反应釜设计作业

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l/L 0.00175km o A0=C 。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6.0Af =X ，查资料得：可取反应温度为100℃，反应动力学方程为)min)7.4L/(kmol 1( C 2

A ?==k k r A （A 为乙酸）搅拌釜内的操作压力为MPa 1.0p cr =；夹套内为冷却水，入口温度为30℃，出口温度为40℃，工作压力MPa 2.0'p cr =;

反应方程为：

O H OOCCH CH CH CH CH OH CH CH CH CH COOH CH 23222322233+→+

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：45.66L/m in 2739.6L/h 0.001751

0.6111624108Q 30==????=

反应器出料口物料浓度km ol/L 000875.0)5.01(00175.0-1Af A0

A =-?==）（X C C 反应釜内的反应速率：kmol/L 10332.1000875.04.17522

A A -?=?==kC r 空时：min 69.6510332.15

.000175.0/Q V 5

A Af A0A A A00r =??==-==

-r X C r C C τ 理论体积：L 300069.6566.45Q V 0r =?==τ 取装填系数为0.75，则反应釜的实际体积为：3r m 4L 400075

.03000

0.75V V ====

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-40~475℃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釜体直径及高度计算 ⑴釜体直径的计算

根据实践经验，集中反应釜的H/D i 如表3-1所示。

表1-1 反应釜的H/D i 值

种类 釜内物料类型 H/D i 一般反应釜 液—液相或液—固相物料

1~1.3 气—液相物料 1~2 发酵罐类 气—液相物料

1.7~

2.5

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η等予以综合考虑，通常装料系数η可取0.6~0.85；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0.6~0.7；若反应状态平稳，可取0.8~0.85（物料粘度大时，可取最大值）。因此，釜体容积V 与操作容积V 0应有如下关系：V r =η 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 i 值，估算筒体内径D i 。

V =)D H

(D 4H D 4i

3i

2i ππ=

3

3

i

3.141.24

4)D H (4V ??==

πi D 可得 D i =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 i —筒体内径，m ；

H/D i 由表1.1得，并根据实际情况取H/D i =1.2。 将计算结果圆整为标准直径，的D i =1600mm 。 ⑵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 。

=H 1

V V V h

-

H =

mm V V V h 1687010.2617

.041

=-=-

式中：V —釜体容积，m3（本次设计的釜体容积为4m3）；

V h —下封头所包含的容积，V h =0.617m3；可从标准查得。 V 1—筒体每一米高的容积，V 1=0.950m3；可从标准查得。 ⑶H/D i 校核：

15.11600

1687

==i D H 所以合格 V 1 =

H D 4

2

i π

=3.14?1.6?1.6?1.7=3.416 m3

V= V 1 + V h =3.416 + 0.617 = 4.033 > 4 m3 所以釜体容积合理 ⑷釜体的装料量

η—装料系数且η取0.7； V —釜体容积； V r = η ? V = 4.03 ? 0.7 = 2.821 m3 1.2.4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c P = 1.1Pw = 1.1 ? 1.0 = 1.1Mpa

[]c

t

i

c e P D P 5.02-=φσδ []mm P D P c t

i c e 1.61

.185.017026

.11.12=-???=-=

φσδ C=C 1+C 2=0.6+1.5=2.1 mm

mm C e n 2.81.21.6=+=+=δδ

将计算结果圆整，取mm n 2.8=δ

c P —设计压力； i D —筒体内径；

n δ—名义厚度； e δ—有效厚度； 3) 验算最小壁厚min δ

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 δ。对于碳素钢、低合金钢制的容器，min δ不小于3mm ；对于高合金钢min δ不小于2mm 。

mm C 1.51.2332min =+=+=δ

将计算结果圆整，取mm 6min =δ

而min δδ>n

所以，取壁厚mm n 10=δ。

4) 校核水压试验强度 因为c P = 1.1Pw = 1.1 ? 1.0 = 1.1Mpa

P T =1.25P C

[]

[]MPa t

375.1170

170

1.125.1=?

