武漢工程大學(xué)-WDI隊 化學(xué)原料藥多功能車間設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】

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附錄四 目錄 氫化反應(yīng)釜設(shè)計說明書 2 1.1攪拌容器 2 1.1.1攪拌容器的選型 2 1.1.2筒體直徑和高度的確定 3 1.1.3換熱元件的選擇與計算 5 1.1.4傳熱面積計算 6 1.1.5內(nèi)筒及夾套的受力計算 6 1.2攪拌器 8 1.2.1攪拌槳的選型 8 1.2.2攪拌功率計算 9 1.2.3攪拌軸的計算 10 1.2.4擋板 11 1.2.5密封裝置 12 1.3傳動裝置 12 1.3.1電動機(jī)的選型 12 1.3.2減速機(jī)的選型 12 1.3.3機(jī)架 13 附表一 多功能反應(yīng)釜相關(guān)技術(shù)指標(biāo) 14 附表二 搪玻璃開式攪拌容器技能特性表 15 附圖一 搪玻璃開式攪拌容器主要尺寸 17 附圖二 開式攪拌容器管口尺寸及方位圖 18 第一章 氫化反應(yīng)釜設(shè)計說明書 氫化反應(yīng)釜設(shè)計條件：根據(jù)纈沙坦的工藝條件，氫化反應(yīng)釜中主要的介質(zhì)為N-正戊?；i氨酸甲酯、醋酸異丁酯、乙酸乙酯、蒸汽和冷凍鹽水。氫化反應(yīng)釜的操作溫度范圍：70~75℃，并在劇烈攪拌下進(jìn)行，故氫化反應(yīng)釜型式選擇帶夾套的機(jī)械攪拌搪瓷反應(yīng)器。其具體設(shè)計條件見表1-1： 表1-1 氫化反應(yīng)釜設(shè)計條件 設(shè)計條件 操作壓力 0.1~0.2MPa 操作溫度 70~75 ℃ 介質(zhì) 筒體內(nèi) 物料 夾套內(nèi) 蒸餾水 腐蝕情況 微弱 操作容積 1.28m3 建議采用材料 Q235-A/搪瓷 氫化反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)條件：攪拌反應(yīng)器由攪拌容器和攪拌機(jī)兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、上封頭、下封頭、換熱元件及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。攪拌器、攪拌軸及密封、減速機(jī)、電機(jī)等構(gòu)成為攪拌機(jī)。 1.1攪拌容器 1.1.1攪拌容器的選型 攪拌容器的作用是為物料反應(yīng)提供合適的空間。攪拌容器是由筒體與上下封頭構(gòu)成，筒體基本型式是圓筒體，封頭常采用橢圓形封頭、錐形封頭和平蓋封頭等型式，以橢圓形封頭應(yīng)用最廣。根據(jù)工藝需要，容器上裝有各種接管，以滿足進(jìn)料、出料、排氣等要求。為對物料供熱或移走反應(yīng)熱，常設(shè)置夾套式或內(nèi)盤管式換熱器。為了測量反應(yīng)物的溫度、壓力、成分及其他參數(shù)，以便對操作過程進(jìn)行控制，容器上還設(shè)置有溫度器，壓力表等監(jiān)測與控制儀表。支座選用時應(yīng)考慮容器的大小和安裝位置，小型反應(yīng)器一般選用懸掛式支座，大型反應(yīng)器則選用裙式支座或支撐式支座。通過對纈沙坦工藝進(jìn)行物料衡算，氫化反應(yīng)釜單釜加料總體積為1217.07L，屬于較大型反應(yīng)器，因此，選擇支撐式支座。 綜合分析工藝條件、腐蝕因素等特殊要求，釜體材料決定選用Q235-A鋼板，設(shè)計溫度為-20~200℃，其在此溫度下的許用應(yīng)力為： 鋼板厚度在 4.5~16 mm之間時，[]t=105 MPa 鋼板厚度在 16~40 mm之間時，[]t =99 MPa 在確定攪拌容器容積時，應(yīng)考慮物料在容器內(nèi)充裝的裝料系數(shù)，其值通常可取0.6~0.85。