乙酸乙酯反应器课程设计(共31页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 反 应 工 程课 程 设 计 说 明 书院（部）名 称 化 学 与 材 料 工 程 学 院学 生 姓 名 设 计 项 目 乙酸乙酯的反应器设计指 导 教 师 专 业 班 级 化学工程与工艺专心-专注-专业前言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

2、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

3、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。设计说明 摘要：本选题为年产量为年产5000T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、换热量为。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高3910mm，直径3600mm；夹套的特征尺寸为高2700mm，内径为3800mm。还对塔体等进行了辅助设备设计

4、，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80mm。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的起始浓度反应物的B起始浓度反应物S的起始浓度f反应器的填充系数反应釜的内径H反应器筒体的高度封头的高度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S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水压试验压力夹套的内径Q乙酸的用量单位时间的处理量目 录100 6.2.

5、1 8.2.1原料液进口管.19 0第一章 设计任务及条件乙酸乙酯酯化反应的化学式为：CH3COOH+C2H5OH=CH3COOC2H5+H2OA B R S原料中反应组分的质量比为：A：B：S=1：2：1.35，反应液的密度为1020Kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h，每天计24h每年300d每年生产7200h。反应在100下等温操作，其反应速率方程如下rR=k1(CACBCRCS/K) 100时，k1=4.7610-4L/(molmin),平衡常数K=2.92。乙酸的转化率，反应器的填充系数f=0.8，为此反应设计一个反应器。第2章工艺设计2.1原

6、料的处理量根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时的乙酸用量为由于原料液的组成为1:2:1.35单位时间的处理量2.2原料液起始浓度乙醇和水的起始浓度将速率方程变换成转化率的函数其中：2.3反应时间2.4反应体积反应器的实际体积第3章热量核算3.1物料衡算根据乙酸的每小时进料量为，在根据它的转化率和反应物的初始质量比算出各种物质的进料和出料量，具体结果如下表：物质进料出料乙酸14.3486.457乙醇37.43029.539乙酸乙酯07.891水64.56672.4573.2能量衡算3.2.1热量衡算总式式中：进入反应器的能量， ：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

7、热量为负，：离开反应器物料的热量，3.2.2每摩尔各种物值在不同条件下的值对于液象物质，它的气相热容与温度的函数由下面这个公式计算：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AB102C104D106乙醇59.34236.383-12.1641.8030乙酸-18.944109.71-28.9212.9275乙酸乙酯155.942.3697-1.99760.4592水92.035-3.9953-2.11030.53469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3.2.3各种气象物质的参数如下表气相物

8、质的热容参数4物质AB103C105D108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3.2.4每摩尔物质在100下的焓值(1) 每摩尔水的焓值=49.677同理：(3) 每摩尔的乙醇的焓值(4) 每摩尔乙酸的焓值(5) 每摩尔乙酸乙酯的焓值 3.2.5总能量衡算（1）的计算物质进料出料乙酸14.3486.457乙醇37.43029.539乙酸乙酯07.891水64.56672.457=（14.34810.49+64.56649.677+50.305837.430)103=（2）的计算=(=(4

9、9.677+41.634-10.49-50.3058)7.891103=.44（3）的计算=6.45710310.49+29.53910350.3058+7.89110341.634+72.45710349.677=.22+.4+.05=.23因为： 即：-+=求得：=0，故应是外界向系统供热。3.3换热设计换热采用夹套加热，设夹套内的过热水蒸气由130降到110，温差为20。3.3.1水蒸气的用量忽略热损失，则水的用量为查书得过热蒸汽的比热容为2.18KJ/(kgk)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

10、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 高径比的确定通常采用经验值表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=1.3，先忽略罐底容积取标准表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）

11、36009005014.646.62筒体的高度釜体高径比的复核因此，该设计满足要求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）0.1430.080.3160.272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=1.10.4MPa=0.44MPa该反应釜的操作温度为100，设计温度为120。由此选用16MnR卷制16MnR材料在120时的许用应力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

12、厚计算厚度10厚度设计钢板负偏差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设计厚度钢板负偏差名义厚度按钢制容器的制造取壁厚第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120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设计厚度钢板负偏差名义厚度5.3夹套筒体的高度5.4夹套

13、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。计算厚度设计厚度名钢板负偏差义厚度带折边锥形封头的壁厚考虑到风头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取封头的壁厚与夹套筒体壁厚一致，即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断进行，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6.1.1水压试验压力的确定

14、6.1.2水压试验的强度校核16MnR的屈服极限由所以水压强度足够6.1.3压力表的量程、水温压力表的最大量程：1.5PT P表4PT 即0.825MPa P表2.2水温5 6.1.4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6.2.1水压试验压力的确定且不大于（p+0.

