年产1000吨对苯二甲酸二辛酯项目主要设备设计计算说明书

年产1000吨对苯二甲酸二辛酯项目主要设备设计计算说明书“龙沙杯”华南地区第三届大学生化工设计创业大赛年产1000吨对苯二甲酸二辛酯项目主要设备设计计算说明书XX学院DOTP项目设计策划团队指导老师：二○○九年八月一搅拌反应釜31搅拌反应釜尺寸设计31.1反应釜体积31.2反应釜直径和高度31.3壁厚41.4夹套42搅拌器设计选型52.1叶轮尺寸确定52.2挡板52.3搅拌器的转速62.4搅拌器功率63搅拌轴设计73.1轴强度计算73.2轴刚度计算84传动装置94.1电机94.2减速器95反应釜传热计算105.1夹套内壁对釜液的传热系数105.2釜壁及垢层传热系数105.3夹套内联苯对釜壁给热系数115.4夹套总传热系数126夹套传热面积126.1所需夹套传热面积126.2夹套实际传热面积127附件及开孔设计137.1开孔及补强137.2轴封137.3底座147.4支座15二水洗釜161水洗釜尺寸设计161.1水洗釜体积161.2水洗釜直径和高度171.3壁厚172搅拌器设计172.1液层高度172.2叶轮182.3搅拌器的转速182.4搅拌功率183搅拌轴设计193.1轴强度计算203.2轴刚度计算204传动装置214.1电机214.2减速器215附件及开孔设计225.1开孔225.2轴封225.3支座23三乙二醇蒸发器241主要参数242蒸发器选型243蒸发量、加热蒸汽消耗量及传热面积的计算243.1蒸发量253.2加热蒸汽消耗量253.3蒸发器的传热面积264蒸发器主要结构尺寸的计算264.1加热管的选择和管数的初步估计264.2循环管的选择264.3加热室直径及加热管数目的确定274.4分离室直径与高度的确定275蒸发装置的辅助设备及开孔设计285.1接管尺寸的确定285.2气液分离器285.3蒸汽冷凝器295.4淋水板的设计295.5封头的选择315.6底座的选择315.7法兰的选择326计算结果汇总32四过滤器33五其它设备331容器储罐类331.1异辛醇原料储罐331.2异辛醇计量罐331.3搅拌配料罐341.4分液罐342换热类342.1混合气体（乙二醇、异辛醇）冷凝器342.2DOTP产品冷凝器352.3乙二醇产品冷凝器353机泵类353.1异辛醇进料泵353.2联苯输送泵363.3料液输送泵36一搅拌反应釜1搅拌反应釜尺寸设计1.1反应釜体积由物料衡算结果可知：

生产每釜成品需要废涤纶的质量为：584.53kg；

废涤纶密度，需要异辛醇的质量为：1187.32kg；

异辛醇密度则废涤纶所占体积：

0.424m3，异辛醇所占体积：1.427m3所以物料总体积为：0.424+1.427=1.851m3由于还有催化剂的加入，故取V=1.860m3考虑到废涤纶较松散且呈沸腾状态及釜内安装的附件，参照《化工设备设计基础》，根据标准投料系数范围，取反应釜投料系数为0.7，则所需反应釜体积为：m31.2反应釜直径和高度参照《化工设备设计基础》，取反应釜的长径比H/Di＝1.2，反应釜的内径Di由下式估算：由1.1的所得数据及长径比，代入以上公式可求得内径为：1.353m，取圆整值1400mm。

选取标准反应釜，具体参数如下：

釜体容积2.689m3，封头容积=0.421m3，选取釜体壁厚s=10mm，封头直边高度40mm，曲边高度350mm，内表面积F=2.306m2。

则筒体高度为：m，取圆整值1.5m。

所以釜的总高度：＝m1.3壁厚根据设计任务，反应釜工作时压力为0.3MPa，内径＝1400mm，取设计压力p为0.33MPa。

原材料腐蚀不强，从经济方面考虑，反应釜采用通用材料0Cr18Ni9，查《化工设备机械基础》附表得知0Cr18Ni9材料在205℃、H/=1.2时，圆筒的壁厚选用10mm，其许用压力为0.38MPa；

