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[釜式反应器结构]釜式反应器设计

来源：党团范文发布时间：2019-08-30 点击：

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范文一：釜式反应器

3 釜式反应器

3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：

该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l，反应速率常数等于5.6l/mol.min。要求最终转化率达到95%。试问：

（1）（1）当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间？（2）（2）若反应器的反应体积为2m3，，所需的反应时间又是多少？

CH3COOC2H5?NaOH?CH3COONa?C2H5OH

t?CA0?

XAf

XAfdXdX1X?CA0???2220(?RA)kAkCA01?XA0CA0(1?XA)

10.95

???169.6min(2.83h)

解：（1）5.6?0.021?0.95

(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h。

3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：以生产乙二醇，产量为20㎏/h，使用15%（重量）的NaHCO3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h，要求转化率达到95%。

（1）（1）若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积；（2）（2）若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。

解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h

CH2ClCH2OH?NaHCO3?CH2OHCH2OH?NaCl?CO2

0.3266?80.5

?91.11kg/h

每小时需氯乙醇：0.95?30%

0.3266?84

?190.2kg/h

每小时需碳酸氢钠：0.95?15%

91.11?190.2Q0??275.8l/h

1.02原料体积流量： 0.3266?1000CA0??1.231mol/l

0.95?275.8氯乙醇初始浓度：

反应时间：

XAfdX1dX10.95

t?CA0?????2.968h2?00kCACBkCA0(1?XA)5.2?1.2311?0.95 反应体积：Vr?Q0(t?t")?275.8?(2.968?0.5)?956.5l

XAf

（2）（2）反应器的实际体积：

Vr956.5??1275lf0.75

3.3丙酸钠与盐酸的反应：

C2H5COONa?HCl?C2H5COOH?NaCl

为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。反应开始时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml反应液用0.515N的NaOH溶液滴定，

，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的90%。试计算反应器的反应体积。假定（1）原料装入以及加热至反应温度（50℃）所需的时间为20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。

解：用A,B,R,S分别表示反应方程式中的四种物质，利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度（也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1：1）为：

CA?CB?

XAe

于是可求出A的平衡转化率：

0.515

?VNaOHmol/l10

CA0?CAe52.5?10.5

???0.8

CA052.5

0.515

?52.5?(1?0.72)?0.0515?14.7mol/l10

XA?XAe?90%?0.8?90%?0.72CA?CA0(1?XA)?

现以丙酸浓度对时间作图：

由上图，当CA=0.0515×14.7mol/l时，所对应的反应时间为48min。由于在同样条件下，间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以该生产规模反应器的反应时间也是48min。

丙酸的产量为：500kg/h=112.6mol/min。

所需丙酸钠的量为:112.6/0.72=156.4mol/min。

原料处理量为：Q0?FA0/CA0?156.4/(0.0515?52.5)?57.84l/min 反应器体积：Vr?Q0(t?t0)?57.84?(18?20?10)?4512l 实际反应体积：4512/0.8?5640l

3.4在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：

A?B?R

1100014

rA?1.1?10exp(?)CACBkmol/m3.h

T其反应速率方程为：

式中组分A及B的浓度CA及CB以kmol/m3为单位，温度T的单位为K。该反应的

热效应等于-4000kJ/kmol。反应开始时溶液不含R，组分A和B的浓度均等于

0.04kmol/m3，反应混合物的平均热容按4.102kJ/m3.K计算。反应开始时反应混合物的温度为50℃。

（1）（1）试计算A的转化率达85%时所需的反应时间及此时的反应温度。（2）（2）如果要求全部反应物都转化为产物R，是否可能？为什么？解：(1)

0.04???(?4000)?CA0(??Hr)

(XA?XA0)?323?XA?323?39.01XA

4.102CF0

XAfdXXAfdXt?CA0??CA0?00(?RA)kCACBT?T0?

?CA0?

（由数值积分得出）

dX?91.32h

1100022

1.1?1014exp(?)CA(1?X)0A

323?39.01XA

T?323?39.01?0.85?356.2K

(2)若A全部转化为R,即XA=1.0,则由上面的积分式知，t→∝,这显然是不可能的。

3.5在间歇反应器中进行液相反应：

A?B?CC?B?D

rA?k1CACBrD?k2CCCB

A的初始浓度为0.1kmol/m3,C，D的初始浓度为零，B过量，反应时间为t1时，CA=0.055kmol/m3，CC=0.038 kmol/m3，而反应时间为t2时，CA=0.01 kmol/m3，CC=0.042kmol/m3，试求：（1）（1） k2/k1;

（2）（2）产物C的最大浓度；

（3）（3）对应C的最大浓度时A的转化率。

解：(1)因为B过量，所以：恒容时：

""""

rA?k1CA,rD?k2CC,rC?rA?rD?k1CA?k2CC

dCA"??k1CA

dt （A） dC""?C?k1CA?k2CC

dt (B)

（B）式除以（A）式得：

"dCCk2C??1?"CdCAk1CA

解此微分方程得：

k??"

kCA0??CA?1CA?

CC???"??k2?CA0?CA0?

?1?"???k1

（C）

将t1,CA,CC及t2,CA,CC数据代入（C）式化简得：解之得：

"k2kx?"?0.525?2

k1k1

0.42?0.55x?0.38?0.1x?0.42?0.55?0.38?0.1

(2)先求出最大转化率:

XA,max

kk1?1

?1?()?0.7425

(3)产物C的最大收率：

YC,max

产物C的最大浓度：

?1?

k???1?XA?1??1?XA???0.4905

k?1?2?k1

CC,max?CA0YC,max?0.1?0.4905?0.0491kmol/m3

3.6 在等温间歇反应器中进行液相反应

初始的反应物料中不含A2和A3，A1的浓度为2mol/l，在反应温度下k1=4.0min-1,k2=3.6min-1,k3=1.5min-1。试求:

（1）（1）反应时间为1.0min时，反应物系的组成。（2）（2）反应时间无限延长时，反应物系的组成。

k3k1

A???A????A3反应时间无限延长时，12（3）（3）将上述反应改为

k3k1

A1????A2???A3

反应物系的组成。

解：根据题中给的两种反应情况，可分别列出微分方程，然后进行求解。但仔细分析这两种情况，其实质是下述反应的特例：

k1k2

A1???A2???A3 (A)

"k2当?0时，（A）式变为A1?A2?A3 (B) "k当1?0时，（A）式变为A1?A2?A3 (C) ""k?0,k2?0时，当1（A）式变为A1?A2?A3 (D)

其中式（D）即为书讲的一级不可逆连串反应。可见只要得到（A）式的解，则可容易化简得到（B）,(C)及(D)式的解。对于(A)式，可列出如下微分方程组：

dC1"

?k1C1?k1C1dt (1)

dC2""?k1C1?k2C3?k1C2?k2C2dt (2) dC"

?k2C2?k2C3

dt (3)

由题意知初始条件为：

C1(0)?C10,C2(0)?C3(0)?0 (4)

联立求解此微分方程组可得：

CC??k"""kkk?""

1?10?????

????

?(??k)e?t?(??k)e?t????(??k??

1)?(??k1)??? (5)

C?C??"?kkk(??k""

?)e?t(??k)e?t????

????????

210???????

?? C??k1k2k1k2?e?te?t???

3?C10?????????????????

?? (7)

式中，?,?由如下式确定：

???k"""

1k2?k1k2?k2k1 (8) ?????(kk""1?1?k2?k2) (9)

现在可用上述结果对本题进行计算：

（1）k?1

?4.0min1,k"?1?1"1?3.6min,k2?1.5min,k2?0,t?1min 由（5）～（9）式得

CA1?0.5592mol/lCA2?0.5098mol/l

CA3?0.931mol/l

（2）当t→∝时，由（5）～（9）式得

CA1?CA2?0CA3?2.0mol/l

（3）此时为k"1?0的情况，当t→∝时，由k1

?4.0min?1, k?1.5min?1,k"

?122?3.6min得：

CA1?0

CA2?1.412mol/l

CA3?0.588mol/l

3.7拟设计一反应装置等温进行下列液相反应：

(6)

A?2B?R2A?B?S

rR?k1CACB2

rS?k2CACB

目的产物为R，B的价格远较A贵且不易回收，试问：

（1）（1）如何选择原料配比？

（2）（2）若采用多段全混流反应器串联，何种加料方式最好？（3）（3）若用半间歇反应器，加料方式又如何？

?rkCC1S???22

?BRAk1CACB?2k2CACB1?2k2CA

k1CB 解：（1）

由上式知，欲使S增加，需使CA低，CB高，但由于B的价格高且不易回收，故应按主反应的计量比投料为好。

（2）保证CA低，CB高，故可用下图所示的多釜串联方式：

（3）用半间歇反应器，若欲使CA低，CB高，可以将B一次先加入反应器，然后滴加A.

3.8在一个体积为300l的反应器中86℃等温下将浓度为3.2kmol/m3的过氧化氢异丙苯溶液分解：

生产苯酚和丙酮。该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数等于0.08s-1,最终转化率达98.9%，试计算苯酚的产量。

（1）（1）如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为15min; （2）（2）如果是全混流反应器；

（3）（3）试比较上二问的计算结果；

（4）（4）若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，结果怎样？

解：（1）

C6H5C(CH3)2COH?CH3COCH3?C6H5OH

t?CA0??

XAf

XAfdXAdXA11

?CA0??ln

0(?RA)kA0CA0(1?XA)k1?XA

ln?56.37s?0.94min0.81?0.989

Vr?Q0(t?t0)?Q0(0.94?15)?300lQ0?300/15.94?18.82l/min

苯酚浓度C苯酚?CA0XA?3.2?0.989?3.165mol/l

苯酚产量Q0C苯酚?18.82?3.165?59.56mol/min?335.9kg/h （2）全混流反应器

Vr?Q0?

Q0CA0XAfkCA0(1?XAf)Vrk(1?XAf)

XAf

Q0XAfk(1?XAf)

300?0.08(1?0.989)??0.2669l/s?16.02l/min

0.989

苯酚产量Q0C苯酚?16.02?3.2?0.989?50.69mol/min?285.9kg/h

（3）说明全混釜的产量小于间歇釜的产量，这是由于全混釜中反应物浓度低，反应速度慢的原因。

（4）由于该反应为一级反应，由上述计算可知，无论是间歇反应器或全混流反应器，其原料处理量不变，但由于CAB增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一倍。

3.9在间歇反应器中等温进行下列液相反应：

A?B?R2A?D

rR?1.6CAkmol/m3.h

rD?8.2CAkmol/m3.h

rD及rR分别为产物D及R的生成速率。反应用的原料为A及B的混合液，其中A的浓度等于2kmol/m3。

（1）（1）计算A的转化率达95%时所需的反应时间；（2）（2） A的转化率为95%时，R的收率是多少？

（3）（3）若反应温度不变，要求D的收率达70%，能否办到？

（4）（4）改用全混反应器操作，反应温度与原料组成均不改变，保持空时

与（1）的反应时间相同，A的转化率是否可达到95%？

（5）（5）在全混反应器中操作时，A的转化率如仍要求达到95%，其它条件

不变，R的收率是多少？

（6）（6）若采用半间歇操作，B先放入反应器内，开始反应时A按（1）计

算的时间均速加入反应器内。假如B的量为1m3，A为0.4m3，试计算A加完时，组分A所能达到的转化率及R的收率。解：（1）第二章2.9题已求出t=0.396h=24.23min (2)

SR?(

dCdC?dC1.6C1

)/(?)???2dtdtdCA1.6CA?16.4CA1?10.25CA

0.1

CA?CA0(1?XA)?2(1?0.95)?0.1kmol/m3CR??

CA0

?SRdCA???

112

?ln(1?10.25CA)0.1

1?10.25CA10.25

?0.2305kmol/m3

C0.2305YR?R??0.1153

CA02

(3)若转化率仍为0.95，且温度为常数，则D的瞬时选择性为：

SD?

D的收率：

2?8.2C32.8(1?X)

1.6?16.4CA34.4?32.8XA

XAf

YD??

SDdXA??

0.95

32.8(1?X)

A?0.8348

34.4?32.8XA

0.7

这说明能使D的收率达到70%

（4）对全混流反应器，若使τ=t=0.3958h,则有

0.3958?

解之得：CA=0.4433

CA0?CA

1.6CA?16.4CA

0.95

XA?

所以：这说明在这种情况下转化率达不到95%。

（5）（5）对全混流反应器，若X=0.95,则R的收率为：

C?C?0.7784CA0

YR?SXAf

0.95

???0.46911?10.25CA0(1?XAf)1?10.25?2(1?0.95)

XAf

（6）依题意知半间歇式反应器属于连续加料而间歇出料的情况。为了求分组A

的转化率及R的收率，需要求出A及R 的浓度随时间的变化关系，现列出如下的微分方程组：

d(VCA)2

?(1.6CA?16.4CA)V?Q0CA0

dt对A: （1）

对R:

d(VCR)

?1.6CAV?0dt （2） V?V0?Q0t （3）

在反应时间（t=0.4038h,为方便起见取t ≈0.4h）内将0.4 m3的A均速加入反应器内，故

采用间歇釜操作时，原料为A与B的混合物，A的浓度为2kmol/ m3.现采用半间

V?1m,V?0.4mA歇釜操作，且B，故可算出原料A的浓度为：

(1?0.4)?2CA0?kmol/m3

0.4

V0?1m3

Q0?

0.4

?1m3/h0.4

由于：

代入（1），（2）式则得如下一阶非线性微分方程组：

d(VC)dVdC?CA?Vdtdtdtd(VC)dVdC?CR?VdtdtdtdV

?Q0dt

dCA7?CA2

??1.6CA?16.4CAdt1?t （4）

dCRC

?1.6CA?Rdt1?t （5）

初始条件：t=0,CA=0,CR=0

可用龙格---库塔法进行数值求解。取步长△t=0.02h，直至求至t=0.4h即可。用t=0.4h时的CA和CR可以进行A的转化率和R的收率计算：

XA?

式中VA为所加入的A的体积，且VA=0.4m3;CA0为所加入的A的浓度，且CA0=7kmol/m3；V为反应结束时物系的体积，V=1.4m3。

NA0?NACA0VA?CAV

NA0CA0VA

CRVYR?

CA0VA 同理可以计算出R的收率：

3.10在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应：

2A?BB?R

2rA?68CAkmol/m3.h

加料中组分A的浓度为0.2kmol/m,流量为4m/h,要求A的最终转化率为90%，

试问：

（1）（1）总反应体积的最小值是多少？（2）（2）此时目的产物B的收率是多少？

（3）（3）如优化目标函数改为B的收率最大，最终转化率为多少？此时总

反应体积最小值是多少？解：（1）

rR?14CBkmol/m3.h

Q0CA0XA1Q0CA0(XA2?XA1)

?2222

k1CA(1?X)kC(1?X)0A12A0A2

1?X1

??02

对上式求dVr/dXA1=0可得：1?XA1(1?XA2)

Vr?Vr1?Vr2?

100(1?X)?1?XA1 A1将XA2=0.9代入上式，则

解之得XA1=0.741

所以总反应体积的最小值为

4?0.7410.9?0.741?3

Vr?Vr1?Vr2???3.249?4.676?7.925m22?68?0.2?(1?0.741)(1?0.9)??

(2)

2RB?34CA?14CB

CA1?CA0(1?XAf)?0.0518

2RB1?34CA1?14CB1?0.09123?14CB1

?1?

VC?C?Q0RB1

3.249C?

0.09123?14CB1 即4

解得CB1=0.005992 kmol/m3

?2?

同理

解得CB2=0.00126 kmol/m3

4.676C?CC?0.005992

??22434CA?14C34C(1?X)?14CB2 2B2A0A2

C2?0.00126YB?2??1.26%

CA00.2B的收率：

(3)目标函数改为B的收率，这时的计算步骤如下：对于第i个釜，组分A,B的

衡算方程分别为：

CAi?1?CAi

??i

对A: 68CAi C?C??i

对B: 34CAi?14CBi

当i=1时，

CA0?CA1

??1268CA1

（1） C??1

34CA1?14CB1

（2）

当i=2时，

C?C??2

68CA2

（3） CB2

??2

34CA2?14CB2

（4）

由（1）式解出CA1代入（2）式可解出CB1; 由（1）式解出CA1代入（3）式可解出CA2;将CB1及CA2代入（4）式可解出CB2,其为τ1,τ2的函数，即

CB2?f(CA0,?1,?2) （5）

式中CA0为常数。由题意，欲使CB2最大，则需对上述二元函数求极值:

联立上述两个方程可以求出τ1及τ2。题中已给出Q0,故由Vr?Q0(?1??2)可求出CB2最大时反应器系统的总体积。将τ1,τ2代入（5）式即可求出B的最高浓度，从而可进一步求出YBmaX.将τ1,τ2代入CA2，则由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最终转化率。

3.11在反应体积为490cm3的CSTR中进行氨与甲醛生成乌洛托品的反应：

?C?C

?0,?0??1??2

式中（A）--NH3,(B)—HCHO,反应速率方程为：

rA?kCACBmol/l.s

k?1.42?10exp(?3090/T)。氨水和甲醛水溶液的浓度分别为式中

4NH3?6HCHO?(CH2)6N4?6H2O

1.06mol/l和6.23mol/l,各自以1.50cm3/s的流量进入反应器，反应温度可取为36℃，假设该系统密度恒定，试求氨的转化率XA及反应器出口物料中氨和甲醛的浓度CA及CB。解：

4.06

?2.0326.32CB0??3.16

Q0?2?1.5?3.0CA0?

CA?CA0(1?XA)

mol/lmol/lcm3/s

CB?CB0?CA0XA?3.16?1.5?2.03XA

k?1.42?103exp(?3090/309)?0.06447Vr?

