丁基橡胶聚合反应釜设计

1、反应釜设计独山子蓝天分公司高纯异丁烯制 6 万吨/年丁基橡胶联产 2.5 万吨/年MMA 项目丁基橡胶聚合反应釜设计设计团队：团队成员：孙佳静 蹇湘鄂 王慧敏 黄建建 向 源指导老师：罗华军 龚大春 刘祈星 范於菟2018 年 7 月反应釜设计目录1.丁基橡胶概述11.1 丁基橡胶. 11.1.1 丁基橡胶简介11.1.2 丁基橡胶聚合机理11.1.3 丁基橡胶聚合反应动力学31.1.4 丁基橡胶生产工艺42. 丁基橡胶反应釜设计62.1 反应釜介绍62.1.1 反应釜的分类62.1.2 聚合反应釜的介绍72.2 丁基橡胶反应釜设计82.2.1 釜体 PN 和材料的确定82.2.2 釜体 DN

2、 的确定82.3 釜体筒体壁厚的设计92.3.1 设计参数的确定92.3.2 筒体壁厚的设计102.4 釜体封头的设计102.4.1 封头的选型102.4.2 设计参数的确定102.4.3 封头壁厚的设计102.5 筒体长度 H 的设计112.5.1 筒体长度 H 的设计112.5.2 筒体长径比 L/Di 的复核112.6 外压筒体壁厚的设计122.6.1 设计外压的确定122.6.2 试差法设计外压筒体的壁厚122.7 外压封头壁厚的设计13反应釜设计2.7.1 设计外压的确定132.7.2 封头壁厚的计算132.8 聚合反应釜传热设计132.8.1 聚合釜夹套的设计132.8.2 夹套筒

3、体的设计142.8.3 夹套封头的设计142.8.4 蛇管传热162.8.5 冷凝器换热182.8.6 反应釜釜体及夹套的试验182.9 反应釜零部件设计202.9.1 釜体容器法兰的联接结构202.9.2 螺栓、螺母设计222.9.3 工艺接管的设计25搅拌装置的选型与设计262.102.10.1 搅拌器的功能和特征262.10.2 搅拌器的选择272.10.3 搅拌叶轮层数、深度282.10.4 搅拌功率计算282.10.5 搅拌轴直径的初步计算302.10.6 搅拌轴直径的设计302.10.7 搅拌轴刚度校核312.10.8 搅拌轴临界转速校核计算312.10.9 搅拌轴的结构及的设计3

4、22.10.10 联轴器的型式及的设计333. 聚合反应釜自动控制353.1 温度控制理论介绍35模糊控制算法的基本原理353.1.13.2 聚合反应釜控制方案38模糊控制方案的选择383.2.1反应釜设计3.2.2 聚合反应釜温度控制流程图393.3 系统硬件设计和设备选型及调试393.3.1 温度控制器的选择403.3.2 单片机的选择40输入通道设计423.3.33.3.4 输出控制电路设计433.3.5 温度超限电路设计443.3.6 键盘接口电路设计443.3.7 LED 显示接口电路设计453.3.8 单片机温控系统的调试过程463.4 结论474. LNG 冷能的利用484.1

5、LNG 冷能概述484.2 丁基橡胶制冷工艺484.2.1 工艺流程484.2.2 模拟结果49反应釜设计1.丁基橡胶概述1.1 丁基橡胶1.1.1 丁基橡胶简介丁基橡胶，简称 IIR。它是由异丁烯与少量异戊二烯共聚而成的一种橡胶，具有良好的化学稳定性和热稳定性,最突出的是气密性和水密性。优点：丁基橡胶气密性好。它还能耐热、耐臭氧、耐老化、耐化学药品，并有吸震、电绝缘性能。缺点：硫化慢，加工性能较差。主要用途：丁基橡胶制作各种轮胎的内胎、无内胎轮胎的气密层、各种密封垫圈，在化学工业中作盛放腐蚀性液体容器的衬里、管道和输送带，农业上用作防水材料。1.1.2 丁基橡胶聚合机理异丁烯与少量异戊二烯（

6、为异丁烯的 1.54.5%）共聚在聚合物键来提高其硫化性能 ，所得产物即丁基橡胶。中引入双聚合反应可以简单地表示为：由于异丁烯中有两个供电子的甲基使其端基CH的亲核性增加，反应速率极快，可在不到 1s 的时间内发生性的聚合。在一般情况下，可在 1min 左右即完成放热反应，因此聚合反应必须在一 100左右，快速搅拌下进行。1反应釜设计异丁烯MI与异戊二烯M 2的共聚遵循一般共聚组成的方程式：在一 100下，以三氯化铝为剂时，异丁烯和异戊二烯的 r与 r 分别为2.5±0.5 和 0.4±0.1。因此在间歇聚合釜中，必须控制转化率60，在连续聚合釜中必须及时添加异丁烯才能保持

