乙酸乙酯反应器设计说明书(河南城建)(共29页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 乙酸乙酯反应器设计说明书 专 业： 化学工程与工艺 姓 名： xxx 学 号： 指导教师： 赵海鹏 化学与材料工程学院2014年5月 主要符号一览表V反应釜的体积t反应时间反应物A的起始浓度 f反应器的填充系数反应釜的内径H反应器筒体的高度 P操作压力Pc设计压力取焊缝系数t钢板的许用应力C1钢板的负偏差C2钢板的腐蚀裕量 筒壁的计算厚度筒壁的设计厚度筒壁的名义厚度反应器夹套筒体的高度v封头的体积水压试验压力夹套的内径 目 录 第二章 4致谢 256 绪论反应工程课程设计是化工设备机械基础和反应工程课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是学生体察工程实际问题复杂性，学习初次尝试反应釜机械设计。化工设计不同于平时的作业，在设计中需要同学独立自主的解决所遇到的问题、自己做出决策，根据老师给定的设计要求自己选择方案、查取数据、进行过程和设备的设计计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的比较分析，择优选定最理想的方案和合理的设计。反应工程是培养学生设计能力的重要实践教学环节。在教师指导下，通过裸程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决生产实际问题的能力。因此，当学生首次完成该课程设计后，应达到一下几个目的：1、 熟练掌握查阅文献资料、收集相关数据、正确选择公式，当缺乏必要的数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场进行实际查定。2、 在兼顾技术先进性、可行性、经济合理的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全可行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。3、 准确而迅速的进行过程计算及主要设备的工艺设计计算及选型。4、 用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图表来表达自己的设计思想和计算结果。化工设备机械基础课程设计是一项很繁琐的设计工作，而且在设计中除了要考虑经济因素外，环保也是一项不得不考虑的问题。除此之外，还要考虑诸多的政策、法规，因此在课程设计中要有耐心，注意多专业、多学科的综合和相互协调。 酯化反应是有机工业中较成熟的一个工艺。尽管现在研制出不同的催化剂合成新工艺，但设计以硫酸作为催化剂的传统工艺是很有必要的。酯化反应器设计的基本要求是满足传质和传热要求。因此需要设计搅拌器。另外，反应器要有足够的机械强度，抗腐蚀能力；结构要合理，便于制造、安装和检修；经济上要合理，设备全寿命期的总投资要少。夹套式反应釜具有以下特点：1、温度容易控制。2、浓度容易控制。3、传质和传热良好。4、设备使用寿命长。产品乙酸乙酯简介： 无色澄清液体，有强烈的醚似的气味，清灵、微带果香的酒香，易扩散，不持久。 分子量 88.11，沸点：77.2 ，微溶于水，溶于醇、醚等多数有机溶剂.通过给定设计的主要工艺参数和条件，综合系统地应用化工理论及化工计算知识，完成对反应釜的工艺设计和设备设计。摘要：本选题为年产量为年产4000吨的间歇釜式反应器的设计。通过物料衡算、热量衡算，反应器体积为 。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高1820mm，直径1400mm； 还对塔体等进行了辅助设备设计，换热则是通过夹套与内冷管共同作用完成。搅拌器的形式为圆盘式搅拌器，搅拌轴直径50mm。在此基础上绘制了设备条件图。本设计为间歇釜式反应器的工业设计提供较为详尽的数据与图纸。关键字：间歇釜式反应器; 物料衡算; 热量衡算; 壁厚设计; 第1章 设计方案对于乙酸乙酯的生产既可以采用间歇式生产，也可以采用连续式生产。本次设计将根据自己的生产规模计算，对设计方案进行比较，得出合理的工艺设计流程。