化工原理课程设计样本(反应釜,醋酸丁酯合成)

1、-作者xxxx-日期xxxx化工原理课程设计样本(反应釜,醋酸丁酯合成)【精品文档】环境工程原理与化工设备课程设计题 目 醋酸丁酯合成反应釜设计 班 级 化学与化工院 08级4班 设 计 者 王人生、毛鑫学 号080704008、080704007 目 录1. 设计任务书32. 设计方案43. 反应釜优化设计54. 反应釜优化设计计算55. 设计计算结果总表226. 参考文献247. 课程设计心得25 醋酸丁酯合成反应釜设计任务书一、设计题目 醋酸丁酯合成反应釜设计二、设计条件1处理量： 26000（吨/年）2反应温度 135 （）3. 操作条件：间接蒸汽加热；塔顶压强：0.27MPa（绝对压

2、强）进料状况：两管同时进料，一管为乙酸，另一管为正丁醇。均由泵从塔底输送至进料口。设计任务1.设计方案的确定：包括反应釜型的选择及操作条件的确定等；2.画出带控制点的生产工艺流程图；3.有关工艺计算：物料的衡算，能量衡算算、反应时间，加料所需的流体输送机械、管道的选择。4.釜体的结构型式（釜体形状，上下封头形状，封头与釜体的连接形式）；釜体和封头的材料；5.釜体的直径和高度；6.釜体壁厚设计，封头壁厚设计，釜体压力试验校核；7.反应釜夹套型式及和釜体的连接形式；8.夹套尺寸设计；9.夹套壁厚设计及压力试验校核；10.夹套进气管的结构；11.釜体容器及接管等法兰的设计，选型（材料、密封面的形式、

3、垫片设计。螺栓螺母设计选型）；12.进出料管口、工艺接管口与仪表接管口形式；13.人孔设计；14.开孔补强设计；15.搅拌器的选型及搅拌轴材料选择，搅拌轴轴径设计、刚度校核，长度设计；16.反应釜电机及减速器的选型，联轴器的选用，支架和底座的选用；17.反应釜的轴封选用。18.画出釜的装配图（A1号图） 设计方案反应釜选择不锈钢0Cr13材料（GB4237），因为反应物有轻微腐蚀性；反应釜为带有搅拌轴的夹套式反应釜，搅拌装置为闭式弯叶涡轮式，夹套采用整体式夹套。操作条件：间接蒸汽加热； 塔顶压强：0.27MPa（绝对压强） 进料状况：两管同时进料，一管为乙酸，另一管为正丁醇。均由泵从塔底输送至

4、进料口。工艺流程图反应釜优化设计计算一 流程的确定 正丁醇和乙酸溶液在常温下用泵送入反应釜。反应釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。工艺流程图见图二 物料衡算1.查阅文献，整理有关物性数据乙酸：理化性质相对密度（水为1.00）：1.049 凝固点():16.7 沸点（）： 粘度(Pa.s)： 20时蒸气压（KPa）：1.5 外观及气味：无色液体，有刺鼻的醋味。 溶解性：能溶于水、乙醇、乙醚、四氯化碳及甘油等有机溶剂。 材料：稀释后对金属有强烈腐蚀性，316和318不锈钢及铝可作良好的结构材料。 沸点：117.25 相对密度: d(20,4)=0.8098； 蒸汽压: 35) 溶

5、解性: 微溶于水，溶于乙醇 、醚多数有机溶剂 稳定性: 稳定 外观与性状: 无色透明液体，具有特殊气味 危险标记: 7(易燃液体) 用 途: 用于制取酯类、塑料增塑剂、医药、喷漆，以及用作溶剂 无色液体，有酒味. 燃烧热(kJ/mol): 2673.2 临界温度(): 287 临界压力(MPa): 4.90 饱和蒸气压: 0.82(25) 闪点:35(闭口)，40(开口) 粘度:2.95mPa.s(20) 乙酸正丁酯：分子量：116.16 。 FEMA：2174 。 CAS：123-86-4 。 密度：0.8764 熔点（）：-77.9 沸点（）：126.1 闪点（）：22（闭杯） 折射率：1

6、.3907（19） 色状：无色液体。 溶解情况： 溶于醇、醚、醛等有机溶剂，溶于180份水。 2.反应常数确定： 所以T=408.15K 计算得出k=3.反应时间： 由资料知道，要反映进行尽量完全，需要醇过量，所以不考虑价格制约因素。我们取醇酸摩尔比为1:1.2，求得质量比为1:1.48.这个反应釜设计要搅拌，所以物料填充系数取0.75，而反应转化率查资料得在135条件和以HZSM-5为催化剂条件下转化率可以达到0.93.加完反应物以后，反应釜中混合物密度：= g/L 我组年产量为26000吨，换算表过来天产量：需要反映物量Q=86700/（116240.93）= kmol/h Q=60（1.