7、设定聚合物的组成。丁基橡胶的聚合反应历程可分为链、链增长、链终止等三个步骤。随着采用的催化剂的不同，阳离子的聚合催化剂的机理有所不同。丁基橡胶的生产以淤浆法为主，其聚合机理是典型的阳离子聚合机理。以氯甲烷为溶剂、三氯化铝为聚合，其反应机理如下：（1）链：剂、水位共剂，在-103°C低温下进行阳离子共H ( AlCl3OH )AlCl3 + H2OCH3CH2C ( AlCl3OH)CH3HH ( AlCl3OH )CH2CCH3CH3+HCH2CCHCH2 ( AlCl3OH )CH3CH2CCHCH3CH2H ( AlCl3OH )+（2）链增长：CH3CH3CH3CH3 CCH3

8、HCH2CCH2C( AlCl3OH )nCH2HCH2C ( AlCl3OH)CH nCH33CH3CH3C ( AlCl3OH) CH3CH3(n+1)CH2CCHCH2HCH2CH3HCH2CCH2CCHCH2CH2CCHCH2 ( AlCl3OH )CH3CH3nCH32反应釜设计mCH2CCHCH2CH3HCH2CCHCH3CH2 ( AlCl3OH )HCH2CCHCH3CH2CH2CCHCH2 ( AlCl3OH)mCH3（3）链终止a. 自发终止：CH3 CCH2CH3C ( AlCl3OH) CH3CH2C CH CH2CH3CH2H ( AlCl3OH )CH2C CH C

9、H2CH3CH2b.成键终止：CH3C OH CH3CH3C ( AlCl3OH) CH3CH2C CHCH3CH2CH2AlCl3CH2C CH CH2CH3CH2丁基橡胶的聚合机理特征主要是：快、快增长、易转移、难终止。1.1.3 丁基橡胶聚合反应动力学参考顾凯、黄继红书籍聚合过程模拟与优化基于 Polymer Plus第五章子聚合的模拟得到丁基橡胶的阳离子聚合反应动力学数据：离3编号反应类型反应速率常数 s-11活性中心（H+（AlCl3OH）-）的生成12剂异丁烯的链反应33剂异戊二烯的链反应24异丁烯链段与异丁烯单体的链增长反应125异丁烯链段与异戊二烯单体的链增长反应66异戊二烯链

10、段与异丁烯单体的链增长反应0.57异戊二烯链段与异戊二烯单体的链增长反应48异丁烯链段的链终止反应0.19异戊二烯链段的0.2反应釜设计1.1.4 丁基橡胶生产工艺丁基橡胶的工业生产常采用淤浆聚合法。将粗异丁烯和氯甲烷分别在脱水塔和精馏塔进行脱水和精制以后，与异戊二烯在混合槽中按一定的比例混合。混合液在冷却器里冷却到一 100，然后送入反应器。同时配制好剂溶液并冷却。聚合反应在一 98左右进行，几乎瞬时完成。聚合物在氯甲烷中沉淀形成颗粒状浆液。聚合后的淤浆液从反应器中送流出来进入盛有热水的闪蒸罐，蒸发出溶剂氯甲烷和未反应单体。橡胶的水及浆液用泵送到挤出干燥系统，干燥后包装为成品。闪蒸罐出来的蒸

11、气经活性氧化铝干燥、分馏后送到进料和摧化剂配制系统循环使用。剂的配制1)配制剂时，先把一部分溶剂直接加到固体 AlCl3 的容器中，调制成含 AlCl3为 4一 5的溶液，然后再稀释到 1左右并冷至-90 至-95后送入聚合反应器。剂的配制可采取常温配和低温配两种。2) 聚合丁基橡胶的聚合反应器是一种热交换器型的强制循环多管式聚合反应器，在中心部分有上升流体的筒管，而在其周围钉小口径列管供下降流体用。通过液化乙烯的蒸发达到冷却的目的，以保持聚合温度在-100左右。聚合时，将异丁烯和异戊二烯溶于 3 倍体积的 CH3Cl 溶剂中，同时通入配制好的 AlCl3 的 CH3Cl溶液。AlCl3 含量

12、约为单体含量的 0.02。为防止反应器内发生聚合物的沉淀与挂胶，一般要求淤浆在反应器内有 2 5ms 的流速。因此，强有力的搅拌器是这一聚合体系必不可少的。3)分离后处理丁基橡胶的分离是从溶液淤浆到水淤浆经过一次凝聚后进行脱水干燥的。闪蒸塔内装有立式和斜向搅拌器，搅拌速度适中，以控制胶粒大小。聚合物的淤浆液被喷到闪蒸塔的热水中变成颗粒而分散，溶剂与未反应单体被蒸发出来。闪蒸时的工艺条件为：温度 6575，操作140150 kPa，PH 约为 79。为防止橡胶粒子互相粘接和老化，可加入橡胶量 1的金属硬脂酸盐和 0.2左右的防老剂。进一步脱除残留的氯甲烷和单体异丁烯在真空气提塔中进行。闪蒸后4反