Q0CA0XAfkCAC

Q0CA0XAf

kCA0(1?XA)(CB0?CA0XA)2

3XAf

490?

即得：

0.06447(1?XAf)(3.16?1.5?2.03XAf)2

整理得：

解得：XAf=0.821

反应器出口A,B得浓度分别为：

32XAf?3.075XAf?3.162XAf?1.077?0

CA?CA0(1?XA)?2.03?(1?0.821)?0.3634

mol/l

CB?CB0?CA0XA?3.16?1.5?2.03?0.821?0.6602

3.12在一多釜串联系统，2.2kg/h的乙醇和1.8kg.h的醋酸进行可逆反应。各个反应器的体积均为0.01m3，反应温度为100℃，酯化反应的速率常数为4.76×10-4l/mol.min,逆反应（酯的水解）的速率常数为1.63×10-4 l/mol.min。反应混合物的密度为864kg/m3,欲使醋酸的转化率达60%，求此串联系统釜的数目。解：等体积的多釜串联系统

CAi?1?CAi

k1CACB?k2CCCD

(A)

A,B,C,D分别代表乙酸，乙酸乙酯和水。由计量关系得：

CB?CB0?(CA0?CA)CC?CD?CA0?CA

从已知条件计算出：

将上述数据代入（A）式，化简后得到：

CAi?1?0.04056CAi?1.5113CAi?0.887(B)

0.04056CA1?1.5113CA1?0.887?CA0?6.48 若i=1,则（B）式变为：

1.8?864

?6.48mol/l

4.0?602.2?864CB0??10.33mol/l

4.0?460.01?864?60???129.6min

4.0 CA0?

解之得：CA1?4.364解之得：CA2?3.20

mol/l,XA1?0.326 mol/l,XA1?0.506

0.04056CA2?1.5113CA2?0.887?CA1?4.364 若i=2,则（B）式变为：

20.04056CA3?1.5113CA3?0.887?CA2?3.2 若i=3,则（B）式变为：

mol/l,XA1?0.609 解之得：CA3?2.53

即：三釜串联能满足要求。

3.13以硫酸为催化剂，由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯。仓库里闲置着两台反应釜，一台的反应体积为3m3,另一台则为1m3。现拟将它们用来生产醋酸丁酯，初步决定采用等温连续操作，原料中醋酸的0.浓度为0.15kmol/m3，丁酯则大量过剩，该反应对醋酸为2级，在反应温度下反应速率常数等于1.2m3/h.kmol，要求醋酸的最终转化率不小于50%，这两台反应釜可视为全混反应器，你认为采用怎样的串联方式醋酸丁酯的产量最大？为什么？试计算你所选用的方案得到的醋酸丁酯产量。如果进行的反应是一级反应，这两台反应器的串联方式又应如何？

解：因为反应级数大于1，所以联立方式应当是小釜在前，大釜在后才能使醋酸丁酯产量最大。现进行计算：

CA0XA1V1??22Q0kCA(1?X)Q00A1VCA0(XA2?XA1)3

??22Q0kCA0(1?XA2)Q0

二式联立化简后得到：（将XA2=0.5代入）解之得：XA1=0.223

230.5?2.75XA1?2.5XA?X1A1?0

kCA0(1?XA1)21.2?0.15(1?0.223)2?1Q0?Vr1??0.4873m3/h

XA10.223

mol/h 醋酸丁酯产量=Q0CA0XA2?0.4873?0.15?0.5?36.55

如果进行的是一级反应，可进行如下计算：

（1）（1）小反应器在前，大反应器在后:

CA0XA1Vr11??Q0kCA0(1?XA1)Q0Vr2CA0(XA2?XA1)3

??Q0kCA0(1?XA2)Q0

联立二式，且将XA2=0.5代入，化简后得到: 解得：XA1=0.1771

2XA1?3XA1?0.5?0

Q0?

所以有：

k(1?XA1)1.2(1?0.1771)

??5.576

XA10.1771

m3/h

醋酸丁酯产量=Q0CA0XA2?5.576?0.15?0.5?0.4182

(2)大反应器在前，小反应器在后:

kmol/h

CA0xA1Vr13??Q0kCA0(1?xA1)Q0Vr2CA0(xA2?xA1)1

??Q0kCA0(1?xA2)Q0

解得XA1=0.3924

3k(1?X)3?1.2(1?0.3924)

Q0???5.575

XA10.3924所以有：

产量同前。说明对此一级反应，连接方式没有影响。

m3/h

3.14等温下进行1.5级液相不可逆反应：A?B?C。反应速率常数等于5m1.5/kmol1.5.h，A的浓度为2kmol/m3的溶液进入反应装置的流量为1.5m3/h，试分别计算下列情况下A的转化率达95%时所需的反应体积：（1）全混流反应器;(2)两个等体积的全混流反应器串联；（3）保证总反应体积最小的前提下，两个全混流反应器串联。解：（1）全混流反应器

Vr?

Q0CA0XA1.5?2?0.95

??18.021.51.51.51.5

kCA0(1?XA)5?2?(1?0.95)

（2）（2）两个等体积全混流反应器串联

Vr1?

Q0CA0XA1

1.5

kC1.5(1?X)A0A1

Q0CA0(XA2?XA1)Vr2?1.5

kC1.5(1?X)A0A2

由于Vr1?Vr2，所以由上二式得： X(X?X)

?1.5

(1?XA1)(1?XA2)1.5

将XA2=0.95代入上式，化简后得到XA1=0.8245，所以：

Vr1?

Q0CA0XA1

?2.3791.51.5

kCA0(1?XA1)

串联系统总体积为：Vr?2Vr1?4.758

（3）（3）此时的情况同（1），即Vr?18.03

3.15原料以0.5m3/min的流量连续通入反应体积为20m3的全混流反应器，进行液相反应：

A?R2R?D

rA?k1CA

rD?k2CR

CA,CR为组分A及R的浓度。rA为组分A的转化速率，rD为D的生成速率。原料中A的浓度等于0.1kmol/m3，反应温度下，k1=0.1min-1，k2=1.25m3/kmol.min,试计算反应器出口处A的转化率及R的收率。

解：

V2.0??40minQ00.5

所以：

CA0XAXA

???

k1CA0(1?XA)0.1(1?XA)

XA?0.80,CA?CA0(1?XA)?0.02kmol/m3

即为：

?402

k1CA?2k2CR

100CA?CR?0.08?0

CR?0.02372kmol/m3

C0.02372YR???0.2372

CA00.1

3.16在联系釜反应器中等温进行下列液相反应：

2A?B

A?C???D

rB?k1CA?k2CB

进料速率为360l/h,其中含25%A,5%C（均按质量百分率计算），料液密度等于

0.69g/c m。若出料中A的转化率为92%，试计算：（1）（1）所需的反应体积；

（2）（2） B及D的收率。已知操作温度下，k1=6.85×10-5l/mol.s; k2=1.296×10-9s-1;; k3=1.173×10-5l/mol.s ;B的分子量为140；D的分子量为140。

解：因MB=MD=140,所以MA=MC=70

rD?k3CACC

FA0?CA0?FC0?CA0?

Q?W360?0.69?0.25

??0.8871kmol/hMA70FA00.8871?1000??2.46mol/lQ0360

Q0?WC360?0.69?0.05

??0.1774kmol/hMC70

0.1774?1000

?0.4929mol/l

360 CA0XA

??2

2(k1CA?k2CB)?k3CACC （1）

C??2

k1CA?k2CB （2） C?CC??C0

k3CACC （3）

由（2），（3）式分别得：

k1?CA

CB?

1?k2? （4） CCC?

1?k3?CA （5）

将（4），（5）式及上述数据代入（1）式，可整理为τ的代数方程式，解之得τ

=3.831×10s=106.4h

V??Q?106.4?360?38300l?38.30mr0（1）（1）反应体积

（2）（2）将τ代入（4）式得CB?1.016mol/l，所以B的收率为：

2CB2?1.016??82.60%CA02.46

对A作物料衡算：CA0?CA?2CB?CD

YB?

所以有：

CD?CA0?CA?2CB?CA0XA?2CB?2.46?0.92?2?1.016?0.2312mol/l

C0.2312YD???9.40%

CA02.46所以D的收率为：

3．17 在CSTR中进行下述反应：

k1C6H6?Cl2???C6H5Cl?HCl

(B)(M)

(C)(C)

(M)

(D)

(H)

（1）

k2C6H5Cl?Cl2???C6H4Cl2?HCl

(H)

（2）

k3C6H4Cl2?Cl2???C6H3Cl3?HCl

(C)(T)(H) (D) （3）

如果k1/k2=8, k2/k3=30,CB6=10.0mol/l,氯对苯的加料比=1.4，k1τ=1 l/mol,( τ为空时)，试计算反应器出口B,M,D,T,C的浓度。各个反应对各反应物均为一级。

C?10kmol/m,k1/k2?8,k2/k3?30,CC0/CB0?1.4,k1??1 解：B0

分别列出组分B,M,D,T,C的物料衡算式：

B:??

CB0?CBCB0

,CB?

k1CBCC1?CC (1)

8CBCCCM:??,CM?

k1CBCC?k2CMCC8?CC (2)

30CCCMCD

,CD?

k2CCCM?k3CDCC240?CC (3)

CT1

T:??,CT?CCCD

k3CCCD30 (4) D:??

C:CC?CC0?CM?2CD?3CT (5)

由（5）式得：

1.4CB0?CC?CM?2CD?3CT?CC?

8CC60CC1

??CCCD

8?CC240?CC10 (6)

联立（1）,(2),(3),(4),（6）式（五个方程，五个未知数）：

由（2）式得：由（3）式得：

CM?

8CBCC8CB0CC

8?CC(1?CC)(8?CC) (7)

30CCCM240CB0CC

CD??

240?CC(240?CC)(1?CC)(8?CC) (8)

将（1）,(7),（8）式代入（6）得：

1.4CB0

8CB0CC480CB0CC24CB0CC

?CC???

(1?CC)(8?CC)(240?CC)(1?CC)(8?CC)(240?CC)(1?CC)(8?CC)

432C?475C?3562CCC?9232CC?26880?0 整理得：C

解得：CC=0.908 kmol/m3

CB??2.301kmol/m3

1?3.345代入（1）式得： 8?2.301?3.345CM??5.427kmol/m3

8?3.345代入（7）式得： 30?3.345?5.427CD??2.238kmol/m3

240?3.345代入（8）式得： 1

CT??3.345?2.238?0.0312kmol/m3

30代入（4）式得：

验证：1.4CB0?CC?CM?2CD?3CT

14.0?14.0 即：1.4?10?3.345?5.427?2?2.238?3?0.0312

3．18 根据例题3.12中规定的条件和给定数据，使用图解法分析此反应条件下是否存在多定态点？如果为了提高顺丁烯二酸酐的转化率，使原料以0.001 m3/s的流速连续进入反应器，其它条件不变，试讨论定态问题，在什么情况下出现三个定态点？是否可能实现？

解：由例3.11,3.12知：

?RA?kCACB?1.37?1012exp(?12628/T)CACBkmol/m3.sT0?326K,Q0?0.01m3/h,Vr?2.65m3CA0?4.55kmol/m3,CB0?5.34kmol/m3?Hr??33.5kJ/mol??33.5?103kJ/kmol

?Cpt?1980kJ/m3.K

移热速率方程：qr?Q0?Cpt(T?T0)?19.8(T?326) （1）放热速率方程： qg?(??Hr)(?RA)Vr

?33.5?103?1.37?1012exp(?12628/T)CA0(1?XA)(CB0?CA0XA)?2.65 （2）

CA0(??Hr)

?Cpt

（3）

绝热操作方程：

由（3）式得：

?Cpt

XA?(T?T0)

CA0(??Hr) （4）（4）（4）代入（2）式得：

T?T0?

???Cpt

qg?33.5?103?1.37?1012exp(?12628/T)CA0?1?(T?T0)?

?CA0(??Hr)???

???Cpt

(T?T0)??2.65?553.3?1015exp(?12628/T)(128.8?0.6291T?7.677?10?4T2)?CB0?

(??Hr)????

（5）

转化率，使Q0=0.001m3/s,而保持其它条件不变，则这时的移热速率线如q’r所示。由图可知，q’r与qg线无交点，即没有定态点。这说明采用上述条件是行不通的。从例3.11可知，该反应温度不得超过373K，因此从图上知，不可能出现三个定态点的情况。

3．19 根据习题3.3所规定的反应及给定数据，现拟把间歇操作改为连续操作。试问：

（1）（1）在操作条件均不变时，丙酸的产量是增加还是减少？为什么？（2）若丙酸钠的转换率和丙酸产量不变，所需空时为多少？能否直接应用3.3中的动力学数据估算所需空时?

（3）若把单釜操作改变三釜串联，每釜平均停留时间为（2）中单釜操作时平均停留时间的三分之一，试预测所能达到的转化率。

解：（1）在操作条件均不变时，用习题3.3中已算出的Vr=4512l,Q0=57.84l/min,则可求出空时为τ=4512/57.84=78min。此即间歇操作时的(t+t0)。当改为连续操作时，转化率下降了，所以反应器出口丙酸的浓度也低于间歇反应器的结果。因Q0维持不变，故最后必然导致丙酸的产量下降。这是由于在连续釜中反应速率变低的缘故。（2）若维持XA=0.72，则可由3.3题中的数据得出X

A=0.72时所对应的反应速率，进而求出这时对应的空时τ=246.2min。因题意要求丙酸产量不变，故Q0不能变，必须将反应器体积增大至14240 l才行。

（3）这时τ1=τ/3=82.1min。利用3.3题中的数据，可求出RA～XA之关系，列表如下：XA3=0.787。

3．20 根据习题3.8所规定的反应和数据，在单个全混流反应器中转化率为98.9%，如果再有一个相同大小的反应釜进行串联或并联，要求达到同样的转化率时，生产能力各增加多少？

解：（1）二个300 l全混串联釜，XA2=0.989，

Vr1?

Q0XA1

?300

k(1?XA1) （1）

Vr2?

Q0(XA2?XA1)

?300

k(1?XA2) （2）

解得：XA1=0.8951

代入（1）式求出此系统的体积流量：

300?0.08(1?0.8951)Q0,2??2.812l/s?168.7l/min

0.8951

Q?16.02l/min。因为最终转化率相同，故生产能力增加

3.8题中已算出0,1

168.7/16.02=10.53倍。

（2）二个300l釜并联，在最终转化率相同时，Q0增加一倍，生产能力也增加一倍。

3．21 在反应体积为0.75 m3的全混流反应器中进行醋酐水解反应，进料体积流量为0.05 m3/min,醋酐浓度为0.22kmol/ m3,温度为25℃,出料温度为36℃，该反应为一级不可逆放热反应，反应热效应等于-209kJ/mol,反应速率常数与温度的关系如下：

k=1.8×10-7 exp(-5526/T),min-1

反应物料的密度为常数，等于1050kg/ m3,热容可按2.94kJ/kg.℃计算。该反应器没有安装换热器，仅通过反应器壁向大气散热。试计算： (1) (1) 反应器出口物料中醋酐的浓度；

(2) (2) 单位时间内反应器向大气散出的热量。

解：

T0?298K,T?309K,Q0?0.05m3/min?Hr??209?103kJ/kmol

k?1.8?107exp(?5526/309)?0.308

（1）（1）求转化率：

Vr?

Q0XAfk(1?XAf)

0.05XAf0.308(1?XAf)

?0.75

解得:XAf=0.8221

反应器出口物料中醋酐浓度：

（2）单位时间内反应器向大气散出的热量：

CA?CA0(1?XA)?0.22(1?0.8221)?0.03914kmol/m3

Q"?Q0?Cpt(T?T0)?(?Hr)(?RA)Vr

?0.05?1050?2.94(309?298)?(?209?103)0.308?0.22(1?0.8221)0.75??191kJ/min

3．22 在反应体积为1 m的釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产丙二醇-1，2：

该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下反应速率常数等于0.98h-1，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m3,环氧丙烷的最终转化率为90%。

H2COCHCH3?H2O?H2COHCHOHCH3

（1）若采用间歇操作，辅助时间为0.65h,则丙二醇-1，2的日产量是多少？（2）有人建议改在定态下连续操作，其余条件不变，则丙二醇-1，2的日产量又是多少？

（3）为什么这两种操作方式的产量会有不同？

3?1

V?1m,r?kC,k?0.98h,CA0?2.1kmol/l,XA?0.9 rAA解：

（1）（1）一级不可逆反应：

1111t?ln?ln?2.35hk1?XAf0.981?0.9Vr?Q0(t?t0)?Q0(2.35?0.65)?1

所以Q0=0.109m/h

CX?2.1?0.9?1.89kmol/m丙二醇的浓度=A0A

丙二醇的产量=1.89?1/3?0.63kmol/h?15.15kmol/日

(2) 采用定态下连续操作

Vr?

Q0XAfk(1?XAf)

Q0?0.9

0.98(1?0.9)

所以Q0=0.109m/h

丙二醇的产量=0.109?1.89?0.2058kmol/h?4.939kmol/日（3）因连续釜在低的反应物浓度下操作，反映速率慢，故产量低。

3．23 根据习题3.11所规定的反应和数据，并假定反应过程中溶液密度恒

定且等于1.02g/cm,平均热容为4.186kJ/kg.K,忽略反应热随温度的变化，且为-2231kJ/kg乌洛托品，反应物料入口温度为25℃。问：（1）（1）绝热温升是多少？若采用绝热操作能否使转化率达到80%？操作温

度为多少？

（2）（2）在100℃下等温操作，换热速率为多少？解：CA0?2.03mol/l,??1.02kg/l

(??Hr)?2231kJ/kg(乌洛托品）?312.3kJ/mol(乌洛托品）???????????????78.09kJ/mol(氨）

Cpt?4.186kJ/kg.K

CA0(??Hr)2.03?78.09????37.13K

1.02?4.186?Cpt

（1）绝热升温：

由物料衡算式（见3.11解答）：

XA??32

??1.42?10exp(?3090/T)(1?X)(3.16?3.045X)AA??

