化工課程夾套反應(yīng)釜設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)報(bào)告一、實(shí)訓(xùn)目的本實(shí)訓(xùn)以?shī)A套式攪拌反應(yīng)釜為設(shè)計(jì)對(duì)象，旨在鞏固《化工設(shè)備設(shè)計(jì)》《化工原理》等課程的理論知識(shí)，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)思維與實(shí)踐能力。通過完成從任務(wù)分析→基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→傳熱/強(qiáng)度計(jì)算→附件選型的全流程設(shè)計(jì)，掌握反應(yīng)釜設(shè)計(jì)的核心邏輯與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（如GB150《壓力容器》、HG/T____《機(jī)械攪拌設(shè)備》），理解“工藝需求→設(shè)備設(shè)計(jì)→經(jīng)濟(jì)安全”的平衡關(guān)系，為后續(xù)化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。二、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（一）設(shè)計(jì)任務(wù)書本次設(shè)計(jì)針對(duì)某間歇式液相吸熱反應(yīng)，需設(shè)計(jì)一臺(tái)夾套式反應(yīng)釜，具體要求如下：工藝用途：用于乙酸乙酯水解反應(yīng)（物料為乙酸乙酯、水、硫酸催化劑的混合體系）；有效容積：8m3（考慮裝料系數(shù)0.75，公稱容積約10.7m3）；操作壓力：釜內(nèi)1.2MPa（表壓），夾套0.8MPa（表壓）；操作溫度：釜內(nèi)130℃（反應(yīng)溫度），夾套150℃（通入飽和蒸汽加熱）；反應(yīng)特性：吸熱反應(yīng)，單位物料需熱量300kJ/kg，物料平均密度950kg/m3，粘度0.002Pa·s（130℃時(shí)）；材質(zhì)要求：釜體與夾套均采用304不銹鋼（耐腐蝕、滿足溫度要求）；其他：攪拌器需保證物料混合均勻，密封裝置需滿足泄漏量≤0.1kg/h（工藝對(duì)揮發(fā)性物料的要求）。（二）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集1.物料物理化學(xué)性質(zhì)（來自工藝手冊(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）：物料平均比熱容：2.1kJ/(kg·℃)；導(dǎo)熱系數(shù)：0.5W/(m·℃)；反應(yīng)時(shí)間：6h/批；裝料系數(shù)：0.75（間歇反應(yīng)釜常用值）。2.夾套介質(zhì)參數(shù)（飽和蒸汽）：150℃飽和蒸汽壓力：0.47MPa（表壓）（低于夾套設(shè)計(jì)壓力0.8MPa，滿足安全要求）；蒸汽冷凝潛熱：2118kJ/kg；蒸汽流速：≤20m/s（避免夾套管道磨損）。3.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：GB____《壓力容器》（強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)）；HG/T____《機(jī)械攪拌設(shè)備》（攪拌裝置設(shè)計(jì)依據(jù)）；GB/T____《鋼制對(duì)焊無縫管件》（接管選型依據(jù)）。三、設(shè)計(jì)過程（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)夾套反應(yīng)釜的核心結(jié)構(gòu)包括釜體（圓柱形筒體+標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭）、夾套（整體式夾套）、攪拌裝置、密封裝置及支座等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需優(yōu)先滿足容積要求與傳熱效率，同時(shí)兼顧制造便利性。1.