【導(dǎo)讀】設(shè)計提出基于以葡萄糖為原料經(jīng)加氫制備的產(chǎn)物為基礎(chǔ)來生產(chǎn)生物質(zhì)基防凍液，本設(shè)計進(jìn)行了年產(chǎn)一萬噸生物質(zhì)基防凍液的生產(chǎn)工廠的工藝設(shè)計。為，離子交換器中陽樹脂高度和陰樹脂高度。并且介紹了工廠的整體布

　　

【正文】 傳熱設(shè)備熱量衡算可以總結(jié)為下面的公式 [1]表示 ， Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 Q1——所處理物料帶入設(shè)備的熱量， kj Q2—由加熱劑或者冷卻劑傳給設(shè)備和與物料傳遞的熱量（加熱劑加入的熱量可以規(guī)定為 “+”，冷卻劑吸收的熱量就為 “—”）， kj Q3—過程的熱效應(yīng)包括物理與化學(xué)學(xué)熱效應(yīng)（過程放出的熱量可以規(guī)定為 “+”，過程吸收的熱量就為 “—”） Q4——物料離開設(shè)備的物料， kj Q5—各部件所消耗的熱量， kj Q6——設(shè)備向周圍散失的熱量， kj 計算過程中選擇以 273k 為基準(zhǔn)溫度進(jìn)行計算，并且以液態(tài)為基準(zhǔn)物態(tài) 。 計算衡算公式中各項的計算如下 ， Q1（ Q4） =∑micpi（ t t0） 公式中的 mi—第 i種物料的質(zhì)量， kg 公式中 cpi—第 i種物料平均等壓比熱容， kj/(kg℃ ) 公式中 t —表示物料的溫度， ℃ 公式中 t0—計算得基準(zhǔn)溫度， ℃ 用 Missenard 法計算得到葡萄糖的 cp 值 ， cp=（ 5*44++++4*） /180= kj/(kg℃ ) 查表得出 25℃ 甲酸鈉的比熱容為 cp= kj/(kg℃ ) 加熱到 110℃ 時的加氫產(chǎn)物比熱為 cp= kj/(kg℃ ) 草酸鈉的比熱容為 cp= kj/(kg℃ ) 依據(jù)上面的數(shù)據(jù)可以帶入計算式中計算 ， Q1=*4057*25+**25+**25= kj （ 1） 同理計算 Q4 Q4=4080*110*+**110*+**110= kj （ 2） Q5 的計算依據(jù) Q5=micpi（ t2t1） 式中的 mi—第 i種部件的質(zhì)量， kg 式中 cpi—第 i種部件平均等壓比熱容 kj/(kg℃ ) 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士畢業(yè)論文 18 式中 t1 —表示部件的初溫度， ℃ 式中 t2—部件的終溫度， ℃ Q6 的計算式可以用下面的公式來表示： Q6=∑Aɑt（ twt0） τ*103 A—設(shè)備散熱的表面積， m2 ɑt—散熱表面向四周介質(zhì)的聯(lián)合給熱系數(shù) ,kj/(m2s℃ ) tw—器壁向四周散熱的表面溫度 ,℃ t0周圍介質(zhì)溫度 ,℃ τ_過程連續(xù)時間 ,s 因為過程中的傳熱復(fù)雜，在本設(shè)計中假設(shè) ， Q5+Q6= Q2 （ 3） 過程熱效應(yīng)的計算式 ， 設(shè)化學(xué)熱效應(yīng)為 Qr，物理熱效應(yīng)為 Qp，即 Q3=Qr+Qp 其中 Qr=1000*qr*mA/MA qr 表示化學(xué)反應(yīng)熱 MA表示物質(zhì)的相對分子質(zhì)量 Qp 可以由物理熱效應(yīng)來來確定，對于復(fù)雜反應(yīng)可以用蓋斯定律來求。已知反應(yīng)過程為吸熱反應(yīng)，而且反應(yīng)熱為 △ H= kj/mol 所以過程的總熱量為 Qr=*1000*4057/180= kj 已知反應(yīng)過程過程的物理熱效應(yīng)有溶解熱，溶度變化熱， 混溶熱，汽化熱在過程中主要水蒸氣的汽化熱為主其他反應(yīng)熱可以忽略 。 