如果物料在反應(yīng)過程中產(chǎn)生泡沫或呈沸騰狀態(tài)，取0.6~0.7；如果物料在反應(yīng)中比較平穩(wěn)，可取0.8~0.85。由于本反應(yīng)攪拌劇烈，因此選用裝料系數(shù)為0.75。 工藝設(shè)計給定的容積，對立式攪拌容器通常是筒體和下封頭兩部分容積之和；對臥式攪拌容器則指筒體和左右封頭容積之和。攪拌容器中筒體的高徑比可按表1-2選取。設(shè)計時，根據(jù)攪拌容器的容積，所選用的筒體高徑比，就可以確定筒體的直徑和高度。 1.1.2筒體直徑和高度的確定 表1-2 幾種攪拌設(shè)備筒體的高徑比 種類 罐內(nèi)物料類型 高徑比 種類 罐內(nèi)物料類型 高徑比 一般攪拌罐 液-固相，液-液相 1~1.3 聚合釜 懸浮液，乳化液 2.08~3.85 氣-液相 1~2 發(fā)酵罐類 發(fā)酵液 1.7~2.5 由以上信息，結(jié)合本設(shè)計工藝相關(guān)數(shù)據(jù)，氫化反應(yīng)釜加料總體積為1217.07L，由于本反應(yīng)屬于氣-固相反應(yīng)且進(jìn)行相對平穩(wěn)，但攪拌劇烈，因此選擇高徑比=1.3（為高徑比），填料系數(shù)0.75，則： 攪拌容器容積為：V=1217.07÷0.75=1622.76L≈2000L 工藝條件所提出的設(shè)備容積，對立式反應(yīng)釜來說，通常是指圓柱形筒體及下封頭所包含的容積，即： V=Vb+Vh 式中 Vb——設(shè)備筒體部分容積，m3 Vh——下封頭容積，m3 根據(jù)V及選定的高徑比，可以初步估算筒體內(nèi)徑，取 V≈ 則 D≈==1.25 由于選用標(biāo)準(zhǔn)封頭，為了與標(biāo)準(zhǔn)封頭尺寸相對應(yīng)，筒體直徑取1300 mm，所以標(biāo)準(zhǔn)封頭直徑為1300mm，查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》（科學(xué)出版社，劉玉良、潘永亮編著）P318表16-5得表1-3： 表 1-3封頭尺寸表 公稱直徑 曲面高度 直邊高度 內(nèi)表面積 容積 DN（mm） h1 h 2（mm） A（m2） V（m3） 1300 275 20 2 0.357 其圓柱形部分筒體的高度為： 式中 V1——筒體每1m高的容積，由《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》（科學(xué)出版社，劉玉良、潘永亮編著）P316表16-3查得：公稱直徑1300mm對應(yīng)V1=1.264m3 圓整取筒體高度H=1500mm. 于是 ， = 1.1.3換熱元件的選擇與計算 有傳熱要求的攪拌反應(yīng)器，為維持反應(yīng)的最佳溫度，需要設(shè)置換熱元件。常用的換熱元件有夾套和內(nèi)盤管。當(dāng)夾套的換熱面積能夠滿足傳熱要求時，應(yīng)優(yōu)先采用夾套，這樣可以減少容器內(nèi)構(gòu)件，便于清洗，減少有效容積占用率。本設(shè)計中，由于氫化反應(yīng)溫度為70-75℃，夾套式換熱足以滿足要求，因此選擇夾套換熱方式足以滿足換熱需求。 夾套的主要結(jié)構(gòu)形式有：整體夾套，型鋼夾套，半月管夾套和蜂窩夾套等，其使用的溫度和壓力范圍見表1-4 表1-4 各種碳素鋼夾套的使用溫度和壓力范圍 夾套形式 最高溫度/℃ 最高壓力/MPa 整體夾套 U型 350 0.6 圓筒型 300 1.6 型鋼夾套 200 2.5 蜂窩夾套 短管支撐式 200 2.5 折邊椎體式 250 4 半圓管夾套 350 6.4 本設(shè)計中，根據(jù)纈沙坦的工藝條件，氫化反應(yīng)在0.1MPa~0.2MPa，-10~50℃條件下進(jìn)行，因此反應(yīng)釜選擇整體夾套作為換熱元件，又由于U型夾套傳熱面積大，所以選擇U型整體夾套，夾套肩與筒體的連接方式為封口錐。 