具有良好的机械性能、焊接性能、工艺性能极低温冲击韧性。中低温时机械性能均优于 Q235-A、15、20 等碳素钢，使用温度在-40475的场合，在石油化工设备、锅炉、压力容器中广泛使用。5) 0Crl8Ni9 它属于不锈耐酸钢，抗高温氧化性能好、有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐酸性亦佳。此钢有较好的冷变形性能，可以进行弯曲、卷边等工序，但冷作硬化能力很强，对冷变形量大的工序，则需进行一次中间热处理，焊接性能良好，可以进行各种方法的焊接。是在化工、原子能、食品设备中应用最广泛的不锈钢和耐热钢，除制作壳体外，还可作设备衬里、容器法兰衬环、紧固件、金属密封垫等。鉴于 16MnR 能够满足材料的使用性能、工艺性能和经济性能，并且适合本次设备设计，所以本次设计釜体的材料选用 16MnR。2.釜体结构型式的选择搅拌反应釜釜体的主要部分是容器，其筒体基本上圆柱形的。由于圆柱形筒体是最常见的一种压力容器结构形式，具有结构简单、易于制造、便于在内部装设内件等优点，被广泛应用于反应器、换热器、分离器和中小型容积储存容器。由于圆柱形筒体结构简单、易于在内部安装内件，所以本次设计选用圆柱形筒体。3.1.2 釜体直径及高度计算釜体直径及高度计算1.釜体直径的计算6釜体的基本尺寸是内径 Di和高度 H，它们的尺寸首先要满足工艺设计要求。对于反应釜，设备容积式主要决定参数，根据化工原理知识，搅拌功率与搅拌器直径的五次方成正比，而搅拌器的直径往往需要随容器直径的增大而增加，因此在同样的容积下，反应釜的直径太大时不适宜的，但某些有待定要求的反应釜如发酵罐之类，为了使通入罐中的空气能与发酵液充分接触，需要一定的液体高度，故筒体的高度不宜太矮。 根据实践经验，集中反应釜的 H/D 如表 3-1 所示。i 表 3-1 反应釜的 H/D 值i种类釜内物料类型H/Di液液相或液固相物料11.3一般反应釜气液相物料12发酵罐类气液相物料1.72.5在确定反应釜直径及高度时，还根据反应釜操作时所允许的装料程度装料系数 等予以综合考虑，通常装料系数 可取 0.60.85；如果物料在反应过程中产生泡沫或成沸腾状态，应取较低值，一般为 0.60.7；若反应状态平稳，可取 0.80.85（物料粘度大时，可取最大值） 。因此，釜体容积 V 与操作容积 V应有如下关系：V= V 工程实际中，要合理选用装料系数，以尽量提高设备00利用率。对于直立反应釜来说，釜体容积通常是指圆柱形筒体及下封头所包含的容积之和，根据釜体容积 V 和物料性质，选定 H/D 值，估算筒体内径 D ，由公ii式（3-1）和（3-2）求得。 = (3-1)V)DH(D4HD4i3i2i (3-2)33i3.141.1410)DH(4ViD可得 D =2262mmi式中：V釜体容积，m（本次设计的釜体容积为 10m） ； H筒体高度，m； D 筒体内径，m；i7 H/D 由表 3.1 得，并根据实际情况取 H/D =1.1。ii将计算结果圆整为标准直径，的 D =2200mm。i2.釜体高度的计算对于直立式反应釜，其圆柱部分筒体的高度 H 可由公式（3-3）计算。 (3-3)H1VVVh=2224mmH801. 35459. 1-10式中：V釜体容积，m（本次设计的釜体容积为 4m） ； V下封头所包含的容积，VH=0.617m；可从文献 9 中表 166 查得。 V 筒体每一米高的容积，V1=2.010m；可从文献 9 中表 166 查得。1 3. H/D 校核： i 所以合格 122002200iDH 4.釜体的装料量 装料系数且 取 0.7； V釜体容积； V0 = V = 10 0.8= 8 m3.1.3 釜体厚度计算釜体厚度计算由于釜内承受 3.3Mpa 压力，而夹套承受 0.3Mpa 压力，所以筒体的厚度有：1.受 3.3Mpa 内压1) 确定壁厚由公式（3-4）计算。2) 因为 = 1.1Pw = 1.1 3.3 = 3.63MpacP （3-4） cticePDP5 . 02 mmPDPctice5 .2563. 385. 01702220063. 