1、南华大学机械工程学院毕业设计第 1 页 共 47 页酯化釜设计摘要：酯是一类重要的有机化工产品，用途很广。生产酯的反应设备已有很大的发展，但仍存在一些不足。本设计是酯化釜和储罐的设计，为了让酯化反应更有效的进行。此设计分为两部分，一是酯化釜的设计，二是储罐的设计。其中酯化釜的设计包括酯化釜的选型、搅器的选型、搅拌器轴的设计、酯化釜的筒体设计、减速器的选用、传热部件设计、支座设计等方面。储罐设计，包括储罐选型、储罐尺寸确定、封头设计、罐体结构设计等方面。总体设计方案设计主要是根据酯化釜的结构，材料性质，装置效率、总体造价而最终确定为椭圆形盖酯化釜。酯化釜的结构设计比较的复杂，相对而言，储罐的设计
2、就简单一些，它的总体设计方案是卧式储罐。关键词：酯化釜 ； 储罐 ； 设计 ； 结构Abstract: Ester is a kind of important organic chemical products, use very wide. Production equipment for the reaction were developed, but still existed some shortage.南华大学机械工程学院毕业设计（论文)第 2 页 共 47 页This design is the esterification autoclave and design,the de
3、sign on the basis of some shortcomings, improve the esterification reaction, make more efficiently. This design can be divided into two parts, one is the esterification autoclave design, it is the design. Among the esterification autoclave design including esterification autoclave, selection of sele
4、ction, design, mixer shafts esterification autoclave cylinder design, selection of gear parts design, bearings, heat design, etc. Tank design, including the selection of storage, storage, the header tank design, structural design, etc.The overall design scheme is designed according to the esterifica
5、tion autoclave structure, material properties, device efficiency, the overall cost of esterification autoclave for elliptic cover. The esterification autoclave structure design is relatively complex, the design is simple, tanks, its overall design scheme is horizontal tank.Keywords: the esterificati
6、on ； autoclave ； tank ；structure design前言反应设备是通过化学反应得到反应产物的设备，或是为细胞或酶提供适宜的反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应的设备。几乎所有的过程设备中，都包含了反应设备的存在。因此如何选用的反应器型式，确定最佳的操作条件和设计合理可靠的反应器，满足日益发展的过程工业的需求具有十分重要的意义。经过近一个世纪的实验研究和理论探索，当今的流体混合技术已进人快速发展时期，并积累了大量可用于分析和预测混合体系的设计经验和关联式。但由于流体混合体系的多样性和物料流变特性的复杂性，目前对于搅拌设备的选型和设计还主要依赖经验和实南华大学机械工程学院
