搅拌反应釜设计

1、第六章主要设备的设计及选型6.1搅拌反应釜6.1.1反应釜体积由物料衡算结果可知：生产每釜成品需要废涤纶的质量为：m1= 584.53 kg ;废涤纶密度=1.38 g/cm3 ,需要异辛醇的质量为：m 1187.32 kg ；异辛醇密度：2 =0.832 g/cm3则废涤纶所占体积：V =四=584.530.424 m3,31.38 103异辛醇所占体积：V2 =匹=1187.32 3 = 1.427 m3L 0.832 103所以物料总体积为：V' =V1 +V2 =0.424 + 1.427 = 1.851 m3由丁还有催化剂的加入，故取V = 1.860 m3取反应釜投料系数为

2、0.7,则所需反应釜体积为:考虑到废涤纶较松散且呈沸腾状态及釜内安装的附件，参照化工设备设计些=2.657 m30.7基础，根据标准投料系数范围，V,取反应釜的长径比H/Di = 1.2,反应釜的内径6.1.2反应釜直径和高度参照化工设备设计基础Di由下式估算：3 二H :4Di24由1.1的所得数据及长径比，代入以上公式可求得内径为：Di =1.353 m,取圆整值1400mm。选取标准反应釜，具体参数如下：釜体容积 V =2.689 m3,封头容积 Vf = 0.421 m3,选取釜体壁厚s = 10 mm, 封头直边高度品=40 mm,曲边高度hi =350 mm,内表面积F=2.306

3、 m2。则筒体高度为:H =空=2.689 一0.421 = 1.474 m,取圆整值1.5 m。SToIToDi21.4244所以釜的总高度： Ho = H +2(h。+h) = 1.5+2x(0.04+0.35) = 2.28 m6.1.3壁厚根据设计任务，反应釜工作时压力为 0.3MPa,内径D, = 1400 mm,取设计 压力p为0.33 MPa。原材料腐蚀不强，从经济方面考虑，反应釜采用通用材料0Cr18Ni9，查化 工设备机械基础附表得知 0Cr18Ni9材料在205C、H/ Di =1.2时，圆筒的壁厚 选用10 mm,其许用压力为0.38MPa；椭圆封头厚度同釜壁，选用10

4、mm,许用 压力为0.49MPa,大丁设计压力0.33MPa,均符合设计要求。6.1.4夹套选用常用的不可拆式连接结构,夹套与内筒之间采用焊接,加工简单,密封 可靠。考虑加热介质性质，选取夹套材料与釜体一致，材料型号为 0Cr18Ni9。夹套所需壁厚由下式计算：夹套内压为0.15MPa,计算压力pc =0.15 1.1=0.165MPa,查得在设计温度下许用压力2为122MPa,焊接系数8取0.9,腐蚀裕量C取2 mm,故0.165 1400、c = 2 =3.05 mm2 122 0.9 -0.165考虑容器在制造、运输及安装过程中的刚度强度要求，参照化工设备机械基础，选取夹套壁厚为8 mm

5、。夹套内径按釜尺寸系列选取，以利丁按标准选择夹套封头，夹套的内径取 1400+100= 1500 mm,符合压力容器的公称直径。夹套筒体高度Hj由下式估算：二 2-1.42 4=2 = /2.689-0.421 = 0.950 m j "24Di反应釜筒体与上封头采用法兰连接，考虑物料的反应情况，选取夹套筒 体高度Hj = 1.2 m,夹套顶边距离法兰的高度 H0= 1.5-1.2= 0.3 m,符合釜体法兰螺栓的装拆距离6.1.5搅拌器设计选型反应釜内为液固非均相反应，考虑到加入的物料及物料粘度，选用45斜桨式搅拌器。(1) 叶轮尺寸确定依据化工设备设计基础：取d/D = 0.5,

6、即叶轮直径 d= 1400乂0.5= 700 mm取d/B = 6,即叶片宽度 B=d/6= 700/6= 116.7 mm,取 120 mm。取C/D = 0.25，即叶轮的安装高度 C = 0.21400=350 mm取Z= 2,即叶片数为2。(2) 挡板为了消除“圆柱状回转区”和“打漩”，以及为了避免固体堆积或液体粘附， 在反应釜采用离壁安装的竖挡板，挡板数为4,板宽为釜体内径的1/10,即B = 140 mm。挡板与釜壁的缝隙为板宽的1/6,即140x1/6= 23.33,取25 mm。(3) 搅拌器的转速搅拌器的转速n、直径d与叶端切线速度u之间有如下关系式：u=n江d叶端切线速度反