由热量衡算式得：T=298+37.13XA。

联立求解可得：XA=0.8578>0.8，T=329.9K 可见，绝热操作时转化率可以达到80%。

（2）T0=298K,在T=373K下等温操作，由物料衡算式可求出转化率：

??430XA?323??1.42?10exp(?3090/373)(1?X)(3.16?3.045X)AA??

所以有：XA=0.9052

由（3.87）式可得物系与环境交换的热量：

q?UAh(T0?T)?Q0?Cpt(T?T0)?Q0CA0XAf(?Hr)

?3?10?3?1.02?4.186(373?298)?3?10?3?2.03?0.9052?78.09?0.5302kJ/s

由上式知TC>T,说明应向反应器供热。

3．24 某车间采用连续釜式反应器进行已二酸和已二醇的缩聚反应，以生产醇酸树酯。在正常操作条件下（反应速度，进出口流量等），已二酸的转化率可达80%。某班从分析知，转化率下降到70%，检查发现釜底料液出口法兰处漏料，经抢修后，温度流量均保持正常操作条件。但转化率仍不能提高，试分析其原因。如何使转化率提高到80%？

解：根据上述情况，可能是反应器的搅拌系统有些问题，导致反应器内部存在死区或部分物料走了短路，这些均可导致反应器的效率降低，从而使转化率下降。

范文二：搅拌釜式反应器课程设计

搅拌釜式反应器课程设计任务书

一、设计内容安排

1. 釜式反应器的结构设计

包括：设备结构、人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等。 2. 设备壁厚计算及其强度、稳定性校核 3. 筒体和裙座水压试验应力校核 4. 编写设计计算书一份

5. 绘制装配图一张（电子版）二、设计条件

三、设计要求

1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计； 2.根据设计计算书、图纸及平时表现综合评分。

四、设计说明书的内容

1.符号说明 2.前言

（1）设计条件；（2）设计依据；

（3）设备结构形式概述。 3.材料选择

（1）选择材料的原则；

（2）确定各零、部件的材质；

（3）确定焊接材料。 4.绘制结构草图

（1）按照工艺要求，绘制工艺结构草图；

（2）确定裙座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；（3）标注形位尺寸。

5.标准化零、部件选择及补强计算：

（1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括：代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。（2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算。（3）其它标准件选择。

6.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。 7.主要参考资料。

【设计要求】：

1.计算单位一律采用国际单位； 2.计算过程及说明应清楚；

3.所有标准件均要写明标记或代号；

4.设计计算书目录要有序号、内容、页码；

5.设计计算书中与装配图中的数据一致。如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；

6.设计计算书要有封面和封底，均采用A4纸，正文用小四号宋体，行间距1.25倍，横向装订成册。

0.搅拌釜式反应器设计条件 ............................................................................................................. 1 1.确定筒体的直径和高度 ................................................................................................................. 2 2.确定夹套的直径和高度 .................................................................................................................. 2 3.确定夹套的材料和壁厚 ................................................................................................................. 3 4.确定内筒的材料和壁厚 ................................................................................................................. 4 5.水压试验及其强度校核 .................................................................................................................. 5 6.选择釜体法兰 ................................................................................................................................. 6 7.选择搅拌器、搅拌轴和联轴器 ..................................................................................................... 6 8.选择搅拌传动装置和密封装置 ..................................................................................................... 7 9.校核L1/B和L1/D ............................................................................................................................ 8 10.容器支座的选用计算 ................................................................................................................... 8 11.选用手孔、视镜、温度计和工艺接管 ....................................................................................... 9 12.参考资料 ..................................................................................................................................... 10 13.设计感想 ..................................................................................................................................... 11

0.搅拌釜式反应器设计条件

工艺条件

工艺条件图

管口

1.确定筒体的直径和高度

反应釜的H/Di值如表1所示。

表 1 反应釜的H/Di值

根据以上的设计要求，对于液－液相类型或液固相物料以及气液相物料

H/Di?1～1.3，本设计选取H/Di?1.3 。

由筒体的直径Di?4V4?21.65

??2.77 m。

?H/Di??1.3

当Di?2m时，间隔为100 mm，Di?2m时，间隔为200 mm。因此将以上Di圆整到标准公称直径系列，应当选取筒体直径Di?2.8m。

查标准封头参数资料得，Di?2.8m时，标准椭圆封头高度h1?740mm，直边高度h2?40mm，内表面积Fn?8.85m2，容积Vh?3.12m3。

计算得每米高圆筒的体积V1?

V?Vh21.65?3.12H???3.008m

V16.16

Di?

?2.82?6.16m3/m

筒体高度圆整为H?3m

于是H/Di?3/2.8

?1.071，核查结果符合原定范围内。

2.确定夹套的直径和高度

夹套直径与筒体直径的关系如表2所示。

表 2 夹套直径与筒体直径的关系

当Di?2000～3000mm时，夹套的直径Dj?Di?200?2800?200?3000mm。

夹套筒体的高度Hj?

?V?Vh

，通常装料系数??0.6～0.85，如果物料在反应?2

4Di

?应取较低值，过程中产生泡沫或呈沸腾状态，一般为0.6～0.7；如果反应状态平稳，可取0.8～0.85，物料粘度大时，可取最大值。本设计取??0.85。

因此，Hj?

0.85?21.65?3.12

?2.482m

?2.82

选取夹套高度Hj?2.6m

则H0?H?Hj?3000?2600?400mm，此差距可以便于筒体法兰螺栓的装拆。验算夹套传热面积

F??DiHj?Fn???2.8?2.6?8.85?31.721m2?7.1m2

即夹套传热面积符合设计要求。

3.确定夹套的材料和壁厚

夹套选取Q235－A的材质。查资料可以知道，板厚在3～40 mm，设计温度在?150℃时，Q235－A的许用应力[? ]t=113MPa。因为有夹套有安全阀，所以设计压力

P?1.05～1.1PW ,PW?1.1?0.3?0.33MPa。W是夹套的工作压力。本设计取P?1.1P焊接接头系数如表3所示。

表 3 焊接接头系数

因为内部夹套无法探伤，且属于无垫板的单面焊环向对接焊缝，故取??0.60。查资料可知，一般容器的厚度，分为四个，分别为计算厚度?，设计厚度?d，名义厚度?n以及有效厚度?e。一般说的常用厚度指的是名义厚度。各项厚度之间的关系如图1所示。

图 1 各项厚度之间的关系图

由上图可以看出，我们可以计算出的是设计厚度?d与厚度负偏差C1之和。因为是轻微腐蚀，所以腐蚀裕量取1 mm。因为C1是随着钢板的厚度改变的，所以先算出设计厚度再决定C1。

则?d?

P?Dj2[?]t???P

?C2?

0.33?3000

?1?8.319mm

2?113?0.6?0.33

由此可知钢板厚度应处在8～25 mm内，所以C1取0.8 mm。所以?d?C1?8.319?0.8?9.119mm 标准椭圆形夹套封头的壁厚为:

?d封?

P?Dj

2[?]t???0.5P

?C2?

0.33?3000

?1?8.310mm

2?113?0.6?0.5?0.33

所以?d封?C1?8.310?0.8?9.110mm

圆整至钢板规定尺寸，并查阅封头标准,选取夹套的筒体和封头壁厚?n均为10 mm。

4.确定内筒的材料和壁厚

内筒的材料也选取Q235－A，查资料可以知道，板厚在3～40 mm，设计温度在

?150℃时，Q235－A的许用应力[? ]t=113MPa。因为有夹套有安全阀，所以设计压

筒筒

力P筒?1.05～1.1P ?1.1P?1.1?0.1?0.11MPa。W ,PW是筒工作压力。本设计取P筒W

则?d筒?

P筒?Di2[?]t???P筒

?C2?

0.11?2800

?1?3.273mm

2?113?0.6?0.11

由此可知钢板厚度4 mm时， C1取0.3 mm。所以?d筒?C1?3.273?0.3?3.573mm 标准椭圆形内筒封头的壁厚为:

?d筒封?

P筒?Di

2[?]t???0.5P筒

?C2?

0.11?2800

?1?3.272mm

2?113?0.6?0.5?0.11

所以?d封?C1?3.272?0.3?3.572mm

圆整至钢板规定尺寸，并查阅封头标准,选取夹套的筒体和封头壁厚?n均为4 mm。

5.水压试验及其强度校核

PT1?1.25P筒

内筒水压试验压力

????t

?1.25?0.11?

113

?0.1375MPa113取两者之中大的。

PT2?P筒?0.1?0.11?0.1?0.21MPa

即PT筒?0.21MPa。

夹套水压试验压力

PT1?1.25P

???

?1.25?0.33?

113

?0.4125MPa113取两者之中大的。

PT2?P?0.1?0.33?0.1?0.43MPa

即P。 T夹套?0.43MPa内筒水压试验时壁内应力：

?T筒?

PT筒（Di??e）0.21?（2800?2.7）

??181.656 MPa

2?e?2?2.7?0.6

????0.9?

T筒

?0.9?235?211.5MPa

因为?T筒???T筒?，故筒体厚度满足水压试验时强度要求。夹套水压试验时壁内应力

?T夹套?

PT夹套（Dj??e）0.43?（3000?8.2）

??131.456 MPa

2?e?2?8.2?0.6

????0.9?

T筒

?0.9?235?211.5MPa

因为?T夹套???T夹套?，故夹套厚度满足水压试验时强度要求。筒体许用压力PT筒?0.21MPa,夹套水压试验时P。 T夹套?0.43MPa故夹套在进行水压时筒体内需要充压才能保持筒体稳定。

6.选择釜体法兰

根据Di?2800mmP夹套?0.3MPa，选用板式乙型平焊法兰。确定为RF型、乙型平焊法兰。其尺寸为D?2960mm，D1?2915mm，D2?2876mm，D3?2856mm，

D4?2853mm。

垫片材料为石棉橡胶板，选用垫片为2855×2805×3，JB/T 4704-2000。垫片示意图如图2所示。

图 2 垫片示意图

7.选择搅拌器、搅拌轴和联轴器

根据工艺条件要求，选取平桨式搅拌器。查阅《搪玻璃搅拌器桨式搅拌器》（HG/T 2501.4－2007），公称容积VN为25000 L，容器Di为2800时，搅拌轴直径d1＝140 mm。平桨式搅拌器外径d为1280 mm。标记为：搅拌器1280－140。轴的材料选取45钢。常用轴材料的[?T]如表4所示。

表 4 几种常用轴材料的[?T]值

轴强度校核：

查资料可得，满足强度要求的所需的最小搅拌轴直径公式如下：

d?365.1?P1.4

?365.1??29.9mm

?T?n30～40）?85

式中，P—搅拌传递功率，KW n—搅拌轴速率，r/min 可知，所选取的轴完全符合。

查阅标准《搅拌传动装置—联轴器》,（HG/T 21570－1995）中夹壳式联轴器形

式、尺寸、技术要求、选用立式夹壳联轴器。公称直径140 mm的联轴器的最大扭矩

[Mn]≈19000N/m。验算联轴器的扭矩：

查表5，选取工作情况系数K＝1.5，联轴器的计算扭矩[Mnj]为：

Mnj?KMn?1.5?9553000?

1.4

?236.015N·m??Mn? 85

表 5 工作情况系数K

夹壳联轴器的标记为：联轴器DN140。

8.选择搅拌传动装置和密封装置

搅拌传动装置包括1—电动机，2—减速机，3—单支点机架，4—釜外联轴器，5—机械密封， 6—传动轴，7—釜内联轴器，8—安装底盒，9—凸缘法兰，10—循环保护系统等。几乎每个装置都不是唯一的，所以下面只列出应从哪个国标查。

电动机根据不同的要求样式太多，根据厂家的样本以及有关国标选定。《釜用立式减速机型式和基本参数》, HG/T 3139.1－2001。选择摆线针齿行星减速机。

《搅拌传动装置－单支点机架》, HG/T 21566－1995。《搅拌传动装置－带短节联轴器》, HG/T 21569.1－1995。《搅拌传动装置－机械密封》, HG/T 21571－1995。

根据设计条件，查阅标准《搅拌传动装置－传动轴》（HG/T 21568－1995）选取单支点B机架型式，传动轴安装形式，上装BSD,下装BXD。传动轴轴径d是140 mm，d1为120 mm。机架公称直径为700 mm，轴承型号46232（HG/T 21566－1995）。也可有其他选择。

《搅拌传动装置－联轴器》, HG/T 21570－1995。《搅拌传动装置－安装底盒》, HG/T 21565－1995。《搅拌传动装置－凸缘法兰》, HG/T 21564－1995。

《搅拌传动装置－机械密封循环保护系统》, HG/T 21572－1995。《搅拌传动装置－碳钢填料箱》, HG/T 21537.7－1992。

9.校核L1/B和L1/d

桨式搅拌器安装一层，根据安装要求和考虑带衬套填料箱有支承作用。参考《搅

拌传动装置－单支点机架》, HG/T 21566－1995，机座J－B－700尺寸，可得B≈960

mm，再参考得《搪玻璃搅拌器桨式搅拌器》（HG/T 2501.4－2007），L1 ≈4065 mm。

L1/B?4065/960?4.23?4～5 L1/d?4065/140?29?40～50均符合要求。

10.容器支座的选用计算

反应釜因需另外保温，故选用B型耳式支座。又因为容器的Di为2800 mm，初选

支座为B6—I。此支座的允许载荷?Q??150KN。JB/T 4712.3—2007。

耳式支座实际承受载荷可按下式近似计算:

?mg?Ge4(Ph?GeSe)??3 Q??0??10?knnD??

式中:

Q—支座实际承受的载荷，KN；

D—支座安装尺寸，mm；

g—重力加速度，取g=9.8 m/s2；

Ge—偏心载荷，N；

h—水平力作用点至底板高度，mm;

k—不均匀系数，安装3个支座时，取k=1；安装3个以上支座时，取k=0.83；

m0—设备总质量(包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量)，kg；

n—支座数量，这里选4个；

Se—偏心距，mm；

P—水平力，取PW和Pe+0.25Pw的大值，N。

当容器高径比不大于5,且总高度H0不大于lO m时Pe和Pw可按以下计

算，超出此范围的容器本部分不推荐使用耳式支座。

Pe—水平地震力，N；

a—地震影响系数，对7, 8, 9度地震设防烈度分别取0.08 ( 0.12 ), 0.16

( 0.24 )、0.320。

水平风载荷:

?6 PW?1.2fiQ0D0H0?10

D0—容器外径，mm，有保温层时取保温层外径；

fi—风压高度变化系数，按设备质心所处高度取；

对于B类地面粗糙度如表6所示:

表 6 设备质心所在高度与风压高度变化系数的关系

Ho—容器总高度，mm；

Q0—10 m高度处的基本风压值，N/m2。

支座处圆筒所受的支座弯矩ML的校核：

ML?Q(l2?s1)?10?3

式中：

ML—耳式支座处圆筒所受的支座弯矩，KN·m；

[ML]—耳式支座处圆筒的许用弯矩，KN·m。

经计算Q=139.42 KN

11.选用手孔、视镜、温度计和工艺接管

根据《板式平焊法兰手孔》（HG21529－2005）,选用手孔形式为a式，PN＝0.6 MPa，

DN＝250 mm。手孔RF，DN250，PN0.6 MPa。

加热蒸汽进口管a采用?32?3.5无缝钢管，配法兰PN0.6，DN25。

冷凝液出口管h 和压力表接管b都选用?32?3.5无缝钢管，配法兰PN0.6，DN25。

加强套管温度计d的管口选用?45?3.5。

进料管口e采用?32?3.5无缝钢管，配法兰PN0.6，DN25。

安全阀接管f采用?32?3.5无缝钢管，配法兰PN0.6，DN40。

出料管口g采用?45?3.5无缝钢管，配法兰PN0.6，DN40。

由标准《压力容器视镜》i选用碳素钢带颈视镜?89?4，PN0.6，DN80。标记为

JB593-64-2。

12.参考资料

[1] 李多民,俞惠敏.《化工过程设备机械基础》[M].北京：中国石化出版社，2011.

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[3] 方书起.《化工设备课程设计指导》[M]. 北京：化学工业出版社,2010.

[4] 陈炳和,许宁.《化学反应过程与设备》[M]. 北京：化学工业出版社,2003.

[5] 冯连芳,王嘉骏.《反应器》[M]. 北京：化学工业出版社,2010.

[6] 匡国柱，史启才.《化工单元过程及设备课程设计》[M].北京: 化学工业出版社

社,2008.

[7] 贺匡国.《化工容器及设备简明设计手册》[M].北京：化学工业出版社,2002.

[8] 朱有庭，曲文海，于浦义.《化工设备设计手册》[M].北京：化学工业出版社,2005.

[9] 潘红良.《过程设备机械设计》[M].上海：华东理工大学出版社,2006.

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[11] 王非.《化工压力容器设计—方法、问题和要点》[M].北京：化学工业出版

社,2009.

[12] 魏崇光，郑晓梅.《化工工程制图》[M]. 北京:化学工艺出版社,1994.

[13] 邝生鲁.《化学工程师技术全书》[M].北京:化学工艺出版社,2002.

[14] 董大勤.《化工设备机械基础》[M].北京：化学工业出版社,2003.

[15] 董大勤，袁凤隐.《压力容器设计手册》[M].北京：化学工业出版社,2006.

