毕业设计（论文）-苯胺法高压搅拌合成2-巯基苯并噻唑反应器（3m3）的设计

1、全套CAD图纸，联系QQ1538937061绪论促进剂的开展促进剂2-巯基苯并噻唑(以下简称)是一种橡胶通用型硫化促进剂，是一种淡黄色粉末或颗粒,具有令人不愉快的气味。熔点在173. 0以上;相对密度为1.48;难溶于水和正己烷,易溶于丙酮,可溶于乙醇,微溶于苯。2-巯基苯并噻唑呈酸性,硫化促进性强,硫化曲线比较平坦,且污染性小。该品低毒,刺激皮肤和粘膜,能引起皮炎及难以治疗的皮肤溃疡, 可致敏。硫化促进剂是能够加快橡胶与硫化剂反响速率的物质，简称促进剂。促进剂1既可提高硫化速率 降低硫化温度、减少硫化剂用量，同时也能使硫化橡脏的物理机械性能得到相应的改善,具有硫化促进作用快、硫化平坦性低以及

2、混炼时无早期硫化等特点，广泛用于橡胶加工工业。 的苯胺法合成工艺.1合成方法的合成方法工业上大多采用邻硝基氯苯法、苯胺法、硝基苯和苯胺混合法这3种方法。其中邻硝基氯苯法生产 由于原料价格高，生产工艺复杂，故国内大多数助剂生产企业均不采用此法。硝基苯和苯胺混合不但生产本钱低，而且可使反响产生的比苯胺法降低13，但由于存在着反响难以控制和对反响器材质要求高的问题，目前国内仅南京化工厂一家利用此法生产。苯胺法合成是我国各助剂厂普遍采用的方法。苯胺法生产的特点是原料来源稳定，操作难度小，对反响器材质要求低，其缺点是由于该法生产的粗中的含量较低(85)，焦油量大，收率较低。因此，如何完善高压合成生产工艺

3、，提高产品收率，综合利用轻组分(主要是苯并噻唑)一直是国内生产企业研究的重要课题。1.2合成原理苯胺法合成是以苯胺、和硫磺为原料,在 200300 10.0 MPa 条件下反响,生成的粗再经精制得到成品的生产方法。其原理2是苯胺和硫磺先反响生成2,2-二氨基二苯基二硫,再经酰化作用生成2, 2- 二巯基二苯硫脲,最后转化为。也就是反响方程式:原料规格：苯胺含量不小于 99.3%,水分含量不大于0.5%。硝基苯含量不大于 0.015%, 含量不小于98.5%。H2S含量不大于0.9%,残渣含量不大于0.02%。硫磺含量不小于98.5%,水分含量不大于0.3%,灰分含量不大于0.1%。材料选用针对

4、促进剂的生产，对反响釜的设计，材料选择上应考虑其物料性质对釜体的影响。在反响过程中有生成，同时反响过程压力较大，温度较高，对其进行综合性的考虑。 搅拌装置选用.1 驱动方案比照磁力驱动是把机械能转变成磁能， 再由磁能转变为机械能的过程， 是利用磁体与磁体之间能通过空气或非磁性材料的磁力作用，可非接触地进行力传递。使轴在被密封介质和大气之阀不用连接而形成无密封的搅拌，以到达绝对无泄漏。目前国内已定型的标准釜用机械密封产品,由于其设计压力等参数的限制, 已远远不能满足要求;从防止污染及平安、节能等角度出发,对轴封装置的可靠性、寿命、泄漏量和经济性等方面的要求也越来越高。3主要技术难点有:1 由于反

5、响器的工艺特点,压力、温度、物料的形态等都随时间而变化, 在压力循环和冷热循环的作用下,密封端面易变形,导致密封失效;2 由于反响器操作温度较高,机械密封在运转时,摩擦面发热及釜内的热传导,将使密封腔内温度进一步上升,从而引起摩擦面液膜汽化,产生“干运转,并加速腐蚀、磨损,加快密封圈老化,致使密封很快失效;3 该反响器操作压力接近10MPa , 密封介质压力是引起密封环变形的主要作用力, 其变形也是密封失效的主要因素之一;4 反响器搅拌轴的摆动量和振动必然较大, 因而容易使摩擦副间隙内流体液膜厚度产生变化, 摩擦副之间不能很好地贴合,有时还会将石墨环撞坏;5 间歇操作、频繁启动造成端面比压、摩

6、擦力矩反复变化,易使密封失效,寿命降低。另外,由于用户的维修技术水平不高,安装不良也很容易造成釜用机械密封的失效。所以设计时应从便于安装、检修方面加以考虑。对传统的填料密封4,虽然可以通过改良各种填料和填料函的结构提高其密封性能,但泄漏是不可防止的。因为搅拌轴都存在一定量的径向跳动和偏心,而起密封作用的润滑油膜不总是处在理想的粘着状态,所以填料只能对泄漏起节流作用而不能完全杜绝泄漏。反响釜使用机械密封可使通过动、静环接触面的泄漏减小到最小,但其制造技术复杂,安装要求高,检修工作量大,影响了釜用机械密封在危险介质中的应用。无泄漏釜用磁力传动就是为实现零泄漏而设计、制造的。其最大特点就是把搅拌轴的

7、动密封改成隔离套的静密封,从而到达不泄漏的目的。内磁钢衬在钢套上,钢套与搅拌轴相连,搅拌轴由2个轴承进行轴向固定。在内磁钢外面是隔离套,隔离套与容器相连承受容器内压力。隔离套外是外磁钢,外磁钢与减速机输出轴相连,支承轴的两轴承固定在釜盖上。由于取消了填料函轴封,所以可节能约10 %。磁力传动局部使用状况良好, 减少了环境污染, 保证了平安。由于空气被隔绝于釜外, 这对于空气氧化敏感的物料具有特殊意义, 可以因此提高产品收率和其它理化指标。由于磁力传动的特殊优点,可在条件适合的反响釜上应用,但不是所有反响釜上都能使用。如在反响过程中有较多固体产物时那么不能应用,因为固体产物可能对搅拌产生较大的负