那么，已知過程氣化得水蒸氣為 kg 水蒸氣在 110℃ 的汽化熱可以通過下面的公式計算得出 ， △ H vb=Tb*（ ㏒ Tb） /M 其中 Tb為沸點溫度 M 為物質(zhì)的相對分子質(zhì)量 帶入數(shù)據(jù)計算 △ Hvb=373*（ *㏒ 10373 *373） = kj/kg 所以過程的物理熱效應(yīng)為 Qp=*=723178 kj Q3=Qr+Qp= kj+（ 723178 kj） （ 4） 通過 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6知道 ， Q2= Q4+Q5+Q6（ Q1+Q3） 并且結(jié)合（ 1）（ 2）（ 3）（ 4）可以計算得出 ， Q2= (Q4Q1Q3)/= kj 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士畢業(yè)論文 19 第 5 章 反應(yīng)釜的設(shè)計 反應(yīng)釜的機(jī)械設(shè)計是在工藝設(shè)計之后進(jìn)行的，設(shè)計依據(jù)是工藝提出要求和條件。工藝條件主要包括有：全容積，最大工作壓力，工作溫度，介質(zhì)的腐蝕性，傳熱面積，攪拌形式，轉(zhuǎn)速等等。反應(yīng)釜的設(shè)計包括有：總體結(jié) 構(gòu)的設(shè)計，攪拌容器的設(shè)計，傳動系統(tǒng)的設(shè)計，有關(guān)零部件的設(shè)計。 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 計算依據(jù)：投入反應(yīng)釜的質(zhì)量為 G 進(jìn)料 為 kg ， 反應(yīng)釜中混合物的密度。 根據(jù)以上的信息可以算出反應(yīng)釜的容積量 ， V=G/ρ= / 因為反應(yīng)釜中的反應(yīng)為間歇操作，所以一次性投入的物質(zhì)量的總體積就是反應(yīng)的有效容積 V= m3。 反應(yīng)釜的實際容積計算可以從有關(guān)書上查到計算式 V 實際 =V/υ V 實際 —反應(yīng)釜的實際需要容積 V——反應(yīng) 釜的有效容積 υ—裝料系數(shù) 反應(yīng)釜的一般選擇的裝料系數(shù)為 —，但是一般情況選擇 —，在這里選擇裝料系數(shù)為 。 代入數(shù)據(jù)得 ， V 實際 =V/υ= 罐體幾何尺寸的計算 確定反應(yīng)釜中的反應(yīng)物料為液 —液類型，因此可以選擇的 H/D 為 1—，在這里選擇 ，反應(yīng)釜的實際需要容積為 m3。 反應(yīng)釜的筒體直徑可以按照下式計算 ， Di=（ 4V/∏i） 1/3 其中 Di—筒體內(nèi)徑 V—反應(yīng)釜的有效容積 i—長徑比 帶入相關(guān)的數(shù)據(jù)得出 ， Di=（ 4*） 1/3=2540 mm 圓整到公稱直徑系列標(biāo)準(zhǔn)可以取 Di=2600 mm。 筒體高度的計算 式 為 H=(VV 封 )/V1m 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士畢業(yè)論文 20 式中 V 封 ——封頭容積 V1m ——1m高筒體容積 帶入數(shù)據(jù)計算 ， H=（ ） /5=2660 mm 根據(jù)上面的數(shù)據(jù)可以看出所要選擇的反應(yīng)釜題型較大而且與之對應(yīng)的橢圓封頭較少而且較難制備，其次反應(yīng)釜所具有的傳熱表面積也不大。通過分析，我認(rèn)為可以選擇兩個反應(yīng)釜來完成這個反應(yīng)過程，這樣有利于增加表面積，有利于傳熱以及反應(yīng)的徹底進(jìn)行。 