容積計(jì)算與尺寸確定公稱容積：\(V_N=\frac{V_e}{\eta}=\frac{8}{0.75}\approx10.7\,\text{m}^3\)（\(V_e\)為有效容積，\(\eta\)為裝料系數(shù)）；釜體尺寸：根據(jù)HG/T____，間歇反應(yīng)釜的高徑比（\(H/D\)）通常取1.0~1.5（兼顧混合與傳熱）。本次取\(H/D=1.2\)，則：\[V_N=\frac{\piD^2}{4}H+V_h=\frac{\piD^2}{4}\times1.2D+0.134D^3=1.083D^3\quad(\text{橢圓封頭容積}V_h=0.134D^3)\]代入\(V_N=10.7\,\text{m}^3\)，解得\(D\approx2.1\,\text{m}\)（圓整至標(biāo)準(zhǔn)直徑，符合GB/T____《壓力容器公稱直徑》）。因此，釜體內(nèi)徑\(D_i=2100\,\text{mm}\)，釜體直邊高度\(H=1.2\times2100=2520\,\text{mm}\)；有效容積校核：\[V_e=\eta\times(V_{\text{筒體}}+V_h)=0.75\times\left(\frac{\pi\times2.1^2}{4}\times2.52+0.134\times2.1^3\right)\approx8.1\,\text{m}^3\]滿足\(8\,\text{m}^3\)的要求。2.夾套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)夾套類型：選擇整體式夾套（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，適用于中低壓場(chǎng)合）；夾套尺寸：夾套內(nèi)徑：\(D_j=D_i+2\delta+2\delta_j+2c\)（\(\delta\)為釜體壁厚，\(\delta_j\)為夾套壁厚，\(c\)為夾套間隙）；夾套間隙：根據(jù)HG/T____，夾套與釜體的間隙\(c\)取25~50mm（本次取30mm，保證蒸汽流動(dòng)順暢）；夾套高度：\(H_j=H+100\,\text{mm}\)（覆蓋釜體直邊部分，避免傳熱死區(qū)）；夾套進(jìn)出口：蒸汽進(jìn)口設(shè)在夾套底部（便于蒸汽均勻分布），冷凝水出口設(shè)在夾套頂部（避免積水影響傳熱），接管直徑根據(jù)蒸汽流量計(jì)算（后續(xù)傳熱計(jì)算中確定）。（二）傳熱計(jì)算夾套反應(yīng)釜的傳熱過程為蒸汽冷凝放熱→夾套壁導(dǎo)熱→釜體壁導(dǎo)熱→釜內(nèi)物料對(duì)流吸熱，需計(jì)算總傳熱系數(shù)與傳熱面積，確保滿足反應(yīng)的熱量需求。1.熱量計(jì)算每批物料需吸收的熱量：\[Q=m\timesq=\rho\timesV_e\timesq=950\times8\times300=1.728\times10^6\,\text{kJ/批}\]反應(yīng)時(shí)間\(t=6\,\text{h}=____\,\text{s}\)，則熱負(fù)荷：\[Q_{\text{熱負(fù)荷}}=\frac{Q}{t}=\frac{1.728\times10^9}{____}=8\times10^4\,\text{W}=80\,\text{kW}\]2.總傳熱系數(shù)計(jì)算總傳熱系數(shù)\(K\)的計(jì)算公式為：\[K=\frac{1}{\frac{1}{\alpha_1}+\frac{\delta_1}{\lambda_1}+\frac{\delta_j}{\lambda_j}+\frac{1}{\alpha_2}+R_{f1}+R_{f2}}\]其中：\(\alpha_1\)：釜內(nèi)物料對(duì)流給熱系數(shù)（\(\text{W/(m}^2\cdot\text{℃)}\)）；\(\alpha_2\)：夾套蒸汽冷凝給熱系數(shù)（\(\text{W/(m}^2\cdot\text{℃)}\)）；\(\delta_1\)、\(\lambda_1\)：釜體壁厚（\(\text{m}\)）、導(dǎo)熱系數(shù)（\(\text{W/(m·℃)}\)）；\(\delta_j\)、\(\lambda_j\)：夾套壁厚（\(\text{m}\)）、導(dǎo)熱系數(shù)（\(\text{W/(m·℃)}\)）；\(R_{f1}\)、\(R_{f2}\)：釜內(nèi)、夾套污垢熱阻（\(\text{m}^2\cdot\text{℃/W}\)）。