8、载而使内磁钢滑脱。在介质温度太高时也不能使用,此时会产生退磁现象。.2 搅拌器设计方案搅拌过程有赖于搅拌器的正常运转，当然搅拌器的结构，强度液是不容无视的问题。由于搅拌操作的多样性，使搅拌器存在着多种型式。各种搅拌器在配备各种可控制流动状态的附件后，能使流动状态以及供给能量的情况出现多种变化，更有利于强化不同的搅拌过程。典型的搅拌器型式有桨式，涡轮式，推进式，锚式，框式，螺带式，螺杆式等。下面对几种搅拌器进行简单的介绍： 5 桨式搅拌器 桨式搅拌器又可分为平直叶和折叶搅拌器两种。这类搅拌器的结构和加工都比较简单。搅拌器直径d 与釜径D 之比d/ D 为0.350.8 , 其运转速度为10 10

9、0r/ min , 为大型低速搅拌器,适用于低、中等粘度物料的混合及促进传热, 可溶固体的混合与溶解等场合。运转时以剪切力为主。就平直叶和折叶两种相比较而言, 由于折叶桨式搅拌器的叶片与旋转平面形成夹角, 因此在旋转时产生的轴向流要大于平直式, 其宏观混合效果更好些。在实际生产中, 会遇到釜深液高的情况, 此时单层桨式搅拌器难以搅拌均匀, 通常采用的方法是装几层桨叶, 相邻二层桨叶间成90角交错安装。由于桨式搅拌器制造和更换方便, 因此常用于化工生产中有防腐蚀和金属污染要求的工况。 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器又可分为开启涡轮式和圆盘涡轮式两类, 每类又可分为平直叶、折叶、后弯叶三种。涡轮式搅拌器

10、外形结构上与桨式搅拌器类似, 只是叶片较多。搅拌器直径d 与釜径D 之比d/ D 为0117015 , 转速为30500r/ min。旋转时有较高的局部剪切作用, 能得到高分散度微团, 适用于气液混合及液液混合或强烈搅拌的场合, 常用于低中等粘度物料( 5 104cP) 。就开启式和圆盘式相比较而言, 其构造上差异造成开启式比圆盘式循环流量更大, 轴向混合效果更好。涡轮式搅拌器的叶片形状除了有平直叶和折叶外, 还有一种弯叶, 在搅拌中, 此种叶片受损程度、消耗功率都低, 适用于固体悬浮、固体溶解等搅拌场合。 推进式搅拌器推进式搅拌器也常被称为旋桨式搅拌器。顾名思义, 其叶片形式类似于轮船上的螺

11、旋桨。搅拌器直径d 与釜径D 之比d/ D 为012015 , 转速较高, 为100800r/ min。运转时产生较大的轴向循环流量, 宏观混合效果较好, 适用于均相液体混合等搅拌不是非常强烈的以宏观混合为目的的搅拌场合, 常用于低粘度料液( 涡轮式 桨式。反之, 高粘度料液混合时的流动形式通常是层流。由于料液高粘度这一特性, 使得搅拌时不能象低粘度料液那样依靠惯性力, 因此搅拌叶轮直径d 与釜径D 之比d/ D 尽量大, 所以应先选择锚式和框式搅拌器, 也可选螺带式。搅拌目的：均相液体混合均相低粘度液体混合流动状态为湍流, 即循环流量起决定性因素。按此特点选择的搅拌器依次为: 推进式 涡轮式

12、 桨式。非均相液体混合为了使其中一相以尽可能小的液滴状均匀分散到另一相中去, 就要求液体被搅拌时有较大的剪切力和循环流量, 以此来选择的优劣依次为:涡轮式 推进式 桨式。固液混合固液混合要求让固体悬浮于液体中需要容积循环好。如固体比重与液体比重差小时, 可选用推进式搅拌器。因为此类搅拌器为轴流型, 循环速率高。当固体比重与液体比重差大时, 那么应选用开启式涡轮搅拌器, 此类搅拌器工作时会把沉降的固体颗粒浮起来而推进式那么正好相反。气液混合与液液互不相溶混合相似, 在剪切力作用下尽可能将大气泡打碎成小气泡以增大接触面积,使之均匀分散至液相, 剪切力起决定作用, 应优先选用涡轮式搅拌器, 又以平直

13、叶圆盘涡轮搅拌器最为适宜。因为此搅拌器中间的圆盘可将气泡(一般由容器底部通入) 压至其下, 而后均匀分散至液相, 防止了气泡直接由搅拌轴短路。强化液体与器壁的传热此类操作的总体循环流量和换热面积上的高速流动起主要作用, 可优先选用涡轮式搅拌器加热方案的比照水蒸汽加热方式水蒸汽加热包括直接加热(与反响物混合) 和间接加热(预热器预热) 两种方式。一般情况下,普通的小型工厂很难能将反响物升温至280 的饱和蒸汽。因此,不能采用水蒸汽加热的方式来实现氨化反响管道化技术的连续操作生产方式。电加热方式以反响器内需要提供的热量为1333kW为例 ,这样,仅预热器需要的配电容量就已达1333kVA ,故公司

14、电力需要增容,增加固定资产投资;同时每天用于生产的耗电量将高达24 1333 = 32000kWh ,即每天的电费将高达1. 6 万元(按0. 5 元/ kWh) 。因此,从经济性角度来讲,采用电加热方式也不适宜。有机介质加热方式6由于有机介质在预热器中存在相变化,传热系数K 较大;同时,在传热过程中,传热的平均推动力tm 也较大。这样,需要的预热器的传热面积A( Q = KA tm) 较小,那么预热器的体积较小,设备费用也较少。导热油加热方式导热油具有较高的比热、导热系数和传热系数,在正常运转下可不加氮封。同时,液相导热油加热系统还具有无毒、无味,对设备无腐蚀,不需要采取防腐措施,粘度适中,