?=σσ

MPa D P e e i T 01.1810061

.02)

0061.06.1(375.12)(=?+?=+=

δδσ

0.9MPa s 925.26317085.09.0=??=φσ

显然s φσσ9.0<，故水压试验强度足够。

c P —设计压力；

T P —实验压力；

σ—计算应力；

s σ—屈服应力；

φ—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。

因为c P = 1.1Pw = 1.1 ? 1.0 = 1.1Mpa

[]mm P D P c

t

i

c e 1.61

.15.085.017026

.11.15.02=?-???=

-=

φσδ

C=C 1+C 2=0.6+1.5=2.1 mm

mm C e n 2.81.21.6=+=+=δδ

将计算结果圆整，取mm n 10=δ 2）验算最小壁厚min δ

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 δ。对于

碳素钢、低合金钢制的容器，min δ不小于3mm ；对于高合金钢字母不小于2mm 。

mm C 1.51.2332min =+=+=δ

将计算结果圆整，取mm 6min =δ

而min δδ>n

所以，取壁厚mm n 10=δ。 3）校核水压试验强度

P T =1.25P C

[]

[]MPa t

375.1170

170

1.125.1=?

?=σσ MPa D P e e i T 01.1810061

.02)

0061.06.1(375.12)(=?+?=+=

δδσ

0.9MPa s 925.26317085.09.0=??=φσ

显然s φσσ9.0<，故水压试验强度足够。 所以，上封头厚度mm n 10=δ。 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法相同。

所以，封头厚度取mm n 10=δ

c P —设计压力；

T P —实验压力；

σ—计算应力；

i D —筒体内径；

n δ—名义厚度； e δ—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60r/min ，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 j =(0.2-0.8)D i ； b=（0.1-0.25）d j ； h=（0.2-1）d j ；

其中: d j —表示搅拌器外径，mm ； b —表示桨叶的高度，mm ；

h —表示桨叶离封头端部的距离，mm ； D i —表示反应釜内筒的内径，mm 。 已知反应釜内筒直径为D i =1600mm 可求得d j =800mm ；

h=400mm ； b=100mm 。

1.3.2搅拌功率的计算

P 53d N N p e ρ=

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θ、转速N 、单个叶片数N p 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N b 和挡板宽度W b 等。

3. 搅拌介质的特性：液体的密度ρ、粘度μ等。

4. 重力加速度g 等。

上述影响因素可以用下式关联：

N ...),,()()(5

3D h D B D d f F R K d

N P q

r r e e p ==ρ 式中：B —桨叶宽，m ； d —搅拌器直径，m ；

D —搅拌容器内径，m ； F r —弗劳德数，F g d

n r 2=；

h —液面深度，m ； K —系数； N —转速，s 1-； N p —功率准数； P e —搅拌功率，w ； r, q —指数； R e —雷诺数， μ

ρ

2nd R e =

μ—粘度，Pa?s

一般情况弗劳德数F r 的影响较小，容器的内直径D i 、挡板的宽度W b 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0.453?10-3mPa?s 。

搅拌功率计算如下：

63

221004.310

453.06

.9132.105.1?=???==

-μ

ρ

nd R e n=63r/min=1.05 s 1-

由N p -R e 算图可查的N p =1.7

按公式53d N N P p e ρ=可计算搅拌功率：

7.42.105.16.9137.152=???=e P 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

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

[]ττ≤=

P

T

W M max (4-1) 式中：

m ax τ—轴横截面上的最大剪切应力，MPa ； M T —轴所传递的扭矩，N ? mm ； W p —轴的抗扭截面系数，mm 3；

[]τ—材料许用剪切应力，MPa 。

通常45钢取30MPa~40MPa, Q235-A 取 12 MPa~20 MPa 。 选取45钢，查表可知A ，A 为(110~120)，取A=115

因为d 3n

P A ≥ 所以 d 3

63

5

.7115≥ d=56.5724mm ；取圆整值d=57mm M T =9.55?106

n

p

(4-2) 所以 M T =9.55?106

n p =9.55?106?63

5.7 M T =1.136 ? 106 对于实心轴， 16

3

d W p π=

(4-3)

16

5714.33

?=p W =36344.12mm 3

将式（6-2）和（6-3）代入（6-1）中， 得 d []

3365τn P

≥ (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：

25.3116

)57(14.3635

.71055.93

6max =??