第2章 物料计算及方案选择2.1 间歇进料的计算2.1.1 流量的计算乙酸乙酯的产量化学反应方程式：乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为F酯=乙酸的流量乙酸采用工业二级品（含量98%），乙酸与乙酸乙酯的物质的量比为1:1，乙酸的转化率x=0.50,物料损失以3%计， 则乙酸的进料量 FA0= 乙醇的流量乙醇与乙酸的摩尔配比为5：1，则乙醇的进料量为F乙醇=5×11.95=59.75kmol/h 总物料量流量：F= FA0+F乙醇=11.95+59.75=71.7 kmol/h 硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算，W总=因硫酸为总流量的1%，则W硫酸=3500.50.01=35.0，即可算其物质的量流量F硫酸=35.0/98=0.357表1 物料进料量表 .名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h11.9559.750.3572.1.2 反应体积及反应时间计算当乙醇过量时，可视为对乙酸浓度为二级的反应，其反应速率方程（A为乙酸）当反应温度为100，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=20.00=1.2m3/(kmol.h)因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于900kg/ m3,则乙酸的初始浓度为： 当乙酸转化率x=0.50，由间歇釜反应有： 取非生产时间 t=1h ，则反应体积 因装料系数为0.8，故实际体积 要求每釜体积小于5m3 则间歇釜需2个，每釜体积V=3.06 m3圆整，取实际体积V=3.5 m3 。 2.2 连续性进料的计算2.2.1 流量的计算 乙酸乙酯的产量化学反应方程式：乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为F酯= 乙酸的流量乙酸采用工业二级品（含量98%），乙酸与乙酸丁酯的物质的量比为1:1，乙酸的转化率x=0.50,物料损失以3%计， 则乙酸的进料量 FA0 = 乙醇的流量乙醇与乙酸的摩尔配比为5：1，则丁醇的进料量为 F=13.28 5=66.4 总物料量流量：F= 硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算， W总=因硫酸为总流量的1%，则W硫酸=3890.10.01=38.9，即可算其物质的量流量F硫酸=38.9/98=0.397表2 物料进料量表 .名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h13.2866.40.402.2.2 反应体积及反应时间计算当乙醇过量时，可视为对乙酸浓度为二级的反应，其反应速率方程（A为乙酸）当反应温度为100，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=20因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于900kg/ m3。因硫酸少量，忽略其影响， 对于连续式生产，若采用两釜串联，系统为定态流动，且对恒容系统，不变，不变 若采用两釜等温操作，则代数解得 所以 装料系数为0.8，故实际体积V=6.140.8=7.675。故采用一条的生产线生产即可，两釜串联， 每个反应器的体积V<5，取V=4 m32.2.3 反应时间：连续性反应时间 2.3 设计方案的选择经上述计算可知,间歇釜进料需要2个3.5m3反应釜,而连续性进料需2个4m3反应釜。根据间歇性和连续性反应特征比较，间歇进料需2条生产线，连续性需1条生产线。虽然，间歇生产的检测控制等装备就比连续性生产成本高，所耗费的人力物力大于连续生产，但该课题年产量少，因而选择间歇生产比连续生产要优越许多。故而，本次设计将根据两釜并联的的间歇性生产线进行，并以此设计其设备和工艺流程图。附：表3. 物料物性参数1名称密度k（100oC）熔点/oC沸点/oC黏度/mPa.s百分含量乙酸95816.71180.44598%乙醇717-114.178.50.36198%乙酸乙酯797-83.677.20.21698%硫酸176110.53389.4698%表4.