葡萄糖催化氢化反应釜的设计
毕业设计（论文）
葡萄糖催化氢化反应釜的结构设计Structural Design of Glucose Catalytic Hydrogenation Reactor
班级
学生姓名学号
指导教师职称
导师单位
论文提交日期
徐州工业职业技术学院
毕业论文（设计）任务书
课题名称：葡萄糖催化氢化反应釜的结构设计
系名称：化学工程系
专业：应用化工
班级：
指导教师：
学生姓名：
一、课题名称：葡萄糖催化氢化反应釜的结构设计
二、毕业论文（设计）主要内容：
1、根据工艺设计任务书进行总体的结构设计
2、进行合理的选型、设计，进行各部份尺寸的计算
3、绘制装配图
三、计划进度：
第一周：查阅资料，探讨设计思路
第二、三、四周：进行选型、设计，计算各部分的尺寸
第五周：写论文、画图并进行论文的修改
四、毕业论文（设计）结束应提交的材料：
1、毕业论文电子稿
2、毕业论文打印稿
3、A2图纸一份
指导教师教研室主任
10 年 10 月 3 日年月日
论文真实性承诺及指导教师声明
学生论文真实性承诺
本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。
毕业生签名：日期：
指导教师关于学生论文真实性审核的声明
本人郑重声明：已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学
术部端行为。
指导教师签名: 日期:
目录
摘要 (7)
Abstract (7)
第一章反应釜釜体和夹套的结构设计 (7)
1.1反应釜釜体和夹套的设计。 (8)
1.1.1反应釜釜体的设计 (8)
1.1.2夹套的结构设计 (8)
1.2反应釜釜体的几何尺寸的计算 (8)
1.2.1确定筒体的内径和高度 (8)
1.2.2确定封头尺寸 (9)
1.2.3封头的厚度 (9)
1.2.4确定筒体的高度 (9)
1.3夹套的几何计算 (10)
1.3.1夹套的直径计算 (10)
1.3.2夹套的高度计算 (10)
1.3．3封头与筒体的连接 (10)
1.4夹套反应釜的强度计算 (10)
1.4.1强度计算的原则及依据 (11)
1.4.2按内压对圆筒和封头进行强度计算 (11)
1.4.3按外压对圆筒和封头进行强度计算 (11)
1.4.4夹套厚度的计算 (12)
1.4.5水压试验校核计算 (12)
1.5工艺接管 (13)
1.5.1进料管 (13)
1.5.2出料管 (13)
1.5.3仪表接管 (13)
1.5.4视镜 (13)
1.5.5人孔、手孔和开孔补强 (14)
第二章反应釜的搅拌装置 (14)
2.1搅拌器的型式与尺寸 (14)
2.1.1搅拌轴的设计 (14)
2.1.2搅拌轴的支承 (14)
2.2搅拌附件-挡板 (15)
第三章反应釜的轴封装置 (15)
总结 (16)
参考文献 (17)
附录 (18)
致谢 (19)
葡萄糖催化氢化反应釜的结构设计摘要：
山梨醇即D一山梨醇，化学名称为1，2，3，4，5，6一己六醇，分子式C
6H
14
O
6
，
在医药、食品、轻化、日化、合成树脂等领域的应用不断得到新的开发。
一个夹套反应釜主要有搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管等附件构成。而搅拌容器又可分为罐体和夹套两部分，搅拌装置分为搅拌器和搅拌轴。
关键词:氢化法、反应釜、轴封装置、搅拌装置
Abstract：
The sorbitol is D sorbitol, chemistry name is 1,2,3,4,5,6 hexan-hexol, molecular formula C6H14O6, in the medicine, food, light, synthetic resin the domain and so on, the date applications obtains the new development unceasingly.
A clamp cover reaction still mainly has the agitation vessel, the stirring device, the transmission device, the axis to seal appendix constitutions and so on installment, support, person hole, craft control. But stirs the vessel to be possible to divide into the shell of tank and the clamp cover two parts, the stirring device divides into the mixer and the agitation axis.