?==

P

T

W M τMPa

取圆整值为32 MPa <[]=τ30 MPa~40MPa

[]5.5632

635.7365365

503=?=>=τn P mm D 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：

[]θπ

θ≤??=ο180103

P T GI M

式中：

θ—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8.1410?MPa ； I P —轴截面的极惯性矩，mm 4

，对于实心轴公式I 32

4

P d π=

；

[]θ—许用转角，°/m 。对于一般传动，如搅拌轴，取0.5 °/m~1.0 °/m

由上式可导出实心轴的直径为： []

41537θGn P

d ≥ (4-5) 本次设计：

0.073.141801032

(57)

108.1637.5

109.5518010.34463=????

??

?=??=ππθP T GI M °/m <[]θ []51.531

63101.85

.71537P 1537574

4

=???=>=θGn mm d 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η

m

e P P P -=计算。

式中：

P e —工艺要求的搅拌功率，kw ； P —电动机功率，kw ；

P m—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D j 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

D i 500~600 700~800 2000~3000 D j

D i +50

D i +100

D i +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D j =1800mm 。 夹套筒体高度H j 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η，操作容积V ，夹套筒体的高度H j 可由下式估算

11900096.2617

.003.47.04

d 2

=-?=-=

πηH j V V H mm

取圆整值j H =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150mm~200mm 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H j =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D i =D I +100=1600+100=1700mm c P =1.1P w =1.1?0.5=0.55 MPa ；

[]2.355

.085.017027

.155.02=-???=-=c t

i c e P D P φσδ mm

C=C 7.15.12.021=+=+C mm

9.47.12.3=+=+=C e n δδ mm

2. 验算最小壁厚min δ

5.432min =+=C δ mm

而min 11δδ>=n 故最小壁厚能合格。 3. 校核水压试验强度

[][]68.0170

170

55.025.125.1=?

?==t

C

T P P σσ MPa 97.1800032

.02)

0032.07.1(68.02)(=?+?=+=

e e i T D P δδσ MPa

0.9925.26334585.09.0=??=s φσ MPa

显然s φσσ9.0<，故水压试验强度足够。 所以，此次设计夹套筒体厚度取5=n δ mm 。

c P —设计压力；

T P —实验压力；

σ—计算应力；

i D —筒体内径；

n δ—名义厚度； e δ—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2~4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。

N nD

S G Ph kn G g m Q e e e )

(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：

N nD

S G Ph kn G g m Q e e e )

(4',

+++-=

式中：

D —支座安装尺寸，mm ； g —重力加速度，去g=9.8m/s 2； G e —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； m 0—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； S e —偏心距，mm 。

P —水平力，取P w 和（P w e P 25.0+）最大值，N 。

nD

S G Ph kn G g m Q e e e )

(4''

+++=

=

1000

3)

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。

1.7.2法兰的选用

本次设备设计中设备法兰选用甲型平焊法兰，材料为16MnR。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。

图8-2 甲型法兰

1.7.3手孔的类型及选择

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。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。

结论

本次设计的主题为立式搅拌反应釜的机械设计，反应釜的釜体的材料选用的是16 MnR 。工作压力为1Mpa，温度为130℃。筒体的内径为1600mm，釜体容积为4立方，最小壁厚为6mm，经校核釜体的厚度和强度都合格，封头厚度为9mm。釜体的夹套选用的材料为16MnR。工作压力为0.5Mp，温度为95℃，夹套高度为1200mm。厚度为4.5mm，经校核强度和厚度均合格。搅拌轴的材料选用的是45钢，直径为56.5mm，经校核刚度符合要求。