反应釜设计作业

1、1.1工艺条件一、设计任务某工段需要每天生产8吨乙酸丁酯。以乙酸和丁醇为原料，要求乙酸的转化率大于等于50%.其中原料中乙酸的浓度。设计一反应器以达到要求。某工段需要每天生产8吨乙酸丁酯。以乙酸和丁醇为原料，要求乙酸的转化率大于等于50%.其中原料中乙酸的浓度。设计一反应器以达到要求。二、确定反应器及各种条件选用连续釜式反应器，取，查资料得：可取反应温度为100，反应动力学方程为（A为乙酸）搅拌釜内的操作压力为；夹套内为冷却水，入口温度为30，出口温度为40，工作压力;反应方程为：1.体积由于该反应为液相反应，物料的密度变化很小，故可近似认为是恒容过程。原料处理量：反应器出料口物料浓度反应釜内

2、的反应速率：空时：理论体积：取装填系数为0.75，则反应釜的实际体积为：1.2釜体设计1.2.1釜体材料的选择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。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。1.2.2釜体结构型式的选择筒体：圆柱形罐底的结构形状：椭圆形顶盖的结构形状：椭圆形顶盖连接方法：可拆换热器形式：U形夹套1.2.3釜

3、体直径及高度计算釜体直径的计算 根据实践经验，集中反应釜的H/D如表3-1所示。 表1-1 反应釜的H/D值种类釜内物料类型H/D一般反应釜液液相或液固相物料11.3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，以尽量提高设备利用率。对于直立反应釜来说，釜体容积通常

4、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。 = 可得 D=1620mm式中：V釜体容积，m³（本次设计的釜体容积为4m³）； H筒体高度，m； D筒体内径，m； H/D由表1.1得，并根据实际情况取H/D=1.2。将计算结果圆整为标准直径，的D=1600mm。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。 =式中：V釜体容积，m³（本次设计的釜体容积为4m³）； V下封头所包含的容积，V=0.617m³；可从标准查得。 V筒体每一米高的容积，V1=0.950m³；可从标准

5、查得。H/D校核： 所以合格 V1 =3.141.61.61.7=3.416 m³ V= V1 + V=3.416 + 0.617 = 4.033 > 4 m³ 所以釜体容积合理釜体的装料量 装料系数且取0.7； V釜体容积； V = V = 4.03 0.7 = 2.821 m³1.2.4釜体厚度计算由于釜内承受1.0Mpa压力，而夹套承受0.5Mpa压力，所以筒体的厚度有以下几种情况：1. 只受1.0Mpa内压1) 确定壁厚2) 因为 = 1.1Pw = 1.1 1.0 = 1.1Mpa C=C+C=0.6+1.5=2.1 mm将计算结果圆整，取 设计压

6、力；筒体内径；名义厚度；有效厚度；3) 验算最小壁厚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。对于碳素钢、低合金钢制的容器，不小于3mm；对于高合金钢不小于2mm。 将计算结果圆整，取而所以，取壁厚。4) 校核水压试验强度 因为 = 1.1Pw = 1.1 1.0 = 1.1MpaP=1.25P0.9显然，故水压试验强度足够。设计压力；实验压力；计算应力；屈服应力；焊接接头系数；1.2.5封头的选型尺寸确定1.2.5.1封头的选型椭圆形封头，如图3-2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

7、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%。图 2-1 椭圆形封头示意图Fig 2-1 Elliptical head Map 1.2.5.2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0.5MPa的内压时

8、。 因为 = 1.1Pw = 1.1 1.0 = 1.1MpaC=C+C=0.6+1.5=2.1 mm将计算结果圆整，取2）验算最小壁厚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2mm。将计算结果圆整，取而所以，取壁厚。3）校核水压试验强度=1.25P0.9显然，故水压试验强度足够。所以，上封头厚度。2.下封头厚度的计算 1）当只受0.5MPa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

9、法相同。所以，封头厚度取 设计压力；实验压力；计算应力；筒体内径；名义厚度；有效厚度1.3反应釜的搅拌装置1.3.1搅拌器的类型及选择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。由条件可知，搅拌轴的转速是60，参照搅拌器形式及其参数选取浆式搅拌器。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。选用平直叶轮，如图2-3所示。图 2-3 平直叶轮-搅拌器结构示意图Fig 2-3 Straight impeller - blender structure diagram搅拌器的基本尺寸满足：d=(0.2-0.

