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 diagram
2 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 =
3Di
4H 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⨯10000
1300
1.1⨯=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=0.33MPa
φ=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 =113MPa
S /
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 =4
1300
3504-⨯=25mm （6）
h 1=350-25=325mm 体积V F =0.3208m 3
3.4 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 =0.1MPa
3.5.2 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 =0.1MPa
3.6.2 封头壁厚得计算
设封头的壁厚为S
n =6mm S
e
=S
n
-C=4.75mm
对于标准椭球形封头 K=0.9，R
i =KD
i
=0.9⨯1200=1080mm （12）
R i /S
e
=1080/4.75=227.4
计算系数A=0.125/(R
i /S
e
)= 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/(R
i /S
e
)得[P]=63 /(1080/4.75)=0.2770Mpa=2.770Kgf/cm2
ΘP=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=1400mm
4.1.2 夹套釜体PN得确定
Pw=0.4MPa P=1.1Pw=0.44MPa
4.2 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=gh
ρ=1.0⨯103⨯9.8⨯1.265⨯10-6=0.0124MPa （13）
0.0124
100%100%11%5%
0.1 1.1
P 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S
d =P
C
D
i
/{2[σ]tφ-P C}+C （15）
得S
d
=(0.1224⨯1400)/(2⨯113⨯0.6-0.1224)+1.0+0.6=2.8642mm
圆整S
d =3mm S
n
=S
d
因此假设合理
由P
C
=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 ＝6mm
4.2.3 夹套筒体的高度确定
H j =1
h V V V -η=2h 04i D V V ⨯-π=2
3.14
14.3321.08.1⨯-=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。

4.3 夹套封头的设计
4.3.1 封头的选型
由所给题目可得封头采用椭球封头，类型是EHA 4.3.2 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=gh ρ=1.0⨯103⨯9.8⨯1.265⨯10-6=0.0124MPa 0.0124100%100%11%5%0.1 1.1
P P ⨯=⨯=>⨯Q 液 ∴P 液不能忽略 P C =P+P 液=0.1⨯1.1+0.0124=0.1224MPa 4.3.3 封头的壁厚的设计
设夹套封头的壁厚S n =3mm [σ]t =113MPa C 1=0.6mm C 2=1mm 由公式S d =P C D i /{2[σ]t φ-0.5P C }+C
得S d =(0.1224⨯1400)/(2⨯113⨯0.6-0.5⨯0.1224)+1.6=2.864mm 圆整S d =3mm S n =S d 因此假设合理
与筒体取一致，故S n =4mm
因为S n =4mm EHA 为了便于生产，所以夹套筒体厚度和封头厚度为6mm 。

4.3.4 封头的直边尺寸、体积与重量的确定
表1 封头的尺寸 公称直DN/mm
总深度H/mm
内表面积A/m 2
容积V/m 3 1400
375
2.2346
0.3977
4.3.5 封头结构的设计
封头的下部结构如图2-1。

由设备设计条件单知：出料口的DN ＝65mm ，封头下部结构的主要结构尺寸min D ＝1802D 。

图2 封头下部结构
Fig.2 Head lower part structure 4.4 传热面积的校核
DN=1300釜体下封头的内表面积F
h
= 1.9340m2 DN=1300筒体（1m高）的内表面积F1=4.09m2
夹套包围筒体的表面积F
S =F
1
×H
j
= 4.09×1.2=4.908（m2）（17）
F h +F
S
= 1.9340+ 4.908 = 6.842 （m2）
由于釜内进行的反应是放热反应，产生的热量不仅能够维持反应的不断进行，且会引起釜内温度升高。

为防止釜内温度过高，在釜体的上方设置了冷凝器进行换热，因此不需要进行传热面积的校核。

如果釜内进行的反应是吸热反应，则需进行传热面
积的校核，即：将F
h +F
S
= 6.842 m2与工艺需要的传热面积F=6.8m2进行比较。

h
F+
S
F≥
F，所以不需要在釜内另设置蛇管。

5 反应釜釜体及夹套的压力试验5.1 釜体的水压试验
5.1.1 水压试验压力的确定
水压试验的压力：
[]
1.25
[]
T t
p p
σ
σ
=且不小于(p+0.1) MPa，（18）
当[]
[]t
σ
σ
＞1.8时取1.8。

P
T
=1.25⨯1.1⨯0.58⨯1=0.80MPa
P
T
=0.80MPa>P+0.1=0.68MPa
∴ P
T
=0.80MPa
5.1.2 液压试验的强度校核。