32C=C +C =2 mm12mmCen5 .2725 .25将计算结果圆整，取 mmn28设计压力；cP8筒体内径；iD名义厚度；n有效厚度；e3) 验算最小壁厚min对于压力较低的容器，按强度计算出来的壁厚很薄，往往会给制造和运输、吊装带来困难，为此对壳体元件规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度。min对于碳素钢、低合金钢制的容器，不小于 3mm；对于高合金钢不小minmin于 2mm。 mmC52332min将计算结果圆整，取mm28min而minn所以，取壁厚。mmn284) 校核水压试验强度 因为 = 1.1Pw = 1.1 3.3 = 3.63MpacPP =1.25PTC MPat5 . 417017063. 325. 1MPaDPeeiT180282)282200(5 . 42)(0.9MPas925.26317085. 09 . 0显然，故水压试验强度足够。s9 . 0设计压力；cP实验压力；TP计算应力；屈服应力；s焊接接头系数；93.2 封头的选型及尺寸确定封头的选型及尺寸确定3.2.1 封头材料及结构型式的选择封头材料及结构型式的选择1. 封头材料的选择此次设计封头的材料与釜体的材料相同，采用 16MnR。2. 封头结构型式的选择压力容器封头的种类较多，封头又称端盖，按其形状可分为三类：凸形封头、锥形封头、平板形封头。其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、蝶形封头和球冠形封头。1）半球形封头半球形封头，如图 3-2（a）所示，为半个球壳，半球形封头与球壳具有相同的优点，即在同样的条件下，它所需要的壁厚最薄，在同样的容积时其表面积最小，壳节省钢材，故从这些方面看来，半球形封头是最理想的结构形式。但其缺点是深度较大，直径小时，整体冲压困难；直径大时，采用分瓣冲压其拼焊工作量又较大。因此，对于一般中小直径的容器很少采用半球形封头，半球形封头常用在高压容器上。2）椭圆形封头椭圆形封头，如图 3-2（b）所示，是由半个椭球面和一个短圆筒组成，由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压和成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。受内压椭圆形通体封头中的应力，包括由内压引起的薄膜应力和封头与圆筒连接处不连续应力，都与椭圆封头长轴与短轴的比例有关。目前，工程上一般都采用限制椭圆形封头最小厚度的方法，如 GB150 规定标准椭圆封头的有效厚度应不小于封头内直径的 0.15%，非标准椭圆形封头的有效厚度应不小于 0.30%。 10（a）半球形封头 （b）椭圆形封头 （c）碟形封头图 3-2 封头类型3）碟形封头碟形封头，如图 3-2（c）所示，是带折边的球面封头，由半径为 RI 球面体、半径为 r 的过渡环壳和短圆筒等三部分组成。在工程中使用并不理想。但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，且压制碟形封头的钢模加工简单，因此，在某些场合仍可以代替椭圆形封头的使用4）球冠形封头碟形封头当 r=0 时，即成为球冠形封头，它是部分球面与圆筒直接相连，因而结构简单、制造方便，常用于容器中两独立受压室的中间封头，也可用作端盖。由于球面与圆筒连接部分没有转角过渡，所以在连接处附近的封头和圆筒上都存在相当大的不连续应力。综上所述，本次设计选用椭圆形封头。3.2.2 封头的厚度计算封头的厚度计算1. 上封头厚度的计算1）确定壁厚釜体的上封头只承受 3.3MPa 的内压时。 因为 = 1.1Pw = 3.3 1.0 =3.63MpacP mmPDPctice8 . 263. 35 . 085. 017022 . 263. 35 . 02C=C +C =2 mm12mmCen8 . 428 . 2将计算结果圆整，取mmn102）验算最小壁厚min对于压力较低的容器，按强度计算出来的壁厚很薄，往往会给制造和运输、吊装带来困难，为此对壳体元件规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度。对于min碳素钢、低合金钢制的容器，不小于 3mm；对于高合金钢字母不小于min2mm。