10、8)D；b=（0.1-0.25）d；h=（0.2-1）d；其中: d表示搅拌器外径，；b表示桨叶的高度，；h表示桨叶离封头端部的距离，；D表示反应釜内筒的内径，。已知反应釜内筒直径为D=1600可求得d=800；h=400；b=100。1.3.2搅拌功率的计算影响搅拌功率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：式中：B桨叶宽，m； d搅拌器

11、直径，m； D搅拌容器内径，m； Fr弗劳德数，F； h液面深度，m； K系数； N转速，s； Np功率准数； P搅拌功率，w； r, q指数； R雷诺数， 粘度，Pas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1600mm，采用螺旋式搅拌器，搅拌轴转速为63r/min，容器内液体密度为913.6kg/m³，粘度为0.45310-3mPas。搅拌功率计算如下：n=63r/min=1.05 s由Np-Re算图可查的Np=1.7按公式可计算搅拌功率： kw所以本次设计的搅拌功率为4.7千瓦。1.3.3搅拌轴的校核

12、1.3.3.1搅拌轴材料的选择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。搅拌轴收到扭矩和弯曲的组合作用，其中以扭转为主。本次设计选用45钢作为搅拌轴的材料。1.3.3.2搅拌轴的强度校核 (4-1)式中：轴横截面上的最大剪切应力，MPa； MT轴所传递的扭矩，N mm；Wp轴的抗扭截面系数，mm；材料许用剪切应力，MPa。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d 所以 d d=56.5724mm；

13、取圆整值d=57mm MT =9.55106 (4-2) 所以 MT =9.55106 =9.55106 MT =1.136 106 对于实心轴， (4-3) =36344.12mm3 将式（6-2）和（6-3）代入（6-1）中，得 (4-4)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：MPa 取圆整值为32 MPa <30 MPa40MPa mm本次设计选用45钢，经校核，搅拌轴的强度合格。1.3.3.3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，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

14、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：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；I轴截面的极惯性矩，mm4，对于实心轴公式I；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)本次设计：°/m < mm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=57mm满足设计要求。1.4电机的选用搅拌反应釜所需电动机的功率可由计算。式中：

15、P工艺要求的搅拌功率，kw； P电动机功率，kw；Pm轴封摩擦损失功率，kw； 传动系统的机械效率。本次设计选用YXJ系列摆线针轮减速异步电动机。1.5反应釜的传热装置1.5.1传热装置的类型及选择本次设计采用整体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。1.5.2传热装置的尺寸计算1.5.2.1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Di50060070080020003000DjDi+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Dj=1800mm。夹套筒体高度

16、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 mm 取圆整值=1200mm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=1200mm。1.5.2.2夹套筒体厚度的计算由于夹套只承受1.8MPa的内压，所以夹套的壁厚采用内压容器壁厚的计算方法进行计算。1. 确定壁厚 经查表Di DI +100=1600+100=1700mm =1.1Pw =1.

17、10.5=0.55 MPa； mmC=C mm mm2. 验算最小壁厚 mm而 故最小壁厚能合格。3. 校核水压试验强度 MPa MPa0.9 MPa显然，故水压试验强度足够。所以，此次设计夹套筒体厚度取 mm。设计压力；实验压力；计算应力；筒体内径；名义厚度；有效厚度 1.6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。由于本次设计的容器内压力为1.0MPa，设计温度为133，所以选择常压填料箱来作为反应釜的密封装置。1.7反应釜的其它附件1.7.1设备的支座图8-1 耳式支座由于耳式支座是立式

18、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，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。 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：式中：D支座安装尺寸，mm；g重力加速度，去g=9.8m/s；Ge偏心载荷，N；h水平作用点至底板高度，m