乙酸乙酯反应器设计

1、河南城建学院 反应工程课程设计 指导教师： 刘mm 学生姓名： 冯mm 班级学号： 888888 2012年05月课程设计任务书一、设计时间及地点1、设计时间：2012年5月28日 6月8日 具体安排：2012年5月28日上午 教师组织学生分组，布置课程设计任务2012年5月28日下午 学生开始查阅资料，整理资料，理出设计思路2012年5月29日开始 学生在教师指导下开始进行课程设计计算2012年6月5日开始 学生在教师指导下编写设计说明书并绘制图纸2012年6月8日上午 分组进行答辩2、设计地点：9#楼C504 、C509教室二、设计目的和要求通过课程设计，要求更加熟悉工程设计基本内容 ，掌

2、握化学反应器设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力、独立工作和创新能力。三、设计题目和内容 设计题目二：年产量2000+(学号-15)100吨乙酸乙酯的反应器的设计 1. 设计条件生产规模：2600吨/年生产时间：连续生产8000小时/年,间歇生产6000小时/年物料消耗：按5%计算乙酸的转变化率：54%2. 反应条件 反应温度在等温下进行，反应温度为800C，以少量的浓硫酸为催化剂，硫酸量为总物料量的1%，当乙醇过量时，其动力学方程为：rA=kCA2.。A为乙酸，建议采用配比为乙酸：丁醇=1:5（摩尔比）。反应物料密度为0.85Kg/L，反应的速率常数k为15.00

3、L/（kmol*min）。四、设计方法和步骤1、设计方案简介 根据设计任务书所提供的条件和要求，通过对现有资料的分析对比，初步确定工艺流程。对选定的工艺流程、主要设备的型式以及数值积分计算等进行简要的论述。2、主要设备的工艺设计计算反应的物料衡算、热量衡算、动量衡算催化剂床层高度计算出口转化率计算3、典型辅助设备的选型和计算:包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定4、制图：绘制带控制点的工艺流程图绘制主体设备图绘制温度、转化率、压力与床层高度L曲线5、编写设计说明书五、设计成果的编制本课程的设计任务要求学生做设计说明书1份、图纸3张。各部分具体要求如下：（一）设计说明书的内容与

4、顺序：1、封面（包括题目、学生班级、学生姓名、指导教师姓名等）2、设计任务书3、目录4、正文4.1 绪论：工艺生产技术方法及进展，反应动力学概述、设计任务的意义、设计结果简述4.2 设计方案简介4.3 物料流程图及说明4.4 设计计算说明书（包括装置的工艺计算：物料衡算、热量衡算、动量衡算，反应器床层计算）4.5 装置流程图（带控制点的工艺流程图和主体设备图）及其说明4.6 设计结果概要4.7 设计体会及今后的改进意见5、参考文献6、主要符号说明（必须注明意义和单位）说明书必须书写工整、图文清晰。说明书中所有公式必须写明编号。（二）设计图纸的要求：1、流程图：要求画“生产装置工艺流程图”一张，

5、图纸大小为A2。本图应表示出装置、单元设备、辅助设备和机器、管道、物料流向。以线条和箭头表示物料流向，并以指引线表示物料的流量、温度和组成等。辅助物料的管线以较细的线条表示。工艺物料管道用粗实线，辅助物料管道用中粗线，其他用细实线。横向管道标注在管道上方，竖向管道标注在管道右侧。辅助物料（如冷却水、加热蒸汽等）的管线以较细的线条表示。图表和表格中的所有文字写成长仿宋体。设备以细实线绘制，画出能够显示形状特征的主要轮廓。设备的高低和楼面高低的相对位置一般也按比例绘制。设备的位号、名称标注在相应设备图形的上方或下方，或以指引线引出设备编号，在专栏中注明每个设备的位号、名称等。2、主体设备图：本设计

6、要求画主体设备详图一张，图纸大小为A1。表示其结构形式、尺寸（表示设备的尺寸，如圆筒形设备的直径等）、技术特性等。设备图基本内容有：视图：一般用主视图、剖面图或俯视图表示主要设备结构形状；尺寸：图上应注明设备直径、高度以及表示设备总体大小和规格的尺寸；技术特性表：列出设备操作压力、温度、物料名称、设备特性等；标题栏：说明设备名称、图号、比例、设计单位、设计人、审校人等。本设计标题栏规定如下所示：图纸要求：投影正确、布置合理、线型规范、字迹工整。标题栏格式：1002535河南城建学院设计项目10设计阶段10职责签字日期 8设计图号8制图8校对8审核比例共 张 第 张8202515202060（三