11mmC52332min将计算结果圆整，取mm5min而minn所以，取壁厚。mmn103）校核水压试验强度=1.25PPTC MPat5 . 417017063. 325. 1MPaDPeeiT180282)282200(5 . 42)(0.9MPas925.26317085. 09 . 0显然，故水压试验强度足够。s9 . 0所以，上封头厚度。mmn102.下封头厚度的计算 1）当只受 3.3MPa 内压时与上封头相同。2）当只承受外压时与筒体厚度计算方法相同。3）当同时承受内压和外压时与筒体厚度计算方法相同。所以，封头厚度取 mmn10设计压力；cP实验压力；TP计算应力；筒体内径；iD名义厚度；n有效厚度e 12第第 4 章章 反应釜的搅拌装置反应釜的搅拌装置4.1 搅拌器的类型及选择搅拌器的类型及选择一、设计反应釜时，选择合适的搅拌器时十分重要的。选择时根据什么原则，考虑什么因素，下面提出一些原则性的意见。考虑的因素主要有两个方面，一是介质的性质，如被搅拌液体的黏度、重度及腐蚀性；另是反应过程的特性及传质传热的要求等。二、搅拌附件减半附件通常是指在搅拌槽内为了改变流动状态而增加的设备零件，如挡板和导流筒。在某些场合，这些附件是不可缺少的。采用那种附件要和搅拌器的造型综合考虑，以达到预期的搅拌流动状态增设附件会使液体的流动阻力增大，当然要影响搅拌功率，这在后面的功率计算中还要谈到。有时，搅拌槽内的某些零件不是专为某些专为改变流动状态而设计的，但因为它对也留也有一定的阻力，也会起到这方面的部分作用，如蛇管传热、温度计套管就属此类零件。三、搅拌反应设备可以从不同角度进行分类，其中按搅拌装置的安装型式可分为以下几类：1.立式容器中心搅拌2.偏心式搅拌3.倾斜式搅拌本次的设计主要应用的是立式反应釜的机械设计，下面简单介绍一下特点：立式容器中心搅拌设备，是将搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动或齿轮传动，用普通电机直联或与减速器直联，功率为 0.1kw,在实际应用中 0.222kw 比较常见。由于设备的大型化，超过 400kw，的大型设备也出现了，一般认为功率 3.7kw 以下为小型，5.522kw 为中型；转速低于 100r/min 为低速，100400r/min 为中速，大于 400r/min 为高速。中、小型立式容器搅拌反应设备，转速为 300360r/min，电机功率大约为 0.415kw 的范围，用皮带或齿轮一级减速。桨叶的形状，根据用途可以考虑各种各样的组合方式，以三叶推进式、涡轮式为主体。13图 4-1 立式容器中心搅拌四、搅拌轴的设计1、搅拌轴的材料和普通的轴一样，常用 45 号钢，不重要的强度要求不高的搅拌轴可用Q235 钢，当耐腐蚀要求较高或要求物料不被铁离子污染时，应采用不锈耐酸钢或采用防腐措施。2、搅拌轴的结构搅拌轴常用实心和空心直轴。其结构型式轴上安装的搅拌器的类型、支撑的结构和数量以及与联轴器的链接要求不高而定。还要考虑腐蚀等因素的影响。下面介绍几种常用的搅拌器将结构和特点。1. 桨式搅拌器桨式搅拌器结构简单，制造容易。缺点是主要产生旋转方向的液流，即便是折叶式桨式搅拌器，所造成的轴向流动范围也不大。它主要应用于流体的循环或黏度较高物料的搅拌。14 （a）平直叶式 （b）折叶式图 4-2 桨式搅拌器2. 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高涡轮式搅拌器（又称透平式叶轮） 。它是应用较广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的教版操作，并能处理黏度范围很广的流体。3. 推进式搅拌器推进式搅拌器结构简单、制造方便，适用于黏度低，流量大的场合，利用较小的搅拌功率通过高速转动的叶片能获得较好的搅拌效果，主要用于液液系混合，使温度均匀，在低浓度固液系中防止淤泥沉降等。推进式搅拌器循环性能好，剪切作用不大，属于循环型搅拌器。4. 螺带式搅拌器螺带式搅拌器是由桨式搅拌器变化而来的。它主要特点是消耗功率小。根据资料介绍，在雷诺数相同的情况下，单螺旋搅拌器的消耗功率是涡轮式搅拌器的消耗功率的二分之一，因此在化工生产中应用较为广泛，并主要适合在高粘度、低转速的情况下使用。