參數(shù)取值：\(\alpha_1\)：釜內(nèi)物料為低粘度液體（\(\mu=0.002\,\text{Pa·s}\)），采用推進(jìn)式攪拌器（后續(xù)攪拌設(shè)計(jì)中確定），攪拌雷諾數(shù)\(Re>10^4\)（湍流），對(duì)流給熱系數(shù)可按公式計(jì)算：\[\alpha_1=0.76\times\frac{\lambda}{D_i}\times(Re)^{0.67}\times(Pr)^{0.33}\times\left(\frac{\mu}{\mu_w}\right)^{0.14}\]其中，\(Re=\frac{\rhonD_a^2}{\mu}\)（\(n\)為攪拌轉(zhuǎn)速，\(D_a\)為攪拌器直徑），假設(shè)\(n=200\,\text{r/min}=3.33\,\text{r/s}\)，\(D_a=0.7D_i=1470\,\text{mm}=1.47\,\text{m}\)，則\(Re\approx1.5\times10^6\)（湍流）；\(Pr=\frac{c_p\mu}{\lambda}=\frac{2100\times0.002}{0.5}=8.4\)；\(\mu/\mu_w\approx1\)（忽略溫度對(duì)粘度的影響）。代入得：\[\alpha_1=0.76\times\frac{0.5}{2.1}\times(1.5\times10^6)^{0.67}\times8.4^{0.33}\approx1200\,\text{W/(m}^2\cdot\text{℃)}\]\(\alpha_2\)：飽和蒸汽冷凝（膜狀冷凝），給熱系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值**____~____W/(m}^2\cdot\text{℃)}\)（本次取____）；\(\delta_1\)、\(\lambda_1\)：釜體壁厚暫按8mm（后續(xù)強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)證），304不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)\(\lambda_1=16\,\text{W/(m·℃)}\)；\(\delta_j\)、\(\lambda_j\)：夾套壁厚暫按6mm，\(\lambda_j=16\,\text{W/(m·℃)}\)；\(R_{f1}\)、\(R_{f2}\)：釜內(nèi)物料為清潔液體（無明顯污垢），取\(R_{f1}=0.0001\,\text{m}^2\cdot\text{℃/W}\)；夾套蒸汽冷凝水較清潔，取\(R_{f2}=0.0001\,\text{m}^2\cdot\text{℃/W}\)。代入計(jì)算：\[K=\frac{1}{\frac{1}{1200}+\frac{0.008}{16}+\frac{0.006}{16}+\frac{1}{____}+0.0001+0.0001}\approx580\,\text{W/(m}^2\cdot\text{℃)}\]3.傳熱面積計(jì)算傳熱面積\(A\)需滿足：\[A\geq\frac{Q_{\text{熱負(fù)荷}}}{K\DeltaT_m}\]其中，\(\DeltaT_m\)為對(duì)數(shù)平均溫差：\[\DeltaT_m=\frac{(T_s-T_{i1})-(T_s-T_{i2})}{\ln\frac{T_s-T_{i1}}{T_s-T_{i2}}}\]\(T_s\)：夾套蒸汽溫度（150℃）；\(T_{i1}\)：釜內(nèi)物料初始溫度（25℃）；\(T_{i2}\)：釜內(nèi)物料反應(yīng)溫度（130℃）。代入得：\[\DeltaT_m=\frac{(____)-(____)}{\ln\frac{125}{20}}=\frac{105}{1.832}\approx57.3\,\text{℃}\]因此，傳熱面積：\[A\geq\frac{8\times10^4}{580\times57.3}\approx24.1\,\text{m}^2\]實(shí)際傳熱面積：釜體傳熱面積包括筒體與封頭部分，計(jì)算公式為：\[A=\piD_iH+2\times0.785D_i^2=\pi\times2.1\times2.52+2\times0.785\times2.1^2\approx16.6+7.0=23.6\,\text{m}^2\]（注：橢圓封頭的傳熱面積近似按0.785\(D_i^2\)計(jì)算）因23.6m2略小于24.1m2，需調(diào)整釜體尺寸（如增加直邊高度至2600mm），使傳熱面積滿足要求。