7、毕业设计（论文)第 3 页 共 47 页验，对其优劣很难用理论预测，对于能耗和生产成本，只能在一定规模的生产装置上进行对比后才能分出高低。另外对搅拌设备的放大规律至今仍无足够的认识，缺少理论指导。本次设计的搅拌设备是酯化釜，酯是一类重要的有机化工产品，除本身是溶剂、增塑剂而用于很多工业部门外，还大量用来生产聚酯，也有一部分用作有机合成的原料。酯类生产的历史悠久，其基础理论的研究也早已开始，英国化学家 A.W.威廉森在 1852年已经提出了由酸与醇合成酯的理论。可生成酯的方法很多，工业上绝大多数直接酯化过程均为液相反应，由于受平衡限制，反应不能进行完全，故常用从反应混合物中移走反应产物（水，酯或
8、两者在一起）的办法来移动平衡点。反应器可以是连续式的或间歇式的。间歇式反应器通常为带搅拌的反应釜；连续式反应器则是塔式的。为防止无机酸催化剂对设备的腐蚀，须妥善选择反应器的材质及结构。酯化反应，是一类有机化学反应，是醇跟羧酸或含氧无机酸生成酯和水的反应。分为羧酸跟醇反应和无机含氧酸跟醇反应何和无机强酸跟醇的反应两类。羧酸跟醇的酯化反应是可逆的，并且一般反应极缓慢，故常用浓硫酸作催化剂酯化釜的目的是借助搅拌器的作用是使酸跟醇在高温的条件下反应生成酯。本题目主要解决的问题是该设备的设计，包括搅拌装置、轴封和搅拌罐三大部分设计，并画出相应的设备图。1.1 概论酯 化 釜 ， 顾 名 思 义 就 是
9、发 生 酯 化 反 应 的 设 备 ， 属 于 搅 拌 设 备 。 搅 拌 设 备 常被 称 作 搅 拌 釜 （ 或 搅 拌 槽 ） ， 当 搅 拌 设 备 用 作 反 应 器 时 ， 又 被 称 为 搅 拌 釜 式 反 应器 ， 有 时 简 称 反 应 釜 。釜 体 的 结 构 型 式 通 常 是 立 式 圆 筒 形 ， 其 高 径 比 值 主 要 依 据 操 作 是 容 器 装 液 高径 比 以 及 装 料 系 数 大 小 而 定 。 而 容 器 的 装 液 高 径 比 又 视 容 器 内 物 料 的 性 质 、 搅 拌特 征 和 搅 拌 器 层 数 而 异 ， 一 般 取 1 1.3，
10、最 大 时 可 达 6。 釜 底 形 状 有 平 底 、 椭圆 底 、 锥 形 底 等 有 时 亦 可 用 方 形 釜 。 同 时 ， 根 据 工 艺 的 传 热 要 求 ， 釜 体 外 可 加 夹套 ， 并 通 以 蒸 气 、 冷 却 水 等 载 热 介 质 ； 当 传 热 面 积 不 足 时 ， 还 可 在 釜 体 内 部 设 置盘 管 等 。在 选 择 酯 化 釜 时 ， 应 根 据 生 产 规 模 （ 即 物 料 处 理 量 ） 、 搅 拌 操 作 目 的 和 物南华大学机械工程学院毕业设计（论文)第 4 页 共 47 页料 特 性 确 定 搅 拌 容 器 的 形 状 和 尺 寸 ，
11、在 确 定 搅 拌 容 器 的 容 积 时 应 合 理 选 择 装 料 系数 ， 尽 量 提 高 设 备 的 利 用 率 。 如 果 没 有 特 殊 需 要 ， 釜 体 一 般 宜 选 用 最 常 用 的 立 式圆 筒 形 容 器 ， 并 选 择 适 宜 的 筒 体 高 径 比 (或 容 器 装 液 高 径 比 )。 若 有 传 热 要 求 ，则 釜 体 外 须 设 置 夹 套 结 构 。 夹 套 种 类 有 整 体 夹 套 、 螺 旋 挡 板 夹 套 、 半 管 夹 套 、 蜂窝 夹 套 ， 传 热 效 果 依 次 提 高 但 制 造 成 本 也 相 应 增 加 。当 酯 化 釜 釜 卧 式
12、 放 置 时 ， 大 多 进 行 半 釜 操 作 。 因 此 卧 式 釜 与 立 式 釜 相 比 有更 多 的 气 -液 接 触 面 积 ， 因 而 卧 式 釜 常 用 于 气 -液 传 质 过 程 ， 如 气 -液 吸 收 或 从高 粘 度 液 体 中 脱 除 少 量 易 挥 发 物 质 ， 另 一 方 面 ， 卧 式 釜 的 料 层 较 浅 ， 有 利 于 搅 拌器 将 粉 末 搅 动 ， 并 可 借 搅 拌 器 的 高 速 回 转 使 粉 体 抛 扬 起 来 ， 使 粉 体 在 瞬 间 失 重 状态 下 进 行 混 合 。酯 化 釜 的 材 料 要 满 足 生 产 工 艺 的 要 求 ，
13、 例 如 耐 压 、 耐 温 、 耐 介 质 腐 蚀 ， 以 及保 证 产 品 清 洁 等 。 由 于 材 料 的 不 同 ， 搅 拌 容 器 的 制 造 工 艺 、 结 构 也 有 所 不 同 ， 因此 可 分 为 钢 制 搅 拌 设 备 、 搪 玻 璃 搅 拌 设 备 和 带 衬 里 的 搅 拌 设 备 等 。 装 衬 里 的 目 的是 为 了 耐 蚀 或 保 护 产 品 的 清 洁 ， 衬 里 的 种 类 很 多 ， 主 要 有 不 锈 钢 、 铝 、 钛 、 铅 、镍 、 锆 、 耐 酸 瓷 砖 、 辉 绿 岩 板 、 橡 胶 等 。酯化釜在工业生产中应用范围很广，尤其是化学工业中，很