13.设计感想

通过此次课程设计，对反应釜有了一个更深刻地认识。并且发现从课本上看来，当条件给定时，计算起来很简单东西。然而当数据要自己查，公式要自己找的时候，还真不太容易。对于反应釜来说，好多东西都是标准件，需要查阅指定的国标。此次设计使我查阅文献的能力和对数据的选择判断能力得到了很好的锻炼，同时也意识到很多知识学的时候感觉没什么大的用处，但是早晚会用到的。所以平时一定要积累，不要吝啬付出。

毕竟有些东西还不太了解，可能考虑到的东西有些欠缺。但是，总体说来，本次设计完成的还算可以。希望老师给予批评与改正。

范文三：年产5000t乙酸乙酯釜式反应器设计

前言

反应工程课程设计是《化工设备机械基础》和《反应工程》课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是学生体察工程实际问题复杂性，学习初次尝试反应釜机械设计。化工设计不同于平时的作业，在设计中需要同学独立自主的解决所遇到的问题、自己做出决策，根据老师给定的设计要求自己选择方案、查取数据、进行过程和设备的设计计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的比较分析，择优选定最理想的方案和合理的设计。

反应工程是培养学生设计能力的重要实践教学环节。在教师指导下，通过裸程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决生产实际问题的能力。因此，当学生首次完成该课程设计后，应达到一下几个目的：

1、熟练掌握查阅文献资料、收集相关数据、正确选择公式，当缺乏必要的数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场进行实际查定。 2、在兼顾技术先进性、可行性、经济合理的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全可行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。

3、准确而迅速的进行过程计算及主要设备的工艺设计计算及选型。 4、用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图表来表达自己的设计思想和计算结果。

化工设备机械基础课程设计是一项很繁琐的设计工作，而且在设计中除了要考虑经济因素外，环保也是一项不得不考虑的问题。除此之外，还要考虑诸多的政策、法规，因此在课程设计中要有耐心，注意多专业、多学科的综合和相互协调。

1 设计任务及条件

1.1设计任务及条件

乙酸乙酯酯化反应的化学式为：

CH3COOH+C2H5OH=====CH3COOC2H5+H2O A B R S

1、原料中反应组分的质量比为：A：B：S=1：2：1.35，反应液的密度为1020Kg/m3，并假定在反应过程中不变。生产时间：连续生产8000小时/年，间隙生产6000小时/年。反应在100℃下等温操作，其反应速率方程如下

rR=k1(CACB－CRCS/K)

100℃时，k1=4.76×10-4L/(mol·min),平衡常数K=2.92。乙酸的转化率XA=0.39，反应器的填充系数f=0.8，为此反应设计一个反应器。

[1]

2工艺设计

2.1原料的处理量

按间歇生产计算

根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时的乙酸用量为（物料损耗5%） Q=4690X103/(88X6000X0.39X0.95)=23.975kmol/h 所以单位时间处理量为Q1

Q1=(23.975X60X4.35)/1020=6.135m3/h 硫酸用量为总流量的1% Q0= Q1/0.99=6.197 m3/h 原料液起始浓度

CA0=23.975/6.197=3.869 mol/L 乙醇和水的起始浓度

CB0=3.869x60x2/46=10.093 mol/L

CS0=3.869x60x1.35/18=17.411 mol/L 将速率方程变成转化率的函数

cA?cA0(1?XA)

cB?cB0?cA0XA cR?cA0XA

cS?cS0?cA0XA

r?kbX22

A1(a?A?cXA)cA0

其中

a==2.609

b=-(1+

+)=-5.15 c=1-1/K=0.6575

=4.8475

反应时间

t?1XAf

dXA

k1cA0

a?bX?cX2

1k2

(b?b2?4ac)XAf?2a(b?b2

1cA0b?4ac

?4ac)X

Af?2a

=1/(4.74x10-4x3.869x4.8475)xln(((-5.15+4.8475)x0.39+2x2.609)/ (-5.15-4.8475)x0.39+2x2.609) =152.12 min 反应体积

V3 r=Q0(t0+t)=6.197x(152.12/60+0.5)=18.81m实际体积

V= V3r/f=18.81/0.8=23.513 m 按连续生产计算

根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时的乙酸用量为 Q=4690x103/(0.95x88x8000x0.39)=17.981 kmol/h 原料组成 A：B:S=1:2:1.35 所以单位时间处理量为Q1

Q1=17.981x60x4.35/1020=4.601m3/h 硫酸用量为总流量的1%，所以 Q0= Q1/0.99=4.647 m3/h 原料液起始浓度

CA0=17.981/4.647= 3.868mol/L 乙醇和水的起始浓度

CB0==10.091mol/L

CS0==17.406 mol/L

将速率方程变成转化率的函数

cA?cA0(1?XA) cB?cB0?cA0XA cR?cA0XA

cS?cS0?cA0XA

ra?bX22

A?k1(A?cXA)cA0

a==2.61

b=-(1++)= -5.15

c=1-1/K=0.6575

b2?4ac?(?5.15)2?4?2.61?0.6575?4.434

反应体积

=5.658×10-3 mol/(L min)3. =0.339 kmol/(m3 h)

Vr=

设计方案比较

(1) 乙醇脱氢法

采用铜基催化剂使乙醇脱氢生成粗乙酸乙酯，经高低压蒸馏除去共沸物，得到纯度为99.8%以上乙酸乙酯。

2 CH3CH2OH→CH3COOCH2CH3+ H2 (2) 乙烯加成法

在以附载在二氧化硅等载体上的杂多酸金属盐或杂多酸为催化剂的存在下，乙烯气相水合后与气化乙酸直接酯化生成乙酸乙酯。

CH2 CH2+ CH3COOH?CH3COOCH2CH3

该反应乙酸的单程转化率为66%，以乙烯计乙酸乙酯的选择性为94%。Rhone-Poulenc 、昭和电工和BP等跨国公司都开发了该生产工艺。

传统的醋酸酯化法工艺在国外被逐步淘汰, 而大规模生产装置主要采用乙醛缩合法、乙醇脱氢法和醋酸/ 乙烯加成法,其中新建装置多采用醋酸/ 乙烯加成法。我国醋酸乙酯则主要采用醋酸酯化法进行生产。

综上所述：鉴于我国在乙酸乙酯的合成技术与国际水平相比相对落后，运用乙醛缩合法、

乙烯加成法、乙醛缩合法等方法合成乙酸乙酯的技术还不是很成熟，而且本次设计的年产

量不是很大，转化率只有37%，要求不是很高。所以，选用酯化法合成工艺即可满足设计要求，也符合我国国情。

(3) 乙醛缩合法

在催化剂乙醇铝的存在下，两个分子的乙醛自动氧化和缩合，重排形成一分子的乙酸乙酯。

2CH3CHO→CH3COOCH2CH3

该方法20世纪70年代在欧美、日本等地已形成了大规模的生产装置，在生产本和环境保护等方面都有着明显的优势。

通过间歇式和连续式的对比，间歇生产的反应体积18.81m3，连续的反应体积为20.17 m3

还有处理量也不是很大，生产量也不是很大所以选间歇式比较合算，并以此设计

工艺流程及设备。

物料衡算

根据乙酸的每小时进料量为23.975kmol/h，在根据它的转化率和反应物的初始质量比算出各种物质的进料和出料量，具体结果如下表：

3.3能量衡算 3.3.1热量衡算总式

Q1?Q2?Q3?Q4

式中：Q1进入反应器无聊的能量，KJ

Q2：化学反应热，KJ

Q3：供给或移走的热量，有外界向系统供热为正，有系统向外界移去热量为负，KJ

Q4：离开反应器物料的热量，KJ

3.3.2每摩尔各种物值在不同条件下的cp,m值

对于气象物质，它的气相热容与温度的函数由下面这个公式计算：

cp,m?A?BT?CT2?DT3

[2]

各种液相物质的热容参数如下表[3]：

液相物质的热容参数

由于乙醇和乙酸乙酯的沸点为778.3℃和77.1℃，所以： (1)乙醇的cp,m值

cp,m?l,351.5K??A?BT?CT2?DT3

=59.342+36.358×10?2×351.5-12.164×10?4×351.52+1.8030×10?6×351.53 =59.342+127.798-150.289+78.302 =115.153J?mol?K?1 (2)乙酸乙酯的cp,m值

cp,m?l,350.2K??A?BT?CT2?DT3

=155.94+2.3697×10?2×350.2-1.9976×10?4×350.22+0.4592×10?6×350.23

=155.94+8.297-24.499+19.713

=159.451J?mol?K?1

(3) 水的cp,m值

cp,m?H2O,l,373K??A?BT?CT2?DT3

=92.053-3.9953×10?2×373-2.1103×10?4×3732+0.53469×10?6×3733 =92.053-14.902-29.360+27.748 =75.539J?mol?K?1 (3)乙酸的cp,m值

cp,m?l,373K??A?BT?CT2?DT3

=-18.944+109.71×10?2×373-28.921×10?4×3732+2.9275×10?6×3733

?65.98?55.0875?21.0938?0

=139.8223J?mol?K?1

3.3.3各种气象物质的参数如下表

气相物质的热容参数[4]

(1)乙醇的cp,m值

Cp。m?g，373k??A?BT?CT2?DT3?ET4?R

=4.396+0.628×10

×351.5+5.546×10

×351.5

-7.024×10

351.53+2.685×10?11×351.54

=(4.396+0.234+7.716-3.645+0.520)8.314 =76.663J?mol?K?1

(2)乙酸乙酯的cp,m值

Cp。m?g，373k??A?BT?CT2?DT3?ET4?R

=(10.228-5.576+18.133-8.166+1.161)8.314 =131.195J?mol?K?1

3.3.4每摩尔物质在100℃下的焓值

(1) 每摩尔水的焓值

373

?rHm?H2O??cp,m?H2O,l,373K?

298

dT??vapHm?75.539?10?3??373?298??40.688

?46.353KJ?mol?1

(3)每摩尔的乙醇的焓值

351.5

373

?rHm?CH3CH2OH??cp,mCH3CH2OH,l,351.5?C

298

dT??vapHm?cp,mCH3CH2OH,l,373?C

??351.5

?115.153?10?3??351.5?298??38.744?76.663?10?3??373?351.5?

?6.161?38.744?1.648

?46.555KJ?mol?1

(4)每摩尔乙酸的焓值

Hm?CH3COOH??cp,mCH3COOH,l,373?C

dT?139.8223?10??373?298?

298

373

?10.487KJ?mol?1

(5)每摩尔乙酸乙酯的焓值

350.2

373

?rHm?CH3COOOCH2CH3??cp,mCH3COOOCH2CH3,l,350.2?C

298

dT??vapHm?cp,mCH3COOOCH2CH3,l,373?C

??350.2

?159.451?10?3??350.2?298??30.539?131.195?10?3??373?350.2?

?8.323?30.539?2.991

?41.853KJ?mol?1

3.3.5总能量衡算

（1）Q1的计算

Q1?nCH3COOH??rHm?CH3COOH??nH20??rHm?H2O??nCH3CH2OH??rHm?CH3CH2OH??nCHECOOC

?13.152?103?10.487?59.184?103?46.353?34.310?103?46.555?0?103?43.5948?137925.0?2743355?1597302?0 ?4478582KJ/h

（2）Q2的计算

CH3COOH?C2H5OH?CH3COOC2H5?H2O

Q2??6.313?103???rHm?H2O???rHm?CH3CH200CCH3???rHm?CH3COOH???rHm?CH3CH2OH??

??6.313?103?(46.353?41.853?10.487?46.555)

??196738.3KJ/h

（3）Q4的计算

Q111

1?n1CH3COOH??rHm?CH3COOH??nH2O??rHm?H2O??nCH3CH2OH??rHm?CH3CH2OH??nCH3CH2OOCCH3??rHm?CH3CH2OOCCH3?

?6.839?103?10.487?65.495?103?46.353?27.997?103?46.555?6.313?103?41.853

??71.7206?3035.8897?1303.400?264.2180??103

?4675228.6KJ/h

因为： Q1?Q2?Q3?Q4

即：4478582+?196738.3+Q3=4675228.6 求得：Q3=393384.9KJ/h

Q3>0，故应是外界向系统供热。

3.3.6换热设计

换热采用夹套加热，设夹套内的过热水蒸气由130℃降到110℃，温差为20℃。

3.3.7水蒸气的用量

忽略热损失，则水的用量为

Q?mocpo?T1?T2?

[5]

cpo?a?bT?cT2

a?29.16J?mol?1?K?1 b?14.49?10?3J?mol?1?K?2 c??2.022?10?6J?mol?1?K?3 T?

T1?T2403?383

??393K 22

cpo?29.16?14.49?10?3?393?2.022?10?6?3932

?29.16?5.6946?0.3123

?34.5423J?mol?1?K?1

?1.92KJ?Kg?1?

K?1

= =22169.05 Kg/h

4反应釜釜体设计

在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的高径比（H/Di），以确定罐体的直径和高度。选择罐体高径比主要考虑以下两方面因数：

1、高径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，p?Di3（其中D—

搅拌器直径，P—搅拌功率），P随釜体直径的增大，而增加很多，减小高径比只能无谓地消耗一些搅拌功率。因此一般情况下，高径比应选择大一些。

2、高径比对传热的影响：当容积一定时，H/Di越大，越有利于传热。

高径比的确定通常才用经验值表

假定高径比为H/Di=1.3，先忽略罐底容积

V=πDiH/4=1.3πDi/4=23.513 m 解得：Di=2846mm

取标准Di=2900 mm 筒体的高度

233

=4(23.513-3.18)/(3.14×2.9

釜体高径比的复核

)=3100mm

H/Di=3100/2900=1.07

满足要求

4.1筒体壁厚的设计 4.1.1设计参数的确定

表3—3 反应器内各物质的饱和蒸汽压[9]

该反应釜的操作压力必须满足乙醇的饱和蒸汽压所以去操作压力P=0.4MPa，该反应器的设计压力

PL≈ρgH=1020×9.807×3.1=0.031 MPa

PL/ Pw1.1=0.031/0.44=7.04%>5% 所以液体静压不能忽略

4.1.2该反应器的计算压力

Pc=Pw1.1+ PL =1.1×0.4+0.031MPa=0.471MPa 该反应釜的操作温度为100℃，设计温度为120℃。由此选用16MnR卷制

16MnR材料在120℃是的许用应力[σ]t=170MPa 焊缝系数的确定

取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100％无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm

4.1.3筒体壁厚的设计

计算厚度

=0.471x2900/（2x170x1-0.471）=4.0229mm 钢板负偏差 C1?0.3mm 设计厚度Sd

Sd =S+ C2=4.0229+2=6.0229 mm

名义厚度等于设计厚度加上钢板负偏差 C1?0.3mm等于6.3229 mm 钢制容器的制造取壁厚——详见《化工机械基础》圆整取标准 Sd =8 mm

4.1.4釜体封头设计

本设计选用椭球型封头计算压力 Pc=0.47MPa

该反应釜的操作温度为100℃，设计温度为120℃。由此选用16MnR卷制

16MnR材料在120℃是的许用应力[σ]t=170MPa

焊缝系数的确定

取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100％无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm 钢板负偏差 C1=0.25mm

用标准椭球型封头参数

公称直径（mm）

2800

曲面高度（mm）

700

直边高度（mm）

内表面积（m2）

8.91

容积（m3）

3.18

计算厚度

钢板负偏差 C1?0.25mm 设计厚度

=0.471x2900/(2x170x1-0.5x0.471)=4.02

=4.02+2=6.02

名义厚度 Sn等于Sd加上C1向上圆整后至钢材标准规格的厚度按钢制容器的制造取壁厚 Sn?8mm

4.1.5外压封头壁厚的设计

1.设计外压的确定

封头的设计外压与筒体相同，即设计外压p=0.1MPa。封头壁厚的计算

设封头的壁厚Sn=12mm，则：Se=Sn–C= 12-2.25=9.75（mm），对于标准椭球形封头K=0.9，Ri?KDi＝0.9×2800=2520mm，Ri/Se=2520/9.75=258.462 计算系数：A=0.125/(Ri/Se)=0.125/258.462=4.84×10-4

根据材料的外压应力B曲线图，在图的水平坐标上找到A=4.84×10-4点，由该点作竖直线与对应的材料温度线相交，沿此点再作水平线与右方的纵坐标相交，得到系数B的值为值为：B≈62MPa、E=2.00×105MPa 根据[p]=

得 [P]= 62/258.426=0.23mm Ri/Se

因为p＝0.1MPa900，因此需要在釜体的封头上设置人孔，以便于安装、维修、检查釜体的内部结构，本设计选用PN0.6、DN450不锈钢A型回转盖带颈平焊法兰人孔，其结构尺寸如图4-5所示。由文献【4】表3-4-1查得其尺寸见表、材料见表。

图8—3 A型回转盖带颈平焊法兰人孔结构

1-人孔接管；2-螺母；3-螺栓；4-法兰；5-垫片；6-手柄；7-法兰盖；8-销轴；9-开口销；10-垫圈；11、12、13、14-轴耳

表8—4回转盖平焊法兰进料口的尺寸

补强计算

釜体上封头开人孔后被削弱的金属面积A为：

A?dSo?2SoSet(1?fr)

式中：d?di?2C=480-12+2×（1+6×12.5%）=472mm

S==(0.417x2900)/(2x170-0.5x0.417)=3.559

?[?]et

fr[?]t

=1 A?dSo?2SoSet(1?fr)=472×3.559+0=1680mm2

有效补强区内起补强作用的金属面积的计算 8.2.1封头起补强作用金属面积A1的计算

A1??B?d??Se?So??2Set?Se?So??1?fr?