15、泵输送性能较好,不易堵塞管线或设备等特点。2苯胺法制M促进剂的工艺计算2.1最正确反响条件确实定：投料比对促进剂 收率的影响在反响温度：,压力：,反响时间 ：时,投料比对促进剂 收率的影响见下表：7 表(2-1投料比对促进剂 收率的影响编号收率 / %12345可以看出,投料比对促进剂收率有较大的影响。当苯胺用量相对过量时,促进剂 的收率较低；当苯胺用量相对减少时,促进剂 的收率显著提高；苯胺用量进一步减少时,促进剂的收率反而减小,这可能是由于副反响增加的缘故。因此,选择投料比为： 反响温度及时间对促进剂 收率的影响合成反响是吸热反响，其温度与时间成反比关系，即反响温度越低，那么所需时间越长。

16、8在投料比 =1.0：1.4：1.3时，反响釜内压力的条件下，反响温度及时间对促进剂 收率的影响见下表7表(2-2 反响温度及时间对促进剂收率的影响编号收率 / %12202402220240324026042402605240260626028072602808260280926028010280300可以看出,反响温度较低，反响时间较短时,合成反响不完全,促进剂的收率很低；当温度在,反响3h时,促进剂的收率到达95.0%;进一步提高反响温度或者延长反响时间,促进剂的收率反而降低,这主要是因为,进一步提高反响温度或延长反响时间时,副反响增多,而且温度较高时,压力控制难度增加 ,容易发生爆破现

17、象。 因此 ,适宜的反响温度为,反响时间为3h。搅拌强度对促进剂收率的影响在投料比 =1.0：1.4：1.3时，反响釜内压力的条件下，搅拌强度对促进剂 收率的影响见下表：表(2-3搅拌强度对促进剂收率的影响编号搅拌强度 收率 / %1026039041405180由表中数据可以看出：随搅拌强度对增加，促进剂的收率从86.7%提高到90%以上并趋于稳定，这可能是因为硫磺比重相对较大,投料后,容易沉在反响釜底部,不能完全溶解在二硫化碳和苯胺中,在没有搅拌时,反响的传热和传质效果相对较差 ,局部区域反响不充分,从而影响促进剂 的收率。因此,选择搅拌强度为 90r/min。促进剂的最正确工艺条件确定以

18、反响温度(因素A) ,反响时间因素B, (因素C)为考察对象，对促进剂收率进行测试，结果见下表。7表(2-4正交试验结果编号ABC收率 / %124026022402603240260426028052602806260280728030082803009280300可以看出,影响收率效果大小的次序是A B C,最正确反响条件为：反响温度：,压力：,反响时间 ：，投料比：=1.00：1.40：1.30。在此条件下,选择固定搅拌强度90做了 5次平行试验,结果分别为: 93.7%, 93.0%,92.2%,94.5%和 92.3%,工艺条件比较稳定 ,每次促进剂的收率都到达 90%以上。各种物料

19、的投料质量：物料：苯胺， , 硫磺。投料比：7温度取25查得：苯胺在25时的密度； 与的混合物在25时代密度。由文献7中可知最正确投料比为：由此可得出苯胺的质量分数：混合液的平均密度： 2-1式中：混合液的平均密度； 苯胺的质量分数； 苯胺的密度； 与的混合物密度。得出：由机械设计局部可知本设计的投料系数，即投料体积为：釜内的总投料量： 2-2由此得出各个物料的投量：苯胺：；：硫磺：基团奉献法9对应状态法的优点是通用和简捷，一般说，又有一定的可靠性，也便于计算机使用。它的缺乏之处是过于依赖临界性质，当估算值不可靠时，将使随后的对应状态法处于危险的根底上。还要指出，有许多类型的化合物，几乎所有的

20、多基团化合物，单基团化合物中的芳香酸，芳香醛，二烯烃等，至今难于估算其临界性质，因而可以说对应状态法也难于估算这些类型化合物的所有物性。基团奉献法简称基团法是把物性与分子的基团结构相联系的方法，其根本假定是纯物质或混合物的物性，对于构成此物质或混合物的各种基团对于此物质奉献值的总和，也就是说，基团法假定在任何体系中，同一种某种基团对某个物性的奉献值都是相同的。基团法定优点是具有最大的通用性。以周期表中100多个元素所组成的双原子分子就能超过3000种，三原子分子有几十万种，只以C和H组成的有机烃类化合物有工业意义的就超过万种，由这些分子构成的混合物更是难以计数，要通过实验取得这么多纯物质或混合

21、物的全部物理性质和化学性质几乎是不可能的。但是，构成常见有机物的基团仅100多种，因此假设能利用已有一些物性实验数据来确定为数不多的基团对各种物质的奉献值，就可以再利用它们去预测无实验值物系的物性值。由以上分析可知，基团法主要用于计算有机化合物的物性。大多数基团法不依赖于任何其他物性，但也有一些关系式中需要其他物性参数，例如在计算时时常引入值，计算相平衡时，要引入基团的外表积参数和体积参数等微观参数。物性估算：定温：280 定压：10MPa对促进剂的估算：.1估算促进剂的沸点：沸点一般指“常压沸点，即纯物质蒸气压是101.325kPa所对应的平衡温度。数据手册上也常常见到压力下的平衡温度，例如

22、有些物质沸点测定时，压力不是101.325kPa，这样的沸点要注明压力，许多有机物在接近常压沸点前已经分解，为了表达该物质挥发的难易，也要说明低压下的平衡温度。9在20世纪80年代，Joback提出的方法可以估算各种有机物的，平均误差12.9K。 2-3由其分子结构可知M有4个环，3个环，一个,一个，一个。查文献9表2-5可得：.2估算促进剂的临界参数临界参数包括临界温度，临界压力，临界体积，临界密度和临界压缩因子。早在1822年就发现了气液相临界现象，但是当时对此现象的认识尚很模糊，到1869年，Andrews发现，时，即使在3040Mpa压力下也不能被液化。经过一系列的后续研究，逐渐形成了