由于桨式混合设备结构简单、混合性能好、能耗低、装料系数较大、同时所占用空间及作业面积小、操作维修方便，而且应用很广泛。鉴于以上各种搅拌器的特点和此次设计的基本条件，本次设计选用桨式搅拌器作为反应釜的搅拌装置。4.2 搅拌功率的计算搅拌功率的计算搅拌过程进行时需要动力，这动力也称搅拌功率，具有一定结构形状的设备中装有一定物性的液体，其中用一定形式的搅拌器以一定的转速进行搅拌时，将对液体做功并使之发生流动，这是使搅拌器连续运转所需要的功率即搅拌功15率。显然，搅拌功率是搅拌器的几何参数、搅拌罐的几何参数、物料的物性参数和搅拌器的运转参数的函数。搅拌功率准数 Np是搅拌设备最基本得特征参数之一，搅拌功率可由文献中图算法估得。 6P53dNNpe影响搅拌功率 P 的主要因素有以下四种：1. 搅拌器的集合尺寸和转速：如叶轮的直径 d、叶宽 b、叶片倾角、转速 N、单个叶片数 Np和叶轮离罐底宽度 e 等。2. 搅拌容器的结构：如罐形、罐径 D、深度 H、挡板数 Nb和挡板宽度 Wb等。3. 搅拌介质的特性：液体的密度、粘度等。4. 重力加速度 g 等。上述影响因素可以用下式关联：N.),()()(53DhDBDdfFRKdNPqrreep式中：B桨叶宽，m； d搅拌器直径，m； D搅拌容器内径，m； Fr弗劳德数，F；gdnr2 h液面深度，m； K系数； N转速，s； Np功率准数；1 P 搅拌功率，w； r, q指数；e R 雷诺数， 粘度，Pase2ndRe一般情况弗劳德数 F 的影响较小，容器的内直径 D 、挡板的宽度 W 等几rib何参数可归结到系数 K。本次设计已知搅拌反应器筒体的直径为 2200mm，采用桨式搅拌器，搅拌轴转速为 50r/min，容器内液体密度为 913.6kg/m，粘度为 0.453 10-3mPas。搅拌功率计算如下：因为 搅拌器直径筒体直径4143 DJ= 1400mm166322103 . 310453. 06 .9134 . 183. 0ndRen=63r/min=0.83 s1由文献中 P60图 3-3EKATO 公司的 Np-Re算图可查的 Np=3 2按公式可计算搅拌功率：53dNNPpe kw7 . 54 . 160506 .913353）（eP所以本次设计的搅拌功率为 5.7 千瓦。4.3 搅拌轴的校核搅拌轴的校核4.3.1 搅拌轴材料的选择搅拌轴材料的选择搅拌轴材料的选择主要根据轴的工作条件并考虑制造工艺等阴虚共同来确定。轴的材料应有较高的强度和刚度，同时还要考虑材料的来源、工艺性和经济性。通常轴的常用材料是碳素钢和合金钢。锻件的内部组织比较均匀，强度较好，故重要的轴（或尺寸变化大的轴）应采用锻件，常用优质碳素钢有35、45、50 钢，其中以 45 钢应用最多。有时还需要适当热处理，以提高轴的强度、刚度和耐磨性。这类钢板的强度、塑性与韧性等综合机械性好，一般经正火、调质处理，且材料来源方便，加工方便，经济性好，可用于一般要求较高的轴，对于不重要或受载荷较小的轴可采用 Q235A、Q275 等普通碳素钢。搅拌轴收到扭矩和弯曲的组合作用，其中以扭转为主，所以工程删采用近的方法来确定搅拌轴的直径。综合考虑，本次设计选用 45 钢作为搅拌轴的材料。4.3.2 搅拌轴的强度校核搅拌轴的强度校核 (4-1) PTWMmax式中：轴横截面上的最大剪切应力，MPa； maxMT轴所传递的扭矩，N mm；Wp轴的抗扭截面系数，mm ；3材料许用剪切应力，MPa。 17通常 45 钢取 30MPa40MPa, Q235-A 取 12 MPa20 MPa。 选取 45 钢，查表可知 A，A 为(110120)，取 A=115 因为 d3nPA 所以 d3507115 d=59.7mm；取圆整值 d=60mm MT =9.55 106 (4-2)np 所以 MT =9.55 106 =9.55 106 np507 MT =1.337 106 对于实心轴， (4-3)163dWp =42390mm3 166014. 33pW式中：d搅拌轴直径，mm；P搅拌轴传递的功率，kw；n搅拌轴转速，r/min。本次设计：MPa4 .2616)60(14. 35071055. 