7、）参考文献的格式：期刊类：（序号）作者1，作者2，作者n，文章名，期刊名（版本），出版年，卷次（期次）。图书类：（序号）作者1，作者2，作者n，书名，版本，出版地：出版社，出版年。六、评分标准及成绩评定1.课程设计成绩评定应以学生出勤情况、工作态度、完成工作任务的情况、设计说明书和图纸以及答辩情况为依据。2.课程设计的成绩采用五级计分制即优秀、良好、中等、及格、不及格。3.评分标准：优秀：能圆满地完成课题任务，设计说明书内容完整、计算正确、层次分明，说明书书写规范，图纸符合要求，独立工作能力强，工作态度认真；答辩时概念清楚，回答问题正确。良好：能较好地完成课题任务；设计说明书完整、计算及论述基

8、本正确；说明书写书规范，图纸符合要求，工作态度认真，答辩时概念较清楚，回答问题基本正确。中等：完成课题任务，出勤好，设计说明书的内容基本完整、计算及论述无原则性错误；说明书的书写基本规范，图纸质量一般；工作表现较好；答辩时能回答所提出的主要问题，且基本正确。及格：基本完成课题任务；设计说明书，质量一般，无大的原则性错误；说明书的书写不够规范，图纸不够完整；答辩时讲述不够清楚，对任务涉及的问题基本上能够回答，虽有错误，但不是重大原则错误。不及格：没有完成课题任务或设计说明书（论文）中有重大原则性错误，答辩中逻辑混乱，概念不清。七、参考文献 八、课程设计期间纪律：设计期间学生仍要按上课时间正常出勤

9、，按时到教室做设计。1.在设计期间有要事的学生须向自己的指导教师履行请假手续。不履行请假手续的视为旷课。2.除请假外，学生可以利用较短时间内去图书馆借阅资料。借资料时须提前在教室黑板写明姓名、事由、外出起止时间。3.设计期间要保持教室纪律，不能大声喧哗，影响周边教室正常上课。 主要符号一览表VIV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v封头的体积水压试验压

10、力夹套的内径Q乙酸的用量Q0单位时间的处理量河南城建学院反应工程课程设计目 录 绪论1第1章设计方案2第二章 物料计算及方案选择22.1间歇进料的计算22.2连续性进料的计算42.3方案选择5第3章热量核算63.1热量衡算总式63.2每摩尔各种物值在不同条件下的值73.3各种气象物质的参数如下表83.4每摩尔物质在80下的焓值83.5总能量衡算93.6换热设计10第4章反应釜釜体设计114.1反应器的直径和高度114.2筒体壁厚的设计124.3釜体封头厚12第5章反应釜夹套的设计145.1夹套DN、PN的确定145.2夹套筒体的壁厚145.3夹套筒体的高度155.4夹套的封头155.5传热面积

11、校核15第6章反应釜釜体及夹套的压力试验156.1釜体的水压试验166.2夹套的液压试验17第7章搅拌器的选型187.1搅拌桨的尺寸及安装位置187.2搅拌功率的计算187.3搅拌轴的的初步计算197.4联轴器的型式及尺寸的设计20总结 22致谢 23参考书目 2320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

12、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

13、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。摘要：本选题为年产量为年产2600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、换热量为。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高1930mm，直径1600mm； 还对塔体等进行了辅助设备设计，换热则是通过夹套与内

14、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; 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

15、:1，乙酸的转化率x=0.54,物料损失以5%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=59.8=49kmol/h 总物料量流量：F= FA0+F乙醇=9.8+49=58.8 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=2870.70.01=28.7，即可算其物质的量流量F硫酸=28.7/98=0.293表1 物料进料量表 .名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h9.8490.2932.1.2 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8

16、0，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=15.00=0.9m3/(kmol.h)因为乙醇大大过量，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=0.54，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5m3 则间歇釜需1个，每釜体积V=4.28 m3圆整，取实际体积。 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=0.54

17、,物料损失以5%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 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=2128.60.01=21.29，即可算其物质的量流量F硫酸=21.29/98=0.22表2 物料进料量表 .名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h7.3436.70.222.2.2 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80，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=15因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85。因硫酸少量，

18、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V=0.640.75=0.85。故采用一条的生产线生产即可， 反应器的体积V0，故应是外界向系统供热。3.4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。3.4.1水蒸气的用量忽略热损失，则水的用量为5 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

19、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=1.3，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）1600400402.974.61查得椭圆形封头的容积为 V封 =0.617 m

20、 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）0.1430.080.3160.272该反应釜的操作压力必须满足乙醇的饱和蒸汽压所以去操作压力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=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

21、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100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

22、负偏差设计厚度名义厚度 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=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

23、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=20.55=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

24、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=20.35=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

25、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0.33，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，