15、1）=0.35MPa所以取6.2.2水压试验的强度校核Q235B的屈服极限由所以水压强度足够6.2.3压力表的量程、水温压力表的最大量程：1.5PT P表4PT 即0.525MPa P表1.4水温5 6.2.4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

16、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

17、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0.33，所以叶轮的直径，取；叶轮据槽底的安装高度；叶轮的叶片宽度，取；叶轮的叶长度，取；液体的深度；挡板的数目为4，垂直安装在槽壁上并从槽壁延伸液面上，挡板宽度桨叶数为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：13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。功率计算需要知道临界雷诺数，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7.3搅拌

18、轴的的初步计算7.3.1搅拌轴直径的设计（1）电机的功率30 ，搅拌轴的转速72，根据文献取用材料为1Cr18Ni9Ti ， 40，剪切弹性模量8.1104，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：= 79.2mm 取80mm（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80mm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=72200，故不作临界转速校核计算。7.4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。第八章 反应

19、釜附件的选型及尺寸设计8.1 密封面形式的选型由于，所以选用密封面形式为全平面垫片的设计，垫片选用石棉橡胶板8.2 工艺接管的设计8.2.1 原料液进口管1.乙酸每小时进量为14.348601045=0.824m3/h，但所有原料液需在1/3h 进完则进料的质量流量为:0.8243=2.472m3/h设进料的速率为1.5m/s，则进口管料的直径为，圆整之后取25mm。因此采用453.5mm无缝钢管，管的一端切成45，伸入罐内一定长度。配用突面板式平焊管法兰：HG20952 法兰 SO45-0.6 2.乙醇每小时进量为14.348608102=2.126m3/h，但所有原料液需在1/3h 进完则

20、进料的质量流量为:2.1263=6.377m3/h设进料的速率为1.5m/s，则进口管料的直径为，圆整之后取40mm。因此采用453.5mm无缝钢管，管的一端切成45，伸入罐内一定长度。配用突面板式平焊管法兰：HG20952 法兰 SO45-0.6 3.水每小时进量为14.3486010001.35=1.162m3/h，但所有原料液需在1/3h 进完则进料的质量流量为:1.1623=3.487m3/h设进料的速率为1.5m/s，则进口管料的直径为，圆整之后取30mm。因此采用453.5mm无缝钢管，管的一端切成45，伸入罐内一定长度。配用突面板式平焊管法兰：HG20952 法兰 SO45-0.

21、6 8.2.2 催化剂进口设计催化剂选用H做催化剂，此催化剂不腐蚀设备，生产无废液排除，此反应为间歇反应器，催化剂做成颗粒状，则过滤后产品即可分离，便于操作。催化剂的用量当小于反应物总量的4%时，随着催化剂的用量增大酯化率液随之增大，当增大到0.4%时，在增大催化剂的用量对酯化率的影响减小，因此最佳催化剂的用量为反应物总质量的0.4%。反应物的总质量为3743.4，则催化剂的量为：3743.40.4=14.9736。由于催化剂的用量很少，采用无缝钢管，管的一端切成45，伸入罐内一定长度。配用突面板式平焊管法兰： 法兰 8.2.3 温度计接口采用无缝钢管，伸入釜体内一定长度。配用突面板式平焊管法

22、兰： 法兰 第九章 支座夹套反应釜采用立式安装，采用耳式支座。标准耳式支座（JB/T4725-92）分为A型和B型两种，此设备需要保温110时选用B型。支座数设计为4个。设计结果一览表项目数值设计压力/Mpa反应釜0.44夹套0.1设计温度/373.15壁厚/mm反应釜体8夹套7材料选型反应釜体16MnR夹套Q235-B直径/mm反应釜体3600夹套3800高度/mm反应釜体3910夹套2700传热量/KJ.95搅拌器材料1Cr18Ni9Ti人孔450mm 1个支座4个搅拌器功率30kw反应釜体积/m346.41参考文献1 李绍芬编. 反应工程M. 北京: 化学工出版社. 20002王志魁编.

23、 化工原理M. 北京: 化学工业出版社，2006.3 谭蔚编.化工设备设计基础M. 天津: 天津大学出版社. 2006.4陈志平, 曹志锡编. 过程设备设计与选型基础M. 浙江: 浙江大学出版社. 2007.5金克新, 马沛生编. 化工热力学M, 北京: 化学工业出版社. 20036涂伟萍, 陈佩珍, 程达芳编. 化工过程及设备设计M. 北京: 化学工业出版社, 2000.7匡国柱,史启才编. 化工单元过程及设备课程设计M. 北京: 化学工业出版社, 2005.8柴诚敬编. 化工原理M. 北京: 高等教育出版社, 2000. 9管国锋 ,赵汝编.化工原理M. 北京: 化学工业出版社, 2008.10朱有庭, 曲文海编. 化工设备设计手册M. 化学工业出版社, 2004.11丁伯民, 黄正林编. 化工容器M. 化学工业出版社. 2003. 12王凯, 虞军编. 搅拌设备M. 北京: 化学工业出版社. 2003.