因此進(jìn) 行從新計算 ， V1=同上 ， Di=（ 4V/∏i） 1/3 代入數(shù)據(jù)知道 ， Di=20xx mm 圓整到公稱直徑系列標(biāo)準(zhǔn)為 20xx mm 此時的 V 封= m3 ， V1m =。 筒體高度的計算也同樣用 H=(VV 封 )/V1m 帶入數(shù)據(jù)得 ， H=（ ） /= mm 向上圓整到 2077 mm。 通過上述的計算我們可以選擇用兩個內(nèi)徑為 20xx mm 高度為 2077 mm 的反 應(yīng)釜來進(jìn)行工作。選擇橢圓封頭，查找相關(guān)的手冊可以得到封頭取直徑為 D 封頭 =20xx mm，曲邊高度為 h1=500 mm，直邊高度 h2=25 mm。 夾套幾何尺寸的計算 [2] 夾套的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)安裝和工藝兩方面來確定。夾套內(nèi)徑 D2 可根據(jù)筒體內(nèi)徑D1，按下表選取 表 11 夾套內(nèi)徑 D2 D1 500——600 700——1800 20xx——3000 D2 D1+50 D1+100 D1+200 夾套高 H2 由傳熱面積決定，不能低于料液的高度。通常給定裝料系數(shù)，或根據(jù)已知的操作容積和全容積進(jìn)行計算，即： η=操作容積 /全容積 。 若是裝料系數(shù)沒有給定，則進(jìn)行合理的選用裝料系數(shù)，盡可能提高設(shè)備的利用率。通常 η=— η=—。 夾套高度 H2 按照下式進(jìn)行計算 ， 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士畢業(yè)論文 21 H2=(ηVV 封 ） / V1m 式中 V 封 ——封頭容積 V1m ——1m高筒體容積 夾套所包圍的罐體表面積（筒體表面積 F 筒體 +封頭表面積 F 封頭 ）一定要大于工藝要求的傳熱面積 F，即 F ≦ F 筒體 +F 封頭 則表面積 ， F 筒體 =H2*F1m F1m——表示 1m高內(nèi)表面積 m2 F 封頭 可以通過查表得到 ， 則帶入數(shù)據(jù)得出 總傳熱面積 ， F= F 筒體 +F 封頭 =*+= m2 傳熱面積的校核反應(yīng)開始階段用飽和水蒸氣將葡萄糖加熱，從 25℃ 加熱到 90℃ 。飽和蒸汽的溫度為 120℃ ，已知傳熱系數(shù)為 K=16000W/(m2*℃ ),已知反應(yīng)的傳熱面積為 m2。 已知傳熱面積的計算式為 Γ=mCp*㏑【 (Tt1)/(Tt2)】 /kA 已知 50%葡萄糖液的平均比熱容為 Cp=*+*= kj/kg℃ 。 代入數(shù)據(jù)得出 Γ=4057**1000*㏑ 符合 實際的生產(chǎn)要求。 夾套反應(yīng)釜的強(qiáng)度計算 [3] 當(dāng)夾套反應(yīng)釜幾何尺寸確定后，要根據(jù)已知的公稱直徑，設(shè)計壓力和設(shè)計溫度進(jìn)行強(qiáng)度計算，以確定筒體以及封頭的厚度。 反應(yīng)釜體的受力分析，根據(jù)生產(chǎn)過程的相關(guān)要求。筒體主要受到的壓力為蒸氣提供的，查表得 110℃ 水的飽和蒸汽壓約為 kpa，因此設(shè)計時可以根據(jù)工藝要求選擇大于這個壓力的工作壓力。在此，我選擇的設(shè)計工作壓力為 kpa。 確定筒體的厚度 選擇 16MnR銅板，在表中查出許用應(yīng) 力【 σ】 t=113 Mpa，焊縫接頭系數(shù)選擇Φ=，則筒體的厚度可以通過下面的計算式 [3]求 σ=Pc*Di/(2【 σ】 tΦ Pc) 帶入數(shù)據(jù)計算 σ=*20xx/(2*113*)= 由表查出 σ= mm，假設(shè)鋼板的負(fù)偏差為 。 