椭圆封头厚度同釜壁，选用10mm，许用压力为0.49MPa，大于设计压力0.33MPa，均符合设计要求。

1.4夹套选用常用的不可拆式连接结构，夹套与内筒之间采用焊接，加工简单，密封可靠。

考虑加热介质性质，选取夹套材料与釜体一致，材料型号为0Cr18Ni9。

夹套所需壁厚由下式计算：夹套内压为0.15MPa，计算压力=0.151.1=0.165MPa，查得在设计温度下许用压力为122MPa，焊接系数取0.9，腐蚀裕量C取2mm，故=3.05mm考虑容器在制造、运输及安装过程中的刚度强度要求，参照《化工设备机械基础》，选取夹套壁厚为8mm。

夹套内径按釜尺寸系列选取，以利于按标准选择夹套封头，夹套的内径取1400+100＝1500mm，符合压力容器的公称直径。

夹套筒体高度由下式估算：

＝＝＝0.950m反应釜筒体与上封头采用法兰连接，考虑物料的反应情况，选取夹套筒体高度＝1.2m，夹套顶边距离法兰的高度H0＝1.5-1.2＝0.3m，符合釜体法兰螺栓的装拆距离。2搅拌器设计选型反应釜内为液固非均相反应，考虑到加入的物料及物料粘度，选用斜桨式搅拌器。

2.1叶轮尺寸确定依据《化工设备设计基础》：

取＝0.5，即叶轮直径d＝14000.5＝700mm取＝6，即叶片宽度B=d/6＝700/6＝116.7mm，取120mm。

取＝0.25，即叶轮的安装高度C＝0.251400=350mm取Z＝2，即叶片数为2。

2.2挡板为了消除“圆柱状回转区”和“打漩”，以及为了避免固体堆积或液体粘附，在反应釜采用离壁安装的竖挡板，挡板数为4，板宽为釜体内径的1/10，即B=140mm。

挡板与釜壁的缝隙为板宽的1/6，即1401/6＝23.33，取25mm。

2.3搅拌器的转速搅拌器的转速n、直径d与叶端切线速度u之间有如下关系式：

叶端切线速度反映了搅拌作用的剧烈程度，根据搅拌目的、物料性质等来确定，桨式搅拌器的切线速度范围：1.0～5.0m/s，取u＝3m/s，则转速：r/min2.4搅拌器功率依据《化工厂设计》之搅拌器设计，斜式搅拌器消耗的功率按罗顿、顾斯许和爱弗兰脱等导出的一般关联式计算：功率函数＝，以及系数、、（与搅拌器的几何尺寸有关）及雷诺数的值按下列公式计算：代入各数值，得：其中料液混合黏度＝=3.3661.10610-3＝3.72310-3kg/。

由值查桨式搅拌器功率函数图（—关联图），得＝0.53。将以上数值代入总公式，得：所以搅拌器功率的消耗为：kW考虑温度计套管等附件后搅拌功率消耗，则：＝1.2＝2.71.2＝3.24kW3搅拌轴设计根据轴的各方面要求较高的特点，选用经过调质处理的45钢作为轴的材料，其许用扭转应力为：

=30~40MPa。

3.1轴强度计算轴的扭转强度条件是：

式中：——轴横截面上的最大剪应力，MPa；

——轴所传递的扭距，；

——轴的抗扭截面系数，；

——降低后的材料的许用应力，MPa。45钢取30MPa~40MPa。

而对于实心轴，＝2.51kW，取=30MPa，则＝36.753.2轴刚度计算为了防止搅拌轴产生过大的扭转变形，从而在运转中引起振动，影响正常工作，应把轴的扭转变形限制在一个允许的范围内，即规定一个设计的扭转刚度条件。工程上以单位长度的扭转角不得超过许用扭转角作为扭转的刚度条件，即式中：——轴扭转变形的扭转角，/m；

