反應(yīng)釜設(shè)計(jì)作業(yè)

反應(yīng)釜設(shè)計(jì)作業(yè)

1.1工藝條件

一、設(shè)計(jì)任務(wù)

某工段需要每天生產(chǎn)8噸乙酸丁酯。以乙酸和丁醇為原料，要求乙酸

的轉(zhuǎn)化率大于等于50%.其中原料中乙酸的濃度。設(shè)計(jì)一反應(yīng)器以達(dá)到要求。

某工段需要每天生產(chǎn)8噸乙酸丁酯。以乙酸和丁醇為原料，要求乙酸的轉(zhuǎn)

化率大于等

l/Lo設(shè)計(jì)一反應(yīng)器以達(dá)到要于50%.其中原料中乙酸的濃度

CA0?0.00175kmo

求。

二、確定反應(yīng)器及各種條件

選用連續(xù)釜式反應(yīng)器，取XAf?0.6,查資料得：可取反應(yīng)溫度為100℃,

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為rA?kCA(k?17.4L/(kmol?min))(A為乙酸)攪拌釜內(nèi)

的操作壓力為pcr?0.1MPa；夾套內(nèi)為冷卻水，入口溫度為30℃,出口溫度

為40℃,工作壓力pcr'?0.2MPa;

反應(yīng)方程為：2

CH3COOH7CH3CH2CH2CH2OH?CH3CH2CH2CH2OOCCH37H2O

1.體積

由于該反應(yīng)為液相反應(yīng)，物料的密度變化很小，故可近似認(rèn)為是恒容

過程。8?10311???2739.6L/h?45.66L/min原料處理量：Q0?

2471160.60.00175

反應(yīng)器出料口物料濃度CA?CA(?0.00175?(l?0.5)?0.000875kmol/L

01-XAf)

2反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)速率：rA?kCA?17.4?0.000875?1.332?10?5kmol/L2

空時(shí)：？?VrCA0?CA0.00175?0.5??CA0XAf/rA??65.69minQ0rA1.332?10?5

理論體積：Vr?QOT?45.66?65.69?3000L

取裝填系數(shù)為0.75,則反應(yīng)釜的實(shí)際體積為：V?Vr3000??4000L?4m3

0.750.75

1.2釜體設(shè)計(jì)

1.2.1釜體材料的選擇

16MnR它屬于強(qiáng)度用鋼，是345MPa級的低合金鋼，具有良好的機(jī)械

性能、焊接性能、工藝性能極低溫沖擊韌性。中低溫時(shí)機(jī)械性能均優(yōu)于

Q235-A、15、

20等碳素鋼，使用溫度在-40~475℃的場合，在石油化工設(shè)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(jīng)濟(jì)性能，并且適

合本次設(shè)備設(shè)計(jì)，所以本次設(shè)計(jì)釜體的材料選用

16MnRo

1.2.2釜體結(jié)構(gòu)型式的選擇

筒體：圓柱形

罐底的結(jié)構(gòu)形狀：橢圓形

頂蓋的結(jié)構(gòu)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釜體直徑及高度計(jì)算

⑴釜體直徑的計(jì)算

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，集中反應(yīng)釜的H/Di如表3-1所示。

表1-1反應(yīng)釜的H/Di值

種類

一般反應(yīng)釜

發(fā)酵罐類

在確定反應(yīng)釜直徑及高度時(shí)，還根據(jù)反應(yīng)釜操作時(shí)所允許的裝料程度

一裝料系數(shù)n等予以綜合考慮，通常裝料系數(shù)n可取o.6~o.85；如果物料

在反應(yīng)過程中產(chǎn)生泡沫或成沸騰狀態(tài)，應(yīng)取較低值，一般為0.6~0.7；若反

應(yīng)狀態(tài)平穩(wěn)，可取0.8~0.85(物料粘度大時(shí)，可取最大值)。因此，釜體容

積V與操作容積V0應(yīng)有如下關(guān)系：Vr=nV工程實(shí)際中，要合理選用裝料

系數(shù)，以盡量提高設(shè)