23、如下较清晰的临界点概念：每种气体都有这样一个温度，在该温度以上，无论加多大的压力，气体也不能被液化。该温度就叫临界温度，在下使气体液化的压力称临界压力，在和下单位量流体的体积称临界体积，假设用单位质量表示那么为临界密度，这个定义只适用于纯物质。9热力学关系式为： 2-4-1或简化为： 2-4-2这个定义可适用于纯物质，也可以用于混合物。临界点是流体能分成两相和不能分成两相的分界点;或者说，在临界点，处于平衡两相的热力学性质趋于一致。 临界参数是最重要的物性参数之一，很多估算方法和计算公式都以临界参数作为物性计算的参照点，例如估算各种物性广为应用的对应状态法以临界参数为根底，使用状态方程法时也离

24、不开临界参数。临界参数准确与否影响许多计算方法的成败。由于临界参数的重要性，它一直是热力学的重要研究内容之一。9用Joback法估算M的临界参数临界温度：，临界压力，临界体积：Joback法基团为：4个环，3个环，一个,一个一个。 由式： 2-5得：.3计算促进剂的偏心因子偏心因子和临界压缩因子是在对应状态法中被广泛应用的第三参数，在化工热力学计算中占有很重要的地位。的定义是： 2-6式中，是为0.7时的比照饱和蒸汽压。球形非极性气体的为0，值随分子结构的复杂程度和极性的增加而增加，因此值反映了组分的形状，也反映了分子的极性。值一般小于1，大局部在00.5之间。除外，值都是正的。如果在手册上未

25、找到值，可自行按定义进行估算，即先估算，然后寻找适宜的实验的或估算的关系，利用沸点及临界点关系，可把转化为关系。因此每一个的温度关系式都可以对应一个的估算关系，由Clapeyrou式，可得Edmister方程：9 2-7 式中 ；：临界压力。计算M的偏心因子得：.4估算促进剂常压下553K的黏度 用Przezdziecki-Sridhar法9，此方法是在Hildebrand方程的根底上，提出一个对应状态为根底的方法。 2-8 2-9 2-10式中，是熔点K，是下的液体摩尔体积，而是所求温度下的液体摩尔体积，的单位分别为K,MPa，。本法所用的数据中，是很难找到实验值的，有时也缺少值，为此原作者

26、建议配合Gunn-Yamade法，使用一的值对应温度为，求取任意温度下的。 2-11或 2-12 (2-13)原作者处理27个化合物，当时，平均误差为8.7%，最大为40%。下面将用此方法对M常压下553K的黏度进行估算：在293K时，由式(2-13)： 得： 在553K时， 同理计算得：在453.2KM的熔点时，同理计算得：根据式 (2-14)得：由式:式中：代入式中得：由式： (2-15)得：促进剂的黏度： (2-16)计算得：.5估算促进剂在553K，100bar时的黏度在石油，机械和化学工业领域中都需要不同压力下的液体黏度，即不同压力下过冷液体黏度。过冷液体黏度大于饱和液体的黏度，但在

27、低，中压下改变很小，即压力与饱和相差不大时，将无明显的变化。当压力很高时，将有较大的增加，在数百MPa下，会有数量级的增加。压力的影响还与温度有关，温度较低，压力影响越大。关联的方法以经验式为主，其中主要的有： (2-17) (2-18)以上关系式中大都以压力为变量，也有点以密度为变量。上式还以低压下的黏度为参照量。这些关系式都用来关联等温下不同压力的黏度值，假设还要关联不同温度下的实验值，还要加上温度项。10Dymond等的关联方程是有一定的理论根底的。 (2-19)此式有三个待定参数。它们又与温度有关。分别为液体摩尔体积和分子紧密堆积摩尔体积，单位均为，前者需要输入，后者需要回归求出。此方

28、程主要用与烃类。10张建侯等在前面的根底上，组合模型，提出关联式： (2-20)式中有三个与压力无关的参数，在一定温度范围内，对温度也不敏感，因而此法可同时关联温度，压力都变化的实验值。本模型用34种纯物质的1049个数据点压力范围为，平均误差为2.64%，作为比照，明显好于法的15.8%。1981年提出了经验性三参数对应估算方程： (2-21)式中，是饱和液液体黏度，是偏心因子，是蒸汽压。原作者用55个极性和非极性液体考核了本法，平均误差小于10%。本法只要及，而不要加压下液体的黏度，因此这是一个估算方法，液是唯一实用的不需要加压下数据的估算方法。加压下的还可用等的方法，该法是绝对速度理论的

29、修正，结合关系和蒸发内能可同时考虑温度和压力的影响，有如下关联式： (2-22)式中，与为两个物质的特性参数，需要试验值回归而得。用本法于106个物质，1473个点，平均误差为1.51%，明显优于张建侯等的关联式，但也明显更复杂。本法也可用于常压附近，因而可列入前面讨论，但需要的数据有一定难度，假设无必要不便使用，还要注意它仅仅是一种关联方法。10 利用方程计算M在553K,100bar时的黏度在553K时M的黏度为。 式中： 得：根据式：得： M在553K,100bar时的黏度：得：对CS2的估算.1对CS2的基团分析 由CS2的结构可知：其由1个,2个非环。.2 用法估算CS2的临界参数其

30、中临界温度=558K111法：基团为1个,2个非环。那么有：由式：得： .3计算的偏心因子9 式中：; ：临界压力。 得：.4估算常压下553K的黏度 由于0.70，所以用法进行估算91求： (2-23) 代入得： 2根据式： (2-24) 得：.5在553K,100bar时的黏度估算 在553K时，饱和液体黏度为，其物性常数： 利用方程计算在553K时的饱和蒸气压：10 得：根据式： (2-25)得：在553K,100bar下的黏度：得: 对苯胺的估算.1对苯胺的基团分析：由苯胺的结构可知其含有5个环，1个环，1个9.2用Joback法估算苯胺的物性常数临界温度，临界压力，临界体积 1Job