G——搅拌轴材料的剪切弹性模数，MPa，对于碳钢及合金钢为8.1104MPa；

——轴截面的极惯性矩，mm4，对于实心轴＝；

——许用扭转角，/m。对于一般传动搅拌轴，＝0.5~1.0/m，取0.5/m，由上述可得实心轴直径：＝25.02搅拌轴的直径应同时满足强度和刚度两个条件，取两者较大值，即取d＝36.75，考虑到轴上键或孔对轴横截面的局部削弱，以及介质对搅拌轴的腐蚀，将搅拌轴直径增大并圆整，以便与其他零件相配合，取直径d=45。

4传动装置4.1电机与主反应釜相同，除了考虑搅拌液体时克服流体摩擦阻力所消耗的功率之外，还要考虑水洗釜空转时，克服机械摩擦阻力所需的功率。因此马达运转时的实际功率是两者之和。参照主反应釜，马达运转时实际功率＝2.51+1.5＝3.66kW。

一般情况启动功率可达运转功率的1.5倍，3.661.5＝5.49kW，所以实际选用5kW的马达。选用1500r/min的Y系列三相异步电动机，安装形式为V1型，型号为Y200M-4，参数如下：

电动机的选型及相关参数项目数值及说明电动机类型Y系列三相异步电动机标定型号Y200M-4功率kW5频率Hz50电压V380转速r/min1440标准编号GB755-874.2减速器与主反应釜相似，根据设计需要，选用立式摆线针齿行星减速机，型号为：

BLD5.5-4-17，参数如下：

减速器的选型及相关参数项目数值及说明减速机类型摆线针齿行星减速机标定符号BLD7.5-4-17公称出轴转速r/min85公称减速比175附件及开孔设计5.1开孔轴孔与搅拌轴相符，取45mm；

进、出料孔取50mm；

测温孔取25mm；

入水孔取60mm。

水洗釜为常压操作，不用补强。

5.2轴封水洗釜是常压操作，采用一般的石墨石棉填圈密封。

选用配套的JXLD型机座，各部分尺寸如下：

JXLD型机座选型及相关参数JXLD型Ⅰ型机型轴径dHH3重量kgJXLD665660156130外型及联接尺寸H1H2H4D1D2D3D4D5D6n1-M1f2b2n2400205504003603165304804108-M128221218联轴器：选用刚性突缘式联轴器。

5.3支座选用耳式支座，形式、结构、规格尺寸、材料及安装要求按JB/T4725-92《耳式支座》作标准，采用A型耳式支座，标准耳式支座材料选用Q235-A·F。

设备总重量估算：

①每釜料液质量：

②水洗釜设备质量：

筒体质量：

上、下封头的质量：

kg则kg③传动装置质量：考虑电动机、减速器、搅拌机及机座等附属构件，约310kg故水洗釜设备和物料总质量为：2035+558.57+310＝2903.57kg即总重量为：G＝2957.57×9.81＝28484.02N设备总重量约为30kN，依据釜径及支座系列标准，选用允许载荷为60kN的A型支座，各参数尺寸见下表：

A型支座系列参数尺寸支座号支座本体允许载荷适用容器公称直径DN高度H地脚螺栓支座质量（kG）d规格A型4601000～202125030M2411.1底板筋板垫板l1b11s1l2b22l1b11e20014014701601608315250840标记为：JB/T4725-92，耳座A4，材料为Q235-A·F。

三乙二醇蒸发器1主要参数：180.00kg；

：1431.67kg；

：1593.67kg料液浓度：0.11质量分率；

产品浓度：0.9质量分率处理量:1593.67加料方式：泡点进料原料液温度：50℃混合液汽化的温度：104.5℃2蒸发器选型中央循环管式蒸发器适用于处理结垢不严重、腐蚀性较小的溶液。这种蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用十分广泛，有“标准蒸发器“之称。

本次设计采用的是中央循环管式蒸发器，蒸发过程中采用饱和蒸汽间壁加热。常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。

