反应工程课程设计周

1、反应工程课程设计间歇反应器的设计姓名 周慧敏 班级 制药1301班 学号 指导老师 薛永萍设计方案一、设计项目年产 2200吨乙酸乙酯的反应器的设计二、设计条件1、生产规模：2200吨/年2、生产时间：连续生产 8000小时/年，间隙生产 6000小时/年3、物料损耗：按 3%计算4、乙酸的转化率：54%三、反应条件反应在等温下进行，反应温度为 80，以少量浓硫酸为催化剂，硫酸量为总物料量的1%，当乙醇过量时，其动力学方程为：rA=kCA 。A为乙酸，建议采用配比为乙酸：乙醇=1：5（摩尔比），反应物料密度为0.85/L，反应速度常数k为20.00L/（kmolmin）对于乙酸乙酯的生产即可以

2、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。目录前言2摘要3第一章.物料计算及方案选择41.1间歇进料的计算41.2连续性进料的计算51.3设计方案的选择71.4.工艺流程图8第二章.热量核算82.1.热量衡算总式92.2.每摩尔各种物质在不同条件下的值102.3.各种气相物质的参数如下表112.4.每摩尔物质在 80下的焓值112.5.总能量衡算122.6.换热设计13第三章.反应釜釜体设计143.1.反应器的直径和高度143.2.筒体壁厚的设计143.3.釜体封头厚15第四章.反应釜夹套的设计164.1.夹套 DN、P

3、N 的确定164.2.夹套筒体的壁厚164.3.夹套筒体的高度164.4.夹套的封头174.5.传热面积校核17第五章.搅拌器的选型185.1.搅拌桨的尺寸及安装位置185.2.搅拌功率的计算185.3.搅拌轴的的初步计算195.4.夹套式反应釜附属装置的确定20第六章.车间设备布置设计216.1 车间设备布置的原则216.2 车间设备布置22第七章.环境保护237.1 该项目环保设计依据和标准237.2 环保治理措施237.3 预期效果247.4 环保管理及监测247.5 绿化概况24参考文献：24前言此次课程设计，是结合制药反应工程这门课程的内容及特点所进行的一次模拟设计。它结合实际进行计

4、算，对我们理解理论知识有很大的帮助。同时，通过做课程设计，我们不仅熟练了所给课题的设计计算，而且通过分析课题、查阅资料、方案比较等一系列相关运作，让我们对工艺设计有了初步的设计基础。在设计过程中解决所遇难题，对我们养成独立思考、态度严整的工作作风有极大的帮助，并为我们以后从事这个行业做好铺垫。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

5、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2200 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4.0m3 、换热量为 5.5106 KJ / h 。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高 1680mm，直径1600

6、mm；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60mm。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。AbtractThis topic for the annual output of 2525 tons of intermittent reactor design.Through the material balance, heat balance, reactor volume of 4.0 m3, heat transfer i

7、s 5.5106 KJ/h.Equipment design results show that the characteristics of the reactor size is 1680 mm, 1600 mm diameter;Has also made auxiliary equipment design of tower body, so the heat exchange by jacket and cold inside the tube work together to complete.Mixer, the form of a disc type mixer mixing

8、shaft diameter of 60 mm.Based on the map the equipment condition.This design for the industrial design of the intermittent reactor to provide more detailed data and drawings.Keywords: intermittent tank reactor;Material balance;Heat balance;Wall thickness design. 第一章 物料计算及方案选择1.1间歇进料的计算1.1.1流量的计算乙酸乙酯

9、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=0.54,物料损失以3%计，则乙酸的进料量乙醇的流量 乙醇与乙酸的摩尔配比为5：1，则乙醇的进料量为总物料量流量：硫酸的流量，总物料的质量流量如下计算，因硫酸为总流量的 1%，则，即可算出其物质的量流量 表1物料进料量表.名称乙酸乙醇浓硫酸流量 kmol/h8.4442.20.2521.1.2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，其反应速率方程当反应温度为80，催化剂为硫酸时，反应速率常数因为乙醇

10、大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85kg/L,则乙酸的初始浓度为：当乙酸转化率x=0.52，由间歇釜反应有根据经验取非生产时间，则反应体积因装料系数为0.75，故实际体积要求每釜体积小于5则间歇釜需1个，每釜体积V=3.81 m3圆整，取实际体积。1.2连续性进料的计算1.2.1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=0.52,物料损失以3%计，则乙酸的进料量乙醇的流量乙醇与乙酸的摩尔配比为5：1，则乙醇的进料量为总物料量流量：硫酸的流量

11、，总物料的质量流量如下计算，因硫酸为总流量的 1%，则，即可算出其物质的量流量 表2物料进料量表.名称乙酸乙醇浓硫酸流量 kmol/h5.6828.40.171.2.2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，其反应速率方程当反应温度为80，催化剂为硫酸时，反应速率常数，因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于。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0.75，故实际体积。故采用一条的生产线生产即可，反应器的体积 ，取。1.2.3反应时间连续性反应时间1.3设计方