7、48+1）/=乙酸正丁醇有资料数据公式： C=1所以， 代入数据得t= hV= （进料出料时间均为半小时） 填充度为0.75，所以实际体积0.75= m考虑到反应釜实际中体积，我们用3个反应釜来实现，每个反应釜体积为： 由教材查得，一般反应釜类中液液相反应釜的高径比为11.3，此处取1.2=m D圆整后取2800mm 所以封头的公称直径为2800mm，得封头的体积Vh =m3 H=m 查化工设备设计基础知，筒体公称直径取2800mm 5.反应釜的工作压力为水的饱和蒸汽压，应为在几个反应物中，水的沸点最低。查表得在t=135时，饱和蒸汽的绝对压力为0.313兆帕。所以反应釜设计压力p=1.05(

8、0.313+0.1)= MPa 有上面已知数据，材料为不锈钢0Cr13材料，设计温度下许用应力为112MPa。采用双面焊。 所以，所以 反应釜设计厚度=+0.6=mm查化工设备设计基础得，在内径为2800mm时，最小壁厚为6mm，所以这个反应釜的壁厚 ：（液压试验） ，前面已知材料为不锈钢0Cr13材料，压力试验温度下许用应力为119MPa，设计温度下许用应力为112MPa。而屈服极限为120MPa所以，符合设计要求！8.热量衡算前面已求出，每小时需要的生成物体积为m，乙酸正丁酯密度880kg/m。则它的摩尔质量 需要乙酸： 需要丁醇： 又查资料得乙酸和丁醇的比热容分别为2.01kJ/(kg)

9、,2.33kJ/(kg)查资料得，反应放热反应总放热所以需要水蒸气提供的能量： 我组设计3个反应釜，所以每个反应釜需要传热量Q=反应釜中加料完成后，混合物中：比热kj/(kg*K) 粘度 设计要求给出，反应釜内流速u=5m/s 查资料得，混合物 查表得混合物的0.21w/(m*k) 对流传热系数 代入数据得对水蒸气一侧,选用螺旋导流板夹套：夹套环隙宽度取100mm 导板间隙宽度取200mm 所以当量直径 De=4E=40.1=0.4m 查得公式 查表此温度下Pr=1.18 查表得不锈钢总传热系数K: 同理，22027100mm2K=w/(K) 由 校核 符合设计要求9.夹套选择与尺寸 夹套选择

10、U型夹套，夹套与反应釜体之间为不可拆式的焊接。载热介质入口在上端，出口在下端。 夹套高度h：先估算 夹套壁厚：考虑成本及压力因素，夹套材料选取16MR钢。反应釜内径为2800mm，所以查得夹套内径200mm。工作压力为145水蒸气饱和蒸汽压加上大气压等于0.51MPa mm0.51 MPa10.封头形式与材料 综合考虑，封头采用椭圆形封头，反应釜内径2800mm，查表得对应封头。得：封头曲面高度为750mm，直边高度40mm，容积平方厘米封头与反应釜体连接形式为焊接夹套的下封头选标准椭球型，内径与筒体相同（3000）。代号EHA，标准JB/T47462002。夹套的上封头选带折边锥形封头，且半

11、锥角。因为，所以需要根据强度条件设计封头的最小壁厚。 30003800，取min2/1000且不小于3 另加， min+1=（），圆整=7。对于碳钢制造的封头壁厚取7。11. 夹套进气管设计 采用气（汽）体作传热介质时，若夹套进气（汽）管内的气速较高，需考虑采取防止气体直接冲刷釜体外壁的措施。采用下图所示的防冲挡板或侧向开孔的进气管，在结构尺寸上要求气体进入夹套处的通气截面积大于进气管的横截面积。12. 反应釜附件的选型及尺寸设计 (1)根据2800mm、0.51，由文献13327页表16-9确定法兰的类型为甲型平焊法兰。标记：法兰FF3200-0.45 JB/T4701材料：0Cr18Ni1

12、0Ti（2）法兰的结构和主要尺寸如图121 图121 甲型平焊法兰（3）密封面形式的选型根据0.51、介质温度155和介质的性质，由文献13 由文献【11】表331页16-14得垫片选用耐油橡胶石棉垫片，材料为耐油橡胶石棉板（GB/T539），结构及尺寸见图122 和。尺寸见表12-2 图12-2 垫片的结构表12-2 垫片的尺寸284028005（4）螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格 本设计选用六角头螺栓（C级、GB/T5780-2000）、型六角螺母（C级、GB/T41-2000） 平垫圈（100HV、GB/T95-2002）螺栓长度的计算： 螺栓的长度由法兰的厚度（）、垫片的厚度（）、螺母的厚