乙酸规格质量1：GB1628-79 一级二级外观 铂钴30号，透明液体无悬浮物KMnO4试验/min 5.0乙酸含量/%99.098.0甲酸含量/%0.150.35乙醛含量/%0.050.10蒸发残渣/%0.020.03重金属(以Pb计)/%0.00020.0005铁含量/%0.00020.0005 第3章热量核算3.1热量衡算总式式中：进入反应器物料的能量， ：化学反应热，：供给或移走的热量，有外界向系统供热为正，有系统向外界移去热量为负，：离开反应器物料的热量，3.2每摩尔各种物值在不同条件下的值对于气,液象物质，它的气相热容与温度的函数由下面这个公式计算：2各种液相物质的热容参数如下表3：液相物质的热容参数物质AB×102C×104D×106乙醇59.34236.358-12.1641.8030乙酸-18.944109.71-28.9212.9275乙酸乙酯155.942.3697-1.99760.4592水92.053-3.9953-2.11030.53469由于乙醇和乙酸乙酯的沸点为78.5和77.2，所以：(1) 乙醇的值 同理：(2) 乙酸乙酯的值(3) 水的值 (3) 乙酸的值3.3各种气象物质的参数如下表气相物质的热容参数4物质AB×103C×105D×108乙醇4.3960.6285.546-7.024乙酸乙酯10.228-14.94813.033-15.736(1) 乙醇的值(2) 乙酸乙酯的值3.4每摩尔物质在100下的焓值(1) 每摩尔水的焓值 同理：(2)每摩尔的乙醇的焓值(3) 每摩尔乙酸的焓值(4) 每摩尔乙酸乙酯的焓值 3.5总能量衡算（1）的计算物质进料出料乙酸11.955.975乙醇59.7554.07乙酸乙酯05.68水05.68 （2）的计算（3）的计算因为： 即：求得： < 0，故应是系统向外界散热。3.4换热设计换热采用夹套加热，设夹套内的冷水由25升到35 ，温差为10。3.4.1水的用量忽略热损失，则水的用量为 第4章反应釜釜体设计4.1反应器的直径和高度在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的高径比（H/Di），以确定罐体的直径和高度。选择罐体高径比主要考虑以下两方面因数：1、 高径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，（其中D搅拌器直径，P搅拌功率），P随釜体直径的增大，而增加很多，减小高径比只能无谓地消耗一些搅拌功率。因此一般情况下，高径比应选择大一些。2、 高径比对传热的影响：当容积一定时，H/Di越高，越有利于传热。31 高径比的确定通常才用经验值表6种类罐体物料类型H/Di一般搅拌釜液固或液液相物料11.3气液相物料12发酵罐类气液相物料1.72.5假定高径比为H/Di=1.8，先忽略罐底容积7取标准表32用标准椭球型封头参数见表8公称直径（mm）曲面高度（mm）直边高度（mm）内表面积（m2）容积（m3）1400350402.294.61查得椭圆形封头的容积为 V封 =0.421 m 筒体的高度釜体高径比的复核 满足要求4.2筒体壁厚的设计4.2.1设计参数的确定表33反应器内各物质的饱和蒸汽压9物质水乙酸乙醇乙酸乙酯饱和蒸汽压（MPa）0.1010.0570.2240.2015该反应釜的操作压力必须满足乙醇的饱和蒸汽压所以取操作压力P=0.4MPa，该反应器的设计压力Pc=1.1P=1.1×0.4MPa=0.44MPa该反应釜的操作温度为100，设计温度为110。由此选用16MnR卷制16MnR材料在110是的许用应力t=170MPa焊缝系数的确定取焊缝系数=1.0（双面对接焊，100无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm4.2.2筒体的壁厚计算厚度10钢板负偏差设计厚度名义厚度 按钢制容器的制造取壁厚4.3釜体封头厚计算厚度钢板负偏差设计厚度名义厚度 圆整取按钢制容器的制造取壁厚考虑到封头的大端与筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取筒体壁厚与封头的壁厚一致，即S筒=第5章反应釜夹套的设计5.1夹套DN、PN的确定5.1.1夹套的DN由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可知：5.1.2夹套的PN由设备设计条件可知，夹套内介质的工作压力为常压，取PN=0.25MPa，由于压力不高所以夹套的材料选用Q235B卷制Q235B材料在110是的许用应力t=113MPa焊缝系数的确定取焊缝系数=1.0（双面对接焊，100无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm5.2夹套筒体的壁厚计算厚度 钢板负偏差设计厚度 名义厚度 圆整取按钢制容中DN=1500mm的壁厚最小不的小于6mm所以取5.3夹套筒体的高度 圆整取5.4夹套的封头5.4.1封头的厚度夹套的下封头选标准椭球封头，内径与筒体（）相同。