14、多的化工生产都或多或少的应用着搅拌操作。搅拌可使两种或多种的物质在彼此之中相互分散，从而达到均匀混合，也可以加速传热和传质过程。化学工艺过程的种种化学变化，是以参加反应物质的充分混合为前提的。对于加热，冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，也往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备在许多场合是作为反应器来应用的。搅拌设备的作用如下：1使物料混合均匀2使气体在液相中很好的分散3 使固体粒子在液相中均匀的悬浮使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化4强化相间的传质5强化传热酯化釜可以从各种不同的角度进行分类，如按照工艺用途分类，其中重要的结构搅拌器，我们可以按照搅拌器结构形式分类或按搅拌装置的
15、安装形式分类，南华大学机械工程学院毕业设计（论文)第 5 页 共 47 页以下仅就搅拌装置的各种安装形式进行分类和选取，主要种类和各种的功能如表 1.1。表 1.1各种搅拌装置及其特点种类 主要特点立式容器中心搅拌将搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动和齿轮传动，用普通电机直接连接或与减速器直接连接。偏心式搅拌搅拌装置在立式容器上偏心安装，能防止液体在搅拌器附近产生“圆柱状回转区” ，可以产生与加挡板时相近似的搅拌效果。但偏心搅拌容易产生震动，一般用于小型设备上比较合适。倾斜式搅拌为防止涡流产生，对简单的圆筒形或方形敞开的立式设备，可将搅拌器用于、夹板或卡盘直接安装在设
16、备筒体的上缘，搅拌轴斜插入筒体内。此种搅拌器小型，轻便，结构简单，操作容易，应用范围广。底搅拌搅拌装置在设备的底部，称为底搅拌设备。其搅拌轴短而细，无中间轴承；可用机械密封；易维护，检修；寿命长。卧式容器搅拌 搅拌器安装在卧式容器上面，可降低设备的安装高度，提高搅拌设备的抗震性，改进悬浮液的状态等。卧式双轴搅拌 搅拌器安装在两根平行的轴上，二根轴上的搅拌叶轮不同，轴速也不等，主要用于高黏度液体。旁入式搅拌 旁入式搅拌是将搅拌装置安装在设备筒体的侧壁上，分为角度固定式和角度可变式两种。组合式搅拌有时为了提高混合效率，需要将两种或两种以上形式不同，转速不同的搅拌器组合起来使用，称为组合式搅拌设备。
17、本设计中的酯化釜是在 230，常压的条件下将脂肪酸和醇进行反应生成酯，南华大学机械工程学院毕业设计（论文)第 6 页 共 47 页即作为反应器应用，综合考虑选用椭圆形底，可拆椭圆形盖，立式容器中心搅拌。1.2 酯化釜选型及主要参数1.2.1 酯化釜选型 常用的酯化釜是立式圆筒形容器，有顶盖，筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。罐体在规定的操作温度和操作压力下，为物料完成其搅拌过程提供了一定的空间。本设计即采用立式圆筒形反应釜。在知道了搅拌罐操作时盛装物料的容积后，首先要选择适宜的长径比和装料量，确定筒体的直径和高度。罐体的长径比应考虑的主要因素有三个方面：1.搅拌功率一定结构型式搅拌器的叶
18、轮直径和与其装配的搅拌罐体内径通常有一定的比例范围。随着罐体长径比的减小，搅拌器桨叶直径也相应放大，在固定的搅拌轴转速下，搅拌功率与搅拌器桨叶直径的 5次方成正比。所以随着罐体直径的放大，功率增加很多，这对于需要较大搅拌作业功率的搅拌过程是适宜的。2.传热罐体长径比对夹套传热有显著影响，容积一定时长径比越大罐体盛料部分表面积越大，夹套传热面积也就越大。同时长径比越大，传热表面积离罐体中心越近，物料的温度梯度就越小，有利于提高传热效果。3.物料特性某些物料的搅拌反应过程对罐体长径比有着特殊要求，例如发酵罐之类，为了使得通入罐内的空气与发酵液有充分的接触时间，需要有足够的液位高度，就希望长径比取得
19、大一些。综上，三个方面均要求长径比取得大一些。1.2.2酯化釜的主要参数已知容反应釜的容积为 6.00m3，长径比选取见表 1.2。表 1.2搅拌罐长径比种类 设备内物料类型 H/Di一般搅拌罐 液固相或液液相物料 11.3南华大学机械工程学院毕业设计（论文)第 7 页 共 47 页气液相物料 12发酵罐类 1.72.5装料系数选取：通常可取 0.600.80，如果物料在反应过程中要起泡末或呈沸腾状，应取低值，约为 0.600.70，如果物料在反应中比较平稳，可取 0.80.85。本酯化釜取0.85.本设计中搅拌罐内反应为酯化反应，且为液液相反应，取长径比 H/ Di =1.1, 取装料系数