Keywords:
the hydrogenation process, the reaction still, the axis seal the installment, the stirring device
第一章反应釜釜体和夹套的结构设计
反应釜结构设计任务书
1.1反应釜釜体和夹套的设计
1.1.1反应釜釜体的设计
根据任务书的要求，一个夹套反应釜主要有搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管等一些附件组成。而搅拌容器又可以分为罐体和夹套两部分。搅拌装置分为搅拌器和搅拌轴，根据任务说明书的要求，本次设计搅拌器为圆盘平直叶涡轮搅拌器；考虑到机械轴封的实用性和广泛性，所以轴封采用机械轴封。
釜体是物料进行化学反应的空间，是反应的核心。在筒径DN≥1500mm的场合采用法兰连接。筒体的直径和高度是釜体设计的基本尺寸。选取操作容积V
和装料系数η。根据介质的特性和反应时状态以及生成物的特点合理选取。筒体的容积根据封头的修正：V=?∏D i2H+V封。因为反应的物料为汽-液相，选取高径比在1.0-2.0。
反应釜是有罐体和夹套两部分组成，罐体是反应的核心，为物料完成搅拌过程提供一个空间。夹套为反应的操作温度提供保障，是一个套在罐体外的封闭空间容器。
1.1.2夹套的结构设计
夹套类型有整体夹套、半圆管夹套、型钢夹套和蜂窝夹套。通常整体夹套的压力不能超过1MP，否则将会因罐体及夹套壁厚太大，增加制造的困难。当反应器直径较大或采用的传热介质压力较高时，可采用后三种类型，这样不但能提高传热介质的流速，改善传热效果，而且能提高筒体承受内、外压的强度和刚度。夹套为反应的操作温度提供保障，是一个套在罐体外的封闭空间容器。夹套以焊接连接或者法兰连接的方法装设在罐体的外面。在此空间内通入传热介质以加热或冷却物料，维持物料的温度在预定的范围内。
设计中选用整体夹套，结构简单，制造方便，基本上不用维修，但不易做的过大，且采用全包覆式夹套，具有较大的换热面积。
夹套筒体的高度H
J=(
ηV- V封)/ V1,确定夹套的高度时还应验算釜体传热面积是
否满足生产工艺的要求，应使F
1H
J
+F
h
≥F
1.2反应釜釜体的几何尺寸的计算
1.2.1确定筒体的内径和高度
为了满足介质反应所需空间，工艺计算已经确定了反映所需的容积，V
等于2.0
立方米，在实际操作时，反应介质可能产生泡沫或呈沸腾状态，故筒体的实际容积V 应大于所需容积V 0，这种差异用装料系数η来考虑，即：V 0=V η
选取η=0.8，则 V=V 0∕η =2.0/0.8 =2.5m 3
因为设计的反应釜是用来生产山梨醇的，物料在反应釜内的状态为气液相，故选取的高径比为
H:D i =1.5 内径计算公式为
3
)(4ηπDi
H Vo
Di =
试中：V 0=2.Om 3 H/D I =1.5 η=0.8 代入上式得
3
8
.05.114.30
.24???=Di =1277㎜
圆整为1300㎜ 1.2.2确定封头尺寸
椭圆封头选取标准，它的缘应力小，承受压力强。 当D i /2h i =2时 D i /2h i =1300/2h i =2
则曲边高度： h i =325mm
①材料：釜体为16M n R ，设计温度为：170℃，工作温度为140℃。 ②设计压力：P 0=P C =11MP
设壁厚为36~60mm ，查书得：16M n R ，在设计温度为170时，许用应力为t ][σ=150MP 取Ф=1．0，封头焊接采用双面焊全焊透，100%无损伤检测。 圆筒的计算厚度公式如下：
mm p D p c t i c 564811
500115021300
1150][2?=??-????=?-=
?σδ
查资料 腐蚀裕量：C 2=1.5mm, 负偏差C 1=1.3mm 则 厚度附加量：C=C 1+C 2=1.3+1.5=2.8mm
名义厚度：δn =δ+C=48.56+2.8=51.27mm 圆整为55mm 由于δn >10mm,则封头的直边高度H 2=40mm 1.2.3确定筒体的厚度
反应釜容积通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。 （1）内压圆筒的计算壁厚公式如下：
mm p D p c t
i c 54911
0115021300
11][2?=?-????=-=
?σδ
（2）设计厚度：δd =δ+C 2=49.5+1.5=51mm
名义厚度：δn =δd +C 1=51+1.3=52.3mm 圆整为55mm 1.2.4确定筒体的高度
公式如下：V=2.5m 3 ()
3
2
4D v i
j H πν封
-?=
封头的容积：
3232
233407.040130014.34
1
1300139.04
139.0m H D D i i
=???+?=+
?=πν封
(
)()3
2
2
628.13
.114.33407.05.244m
H D v i
=?-?=-?=
πν封
圆整为1700mm
按筒体圆整原修正实际容积：
2222
25.2596.27.13.114.34
1
3407.04
m m H D v i >=???+=+
=πν封
则以上均符合高度要求。
1.3夹套的几何计算
1.3.1 夹套的直径计算
夹套和筒体的连接常焊成封闭结构，夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。夹套的安装尺寸见下表，夹套内径可根据筒体内径选取：D J =D I +100
夹套直径D j 与筒体直径D i 的关系（mm ）
D J =D I +100=1300+100=1400mm
夹套下封头形式与筒体下封头形式相同，直径D j 与夹套筒体相同;夹套高H j 由传热面积决定，但不能低于料液高。 1.3.2 夹套的高度计算
m H D
i
j 25.13
.14
14.33407
.05.28.04
2
2=?-?=-=
πνην封 圆整为1300mm
校核：
夹套所包围的釜体的表面积，一定要大于工艺要求的传热面积，即F 封+F 筒≥F
F 封=()()22221113.24023.12.114.325.022.14
1
m H D i =?+???=+?π
F 筒=23066.53.13.114.03m H D j i =??=π
F 封+F 筒=2.113+5.3066=7.4179＞72m ，符合传热要求 所以，夹套高度采用H j =1300mm.
