搅拌釜式反应器设计

1.8m3搅拌釜式反应器设计搅拌釜式反应器由搅拌器和釜体组成。

搅拌器包括传动装置，搅拌轴（含轴封），搅拌桨;釜体包括筒体，夹套和内件，盘管，导流筒等。

工业上应用的搅拌釜式反应器有成百上千种，按反应物料的相态可分成均相反应器和非均相反应器两大类。

非均相反应器包括固-液反应器，液-液反应器，气-液反应器和气-液-固三相反应器。

本次设计的釜式反应器适用性广操作弹性大，是工业生产中最广泛使用的反应器。

1 前言1.1 反应器的现状及发展前景反应釜的广义理解即有物理或化学反应的不锈钢容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混合功能。

随之，反应过程中的压力要求对容器的设计要求也不尽相同。

生产必须严格按照相应的标准加工、检测并试运行。

不锈钢反应釜根据不同的生产工艺、操作条件等不尽相同，反应釜的设计结构及参数不同，即反应釜的结构样式不同，属于废标的容器设备。

不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等生产型用户和各种科研实验项目的研究，用来完成水解、中和、结晶、蒸馏、储存、氢化、烃化、聚合、缩合、加热混配、恒温反应等工业过程的容器。

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。

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（搅拌、鼓风等）、反应物/产物浓度等重要参数进行严格的调控。

搅拌釜式反应器，这种反应器是工业生产中最广泛采用的反应器形式，适用于各种相态物料的反应。

反应釜中设有各种不同型式的搅拌、传热装置，可适应不同性质的物料和不同热效应的反应，以保持反应物料在釜内合理地流动、混合和料号的传热。

搅拌釜式反应器既可间隙操作也可连续操作或半连续操作，既可单釜操作，又可多釜串联操作。

搅拌釜式反应器的使用性广，操作弹性大，浓度容易控制。

它通常由釜体、换热装置。

搅拌器和传动装置等构件组成。

[1]1.2 搅拌式反应釜结构设计及其工作原理示意图图1 反应釜结构及原理图Fig.1 the reactor structure and schematic diagram2 设计条件及设计内容分析由设计条件单可知，设计的反应釜可操作容积为1.8m3、搅拌装置配置的电动机功率为1.8KW、搅拌轴的转速为60r/min、搅拌桨的形式为框式；加热的方式为用夹套内的导热油进行电加热：装置上设有8个工艺接管、1个视镜、4个耳式支座、1个人孔（或固体物料进口）。

2.1 反应釜设计的内容主要有：釜体的强度、刚度、稳定性计算和结构设计夹套的强度、刚度计算和结构设计；设计釜体的法兰联接结构、选择接管、管法兰；人孔的选型及补强计算；支座选型及验算；视镜的选型；焊缝的结果与尺寸设计；电机、减速机的选型；搅拌轴及框式搅拌桨的尺寸设计；选择联轴器；设计机架结构及尺寸；设计底盖结构及尺寸；选择轴封形式；绘总装配图及搅拌轴零件图等。

3 反应釜釜体的设计3.1 釜体DN 的确定3.1.1 釜体DN 的确定选取反应釜装料系数η=0.8，由V=V 0/η,可得设备体积V=η0V =8.08.1=2.25m 3 （1）对于液—液相类型选取H/D i =1.2.由此，估算筒体的内径为D i =3Di4H V π=32.125.24⨯⨯π=1.337m （2） 将计算结果圆整至公称直径标准系列，选取筒体直径D i =1400mm 。

3.2 釜体筒体壁厚的设计3.2.1 设计参数的确定取P=1.1P W （3） P=1.1P W =1.1⨯0.33=0.33MPa液体静力压力：由于P L =0.1⨯1000013001.1⨯=0.0143<5%P=0.05⨯1.1⨯0.33=0.01815因此可以忽略P L 取P C =P=1.1⨯0.33MPa mm C mm C 28.06.021===Φ∴，，用导热油加热取介质最高温度130ºC,查表得取t=150 º 3.2.2 筒体壁厚的设计假设S n =6mm 在t=150℃下查得Q235-A 材料[σ]t =113MPa由S /n =C P D P c t i c +-φ][2σ=33.06.01132130033.0-⨯⨯⨯=5.971mm （4）圆整 S /n =6mm=S n 假设合理3.3 釜体封头的设计3.3.1 封头的选型球冠形封头，平板封头都存在较大的边缘应力，且采用平板封头厚度较大，故不宜采用。

理论上应对各种凸形封头进行比较计算，再确定封头形式。

但由于定性分析半封形封头受力最好壁厚最薄，质量轻，但深度大，制造较难，中低压小设备不宜采用；蝶形封头的深度通读过度半径r 加以调节，但由于母线曲率不连续，存在局部应力，故受力不如椭圆形封头；标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比蝶形封，头好。

因此题目该反应釜的封头采用标准椭球封头，类型是EHA 3.3.2 设计参数的确定P=1.1P W =1.1⨯0.4MPa ，压力同釜体P C =P=0.33MPaφ=0.6（从安全考虑，检讨上所有焊缝系数都为0.6） t=150 ºC C 1=0.6mm C 2=1mm 3.3.3 封头的壁厚得设计设封头壁厚S n =6mm （封头厚度取与筒体厚度一致）查表得[σ]t =113MPaS /n =C P D P c t i c +-5.0][2ϕσ=33.05.06.01132130033.0⨯-⨯⨯⨯+1.6=4.767mm （5）圆整S n =6mm= S /n 假设合理3.3.4 封头的直边尺寸、体积的确定查表知EHA 的总高度 H F =325mm对于标准椭圆形封头直边高度h 2=4D 4i -H =413003504-⨯=25mm （6）h 1=350-25=325mm 体积V F =0.3208m 33.4 筒体长度H 的设计3.4.1 筒体长度H 的设计由上计算的每一米高的筒体积V 1=1.327m 3 H=1V V V h -=539.1398.025.2-=1.454m （7）筒体高度圆整为H=1400mm 。

