乙酸乙酯反应器设计.docx

1、.青海大学化工过程设备设计设计说明书设计题目：年产2.76103t 乙酸乙酯反应器设计班级： 2013 级化工 2 班姓名：邬天贵学号： 1320103130.z.前言乙酸乙酯， 又称醋酸乙酯， 分子式 C4H8O2。它是一种无色透明易挥发的可燃性液体， 呈强烈清凉菠萝香气和葡萄酒香味。乙酸乙酯能很好的溶于乙醇、氯仿、乙醚、甘油、丙二醇和大多数非挥发性油等有机溶剂中，稍溶于水，25时， 1ml 乙酸乙酯可溶于10ml 水中，而且在碱性溶液中易分解成乙酸和乙醇。水能使其缓慢分解而呈酸性。乙酸乙酯与水和乙醇都能形成二元共沸混合物， 与水形成的共沸物沸点为 70.4，其中含水量为 6.1%（质量分数

2、）。与乙醇形成的共沸物沸点为 71.8。还与 7.8%的水和 9.0%的乙醇形成三元共沸物，其沸点为 70.2。乙酸乙酯应用最广泛的脂肪酸酯之一， 具有优良的溶解性能， 是一种较好的工业溶剂，已经被广泛应用于醋酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶、乙醛纤维树脂、合成橡胶等的生产，也可用于生产复印机用液体硝基纤维墨水， 在纺织工业中用作清洗剂， 在食品工业中用作特殊改性酒精的香味萃取剂， 在香料工业中是最重要的香味添加剂， 可作为调香剂的组分， 乙酸乙酯也可用作黏合剂的溶剂， 油漆的稀释剂以及作为制造药物、染料等的原料。目前，国外市场需求不断增加。在人类不断注重环保的今天，在涂料油墨生产中采用高档溶剂是大

3、势所趋。 作为高档溶剂， 乙酸乙酯在国外的应用在持续稳定的增长，在建筑、汽车等行业的迅速发展，也会带动对乙酸乙酯类溶剂的需求。工业生产技术.z.目前全球乙酸乙酯工业生产方法主要有醋酸酯化法、乙醛缩合法、乙醇脱氢法和乙烯加成法等。传统的醋酸酯化法工艺在国外被逐步淘汰，而大规模生产装置主要采用后三种方法，其中新建装置多采用乙烯加成法。本设计采用醋酸酯化法。醋酸酯化法在硫酸催化剂作用下， 醋酸和乙醇直接酯化生成乙酸乙酯。该工艺方法技术成熟，投资少，操作简单，但缺点是生产成本高、硫酸对设备腐蚀性强、副反应多、产品处理困难、环境污染严重。目前我国大多数企业仍采用醋酸酯化法生产乙酸乙酯。.z.目录一、工艺

4、设计1 1.1 原料液的处理量11.2原料液的起始浓度1 1.3 反应时间与反应体积 1 二、物料衡算2三、热量衡算3 3.1 标准反应热33.2热量衡算3 3.3 换热计算5四、反应釜釜体设计54.1反应器的直径与高度54.2筒体的壁厚74.3反应釜封头厚度8五、反应釜夹套设计8 5.1夹套 DN、PN的确定85.2 夹套筒体的壁厚95.3夹套筒体的高度105.4夹套的封头105.5换热面积校核10六、反应釜釜体及夹套压力试验 106.1釜体的水压试验11 6.2 夹套的液压试验11七、搅拌器127.1搅拌桨的尺寸与安装位置137.2搅拌功率的计算147.3搅拌轴直径设计15八、反应釜附件的

5、选型与尺寸设计 178.1原料液进料管178.2人孔与手.z.孔178.3支座178.4传动装置178.5机架18九、设计结果一览表 18 十、设计心得20参考文献21一、工艺设计1.1 原料液的处理量根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时乙酸用量为2.76103103Q=8872000.386 =11.285kmol/h由于原料液的组分质量比为1:2:1.35所以单位时间处理量为11.285604.35=2.888m3/hQ0=10201.2 原料液的起始浓度11.285CA0= 2.888=3.908mol/L有质量比可得乙醇和水的起始浓度3.908602CB0=10.195mol/L46.z.