式中：B=2d=2×472=944mm,

B=d+2SN+2SM=477+2×12+2×6=513 mm

取两者中较大值，

故B?944mm

Se?Sn?C=12-2.25=9.75mm Set?Sm?C=6-1-6×12.5%=4.25mm

?r=1

A1=(944-472)×9.75=4602mm2

接管起补强作用金属面积A2的计算

A2?2h1(Set?St)fr?2h2(Set?C2)fr

其中：｛

h1?472?6?53.22?mm?h取其中的较小值h1?53.22mm

2?220mm

St===(0.417x(480-12)/(2x170-0.417=0.649

h2=0，C2?1.0

A2?2?53.22?(4.25?0.56)?0=392.8mm2

焊缝起补强作用金属面积A3的计算

A3?

1212

K??6＝18mm2 22

判断是否需要补强的依据

有效补强区内起补强作用的金属面积为：

A1?A2?A3=4602+392.8+18=5012.8mm2

被削弱的金属面积为：A=684mm

因为A=1711mm＜A1?A2?A3=5012.8mm，所以不需要补强。

8.6视镜的选型

视镜的选型

由于釜内介质压力较低（pW＝0.3MPa）本设计选用两个DN=150mm的不带颈视镜。该类视镜具有结构简单，不易结料，窥视范围大等优点，

视镜的结构其结构见图-6。

图8—5 视镜的结构型式

视镜的规定标记、标准图号、视镜的尺寸

查文献【8】可确定视镜的规定标记、标准图号,文献【8】表3-5-2确定其尺寸，尺寸见表8—5，视镜在封头上对称布置。

标记：视镜ⅡPN0.6，DN150 标准图号：HGJ501-86-14。

表8—5 视镜的尺寸

9支座选型

夹套反应釜采用立式安装，采用耳式支座。标准耳式支座（JB/T4725-92）分为A型和B型两种，此设备需要保温110℃时选用B型。支座数设计为4个。

车间布置的基本原则

车间布置设计的原则有以下几点：

（1）最大限度地满足工艺生产包括设备维修的要求；（2）有效地利用车间建筑面积(包括空间)和土地；

（3）要为车间的技术经济指标、先进合理以及节能等要求创造条件；（4）考虑其他专业对本车间布置的要求；（5）要考虑车间的发展和厂房的扩建；

（6）车间中所采取的劳动保护、防腐防火、防毒、防爆及安全卫生等措施是否符合要求；

（7）本车间与其他车间在总平面图上的位置合理，力求使它们之间输送管

路最短，联系最方便；

（8）考虑建厂地区的气象、地质等条件；（9）人流、物流不能交错。

车间布置的要求

车间布置涉及面较广，但大致可以归纳为以下几个方面：（1）厂房建筑

①厂房面积力求简单化，以利用建筑定型化和施工机械化。常用形式有直线型、长方形、T型和L型。

② 柱间距多用6×6，一般不超过12m。总跨度：多层一般≤24m，单层≤30m。常用厂房总跨度有6m、12m、18m、24m、30m，一般有机化工车间总跨度为2～3个柱网跨度。

③层高与设备的高低、安装位置有关，一般每层4m～6m，最低不低于3.2m，净空高度不得低于2.6m以上方面尽量符合建筑模数(标准化)的要求。

④在可能情况下尽量采用露天化和敞开式设计，这样既能节省投资，又有利于通风采光、防爆、放毒等安全需要。

⑤在不影响流程情况下，较高设备集中布置，可简化厂房立体化布置，又省投资。

⑥对于笨重设备和震动设备尽量布置底楼的地面。同类设备可尽量集中。 ⑦设备穿孔必须避开主梁。

⑧厂房出入口、交通道、楼梯等都需精心安排。一般厂房大门宽度要比通过的设备宽度大0.2m以上，满载的运输设备大0.6m～1.0m，单门宽一般900mm，双门宽有1200mm、1500mm、1800mm，楼梯的坡度45o～60o，主楼梯45o的较多。

（2）生产操作

①设备布置尽量和工艺流程一致，避免交叉往返送料，尽量采用位差送料，一般从高层到低层设备布置槽→反应设备→贮槽、重型设备和震动设备。设备间的垂直距离，要保证物料能顺利进出。

②相互有联系的设备尽量靠近，但要考虑操作、行人通道、送料及半成品堆放等空地。

③相同、相似设备尽可能对称、集中，以利操作管理及水、电、气等供应。

主要符号一览表

V——反应釜的体积 Sn——筒壁的名义厚度

Hj——反应器夹套筒体的高度PT——水压试验压力

Dj——夹套的内径

Q——乙酸的用量

Q0——单位时间的处理量 t——反应时间

cA0——反应物A的起始浓度 cB0——反应物的B起始浓度

cS0——反应物S的起始浓度 f——反应器的填充系数

Di——反应釜的内径 H——反应器筒体的高度

h2——封头的高度 P——操作压力 Pc——设计压力 φ——取焊缝系数 [σ]t——钢板的许用应力 C1——钢板的负偏差

Sd——筒壁的设计厚度

C2——钢板的腐蚀裕量

S——筒壁的计算厚度

设计结果一览表

参考文献

[李绍芬编. 《反应工程》[M]. 北京: 化学工出版社. 2000

玉玮，王立业，喻建良，化工设备机械基础，7版，大连：大连理工大学出版社，2013 王志魁编. 《化工原理》[M]. 北京: 化学工业出版社，2006.

金克新, 马沛生编. 《化工热力学》[M], 北京: 化学工业出版社. 200

涂伟萍, 陈佩珍, 程达芳编. 《化工过程及设备设计》[M]. 北京: 化学工业出版社, 2000.

汤善甫、朱思明编，化工设备机械基础（第二版），上海：华东理工大学出版社，2004 张洪流，张茂润，化工单元操作设备设计，上海：华东理工大学出版社，2011

刁董大琴，袁凤隐，压力容器与化工设备使用手册（上册），北京：化学工业出版社，2000 曲文海，压力容器与化工设备使用手册（下册），北京：化学工业出版社，2000

吴宗泽，机械设计实用手册，3版，北京：化学工业出版社，2010

王凯, 虞军编. 《搅拌设备》[M]. 北京: 化学工业出版社. 2003.

目录前言 .................................................................................................................................................. 1

1 设计任务及条件 ........................................................................................................................... 2

........................................................................................................................................ 2

2.1原料的处理量 ..................................................................................................................... 2 反应时间 ................................................................................................................................... 3 设计方案比较........................................................................................................................... 5 物料衡算................................................................................................................................... 6

..................................................................................................................................... 6

.................................................................................................................. 6

cp,m值 ...................................................................... 7

.......................................................................................... 8

....................................................................................... 9

3.3.5总能量衡算 .................................................................................................................... 10

........................................................................................................................ 11

................................................................................................................ 11

......................................................................................................................... 11

............................................................................................................... 12

4.1.1设计参数的确定 .................................................................................................... 12

4.1.2该反应器的计算压力 .......................................................................................... 13

4.1.3筒体壁厚的设计 .................................................................................................. 13

4.1.4釜体封头设计...................................................................................................... 13

............................................................................................ 14

................................................................................................ 15

.............................................................................................................. 15

4.1.8夹套筒体的壁厚 .................................................................................................... 15

............................................................................................................ 16

...................................................................................................................... 16

6.1反应釜釜体及夹套的压力试验.............................................................................................. 17

............................................................................................................ 17

6.1.2压力表的量程、水温及水中Cl浓度的要求 ............................................................ 17

.................................................................................................... 17

............................................................................................................... 17

.............................................................................................................................. 18

7.1搅拌桨的尺寸及安装位置 ............................................................................................... 18

............................................................................................................... 19

....................................................................................................... 19

................................................................................................ 19

.................................................................................... 20

7.4联轴器的型式及尺寸的设计 ........................................................................................... 20

.................................................................................................. 20 ?

8.1釜体法兰连接结构设计 ................................................................................................... 21

........................................................................................................... 22

........................................................................... 22

........................................................................................................... 23

....................................................................................................... 25

8.6视镜的选型 ....................................................................................................................... 27

...................................................................................................................................... 28 车间布置的基本原则 ..................................................................................................................... 28 车间布置的要求 ..................................................................................................................... 29 主要符号一览表 ............................................................................................................................ 30 设计结果一览表 ............................................................................................................................. 31 参考文献

范文四：搅拌釜式反应器课程设计]@]@]
@大连民族学院生命科学学院
化工设备课程设计
题目：搅拌釜式反应器课程设计姓名：学号：
系部：专业班级：化学工程与工艺112班指导教师：时间：2014.12.13至 2014.12.19
搅拌釜式反应器课程设计任务书
一、设计内容安排
1. 釜式反应器的结构设计
包括：设备结构、人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等。 2. 设备壁厚计算及其强度、稳定性校核 3. 筒体和裙座水压试验应力校核 4. 编写设计计算书一份
5. 绘制装配图一张（电子版）二、设计条件
三、设计要求
1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计； 2.根据设计计算书、图纸及平时表现综合评分。
四、设计说明书的内容
1.符号说明 2.前言
（1）设计条件；（2）设计依据；
（3）设备结构形式概述。 3.材料选择
（1）选择材料的原则；
（2）确定各零、部件的材质；
（3）确定焊接材料。
4.绘制结构草图
（1）按照工艺要求，绘制工艺结构草图；
（2）确定裙座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；（3）标注形位尺寸。
5.标准化零、部件选择及补强计算：
（1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括：代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。（2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算。（3）其它标准件选择。
6.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。 7.主要参考资料。
【设计要求】：
1.计算单位一律采用国际单位； 2.计算过程及说明应清楚；
3.所有标准件均要写明标记或代号；
4.设计计算书目录要有序号、内容、页码；
5.设计计算书中与装配图中的数据一致。如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；
6.设计计算书要有封面和封底，均采用A4纸，正文用小四号宋体，行间距1.25倍，横向装订成册。
目录
搅拌釜式反应器设计条件 ........................................................................................................ 1 1 确定筒体的直径和高度 ........................................................................................................ 2 2. 确定夹套的直径和高度 ....................................................................................................... 2 3. 确定夹套的材料和壁厚 ....................................................................................................... 3 4. 确定内筒的材料和壁厚 ....................................................................................................... 3 5. 水压试验及其强度校核 ....................................................................................................... 4 6. 选择釜体法兰 ....................................................................................................................... 5 7. 选择搅拌器、搅拌轴和联轴器 ........................................................................................... 5 8. 选择搅拌传动装置和密封装置 ........................................................................................... 6 9. 校核L1/ B和L1/d ............................................................................................................... 7 10. 容器支座的选用计算 ......................................................................................................... 7 11. 选用手孔、视镜、温度计和工艺接管 ............................................................................. 8 12 参考资料 .............................................................................................................................. 9 13 设计感想 ............................................................................................................................ 10
搅拌釜式反应器设计条件
工艺条件
工艺条件图
1 确定筒体的直径和高度
根据反应釜的设计要求，对于液－液相类型H/Di=1～1.3 选取H/Di=1.3 得，由Di≈
34×10
π×1.3
2.14m；
圆整（间隔100mm）到标准公称直径系列，选取筒体直径Di＝2200mm。查标准封头参数资料得
DN＝2200mm时，标准椭圆封头高度h1=550mm，直边高度h2=50mm，内表面积Fn=5.57m2，容积Vh=1.58m3。
计算得每米高圆筒的体积V1＝1/4π2.22=3.801m3
V?Vh10?1.58
H==3.801V1
筒体高度圆整为H＝2400m
于是H/D=2400/2200=1.091 核查结果符合原定范围内。
2. 确定夹套的直径和高度
夹套的内径 Dj=Di+100=2300mm （符合压力容器公称直径系列要求） Hj=
10×0.85?1.58
=1.820m
选取夹套Hj=1900mm
则H0=H－Hj=2400-1900=500mm 这样便于筒体法兰螺栓的装拆验算夹套传热面积
F＝L1Hj+Fn=πDi1.6+2.23=16.62 m2>7.1m2
即夹套传热面积符合设计要求
3. 确定夹套的材料和壁厚
夹套选取Q235－A的材质，可以知道板厚在4.5～16mm，设计温度在140℃时Q235－A的许用应力[?]t=113MPa，因为有夹套有安全阀，所以P＝1.1Pw 那么P＝0.33MPa，因为内部夹套无法探伤，故取?＝0.60 根据夹套的钢板厚度负偏差c1=0.6mm,单面腐蚀取腐蚀余量c2=1.0mm。夹套的壁厚计算如下:
0.33×2200P?Dj
td =+C=+1.6=7.211mm
2×113×0.6?0.332[?]t???P
标准椭圆形夹套封头的壁厚为:
0.33×2200P?Dj
t=+C=t
2×113×0.6?0.5×0.332[?]??0.5P
+1.6=6.958mm
圆整至钢板规定尺寸，并查阅封头标准,选取夹套的筒体和封头壁厚均为8mm。
4. 确定内筒的材料和壁厚
依题意可初选筒体厚度12mm,并取c1=0.8mm c2=2mm 筒体有效壁厚 te=12-2.8=9.2mm
D0=2200+212=2224
D0te
2224/9.2=241.74
L≈Hj+h2+
h1
=2200+50+550/3≈2433 3
D0
和L/D0 te
L/D0=2433/2224=1.094 由
可查表得A＝6.2?10?4，再查B＝81MPa [p]= B/(DO/te)=81/241.74 =0.34 MPa >0.33 MPa 因为计算的[p] > p且比较接近所以选筒体厚度12mm
若选取筒体下封头壁厚12mm 并取c1=1.0mm c2=2.2mm则，
te=12-3.2＝8.8mm
标准椭圆形封头的外压计算当量球面半径:
Ri=KDi=0.9?2200=1980mm A=0.125/(1260/8.8)) =0.00087 查得B＝92MPa
许用外压力 [p]= 92/(1260/8.8))=0.64 MPa>p=0.315 MPa 取筒体下封头壁厚12mm, 符合设计要求
为了制造方便，所以上封头和下封头的厚度也设计为12mm。
5. 水压试验及其强度校核
内筒水压试验压力PT=0.11.1+0.1=0.21MPa PT=1.25P=0.13MPa
取二者最大值PT=0.21MPa
夹套水压试验压力PT＝0.31.1+0.1＝0.43MPa，PT=1.25P=0.4125MPa 取夹套水压试验 PTj=0.43MPa 内筒水压试验时壁内应力：
29.66 MPa
26.65 MPa
夹套水压试验时壁内应力
94.21 MPa
84.64 MPa
由于Q235－A在常温时?s＝235MPa
0.9?s＝211.5MPa
水压试验时内筒夹套都小于０.９?s,故水压试验安全。筒体许用压力0.21MPa,夹套水压试验时PTj?0.43MPa 故夹套在进行水压时筒体内需要充压才能保持筒体稳定。
6. 选择釜体法兰
根据DN=2200mm，p=0.3MPa 由于PN不会超过0.6MPa，可以选用甲型平焊法兰。确定为RF型、甲型平焊法兰。其尺寸为D=2330 D1=2290 D2=2255 D3=2241 D4=2238
垫片材料为石棉橡胶板，选用垫片为144014403 ，JB/T4704-2000
7. 选择搅拌器、搅拌轴和联轴器
根据工艺条件要求，查阅《桨式搅拌器》（HG/T2501.4－1991）选取搅拌器外径500mm，搅拌轴直径d＝50mm的平桨式搅拌器，标记为：搅拌器500－50 HG/T2501.4－1991
选择搅拌轴材料为45钢，钢的许用扭应力为[?]=30～40MPa，计算系数
A＝118～107,则搅拌轴的直径为
31.4P
d=A?(118～107) =(30.0～27.2)mm
85n
3
表3－11 几种常用轴材料的[?]及A值
考虑到键槽可能对轴的强度的削弱和物料对轴的腐蚀，并可以取搅拌的d＝40mm。
查阅标准《搅拌传动装置——联轴器》，（HG21570－1995）中夹壳式联轴器形式、尺寸、技术要求、选用立式夹壳联轴器。公称直径40mm的联轴器的最大扭矩[Mn]≈236 N?m。验算联轴器的扭矩，查表3－12，选取工作情况系数K＝1.5，联轴器的计算扭矩[Mnj]为：
Mnj?KMn?1.5?9550?
4.0
?253N?m

范文五：化学反应器的设计_2_釜式反应器的设计_王樟茂

1969

年

第l

期云

南化工

座讲

化

学反器的应设计2 )

(

—

摘

要釜

式反应器的设计

掉王

茂(

浙大江学工化系

杭州

103 0 72 )

本

讲主要述讲釜式反器的应计

设釜式反应器

关扭词

计设

C he m c

ils

Rae

】k

(2 )

一

氏

a e to r

ag n

Z h n amg

(

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呢

Z hej i nag Un v

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3 一00 27

BS R AT C

】

t aen

hap

l e

wait hd s ei

n k

K EY

td es i

c e

ato

釜

(或槽) 式反器由于应结构单操简作灵活

例

一

〕在间歇操作釜的反应式器中

方便

被广泛地用应于液相或液相气反应

, ,中

,。

由

行进 H以25 0 为4 化剂催的乙酸丁醇和反应生

成酸乙丁醋的反应程过反应温度为 1 00

,℃,

于

式反应器一般釜均装有搅拌装置物料釜内

起在始

达到充分的混合此在因釜内的何任位置上物

反物应料丁醇乙酸

二

497m ol

假

反应

定料

浓的和温度度均一并与且温度

同

。相

。,

出口

物料的度浓

和

的密度液

为

5了m l在丁醇过量的条件7

一 ; A

这种反应器可在大较的温度压力

和下

反动应学方程力为 ( 浓度的( mo y m l )

kc=

天c

、

为

乙酸 ( m o

范l围内操作

在

0℃

74m V

据操根作方式釜反应式可分器成间操作歇

、

: m

in )求

连续操作半和连续操

作

。

1( )当

人=

5 所需 0反的应时.