調(diào)整后：\[A=\pi\times2.1\times2.6+2\times0.785\times2.1^2\approx17.1+7.0=24.1\,\text{m}^2\]滿足傳熱要求。（三）強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)GB____《壓力容器》，需計(jì)算釜體壁厚、夾套壁厚及封頭壁厚，確保設(shè)備在設(shè)計(jì)壓力與溫度下的安全性。1.釜體壁厚計(jì)算釜體為內(nèi)壓容器，設(shè)計(jì)壓力\(P=1.2\,\text{MPa}\)（表壓），設(shè)計(jì)溫度\(T=130\,\text{℃}\)，材質(zhì)為304不銹鋼（\(06Cr19Ni10\)），其在130℃下的許用應(yīng)力\([\sigma]^t=137\,\text{MPa}\)（GB150表4-1），焊縫系數(shù)\(\phi=0.85\)（對(duì)接焊縫，局部無損檢測(cè)），腐蝕裕量\(C=1\,\text{mm}\)（物料無強(qiáng)腐蝕）。釜體壁厚計(jì)算公式（GB____式5-1）：\[\delta=\frac{PD_i}{2([\sigma]^t\phi-P)}+C\]代入?yún)?shù)：\[\delta=\frac{1.2\times2100}{2(137\times0.85-1.2)}+1=\frac{2520}{2(116.45-1.2)}+1=\frac{2520}{230.5}+1\approx10.9+1=11.9\,\text{mm}\]圓整至標(biāo)準(zhǔn)厚度（GB/T____《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》），取12mm。2.夾套壁厚計(jì)算夾套為外壓容器（釜體承受內(nèi)壓，夾套承受外壓），設(shè)計(jì)壓力\(P_j=0.8\,\text{MPa}\)（表壓），設(shè)計(jì)溫度\(T_j=150\,\text{℃}\)，材質(zhì)為304不銹鋼，許用應(yīng)力\([\sigma]^t=137\,\text{MPa}\)，焊縫系數(shù)\(\phi=0.85\)，腐蝕裕量\(C=1\,\text{mm}\)。夾套壁厚計(jì)算公式（GB____式5-2）：\[\delta_j=\frac{P_j(D_i+2c+\delta)}{2([\sigma]^t\phi-P_j)}+C\]其中，\(D_i+2c+\delta=2100+2\times30+12=2172\,\text{mm}\)（夾套內(nèi)徑）。代入得：\[\delta_j=\frac{0.8\times2172}{2(137\times0.85-0.8)}+1=\frac{1737.6}{2(116.45-0.8)}+1=\frac{1737.6}{231.3}+1\approx7.5+1=8.5\,\text{mm}\]圓整至10mm（外壓容器需考慮穩(wěn)定性，壁厚不宜過?。?.封頭壁厚計(jì)算釜體采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭（\(D_i=2100\,\text{mm}\)，\(h_i=0.25D_i=525\,\text{mm}\)），設(shè)計(jì)壓力\(P=1.2\,\text{MPa}\)，材質(zhì)304不銹鋼，許用應(yīng)力\([\sigma]^t=137\,\text{MPa}\)，焊縫系數(shù)\(\phi=0.85\)，腐蝕裕量\(C=1\,\text{mm}\)。封頭壁厚計(jì)算公式（GB____式5-3）：\[\delta_h=\frac{PD_i}{2([\sigma]^t\phi-0.5P)}+C\]代入得：\[\delta_h=\frac{1.2\times2100}{2(137\times0.85-0.5\times1.2)}+1=\frac{2520}{2(116.45-0.6)}+1=\frac{2520}{231.7}+1\approx10.9+1=11.9\,\text{mm}\]圓整至12mm（與釜體壁厚一致，便于制造）。（四）附件設(shè)計(jì)1.