13、应釜设计的橡胶颗粒经振动筛除去大部分夹带的水后，可采取挤压膨胀干燥机或输送式热风箱进行干燥。5反应釜设计2.丁基橡胶反应釜设计2.1 反应釜介绍2.1.1 反应釜的分类反应釜根据制造结构可分为开式平盖式反应釜、开式对焊法兰式反应釜和闭式反应釜三大类，每一种结构都有其适用范围和优缺点。反应釜按材质及用途可分为以下几种：（1）不锈钢反应釜不锈钢反应釜由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成，材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔）合金及其它复合材料。根据反应釜的制造结构可分为开式平盖式反应釜、开式对焊法兰式反应釜和闭式反应釜三大类。不锈钢反应釜搅拌形式一般有锚式、桨式、

14、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配。不锈钢反应釜的密封型式可分为：填料密封、机械密封和磁力密封；加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、外(内)盘管加热等；冷却方式有夹套冷却和釜内盘管冷却。不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、食品，用来完成硫化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程。（2）搪反应釜搪反应釜是将含高二氧化硅的，衬在钢制容器的内表面，经高温灼烧而牢固地附着于金属表面上成为复合材料制品。因此搪反应釜具有的稳定性和金属强度的双重优点，是一种优良的耐腐蚀设备。搪反应釜使用压力为 0.20.8 MPa；对各种有机酸、无机酸、均有

15、较好的抗蚀性；对碱性溶液抗蚀性较酸溶液差；设备的瓷层厚度为 0.82.3 mm，搪设备附件的瓷层厚度 0.61.8 mm；具有良好的绝缘性，当搪在规定厚度内用200000 V 高频电火花检查瓷层时，高频电火花不能击穿瓷层；具有良好的耐冲击性，层的内应力越小，弹性越好，硬度越大，抗弯抗压强度越高，则耐冲击就越好。（3）磁力搅拌反应釜6反应釜设计采用静密封结构，搅拌器与电机传动间采用磁力偶合器联接，由于其无接触的传递力矩，以静密封取代动密封，能彻底解决以前机械密封与填料密封无法解决的泄漏问题，使整个釜体的各搅拌部件完全处于绝对密封的状态中进行工作，因此，更适合用于各种易燃易爆、剧毒、贵重介质及其它

16、渗透力极强的化学介质进行反应，是石油、化工、有机、高材料聚合、食品等工艺中进行硫化、氟化、氢化、氧化等反应最理想的无泄漏反应设备。（4）不饱和聚酯树脂设备不饱和聚脂树脂设备由立式冷凝器、卧式冷凝器、反应釜、储水器、分馏柱五部分组成，是用于生产不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、ABS 树脂、油漆的关键设备。根据反应釜的密封型式不同可分为：填料密封，机械密封和磁力密封。（5）电加热反应釜电加热反应釜具有加热迅速、耐高温、耐腐蚀、无环境污染等特点，广泛应用于石油、化工、橡胶、食品等行业，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、缩合、聚合等工艺过程。电加热反应釜材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃

17、尔、因康镍）合金及其它复合材料。2.1.2 聚合反应釜的介绍聚合反应釜也称聚合釜是用于制造有机聚合物球体高化合物的主要设备。一般是立式圆柱形高压釜，带有夹套，以便通入蒸汽或冷水来加热或冷却。釜的外壁常用碳钢制成，内衬不锈钢，也有衬搪瓷的。聚合时可以单釜间歇生产，也可以是多釜串联连续生产，聚合反应物由一个釜的下部进入下一釜的上部。釜上装有温度、等仪表，以及进出料口等。用于本体聚合的，则釜内不装搅拌器，且不串联。此外，还有在长方形金属箱的浅盘中，以一定的速度流入而进行聚合的。聚合反应釜具有一个轴线直立的圆筒形反应釜体，釜体的内壁对称设有三根可向心调节移动的阻尼棒，釜体外壁自上而下设有三段夹套。聚合