13、度（）、垫圈厚度（）、螺栓伸出长度确定。 其中=75、=5、=40、=6、螺栓伸出长度取=20 螺栓的长度L为： =227（mm）取227 螺栓标记： GB/T5780-2000 螺母标记： GB/T41-2000 垫圈标记： GB/T95-2002 24-100HV （5）法兰、垫片、螺栓、螺母、垫圈的材料 根据甲型平焊法兰、工作温度=135的条件，由文献13附录8法兰、垫片、螺栓、螺母材料匹配表进行选材，结果如表123所示。表12-3 法兰、垫片、螺栓、螺母的材料法 兰垫 片螺 栓螺 母垫 圈0Cr18Ni10Ti耐油橡胶石棉3520100HV 13.工艺接管的设计由文献【12】附录六查无

14、缝钢管水进口接管采用452.5无缝钢管，罐内的接管与夹套内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL25-0.1 RF 20。N2（气）进口采用323.0无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL25-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。（3）温度计接口采用452.5无缝钢管，伸入釜体内一定长度。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL65-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。（4）工艺物料进口采用452.5无缝钢管，管的一端切成，伸入罐内一定长度。配用的突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL50-0.6 RF 0

15、Cr18Ni10Ti。（5）放料口采用763.0无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL80-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。与其配套的是手动下展式铸不锈钢放料阀，标记：放料阀6-100 HG5-11-81-3.（6）水出口采用452.5无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL25-0.1 RF 20。安全阀接口采用323.0无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL25-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。冷凝器接口采用无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板

16、式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL80-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。（9）加热器套管采用无缝钢管，罐内的接管与下封头内表面磨平磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL65-0.1 RF 20。 固体物料 采用2198.0无缝钢管，罐内的接管与下封头内表面磨平磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL200-0.1 RF 20。（11）视镜采用无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL80-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。 14.管法兰尺寸的设计工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的结构如图。由文献【13】表

17、12-491得并根据和接管的，由板式平焊管法兰标准（HG20592）确定法兰的尺寸。管法兰的尺寸见表14-1。图14-1 板式平焊管法兰表14-1 板式平焊管法兰的尺寸（HG20592）接管名称公称直径接管外径连 接 尺 寸法兰厚度密封面法兰内径坡口宽度 厚度安全阀接口、N2接口253210075114101458233工艺物料进口5057140110144121688259水进口4046120110144121688259温度计接口657016014018416222542222冷凝器接口、放料口404612017018416181442110水出口505714011014412168825

18、9加热器套管80891901501841616124288垫片尺寸及材质工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的垫片尺寸、材质文献【13】1251页表12-261查如表14-2所示。 垫片的结构图14-2 管道法兰用软垫片15.密封面形式及垫片尺寸表15-1 密封面形式及垫片尺寸接管名称密封面型式垫片尺寸()垫片材质外径内径厚度安全阀接口、N2接口RF71342耐油石棉橡胶板工艺物料进口RF107612耐油石棉橡胶板水进口RF107612耐油石棉橡胶板温度计接口RF2732202耐油石棉橡胶板冷凝器接口、放料口RF1621152耐油石棉橡胶板水出口RF107612耐油石棉橡胶板加热器套管RF1428

19、92耐油石棉橡胶板16.固体物料进口的设计 由于釜体的内径，因此不需要在釜体的封头上设置人孔，本设计选用板式平焊法兰物料孔。由文献【13】1208页表12-149和1212表12-151查文献【14】附录九 得其结构如图16-1、尺寸见表16-1、材料见表16-2。 图16-1 带盖平焊法兰进料口结构1-接管；2-螺母；3-螺栓；4-法兰；5-垫片；6-法兰盖；7-手柄； 表16-1带盖平焊法兰进料口的尺寸公称压力（）密封面形式公称直径螺栓规格数量0.51突面2002738390350202019084261820表16-2 物料进口200的明细表件号名称数量材料1接管10Cr18Ni10Ti

20、2螺母8253螺栓8354法兰11Cr18Ni9Ti5垫片1耐油石棉橡胶板6法兰盖11Cr18Ni9Ti7手柄2Q235-A17.搅拌装置的选型与尺寸设计 （1）搅拌轴直径的设计 电机的功率4 ，搅拌轴的转速80，文献11235表11-1取用材料为1Cr18Ni9Ti ， 40，剪切弹性模量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：= mm 取40mm（2）搅拌轴刚度的校核 由得： =0.878（） 因为最大单位扭转角max0.878 1 所以圆轴的刚度足够。考虑到搅拌轴与联轴器配合，40可能需要进一步调整。 搅拌抽临界转速校核计算由于反