3蒸发量、加热蒸汽消耗量及传热面积的计算由已知：原料液流量为1593.67=1593.67/1=1594kg/h。设计加热蒸汽的绝对压强为0.4MPa，蒸发室的绝对压强为0.12MPa；

根据《化工原理（上册）》表5-2蒸发器的总传热系数K值选取蒸发器的平均总传热系数为1200W/。

因为乙二醇的质量；

水的质量为所以原料液组成=（质量分数，下同）本设计将乙二醇提纯到90%，此时完成液组成为0.9。

3.1蒸发量蒸发量的计算公式为3.2加热蒸汽消耗量因乙二醇水溶液组成较大时，稀释热不能忽略，应用溶液的焓衡算求加热蒸汽消耗量，即由《化工原理》上册附表查得压强为0.4MPa时饱和蒸汽压的参数为：温度=143.4℃蒸汽焓液体焓由《化工原理》上册附表查得压强为0.12MPa时饱和蒸汽压的参数为：温度=104.5℃蒸汽焓原料液的焓，完成液的焓将已知值代入焓衡算式：解得D=1691kg/h而Q=D；

一般用允许值为本次设计取允许的蒸发体积强度U为1.5。

利用此关系确定高度和直径时应考虑如下原则：

分离室的高度与直径之比。对于中央循环管式蒸发器，其分离室一般不能小于1.8m，以保证足够的雾沫分离高度。分离室的直径也不能太少，否则二次蒸汽流速过大，导致雾沫夹带现象严重。故本次设计取分离室的高度为1.9m。

在条件允许的情况下，分离室的直径尽量与加热室相同，这样可使结构简单制造方便。

高度和直径都适于施工现场的安放。

故分离室直径为，取圆整值高径比在1~2范围内。

5蒸发装置的辅助设备及开孔设计5.1接管尺寸的确定（1）溶液的进出口取规格管。

（2）加热蒸气进口与二次蒸汽出口取规格管。

（3）冷凝水出口取规格管。

5.2气液分离器蒸发操作时，二次蒸汽中夹带大量的液体，虽在分离室得到初步的分离，但是为了防止损失有用的产品或防止污染冷凝液，还需设置气液分离器，以使雾沫中的液体聚集并与二次蒸汽分离，故气液分离器或除沫器。

选择惯性式除沫器，其工作原理是利用带有液滴的二次蒸汽在突然改变运动方向时，液滴因惯性作用而与蒸汽分离。

在惯性式除沫器的主要尺寸关系：

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其中：；

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。

由加热蒸气进口与二次蒸汽出口接管尺寸，所以：

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；从管规格表格中选用相近的标准管如下：5.3蒸汽冷凝器蒸汽冷凝器的作用是用冷却水将二次蒸汽冷凝。二次蒸汽与冷却水直接接触进行热交换，其冷却效果好，结构简单，操作方便，价格低廉，因此被广泛采用。

所以，选用多孔板式蒸气冷凝器。

冷凝器的直径选5.4淋水板的设计淋水板数：，淋水板取4块淋水板间距：；

L末0.15m又L0=D+m；

取所以取：；

弓型淋水板的宽度：

最上面一块=（0.8~0.9）D，其他各淋水板B=D/2+0.05m所以，淋水板堰高h：D500mm,所以h=40mm淋水孔径：冷却水循环使用,取d=10mm淋水孔数：淋水孔冷却水流速；因为计算值值偏低，故设计取一般当冷却水温升高2～3℃时，单位面积冷却水量约为1～1.7m3/（㎡·h），本次设计水进冷凝器温度为25℃，出冷凝器的温度为45℃。故取：X=30kg由上面的计算可知：实际取将上面的计算所得的数据待入下式，可以计算得淋水孔数为：考虑到长期操作易堵,最上一板孔数为其他各板孔数为5.5封头的选择一般情况下蒸发罐多采用半椭球形封头和碟形封头,,本设计采用标准半椭球形封头封头,具体参数见下表所示：