20、=0.85=V=5.850.85=4.9725 m 3 取 5.00 m3VNVN筒体直径 D i= = =1.89m34Hi45.0.18式中 VN-公称容积,m 3-装料系数由 GB9845-1988钢制机械搅拌容器型式及主要参数的搅拌罐系列取 Di=1800mm查 JB/T4746-2002 取标准椭圆形封头 EHA180010=1800mm 高度 H=475mm 直边高度 h=25mm 封头容积 v=0.8260i罐体高度：H= = = =1.99m2D i4Vv2iN25.0.8614圆整后取 H=2.0m,实际长径比为 2.0/1.8=1.11，实际装料系数 = =0.85 基本符
21、合要求。25.01864通过以上的计算，可知，筒体内径为 DJ=1800mm，筒体高度 H=1650mm。2.酯化釜的设计压力。常压：101.3Kpa。南华大学机械工程学院毕业设计（论文)第 8 页 共 47 页1.3 搅拌器选型与计算1.3.1 搅拌器选型影响搅拌过程的因素及其复杂，有关搅拌器选型的资料很多，但是由于研究过程考虑的重点不同，结论也不同，至今，搅拌器选型带有很大的经验性。为了提供能量与造成液体的流动状态，搅拌器必须有合理的结构和足够的强度。合理的结构应符合以下几个原则：叶轮的制造工艺合理，叶轮与搅拌轴的连接方式稳妥可靠，叶轮安装维修方便等。除推进式等特殊形状的叶轮加工难度大外，
22、多数叶轮形状与加工都比较简单。采用整体式或可拆式的连接结构，可以从安装检修的方便来决定。1.搅拌条件设定该反应过程为液液两相互溶液体的搅拌，互溶液体的搅拌时两种或数种互溶液体在搅拌作用下达到浓度或密度或温度以及其他物性的均匀状态的过程，一般称为混合过程。混合过程都应规定搅拌液体达到均匀状态的标准，而以在搅拌作用下达到这个标准的混合时间 作为评价搅拌效果的指标。达到同样标m准作用的混合时间 越短，搅拌器的混合性能就越好。混合时间与搅拌器的几m何尺寸，叶轮的排出流量，叶轮转速以及搅拌器的滚率大小有关。2.搅拌叶轮形式和搅拌器附件的选定1）叶轮形式各种搅拌叶轮形状按搅拌器的运动方向与叶轮表面的角度可
23、分为三类，即平叶，折叶和螺旋面叶。桨式，涡轮式，锚式，框式的叶轮都是平叶或折叶，而推进式，螺杆式，螺带式的叶轮则为螺旋面叶。由于平叶的运动方向与桨面垂直，所以当叶轮低速运转时，液体的主要流动为水平环向的流动。当叶轮转速增大时，液体的径向流动就逐渐增大。叶轮转速越高，由平叶排出的径向流越强。折叶由于桨面与运动方向成一定倾斜角度，所以在叶轮转速增大时，还有逐渐增大的径向流。螺旋面可以看成是许多折叶的组合，这些折叶的角度逐渐变化，所以螺旋面的流向也有水平环向流，径向流和轴向流，其中以轴向流最大。为了区分叶轮排液的流向特点，根据主要排液方向将典型叶轮分成径流型南华大学机械工程学院毕业设计（论文)第 9
24、 页 共 47 页和轴流型两种，平叶的桨式，涡轮式是径流型，螺旋面叶的螺杆式，推进式是轴流型。表 1.3搅拌器型式使用条件表注：有者为适合，空白为不合用桨式叶轮主要用于排出流，是必要的场合，由于在同样的排量下，轴向流叶轮的功耗比径向流低，故轴向流叶轮使用较多。由于结构简单，即使叶径大造价也不高，故往往使用与大叶径低转速的场合。 ，综合考虑互溶液体混合搅拌设备, 由表 2.2选用桨式折页搅拌器，折页桨的倾斜角度 。451.3.2叶轮尺寸计算确定叶轮尺寸，由 HG/T2123-91搅拌器直径D=（0.250.75）DN=0.25 18000.75 1800=450 1350mm根据直径系列选用D=
25、800mm，桨叶数Z=2桨叶厚度b=（0.10.3）D=0.1 8000.3 800=80240mm 取b=120mm 示意图如图1.4。 流动状态 搅拌目的搅拌器型式 对流循环湍流循环剪切流低黏液混合高黏液混合分散 溶解 固体悬浮气体吸收传热液相反应涡轮式 桨式 推进式 开启涡轮式 南华大学机械工程学院毕业设计（论文)第 10 页 共 47 页图1.4搅拌器示意图搅拌器结构采用对开不可拆式平桨,用筋板焊接固定,如图1.5。图1.5对开不可拆式平桨示意图对于长径比大于1的搅拌罐式液液反应器，采用单层叶轮不能得到良好的混合效果，功耗效率低。因此工业生产中常采用多层搅拌器。多层搅拌器的互溶液体搅拌比单层叶轮要复杂得多，每层叶轮都产生各自不同的流型，总搅拌功率与单层叶轮的搅拌功率并没有简单的倍数关系，叶轮间距对多层叶轮的气液分散能力的影响很大，如果选择不当，功耗效率反而不如单层叶轮。本设计采用双层叶轮，叶轮形式同为桨式折页搅拌器。 。叶轮间距取 800mm，基本符合要求。1.3.3 搅拌器转速搅拌器转速直接影响釜内流体的流动状态，根据经验，根据桨型和桨径，考