備利用率。

對于直立反應(yīng)釜來說，釜體容積通常是指圓柱形筒體及下封頭所包含

的容積之和，根據(jù)釜體容積V和物料性質(zhì)，選定H/Di值，估算筒體內(nèi)徑

Dio

H2JTH()V=DiH=D3

i44Di釜內(nèi)物料類型液一液相或液一固相物料氣一液相物料氣一液

相物料H/Di1-1.31~21.7~2.5

Di=

4V474=1.2?3.14jr()Di

可得Di=1620mm

式中：V一釜體容積，m3（本次設(shè)計(jì)的釜體容積為4m3）；

H一筒體高度，m；

Di一筒體內(nèi)徑，m；

H/Di由表1.1得，并根據(jù)實(shí)際情況取H/Di=1.2o

將計(jì)算結(jié)果圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑，的Di=1600mm。

⑵釜體高度的計(jì)算

對于直立式反應(yīng)釜，其圓柱部分筒體的高度H。

V-VhH=VI

H=V-Vh4-0.617==1687mm2.010V1

式中：V一釜體容積，m3（本次設(shè)計(jì)的釜體容積為4m3）；

Vh一下封頭所包含的容積，Vh=0.617m3；可從標(biāo)準(zhǔn)查得。

VI一筒體每一米高的容積，Vl=0.950m3；可從標(biāo)準(zhǔn)查得。

⑶H/Di校核:

H1687==1.15所以合格DI1600

VI=n

4DiH=3.14?1.6?1.6?1.7=3.416m32

V=VI+Vh=3.416+0.617=4.033>4m3

所以釜體容積合理

⑷釜體的裝料量

n—裝料系數(shù)且n取07v一釜體容積；

Vr=n?V=4.03?0.7=2.821m3

1.2.4釜體厚度計(jì)算

由于釜內(nèi)承受l.OMpa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l.OMpa內(nèi)壓

1)確定壁厚

2)因?yàn)镻c=l.lPw=1.1?1.0=l.IMpa

PcDi6e=t2oc|)-0.5Pc

5e=PcDil.l?1.6==6.1mmt2?170?0.85-1.12ac|)-Pc

C=C1+C2=O.6+1.5=2.1mm

6n=6e+C=6.1+2.1=8.2mm

將計(jì)算結(jié)果圓整，取6n=8.2mm

Pc一設(shè)計(jì)壓力；

Di一筒體內(nèi)徑；

8n一名義厚度；

6e—有效厚度；

3)驗(yàn)算最小壁厚8min

對于壓力較低的容器，按強(qiáng)度計(jì)算出來的壁厚很薄，往往會(huì)給制造和

運(yùn)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

6min。對于碳素鋼、低合金鋼制的容器，6min不小于3mm；對于高合

金鋼6min不小于2mm。

6min=3+C2=3+2.1=5.1mm

將計(jì)算結(jié)果圓整，取6min=6mm

而8n>6min

所以，取壁厚6n=10mm。

4)校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度

因?yàn)镻c=l.lPw=1.1?1.0=l.IMpa

PT=1.25PC[o]at=1.25?l.l?170=1.375MPa170

o=PT(Di+6e)1.375?(1.6+0.0061)==181.01MPa26e2?0.0061

0.9c|)as=0.9?0.85?170=263.925MPa

顯然。<0.96。s,故水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。

Pc一設(shè)計(jì)壓力；

PT—實(shí)驗(yàn)壓力；

。一計(jì)算應(yīng)力；

os一屈服應(yīng)力；

6—焊接接頭系數(shù)；

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(gè)橢球面和一個(gè)短圓筒組成，由

于封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應(yīng)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(yīng)用較多的封頭之一。受內(nèi)壓橢圓形通體封頭中的應(yīng)力，包括由內(nèi)壓引

起的薄膜應(yīng)力和封頭與圓筒連接處不連續(xù)應(yīng)力，都與橢圓封頭長軸與短軸

的比例有關(guān)。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(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%,非