21、应釜的搅拌轴转速=80200，故不作临界转速校核计算。18.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，结构如图5-1。由文献【16】656页表4-2-7分别确定联轴节的尺寸和零件及材料，由于联轴节轴孔直径=40，因此搅拌轴的直径为 40。13-1 立式夹壳联轴节19.搅拌桨尺寸的设计框式搅拌桨的结构如图13-2所示。由【13】839页表10-6和10-7确定不锈钢框式搅拌桨的尺寸见表13-3、零件明细表见表19-1。 表19-1 零件明细表件号名称数量材料件号名称数量材料1桨叶2Q235B5带口销235

22、钢2螺栓86开口销4低碳钢丝3螺母8钢4级7筋板4Q235B扁钢4 垫圈8性能等级100HV20.搅拌轴的结构及尺寸的设计（1）搅拌轴长度的设计搅拌轴的长度近似由釜外长度、釜内未浸入液体的长度、浸入液体的长度 三部分构成。即：=+其中=（机架高；减速机输出轴长度）=825-180=645（）=+（釜体筒体的长度；封头深度；液体的装填高度）液体装填高度的确定：釜体筒体的装填高度式中操作容积（）；釜体封头容积（）；筒体的内径（）1670mm液体的总装填高度=1670+700+40 =2410（）=2500+2（40+700）-2410 =1370（）浸入液体搅拌轴的长度的确定： 搅拌桨的搅拌效果和

23、搅拌效率与其在釜体的位置和液柱高度有关。搅拌桨浸入液体内的最佳深度为：（见文献14215） 当时为最佳装填高度；当时，需要设置两层搅拌桨。 由于，本设计选用一个搅拌桨。搅拌桨浸入液体内的最佳深度为：S=2Hi/3=1867（）故浸入液体的长度：=1867（）搅拌轴搅拌轴的长度为：=645+1370+1867=3882（）（2）搅拌轴的结构由于搅拌轴的长度较大，考虑加工的方便，将搅拌轴设计成两部分。与减速机相联的搅拌轴轴长为：=+式中搅拌轴深入釜内的长度，d=40mm时取350=825-180+350=995（）取 =995搅拌轴下部分的轴长为：=3882-995=2887（）21.传动装置的选

24、型和尺寸计算（1）电动机的选型由于反应釜里的物料具有易燃性和一定的腐蚀性，故选用隔爆型三相异步电机（防爆标志）。根据电机的功率4、转速1440，由文献 16-52页表16-1-28选用的电机型号为：YB112。（2）减速器的选型根据电机的功率4、搅拌轴的转速80、传动比为1440/ 80184A23。由文献【16】1218页表9-2-35确定其安装尺寸，直联摆线针轮减速机的外形见图21-1、安装尺寸如表21-1。 减速机的外形安装尺寸图21-1 直连摆线针轮减速机表21-1 减速机的外形安装尺寸L1DD2132463415796-124526040D3D4D111230200142224616

25、1（3）机架的设计由于反应釜传来的轴向力不大，减速机输出轴使用了带短节的夹壳联轴节，且反应釜使用不带内置轴承的机械密封，故选用WJ型单支点机架（HG2156695）。由搅拌轴的直径40mm可知，机架的公称直径200mm。结构如图21-2所示。图21-2 WJ型无支点机架（4)底座的设计对于不锈钢设备，本设计如下底座的结构，其上部与机架的输出端接口和轴封装置采用可拆相联，下部伸入釜内，结构与尺寸如图21-3所示。 图21-3底座的结构(5)反应釜的轴封装置设计反应釜中应用的轴封结构主要有两大类，填料箱密封和机械密封。考虑到釜内的物料具有易燃性和一定的腐蚀性，因此选用机械密封。根据0.51,135

26、,n=80r/min,d=40mm。由文献【16】855页表6-3-37选用d型（双端面小弹簧UB型）釜用机械密封，其结构如图21-4、主要尺寸如表21-2所示。轴封装置的结构及尺寸图21-4 釜用206型机械密封结构表121-2 釜用机械密封的主要尺寸（）轴径螺柱4024521017518028142001903158-18M162（1）接管补强的计算 由数据可知设计压力为0.51MPa2.5MPa;两相邻开孔中心的间距均不小于两孔直径之和的两倍；且接管公称外径小于89mm,接管最小壁厚均满足书124页表3-31要求，故接管不需补强。（2）焊缝起补强作用金属面积的计算 A3=40（）（3）人孔补强计