18、釜采用 1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti、TA2 等优质材料，特殊要求可进行加衬处理，以提高材料的抗强腐蚀能力。连接结构采用螺栓式结构或快开式卡环连接，省力快开，同时釜盖可提升，釜体可取下。搅拌方式采用强磁筒形回转式耦合结构，搅拌速度为 101000 r/min，并可根据用户需要对搅拌能力进行调节。聚合反应釜配有安全阀，安全阀采用膜片，数值误差小，瞬间排气速度快，安全可靠。反应釜各阀采用针形阀，往复关闭型式，密封可靠经久耐用，各类阀安装合理，泄放畅通，无死角。加热方式采用电加热方式，也可根据7反应釜设计客户需要提供电加热型、液体加热型、电、液两用加热型。冷却方式采用夹套、蛇管

19、、冷凝器等冷却原件来构成冷却系统，用来保证反应的恒温进行。控制系统配备相关智能控制仪，控制仪采用智能化数字控制仪表，提供对电机转速、釜内反应温度及特点。等的和控制，具有精度高、操作简便、能力强等2.2 丁基橡胶反应釜设计2.2.1 釜体PN 和材料的确定釜体 PN的确定：操作为 Pw=0.3MPa，查标准得 PN=0.6MPa，再根据 PE 反应温度（-100）和介质情况，重点考虑聚合反应釜的使用0Cr18Ni9(不锈钢钢板)。，所以最终选定反应釜釜体材料为2.2.2 釜体DN 的确定在已知反应釜的操作容积后，首先要选择釜体适宜的长径比(H/Di)，以确定釜体直径和高度。选择釜体长径比主要考虑

20、以下面因素：1、长径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，PµD5（其中 D搅拌器直径，P搅拌功率），P 随釜体直径的增大而增加，减小长径比只能无谓地损耗一些搅拌功率。因此一般情况下，长经比应选择大一些。2、长径比对传热的影响：当容积一定时，H/Di 越大，越有利于传热。3、在实际中长径比的确定通常采用经验值。表 2-1 筒体长径比经验表根据表 2-1 确定高径比 L/Di=1.3。 将釜体视为圆柱形筒体，可以初步估算筒体内径。在确定反应釜的容积时，应考虑在容器内充装的比例即装料系数，其值8种类釜体物料类型H/Di一般搅拌釜液固或液液相物料气液相物料11.312发酵釜类1.72.5

21、聚合釜悬浮液、乳化液2.083.85反应釜设计通常可取 0.60.85。如物料在反应过程中呈或沸腾状态，取 0.60.7；如物料在反应过程中比较平稳，取 0.80.85，聚乙烯反应平稳一般选取装料系数为0.8。确定了长径比和装料系数之后，先忽略釜底容积，此时：ppV »D L »D H / D23iii44由计算得：L/Di=1.3 且 V=(D2i /4)L=60 m3，4 ´ 60Di = 3= 3= 3.89m = 3890mm3.14 ´1.3圆整后 Di=4000mm，故 DN 取 4000 mm。2.3 釜体筒体壁厚的设计2.3.1 设计参数

22、的确定设计：无安全装置取 P1.1PW；装安全阀取 P(1.051.1)PW；装膜取 P(1.151.3)PW。本设计反应釜釜体上装有安全阀，因而取 P=1.1PW，则 P=1.1×0.3=0.33MPa液柱静压：PL=gh=1.0 ´ 103´ 10 ´ 1.3×4.1 ´ 10-6=0.0533 MPa由于 PL/P= 0.0533 ´ 100%=16.15%5%，不可忽略0.33则取 PC=P+PL=0.38MPa。根据表 2-2 确定材料焊接接头系数j=1.0（100%无损探伤）。表 2-2 焊接接头系数j取 C1=

23、0.25 mm，因釜体带有夹套，是双面腐蚀，故 C2=1 mm，9焊缝型式无损探伤要求j双面焊或着全焊透对接接头100%1.00局部0.85带垫板单面焊对接接头100%0.90局部0.804VpHDi反应釜设计则厚度附加总量为 C= C1+ C2 =1.25mm。查 GB1501998 标准得 0Cr18Ni9 的许用应力为st = 137MPa2.3.2 筒体壁厚的设计PcDi由公式t =+Cn2stj- Pc0.38 ´ 4000t =+ 1.25 = 6.805mm计算得n2 ´137 ´1 - 0.38圆整取 tn=8 mm.2.4 釜体封头的设计2.4.

24、1 封头的选型釜体的上下封头一般采用椭圆型或碟型，且尽可能选用标准封头。当釜内有固体物料或物料粘度较大，下封头可选用锥形封头，以便卸料。本反应釜物料黏度不大，综合考虑封头采用标准椭圆形封头，类型是 EHA。2.4.2 设计参数的确定P=1.1Pw=1.1 ´ 0.3=0.33 MPa， 而液柱静压 PL=0.053PC=0.38 MPa。因釜体设计MPa，故釜体操作查表得f=1（双面焊，100%无损探伤），取 C1=0.25 mm，C2=1 mm(双面腐蚀)。查 GB1501998 得 0Cr18Ni9 的st = 137 MPa。因为是标准椭圆封头，故应力增强系数 K=1。2.4.