夹套的上封头选带折边形的封头，且半锥角。计算厚度 钢板负偏差设计厚度 名义厚度 按钢制容中DN=1500mm的壁厚最小不的小于6mm所以取带折边锥形封头的壁厚 考虑到封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取夹套筒体壁厚与封头的壁厚一致，即S筒=5.5传热面积校核由于反应釜内进行的反应是放热反应，产生的热量不仅能够维持反应的不短进行，且会引起反应釜内的温度升高。为防止反应釜内温度过高，在反应釜的上方设置了冷凝器进行换热，因此不需要进行传热面积的校核。如果反应釜内进行的是吸热反应，则需进行传热面积的校核。第6章反应釜釜体及夹套的压力试验6.1釜体的水压试验水压试验压力的确定水压试验的强度校核16MnR的屈服极限由所以水压强度足够压力表的量程、水温压力表的最大量程：P表=2=2×0.55=1.1或1.5PT P表4PT 即0.825MPa P表2.2水温5 水压试验的操作过程操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.55，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.44，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。6.2夹套的液压试验水压试验压力的确定且不的小于（p+0.1）=0.35MPa所以取水压试验的强度校核Q235B的屈服极限由所以水压强度足够压力表的量程、水温压力表的最大量程：P表=2=2×0.35=0.7或1.5PT P表4PT 即0.525MPa P表1.4水温5 水压试验的操作过程操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.35，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.275，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。第7章搅拌器的选型搅拌设备规模、操作条件及液体性质覆盖面非常广泛，选型时考虑的因素很多，但主要考虑的因素是介质的黏度、搅拌过程的目的和搅拌器能造成的流动形态。同一搅拌操作可以用多种不同构型的搅拌设备来完成，但不同的实施方案所需的设备投资和功率消耗是不同的，甚至会由成倍的差别。为了经济高效地达到搅拌的目的，必须对搅拌设备作合理的选择。根据介质黏度由小到大，各种搅拌器的选用顺序是推进式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式。根据搅拌目的选择搅拌器的类型：均相液体的混合宜选推进式，器循环量大、耗能低。制乳浊液、悬浮液或固体溶解宜选涡轮式，其循环量大和剪切强。气体吸收用圆盘涡轮式最适宜，其流量大、剪切强、气体平稳分散。对结晶过程，小晶粒选涡轮式，大晶粒选桨叶式为宜。根据以上本反应釜选用圆盘式搅拌器。7.1搅拌桨的尺寸及安装位置叶轮直径与反应釜的直径比一般为0.2 0.512，一般取0.5，所以叶轮的直径 叶轮据槽底的安装高度 叶轮的叶片宽度 叶轮的叶长度 液体的深度 垂直安装在槽壁上并从槽壁地延伸液面上， 桨叶数为6，根据放大规则，叶端速度设为4.3m/s,则搅拌转速为：，取7.2搅拌功率的计算采用永田进治公式进行计算：由于数值很大，处于湍流区，因此，应该安装挡板，一小车打旋现象。功率计算需要知到临界雷诺数，用代替进行搅拌功率计算。可以查表上湍流一层流大的转折点得出。查表知：所以功率： ， 取97.3搅拌轴的的初步计算7.3.1搅拌轴直径的设计（1）电机的功率9 ，搅拌轴的转速120，根据文献取用材料为1Cr18Ni9Ti ， 40，剪切弹性模量8.1×104，许用单位扭转角1°/m。由得：利用截面法得：由 得：搅拌轴为实心轴，则： 44.7 取50mm（2）搅拌轴刚度的校核：由 刚度校核必须满足： ，即：所以搅拌轴的直径取50mm满足条件。7.3.2搅拌抽临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速=120200，故不作临界转速校核计算。