,间

? t,

2( ) 当要求丁醋的产量达

到

4154k廖 h

使

用反

应

间操作歇釜式反器的设计应计算 .

釜

式反器应间歇操作生非产时间为 3 Om in

等

温作操

对于间反歇应釜因 d F

器

体积应多大才满能足生产能力的要求 ?A

并利用

一

(解〕 ,

( ) 由1 (式2 一

广A O

)可

得

A 三 N(O

一

r丫

^ A

式(1则

)可写改成 7

一 =

户,

八d Ax

kC丸( 1

一

,一

丛丝

V·

r x o

卫丝二(

一0

一

) )

)

)(l / ( kC A

OAX

c A O

礼{

因X丁醇的分量为子 7 乙酸 4分的子为量6

(

)人

(2tA

一

酸乙丁醋的分子量为 1 61

所以

反应始时开应反x

就是这为达反应到所需的化转率

应X在反应器内停留间

。

时料

器物内反应混合物的质量为 (

m ll因有

此,

7 )4

了

反或应器体 V 的积计

算式

160

4+97

):1 0 75: q

。

云

南化工

996

第 1年

期 )

t =

。

0 00 8 C=

3 m

m ml1o

代人( A )式得 :

常,

数mi

庵. =’

5 07

一

0 7A

(

.一

l 一『 R6 T

一

反应 (

热△H.

)

09 3

娜,m

求:

(

2 ) 设达为到生产能力釜内装应乙酸的量为

kGg

,5℃1

等温操作b绝热操作转化率达8 0 时%

。= = =.

又于由

m olx

乙酸能

生成

lo m

.的丁醋

, 所的时间?需:

( 解因

〕所以

2 73

5 =1.

882K

(

二

l 6 y 0 5( + 305)

20 6 1(仪5 015 5k0

012 9 m

由此可解得: G

7 8夕 kkg K

反应器内装总量

为

一△H

)

=0 2 39

二

之

=48 4 ”

’“

”

84 ”

’_

’妙mo

”云

6长0

”

4 9 `7

.”

以所式 ( 2

由

一)

得 2

882

4. k

g1 4X1

一因而

所裕的应器反积体

V为

于对一级反应式由 (

2)l ^

可

得^

G 杯户:

34=4 0 军57

4 58

,劫

户

一

a一

X庵(

一l

此反器应体积反为应的有效体积如考虑到釜式

反应器的装系数则料应反的器积还体应

大X

)

(A )

等温操作时因等温所

x以.

二走

5 7 so

些釜式反应器的装系数料一般取 08 左 0

右 21.

。

o7e ix p

(

一一

『 Z ss

l一

)

0 0

i m

非等 l温操作本节所的非等述间歇操温作系指于由反应

由

( ) A式得 t

= , 下下 I二 nU U

。6

本 . 的身热效应促反使应体系的温度生发变化的操作过程和外部境并无环热量换

交 ,,

;又 =

名U1 一U 石

s一一

只。

。*

乙1 l ll n

。

对

于非等

非等温操作因反应温度 X随而人变所

以

温反应器设计的计算除物料衡算外还要作热量

将 (A )式改写成差形式分得

=又〔二一共 1△ 一x 又一 A , k ~~( 1 x一如)取乙凡 0= 1 则可得下表

、=`

衡算

。

对

于歇间操式作 (1 一8 F应改写中的 )i,

。

二

(B)

一次成加人反应釜中的着眼组分的量从且由

于与外界无料物和热量的交换故式( 1 一 )8 可简

化为

( l乏〔

一

^ ) X)

一

’

(走l 〔

一

介 )。

一

乙ùr

.人门 ` ,Uó、飞 r` 八 .

十

丝

业旦幸 G赎

丁

一`

、

一

)

一

:;:.

00 0

2 1

5..

009

217 7

21 0

豹肠卯04 9

“为

2 90 5夕

. 、 `, `.几 , én U 门凡乙且 n

0 09 ,4.

式中4:

0 3

` U n0 U

ù、 J

场

乙

—均平热容盯

— 始起应反温度 —联立求式 ( )解 (和1

加人釜内的总的料物 k量 g

;gk,

,·

04 .

;

…

. .

10 1

011

04 114.

31, 2 .

15 1

65.

0201

0291

1667

15 9

10 6

1.9 38

18 0 2

。

7 08一

一

)

可求得非等 2

。温

;: :

0 1

3 812.

1 592

10 50

3 33 3

;

`间歇操作的反应釜内时间随化变的温度和浓

度由上表知可等温操非作反时应时间

【

例

2一

) 2)

0醋酸

的醉解水反为应下如所示

二级的可逆反不应

习t

3 28 mni

一

42,

℃

一1如向应釜反内加人 1 5 浓℃度为

C o

的无O 醋水酸醉0k g 溶5 密度液为热为3

( CH

HZC

H 3 C以〕 H

如 .表中的将值以 ( k数(

图 1进图解积分如图所示

凡) 〕则从凡=

,对X

作

一 0 8

线下面曲的面积即为反应时间其结

二

果=

.0 『m

习

比

m i

。

盯

·g

求

。得

反

为应拟一级其反应速

度

后用例 2一 1 方法求可反得

应,

的釜积 V

体1

969

第年1

期南化云工

V(C

一

)QC

今 `内n , 、亡

o C ^ kC0A

即

甲袱丈ǎ ē

二tk

)

式中

牙工

x 5 一V

一1 50

得C即 X

F L ms=

召

éj

味。(

^^ C0/)

643

2釜多联串连续操

从作釜反式应器的特点及例题可知由于式

釜

0 4

;

反

应器具有完全混合的特因性此当反应一进

转化率 X物

人到反应器内就大被量的产所物释稀这意味着釜式反应器内反应的浓度不可物能达较到高

。

图

一 l

2圈积分解图

的水从化学平反应动力学点观看化学反应速

度

与应反物浓度正比所成釜以式反应器内的化

, 连续操作釜反式应器设计间歇操作的釜反式应器然虽操作灵活结构,

、 ,

学

应反速度终始较是慢的要达到较高转化

的

率连续釜式操的作反应几乎器不能可了为使

续连作操的釜式反应有较器高的转化率可用串几联釜个式反应器来解

, ,决

,。

单简但于由仅适用于小量批多种品生的产

由于且用采这种操作方式产的品量难以质控制因

。

此对 ,大规模产应采生用连续作操方式.

串。连联续作操的釜式反应的器设计计算并不

难

困

单

釜连续稳定操作在等温操作状态这类反应器的设仅要求

计,,

由于它是由几个

釜式应反串器而成联

一

的

于每个釜对式反应器可都用利式(2

) 和

物料

衡算式即因为 d N可丫d

t可改写为

d FA

二:

,则 1一(7 ) 式一

例

一3

)

的 (C ) 式前一反级应釜出口的度浓为,

下

一级口进浓度依次计下去即算下可面具以

。

一

(rA

)

d V

,。

)

体

例子来说明连续作操的应反釜的计算方

。

法对于釜式反器应釜内的温和度浓是度均匀

且的等于出口的温度和浓度对全釜物作料

衡,

(

例

一

如例

2一 3 的乙配水反解应

反应过程反由个 360 0 的反L应

应温

仍为度

,40℃

算则式(2

一)

可改成写:3

釜串联而成反应器总积仍体为 18 0 0L 反应物

W或

F O

x OA

一

AXO ;

丫(一

r A

)(2

一

’ )

料的进料流量 Q A

二39

料浓进度 COA 以mi

口,

二1

2丸

一,

一

一(

一

通

兴

)UA

一

o 一

lm yoL

:求三第釜个出

的

转化率

)

(例

为04 ℃ 1

“0

)

如上 2

2例

中反釜应的温度二

解〔〕

不

。

变假定随着反应的进行物料体的积

A无水醉的进醋料浓度 C O

137

o进料流量 Q

3二 9

nu mi,

反应器体

一第釜口出的浓由上度例中 (C ) 式

积为

80L0

求在

此操作条件下所能达到的

转0 8

1^=

C斌

.(1

无+云 )

一0

(1 /4

化率

^ X?

06以39

(. 解〕对因液于相应反看作可为等反应

8容69

.10

一

m o ( VL

)4一 .

x 故A

二r

A(C

一

A y

OC0 38 0C朋 ,

(

A) ( B

= )

0一

(

1 3 73

610一

8 69

一一0

(又一

)

0^如在料原中无 C 3 CHO O H 即 X 0

同

第理二釜出口浓度e从

则

将(A ) (B )式代人(2

一

) 可得

6只

一。

一

/ (1+ 38

x6 0仪

3 95

云)化工

19 9南 6

年

第l 期 ,

一0

x一

5 om(y

一

)

一一

。了

如选择 C在点操作则遇界外干扰釜温略有

。

x 、

10一

( 1

3 7

5一si

/ ( 31

x升

高时此 Q

。Q 釜温将继升续高直止d

5 9

点而当由于外界干扰使温度低降时则于 Q r

由

移量热

由本

例计算可知使用

三级釜式反应器串联

于大放量釜热温将自动回止 b 同理点当釜

温有略下降时因 Q c

范文六：釜式反应器课程设计样例1

夹套搅拌反应器设计任务书

一、设计内容设计一台夹套搅拌反应器。

二、设计参数和技术特性指标见附表

1。

三、设计要求 1.进行罐体和夹套设计计算；

2.选择支座形式；

3.手孔校核计算；

4.选择接管、管法兰、设备法兰；

5.进行搅拌传动系统设计；

（1）进行传动系统方案设计；

（2）作带传动设计计算：定出带型，带轮相关尺寸；

（3）选择轴承；

（4）选择联轴器；

（5）进行罐内搅拌轴的结构设计、搅拌器与搅拌轴的连接

结构设计；

6.选择轴封形式；

7.绘制装配图（1#）；

8.大

零件图（3#）； V带轮

9.编制技术要求； 10.编写设计说明书。

（1）封面；（2）目录；（3）任务书；

（4）设计计算：要有详细的设计步骤及演算过程；

（5）对本设计的评价及心得体会；

（6）用 B5大小纸书写。

表 1夹套反应釜设计任务书

简图设计参数及要求

容器内夹套内

工作压力，

范文七：连续搅拌釜式反应器设计

学院：化工学院专业：化学工程与工艺

一、设计任务 .............................................................................................................................. - 1 - 二、确定反应器及各种条件 ...................................................................................................... - 1 - 三、反应釜相关数据的计算 ...................................................................................................... - 1 -

1.体积................................................................................................................................... - 1 - 2.内筒的高度和内径 ........................................................................................................... - 2 - 3.内筒的壁厚 ....................................................................................................................... - 2 - 四、夹套的计算 .......................................................................................................................... - 3 -

1.夹套的内径和高度 ........................................................................................................... - 3 - 2.夹套壁厚 ........................................................................................................................... - 3 - 五、换热计算 .............................................................................................................................. - 3 -

1.所需的换热面积 ............................................................................................................... - 3 - 2.实际换热面积 ................................................................................................................... - 4 - 3.冷却水流量 ....................................................................................................................... - 4 - 六、搅拌器的选择 ...................................................................................................................... - 4 - 七、设计结果一览表 ................................................................................................................ - 5 - 八、参考文献 ................................................................................................. 错误！未定义书签。

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%.

l/L。设计一反应器以达到要求。其中原料中乙酸的浓度CA0?0.00175kmo

二、确定反应器及各种条件

选用连续釜式反应器（CSTR），选用螺旋导流板夹套，取XAf?0.5，查文献资料得：可取反应温度为100℃，反应动力学方程为rA?kCA (k?17.4L/(kmol?min))（A为乙酸）搅拌釜内的操作压力为pcr?0.1MPa；夹套内为冷却水，入口温度为30℃，出口温度为40℃，工作压力pcr"?0.2MPa; 反应方程为：

CH3COOH?CH3CH2CH2CH2OH ? CH3CH2CH2CH2OOCCH3?H2O

三、反应釜相关数据的计算

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。

9?1031

??0.00175?3284.07L/h?54.73L/min原料处理量：Q0?

24?1160.5

（?0.00175?(1?0.5)?0.000875kmol/L 反应器出料口物料浓度：CA?CA01-XAf）

反应釜内的反应速率：rA?kCA?17.4?0.000875?1.332?10?5kmol/L

空时：??

VrCA0?CA0.00175?0.5

??CA0XAf/rA??65.69min ?5Q0rA1.332?10

理论体积：Vr?Q0τ?54.73?65.69?3595.21L 取装填系数为0.75，则反应釜的实际体积为：V?

Vr3595.21

??4793.6L?4.794m3 0.750.75

- 1 -

2.内筒的高度和内径

由于此反应为液—液反应，故而取H/Di?1.2 筒体内径Di?4V

?1.72m

πH/Di

圆整并查《化工机械基础》附录12，选取筒体直径Di?1600mm

23查得此时1m高的容积为V1?2.017m ，1m高的表面积为F1?5.03m

查得当DN?1600mm时，椭圆形封头曲面高度h1?400mm，直边高度h2?40mm，内

3表面积Ah?2.97m2，容积Vh?0.617m

筒体高度 H?

V?Vr

?2.06m 圆整为2.1m V

因此H/Di?2.1/1.6?1.3 在1~1.3的范围内，故而设计合理

3.内筒的壁厚

由于反应液有腐蚀性，故而选用Q235-A为筒体材料；内筒受外压大于内压，故为外压容器；

查得100℃时Q235-A材料的弹性模量E?2.03?10MPa

取有效壁厚δe?6mm，负偏差C1?0.8mm，腐蚀浴度C2?2mm

故名义厚度δn?6?0.8?2?8.8mm 外径D0?1600?2?8.8?1617.6mm 临界长度Lcr?1.17D0

D0.6

?1.17?1617.6??25.66m??2.1m 为短圆筒 δe8.8

(δe/D0)2.5(6/1617.6)2.55

临界压力pcr?2.59E?2.59?2.03?10??0.34MPa

H/D02100/1617.6

由于pc?1.1?0.2?0.22MPa?pcr 故设计合理 δn?7.8mm

- 2 -

四、夹套的计算

1.夹套的内径和高度

由于Di?1600mm ，所以Dj?Di?100?1700mm 由于查《化工机械基础》附录中无1700mm公称直径，故而取Dj?1800mm 夹套高度Hj?(Hi)有效?

Vr?Vh

.595?0.617

3?1.48m 圆整为Hj?1.6m

?1.62.夹套壁厚

夹套为内压容器；同内筒一样，选用Q235-A为夹套材料；查得在30℃~70℃范围内许用应力???t

?113MPa

设计压力pc?0.2?1.1?0.22MPa 取??0.8 所以：计算壁厚??

pcDj0.22?1800

2?t

??p?

2?113?0.8?0.22

?2.19mm 圆整为??2.2mmc

设计壁厚?d??? C2?2.2?1?3.2mm

名义壁厚?n??d?C1?3.2?0.25?3.45mm 即：夹套壁厚为3.45mm

五、换热计算

1.所需的换热面积

查得此反应的反应热?rH?3?103

KJ/Kmol 所以热负荷Q?Q.73

0CA0?rH?

5460

?0.00175?3?103?4.8?103W 由于本次反应传热为一边为恒温的传热，故：

?t1?100?C?30?C?70?C ?t2?100?C?40?C?60?C

- 3 -

?tm?

?t1??t210

??64.9?C 1InIn?t26

依经验取K?50W/(m??C )

Q4.8?103所以理论所需换热面积S"

?K?t??t?1.48m2

m50?m

考虑15%的面积浴度，S?1.15?S"?1.71m2

2.实际换热面积

S实?F1Hj?Ah?5.03

?1.6?2.97?11.018??S 由此可见此反应釜的换热面积足够。

3.冷却水流量

冷却水的定性温度t?(30?40)/2?35?C 查得此时比热容为Cp?4.174KJ/(Kg??C) 因此冷却水的流量为Wc?