31、ack法，基团为：5个环，1个环，1个。由式：得：.3计算苯胺的偏心因子9 式中：; ：临界压力。得：.4估算苯胺常压，553K的黏度苯胺在553K时的 在低下，估算方法常是基于的直线关系，这种直线关系在相应带压时要发生偏离。在接近处，有几种对应状态是可被选择的，其中法三参数对应状态法最常用9 2-26在不同的下，的值见文献9表9-11。此外也可用下式求得： 2-27将代入上式得：苯胺常压，553K下的黏度：.5估算苯胺在100bar，553K下的黏度由2-4的计算可知，苯胺的饱和液体黏度为，相关的物性常数：。 利用Lee-Kesler方程计算M在553K时的饱和蒸汽压：10 2-28得：根据

32、式：得：苯胺在553K,100bar下的黏度：得：2.3.5对硫磺的估算2.3.5.1估算硫磺在常压，553K下的黏度 用法进行估算：S的物性参数：在时：。由式：得：在385.8K的熔点时，。同理可得：在553K时，。同理可得：得：由式： 得：由式：得：S在常压，553K在的黏度：得：2.3.5.2估算硫磺在100，553K下的黏度 在533时硫磺的黏度为。其物性常数为：，。利用方程计算在553K时的饱和蒸气压： 得：根据式(2-25)： 得：硫磺在553K,100bar下的黏度：得: 2.3.6物料在100bar，553K下的混合黏度：经过上述计算可知各物料在100bar，500K下的黏度分

33、别为：经比较发现，M的黏度值远大于其他物料。由此可推测：反响釜中混合物料的最大黏度值应当是收率到达最高时，即M占比例最大的时候。为了方便计算，取反响即将结束，即苯胺全部反响完时的状态作为参考。设这一时刻为。当反响到时，理想状态下，物料中含有。下面采用两两混合的方法进行混合黏度的计算。2.3.6.1计算混合物的黏度：根据坎贝尔Kandall和莫诺尔Monroe指出二元液体混合物的黏度的立方根是组成的线性函数即：11 2-29式中：混合物黏度，cp； A组分的黏度，cp； B组分的黏度，cp； 混合物中A组分的分子分数。得：那么有：2.3.6.2计算的混合物与M混合后的黏度：同理可得：那么有：方案

34、概述由于理论上对液体导热系数的推演难于成功，目前所有的估算方法都只是经验性的，方法虽然不少，但误差较大，其分类也难于严谨。对于指定温度下的的估算，沸点下导热系数可用于估算其他温度下的 ，其估算方法是法。9 2-30-1式中，M是相对摩尔质量。下导热系数可用下式： 2-30-2式中是下液体密度和比热容,是相对摩尔质量，是分子中原子数。式中的常数还可改用0.0084. 早在上一世纪就曾提出用同样的温度下的液体比热容和密度估算，以后有多种修正式，其总结可见蒔田董的专著或等的专著，这些公式例子如下： 2-31 2-32 2-33 2-34式中的单位,，。在后两个式子中，除和外，又引入了和，这些数据未必

35、是齐全的。 常用的还有对应状态法，下面对几种方法进行简要的介绍。10 1的沸点法也称法它是在自身的根底上与温度关联式结合而得的。 2-35 2)法 基于的方法，得出： 2-36在中含有及作为参数，因此此法是型方程的开展。 3双参考流体法 作为对应状态法的一种开展，等提出不固定参考流体的双参考流体法。此类方法除可用于估算热力学性质外，还可以用于估算传递性质，其中包括导热系数。根本关系式为： 2-37 2-38式中，是摩尔质量，是临界温度,是临界体积。 在下的导热系数用的沸点法估算在下的导热系数。由式： 式中： 那么有： 在一个大气压，下的导热系数用的沸点法估算在一个大气压，下的导热系数。由式：式

36、中： 那么有： 苯胺在一个大气压，下的导热系数用的沸点法估算苯胺在一个大气压，下的导热系数。由式：式中： 那么有： 硫磺在一个大气压，下的导热系数用的沸点法估算硫磺在一个大气压，下的导热系数。由式：式中： 那么有：混合物的导热系数10.1方案概述估算混合物的导热系数，考虑实际生产情况，取反响的最初状态。即当物料处于一个大气压，时的状态。液体混合物导热系数的估算方法很多，下面介绍其中常用的几种，以便作出比较，选择其中适合的方法进行下一步的计算。1方程： 2-39式中，是组元1，2的质量分率，而是纯组元的导热系数，而组元排列是。当已有一些实验值时，式中0.72可改为回归参数，即此式又可变为回归方程

37、使用。式中的还可用摩尔分率代替。2等方法： 2-40式中，可回归求得，无实验值时，可取为1，本法误差大致在7%以内。3等的方法： 2-41式中，是组元的摩尔分率，而式中的是基于法的，式中，而。此法曾对50对二元物系包括高极性物系的600个数据点进行计算，平均误差3%。经比较，最适合本设计的方法是方程。9采用两两混合的方法进行计算。.2 与的混合物导热系数首先计算与的混合物导热系数，在前面物料衡算中可知投入料量：，.用方程：式中：的质量分率； ：的质量分率； ：的导热系数； ：的导热系数。得： .3苯胺与的混合物混合后的导热系数估算苯胺与.用方程：式中：苯胺的质量分率； ：混合物的质量分率； ：