25、3 封头壁厚的设计封头的壁厚公式为：KPc Di+ Ct=2stf- 0.5Pc10反应釜设计1´ 0.38 ´ 4000+ 1.25 = 6.801mm 6.805mm=2 ´137 ´1 - 0.5 ´ 0.38则需将封头的壁厚调整至与筒体的壁厚一致，故取封头 tn 与筒体一致，即tn=8 mm。2.5 筒体长度 H 的设计2.5.1 筒体长度H 的设计由表 2-3 得，当筒体 DN=4000mm 时，VF=9.0059 m3。表 2-3 筒体封头的结构与头标准 EMA 得筒体每米高容积 V1m=12.56 m3/m，则：筒高估算为 H=(

26、V-VF)/V1m=(60-9.0059)/12.56=4.06 m=4060 mm2.5.2 筒体长径比L/Di 的复核计算各类封头的直边高度h时均按如下原则确定：当封头公称直径DN2000 mm时h为25 mm；DN>2000 mm时，h为40 mm。因本设计中筒体DN=4000 mm， 故取h=40 mm。则筒体长度为：2L=H+h+h132=4060+40+(1050-40)=4773.33mm，3圆整后 L=4800 mm。LDi= 4800 » 1.2长径比复核为4000故所取长径比合理。11公称直径 DN/mm总深 H/mm内表面 A/m2容积 V/m340001

27、05017.97219.0059反应釜设计2.6 外压筒体壁厚的设计2.6.1 设计外压的确定PC=0.38MPa2.6.2 试差法设计外压筒体的壁厚设筒体的壁厚为 tn=8 mm， t=tn -C=8 - 1.25=6.75 mmD0=Di+2t=4000+2´ 8=4016mm计算临界长度：由计算得因 L=4800 mm £ 短圆筒的临界L =1.17 D（D/t）1/2cr00=1.17´ 4016×(4016/6.75)1/2=114610.52mm。=114610.52 mm，则该筒体为短圆筒。Lcr：2.59Et 2P=crD0tL D0查不

28、锈钢材料弹性模量表得 E=1.86 ´ 105 代入式中，得P =2.59 ´ 1.86 ´ 10 ´ 6.75 /4800 ´ 4016 ´(4016/6.75) =0.04521/2MPacr对于圆筒 m=3，由P=Pcr/m计算出P=0.04/3=0.013 MPa。由于PP，所以假设不合理。再取 tn=24 mm，te=tn- C=36 - 1.25=22.75 mm，D0=Di+2tn=4000+2´ 24=4048 mm。= 2.59 ´1.86 ´105 ´ 22.752则由式（2

29、.11）得： P» 1.16 MPacr40484800 ´ 4048 ´22.75而P = 1.16 » 0.386 MPaP ，故假设 S =24 mm 合理。Cn312反应釜设计2.7 外压封头壁厚的设计2.7.1 设计外压的确定PC=0.38 MPa2.7.2 封头壁厚的计算设封头的壁厚为 tn =24 mm， te=tn - C=22.75 mm，则：0.0833 ´ E0.0833 ´1.86 ´105P =» 0.49 MPa()224048æD0öçè

30、7;e ø22.75tP >PC，设计合理。综上所述，取内压和外压两者中最大壁厚，即筒体与封头 Sn=24 mm.2.8 聚合反应釜传热设计2.8.1 聚合釜夹套的设计2.8.1.1 夹套釜体 DN，PN 的确定优先采用夹套，可减少容器内构件，便于，不占有效容积。夹套壁与釜体壁间构成一个供传热介质的空间，夹套的内径 Dj 按表 2-4 确定。表 2-4 夹套的内径 Dj 与筒体 Di 内径之间的关系由表 10-4 得，Dj=Di+300=4000+300=4300 mm则 DN=4300 mm。由操作Pw=0.3MPa 查标准得 PN=0.6 MPa。13Di/mm500600

31、70018002000300030004000Dj/mmDi +50Di +100Di +200Di +300反应釜设计2.8.2 夹套筒体的设计P=1.1PW=1.1´ 0.3=0.33 MPa设计（3.2）装料系数h取 0.80。夹套高 H2 按下式估算：(0.8 ´ 60 - 9.0059)12.56H 2 = (hV -V 封）/V 1 m =» 3.10m（3.3）因为高密度丁基橡胶的密度为 0.9100.930 g/cm3，其密度与水相近，故按水计算反应物静压，即：P液 = rgh =1.0´ 103×10´ 3.9 &#