7、映了搅拌作用的剧烈程度，根据搅拌目的、物料性质等来确定，桨式搅拌器的切线速度范围：1.05.0 m/s,取u= 3 m/s ,则转速：u 603 60n = = 82 r/min-d 3.14 0.7(4) 搅拌器功率依据化工厂设计之搅拌器设计，斜式搅拌器消耗的功率按罗顿、顾斯许 和爱弗兰脱等导出的一般关联式计算：PSgH。35 *). 12碧=A'")桐)D")B7Res功率函数Np'= f (Res),以及系数A'、B'、E (与搅拌器的几何尺寸有关) 及雷诺数的值按下列公式计算：A'=10exp1.3 -4(旦 -0.5)2 -

8、1.14-DDB'=14 (号)670( -0.6)2 185D DBd2E =1.1 4( )-2.5(0.5)DDnd2 Res代入各数值，得:0.122 0二A' =10exp1.3 -4(-0.5) -1.14 =10.444'1.41.4B'=14 (些)670(07-0.6)2 185 =30.4311.4 1.40.120.72E =1.1 4() -2.5( -0.5) =1.4431.4 1.43 822一、21.106 1 03 0.72nd605Res3=1.9894 103.723 10其中料液混合黏度 卜=九 P=3.366x 1.10

9、6x10-3= 3.723 x10-3 kg/(m.s)。由Res值查桨式搅拌器功率函数图(Res Np'关联图)，得Np'= 0.53。将 以上数值代入总公式，得：Psg(0.35 答)1230.431T 5=10.444 0.53 1.443 1.21.4 (sin 45)5=5.73d51.9894 105所以搅拌器功率的消耗为：382 3511R =5.7 1.106 103 (一)3 (0.7)5 =2.7 kW609.81 102考虑温度计套管等附件后搅拌功率消耗，贝U:P's = RX1.2 = 2.7乂1.2= 3.24kW6.1.6搅拌轴设计根据轴的各

10、方面要求较高的特点，选用经过调质处理的45#钢作为轴的材料，其许用扭转应力为：.=3040 MPa。轴强度计算： MT 轴的扭转强度条件是：max £Wp式中：靖ax轴横截面上的最大剪应力，MPa； Mt轴所传递的扭距， N mm ； Wp 轴的抗扭截面系数，mm3;尹 降低后的材料的许用应力， MPa。45 钢取 30 MPa 40MP&6 P而Mt = 9.55 106 n对丁实心轴Wp16-：d3p = 3.24 kW,取7=30 MPa,则d 兰 3653 J】=40.01 mm n ' 1轴刚度计算：为了防止搅拌轴产生过大的扭转变形， 从而在运转中引起振动，

11、影响正常工 作，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6不得超过许用扭转角6作为扭转的刚度条件， 即-一虹 103 180 - 口 GI ： 二式中：9轴扭转变形的扭转角，m； G搅拌轴材料的剪切弹性模数，MPa,对丁碳钢及尸金钢为8.1x104MPa； Ip轴截面的极惯性矩，mm4, 对丁实心轴I尸 兰土 ;田许用扭转角，）m。对丁一般传动搅拌轴，何= 32 0.51.0 7m,取 0.5 7m,由上述可得实心轴直径： d芝1537一 =15374/324 = 48.31 mmGnE丫8.1尺10 K82X0.5搅拌轴的直径应同时满足

12、强度和刚度两个条件，取两者较大值，即取 d = 48.31 mm,考虑到轴上键或孔对轴横截面的局部削弱，以及介质对搅拌轴的腐蚀，将搅拌轴直径增大并圆整，以便与其他零件相配合，取60 mm。6.1.7传动装置电机：要确定搅拌器马达所需要的实际功率，除了考虑搅拌液体时克服流体摩擦阻 力所消耗的功率Ps之外，还要考虑搅拌器空运转时克服机械摩擦阻力所需的功 率P）。因此马达运转时的实际功率 PW是两者之和。一般中小型搅拌器 P0为1.5 kW,则马达运转时实际功率 FW = 3.24+1.5= 4.74 kW。一般情况启动功率可达运转功率的1.5倍，4.74乂1.5= 7.11 kW,所以实际选 用7