标准半椭球形封头封头材料碳素钢低碳合金钢复合钢板不锈钢封头壁厚/mm4~810~18203~910~1820直边高度/mm254050254050设计蒸发罐所用的材料为低碳合金钢，为了方便，上下封头材料也选择低碳合金钢,壁厚为10mm，所以选择直边高度为40mm。

5.6底座的选择底座的选择主要考虑设备试水质量，本设计的试水质量为1431.67kg,

依据加热室的直径及支座系列标准，选用允许载荷为20kN的A型支座，各参数尺寸见下表：

A型支座系列参数尺寸（mm）支座号支座本体允许载荷适用容器公称直径DN高度H地脚螺栓支座质量（kG）d规格A型220500～100016024M203.0底板筋板垫板l1b11s1l2b22l1b11e125808401001005200160624标记为：JB/T4725-92，耳座A4，材料为Q235-A·F。

5.7法兰的选择参考《化工设备设计基础》，本次设计采用平焊法兰（GB9119.7-78），材料为全为Q235-A，具体见下表：

连接件管法兰的选择（GB9119.7-78）连接件上封头下封头加热蒸汽入口管汽凝冷水管原料液入口管循环管二次蒸汽出口管公称直径120080073686048073所选法兰Dg1200Dg800Dg73Dg68Dg60Dg480Dg73鉴于影响连接件的密封性的主要因素为垫片，一般垫片选用耐油橡胶石棉网，厚度为δ＝2mm。

6计算结果汇总计算结果如下表所示：

蒸发器的主要参数加热器直径800mm溶液进出口内径60mm加热管数目80蒸汽进出口内径73mm分离室直径1200mm冷凝水出口内径68mm分离室高度1900mm循环管的直径480mm四过滤器该设计反应流程为间歇操作，采用工业上应用较为广泛的板框压滤机。

板框压滤机结构简单、制造方便、占地面积较小而过滤面积较大，适应能力。

按国家编制的压滤机系列标准及规定代号，根据生产任务需要，选用板框压滤机型号为：BAS20/635-25，具体参数如下：

压滤机的选型及相关参数项目数值及说明种类板框压滤机型号BAS20/635-25排出方式暗流式压紧方式手动压紧操作压力/MPa0.3框内每边长/mm635框厚/mm25过滤面积/20滤框总容积/0.262生产能力m3/h8五其它设备1容器储罐类1.1异辛醇原料储罐备用原料一周，每天需要异辛醇764.05×3＝2292.15kg（数据来自物料衡算，下同），考虑装料系数，即体积为即体积为＝3.44，则一周所需异辛醇体积为3.44×7＝24.11，故选用一个容积为25.0的原料储罐。

1.2异辛醇计量罐每釜反应所需异辛醇的质量为1187.32kg，其体积为＝2.20（同上），所以选用一个容积为2.50的计量罐。

1.3搅拌配料罐搅拌罐中添加了催化剂，需要搅拌溶解混合，由上计算可知，异辛醇体积为1.43，考虑催化剂的加入，则体积约为1.45，取装料系数为0.8,即所需体积为＝1.8，所以选用容积为2.0的立式搅拌配料罐（配有专用电机搅拌器）。

1.4分液罐从水洗釜输出的料液含异辛醇423.27kg，水1431.67kg，乙二醇180.00kg。料液温度约为50℃,该温度下各液体密度分别为：819、988、1085，则总体积为＝2.13，故选用一个容积为2.5的罐体，在罐体上安装有一视镜，可观察罐内分层情况。

序号流程编号设备名称设计条件材质备注介质温度压力1异辛醇储罐异辛醇常温常压Q235-A备用原料一周2V-002计量罐异辛醇催化剂常温常压Q235-A3V-103配料罐异辛醇催化剂常温常压Q235-A4V-104分液罐异辛醇乙二醇水常温常压Q235-A2换热类2.1混合气体（乙二醇、异辛醇）冷凝器根据生产任务及同类生产装置资料，参考《流体力学与传热》，选用SC600Ⅱ-0.6-72.0型换热器，换热管为19mm，管心距为25mm，具体参数如下：