1.3.3 封头与筒体的连接
封头和筒体的连接可以采用U 型整体夹套连接、不可夹套连接、甲型平焊法兰连接，此次设计选取凹凸密封面法兰。
1.4夹套反应釜的强度计算
夹套反应釜的几何尺寸确定后，要根据已知的公称直径、公称压力和设计温度进行强度计算，确定釜体及夹套的筒体和封头的厚度 。 1.4.1强度计算的原则及依据
夹套反应釜中各参数的选取及计算均符合GB-1998《钢制压力容器》的规定。 圆筒为正压外带夹套时，当圆筒的公称直径≥600mm 时，被夹套包围部分的圆筒分别按内压圆筒和外压圆筒计算，取其中较大值，其余部分按内压圆筒计算。 1.4.2按内压对圆筒和封头进行强度计算. （1）筒体强度计算
已知：T C =170℃ P C =11MPa t ][σ=150 MPa φ=1.0
c
t i c p D p -=
?σδ][2 110.115021300
11-???=
=49.5mm 查资料得 负偏差C 1=1.2 腐蚀欲量C 2=1.5
δn =δ+ C 1+ C 2=49.5+1.2+1.5=52.2mm 圆整为55mm
筒体应满足的强度条件为
式中：P C =11MPa D i =1300mm δ=49.5mm
代入上式得MPa MPa t t 150][44.1445
.4921300
11=≤=??=
σσ 条件满足 （2）封头的强度计算：
已知：T C =170℃ P C =11MPa t ][σ=150 MPa φ=1.0
c t i c p D p 5.0][2-=
?σδ5
.0110.115021300
11?-???==48.56mm
查资料得： 直边高度为40mm
1.4.3按外压对圆筒和封头进行强度计算 （1）筒体图算法
已知：δe =52.2mm δn =55mm
t c t D
p ][2σδσ≤=
D 0=D i +2δn =1300+2×55=1410
206.11410
17002001.272
.521410
00
==>==
D L D e
δ
查资料得 A=0.0085
由于 T C ≤170℃ 查资料得B=162Mpa
许用应力[P]= MPa D B e
0.601
.27162
0==δ
所以厚度为55mm 的筒体符合外压圆筒的压力要求
（2）外压封头的强度计算 公式如下：
A=e
R δ0
125
.0
设封头的名义厚度δn =55mm
计算有效厚度δe =δn -C=55-（1.3+1.5）=52.2mm 因为选用的是标准椭圆封头，所以K 1=0.9
D 0=D i +2δn =1300+2×55=1410mm R 0=K 1D 0=0.9×1410=1269mm
0051.02.521269
125.0125.00===e
R A δ
查资料得 B=160MPa 许用应力[P]= MPa MPa R B e 9.058.62.521269
160
0>==δ
所以厚度为55mm 的椭圆形封头符合外压封头的压力要求 1.4.4夹套厚度的计算
夹套筒体部分厚度计算
Pc 2=0.9Mpa Tc 2≤180℃ MPa t 113~105][=σ 双面焊接系数Ф=0.85 取t ][σ=105Mpa
222][2Pc D Pc t i -=
?σδmm 09.79
.085.015021400
9.0=-???=
设：δn =8~25mm C 1=0.8 C 2=1.5
δN2=δ2-C=7.09-（0.8+1.5）=9.39mm 圆整为10mm 1.4.5水压试验校核计算 ⑴釜体水压试验
式中：P T =1.25P=1.25×11=13.75Mpa δe =δn -C=52.2mm
查资料得 16MnR 钢在水压试验170℃时 σs =305MPa 则
所以釜体水压强度足够 ⑵夹套水压试验
P T =1.25P=1.25×0.9=1.125Mpa σs =235MPa
所以夹套水压强度足够
1.5工艺接管
1.5.1进料管
进料管一般设在顶部，。进料管的下端一般成45°的切口，以防物料沿壁面流动。汽-液混合进料，采用管子较长的结构，沉浸于料液中，可减少进料时产生的飞溅和对液面的冲击，并可起液封作用。采用Φ57mm ⅹ3.5mm 无缝钢管。进料管的开孔面积不得小于接通管道的横截面积。 1.5.2出料管
当塔径D I =1300>800mm ，先将弯管段焊在塔底封头上，再将支座与封头相焊，最后焊接法兰短节。支座上焊有引出管，以使安装、检修方便。当液滴较多，或对夹带液滴量有严格要求应安装除沫装置。 1.5.3仪表接管.