13、 kW的马达。选用1500 r/min的Y系列三相异步电动机，安装形式为 V1（直 立）型，型号为Y 200 M-4,参数如下：表6-1电动机的选型及相关的参数项目数值及说明电动机类型Y系列三相异步电动机标定型号Y 200 M-4功率/kW7频率/Hz50电压/V380功率/kW7转速/r/min1450标准编号GB 755-87减速器：电动机与减速机配套使用。减速机下设置一机座，安装在反应釜的封头上。 考虑到传动装置与轴封装置安装时要求保持一定的同心度以及装卸检修的方便， 常在封头上焊一底座。整个传动装置连同机座及轴封装置都一起安装在底座上。根据设计需要，选用立式摆线针齿行星减速机，型号为：

14、 BLD 7.5-4-17;参 数如下：项目数值及说明减速机类型摆线针齿行星减速机标定符号BLD 7.5-4-178517公称出轴转速r/min公称减速比表6-2减速器的选型及相关参数6.1.8反应釜传热计算6.1.8.1夹套内壁对釜液的传热系数按Chilton Drew 和Jeken折夹套搅拌器公式：=0.36(Re)0.67 Pr0.33(Vis)0.14相关参数计算如下:2 82刀2 D 0.71106Re=60=1.9894 1053.723 10-3600Cpg 3600 0.75 3.539 10 9.81，Pr = = =115.40.08123.473.0= 1.16(其中：C

15、p=0.75 kcal/kg.C； 圣H =0.0812 kcal/m.h.C ；=3.539 10-4 kg.s/m2P液体在主体温度下粘度，器壁温度t= 200 C时，卜=3.47 Cp；七一一液体在器壁温度下粘度，器壁温度tw = 210 C时，气=3.0 Cp。)故内壁总传热系数：00812 乂0.36 x(i.9498 x 105) 0.67 乂115.4°.33 尺1.160.14 = 357.75 kcal/m.h.C1.46.1.8.2釜壁及垢层传热系数：取垢层厚度&为0.3 mm,查得：大=1.8 kcal/m.h. C碳素钢厚度：=10 mm,查得：兀=3

16、8.0 kcal/m.h. C6.1.8.3夹套内联苯对釜壁给热系数： 给热系数可由lehrer公式计算:0.03Re°.75 Pr11 1.74(Re)"8(Pr-1)相关数据：夹套内定性温度取为tw = 210C，查得：舄=0.094 kcal/m.h.C ；Cp =0.58 kcal/m.h. C ；日=0.3尺10土常数g联苯质量流量联苯接管内径夹套总高度：相关参数计算：P =904 kg/m3; k =1.368 kcal/m.h；材料热膨胀系数 =1.27 108 m/h2;W: W = 0.31x3600= 1116 kg/h;d0, d0 =25 mm；Hj

17、 = 1.6 m8)o.5(DDi(8)o.5(1.5O1.4OOo.O8i65 me32324W4 1116V)=2 2= 2516.21 m/h" do :3.14 (0.025) 904Va = ji-4W="1116= 5.42 m/h(D；-D；)P3.14"1.52 -1.42)叩04Vb=3 用 £t)0.5H 0.5 =(1.27 号08 x 0.3乂10里 x30)0r1.6°.5= 1352.33 m/he De ：050.08165 904 i051则 Re=(V0Va)+Vb=尺(2516.21 X 5.42).+1352.33=1.368PrCp79267.140.58 1.368 c -=8.440.094：oDe 0 75 0.03Re Pr 11 1.74Re3(Pr-1)0.03 79267.14".75 8.440.094=X0.081651 1.74 79267.14 8 (8.44-1)1K =111 寸、:i :。= 287.51 kcal/m2.h.C6.1.8.4夹套总传热系数:1。一1= 149.18 kcal/m2.h.C1.1. 0.0003 . 0.01357.75 287.511.838.06.1.8.5夹套传热面