936maxPTWM 取圆整值为 26.4 MPa 30 MPa40MPa 本次设计选用 45 钢，经校核，搅拌轴的强度合格。4.3.3 搅拌轴的刚度校核搅拌轴的刚度校核为了防止搅拌轴产生过大的扭转变形，从而在扭转中 振动，影响正常工作，18应把轴的扭转变形限制在一个允许的范围内，即规定一个设计的扭转刚度条件。工程上以单位长度的扭转角不得超过许用扭转角的刚度条件，即： 180103PTGIM式中：轴扭转变形的扭转角，/m；G搅拌轴材料的剪切弹性模数，MPa，对于碳钢及合金钢为8.1MPa；410I 轴截面的极惯性矩，mm4，对于实心轴公式 I；P324Pd许用转角，/m。对于一般传动，如搅拌轴，取 0.5 /m1.0 /m 由上式可导出实心轴的直径为： (4-5) 41537GnPd 本次设计：/m 0.000643.141801032(60)108.1507109.5518010.34463PTGIM mm 7 .55150101 . 871537P153760444Gnmmd经校核，搅拌轴的刚度合格。通过校核，搅拌轴的直径同时满足强度和刚度两个条件。所以本次设计搅拌轴直径选用 d=60mm 满足设计要求。19第第 5 章章 反应釜的传热装置反应釜的传热装置5.1 传热装置的类型及选择传热装置的类型及选择换热装置可以传递化学反应所需的热量或带走反应生成的热量，保持一定的操作温度。常用的换热元件有夹套和蛇管，当夹套的换热面积能满足传热要求时，应优先选用夹套。夹套安装在容器外侧，用焊接或法兰连接，使其余容器外壁形成密封的空间，在此空间内通入加热或冷却的物料。因为夹套结构简单，基本上不需要进行检修，并且这样可以减少容器内件，便于清洗，不占用有效容积。所以综合考虑，本次设计选用夹套作为换热元件。夹套的主要形式有整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等。各种夹套适用的温度和压力范围表见表 5-1。表 5-1 各种夹套适用的温度和压力范围夹套形式最高温度()最高压力（MPa）U 形3500.6整体夹套圆筒形3001.6短管支撑式2002.5蜂窝夹套折边锥体式2504.0半圆管夹套3506.4型钢夹套2002.5 鉴于以上各种夹套的特点，本次设计采用整体 U 型夹套。并且按照过程设备材料的选用原则，此次设计的夹套材料选用 16MnR。5.2 传热装置的尺寸计算传热装置的尺寸计算5.2.1 夹套直径及高度的选择夹套直径及高度的选择夹套的内直径 Dj一般按表 5-2 工程尺寸系列选取。表 5-2 夹套直径与筒体直径关系Di5006007008002000300020DjDi+50Di+100Di+200以利于按标准选择夹套和封头。本次设计由于工程实际要求去Dj=2200+200=2400mm。夹套筒体高度 Hj主要由传热面积确定，一般不低于料液的高度，以保证充分传热，根据装料系数，操作容积 V，夹套筒体的高度 Hj可由下式估算 mm1698801. 35459. 1108 . 04d2HjVVH 取圆整值=1700mmjH确定夹套筒体高度还应考虑两个因素：当反应釜筒体与上封头采用平面法兰连接时，夹套顶边应在法兰下 150mm200mm 处，当反应釜具有悬挂支座时，应考虑避免因夹套顶部位置而影响支座的焊接。所以本次设计，根据实际情况，取夹套高度 Hj=1700mm。5.2.2 夹套筒体厚度的计算夹套筒体厚度的计算由于夹套只承受 0.3MPa 的外压，所以夹套的壁厚采用外压容器壁厚的计算方法进行计算。1. 确定壁厚 经查表 Di DI +200=2200+200=2400mm =1.1Pw cP=1.1 0.3=0.33MPa； mm 3 . 233. 085. 017024 . 233. 02cticePDPC=C mm221C mm3 . 423 . 2Cen2. 验算最小壁厚min mm5 .32minC而 故最小壁厚能合格。min10n3. 校核水压试验强度 M Pa 408. 017017033. 025. 125. 1tCTPP21 M Pa1 .49102)102400(408. 02)(eeiTDP0.9 M Pa925.26334585. 09 . 0s显然，故水压试验强度足够。s9 . 0所以，此次设计夹套筒体厚度取 mm。