12、案的选择 经上述计算可知,间歇釜进料需要4m3反应釜1个,而连续性进料需1个1m3 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，但连续性反应器年产量少，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串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。 表 3. 物料物性参数1名称密度（80）熔点/沸点/黏度/mPa.s百分含量乙酸1.04516.71180.4598%乙醇0.810-114.178.30.5298%乙酸乙酯0.894-83.677.2

13、0.2598% 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/%0.00020.00051.4.工艺流程图第二章 热量核算2.1.热量衡算总式 式中： :进入反应器物料的能量,KJ :化学反应热，KJ: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，KJ :离开反应器物料的热量,KJ2.2.每摩尔各种物质在不同条件下的值对于气象物质，它的

14、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59.34236.358-12.1641.8030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:2.2.1乙醇的值同理2.2.2乙酸乙酯的值2.2.3水的值2.2.4乙酸的值2.3.各种气相物质的参数如下表 气相物质的热容参数4物质AB103C105D108乙醇4.3960.6285.546-7

15、.024乙酸乙酯10.228-14.94813.033-15.7362.3.1乙醇的值同理2.3.2乙酸乙酯的值2.4.每摩尔物质在 80下的焓值2.4.1每摩尔水的焓值同理：2.4.2每摩尔的乙醇的焓值2.4.3每摩尔乙酸的焓值2.4.4每摩尔乙酸乙酯的焓值2.5.总能量衡算2.5.1 Q1 的计算物质进料 kmol / h出料 kmol / h乙酸9.34.185乙醇46.541.72乙酸乙酯04.78水04.782.5.2 Q2 的计算2.5.3 Q4 的计算因为： 即： 求得： ，故应是系统向外界供热。2.6.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

16、 20。第三章 反应釜釜体设计3.1.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：i1.1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，高径比应选大一些。1.2 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。3 1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1.7

17、2.5假定高径比为 H/Di=1.3，先忽略罐底容积取标准表 3 2 用标准椭球型封头参数见表 公称直径（mm）曲面高度（mm）直边高度（mm）内表面积（m2）容积（m3）1600400402.974.61查得椭圆形封头的容积为筒体的高度釜体高径比的复核 满足要求3.2.筒体壁厚的设计3.2.1 设计参数的确定 表 3 3 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）0.1430.080.3161、 温度容易控制。10.272该反应釜的操作压力必须满足乙醇的饱和蒸汽压所以去操作力P=0.4MPa，该反应器的设计压力Pc=1.1P=1.10.4MPa=0.44MPa 该

18、反应釜的操作温度为 80，设计温度为 100。 由此选用16MnR 卷制16MnR 材料在 100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=2mm3.2.2 筒体的壁厚计算厚度 钢板负偏差 C1 =0.8mm设计厚度 名义厚度 按钢制容器的制造取壁厚 3.3.釜体封头厚计算厚度 钢板负偏差 C1 =0.6mm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 第四章 反应釜夹套的设计4.1.夹套 DN、PN 的确定4.1.1 夹套的 DN由夹

19、套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可知：4.1.2 夹套的 PN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 Q235 B 卷制Q235B 材料在 100是的许用应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=2mm4.2.夹套筒体的壁厚计算厚度 钢板负偏差 C1 =0.8mm设计厚度 名义厚度 圆整取按钢制容中 DN=1800mm 的壁厚最小不的小于 6mm 所以取4.3.夹套筒体的高度 圆整取4.4.夹套的封头4.4.1 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。

20、夹套的上封选带折边形的封头,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=1700mm 的壁厚最小不的小于 8mm 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封头的壁厚一致，即4.5.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。第五章 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

21、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

22、本反应釜选用圆盘式搅拌器。5.1.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 0.5，一般取 0.33，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 挡板的数目 为4，垂直安装在槽壁上并从槽壁地延伸液面上 ，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5.2.搅拌功率的计算采用永田进治公式进行计算：由于Re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 Rec ，用 Rec 代替 Re 进行搅拌功率计算。Rec可以查表8上，湍流一层流大的转折点得出。查表知：所以功率： 取5

23、.3.搅拌轴的的初步计算5.3.1搅拌轴直径的设计电机的功率 P14 KW，搅拌轴的转速 n90 r / min，根据文献1 取用材 料为 1Cr18Ni9Ti， t 40 MPa，剪切弹性模量 G 8.1104 MPa，许用单位扭转角 q 1/m。由得： 利用截面法得： 由得：搅拌轴为实心轴，则： 取搅拌轴刚度的校核：由 刚度校核必须满足：，即所以搅拌轴的直径取 d 60mm 满足条件。5.3.2 搅拌抽临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速 n =90 r / min 200 r / min ，故不作临界转速校核算。5.3.3 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

24、的型式选用立式夹壳联轴节（D 型）。标记为：DN 40 HG 2157095。5.4.夹套式反应釜附属装置的确定5.4.1 人孔C：选用长圆型回转盖快开人孔人孔 PN0.6，400300 JB 579-79-15.4.2 接管及其法兰选择水蒸气进口管：1084，L=200mm，10号钢法兰：PN0.6 DN10 HG20592-97 冷却水出口管：573.5，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252.5的无缝钢管，L=150mm法兰：PN0.25 DN25 HG 20592-97乙醇进料管管径根据管子规格圆