C?0.15Kg/s?0.15L/s

p(40?30)

由此可见：反应放热较少，所需的冷却水的量也比较少。

六、搅拌器的选择

由Di?1600mm 查《化工设计》相关反应釜的技术指标可得：选择的搅拌器功率为5.5KW，搅拌轴的公称直径为95mm

- 4 -

七、设计结果一览表

- 5 -

范文八：《搅拌釜式反应器设计条件》]@]@]
@长江大学工程技术学院
课程设计
题目：________________ 学生：_ 系部：_ 专业班级：_ 指导教师：_ 辅导教师：_ 时间：至___
《搅拌釜式反应器设计条件》
工艺条件
工艺条件图
管口
1. 确定筒体的直径和高度
根据反应釜的设计要求，由于液－液相类型选取H/Di=1.3 得，由
Di≈4V4?3.25
= ＝1.47m ?H/Di??1.3
圆整到标准公称直径系列，选取筒体直径Di＝1400mm 。查附录得，DN＝1400mm时标准椭圆封头高度h1=350mm直边h2=25mm，计算得每米高筒体的V1＝1.539m3，表面积Vh=0.398m3
H=
V?Vh3.25?0.398==1.853m V11.539
筒体高度圆整为H＝1800m
于是H/D=1.285 核查结果符合原定范围内。 2. 确定夹套的直径和高度
夹套的内径 Dj=Di+100=1500mm （符合压力容器公称直径系列要求） Hj=
3.250.85?0.398
=1.537m
??1.42
4
选取夹套Hj=1600mm
则H0=H－Hj=200mm 这样便于筒体法兰螺栓的装拆验算夹套传热面积
F＝F1Hj+Fn=9.27 m2>7.1m2 即夹套传热面积符合设计要求 3. 确定夹套的材料和壁厚
夹套选取Q235－A的材质，可以知道板厚在4.5～16mm，设计温度在150℃时Q235－A的许用应力[?]t=113MPa，因为有夹套有
安全阀，所以P＝1.1Pw 那么P＝0.33MPa，因为内部夹套无法探伤，故取?＝0.60 根据夹套的钢板厚度负偏差c1=0.6mm,单面腐蚀取腐蚀余量c2=1.0mm。夹套的壁厚计算如下:
0.33?1.5?103P?Dj
td =+C=+1.6=5.259mm t
2?113?0.6?0.332[?]???P
标准椭圆形夹套封头的壁厚为:
t=
0.33?1500P?Dj
?1.6=5.255mm +C=t
2?113?0.6?0.5?0.332[?]??0.5P
圆整至钢板规定尺寸，并查阅封头标准,选取夹套的筒体和封头壁厚均为10mm。
4. 确定内筒的材料和壁厚
依题意可初选筒体厚度12mm,并取c1=0.8mm c2=2mm 筒体有效壁厚 te=12-2.8=9.2mm
D0=1400+212=1424
D0
?1424/9.2?154.78 te
L≈Hj+h2+
h1
=1600+25+350/3≈1741 3
L/D0=1741/1424=1.223 由
D0
和L/D0 te
可查表得A＝5.2?10?4，再查B＝65MPa [p]=
B65
??0.42MPa >0.33 MPa D0/t195
因为计算的[p] > p且比较接近所以选筒体厚度12mm
若选取筒体下封头壁厚12mm 并取c1=0.8mm c2=2mm则，
te=12-2.8＝9.2mm
标准椭圆形封头的外压计算当量球面半径:
Ri=KDi=0.9?1000=900mm A=
0.125
?9.1?10?4
1260/9.2
查得B＝92MPa 许用外压力 [p]=
92
?0.53MPa>p=0.315Mpa
1260/9.2
取筒体下封头壁厚12mm, 符合设计要求
为了制造方便，所以上封头和下封头的厚度也设计为12mm。 5. 水压试验及其强度校核
内筒水压试验压力 PT=P+0.1=0.21MPa PT=1.25P=0.13MPa
取二者最大值PT=0.21MPa
夹套水压试验压力 PT＝P+0.1＝0.43Mpa PT=1.25P=0.4125MPa 取夹套水压试验 PTj=0.43MPa 内筒水压试验时壁内应力：
?T?
PT[D?(tn?c)]0.21[1400?(12?2.8)]
??18.92 MPa
2(tn?c)?2(8?2.8)?0.85
PT[KD?O.5(tn?c)]0.21[0.9?1400?(12?2.8)]
??16.98 MPa
2(tn?c)?2(12?2.8)?0.85
?Tf?
夹套水压试验时壁内应力
?Tj?
PTj[Dj?(tn?c)]2(tn?c)?
?
043.[1500?(10?1.6)]
?64.35 MPa
2(10?1.6)?0.6
?Tjf?
PTj[KDj?0.5(tn?c)]
2(tn?c)?
?
0.43[0.9?1500?0.5(10?1.6)]
?57.77MPa
2(10?1.6)?0.6
由于Q235－A在常温时?s＝235MPa
0.9?s＝211.5MPa
水压试验时内筒夹套都小于０.９?s,故水压试验安全。筒体许用压力0.21MPa,夹套水压试验时PTj?0.43MPa 故夹套在进行水压时筒体内需要充压才能保持筒体稳定。 6. 选择釜体法兰
根据DN=1400mm ，p=0.3MPa 由于PN不会超过0.6Mpa,可以选用甲型平焊法兰。确定为RF型、甲型平焊法兰.其尺寸为D=1530 D1=1490 D2=1455 D3=1441 D4=1438
垫片材料为石棉橡胶板，选用垫片为144014403 ，JB/T4704-2000
7. 选择搅拌器、搅拌轴和联轴器
根据工艺条件要求，查阅《桨式搅拌器》（HG/T2501.4－1991）选取搅拌器外径500mm,搅拌轴直径d＝50mm的平桨式搅拌器，标记为：搅拌器500－50 HG/T2501.4－1991
选择搅拌轴材料为45钢，钢的许用扭应力为[?]=30～40MPa，计算系数A＝118～107,则搅拌轴的直径为 d=AP4
?(118～107)?(42.6～38.6)mm n85
表3－11 几种常用轴材料的[?]及A值
考虑到键槽可能对轴的强度的削弱和物料对轴的腐蚀，并可以取搅拌轴的d＝50mm。
查阅标准《搅拌传动装置——联轴器》，（HG21570－1995）中夹壳式联轴器形式、尺寸、技术要求、选用立式夹壳联轴器。公称直径50mm的联轴器的最大扭矩[Mn]≈515 N?m。验算联轴器的扭矩，查表3－12，选取工作情况系数K＝1.5，联轴器的计算扭矩[Mnj]为：
Mnj?KMn?1.5?9550?
4.0
?253N?m
表3－12 工作情况系数
K
夹壳联轴器的标记为：联轴器DN50 HG21570－1995 8. 选择搅拌传动装置和密封装置
根据设计条件，查阅标准《搅拌传动装置－传动轴、减速器型号及技术参数》、（HG21568－1995）及其附录《单级立式摆线钟轮减速器》，按照搅拌功率和转速选择摆线针齿行星减速机BLD1.5－2
－29Q。查阅标准《Y系列三相异步电动机》、（HBT10391－2002），选电机Y90L－4,额定功率：1.5kw，转速1400r/min，根据表3－13查得摆线针齿行星减速机传动效率为0.95，减速机输出功率为1.5×0.95＝1.425kw，符合搅拌要求。
参考标准《单支点机架》、HG21566－1995，根据所选减速机设计减速机机架。
根据操作条件选用带衬套及冷却水套铸填料箱，查阅《搅拌传动装置——碳钢填料箱》、（HG21537—1992）公称轴径DN50的填料箱，标记为：填料箱 PN0.6 DN50 HG/T21537.7—1992 9. 校核L1/ B和L1/d
桨式搅拌器安装一层，根据安装要求和考虑带衬套填料箱有支承作用，得L1 ≈2100mm，参考《单支点机架》、（HG2156—1995），机座J－B－50尺寸，可得B≈565mm。
L1/B?2100/565?3.72
10. 容器支座的选用计算
反应釜因需外另保温，故选用B型悬挂式支座。反应釜的总质量包括物料（或水压试验的水）W1,釜体和夹套的质量W2,电动机、减速机、搅拌装置、法兰、保温层等附件W3。当釜内、夹套内充满水时的质量比物料重，由此
W1?[DjHj?D2(H?Hj)?Vh?Vhj]?
44
?0.48]6?100 0 ?[?1.52?1.6?1.42(1.8?1.6)?0.398
4
4
?
2
?
??
?3402kg
第
7/15/2013
10 页共 12 页
釜体和夹套的质量可以查手册或自行计算，由此 W2＝418×1.8+278×1.6+208×2+138?1751kg
电动机和减速机总质量约100kg,搅拌装置质量约40kg，筒体法兰77.7 kg，保温层约100 kg,手孔及其它拉管附件质量约50kg，由此
W3＝100+40+77.7+100+50＝367.7 kg 反应釜总质量
W＝W1+W2+W3＝3402+1751+367.7＝5520kg 即总重力约为55kN
反应釜安装4个支座，但按3个支座承受计算，查阅标准《耳式支座》（JB/T4725—92），可以选用承载能力为20kN的支座
B2 JB/T4725——1992 材料为Q235－B 11. 选用手孔、视镜、温度计和工艺接管
根据《板式平焊法兰手孔》（HG21529－2005）,选用手孔形式为a式，PN＝0.6 MPa DN＝250mm .手孔RF DN250 PN0.6 HG21529－2005
加热蒸汽进口管a采用?32?3.5无缝钢管,配法兰PN0.6 DN25 HG20593－1997
冷凝液出口管h 和压力表接管b都选用?32?3.5无缝钢管，配法兰PN0.6 DN25 HG20593－1997
加强套管温度计d的管口选用?45?3.5
进料管口e采用?32?3.5无缝钢管，配法兰PN0.6 DN25 HG20593－1997
安全阀接管f采用?32?3.5无缝钢管，配法兰PN0.6 DN40 HG20593－1997
出料管口g采用?45×3.5无缝钢管（详细见P54）配法兰PN0.6 DN40 HG20593－1997
由标准《压力容器视镜》i选用碳素钢带颈视镜?89×4.5 DN80 HGJ502－86－5
参考资料
《化学工程师技术全书》邝生鲁化学工业出版社
《化工压力容器设计——方法、问题和要点》王非化学工业出版社《化工工程制图》魏崇光郑晓梅化学工业出版社
《化工设备机械基础》董大勤化学工业出版社
《压力容器设计手册》董大勤袁凤隐化学工业出版社
《化工单元过程及设备课程设计》匡国柱史启才化学工业出版社《化工容器及设备简明设计手册》贺匡国化学工业出版社
《化工设备设计手册》朱有庭曲文海于浦义化学工业出版社《过程设备机械设计》潘红良等华东理工大学出版社
《化工设备机械基础》刁玉玮等大连理工大学出版社

范文九：连续搅拌釜式反应器(CTRS)控制系统设计]@]@]
@河南工业大学
开放实验室实验项目设计报告
连续搅拌釜式反应器（CTRS）控制系统设计
学校：河南工业大学
学院：机电工程学院
专业：机械设计制造及其自动化姓名： X X X
学号：
目录
1 前言.......................................................................................................................... 2
2 工艺过程简介.......................................................................................................... 2
2、1 过程变量说明............................................................................................ 3
2、2 操作变量说明............................................................................................ 3
3 反应过程特性.......................................................................................................... 3
4 实验内容.................................................................................................................. 5
5 反应过程开车及正常运行...................................................................................... 6
6 开车步骤顺序控制.................................................................................................. 7
7 思考题...................................................................................................................... 8
8 心得体会.................................................................................................................. 9
连续搅拌釜式反应器（CTRS）控制系统设计
1、前言
本连续反应过程是工业常见的典型的带搅拌的釜式反应器（CSTR）系统，同时又是高分子聚合反应。本实验是当前全实物实验根本无法进行的复杂、高危险性实验，又是非常重要的基础反应动力学实验和反应系统控制实验内容。此外，全实物实验还面临物料消耗、能量消耗、反应产物的处理、废气废液的处理和环境污染问题，以上各项问题比间歇反应更严重，因为连续反应的处理量大大超过间歇过程。现有的连续反应实验系统实际上都是水位及流量系统，根本没有反应现象。在本连续反应实验系统上除了进行常规控制系统实验外，还可以进行模糊控制、优化控制、深层知识专家系统（例如SDG法）故障诊断等高级控制实验。
2、工艺过程简介
连续反应实验系统以液态丙烯为单体、以液态已烷为溶剂，在催化剂与活化剂的作用下，在反应温度70?1.0℃下进行悬浮聚合反应，得到聚丙烯产品。
在工业生产中为了提高产量，常用两釜或多釜串联流程。由于在每一个反应釜中的动态过程内容相似，为了提高实验效率、节省实验时间，特将多釜反应器简化为单反应器连续操作系统。
丙烯聚合反应是在己烷溶剂中进行的，采用了高效、高定向性催化剂。己烷溶剂是反应生成物聚丙烯的载体，不参与反应，反应生成的聚丙烯不溶于单体丙烯和溶剂，反应器内的物料为淤浆状，故称此反应为溶剂淤浆法聚合。
见图1-1所示，连续反应实验系统包括：带搅拌器的釜式反应器。反应器为标准盆头釜，为了缩短实验时间，必须减小时间常数，亦即缩小反应器容积，缩小后的反应器尺寸为：直径1000 mm，釜底到上端盖法兰高度1376 mm，反应器总容积1.037 m3 ，反应釜液位量程选定为0-1300 mm （0-100%）。反应器耐压约2.5MPa，为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5 MPa。反应器压力报警上限组态值为1.2 MPa。
丙烯聚合反应过程主要有三种连续性进料（控制聚丙烯分子量的氢气在实验中不考虑），第一种是常温液态丙烯，F4为丙烯进料流量、V4是丙烯进料双效阀；第二种是常温液态己烷，F5己烷进料流量、V5己烷进料阀；第三种是来自催化剂与活化剂配制单元的常温催化剂与活化剂的混合液，F6为催化剂混合液进料流量、V6催化剂混合液进料阀。催化剂可以用三氯化钛（TiCl3），活化剂可以用一氯二乙基铝（Al(C2H5)2Cl），两种化合物用己烷溶剂稀释成混合液，催化剂浓度4%，活化剂与催化剂克分子浓度之比为2∶1。由于催化剂量小，常用计量泵控制，在本实验中用精小型控制阀代替。
反应器内主产物聚丙烯重量百分比浓度为A，反应温度为T1，液位为L4。反应器出口浆液流量F9，出口双效阀V9，出口泵，出口泵开关S5（开关），反应器夹套第一冷却水入口流量F7，双效阀V7，反应器夹套第二冷却水入口流量F8，双效阀V8，反应器夹套加热热水阀S6（开关），反应器搅拌电机开关S8。
2、1 过程变量说明
连续反应实验系统在盘面所涉及的传感器输出变量、变量正常工况的数据、计量单位如
下。
F4 丙烯进料流量 729 kg/h
F5 己烷进料流量 1540 kg/h
F6 催化剂进料流量 88 kg/h
F7 冷却水流量（第一） 25 t/h （最大）
F8 冷却水流量（第二） 42 t/h （最大）
F9 反应器出口流量 kg/h
T1 反应温度 ℃
P7 反应压力 MPa（绝压）
L4 反应器料位 % (0-1.3m，0-100%)
A 出口聚丙烯重量百分比浓度 %
2、2 操作变量说明
连续反应实验系统在盘面所涉及的操作、控制阀门及开关，已注明阀门公称直径、国标流通能力（Kv）如下。
V4 丙烯进料阀 Dg25 Kv=3.42 (Cv=4)
V5 己烷进料阀 Dg25 Kv=5.38 (Cv=6.3)
V6 催化剂进料阀 Dg20 Kv=0.214 (Cv=0.25)
V7 冷却水阀（第一） Dg40 Kv=25.64 (Cv=30)
V8 冷却水阀（第二） Dg50 Kv=42.73 (Cv=50)
V9 反应器出口阀 Dg25 Kv=8.54 (Cv=10)
S6 热水加热阀
S8 反应器搅拌电机开关
3、反应过程特性
为了设计和实施有效且高质量的控制，必须首先对连续反应过程的主要变量之间的影响关系和动态特性进行分析，必要时需定量测试。这些特性、影响关系和数据完全可以通过对本实验系统实施开车、停车或对主要变量进行拉偏试验得到。然而，在真实系统上，由于安全或经济效益的考虑，多数试验是不允许进行的。下面对本连续反应过程的特性进行简要介绍。
（1）全混流反应器特征
由于本反应器有强烈地搅拌作用，已烷溶剂又起到了很好的分散与稀释功能，使得反应器中的物料流动状态满足全混流假定，即反应器内各点的组成和温度都是均匀的，反应器的出口组成和温度与反应器内相等。
（2）反应停留时间
从反应物料进入反应器开始至该反应物料离开反应器为止所历经的时间称为停留时间。该时间与反应器中实际的物料容积和物料的体积流量有关。一般来说停留时间长，进料流量小，反应的转化率高。也就是说为了使出口聚丙烯的浓度提高，必须减少进料和出料流量。由于本反应器的物料流动状态满足全混流假定，可以采用平均停留时间的方法表达，反应平均停留时间等于反应器中物料实际容积除以反应器中参与反应的物料体积流量。
（3）反应温度
丙烯聚合反应属于放热反应，因此，根据反应温度的高低能判断聚合反应速度的快慢。即当反应速度加快时，放出的热量增加，导致系统温度升高；反之系统温度下降，因为此时出口物料流量和夹套冷却水会带走热量。放热反应属于非自衡的危险过程，当反应温度过高
时，聚合反应速度加快，使得反应放出的热量增加，如果热量无法及时移走，则反应温度进一步升高。这种“正反馈”作用将导致“暴聚”事故。此时由于温度超高，系统压力必定超高，如果超过反应器所能耐受的压力，可能发生爆炸与火灾事故。即使不发生恶性事故，由于反应速度太快，聚合生成的都是低分子无规则状聚合物，产品也不合格。
在反应停留时间相同、催化剂量相同的条件下，聚合反应的转化率由反应温度所决定。控制反应温度的主要手段是夹套冷却水的流量。反应温度要求控制在70?1.0℃。影响夹套冷却作用的相关因素是反应器内料位的高低、冷却水与反应温度的温度差，料位高换热面积大，温度差大热交换推动力大。
反应温度和反应转化率的变化属于时间常数较大、惯性较大的高阶特性。冷却水流量的变化随阀门的开关变化较快、时间常数较小。当冷却水压力下降时（这种干扰在现场时有发生），即使阀位不变，冷却水流量也会下降，冷却水带走的热量减少，反应器中物料温度会上升。由于温度变化的滞后，当传感器和控制器进行调节时，已经滞后了。针对这一问题，应当选用能够减小滞后影响的控制方案。例如，串级控制系统的副回路能减少对象的时间常数。
（4）反应压力
反应压力的高低主要取决于反应器中丙烯的百分比含量和反应温度。纯丙烯的饱和蒸汽压在20℃时约为1.0 MPa，70℃时已超过3.0 MPa，温度继续升高，压力还会急剧升高。用不着达到100℃，本反应器就可能发生爆炸危险。实践证明丙烯与己烷混合后，饱和蒸汽压会降低，而且在温度不变的前提下，己烷的百分比含量越高，系统压力越低。因此，在反应器中必须防止丙烯的百分比含量过高、反应温度过高的情况发生。另外，在温度不变的条件下，调整丙烯与己烷的进料流量比可以在一定的范围内控制反应器内压力。
在丙烯与己烷的进料流量比不变的前提下，反应压力随反应温度变化，即反应温度上升，反应压力也同步上升，反应温度下降，反应压力也同步下降。亦即，反应压力升高表征着反应速度加快，转化率提高。
图1-1 带搅拌器的釜式反应器（CSTR）
图1-2连续反应正常工况流程图画面
4、实验内容
（1）实验设备及连接
1）在上位计算机启动连续反应软件，选择并进入连续反应工程。
2）盘台上线路连接。
（2）控制系统组态
1）完成液位L4和温度T1控制系统组态，以便尽快进入测试前的稳定工况。控制系统组态如图1-3 所示：
图 1-3控制系统组态
对组态图中的PIC参数设置如表1-1所示：
表1-1 PID参数控制
2）完成趋势画面组态，选择L4、A、T1、P1、V8、V9共计6个变量进行趋势记录。如图1-4所示：
图1-4 趋势画面1
3）阀门V4、V5、V6、V7、V8、V9选线性特性。
5、反应过程开车及正常运行
启动连续反应器实验软件。完成与连续反应有关的盘面信号线插接。检查接线是否正确。要求进行反应器液位L4的控制系统组态。
1）初始化检查，系统处于开车前状态。
2）开V5（己烷进料阀）约60%，使F5（己烷进料流量）达到约1540 kg/h，关注液位L4
上升。由于己烷在常温下饱和蒸汽压较低，反应器内压力不会大幅升高。如果先加入纯丙烯则反应器内压力会大幅升高。
3）液位L4上升至50%左右，开V4（丙烯进料阀）约55%，使F4（丙烯进料流量）达到
约729 kg/h。由于混合蒸汽压低于纯丙烯饱和蒸汽压，因此避开了反应器内压力大幅升高的可能。
4）当液位L4上升至75%左右，开V9（反应器出口阀）约55%。应防止液位上升过快，导
致液位超限。
5）当液位L4上升至80-90%左右，将L4投自动控制。注意，为了控制液位稳定，必须在
运行前完成本液位单回路控制组态。应将反应器出口阀V9定义为液位控制输出控制阀，当液位超高时，V9应开大，所以本控制器应设定成正作用。为了使控制器正常工作，必须对P.I.D.参数进行整定。
6）开S8（反应器搅拌电机开关）。使物系处于全混状态。
7）开S6（热水加热阀），诱发反应。热水流入夹套，通过夹套对反应器内物料加热，可见，
夹套具有加热和冷却双重作用。用热水最高可将物系加热到50℃（当物系没有化学反应时）。
8）开V6（催化剂进料阀）约55%，使F6（催化剂进料流量）达到约88 kg/h。所加入的实
际上是催化剂与活化剂的混合液，此时，反应器的三股物料都已按要求连续进入反应器。由于反应尚未诱发，三股物料的混合物也在连续地流出反应器。此状态应当尽量短暂，
因为没有产品生成，只有能量及物料损耗。
9）当T1（反应温度）达到约40℃，关S6（热水加热阀），若T1继续上升，则反应诱发成
功。由于丙烯聚合是放热反应，反应速度会随温度升高而不断加快。
10）当T1（反应温度）达到约45℃，逐渐以小开度开V8（夹套冷却水阀），为了防止反应
温度上升幅度过快而失控，超前进行适当冷却是必要的。观察T1（反应温度）同时调整冷却水量，使其约按0.1℃/sec之速率上升。即，如果T1上升的速率大于0.1℃/sec，则适当开大冷却水阀；如果T1上升速率小于0.1℃/sec，可维持当前冷却水阀位不变；此调整应根据反应温度T1的上升情况灵活掌握，总的原则是：维持T1连续升温，不得升温过快而失控。
11）当V8（夹套冷却水阀）开度达到约50%时，且T1（反应温度）达到约65℃，维持V8
开度不变，改用V7（夹套冷却水阀）手动控温。
12）当T1（反应温度）达到70?1.0℃，调整V7（夹套冷却水阀）手动控温，保持T1稳定。
此时即完成了反应过程的开车任务。
6、开车步骤顺序控制
开车步骤顺序控制如图6所示。在开车过程中为了防止液位上升太快并有效实现温度控制，相关控制策略采用模糊控制，可根据经验设计控制规则。
7、思考题
1．简述丙烯聚合反应部分的工艺流程。
连续反应实验系统以液态丙烯为单体、以液态乙烷为溶剂，在催化剂与活化剂的作用下，在反应温度70?1.0℃下进行悬浮聚合反应，得到聚丙烯产品。
2．丙烯聚合常用何种溶剂？在丙烯聚合中起何作用？
丙烯聚合反应是在己烷溶剂中进行的，采用了高效、高定向性催化剂。己烷溶剂是反应生成物聚丙烯的载体，不参与反应，反应生成的聚丙烯不溶于单体丙烯和溶剂
3．催化剂在丙烯聚合反应中起什么作用？丙烯聚合采用何种催化剂？
催化剂可以用三氯化钛（TiCl3），活化剂可以用一氯二乙基铝（Al(C2H5)2Cl），两种化合物用己烷溶剂稀释成混合液，催化剂浓度4%，活化剂与催化剂克分子浓度之比为2∶1。由于催化剂量小，常用计量泵控制，在本实验中用精小型控制阀代替。
4．开车达正常工况时釜温、压力及组成应当保持在何值？
反应温度要求控制在70?1.0℃，压力为3.1Mpa.
5. 何为聚合反应的暴聚? 如何避免?
放热反应属于非自衡的危险过程，当反应温度过高时，聚合反应速度加快，使得反应放出的热量增加，如果热量无法及时移走，则反应温度进一步升高。这种“正反馈”作用将导致“暴聚”事故。
当T1（反应温度）达到约45℃，逐渐以小开度开V8（夹套冷却水阀），为了防止反应温度上升幅度过快而失控，超前进行适当冷却。
6．简述连续反应和间歇反应的区别。
连续反应实验系统以液态丙烯为单体、以液态已烷为溶剂，在催化剂与活化剂的作用下，在反应温度70?1.0℃下进行悬浮聚合反应，得到聚丙烯产品。
间歇反应过程在精细化工、制药、催化剂制备、染料中间体等行业应用广泛。本间歇反应的物料特性差异大；多硫化钠需要通过反应制备；本间歇反应岗位包括了备料工序和缩合工序。基本原料为四种：硫化钠（Na2S ）、硫磺（S）、邻硝基氯苯（C6H4ClNO2）及二硫化碳（CS2）。
8、心得体会
通过本次项目设计，我充分认识到本科生知识层次的不足，更认识到了进行深度学习的必要性，也使我对已学过的基础知识有了更深入的理解，提高了独立思考、独立工作以及应用所学基本理化分析和解决实际问题的能力。另外，本次设计使我们的实际操作技能得到了训练，弥补了以前书本学习知识的不足。同时也培养了我们严谨的科学作风。在此也对在这次开放实验期间辛苦工作的老师，是他们让我有了系统的思维学习模式，再次感谢他们！我也希望以后还能有这样的机会。
我相信，在以后的学习当中，我会总结这次实验的经验教训，不断提高自己的思考和动手能力，并且养成科学严谨的习惯！