10n设计压力；cP实验压力；TP计算应力；筒体内径；iD名义厚度；n有效厚度 e22第第 6 章章 反应釜的传动装置反应釜的传动装置6.1 传动方式传动方式搅拌反应器的搅拌器是由传动装置来带动的。一般包括电动机、减速装置、联轴节及搅拌轴等。搅拌反应釜的传动装置常设置在反应釜的顶盖（上封头）上，一般采用立式布置。电动机经减速机将转速减至工艺要求的搅拌转速，再通过联轴器带动搅拌轴旋转，从而带动搅拌器转动，电动机与减速机配套使用，减速机匣设置一机座。当搅拌器快速传动并和电动机同步时，可与电动机直接连用。也可制造可移动的搅拌器，对简单的圆筒形或方敞开设备可将传动装置安装在筒体上，搅拌轴斜插入通体内。6.1.1 电机的选用电机的选用搅拌反应釜常用的电机系列有：Y 系列三相异步电动机、YB 系列防爆型三相异步电动机、YF 系列防腐型三相异步电动机、YXJ 系列摆线针轮减速异步电动机。电动机的功率主要根据搅拌所需要的功率以及传动装置的传动效率等而定。搅拌所需的功率一般由工艺要求提出，通常已考虑到了物料搅拌功率启动时的需要，但根据化工计算所得的搅拌轴计算功率有时与实际情况出入较大，还需要参考相近物料、相近搅拌情况下所需的功率。搅拌反应釜所需电动机的功率可由文献P205页公式（6-9）计算。 6mePPP式中：P 工艺要求的搅拌功率，kw； P电动机功率，kw；ePm轴封摩擦损失功率，kw； 传动系统的机械效率。B3卧式，机座带底脚，端盖上无凸缘。B5卧式，机座不带底脚，端盖上有凸缘。B35卧式，机座带底脚，端盖上有凸缘。V1立式，机座不带底脚，端盖上有凸缘。V15立式，机座带底脚，端盖上有凸缘。23本次设计选用 YXJ 系列摆线针轮减速异步电动机。电动机的安装形式选用6.1.2 电机的选用电机的选用机座是安放减速器用的，所以它与减速机底座尺寸要相配。三角带减速器自带机座，选用其他类型的标准釜用减速器可安装标准尺寸选用配机座。标准机座有 J-A 型和 J-B 型两种。1、J-A 型（不带支撑的）机座本机座适用于反应釜传来的轴向力不大时使用，减速器输出轴联轴器型式为夹壳式，或刚性凸缘联轴器。2、J-B 型（带中间支撑的）机座本类型机座适用于反应釜传来轴向力较大的时使用。减速机输出联轴器为弹性块式联轴器，搅拌轴必须在反应釜内或轴封的填料箱中设有支撑。6.2 底座的设计底座的设计安装底座用于支托机架和轴封，轴封和机架定位于底座，有一定的同轴度，从而保证搅拌轴既与减速器连接又穿过轴封还能顺利运转。视釜内物料的腐蚀情况，底座有不衬里和衬里两种。安装方式有上装式和下装式两种。有时轴封装置的箱体采取直接焊在封头上的方式称为衬里底座。此时底座只需安装机座，但为了保证机座与轴封装置的同心度，要求机座定位轴肩尺寸 D 和轴封箱体上决定搅拌轴定位的孔径 D1应有一定的同心度，因此需在焊好后连封头一起安装在车床上，再车削这两个定位面。有时底座也可以不用整体式，而采用两块半月形垫铁的形式，以便于安装和维修。本次设计选用简化底座作为减速机、轴封装置与封头的连接装置。24第第 7 章章 反应釜的密封装置设计反应釜的密封装置设计由于搅拌轴是转动的，而反应釜的封头是静止的，在搅拌轴伸出封头处必须进行密封，以阻止反应釜内介质外漏，或阻止空气漏人反应釜内，这种密封成为轴封。轴封是搅拌反应器的重要组成部分。轴封是搅拌轴设备的一个重要组成部分。而反应釜的封头是静止的，在搅拌轴伸出封头处必须进行密封，以阻止釜内介质泄露。或阻止空气漏入反应釜内 ，这种密封称为轴封轴封是减半反应器的重要组成部分。轴封的形式很多，最常用的有填料密封、机械密封、迷宫密封、浮环密封。一、机械密封机械密封是一种用来解决旋转轴与机体之间的密封装置，它是由至少一对垂直旋转轴线端面在流体上的压力和补偿机构的弹力的作用及辅助密封配合下保持贴合并相对滑动而构成，防止流体泄漏的密封装置。机械密封的主要元件由补偿环和非补偿环所组成的密封端面，又称密封端面。由弹性元件为主构成的加载补偿和缓冲机构，辅助密封圈，包括动密封圈和静密封圈。与旋转轴连接并同轴一起转动的传动装置。还有压盖和机体。机械密封（也称端面密封）的密封效果好，泄漏量很小，寿命长，但价格贵，加工安装维修保养比一般密封要求高。机械密封适用于输送石油及化工介质，可用于各种不同粘度、强腐蚀性和含颗粒的介质。