H/D=1400÷1300=1.08， 复核结果基本符合原定范围。

3.4.2 釜体长径比校核H/D=1400÷1300=1.08， 复核结果基本符合原定范围。

3.5 外压筒体壁厚的设计3.5.1 设计外压的确定P C =0.1MPa3.5.2 试差法设计外压筒体的壁厚设筒体的壁厚为S n =6mm S e =S n -C=6-1.25=4.75mm D 0=D i +2S n =1200+2⨯6=1212mm由Lcr=1.17 D 0（D 0/ S e ）1/2得Lcr=1.17⨯1212(1212/4.75)1/2=22651.3mm L /=H+(h 1-h)/3+h=1140+(325-25)/3+25=1265mm ≤Lcr=22651.3mm∴该筒体为短圆筒，圆筒的临界压力Pcr=2.59E 2e S /[L /D 0(D 0/S e )1/2]查表15-7得E=1.91⨯105代入 得Pcr=2.59⨯ 1.91⨯105⨯ 3.752/[945⨯1212⨯(1212/4.75)1/2]=0.34522MPa=3.4522Kgf/cm 2 （8）[P]=Pcr/m 对于圆筒 m=3 得 [P]=3.4522 /3=1.1507Kgf/cm 2圆筒设计外压P=1.0Kgf/cm 2 （9） 可知[P]>P 则S n =6mm 设计合理。

3.5.3 图算法设计筒体的壁厚设筒体的壁厚s ＝6mm ，则：e S =≥=6-1.25 = 4.75mm ，2o i n D D S =+=1212⨯，6.125575.4/1212/0==e S D 。

0'/1265/1212 1.043L D ==在文献[2]305页中图15- 4中的/o L D '坐标上找到1.102的值，由该点做水平线与对应的6.1255/0=e S D 线相交，沿此点再做竖直线与横坐标相交，交点的对应为：A ≈0.00029。

由文献[2]307页中图15- 7中选取，在水平坐标中找到A =2.9×10-4点，由该点做竖线与对应的材料温度线相交，沿此点再做水平线与右方的纵坐标相交，得到系数B 的值为：B ≈37MPa 、E =1.900×105MPa 。

根据[]p =/o e B D S 得： []p =75.4/121237=0.145（MPa ）． （10）因为p ＝0.1MPa < []p ＝0.145MPa ，所以假设n S ＝6mm 合理，取封头的壁厚n S ＝6M 。

由文献[2]316页表16-3知，1200DN =、n S ＝6mm 的筒体1m 高筒节钢板的质量约178kg ，则筒体质量为：178×1.360=242.08（kg ）又知1m 高的内表面积21 4.77m F =故筒体的内表面积：S F =1 1.425 4.77 1.425 6.80F ⨯=⨯=2m （11）3.6 外压封头壁厚得设计3.6.1 设计外压得确定P C =0.1MPa3.6.2 封头壁厚得计算设封头的壁厚为Sn =6mm Se=Sn-C=4.75mm对于标准椭球形封头 K=0.9，Ri =KDi=0.9⨯1200=1080mm （12）R i /Se=1080/4.75=227.4计算系数A=0.125/(Ri /Se)= 5.500⨯10-4由A=5.500⨯10-4可确定B查表15-7得B=63MPa，E=1.91=1.91⨯105MPa由[P]=B/(Ri /Se)得[P]=63 /(1080/4.75)=0.2770Mpa=2.770Kgf/cm2ΘP=1.0Kgf/cm2<[P]=2.770Kgf/cm2∴假设S n=6mm合理。

4 反应釜夹套得设计4.1 夹套釜体DN，PN得确定4.1.1 夹套釜体DN得确定Di=D i+100=1300+100=1400mm所以DN=1400mm4.1.2 夹套釜体PN得确定Pw=0.4MPa P=1.1Pw=0.44MPa4.2 夹套筒体的设计4.2.1 设计参数的确定因为釜体内反应物浓度与水相近，故按水计算反应物静压，即：P液=ghρ=1.0⨯103⨯9.8⨯1.265⨯10-6=0.0124MPa （13）0.0124100%100%11%5%0.1 1.1P P ⨯=⨯=>⨯Q液（14）∴P液不能忽略P C =P+P液=0.1⨯1.1+0.0124=0.1224MPa，由于夹套内的温度为125℃～150℃故取t=150℃，查Q235-A的[σ]t=113MPa 4.2.2 夹套筒体壁厚的设计按强度条件设计由公式Sd =PCDi/{2[σ]tφ-P C}+C （15）得Sd=(0.1224⨯1400)/(2⨯113⨯0.6-0.1224)+1.0+0.6=2.8642mm圆整Sd =3mm Sn=Sd因此假设合理由PC=0.1MPa<0.3MPa 按强度设计的壁厚不能满足刚度要求，需按刚度条件重新计算D i =1500<3800mm S min =2D i /1000+C2 =4mm 所以Sn=4mm对于碳钢制造的筒体壁厚取Sn ＝6mm4.2.3 夹套筒体的高度确定H j =1h V V V -η=2h 04i D V V ⨯-π=23.1414.3321.08.1⨯-=1.115m （16）选取夹套高度H j =1200mm ，则H 0=H-H j =200mm,这样是便于筒体法兰螺栓拆装的。