1.5.4视镜
用来观察设备内部情况外，也可用作物料液面指示镜。常在釜顶设置两个视镜，一个供观察，另一个供照明用。因为釜内有搅拌轴，两视镜布安装在对角线上。视镜结构与尺寸按标准HG/T21619-1986《压力容器视镜》。因为压力容器外部有保温层，所以不能直接焊接于设备上，采用带颈视镜。 1.5.5人孔、手孔和开孔补强
人孔和手孔的作用是为了检查设备内部空间以及便于安装和拆卸设备的内部构件。
()MPa
MPa s T 30527485.03059.09.009.1782
.5222.521300375.1?=??=≤=?+=φσσ()=
+=e
n i T T D P δδσ22()MPa MPa s 23578.17985.02359.09.03.79102101400125.1?=??=≤=?+φσ
当设备的直径超过900mm时，应开设人孔。人孔的形状采用椭圆形的。椭圆形的人孔的短轴应与受压容器的身轴线平行。椭圆形人孔的最小尺寸为400mmⅹ300mm.在使用过程中需要经常打开时，可选用快开式结构人孔。
补强的方法采用局部补强，考虑到应力集中离孔口不远处就衰减了，这种不强方法是合理的也是经济的。局部补强是在开孔处的一定范围内增加筒体壁厚，以使该处达到局部补强的目的。
第二章反应釜的搅拌装置
搅拌装置是反应釜的关键部件。反应釜内的反应物借助搅拌器的搅拌达到物料的充分混合、增强物料分子碰撞、加快反映速率、强化传质与传热效果、促进化学反应的目的。常用的有桨式、框式或锚式、推进式、涡轮式搅拌器。
搅拌装置通常包括：搅拌器、搅拌轴、支承结构以及挡板、倒流筒等部件。这里用的是涡轮式搅拌器。
2.1搅拌器的型式与尺寸
由于工艺过程中有气体的参与，选用圆盘直叶涡轮式搅拌器。涡轮式搅拌器适用于各种粘度物料的搅拌器。作用：增加反应的速率，强化传质和传热效果，混合均匀，提供适宜的流动状态。加快V
反应
，选取平直叶圆盘涡轮搅拌器。釜容量1~1000 ，转速范围：10~300r/min,最高粘度：50Pa.s.
则D
j /D
i
0.25~0.5,选取0.4
则D
j
=0.4×1300=520mm
根据经验，搅拌器的型式一般取：D
j
：E:B=20:5:4
E
(桨叶长)=130mm B
（桨叶宽）
=104mm
2.1.1搅拌轴的设计
轴主要由轴径、轴头、轴身三部分组成，支承轴的部分叫轴径，安装搅拌器的部分叫轴头。轴上有键槽，轴有实心和空心之分。当料液较深或物料黏度较大时，可以设置一层或多层搅拌器。
材料：刚性联轴器连接的可拆轴视为整体轴；常用45#优质碳素钢，对强度要求不高的场合。
结构：采用圆截面实心轴或空心轴。
2.1.2搅拌轴的支承.