范文十：釜式反应器课程设计样例1

夹套拌搅应器设计任反务书

一、计设容内设计台一夹搅拌套应反器。、设二参数计和术技特指标见性表附。 1、设三计要

1求.进罐行和夹体设套计计算 2； .择选座支式；形3. 手校核孔算；计4. 择选管、管法兰接设备法兰；、 5 .进行拌搅传动系设统；计 1）（行进传动系方统案设计；2（）带作动设计计传：定算出型带，轮相关带寸；尺（）选3轴承；择4（选择联）器轴；（5）行进内罐搅轴拌结构的设计、拌搅器与拌搅轴的接连结构计设； 6 选择轴.封形；式 7 绘.装制图配（1） #； . 8 大V 轮带零件（图#） 3；9 . 制技术要编；求0.1 编写设计说书。明（1封）；面 2（）录；目（）任3务书；（）4计设算：要有详计的细计设步骤演算及程；（过5对本）设的评计及价心得会体；（ 6用 B）5 小大书写纸。-1

表 1套夹反釜设计任应书简图工务作压， Mp力设a压计，力M Pa 工作温度，℃ 设计温度，℃ 介质全积容，3m 作容积， m3操传热积， m面腐蚀情况2推荐材料拌搅型器搅式轴拌转速，/min r轴功，率 k W号 a符b cd ef gh 计设数及要参容求器内夹套内2. m 2

上所述，筒综体夹和套寸为下尺 4表-4所：表示4-4筒体和夹尺套

寸- 11-

直(径m) 筒体m 套夹600 1107

0度（mm）高16 00 3100

.2夹套应反的釜度强计算

4..1 厚2计算度据工艺条或件蚀情况确定，腐备材料设选用 2Q3-5。 A由工艺条给件定, 计设压力（罐体）内 1 =p2.2MPa，设计力（压套内夹） 2 p2=3M.aP，计设温（罐度内体）t 1=105℃ ，设温度计夹套（内 t）2 = 020。℃ 推材料荐 Q2为3-A5 选取，罐体及套夹接接焊头系数 =0?.58。表 14按4-压力器用碳素容钢钢板许的应用力,选取设温计下度材料用许应力 [? 150]=1℃07Mp, [a ?]2 0℃=09Mpa9

。壁

附厚加量 C C1?? C2 ，其 C中1 为钢负偏板差初步，取 C =108mm., 蚀腐量裕 C =22mm因此：， C =.082+2.=mm

8- 2 1-

罐

体筒体算厚度计 1?按式计算得

? ?1

P1D12.2 ? 1600 ?C2 ?? ? 22.020mmt 2? 017? .08 ? 2.2 2[? 5 ]?? P 1

整圆,取罐选体体名义厚筒

?1n 度=52mm

夹

筒套计体厚算度 2 按?计算得

式

?2?

D2 2.3 ? 1270 ? 02C? ? 2? 52.55m t 2 ? m99 0?.8 5 ?.322[? ] ? P?

2圆整,选取

套夹筒名体厚度义

?2 n =28mm

罐体头计封厚度算? 1" 按计算式

得 1??

D11 .22 ?1 06 ? C2 ? 0 ? 2 2?.510mm ? 107 2 ?.08 ? 505 ? 2..22[ ?] ? 0?.P1

圆5,整选罐体取封名头义度

厚1"? =n25m

m套封头计算夹厚度? 2 按式"计算得，

2P D 22. 3?17 00? C 2? 2? 2?.04mm2 2? 99? .085? 0.5 ? .2 3[2? ] ? ?0.P52t

整,圆选取夹套封名义头厚

度

2" n?=25m

m- 13

42..2 压水试强验校核度

罐

体验压力 p1试T按式计得

算P1T ?.25 11p[ ] ?071 ?1.25 2?2. ?? 2 75M.ap 50℃ 107 [1 ]?

套夹水试验压压 p力2 按式计算得

T2T P?1.2 5 p [2? ]9 ? 1.295 ?2.3 ? ? .287Mpa5 002 9℃9 ?[]

查表 1 -44碳素钢、普低合通金钢板钢用许力应得材料屈服,点应力? s 2?35Mpa 算计得

， ?

T ?0. ? 9 ?S0.9 ? 23 5 211?.5PaM

体罐圆筒力 ?应1T 式按算计

得?

1T?

1PT( 1 D ? ?1 )e2. 5(1670 ? 022.2)? ? 1 812M.P ? a211.M5a 2? P1e?2 ? 222. 0?.85

夹内压试套验应力 ? T2

T 2?

T (2 D?? 1 e 2.)87(5107 ? 0522.)? ? 115.M8a P?2 1.1M5P a2 ?1? e ? 252.2? .805

所以夹套水试压强度足够验。上综述，所体和筒套夹具加工尺寸如体表下4-6：

1 4

-表

-46筒体和夹套局工加尺寸体筒mm（）罐体夹封头(m套m

)

5 282

5 225

.34反釜的应拌器

搅43.1.搅拌装置的拌器搅搅器的型拌式主有：桨式、要进式、推框式涡、式轮、杆螺式和带式螺等。当用来调（低和黏度相液均混体合时，）适用搅的器型式有推拌进和涡轮式式，主要到容受循环速率积的响影。当用来分散（非均匀相液体合）混，适用搅的器型拌有涡式式轮，主受到液要大小（滴散度分、）容循环积速的影响。率当用于体悬固浮，时固按粒度、含体及量密，度定决用桨式、推式或涡轮式进主，受要到积循容环速、湍流率度的强响影当。用气体吸于收，时用适的拌搅型器有涡轮式式主要，到受剪切用作容积循、速环、率速高的影响度。当用于传时，适热用的拌器型搅有式桨、推进式式、轮涡式，主要到受容循积速环率流经、热传的面流湍速度影的响。当用于高度操作时，适黏的搅拌器型用式框有式涡、式轮螺、杆、螺带式、式带横板的挡式，桨要主受容积到循速环、率低速度的响影。-

15 -

当用于结

时晶按，控因素制用轮涡、式式和桨式变种，主桨受要容积到环循速率剪、切作用速低度的响影。反应本搅拌釜装的搅置器采拌用推式，主进用要于和调机溶有剂。

.2 搅3拌器的安装方及式与其轴接的结构设连计次任此务用选是的推进式搅器拌搅，器推进式搅拌拌是类器风似扇叶结构扇。与轴的连接它通是轴过用平套或紧键螺钉固定定轴，端固加螺母。定为螺纹防蚀加腐头保护轴。帽本反釜应推的式搅拌进器径

直D

J ?03D1.? 0 3 ?.1006? 408m

圆整m，进推搅式拌器径直D J =500m 按m 表4 7 - 推进式搅拌器主要的尺寸, 当

D 65m=,md 1? 11m0m

? 500㎜时

，

0 M? 6 1 , 槽 B键 =18m, tm =7.06m,

H m=10mm,质量5m =01.4K2g, N不大于 0.5。0n

4表7 -推器搅拌器的进主要尺寸

- 16 -

4.33. 搅装置的拌搅拌轴计设搅拌的轴械机计内设主要是材料选定容、构设计（结包括轴的支结承构和）度校强,核对于n2>00/mirn ，的还进行要临转界速的核校。 1、拌搅的材轴：料选 4用号钢。5 2、搅拌轴结的：常构实用心空心或直轴其结，型式构根据轴上装的搅安器拌类、型支承的结和构量数、以

及与轴器的连联接求要而，还定考虑腐要蚀等素因影的响本。反应釜搅拌轴结构的型式用选实心直。轴连推进接式搅拌的器头车削轴肩台开，键槽轴端车螺纹。， 3、拌轴搅强校核：由度夹反应套设计釜务书给任，轴功定率P =3 .k8W搅拌轴数转n =2 01/rmn 常i用材料轴 4为 5号钢。轴所递传的扭矩

T 9?505?

34. ?15 4.6N m·m2 10

查

表得轴常用材料的T ?T ? 及0A值，材料许用扭转应剪力

[?] = 35Mp，系数 A0a= 12。

1端轴径

d ?直 0 A3

3 . 4 ?121 ? 3?28 .33mm N2 01

一个开槽，轴径键扩大5 ，% 为 =28d40×.105=2..89m2m 整圆轴直端 d 径30m=m因此搅拌，的直轴径30 mm。

-17 -

4、搅拌

的轴形位公差表面和粗度糙要求：拌搅转速轴n =

201r/mi，n直线允许度 1差00：00.1

。

5、搅轴拌支承的一般：拌搅可依轴靠速减内器一对轴的承支承。搅拌的支撑采用滚轴动承轴。反应釜搅拌的轴滚动轴承通，常根转速、据荷的载小及大径轴d 选择，高转速轻载、可选荷用角触球接承；轴速、重低载荷可用圆锥滚子轴选承。据根轴端径直d 3=0mm，选用角接球触轴承，用型选号为7062A ，C=d03mm。安装轴承轴处的差公带用采 k，外壳6的孔公带采用差H7 安。装轴承轴的配处表面合糙粗度R a取 .1，外0孔壳轴与配承合表粗面糙度 R a 取.61。采用背背安装对对成轴。

承

44 ．应反釜的传装置动设

反应计的搅釜器是拌由传动装置来动带传。动装置通常设在置顶封头釜的部上反。应传动装釜置的设内容一计般包括电机、：速机减的选；型选择联器；轴用选和设计架和机座底。 4等..1 4常电机用其及接尺寸连系列Y封全闭扇自式冷相三步异动电为机常用最；的当有爆要求防，时选用可 B Y列。系本反釜应用选存电机 Y16库M-0，6转速907r/inm电机功, 率=7.P5k。W

1 -8

.44.2 釜减速用机类、型标准及选其用反应釜用的立式速减机，主要类的有谐型减波机、速线摆针行轮减速机星、级二轮齿速减机和V 带传减动机。由速务书任定，反给应采用釜带V传减速机动。 4.4.3 V带速机减带V速减机特点是的：结构单，简制造便方，价格低廉，能防止过载噪声，小但。适用于不爆场防。合表查Y 列三系相异步电机主要动技术数据，动传的定额率功P= .5 kW7 皮带轮转小速皮大轮带速转选取况系工数 K A=1. 设2计功率d 按P公式计得算n

1 96?0r/ mni

n2? 21 0r /min

P?? 1.2 ?7.5 ? KW9

普查通 V带选型图810-，据 Pd 根和n 1选取V 带号型为B 号型传比动i ?

n1 9

6 ?0 ?4 .6 n 221

d1 ?013 0mm

查

图 8-3 选小初皮带计轮直算验算径速带V

: 1-9

? 0001

? d1 n