38、苯胺的导热系数； ：混合物的导热系数。得：2.5反响热的估算2.5.1 生成焓有关CHL，298的估算运用Cardozo法，参考文献10184页 式6-1b、式6-2、式6-3及表6-1。CHL，298=-196.98-610.13N 2-42N=Nc+式中，N是当量链长，Nc是化合物中碳原子总数，Ni是各种结构的和相态的修正系数表2-1。式2-42是与气态水相照应的燃烧热。与气态水相照应的生成焓可由下式求得：fH298=-393.78Nc-121.00(NH-NXFCLBrIS-CHL，298 2-43式中，Nc、NH、NF、NCL、NBr、NI 和NS分别是化合物中碳、氢、氟、氯、溴、碘和

39、硫的个数，而NX是卤原子总数。那么与液态水照应的生成焓应加上1mol该物质燃烧生成的水的汽化热。如下表格摘自Cardozo法计算燃烧热修正系数表，得：表 2-1燃烧热修正系数表物质种类修正结构NilY1苯环M1伯胺S硫基U硫醚M3叔胺D11-烯烃W伯硫醇2.5.1.1苯胺的生成焓(298K)从表 2-1查得苯胺的各种结构和相态的修正系数，N=Nc+将N代入式2-42得苯胺与气态水相照应的燃烧热:CHL，298苯胺与液态水相照应的燃烧热:CHL，2987/2=-3424.24 KJ/mol代入式2-43得苯胺与液态水相照应的生成焓：fH298=-393.78Nc-121.00(NH-NX)-FC

40、LBrIS-CHL，298H -CHL，2987 -(-3424.24) KJ/mol2.5.1.2 的生成焓(298K)从表 2-1查得的各种结构和相态的修正系数,N=Nc+将N代入式2-42得与气态水相照应的燃烧热:CHL，298与液态水相照应的燃烧热:CHL，2985/2=-4594.389 KJ/mol代入式2-43得与液态水相照应的生成焓：fH298=-393.78Nc-121.00(NH-NXFCLBrIS-CHL，298H -CHL，2985 -(-4594.389) =1232.929 KJ/mol2.5.2苯胺生成的反响热(表 2-2) 物质生成焓物质CS2(g)SsH2S(

41、g)CO2(g)fH298KJ/mol0查文献12附录，可得以下物质的比热容Cp,mCp,m=a+bT+cT2 KJ/molab 103c 106CO2(g)H2S(g)O2(g)CS2(g)H2O(g)30.00N2(g)S(s,斜)Cp,m苯胺，l=190.8KJ/molCp,m硝基苯,l=185.8KJ/mol苯胺生成的反响热：2l+ 2 CS2g+ S s2 l+ H2Sg298K时，苯胺生成的反响热为：rHm(298K)= fHmi =-20.146+2 =1786.052 KJ/mol运用文献9153页式5-27及表5-7，如下：Cpl=+T+T2 基团aibi(K-1)di(K-

42、2)M中包含的数目CB-H4CB-C2CB-CN1S-(C)21S-(H)(C)将上表各基团值代入式，得：=+T+T2=42.2609+21.5070+1.9389+9.2306+10.994+-4-20.13306+3.0269-3.0087-3.2113T+40.12592+2 -0.47276+0.45625+0.47368T22 =(产物)-(反响物) 210-3T10-310-3T) =-12 从而，可由298K时的反响热计算其他温度下的反响热533K加热到2600C时的反响热为： 由上述计算可推知整个反响所需的热量 理想情况下，反响至533K时需吸收的热量为：59058 15.05

43、+2.12103103=2.5.3总传热量的计算：对生产促进剂反响釜加热数据作为参考，以大致计算本设计反响釜加热所需热量。由生产数据可知：电压：，电流：，通电加热时间：。由式：计算中电压采用平均值原那么，即：。反响釜投苯胺为440反响釜的2.7倍。即：3 机械局部设计3.1.1反响釜的操作容积反响釜的全容积，由设计要求来确定，即： 3-1参考文献13，取装料系数，那么反响釜的操作容积为： 3-23.1.2筒体的根本尺寸本设计的釜体形式采用常用的圆筒形，根据生产及设计的需求，封头形式采用椭圆形。筒体内径的计算，取高径比。14 3-3式中：筒体内径，； 反响釜的全容积，； 筒体高径比。得出： 3-

44、4经圆整后14筒体高度的计算： 3-5式中：釜体筒体的高度，； 反响釜的全容积，； 釜体下封头容积14， ； 反响釜一米高的容积14，。那么有：经圆整后，反响釜的实际容积计算： 3-6式中：反响釜的实际容积，； 反响釜一米高的容积，；釜体筒体的高度，； 釜体下封头容积，。将其代入式中可得：反响釜的实际总传热面积计算： 3-7式中：反响釜的实际总传热面积，；一米高的筒体内外表积14，； 筒体加热高度，； 罐体下封头外表积14，。得出：3.1.3罐体筒体厚度计算：3.1.3.1极限应力的取法根据特殊的反响性质，本设计的反响釜筒体采用设计。同时根据生产要求，操作压力，操作温度。由此得出以下参数：设计

45、压力：,圆整后取15；设计温度：15；液注静压力：，其中为罐体装满水所承受的静压力，即：都是水的参数。计算得出： 计算压力： 筒体厚度的计算： 3-8式中：筒体厚度，； 计算压力，； 筒体内径，；材料的许用应力；焊接系数。许用应力的选择是强度计算的关键，是容器设计的一个主要参数，许用应力以材料的极限应力为根底，并选择合理的平安系数，即：16 选用哪一个强度指标作为极限应力来确定许用应力，与部件的使用条件及失效准那么有关，根据不同的情况，极限应力可以是和。对于由塑料材料制造的承压件，应保证其在工作时不会发生全面的塑性变形，即大面积屈服，以防止材料发生应变硬化，强度升高，塑性，韧性和耐腐蚀性降低。