由于搅拌轴往往细而长，而且要带动搅拌器进行搅拌操作。搅拌轴工作时承受着弯扭联合作用，为保证轴的正常运转，设一轴承支承，条件为
L 1/B
1
=4~5 L
1
/d=40~45
2.2搅拌附件-挡板
可使流体的切向流动变为轴向流动和径向流动。同时，增大液体的湍动程度，从而改善搅拌效果，
挡板固定在釜体内壁上的长条形板，挡板的宽度为筒体内径的1/12~1/10。挡板数视容器直径而定。当D I<1m时为2~4块; 当D I>1时为4~6块,一般装4块。取挡板宽度：1/11D I=1/11×1300=118.18mm，安装高度应该保持20mm的距离。
取4块挡板
第三章反应釜的轴封装置
轴封装置是轴封式搅拌设备的一个重要组成部分，是保证设备内处于一定的正压或真空条件操作，并防止物料的溢出或是杂质的渗入。可分为填料密封、机械密封两种。考虑到实用性和应用的广泛性，选用机械轴封。
机械轴封是一种功耗小，泄漏率低密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。主要是利用垂直于轴的两个密封元件相互贴合，并作相对运动达到密封。对机械密封的结构，总的要求是装卸容易、简单化。
总结
此次设计是对反应釜的整体结构的假设和模型的建立，以及实验方案的拟定，对反应釜结构的计算，以满足我们的假设，是设计的反应釜能够满足要求，进行葡萄糖的氢化反应。
本文包括了反应釜釜体的设计，其中在釜体内包括了对罐体、夹套的结构设计、罐体几何尺寸的计算。其中确定了筒体的内径1300mm、封头尺寸(内径1300mm，直边高55mm,厚度55mm)、筒体的厚度55mm等，对夹套进行了计算。反应釜的搅拌装置由搅拌器、搅拌轴及其支撑组成，本次设计采用的是圆盘涡轮式搅拌器且选用一层搅拌叶，四块挡板进行反应。在搅拌轴的设计中，本文根据搅拌轴的材料、搅拌轴的结构，以及它的强度，和搅拌轴的支撑综合考虑进行的设计。最后是反应釜的轴封装置，由于机械轴封式是一种功耗小、泄漏率低、密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封，加上反应釜搅拌轴处的密封，属于动密封，所以本次设计选用机械轴封。
综合考虑，从而对反应釜的釜体、搅拌装置和轴封装置进行设计。
参考文献
1、《化工设备设计全书》丁伯民，黄正林等主编-北京化学工业出版社，2002,12
2、《化工设备基础》王绍良主编-2版-北京化学工业出版社，2009,6
3、《化工设备机械基础》高安全，王迪，崔京海主编，北京化学工业出版社，2007，
4、《过程设备机械设计》潘红良，郝俊文主编-上海华东理工大学出版社，2006,7
5、《过程设备设计》郑津洋，董其伍，桑芝富主编-北京化学工业出版社，2007，6
6、《化工工程制图》戚世岳主编-北京化学工业出版社，1994，5
7、《适应药剂学发展深化药剂学实验教学改革》刘玉雯, 余祥彬.[J]. 福建医科大学学报(社会科学版), 2004, (02)
8、《机械零件设计手册》周开勤主编，第五版。北京：高等教育出版社2001。
9、《机械设计课程设计图册》哈工大龚桂义主编。北京：高等教育出版社1989。
10、《化工设备机械基础课程设计指导书》蔡纪宁主编。化学工业出版社2001
11、《机械设计使用手册》吴宗泽主编，北京化学工业出版社，2002.2
12、《化工设备设计手册》朱有庭、曲文海、于浦义主编，化学工业出版社，2005,4
附录
δ………计算厚度，mm ; σt………环向应力，Mpa;
δd......设计厚度，mm ; t]
[ ...........许用应力，Mpa;
δn………名义厚度，mm ; D i………圆筒的内直径，Mpa; δe………有效厚度，mm ; Ф………圆筒的焊接接头系数; η………装料系数; ν0………操作容积，m3; ν………全容积，m3 ;h i........曲边高度高度，m;
H 2………直边高度，mm; H
j
………夹套高度,mm；
Pc………设计压力，Mpa; P
T
…………容器的实验压力，Mpa；
P
………工作压力，Mpa ; [P]………许用应力，Mpa；
σT………试验压力下圆筒的应力，Mpa； E………桨叶长，mm;
σs………试验温度下圆筒的屈服点，Mpa； D2………夹套的直径，mm;
L 1………悬臂轴的长度，mm ; B
1
………轴承间距，mm;
d………搅拌轴直径，mm; B………桨叶宽，mm;
D J ………夹套的内径，mm; D
………圆筒的外直径，mm;
K………封头系数，mm; C
2
………腐蚀裕量，mm;
C 1………负偏差，mmm; R
………封头的外半径，mm;
P
e
………电机功率，mm; P………工艺要求的搅拌功率，kW；
P S ………轴封消耗功率，mm; η
1
………传动系统的机械效率，
致谢
本论文是在导师张XX的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，离不开老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感谢老师的指导和帮助，在此表示深深的感谢。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的毕业论文的，同窗之间的友谊永远长存。