設(shè)備雙面腐蝕，假設(shè)使用年限為 10 年，那么求出腐蝕裕量為 C2=nλ 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士畢業(yè)論文 22 其中 λ為腐蝕速率， n表示使用年限 帶入相關(guān)的數(shù)據(jù)可以求出 C2=10*=2 mm 那么 σ1=σ+ C2+C1=++2= mm 已知鋼板的常用厚度為（ 2,3,4,6,8,10…… ）圓整到厚度為 6 mm。 復(fù)核計算的 C1 假設(shè)是否合理。 已知 C=6 mm， 查表得出 C1= mm 假設(shè)成立 。 反應(yīng)釜體封頭的厚度計算 受 的內(nèi)壓時， σ2=Pc*Di/(2【 σ】 tΦ ) 帶入數(shù)據(jù)計算得出 σ= mm 同上步驟，可以算出反應(yīng)釜的厚度 σ2=σ+ C2+C1=++2= mm 已知鋼板的常用厚度為（ 2,3,4,6,8,10…… ）圓整到厚度為 6 mm。 復(fù)核計算的 C1 假設(shè)是否合理。 已知 C=6 mm 查表得出 C1= mm 假設(shè)成立 。 通過計算知道反應(yīng)釜筒體以及封頭的厚度均為 6 mm。 攪拌器的選型和計算 攪拌裝置的設(shè)計選型與攪拌作業(yè)目的緊密結(jié)合。各種不同的攪拌過程需要由不同的攪拌裝置運(yùn)行來實現(xiàn)，在設(shè)計選型時首先要根據(jù)工藝對攪拌作業(yè)的目的和要求，確定攪拌器型式、電動 機(jī)功率、攪拌速度，然后選擇減速機(jī)、機(jī)架、攪拌軸、軸封等各部件。 具體步驟方法如下： 、攪拌目的和要求，選擇攪拌器型式，選擇攪拌器型式時應(yīng)充分掌握攪拌器的動力特性和攪拌器在攪拌過程中所產(chǎn)生的流動狀態(tài)與各種攪拌目的的因果關(guān)系。 ，工藝對攪拌混合時間、沉降速度、分散度的控制要求，通過實驗手段和計算機(jī)模擬設(shè)計，確定電動機(jī)功率、攪拌速度、攪拌器直徑。 、攪拌轉(zhuǎn)速及工藝條件，從減速機(jī)選型表中選擇確定減速機(jī)機(jī)型。如果按照實際工作扭矩來選擇減速機(jī)，則實際工作扭矩應(yīng)小于減速機(jī)許用扭矩。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士畢業(yè)論文 23 d 和攪拌軸系支承方式選擇與 d 相同型號規(guī)格的機(jī)架、聯(lián)軸器 do 尺寸、安裝容納空間及工作壓力、工作溫度選擇軸封型式 ，設(shè)計選擇攪拌軸結(jié)構(gòu)型式，并校檢其強(qiáng)度、剛度。 如按剛性軸設(shè)計，在滿足強(qiáng)度條件下 n/nk≤ 如按柔性軸設(shè)計，在滿足強(qiáng)度條件下 n/nk= 尺 寸 DN、攪拌軸的擱軸型式及壓力等級、選擇安裝底蓋、凸緣底座 ，確定是否配置輔助支承。 在以上選型過程中，攪拌裝置的組合、配置可參考 (攪拌裝置設(shè)計選擇流程示意圖 )，配置過程中各部件之間連接關(guān)鍵尺寸是軸頭尺寸，軸頭尺寸一致的各部件原則上可互換、組合。 常用的攪拌器的類型有以下幾種 渦輪式攪拌器 槳式攪拌器 錨式攪拌器 旋槳式攪拌器 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士畢業(yè)論文 24 螺帶攪拌器 計算依據(jù) ： 50%葡萄糖溶液在 90℃ 時的粘度為 [4]20 ,粘度較大。所以可以考慮選擇螺帶式攪拌器，因為螺帶式攪拌器適合于高粘度的流體的攪拌。 已知攪拌的速度為 5080 r/m，考慮到粘度大，選擇 50 r/m。 高粘度的流體在層流流況下，其攪拌所需要的功率可以利用粘性功率準(zhǔn)數(shù)P/μN(yùn)2D3 計算。已知葡萄糖的 μ=20 ，攪拌速度 N=50 r/m。 設(shè)攪拌器的直徑為 D=，螺板寬度為 b=，螺距為 s=，混合時間可以查得為 tb=40s。 計算功率準(zhǔn)數(shù)如下： 螺帶式攪拌器的混合時間與 轉(zhuǎn)速的關(guān)