7.3.3联轴器的型式及尺寸的设计由于选用摆线针齿行星减速机，所以联轴器的型式选用立式夹壳联轴节（D型）。标记为：40 HG 2157095。7.4夹套式反应釜附属装置的确定 7.4.1 人孔C：选用长圆型回转盖快开人孔 人孔PN0.6，400×300 JB 579-79-17.4.2 接管及其法兰选择 冷水进口管：57×3.5，L=200mm，10号钢 法兰：PN0.6 DN100 HG 20592-97热水出口管：57×3.5，L=150 mm，无缝钢管 法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-97 进料管： 乙酸进料管 管径根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=150mm0.7m/s法兰：PN0.25 DN25 HG 20592-97乙醇醇进料管 管径 根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=200mm法兰：PN0.25 DN50 HG 20592-97浓硫酸进料管 管径根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=100mm法兰：PN0.25 DN10 HG 20592-97出料管：出料总质量流量 因密度，则体积流量为 由表1-14得，因进料黏度低，选取管道中流速则管径根据规格选取47×3.5的无缝钢管。 法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-97温度计接管：45×2.5，L=100mm，无缝钢管 法兰：PN0.25 DN40 HG 20592-97不凝气体排出管：32×3.5，L=100 mm，无缝钢管 法兰：PN0.6 DN25 HG 20592-97压料管：57×3.5，L=200 mm，无缝钢管 法兰：PN0.25 DN50 HG 20592-97压料管套管：108×4，L=200 mm，10号钢 法兰：PN0.25 DN100 HG 20592-97总结这次课程设计，经过二周时间，已经基本完成。在这次课程设计中遇到的难题，自己也通过各种学习途径有了解决。看到这份设计书能在预期内顺利完成，真的感到十分欣慰。同时，也享有付出就有收获的喜悦。我相信，只有努力过，才会拥有成功的机会。 乙酸乙酯的反应是一个成熟的有机工艺过程。在方案选择过程中，它很好的将间歇反应和连续性反应结合起来比较，这样掌握这部分知识就会更加容易，事实亦正是如此。通过这样与实际情况联系的学习，对以前许多比较抽象理论的理解会更加透彻。 本次设计将工艺设计和设备设计结合，对二者有了全面的联系和掌握。这不仅使自己对各个单元操作有了了解，同时对我们今后工作中考虑问题很有益处。这次的课程设计相当一次模拟实践，帮助我们养成严整、务实的良好作风，提高了全面考虑问题的综合能力，各方面都有了较大程度的进步，达到了预期效果。 致谢课程设计对于工科学生是一个十分重要的环节，作为化学工程专业的学生，特别感谢教研室的老师们能结合实际，对我们的课程有着精心合理的安排。让我们能够理论和实践及时结合学习，即提高了平日的学习兴趣，又与今后的工作接轨，做了很好的铺垫。此次课程设计由赵海鹏老师担任我们的指导老师。在课程设计过程中，只要我们有难题，刘老师都会不辞辛劳，毫不犹豫的赶过来为大家辅导。同时，赵海鹏还是一名严格的教师。对于我们设计过程中的一些不良习惯，他都直接指出来，并要求我们及时改正。正是老师这种严格而又认真负责的工作作风，才使本次设计能顺利完成。此外，在这次设计中遇到了不少问题，都是和同学讨论、互相学习解决的。在此，对所有于自己有所帮助的同志一并表示感谢！ 参考书目1 郭锴等编著.化学反应工程.第二版.化学工业出版社，2007.2 陈甘棠主编化学反应工程第三版化学工业出版社，20093 周大军、揭嘉主编.化工工艺制图.化学工业出版社，20054 陈国桓主编化工机械基础第二版. 化学工业出版社，20075 姚玉英主编化工原理修订版.天津科学技术出版社，20066 化学化工物性数据手册有机卷，无机卷，化学工业出版社，20027 李永红主编：化工热力学 第二版通用型/马沛生.北京：化学工业出版社，20098 吴指南基本有机化工工艺学（修订版） 北京：化学工业出版社，19909 赵海鹏主编. 化工管道工程 . 中国矿业大学出版社. 201110 王凯, 虞军编. 搅拌设备M. 北京: 化学工业出版社. 2003