載熱介質(zhì)流過夾套時，其流動橫截面積為夾套與筒體間的環(huán)形面積，流道面積大，流速低，傳熱性能差。為提高傳熱效率，常采用以下措施：①在筒體上焊接螺旋導(dǎo)流板，以減小流道截面積，增加冷卻水流速；②進(jìn)口處安排擾流噴嘴，使冷卻水流呈湍流狀態(tài)，提高傳熱系數(shù)；③夾套的不同高度處安裝切向進(jìn)口，提高冷卻水的流速，增加傳熱系數(shù)。 夾套內(nèi)徑D根據(jù)釜體直徑經(jīng)驗公式得： D=Di+100=1400mm 則夾套下封頭直徑與夾套直徑相對應(yīng)為1400 mm。夾套封頭也采用橢圓形，并與夾套筒體取相同直徑。 夾套筒體的高度Hj可由下式估算： Hj≈ 圓整取Hj為700mm。 1.1.4傳熱面積計算 當(dāng)DN為1400mm時，由《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》（科學(xué)出版社，劉玉良、潘永亮編著）P316表16-3，P318表16-5查得筒體0.7m高內(nèi)表面積F1=3.7m2；封頭內(nèi)表面積Fh=1.6m2 則傳熱面積： F=Fh+Hj×F1=3.71+0.7×1.85=5.005m2。 1.1.5內(nèi)筒及夾套的受力計算 本設(shè)計工藝條件為常壓操作，一般反應(yīng)釜設(shè)計壓力約為0.3~0.5MPa，本設(shè)計中以夾套受0.6MPa，筒體受0.25MPa為設(shè)計條件計算。則夾套筒體和夾套封頭承受0.6MPa內(nèi)壓；而內(nèi)筒的筒體既承受0.25MP內(nèi)壓，同時又承受0.6MP外壓，最惡劣的工作條件為：停止操作時，內(nèi)筒無壓而夾套內(nèi)仍有蒸汽壓力，此時內(nèi)筒承受0.6MP外壓。 由于DN≤600 mm，全部筒體按外壓（即夾套壓力）計算。 由于P≤1.0 MPa，操作溫度為-10~50℃，因此選用Q235-A鋼材。 初試估計壁厚在4.5~16mm之間，故[]t =105 MPa，夾套與上接環(huán)雙面對接焊，局部無損探傷，查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》（科學(xué)出版社，劉玉良、潘永亮編著）P290表14-4得，=0.85。 壁厚附加量為：C=C1+C2 ，鋼板厚度8~25mm范圍內(nèi)時，查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》（科學(xué)出版社，劉玉良、潘永亮編著）表14-4得C1=0.8，C2=1。 C1為鋼材厚度負(fù)偏差，C2鋼材腐蝕裕度） C=C封=0.8+1=1.8 由壁厚公式： =，P=0. 6Mpa，D夾=1500mm 因此，夾套筒體厚度： 夾= = 夾套封頭厚度： 夾封= = 圓整至標(biāo)準(zhǔn)封頭，考慮筒體與封頭的焊接方便以及腐蝕量， 取夾=夾封=8mm。 同理，罐體筒體厚度為： 罐= = 罐體封頭厚度為： 罐封= = 圓整至標(biāo)準(zhǔn)封頭，考慮筒體與封頭的焊接方便以及腐蝕量， 取罐=罐封=10mm。 ∴罐=罐封=8mm 夾=夾封=8mm 綜上所述，整個釜體結(jié)構(gòu)尺寸如表1-6： 表1-6 釜體結(jié)構(gòu)尺寸 尺寸 元件 內(nèi)直徑mm 壁厚mm 高度mm 罐體 1300 10 1500 夾套 1400 10 700 1.2攪拌器 1.2.1攪拌槳的選型 對于搪瓷反應(yīng)釜，一般選用葉輪式或漿式攪拌器，由于本設(shè)計中反應(yīng)在劇烈攪拌下進(jìn)行，而漿式攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)速度較慢，一般為20-80r/min，葉輪式攪拌器公稱轉(zhuǎn)速為70-125r/min，本設(shè)計中反應(yīng)溫度不高且氫化反應(yīng)攪拌轉(zhuǎn)n=80r/min,因此在本設(shè)計中選擇框式攪拌器，其型式見圖1-1；部分規(guī)格的基本參數(shù)及主要尺寸見表1-7： 圖1-1 框式攪拌器 表1-7 框式攪拌器的基本參數(shù)及主要尺寸 公稱容積VN/L 容器公稱直徑DN B H L系列 S系列 開式攪拌器 2000 1300 - 1180 1750 - 1450 1320 1450 當(dāng)D≤1100mm時，由于使用這些攪拌器的反應(yīng)釜較小，可起吊帶法蘭上封頭進(jìn)行安裝和檢修，因此通常做成不可拆卸式。