攪拌裝置設(shè)計(jì)攪拌器類型：釜內(nèi)物料為低粘度液體（\(\mu<0.01\,\text{Pa·s}\)），需強(qiáng)烈循環(huán)，選擇推進(jìn)式攪拌器（3葉片，pitch=D_a）；攪拌器直徑：根據(jù)HG/T____，推進(jìn)式攪拌器直徑\(D_a=(0.3~0.5)D_i\)，取\(D_a=0.4D_i=840\,\text{mm}\)；攪拌轉(zhuǎn)速：推進(jìn)式攪拌器的最佳轉(zhuǎn)速范圍為150~300r/min（保證湍流狀態(tài)），取\(n=200\,\text{r/min}=3.33\,\text{r/s}\)；攪拌功率：按公式計(jì)算（推進(jìn)式攪拌器，湍流區(qū)）：\[P=K\rhon^3D_a^5\]其中，\(K=0.38\)（3葉片推進(jìn)式，pitch=D_a），\(\rho=950\,\text{kg/m}^3\)，\(n=3.33\,\text{r/s}\)，\(D_a=0.84\,\text{m}\)。代入得：\[P=0.38\times950\times3.33^3\times0.84^5\approx0.38\times950\times37.0\times0.418\approx5.5\,\text{kW}\]考慮機(jī)械效率（取0.9），電機(jī)功率需選7.5kW（標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)功率）。2.密封裝置設(shè)計(jì)密封類型：釜內(nèi)壓力為1.2MPa（中壓），且物料有揮發(fā)性（乙酸乙酯），選擇機(jī)械密封（單端面，平衡型）；密封材質(zhì)：動(dòng)環(huán)采用碳化硅（耐磨），靜環(huán)采用石墨（自潤(rùn)滑），O型圈采用氟橡膠（耐溫150℃）；密封參數(shù)：密封壓力\(P=1.2\,\text{MPa}\)，密封直徑\(d=80\,\text{mm}\)（與攪拌軸直徑匹配），泄漏量≤0.1kg/h（滿足工藝要求）。3.接管與支座設(shè)計(jì)接管選型：進(jìn)料管：\(\phi89\times4\)（不銹鋼，物料流量約1.5m3/h，流速≤2m/s）；出料管：\(\phi108\times4\)（不銹鋼，物料流量約1.5m3/h，流速≤1.5m/s）；蒸汽進(jìn)口管：\(\phi57\times3.5\)（不銹鋼，蒸汽流量約0.04kg/s，流速≤20m/s）；冷凝水出口管：\(\phi45\times3\)（不銹鋼，冷凝水流量約0.04kg/s，流速≤10m/s）；排氣口：\(\phi25\times2\)（不銹鋼，排除釜內(nèi)不凝性氣體）。支座設(shè)計(jì)：反應(yīng)釜容積較大（10.7m3），選擇裙座（支撐穩(wěn)定，適用于高大設(shè)備），裙座高度取1500mm（便于底部出料與維護(hù)），材質(zhì)為Q235-B（低碳鋼，強(qiáng)度滿足要求）。4.安全附件設(shè)計(jì)安全閥：釜內(nèi)設(shè)置彈簧式安全閥（型號(hào)A42Y-16C），開啟壓力1.32MPa（1.1倍設(shè)計(jì)壓力），排量滿足釜內(nèi)介質(zhì)的排放要求；爆破片：夾套設(shè)置爆破片（型號(hào)YPB-10），爆破壓力0.96MPa（1.2倍設(shè)計(jì)壓力），作為安全閥的補(bǔ)充；壓力表：釜內(nèi)與夾套均設(shè)置彈簧管壓力表（型號(hào)Y-100），量程分別為0~2.5MPa（釜內(nèi)）、0~1.6MPa（夾套）；溫度計(jì)：釜內(nèi)設(shè)置熱電偶溫度計(jì)（型號(hào)K型），測(cè)量范圍0~200℃，精度±1℃；夾套設(shè)置雙金屬溫度計(jì)（型號(hào)WSS-411），測(cè)量范圍0~150℃。四、結(jié)果分析與校核（一）工藝要求校核容積：有效容積8.1m3（調(diào)整后），滿足8m3的要求；溫度：釜內(nèi)反應(yīng)溫度130℃（通過夾套蒸汽加熱實(shí)現(xiàn)），傳熱面積24.1m2（滿足熱量需求）；壓力：釜體壁厚12mm（內(nèi)壓1.2MPa），夾套壁厚10mm（外壓0.8MPa），均符合GB150的強(qiáng)度要求。（二）傳熱效果校核總傳熱系數(shù)K=580W/(m2·℃)（符合低粘度液體攪拌反應(yīng)釜的經(jīng)驗(yàn)值500~800W/(m