6、3.908601.35CS0=17.586mol/L181.3 反应时间与反应体积将速率方程转换成转化率的函数CA=CA0(1-XA)CB=CB0-CA0XACR=CA0XACS=CS0+CA0XA22=kK-12CA0CS0CB0C2R =k (a+bX +cX )CKX -(1+CB0+CA0K)X +CA0A 1AAA01AAA0由上式可得CB0a=CA0 =2.609CA0CS0b=-(1+CB0 +CA0K )=-5.15K-1c= K=0.658所以： ?=2 b2-4ac =4.434则： t=1k1CA0X0dXA2 =143.8mina+bXA+cXA所以： VR 002.8

7、88(143.8+50)3=Q (t+t )=60=9.328mV9.328实际体积 Vt=R=15.547m3（对于沸腾或鼓泡的液体物料， ff0.6可取 0.40.6化学反应工程）二、物料衡算乙酸每小时进料量为11.285kmol/h，根据乙酸的转化率和反应物的初始质量比计算出各物料的进料和出料量。进料：.z.11.285602=29.439kmol/h乙醇： Q0=46乙酸乙酯： Q0=0kmol/h11.285601.35水： Q0=50.783kmol/h18出料：乙酸： Q=11.285-11.2850.386=6.929kmol/h乙醇： Q=29.439-11.2850.386

8、=25.083kmol/h乙酸乙酯： Q=11.2850.386=4.356kmol/h水： Q=50.783+11.2850.386=55.139kmol/h列表如下：物料进料 kmol/h出料 kmol/h乙酸11.2856.929乙醇29.43925.083乙酸乙酯04.356水50.78355.139三、热量衡算3.1 标准反应热以第一基准为计算基准反应方程式： CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2On?Hr0输出 ni i输入 ni i?H= +H -H各物质的 ?Hf 0 及?HV(蒸发焓 )查得如下：（由化工工艺设计手册第.z.四版上册查得）乙酸： ?Hf 0=

9、-487.0KJ/mol乙醇： ?Hf 0=-277.6KJ/mol?HV=39.33KJ/mol乙酸乙酯： ?Hf0=-463.3KJ/mol?HV=32.24KJ/mol水： ?Hf0V=-285.9KJ/mol?H =40.63KJ/mol0=输出 0输入 0?Hri?Hf -i?Hf=-（463.3+285.9）+（487.0+277.6）=15.4KJ/mol3.2 热量衡算从化工工艺设计手册第四版上册查出各组分在各温度段的CP 值，经拟合呈线性关系， 所以可用插法求得各物质在反应温度段下的平均 CP 值。拟合结果如下：乙酸： y=0.1015X+131.25k2=0.9961得 C

10、P=137.803J/(molk)乙醇： y2液=0.4845X+98.9k =0.9942得 CP 液 =124.678J/(molk)y 气=0.1558X+61.593k2=0.9998得 CP 气 =75.390J/(molk)乙酸乙酯： y 液 =0.225X+164.8k2=0.9681得 CP 液 =177.038J/(molk)y 气 =0.272X+104.12k2=0.9995得 CP 气 =128.028J/(molk).z.水： y=0.0002X2-0.0136X+75.453k2=0.9968得 CP=75.672J/(molk)因为进料温度为 25，所以输入 ni

11、 iP值带入计H=0，将上述 C算各组分输出焓值。100液 dt=7.1611041Cp乙酸： ?H =n25KJ/h781002Cp 液 dt+?HV+Cp 气 dt=1.194106乙醇： ?H =n2578KJ/h77100乙酸乙酯：3Cp 液 dt+?HV+Cp 气 dt=1.934105KJ/h?H =n2577100dt+?HV64Cp25)=2.55310 KJ/h水： ?H =n(液输出 niHi=4.012106KJ/h?H 总=4.35615.4103+4.012106-0=4.079106KJ/h?H 总0，所以外界应向系统提供能量。3.3 换热计算换热采用夹套加热，设夹

12、套的过热水蒸气由130降到 110。温差为 20，忽略热损失，则计算水蒸气的用量如下：水蒸气的比热容CP0：-2-52-93Cp0=a+(b 10 )T+(c 10 )T +(d 10 )T其中 a=7.7，b=0.0459，c=0.252，d=-0.859（由化工计算查得）T1+T2T1=130，T2=110，T= 2=120计算得 Cp0=7.7+0.180+0.389-0.052=8.217cal/(molk)由 Q=m0Cp0(T1-T2)得.z.Q4.07910618m0=Cp0(T1-T2) =8.2174.18420 =1.068105kg/h四、反应釜釜体设计4.1 反应器的直

13、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素：1、高径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，PDi3，其中搅拌功率P 随釜体直径Di 的增大，而增加很多，减小高径比只能无畏的消耗一些搅拌功率。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 越大，越有利于传热。高径比的确定通常采用经验值种类罐体物料类型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假设高径比 H=1.3 先忽略罐底容积iDHVt Di2H Di344Di15.54

14、7=4 Di31.3Di=2.48m.z.取标准 Di=2.5m=2500mm标准椭球形封头设计参数由化工制图查得公称直径 mm 总深度 mm直边高度 mm表面积 m2容积 m32500665407.0892.242筒体的高度(V-v)4=2.711m=2710mmH=i2D 釜体高径比的复核HH+h2710+40Di = Di=2500=1.1所以，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110下反应器各物质的饱和蒸气压化工热力学物质水乙酸乙醇乙酸乙酯饱和蒸气压 MPa0.1430.080.3160.272该反应釜的操作压力必须满足乙醇的饱和蒸气压，所以取操作压力 P