32、180; 10-6=0.039 MPa（3.4）P ´100 0P= 0.039 ´100 00.33» 11.810 > 5 0（3.5）0000所以 P液 不能忽略。PC=P+ P液 =0.33+0.039=0.369 MPa（3.6）取 f=0.85（由于检测不便，作局部检测），C1=0.25 mm，C2=1 mm，查得t=-100时 16MnR 的st=153 MPa。夹套筒体壁厚的计算：Pc Di+ C 得由公式 t =（3.7）n2stj- Pc0.369 ´ 4300+ 0.25 + 1 » 7.36mmt =n2 

33、0;153 ´ 0.85 - 0.369圆整 tn =8mm。2.8.3 夹套封头的设计2.8.3.1 封头的选型由所设计要求可得封头采用椭圆形封头，材料为 16MnR，类型是 EHA。2.8.3.2 设计参数的确定因为釜内反应物浓度和水相近，故按水来计算反应物的静压，即：P液 = rgh =1.0´ 103×10´ 3.9 ´ 10-6=0.039MPa（3.8）14反应釜设计P ´100 0P= 0.039 ´100 0» 11.82 0 > 5 0 ，所以 P 不能忽略，0000液0.33即，PC=P+

34、 P液 =0.33+0.039=0.369 MPa。2.8.3.3 封头壁厚的设计查 GB1501998 钢制容器材料的许用应力表中 16MnR 得，st=170MPa， 取 C1=0.25 mm ,C2=1 mm。KPc Di+ C ，得由公式（2.4）：t =n2stj- 0.5Pc1´ 0.369 ´ 4300+ 0.25 + 1 » 6.74mm 。tn=2 ´170 ´ 0.85 - 0.5 ´ 0.369圆整为 8 mm。大封头直边h=40 mm，查表 2-5 得 DN=4300 mm 的封头体积为 10.9883 m3表

35、 2-5 夹套封头的结构与2.8.3.4 夹套与筒体的连接方式根据夹套与筒体的连接方式不同，夹套可分为可拆卸式和不可拆卸式。本釜夹套内采用水冷却介质不易结垢，不需要经常，所以采用不可拆卸式夹套装在与筒体的连接处，做成锥型式。下封头底部有接管，夹套底部与容器封头连接方式也采用锥型式。其结构如图 2-1：图 2-1锥连接方式15公称直径 DN/mm总深 H/mm内表面 A/m2容积 V/m34300111520.583210.9883反应釜设计2.8.3.5 传热面积的校核DN=4300 mm 釜体下封头的内表面积 Fh = 20.5832 m2，DN=4000 mm 筒体 1m高的内表面积 F1

36、= 17.9721 m2，夹套高 H2 由传热面积决定，不能低于料液高度。H2 由式知为 3.10 m。由于釜内进行的反应是放热反应，产生的热量且会引起釜内温度的升高。为防止釜内温度过高，需要进行传热面积的校核，夹套所包围的釜体的表面积（筒体表面积 F 筒 +封头表面积 F 封）大于工艺要求的传热面积 F 则可不用加内盘管，否则需另加内盘管等使釜体内的热量传出。Q3176.363F 封 + F 筒 £ F = 264.696m2K (D t ) m0.3 ´ 40式中 F 筒筒体表面积，F 筒=H2×F1m=3.10×17.9721=55.7135 m2

37、F 封封头表面积，F 封=20.5832m2则 F= F 封+F 筒=20.5832+55.7135=76.2967 m2<264.696 m2 不满足要求，故需要配套蛇管。2.8.4 蛇管传热2.8.4.1 蛇管作用和型式选用本釜工艺所需的传热面积较大，夹套的传热面积不能满足要求，需另加蛇管传热。蛇管一般用管子盘旋成圆柱弹簧状，故亦称盘管，其结构如图 2-2 所示。图 2-2 螺旋形盘管由于蛇管浸没在物料中，因此热损失小、传热效果好，还可起到搅拌导流筒16反应釜设计的作用，提高了搅拌效率，但检修较麻烦。蛇管的传热面积与其管径、管长有关。为了保证蛇管内介质的流速，蛇管管径一般为 DN=2

38、570 mm。蛇管的最好尽量设置在同一端，这样可只与一个端盖相连接而使得装拆更为方便；但蒸汽加热时要上进下出，因此要将蛇管的安装在同一端的一上一下位置，以利于冷却水的排出、减少振动；有时出于工艺或结构需要，也可将体上。蛇管不宜过长，否则会因凝液积聚而降低传热效果。2.8.4.2 蛇管参数设计安装在筒管内蒸汽选为 0.5 MPa，蛇管内径 d0=50 mm，型号为f50×3.5 的无缝钢管。因为聚合反应釜产生的聚合热很大，应当采用若干并联的同心圆固定型式，但由于需要考虑防粘釜，所以只设计单列蛇管，不采用并联的同心圆型式。表 2-6 蛇管管长与管径的比值由表 2-6 得，单圈蛇管标准长为