25、整选用184的无缝钢管，L=200mm法兰：PN0.25 DN50HG 20592-97浓硫酸进料管管径 根据管子规格圆整选用184的无缝钢管，L=100mm法兰：PN0.25 DN10HG 20592-97出料管：出料总质量流量因密度= 850kg/m 3 ，则体积流量为由表 1-14得，因进料黏度低，选取管道中流速 u =1.0m/s管径 根据规格选取573.5 的无缝钢管法兰：PN0.6DN50HG 20592-97温度计接管：452.5，L=100mm，无缝钢管法兰：PN0.25 DN40 HG 20592-97不凝气体排出管：323.5，L=100 mm，无缝钢管法兰：PN0.6 D

26、N25 HG 20592-97压料管：573.5，L=200 mm，无缝钢管法兰：PN0.25 DN50HG 20592-97压料管套管：1084，L=200 mm，10 号钢法兰：PN0.25 DN100 HG20592-97第六章 车间设备布置设计6.1 车间设备布置的原则6.1.1 车间设备布置的原则 1.从经济和压降观点出发，设备布置应顺从工艺流程，但若与安全、维修和 施工有矛盾时，允许有所调整。2.根据地形、主导风向等条件进行设备布置，有效的利用车间建筑面积（包括空间）和土地（尽量采用露天布置及建筑物能合并者尽量合并）3.明火设备必须布置在处理可燃液体或气体设备的全年最小频率风向的下

27、侧，并集中布置在装置（车间）边缘。4.控制室和配电室应布置在生产区域的中心部位，并在危险区外。5.充分考虑本装置（车间）与其他部门在总平面布置图上的位置，力求紧凑、 联系方便，缩短输送管线，达到节省管材费用及运行费用的目的。6.留有发展的余地。7.所采取的劳动保护、防火要求、防腐蚀措施要符合有关标准、规范的要求。8.有毒、有腐蚀性介质的设备应分别集中布置，并设围堰，以便集中处理。9.设备安全通道、人流、物流方向应错开。10.设备布置应整齐，尽量使主要管道走向一致。6.1.2 车间设备平面布置的原则 车间平面布置首先必须适合全厂总平面布置的要求，应尽可能使个车间的平面布置在总体上达到协调、整齐、

28、紧凑、美观，相互融合，浑成一体。其次，必须从生产需要出发，最大限度的满足生产包括设备维修的要求。即要符合流程、满足生产、便于管理、便于运输、利于设备安装和维修。第三，生产要安全。要全面妥善的解决防火、 防爆、防毒、 防腐、 卫生等方面的问题，符合国家的各项有关规定。第四，要考虑将来扩建及增建的余地，为今后生产发展、品种改革、技术改造提供方便。但这些一定要最有效的利用车间的建筑面积（包括空间）和土地（设备装置能露天布置的尽量露天布置，建筑物能合并的应尽量合并）6.1.3 车间设立面布置的原则 厂房的立面形式有单层、多层和单层与多层相结合的形式。多层厂房占地少但造价高，而单层厂房占地多但造价低。采

29、用单层还是多层主要应根据工艺生产的需要。例如制碱车间的碳化塔，根据工艺要求须放在厂房内，但塔有比较高，且操作岗位安排在塔的中部以便观察塔内情况，这样就需要设计多层厂房；另一 种情况是：设备大部分露天布置，厂房内只需要安置泵或风机，这种情况可设计成单层厂房。对于为新产品工业化生产而设计的厂房，由于生产过程中对工艺流程和设备需要不断改进和完善，一般都设计一个较高的单层厂房，利用便于移动、拆装、改建的钢制操作平台代替钢筋混凝土操作台，以适应工艺流程和设备变化的需要。6.2 车间设备布置6.2.1 车间设备平面布置 车间平面布置按其外形一般分为长方形、L形、T形和II形等。长方形便于平面图的布置，节约

30、用地，有利于设备排列，缩短管线，易于安排交通出入口，有较多可供自然采光和通风的墙面；但有时由于厂房总长度较长，在总图布置有困难时，为了适应地形的要求或者生产的需要，也有采用L形、T形和II形的，此时应充分考虑采光、通风和立面等各方面的因素。6.2.2 车间设备立面布置 化工厂厂房可根据工艺流程的需要设计成单层、多层或单层与多层相结合的 形式。一般 来说单层厂房建设费用较低，因此除了由于工艺流程的需要必须设计成多层外，工程设计中一般多采用单层。有时因受建设场地的限制或者为了节约用地，也有设计成多层的。对于新产品工业化生产而设计的厂房，由于在生产过程中对于工艺路线还需不断改进和完善，所以一般都设计成一个高单层厂房，利用便于移动、拆装、改建的钢操作台代替钢筋