美国石油学会标准 API610（第 8 版）规定：除用户有规定外，应当装备集装式机械密封二、填料密封填料密封又称压盖密封，与底环、本体、油环、填料、螺柱、压盖及油杯等组成，在压盖的作用下，装在搅拌轴与填料箱本体之间的填料，对搅拌轴表面产生径向压紧力由于填料中含有润滑剂。在对搅拌轴产生径向压紧力的同时，会形成一层极薄的液膜，一方面是搅拌轴的到润滑，另一方面阻止设备流体的溢出或外部流体的渗入，达到密封的目的。虽然填料中含有润滑剂，但在运转中润滑剂不断消耗，故在填料中间设置油杯，使用可从油杯加油，保持轴和填料之间的润滑。调料密封补了能绝对不漏，因为增加压紧力，填料紧压在转动轴上，会加速轴与填料间的磨损，使密封更快的失效在操作过程中应适当调整25压盖的压紧力，并需要定期更换填料。填料箱密封结构简单，填料拆装方便尽管大多数填料是非金属的，并且有润滑作用，但由于轴不断旋转，轴和填料间的磨损是不可避免的，总会与微量的泄露，因而不可负的全店是寿命短。尤其在压力较高、温度较高的条件下，要保证密封可靠，必须增加填料圈数和填料压紧力为了适应搅拌设备在各种不同情况下操作的转轴密封的需要，密封填料所用的材料种类是很多的。确定选用何种材料的主要依据是搅拌设备的搅拌轴转速、操作温度、操作压力以及物料的化学性质。机械的作用，如轴的偏转或周向跳动对填料材料的选择也有一定的影响。总的说来，用于制造密封填料的材料必须满足以下的要求：1.应有足够的塑性，在填料函压盖的压缩下能适应初和填料函的形状而变形。2.应耐设备内介质及润滑剂的浸泡和腐蚀，且不含有被介质和润滑剂所浴胀及削弱的其他物质。3.应有足够的弹性以吸收再设计上不能避免的轴的环动。4.在填料函压盖压得过紧的情况下具有运转自如，不产生破坏性摩擦和热的性能。5.不会咬住或腐蚀剂。6.磨损缓慢，很少需要调整和更换。由于本次设计的容器内压力为 3.3MPa，设计温度为 150，所以选择机械密封来作为反应釜的密封装置。26第第 8 章章 反应釜的其它附件反应釜的其它附件8.1 设备的支座设备的支座支座是用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位置的压力容器附件。在某些场合还受到风载荷、地震载荷等载荷的作用。压力容器支座的结构形式很多，根据容器自身的安装形式，支座可以分为两大类：立式容器支座和卧式容器支座。立式容器有开式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座等四种支座。中、小型直立容器常采用前三种支座，高大的塔设备则广泛采用裙式支座。1. 耳式支座2. 支承式支座。3. 腿式支座。4. 裙式支座。 图 8-1 耳式支座由于耳式支座是立式容器中应用较为广泛的一种，尤其是中小型设备。并且使用这种设备有利于增强轴向刚性及改善壳体由支座几种载荷所产生的局部应力状态。所以根据设计条件，本次设计选用耳式支座。一台设备一般配置有 24 个支座。必要时也可以适当增加，但在安装时不容易保证各支座在同一平面上，也就不保证各耳座受力均匀。本次设计选用 4个耳式支座。并且在容器和支座之间加垫板。支座的材料选用 0Crl8Ni9。耳式支座的作用是承受容器的重量。若容器安装在室外或者侧面挂有重物，27则在支座计算中要相应计入风载荷和偏心载荷所造成的外力距 M。有地震的地区还要考虑由地震载荷引起的力矩。当容器装满介质时，支座中最大应力在背风侧，因为静载荷与风载荷引起的附加载荷是相加的，因此在背风侧支座中的应力是支座设计时的控制应力。单个支座的最大总压缩载荷 Q 可按下式计算。NnDSGPhknGgmQeee)(40 当容器时空的时候，最大拉应力在向风侧，因为在这种情况下，引起拉应力的载荷为由风载荷引起的支座上附加载荷拣去静载荷。因此，单个支座最大拉伸载荷 Q 为：NnDSGPhknGgmQeee)(4,式中：D支座安装尺寸，mm；g重力加速度，去 g=9.8m/s ；2Ge偏心载荷，N；h水平作用点至底板高度，mm；k不均匀系数，安装 3 个支座时，去 k=1；安装 3 个以上时，去 k=0.83；m0设备总重量（包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量） ，kg；m 设备空重，kg；n支座数量；Se偏心距，mm。