39、 275×50=13750 mm。各圈间垂直距离通常取 1.52 的 d0 但需要考虑防止粘釜，则两圈蛇管间距离H=4d0=200 mm。所以聚合反应釜设置 14 层蛇管。由于蛇管中心直径较大，需要另设支架以增加蛇管的刚性。2.8.4.3 蛇管传热设计因为蛇管传热管内流速高，所以蛇管的传热系数 K 值比夹套的大，而且管内可以采用较高的传热介质。当系统几何特性一定时，具备有内设管的搅拌设备，其搅拌液体的对流传热数关联式是：ö 0 .1 4aD i( R e ) 0 .6 2 ( P r ) 0 .3 3 æ mN = Bç÷elmè&#

40、248;w式中 Di釜内径，m；l管壁导热系数 ，W/m·k； N搅拌浆每秒钟转数，r/s； D搅拌浆直径，m；m，ms流体的粘度及流体在侧壁上的粘度，Pa·s；17MPa0.0450.1250.200.300.50L/ d0100150200225275反应釜设计Cp热容，J/kg·K。其中 B 是根据搅拌容器的几何形状、几何本釜取 0.87。及类型确定的常数，对于æ m ö0.14在工程中一般取 0.65。ç m ÷èw ø-3 ö0.330.33æmöæ418

41、6 ´1.01´10 0.54C()0.33 pP r=1.972 ，ç÷=ç÷lèøèø0.62 æ 1000 ´ 0.05 ´ 2 ö0.62(Re)=1251，=ç÷1.01´10-3èøm ö0.14aDæi = B ( Re )0.62 ( P r )0.33N =1395.1 。ç÷elmèøw蛇管能带走的热量为：Q1=KA Dt =1

42、.404×14×11.25×3.14×0.05×50=1735.9 kW，Q2=3176.363 - 1735=1441.4 kW，Q3=KA Dt =0.3×74.3061×40=891.7 kW，所以Q3 <Q2 。2.8.5 冷凝器换热因为加上蛇管以后也不够传热面积，故需要再增加釜顶冷凝器。釜顶冷凝器的型式采用固定管板式冷凝器，安装在设备的封头处，并在中心管口或者偏心安装。其作用是热的气相介质进入到冷凝器换热管中后，经换热管进行热交换，将气相介质冷凝为液相，沿换热管壁回流到物料中，及时导出物料的反应热。通过对冷却

43、水流量的控制，使物料的温度保持在工艺要求的范围内， 以保证聚合反应的顺利进行。本设计中选用的冷凝器规格为冷凝器直径1538 mm，换热管规格38×2 mm，冷凝器面积为108 m2。2.8.6 反应釜釜体及夹套的试验2.8.6.1 釜体的试验18反应釜设计sPT=1.25P st试验的：并且 P 不小于(P+0.1) MPa，当 s >1.8 时， s 取 1.8。在此， s 取 1.0。Tststst则 PT=1.25´ 0.38×1=0.475 MPa0.38+0.1=0.48 MPa，所以取 PT=0.48MPa。试验的强度校核：pTDi + (Sn

44、- C)s=由（3.12）max2(S - C)jn0.48 ´ 4000 + (24 - 1.25)2 ´ (24 - 1.25)´1= 42.44MPa计算得=对于高合金钢，ss =310 MPa，得smax =42.44MPa<0.9ssF =0.9 ´ 310´ 1.0=279MPa，因此强度足够。2.8.6.2 釜体的气压试验气压试验的确定：sP =1.15P由公式Tst=1.15´ 0.38´ 1=0.437 MPa。计算得气压试验的强度校核：pTDi + (Sn - C)s=由公式（3.14）max2(S

45、 - C)jn0.437 ´ 4000 + (24 - 1.25)2 ´ (24 - 1.25)´1smax =» 38.64MPa得所以smax =38.64 MPa <0.8ssF =0.8´ 310´ 1.0=248 MPa，因此气压强度足够。2.8.6.3 夹套的试验试验的确定：p = 1.25 p s 且不小于( p +0.1) MPa ，当 s >1.8 时取 1.8。Tstst而 PT=1.25´ 0.3=0.375 MPa P+0.1=0.45 MPa，则 PT=0.45 MPa。19反应釜设计试

46、验的强度校核：pTDi + (Sn - C)s=由max2(S - C)jn0.45 ´ 4300 + (20 - 1.25)2 ´ (20 - 1.25)´1= 51.825MPa计算得=而 16MnR 的ss =345 MPa，故smax =51.8251 MPa<0.9ssF =0.9 ´ 345´ 0.85=263.925 MPa，因此强度足够。2.9 反应釜零部件设计2.9.1 釜体容器法兰的联接结构容器法兰联接结构由一对法兰、一个垫片、若干个螺栓和螺母构成，设计内容包括：法兰的设计、密封面型式的选型、垫片设计、螺栓和螺母的设计

