1、南华大学机械工程学院毕业设计 I 4m3 酯化釜及储罐设计 摘要 : 本设备是酯化反应生产系统，由搅拌反应器和储罐组成。该设备具备安全可靠、结构简单、效率高、耗能低等优点。本次设计首先进行了总体方案设计，主要是依据反应物的性质确定。搅拌反应器设计是本设计的一个重点，包括搅拌罐设计、搅拌轴设计、搅拌装置设计选型、轴封设计等。储罐也是本次设计的主要内容之一，用来存储产品。由于酯是有毒物质，而且易燃，因此对反应设备及储存设备的密封要求相当高，需要对各部件进行选型、校核。本次设计采用计算机辅助设计，使绘图效率与质量大大提高，节省大量时间。 关键词 ： 酯化；搅拌反应器；储罐 南华大学 机械工程 学院毕
2、业设计 第 2 页，共 49 页 Abstract: This device is a producing system of esterification， which is composed of the stirring reactor and the storage tank.The device with simple structure and low consumption of energy is very safe,reliable and efficient.For the first,according to the nature of the reacting subs
3、tance,I made an overall concept design.The design of the stirring reactor plays an import role, including the stirring tank design, the stirring axis design, the stirring device design and shaping, the axis seals design and so on.The storage tank for keeping the product is another main element. Beca
4、use the materials are poisonous and flammable. It is highly important to use the best seals for the devices.All the parts must be examined and collated.The computer-aided design used in this design greatly enhanced the efficiency and quality of the drawings and saved me lots of time. Key words: este
5、rification； stirring tank； storage tank 引 言 经过实验研究和理论探索， 如 今的流体混合技术已进人快速发展 的新 时期，并 且 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 是因为 流体混合体系的多样 性和物料流变特性的复杂性， 现在 对于搅拌设备的选型和设计还主要依赖 于 经验和实验，对其 好坏 很难用理论 来 预测，对于能 量损 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。 此次设计的 搅拌 反应 设备 是酯化釜， 酯是一 种 重要的有机化工产品，除本身是溶剂
6、、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 长远 ， 针对 其基础理论的研究也早已 经 开始，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。间歇式反南华大学 机械工程 学院毕业设计 第 3 页，共 49 页 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。 酯化釜的目的
7、是借助搅拌器的作用是使酸跟醇在高温的条件下发生化学反应生成酯。该题目主要解决的问题为此设备的设计，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。 南华大学 机械工程 学院毕业设计 第 4 页，共 49 页 第一章 搅拌反应器设 计 1.1 概论 搅拌反应设备在工业生产领域中应用的范围十分广泛，特别是在化学工业生产中，十分多的化学工业生产都多多少少的应用着搅拌操作。搅拌能够使得两种或多种的物质在彼此之间相互分散，从而能够达到均匀混合，也可以加速传热和传质的过程。化学工艺流程的种种化学变化，都是以参加化学反应物质的充分混合为基础的。针对加热，冷却及液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，
8、也常常须要采用搅拌操作才能得到比较完善的效果。搅拌设备在许多场合是作为反应器来使用的。 搅拌反应设备的作用如下： 1 使物料混合均匀 2 使气体在液相中分散顺利 3 使 固体颗粒在液相中悬浮均匀使不相溶的另一液相悬浮均匀或乳化充分 4 强化相间的传质 5 强化传热 搅拌设备能从各种不同的角度进行分类，例如按照工艺用途分类，按搅拌器 结构形式分类或按搅拌装置的安装形式分类，以下仅按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 各种搅拌器及其功能 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
9、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备筒体南华大学 机械工程 学院毕业设计 第 5 页，共 49 页 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