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于0.30%。

圖2-1橢圓形封頭示意圖

Fig2-1EllipticalheadMap

L252封頭的厚度計(jì)算

1.上封頭厚度的計(jì)算

1）確定壁厚

釜體的上封頭只承受0.5MPa的內(nèi)壓時(shí)。

因?yàn)镻c=l.lPw=1.1?1.0=l.IMpa

6e=2oc|）-0.5PctPcDi=l.l?1.6=6.1mm2?170?0.85-0.5?l.l

C=C1+C2=O.6+1.5=2.1mm

6n=6e+C=6.1+2.1=8.2mm

將計(jì)算結(jié)果圓整，取5n=10mm

2）驗(yàn)算最小壁厚6min

對于壓力較低的容器，按強(qiáng)度計(jì)算出來的壁厚很薄，往往會(huì)給制造和

運(yùn)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

5min。對于碳素鋼、低合金鋼制的容器，對于高合金鋼字母不小于2mm。

6min不小于3mm；

6min=3+C2=3+2.1=5.1mm

將計(jì)算結(jié)果圓整，取6min=6mm

而6n>6min

所以，取壁厚6n=10mm。

3）校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度

PT=1.25PC[a]ot=1.25?l.l?170=1.375MPa170

o=PT(Di+6e)1.375?(1.6+0.0061)==181.01MPa26e2?0.0061

0.9c|)as=0.9?0.85?170=263.925MPa

顯然。<0.96。s,故水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。

所以，上封頭厚度6n=10mm。

2.下封頭厚度的計(jì)算

1)當(dāng)只受0.5MPa內(nèi)壓時(shí)與上封頭相同。

2)當(dāng)只承受外壓時(shí)與筒體厚度計(jì)算方法相同。

3)當(dāng)同時(shí)承受內(nèi)壓和外壓時(shí)與筒體厚度計(jì)算方法相同。

所以，封頭厚度取6n=10mm

Pc一設(shè)計(jì)壓力；

PT—實(shí)驗(yàn)壓力；

。一計(jì)算應(yīng)力；

Di一筒體內(nèi)徑；

6n一名義厚度；

5e—有效厚度

1.3反應(yīng)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(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、混合性能好、能耗低、裝料系數(shù)較大、

同時(shí)所占用空間及作業(yè)面積小、操作維修方便，而且應(yīng)用很廣泛。由條件

可知，攪拌軸的轉(zhuǎn)速是60r/min,參照攪拌器形式及其參數(shù)選取漿式攪拌

器。此次設(shè)計(jì)的基本條件，本次設(shè)計(jì)選用槳式攪拌器作為反應(yīng)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(jié)構(gòu)示意圖

Fig2-3Straightimpeller-blenderstructurediagram

攪拌器的基本尺寸滿足：

dj=(0.2-0.8)Di；

b=(0.1-0.25)dj；

h=(0.2-1)dj；

其中:dj—表示攪拌器外徑，mm；

b一表示槳葉的高度，mm；

h一表示槳葉離封頭端部的距離，mm；

Di—表示反應(yīng)釜內(nèi)筒的內(nèi)徑，mm。

已知反應(yīng)釜內(nèi)筒直徑為Di=1600mm

可求得dj=800mm；

h=400mm；

b=100mmo

1.3.2攪拌功率的計(jì)算

Pe=NppN3c15

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(zhuǎn)速：如葉輪的直徑d、葉寬b、葉片傾角0、

轉(zhuǎn)

速N、單個(gè)葉片數(shù)Np和葉輪離罐底寬度e等。

2.攪拌容器的結(jié)構(gòu)：如罐形、罐徑D、深度H、擋板數(shù)Nb和擋板寬

度

Wb等。

3.攪拌介質(zhì)的特性：液體的密度P、粘度R等。

4.重力加速度g等。

上述影響因素可以用下式關(guān)聯(lián)：PedBhrqNp==K(R)(F)f(?...)er35DDDP

Nd

式中：B一槳葉寬，m；d一攪拌器直徑，

m；

n2dD—攪拌容器內(nèi)徑，m；Fr—弗勞德數(shù)，

Fr=；g

h—液面深度，m；K一系數(shù)；

N一轉(zhuǎn)速，s-1；Np—功率準(zhǔn)數(shù)；Pe

一攪拌功率，w；r,q—指數(shù)；

Re一雷諾數(shù)，Re=nd2P

pu—粘度，Pa?s

一般情況弗勞德數(shù)Fr的影響較小，容器的內(nèi)直徑Di、擋板的寬度Wb

等幾何參數(shù)可歸結(jié)到系數(shù)Ko

本次設(shè)計(jì)已知攪拌反應(yīng)器筒體的直徑為1600mm,采用螺旋式攪拌器,

攪拌軸轉(zhuǎn)速為63r/min,容器內(nèi)液體密度為913.6kg/m3,粘度為

0.453?10-3mPa?So

攪拌功率計(jì)算如下:

Re=nd2p

|il.05?1.22?913.66==3.04?10-30.453?10

n=63r/min=1.05s-1

由Np-Re算圖可查的Np=1.7

按公式Pe=NpPN3d5可計(jì)算攪拌功率：

Pe=1.7?913.6?1.052?1.25=4.7kw

所以本次設(shè)計(jì)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

鍛件的內(nèi)部組織比較均勻，強(qiáng)度較好，故重要的軸(或尺寸變化大的

軸)應(yīng)采用鍛件，常用優(yōu)質(zhì)碳素鋼有35、45、50鋼，其中以45鋼應(yīng)用最

多。攪拌軸收到扭矩和彎曲的組合作用，其中以扭轉(zhuǎn)為主。本次設(shè)計(jì)選用

45鋼作為攪拌軸的材料。

1.3.3.2攪拌軸的強(qiáng)度校核

rmax=

式中：MT<[T](4-1)WP

丁max一軸橫截面上的最大剪切應(yīng)力，MPa；

MT一軸所傳遞的扭矩，N?mm；

Wp一軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；

E一材料許用剪切應(yīng)力，MPa。

通常鋼取取

4530Mpa~40MPa,Q235-A12MPa-20MPao

選取45鋼，查表可知A,A為(110~120),取A=115

因?yàn)閐^APn所以d'7.5

63

d=56.5724mm；取圓整值d=57mm

MT=9.55?106

P

n

所以MT=9.557106

pn=9.55?106?7.563

MT=1.136?1063

對于實(shí)心軸,Wndp=

16

W3.147573

p=16

=36344.12mm3將式(6-2)和(6-3)代入(6-1)中，得

dN36P

nT式中:

d一攪拌軸直徑，mm；P一攪拌軸傳遞的功率，kw；n一攪拌軸轉(zhuǎn)速,

r/mir)o

本次設(shè)計(jì):

9.557106?

7.5

TT

max=

MW=P

3.147(57)3

=31.25MPa

16

取圓整值為32MPa<[T]=30MPa~40MPa

D=50mm>PnT=7.563?32

=56.5mm本次設(shè)計(jì)選用45鋼，經(jīng)校核，攪拌軸的強(qiáng)度合格。

(4-2)(4-3)

(4-4)

1.3.3.3攪拌軸的剛度校核

為了防止攪拌軸產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)變形，從而在扭轉(zhuǎn)中振動(dòng)，影響正

常工作，應(yīng)把軸的扭轉(zhuǎn)變形限制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，即規(guī)定一個(gè)設(shè)計(jì)的

扭轉(zhuǎn)剛度條件。工程上以單位長度的扭轉(zhuǎn)角不得超過許用扭轉(zhuǎn)角的剛度條

件，即：

MT180

39=?10?<[e]GIP

式中：

0一軸扭轉(zhuǎn)變形的扭轉(zhuǎn)角，。/m；

G一攪拌軸材料的剪切彈性模數(shù)，MPa,對于碳鋼及合金鋼為

8.1?104MPa；IP一軸截面的極慣性矩，mm,對于實(shí)心軸公式IP=4nd4

32；

[0]—許用轉(zhuǎn)角，。/m。對于一般傳動(dòng)，如攪拌軸，取0.5°/m~1.0°/m

由上式可導(dǎo)出實(shí)心軸的直徑為：

Pd^l5(4-5)Gn9

本次設(shè)計(jì)：

7.5

MT180180.

33/m<[0]e=?10?=?10?=0.07o4GIP7i3.14n?(57)8.1?104?329.55?106?

d=57mm>P7.5==53.51mm4Gn68.1?10?63?l

經(jīng)校核，攪拌軸的剛度合格。

通過校核，攪拌軸的直徑同時(shí)滿足強(qiáng)度和剛度兩個(gè)條件。所以本次設(shè)

計(jì)攪拌軸直徑選用d=57mm滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4電機(jī)的選用