47、等。2.9.1.1 法兰的设计容器法兰有甲型平焊法兰（ JB/T47012000 ）、乙型平焊法兰（ JB/T 47022000）、长颈法兰（JB/T 47032000）三种，设计时首先由法兰的公称压力 PN、公称直径 DN 和根据乙型平焊法兰的本聚合釜。容器法兰分类及参数表确定其型式。适用范围为 0.254.0 MPa 得出乙型平焊法兰适合容器法兰材料依据经验知国内是以 16MnR 钢板（200 ）为标准。综上根据法兰型式及其 PN、DN，由 JB/T47022000 容器法兰出法兰的表 2-7 所示。表 2-7 容器法兰表20公称直径 DN/ mm法兰/ mm螺栓4000DD1D2D3D4

48、SHstaa1d规格数量反应釜设计2.9.1.2 密封面的型式容器法兰的密封面型式有平面密封面、凸面、凹凸密封面、榫槽密封面、环密封面，其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。密封面的型式可根据操作介质、法兰的公称PN 、工作温度由容器法兰垫片选用表确定。由 PN0.6MPa2.5 MPa 得密封面型式为凸面。凸面密封面的特点有：（1） 结构简单，加工方便，装卸容易，易于防腐衬里；（2） 压紧面可以是平滑的，适用于 PN2.5 MPa 场合。2.9.1.3 垫片的设计垫片是螺栓法兰的（1）类型：，密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能。根据材质的不同，垫片分为金属垫片、非金属垫片和金属-非金属组合

49、式垫片三种。（2） 基本要求：a、垫片材料不污染工作介质； b、耐腐蚀性；c、具有良好变形能力、回弹能力；d、在工作温度下不易变硬、变软，可重复使用。（3） 选择：根据介质的、温度、腐蚀性、压紧面型式、兼顾价格、制造、更换是否方便选择垫片的结构、材料、；根据操作介质为有机物并带性，性；法兰的公称PN=0.6 MPa。由表 2-8 确定垫片为四氟垫，材料为聚四氟乙烯板。表 2-8 垫片选用表21介 质法兰公称/MPa工作温度 /密封面垫片型 式材料油品、油气， 溶剂（丙烷、苯、酚、糠醛、 异丙1.6200突（凹凸）耐油垫、四氟垫耐油橡胶石棉板、聚四氟乙烯板201250突（凹凸）缠绕垫、金属包垫、

50、柔性石墨复合垫0Cr13 钢带石棉板、石墨0Cr13 等骨架3760371536763656365331051016211827M2044反应釜设计垫片的由 JB47042000非金属软垫片标准得出如表 2-9 所示：表 2-9 垫片的垫片的结构如图 2-3 所示：图 2-3 垫片结构图2.9.2 螺栓、螺母设计2.9.2.1 螺栓设计设计思路和设计内容22D0 / mmdi / mmd/ mm368936093醇），石油化工原料及产品2.5200突（凹凸）耐油垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫耐油 橡胶石 棉板、0Cr13 钢带石棉板201450突（凹凸）缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫0

51、Cr13 钢带石棉板、石墨0Cr13 等骨架4.040凹凸缠绕垫、柔性石墨复合垫0Cr13 钢带石棉板、石墨0Cr13 等骨架41450凹凸缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫0Cr13 钢带石棉板、石墨0Cr13 等骨架6.410.0450凹凸金属齿形垫10、0Cr13、0Cr18Ni9451530环连接面金属环垫0Cr130Cr18Ni90Cr17Ni12Mo2反应釜设计设计思路：（1）通过计算压紧力进而算出螺栓载荷；（2）通过载荷计算出螺栓的个数和直径；（3）按标准确定螺栓准确的；（4）最后通过螺栓间距的最小值表验算螺栓间距。设计内容：a. 垫片压紧力 b.螺栓载荷计算 c. 螺栓设计 d. 螺栓间距限制。2.9.2.2 垫片压紧力已知垫片材料的性能（m，y）及垫片的计算密封宽度，计算出一定直径和下垫片所需的压紧力。2.9.2.3 螺栓载荷计算螺栓载荷计算分为预紧和操作两种工况。在预紧工况时，螺栓拉力 Wa 应等于压紧垫片所需的最小压紧载荷，即：（4.1）Wa=ybDG式中：Wa螺栓的最小预紧载荷，N；DG垫片的平均直径，取垫片反力作用位置处的直径，mm；b