P水平力，取 P 和（P）最大值，N。wweP25. 0nDSGPhknGgmQeee)(4 =10003)010008 . 1 (43108 . 91110=3628.4 N经校核，支座能够满足设计要求，所以本次设计选用 4 个支座。8.2 联轴器的选用联轴器的选用联轴器的作用是将两个独立设备的轴牢固地连在一起，以进行传递运动和28功力。联轴器除了将两轴连载一起回转外，为确保传动质量，要求被连接的轴要安装在同一轴心即同心，另一方面要求传动中的一方工作如有振动、冲击，尽量不要传给另一方。联轴器的结构类型较多，基本上可以分为刚性联轴器和弹性联轴器两类。刚性联轴器是由两个带凹凸的圆盘组成，圆盘称为半联轴器。半联轴器与轴通过键进行轴向固定，通过锁紧螺母达到轴向固定。此联轴器用于连接严格的同轴线的两端。允许在任何方向转动，结构简单，制造方便，但无减震性，不能消除两轴不同心所引起的不良后果。一般用于振动小和刚度大的轴。8.3 法兰的选用法兰的选用法兰连接由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使联接严密不漏。法兰连接是一种可拆连接。按所连接的部件可分为容器法兰及管法；按结构型式分，有整体法兰、活套法兰和螺纹法兰。常见的整体法兰有平焊法兰及对焊法兰。平焊法兰的刚性较差，适用于压力 p4MPa 的场合；对焊法兰又称高颈法兰，刚性较大，适用于压力温度较高的场合。法兰密封面的型式有三种：平面型密封面，适用于压力不高、介质无毒的场合；凹凸密封面，适用于压力稍高的场合；榫槽密封面，适用于易燃、易爆、有毒介质及压力较高的场合。法兰连接可分为压力容器和管法兰连接，它们的结构相似，法兰连接由一对法兰、数个螺栓、螺母和一个垫片组成垫片较软，在螺栓预紧力的作用下，垫片变形后填平法兰两个密封表面的不平处，阻止介质泄露，达到密封的目的压力容器法兰用于筒体与封头、筒体与筒体或封头与管板之间的连接；管法兰则用于容器于外管道、管子与管子、管子与管件或阀门之间的连接。1.法兰类型的选择1）.压力容器法兰压力容器法兰分为平焊法语长径对焊法兰平焊法兰平焊法兰分甲型与乙型两种。甲型与乙型相比，区别在于乙型法兰带有一个壁厚不小于 16mm 的圆筒形短节，从而使乙型平焊法兰的刚性较甲型好。29 图 8-2 甲型法兰 长径对焊法兰长径对焊法兰由于具有厚度较大的颈，使法兰盘进一步增大了刚性，故用于更高的压力范围（PN0.6MPa 6.4MPa）和直径范围（DN300 2000mm）范围内。乙型平焊法兰中直径小于 DN3000mm 的规格均已包括在长径对焊法兰的规格范围之内。2）.管法兰由于容器筒体公称直径和管子公称直径所代表的具体尺寸不同。所以，同样公称直径的容器法兰与管法兰的尺寸并不相间，二者不能相互代用。管法兰的形式除平焊法兰、对焊法兰外，还有铸钢法兰、铸铁法兰、活套法兰、螺纹法兰等。管法兰标准的查选方法、步骤与压力容器法兰相同。本次设备设计中设备法兰选用甲型平焊法兰，材料为 16MnR。8.4 手孔的类型及选择手孔的类型及选择在化工设备中，为了便于内部附件的安装，修理和衬里，防腐以及对设备内部进行检查、清洗，往往开设入孔和手孔。1. 手孔的结构形式手孔最简单的结构形式是在接管上安装一块盲板，这种结构用于常压和低压，以及不需要经常打开的场合。回转盖快开手孔采用铰链螺栓筋固和回转盖结构，使开启较为方便。因此，用于要求经常开启的低压设备。需要快速开启的手孔，应设置快速压紧装置。这种结构启闭迅速，但压紧时，密封不好，只能用在常压下操作的设备。手孔的选用原则1）化工容器为了检查和清洗，一般按要求设备内径在 450900mm，可开30设一个或两个手孔（成年人的手臂长约为 650700mm） ；2）手孔的装设位置，应便于检查、清理、取出内件和进出设备。用于装卸填料，触媒的手孔，一般可斜放，方便使用。手孔的直径应使工人戴手套并我有工具的手能顺利通过。手孔直径不宜小于 150mm，一般为 DN150mm，DN250mm。本次设计的设备内径为 800mm，本次设计选用一个 DN250mm。根据文献中 P282表 101 选择平盖手孔。手孔的密封面形式选用平面密封。公称压力为 1.6MPa。31结结 论论本次设计的主