攪拌反應(yīng)釜所需電動(dòng)機(jī)的功率可由P=

式中：

Pe一工藝要求的攪拌功率，kw；P一電動(dòng)機(jī)功率，kw；

Pe-Pmn計(jì)算。

Pm一軸封摩擦損失功率，kw；—傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效

率。本次設(shè)計(jì)選用YXJ系列擺線針輪減速異步電動(dòng)機(jī)。

1.5反應(yīng)釜的傳熱裝置

1.5.1傳熱裝置的類型及選擇

本次設(shè)計(jì)采用整體U型夾套。并且按照過程設(shè)備材料的選用原則，此

次設(shè)計(jì)的夾套材料選用

16MnRo

1.5.2傳熱裝置的尺寸計(jì)算

1.5.2.1夾套直徑及高度的選擇

夾套的內(nèi)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(guān)系

Di

Dj500-600Di+50700~800Di+1002000~3000Di+200

以利于按標(biāo)準(zhǔn)選擇夾套和封頭。本次設(shè)計(jì)由于工程實(shí)際要求

夾套筒體高度主要由傳熱面積確定，一般不低于料液的

Dj=1800mmoHj

高度，以保證充分傳熱，根據(jù)裝料系數(shù)n,操作容積v,夾套筒體的高度

Hj可由下式估算

Hj=qV-VH0.7?4.03-0.617==1190mm2.0096nd2

4

取圓整值Hj=1200mm

確定夾套筒體高度還應(yīng)考慮兩個(gè)因素：當(dāng)反應(yīng)釜筒體與上封頭采用平

面法蘭連接時(shí)，夾套頂邊應(yīng)在法蘭下150mm~200mm處，當(dāng)反應(yīng)釜具有懸

掛支座時(shí)，應(yīng)考慮避免因夾套頂部位置而影響支座的焊接。

所以本次設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際情況，取夾套高度

Hj=1200mmo

1.5.2.2夾套筒體厚度的計(jì)算

由于夾套只承受1.8MPa的內(nèi)壓，所以夾套的壁厚采用內(nèi)壓容器壁厚

的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

1.確定壁厚經(jīng)查表Di=DI+100=1600+100=1700mmPc=l.lPw

=l.l?0.5=0.55MPa；

PcDiO.55?1.7be===3.2mmt2oc|)-Pc2?170?0.85-0.55

C=C1+C2=O.2+1.5=1.7mm

6n=6e+C=3.2+1.7=4.9mm

2.驗(yàn)算最小壁厚8min

6min=3+C2=4.5mm

而6n=ll>6min故最小壁厚能合格。

3.校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度

PT=1.25PC[o]ot=1.25?0.55?170=0.68MPa170

o=PT(Di+6e)0.68?(1.7+0.0032)==180.97MPa26e2?0.0032

0.9c|)os=0.9?0.85?345=263.925MPa

顯然o<0.96os,故水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。所以，此次設(shè)計(jì)夾套筒

體厚度取6n=5mm。Pc一設(shè)計(jì)壓力；

PT—實(shí)驗(yàn)壓力；

。一計(jì)算應(yīng)力；

Di一筒體內(nèi)徑；

6n一名義厚度；

6e—有效厚度

1.6反應(yīng)釜的密封裝置設(shè)計(jì)

由于攪拌軸是轉(zhuǎn)動(dòng)的，而反應(yīng)釜的封頭是靜止的，在攪拌軸伸出封頭

處必須進(jìn)行密封，以阻止反應(yīng)釜內(nèi)介質(zhì)外漏，或阻止空氣漏人反應(yīng)釜內(nèi)。

由于本次設(shè)計(jì)的容器內(nèi)壓力為l.OMPa,設(shè)計(jì)溫度為133C,所以選擇常壓

填料箱來作為反應(yīng)釜的密封裝置。

1.7反應(yīng)釜的其它附件

1.7.1設(shè)備的支座

圖8-1耳式支座

由于耳式支座是立式容器中應(yīng)用較為廣泛的一種，尤其是中小型設(shè)備。

并且使用這種設(shè)備有利于增強(qiáng)軸向剛性及改善殼體由支座幾種載荷所產(chǎn)

生的局部應(yīng)力狀態(tài)。所以根據(jù)設(shè)計(jì)條件，本次設(shè)計(jì)選用耳式支座。

一臺(tái)設(shè)備一般配置有2~4個(gè)支座。必要時(shí)也可以適當(dāng)增加，但在安裝

時(shí)不容易保證各支座在同一平面上，也就不保證各耳座受力均勻。本次設(shè)

計(jì)選用

4

個(gè)耳式支座。并且在容器和支座之間加墊板。

支座的材料選用0Crl8Ni9o

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(cè)面掛有

重物，則在支座計(jì)算中要相應(yīng)計(jì)入風(fēng)載荷和偏心載荷所造成的外力距

Mo

有地震的地區(qū)還要考慮由地震載荷引起的力矩。

當(dāng)容器裝滿介質(zhì)時(shí)，支座中最大應(yīng)力在背風(fēng)側(cè)，因?yàn)殪o載荷與風(fēng)載荷

引起的附加載荷是相加的，因此在背風(fēng)側(cè)支座中的應(yīng)力是支座設(shè)計(jì)時(shí)的控

制應(yīng)力。

單個(gè)支座的最大總壓縮載荷Q可按下式計(jì)算。

mg+Ge4(Ph+GeSe)Q=0+NknnD

當(dāng)容器時(shí)