10、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。 在此次设计中搅拌反应器是在操作温度： 230，夹套： 150，盘管： 250，介质：容器内脂肪酸，夹套：水蒸汽，盘管：导热 油，全容积： 4 立方米，储罐：常温常压，全容积： 22.9 立方米。即在这样的
11、条件下将脂肪酸与醇进行反应生成酯，即作为反应器来使用， 综合考虑选用立式容器中心搅拌。 1.2 搅拌罐尺寸确定及结构选型 搅拌罐包括罐体和装焊在其上的各种附件。 通常使用的罐体为立式圆筒形容器，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。此设计即采用立式圆筒形容器。 在知晓搅拌罐操作时盛装物料的容积后，首先要选择适当的装料量和长径比，从而确定筒体的高度和直 径。 罐体的长径比应考虑的主要因素有三个方面： 1.搅拌功率 南华大学 机械工程 学院毕业设计 第 6 页，共 49 页 一定结构型式搅拌器的叶轮直径和与其装配的搅
12、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，就希望长径比取得大一些。
13、 综上，三个方面均要求长径比取得大一些。 下面根据物料量初步选定罐体的长径比和装料量： 已知容反应釜的容积为 4m3，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 1 1.3 气液相物料 1 2 发酵罐类 1.7 2.5 装料系数选取： 通常可取 0.6 0.85，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 0.6 0.7，如果物料反应平稳，可取 0.8 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 =0.85 VN=V =4 0.85= 3.4m3
14、VN 取 3.4m3 筒体直径 D i=34 VNHDi=4.62m 南华大学 机械工程 学院毕业设计 第 7 页，共 49 页 式中 VN-公称容积 ,m3 -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=1600mm 查 JB/T4746-2002 取标准椭圆形封头 EHA1600 10 iD =1600mm 高度 H=415mm 直边高度 h=22mm 封头容积 v=0.55133 罐 体高度： H=2D i4Vv =2D i4VN v=（ 3.4 0.85-0.55133）（ 3.14 4 1.6 1.6） =1.72m 圆整后取 H=1.
15、8m, 实际长径比为 1.8/1.6=1.125， 实际装料系数 =3.4（ 4 1.6 1.6 1.8 0.55133） = 0.8156 基本符合要求。 1.3 搅拌器选型与计算及附件 1.3.1 搅拌器选型 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，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
16、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 m 作为评价搅拌效果的指南华大学 机械工程 学院毕业设计 第 8 页，共 49 页 标。达到同样标准作用的混合时间 m 越短，搅拌器的混合性能就越好。混合时间与搅拌器的几何尺寸，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，
17、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。 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 搅拌器型式 流动状态 搅拌目的 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
18、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 第 9 页，共 49 页 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。 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 45。 1.3.2 搅拌器选型与计算 确定叶轮尺寸及转速 搅拌器直径 DJ=（ 0.38 0.80）
19、 DN=0.381600 0.801600 =608 1280mm 根据直径系列选用 DJ=743mm，桨叶数 Z=2 桨叶厚度 b=（ 0.1 0.25） DJ=74.3 185.75mm 取 b=105mm 示意图如图 1.1。 图 1.1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 1.2。 南华大学 机械工程 学院毕业设计 第 10 页，共 49 页 图 1.2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
20、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 搅拌器附件 搅拌器附件通常指在搅拌罐内为了改善流动状态而增设的零件，如挡板，导流筒等，在某些场合，这些附件是不可缺少的。采用哪些附件要结合搅拌器的选型综合考虑，以达到预期的搅拌流动状态。增设附件会使液体的流动阻力增大，并影响到搅拌器的功率。本次设计中反应器内物料反应物含腐蚀性液体，反应过程较为剧烈，因此不设置挡板或其他附件，以避免不必要的功率损耗。 1.4 搅拌功率及电动机选型 1.4.1 搅拌功率计算 搅拌功率包含了搅拌器功率和搅拌作业功率。 具有一定结构形状的设备中装有一定物性的液体， 其中用一定形式的搅拌器以一定转速进行搅拌时，将对液体做功并使之发生流动，此时为搅拌器连续运转所需要的功率就是搅拌器功率。 搅拌作业功率是把搅拌器使搅拌罐中的液体以最佳方式完成搅拌过程所需要的功率。若叶轮转速很低，在 Re 10 的区域，仅叶轮周围的液体随叶轮旋转，