當(dāng)D≥1200mm時，這些攪拌常做成可拆式，用螺栓來連接各攪拌葉。本設(shè)計D=1200，故做成可拆卸的。檢修時可從人孔中分別取出。 框式直徑較大，常為筒體直徑Di 的2/3~9/10，取d=5/6Di 則 d=1200×5/6=1000mm 由于本設(shè)計中反應(yīng)釜筒體容積為2000L，直徑為1300mm，結(jié)合表1-7做近似處理得： 所選框式攪拌器公稱直徑B=1180mm，攪拌軸總長H=1750mm。 1.2.2攪拌功率計算 影響攪拌功率的因素很多，主要有以下四個方面： ① 攪拌器的幾何尺寸與轉(zhuǎn)速：攪拌器直徑、槳葉寬度、槳葉傾斜度、轉(zhuǎn)速，單個攪拌器葉片數(shù)，攪拌器距離容器底部的距離等。 ② 攪拌容器的結(jié)構(gòu)：容器內(nèi)徑、液面高度、擋板數(shù)、擋板高度、擋板寬度，導(dǎo)流筒的尺寸等。 ③ 攪拌介質(zhì)的特性：液體的密度、粘度。 ④ 重力加速度 上述影響因素可用下式關(guān)聯(lián) 式中 B——漿葉寬度，m； d——攪拌器直徑，m； D——攪拌容器內(nèi)直徑，m； Fr——弗勞德數(shù)，F(xiàn)r=n2d/g h——液面高度，m； K——系數(shù)； n ——轉(zhuǎn)速，s-1 Np——功率準(zhǔn)數(shù)； P——攪拌功率，W； r,q——指數(shù)； Re——雷諾數(shù)，； ——密度，kg/m3 ——粘度，Pa·s。 一般情況下弗勞德數(shù)的影響較小。容器內(nèi)直徑D，擋板寬度b等幾何參數(shù)可歸結(jié)到系數(shù)K。由上式得攪拌功率P為： P=Npn3 d5 上式中，n，d為已知數(shù)，，n=80r/min，d=1180mm。故計算攪拌功率的關(guān)鍵就是求功率準(zhǔn)數(shù)Np。在特定的攪拌裝置上，可測得功率準(zhǔn)數(shù)Np與雷諾數(shù)Re的關(guān)系。此關(guān)系繪于雙對數(shù)坐標(biāo)圖上即得功率曲線。 則本設(shè)計的攪拌功率計算如下： 查《過程設(shè)備設(shè)計》（化學(xué)工業(yè)出版社，鄭津洋主編）P384 圖8-27功率曲線得：Np=0.4 按式P=Npn3 d5計算攪拌功率 P=Npn3 d5=0.6×1088×（80/60）3 ×1.185=3.54kw。 1.2.3攪拌軸的計算 軸的常用材料是優(yōu)質(zhì)中碳鋼，如具有較高綜合機(jī)械性能的35，45，50號鋼，其中以45號鋼最為常用，本設(shè)計中選擇45號鋼。 軸的直徑計算常用如下公式： 式中，A是由軸的材料和承載情況確定的系數(shù)，見表1-8： 表 1-8 幾種常見軸材料的及A值 軸的材料 Q235-A、20 Q255-A、35 1Cr18Ni9Ti 45 40Cr、35SiMn、42SiMn、20CrMnTi、38SiMnMo、2Cr13 /Mpa 12~20 20~30 15~25 30~40 40~52 A 160~135 135~118 148~125 118~107 100.7~98 取45號鋼的A=110，則： 因考慮到攪拌時介質(zhì)腐蝕等的影響，故按《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》（科學(xué)出版社，劉玉良、潘永亮編著）P239表11-2取攪拌軸的最小直徑為40mm。 