46、一般都已屈服点或屈服强度作为确定许用应力的根底。对于脆性材料或没有明显屈服点的塑性材料，常以抗拉强度来确定许用应力，即以材料的断裂来作为限制条件。对于锅炉和压力容器的承压部件，其最大的不平安性是断裂，而且以来确定许用应力有悠久的历史，已成习惯。因此，对于工作壁温为常温时，其许用应力应满足上述塑性变形和以断裂为限制这两个条件，即许用应力 3-9-1特别是对于高强度钢制的承压部件，以为基准确定许用应力就更为必要。对于工作壁温高于常温而低于高温的中温容器承压部件，其许用应力： 3-9-2对于高温条件下到达材料蠕变温度，即对碳钢和低合金钢，络钼合金钢，奥氏体不锈钢的承压部件，一方面要考虑高温蠕变，另一

47、方面还要考虑材料的长期高温指标。因此，高温承压部件的许用应力： 3-9-3其中：常温下材料的抗拉强度，屈服点和屈服强度，；设计温度下材料的抗拉强度，屈服点和屈服强度，；抗拉强度，屈服点屈服强度，蠕变极限和持久强度的平安系数。3.1.3.2平安系数及其取法16平安系数的合理选择是设计中一个比较复杂和关键的问题，因为它与许多因素有关，其中包括：计算方法的准确性，可靠性和受力分析的精确程度；材料的质量，焊接检验等制造技术水平；容器的工作条件，如压力，温度和温压波动及容器在生产中的重要性和危险性等。平安系数是一个不断开展变化的参数，按照科学技术开展的总趋势，平安系数将逐渐变小。目前我国推荐的中低压容器

48、用材和螺栓的平安系数见下表：表3-1钢材的平安系数材料平安系数常温下最低抗拉强度常温或设计温度下的屈服点设计温度下经10万h断裂的持久强度的平均值设计温度下经10万h蠕变率为1%的蠕变极限碳素钢，低合金钢高合金钢表3-2螺栓的平安系数材料螺栓直径/热处理状态许用应力/取以下各值中的最小值碳素钢热轧，正火低合金钢马氏体高合金钢调质奥氏体高合金钢固溶*，但不超过/1.5。此规定不适用于法兰或其他有微量永久变形就产生泄漏或故障的场合。应该指出的是，关于材料的许用应力，有关技术部门已根据上述原那么将其计算出来，设计者可以根据所用材料的种类，型号，尺寸规格及设计温度直接查取。3.1.3.3焊接接头系数1

49、3焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区；结构钢性约束造成焊接内应力过大等。焊缝区的强度主要取决于熔焊金属，焊缝结构和施焊质量。设计所需焊接接头系数的大小主要根据焊接接头的形式和无伤检测的长度比率确定。具体按下表选取：表3-3焊接接头系数焊接接头结构焊接接头系数100%无伤检测局部无伤检测双面焊点对接接头和相当于双面焊的全焊透的对接接头单面焊点对接接头沿焊缝根部全长有钢板3.1.3.4厚度附加量容器厚度附加量包括钢板厚度的负偏差和介质的腐蚀余量，即 3-10，且不超过名义厚度的6%时，钢板的厚度负偏差可以忽略不计。

50、为防止容器元件由于腐蚀，机械磨削而导致厚度减薄削弱，对于工作介质接触的筒体，封头，接管，人手孔及内部构件等，应考虑腐蚀余量。对有腐蚀或磨削的元件，应根据预期的容器寿命和介质对金属材料的腐蚀速度来确定腐蚀余量，即 3-11式中，为腐蚀速度，可有材料腐蚀手册查得或由实验确定；为容器的设计寿命。容器的设计寿命除有特殊要求外，对塔，反响器等主要容器一般不应少于15年。13腐蚀余量的选取原那么和方法：；对于不锈钢，当介质腐蚀性极微时，可取.除上述情况以外的其他情况，筒体和封头的腐蚀余量按下表确定。表3-4筒体和封头的腐蚀余量腐蚀程度腐蚀速度/腐蚀余量/腐蚀程度腐蚀速度/腐蚀余量/不腐蚀0腐蚀2轻微腐蚀1

51、严重腐蚀33.1.3.5钢板厚度钢板厚度是一个标准化的问题，设计所需的容器厚度须符合冶金产品的标准。下表是常用的钢板厚度尺寸系列。13表3-5钢板常用厚度101112141618202225283032343638404246505560657075808590951001051101151201251301401501601651701801851901952003.1.3.6材料的许用应力本设计使用的材料为，对其进行许用应力的计算：查文献13P305可知：在300时，=400。 3-12得出：，即 对于钢板的厚度附加量，首先根据相关规定，钢板的厚度负偏差取2。由于选用的材料和反响釜的工作环

52、境，对于腐蚀余量可以忽略不计,那么： 焊接系数根据上述规定，取。那么筒体的计算厚度为：可知筒体的设计厚度与计算厚度相同，名义厚度，经圆整后，筒体的名义厚度。3.1.3.7压力试验及其强度校核15水压试验： 3-13式中：水压试验应力，； 水压试验使用压力，； 筒体内径，； 筒体的有效厚度，； 的屈服强度，得：即水压试验强度足够，筒体厚度可以使用。3.2 封头设计计算3.2.1罐体下封头厚度计算筒体的上下封头均采用椭圆封头，上封头与筒体间采用法兰连接，下封头与筒体采用焊接。上封头需根据法兰尺寸确定，因此先确定下封头的尺寸。为防止下封头与筒体在切线处产生额外的弯曲应力，应尽量使封头和筒体的中性层在

53、切线相交。因此封头的中性层半径应接近筒体中性层的半径：17R=600+85/2=那么封头半径应接近为r=600+85=685mm封头与筒体材料相同，那么 3-14得出：，即 3-15式中：筒体厚度，； 计算压力，； 筒体内径，；材料的许用应力；焊接系数。得出：罐体下封头设计厚度： 3-16得：经圆整后，罐体下封头的名义厚度。上封头采用同样的计算方法，初步定为与下分头的壁厚相同，即根据要求为补偿加在封头接管上的未定外部载荷，连接处须增加约30%的壁厚，上封头壁厚方可以满足要求。封头无法整体制造，必须制造一段球冠形过渡段与筒体过渡。.2法兰的密封设计根据文献17介绍，此反响器宜采用双锥密封。双锥密