1.2.4擋板 攪拌器沿容器中心線安裝，攪拌物料的粘度不大，攪拌轉(zhuǎn)速較高時，液體將隨著槳葉旋轉(zhuǎn)方向一起運(yùn)動，容器中間部分的液體在離心力作用下涌向內(nèi)壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩渦。隨著轉(zhuǎn)速的增加，漩渦中心下凹到與槳葉接觸，此時外面的空氣進(jìn)入槳葉被吸到液體中，液體混入氣體后密度減小，從而降低混合效果，為了消除這種現(xiàn)象，通常在容器中加入擋板。一般在容器內(nèi)壁面均勻安裝4塊擋板，其寬度為容器直徑的1/12~1/10.。本設(shè)計中，由于反應(yīng)罐較大，安裝4塊擋板，寬度為：，取108mm。 1.2.5密封裝置 軸封目的是避免介質(zhì)通過轉(zhuǎn)軸從攪拌容器內(nèi)泄漏或外部雜質(zhì)滲入攪拌容器內(nèi)，一般用于機(jī)械攪拌反應(yīng)器的軸封主要有兩種：填料密封和機(jī)械密封。由于機(jī)械密封的泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用壽命長，在攪拌反應(yīng)器中得到廣泛的應(yīng)用，此因在本設(shè)計中選擇機(jī)械密封，軸封消耗功率為總功率的10%。 1.3傳動裝置 傳動裝置包括電動機(jī)，減速機(jī)，聯(lián)軸器及機(jī)架。 1.3.1電動機(jī)的選型 由攪拌功率計算電動機(jī)的功率Pe： 式中 P—攪拌功率 Ps—軸封功率 解得Pe= 4.32kW 1.3.2減速機(jī)的選型 攪拌反應(yīng)器往往在載荷變化，有振動的環(huán)境下連續(xù)工作，選擇減速機(jī)的型式時應(yīng)考慮到這些特點。常用的減速機(jī)有擺線針輪行星減速機(jī)，齒輪減速機(jī)，三角皮帶減速機(jī)以及圓柱蝸桿減速機(jī)，其傳動特點見表1-9： 表1-9 四種常用減速機(jī)的基本特征 特征參數(shù) 減速機(jī)類型 擺線針輪行星型 齒輪型 三角皮帶型 圓柱蝸桿型 傳動比i 87~9 12~6 4.53~2.96 80~15 輸出軸轉(zhuǎn)速（r/min） 17~160 65~250 200~500 12~100 輸入功率/KW 0.04~55 0.55~315 .055~200 0.55~55 傳動效率 0.9~0.95 0.95~0.96 0.95~0.96 0.80~0.93 一般根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速來選擇減速機(jī)，且優(yōu)先選用傳動效率高的齒輪減速機(jī)和擺線針輪行星減速機(jī)。本設(shè)計中由于攪拌槳轉(zhuǎn)速為80r/min，攪拌功率為3.54KW，所以選擇擺線針輪行星減速機(jī)。 1.3.3機(jī)架 機(jī)架一般有無支點機(jī)架、單支點機(jī)架和雙支點機(jī)架，由于無支點機(jī)架一般使用于傳遞小功率和小的軸向載荷，而在本設(shè)計中功率較小，因此選用無支點機(jī)架。 附表一 多功能反應(yīng)釜相關(guān)技術(shù)指標(biāo) 技術(shù)特征指標(biāo) 管口表 操作壓力 0.1-0.2MPa 編號 用途 管徑 操作溫度 70-75℃ a 攪拌口 DN125 介質(zhì) 筒體內(nèi) 物料 b 醋酸異丁酯進(jìn)口 DN25 夾套內(nèi) 蒸汽 c 帶視鏡人孔 橢圓400×300 腐蝕情況 微弱 d 溫度計套管口 DN150 冷卻面積 5.005 m2 e 放氣孔 G1/2 操作容積 m3 f 排空口 DN25 計算容積 2m3 g 放料孔 DN40 材料 Q235-A/搪瓷 h 換熱方式 夾套換熱 i 攪拌型式 框式攪拌 j 固定方式 支撐式支座或罐耳 k 附表二 搪玻璃開式攪拌容器技能特性表 附圖一 搪玻璃開式攪拌容器主要尺寸 附圖二 開式攪拌容器管口尺寸及方位圖 18