54、封是一种半自紧式密封，其结构形式如下图。在密封锥面上放有1，深为1的半圆形沟槽。双锥环置于筒体与顶盖之间，借助托环将双锥环托住，以便于装拆，托环用螺钉固定在端盖的底部。操作时，介质压力使顶盖向上抬起而导致双锥环向外回弹，这和强制密封的平垫片回弹原理是相似的。双锥密封的优点为： 结构简单，制造容易，加工精度要求不太高，因而生产周期较短； 这种密封结构可以用于较高的压力、温度和较大直径范围内； 由于双锥环的径向自紧作用，故在压力和温度波动不大情况下，密封性能仍然良好。 主螺栓预紧力比平垫密封较小。双锥密封适用于的容器。.2.1双锥环结构尺寸的选取如图3-1a、b所示，双锥环的结构尺寸可按下述关系选

55、定： 图 3-1(a) 双锥密封结构 (b) 双锥环结构图圆整为94； 3-17-1圆整为52； 3-17-2圆整为25； 3-17-3；1238 式中：容器内径； 双锥环中点处的弯曲应力，一般可按50100选取； 双锥环密封面锥角及公差为，粗糙度；平盖及筒体端部密封面锥角及公差为，粗糙度。.2.2主螺栓设计计算1螺栓载荷 在预紧状态下主螺栓的预紧截荷由式4-423 3-18得：式中，垫片系数按表7-2取为, 。在操作状态下，介质受压后，封头略为向上抬起，有趋势要和筒体端部脱离，因而在上、下两个锥面上产生和预紧时相反方向的向上、向下磨擦力F。介质升压后主螺栓的载荷由以下三方面构成：a.介质压力

56、作用在封头上直接引起的轴向力：由公式 17 3-19得： b.介质压力作用在双锥环内圆外表，并通过锥面而传递到主螺栓的轴向力由公式 17 3-20得：c 由于双锥环在预紧时径向收缩g值的回弹，导致双锥环抵紧在筒体端部和封头上而引起的轴向压力由式17 3-21得： 式中：E双锥环材料在工作温度下的弹性模量，查表5,得：； 双锥环的横截面积； 双锥环内圆柱外表和封头突出局部外圆柱外表之间的径向间隙，一般取那么操作状态的主螺栓载荷Wp由上述三个方面组成： 3-22得 然后由螺栓预紧载荷配以常温时螺栓材料的许用应力，操作载荷Wp和设计温度时螺栓材料的许用应力，确定和,并取其中之较大值为螺栓设计面积，螺

57、栓的实际面积应等于或略大于。2主螺栓直径计算a.现选取螺栓材料为b.取螺栓个数n=32那么螺栓直径由式7-85推出取螺栓规格为M606.3法兰设计计算.3.1筒体端部法兰设计计算初步确定法兰图3-2所示，现对筒体端部进行校核。筒体端部材料为，。螺栓总截荷：筒体端部与筒体连接处的强度按下式校核取壁厚附加量,焊缝系数。图3-2筒体端部法兰尺寸示意图 在时，所以连接处的强度校核平安通过。作用在纵向断面的弯曲应力的计算作用于纵向断面的弯矩按下式17计算 3-23式中：； ；其中 3-24 3-25 3-26 3-27 3-28 3-29可得：筒体端部纵向断面抗弯断面的计算 3-30式中按下式计算17

58、可得：得出：筒体端部纵向断面上弯曲应力的计算18，得： 3-31此弯曲应力小于筒体端部材料的许用应力,故平安。.2封头法兰的设计计算初步确定法兰所用材料和封头材料相同，即 。 上封头厚度确定根据3.1.1中的计算可知：上封头壁厚。封头与法兰连接处的强度按下式校核取壁厚附加量,焊缝系数。在时，所以连接处的强度校核平安通过。作用在纵向断面的弯曲应力的计算1作用于纵向断面的弯矩M按下式18计算式中：； ； ； ； ； ；。其中可得：法兰端部纵向断面抗弯断面的计算式中按下式 17 可得：得出：法兰端部纵向断面上弯曲应力的计算17，得：此弯曲应力小于筒体端部材料的许用应力,故平安3.3 U型夹套设计.1

59、 确定夹套尺寸 设计条件设计温度为夹套内径夹套壁厚(名义壁厚)夹套用封口锥封闭,封口锥半顶角应为封口锥封口锥过渡区的转角半径为夹套的封口锥与夹套圆筒的焊缝应为全焊缝结构夹套封头焊缝处的连接圆直径 U型夹套强度计算适用条件校核根据文献19第957页:直径比应满足得：满足条件。壁厚与直径比满足即：满足条件。封口锥过渡区的转角半径应满足： 3-32满足条件。其中容器外壁至夹套中间的距离,mm。 3-33 夹套封头必须焊在容器夹套上,它们在焊接处的连接圆筒直径应满足满足条件。.2 U型夹套容器的强度计算.2.1筒体稳定性校核与设计稳定性校核筒体内工作时的设计压力为,有效厚度为时,可满足筒体的强度要求.

60、pa.计算圆筒的外压失稳情况.根据文献15关于外压计算长度的规定,对于带有折边锥壳的容器,还应计入直边段和折边局部的深度.即计算长度根据文献15P74页临界长度： 3-34因为,故该圆筒为短圆筒,按短圆筒的公式进行校核.根据文献15P129页短圆筒临界压力按美国海军水槽公式计算: 3-35圆筒在的作用下,产生的轴向应力为 3-36根据文献15P129页为避开材料的弹性模量E(因其在塑性状态时为常量),采用应变表征失稳时的特征.无论长圆筒还是短圆筒,失稳时的周向应变(按单向应力时的虎克定律)为 3-37失稳时周向应变仅与筒体结构特征参数,有关,可用函数式表示根据文献15图4-6,外压或轴向受压圆