15、=0.4MPa，则取设计压力 PC=1.1P=0.44MPa。反应釜操作温度为 100，设计温度取 130。反应釜体材料选用 Q345R。查化工设备机械基础得该材料在130时的许用应力 t=189MPa。焊缝系数取 =1.0 （双面对接焊， 100%无损探伤），腐蚀裕量.z.C2=2mm。（ 取自化工设备机械基础）4.2.2 筒体的壁厚计算厚度 =PCDi=0.442500= 2.9134mmt-PC221891.0-0.44因为 =2.9134?min =3mm， min-?C1所以取 =3mm设计厚度 d=+C2=3+2=5mm钢板负偏差C1=0.3mm（取自化工设备机械基础）名义厚度 n

16、=d+C1+?=5+0.3+?=6mm有效厚度 e= n-C2-C1=3.7mm 4.3 釜体封头厚度计算厚度P D0.442500 =C i= 2.9117mmt-0.5PC221891.0-0.5 0.44因为 =2.9117? min=3mm， min-?C1所以取 =3mm设计厚度 d=+C2=3+2=5mm钢板负偏差C1=0.3mm（取自化工设备机械基础）.z.名义厚度 n=d+C1+?=5+0.3+?=6mm五、反应釜夹套设计夹套是在釜体的外侧用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与釜体外壁形成密闭的空间，在此空间通入加热或冷却的介质，可加热或冷却反应釜的物料。夹套的主要

17、结构形式有整体夹套、半圆管夹套、和蜂窝夹套等，其适应的温度和压力不同。本设计采用整体夹套中的U 型夹套。5.1 夹套 DN、 PN 的确定5.1.1 夹套的 DN夹套直径与筒体直径之间的关系D /mm7001800200030003000400040005000iDj/mmDi+100Di+200Di+300Di+400由夹套的筒体径与釜体筒体径之间的关系可得：Dj =Di+200=2500+200=2700mm5.1.2 夹套的 PN有设计条件可知夹套介质的工作压力为常压，故可取PN=0.25MPa，由于 PN?1.6MPa，所以可以选用Q235B 为夹套的制作材料。查化工设备机械基础得该材

18、料在130时的许用应力 t=110MPa，取焊缝系数 =1.0（双面对接焊， 100%无损探伤），腐蚀裕量 C2=2mm。.z.5.2 夹套筒体的壁厚计算厚度P D0.252700 =C j=3.0717mmt-PC22 1101.0-0.25设计厚度 d=+C2=3.0717+2=5.0717mm钢板负偏差C1=0.3mm（取自化工设备机械基础）名义厚度 n=d+C1+?=5.0717+0.3+?=6mm有效厚度 e= n-C1-C2=6-0.3-2=3.7mm5.3 夹套筒体的高度fV-v 0.615.547-2.242Hj= 2=2=1.44m=1440mm4 Di4 2.55.4 夹套

19、的封头封头的厚度夹套的下封头选用标准椭球形封头， 径与筒体相同。 夹套上封头选带折边形的封头，且半锥角 =45。计算厚度PCDj0.252700 =2 t-0.5PC=21101.0-0.50.25=3.0699mm设计厚度 d=+C2=3.0699+2=5.0699mm.z.钢板负偏差C1=0.3mm（取自化工设备机械基础）名义厚度 n=d+C1+?=5.0699+0.3+?=6mm带折边锥形封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，所以取封头的壁厚与夹套筒体壁厚一致n=6mm5.5 传热面积校核釜体下封头的表面积FK=7.089m2，筒体高度 H=2710mm，筒体经Di=2500mm

20、，筒体表面积 F0=21.274m2。总的换热面积2F 总=7.089+21.274=28.363m六、反应釜釜体及夹套压力试验6.1 釜体的水压试验6.1.1 水压试验的压力PT=1.25Pct =1.250.441=0.55MPa6.1.2 强度校核PT(Di-e) T=2e0.55(2500-3.7)= =185.54MPa 2 3.7查化工设备机械基础得Q345R的屈服极限 s=345MPa0.9s=0.91.0345=310.5MPa因为 T=185.54MPa?0.9s=310.5MPa所以水压强度足够6.1.3 水压试验的操作过程在保持釜体表面干燥的情况下，首先用水将釜体的空气排

21、空，再.z.将水的压力缓慢升至0.55MPa，保证不低于30min，然后将压力缓慢降至 0.44MPa，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄漏和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体的水排净，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实验。6.2 夹套的液压试验6.2.1 水压试验的压力PT=1.25Pct =1.250.251=0.31MPa因为 0.31MPa?P+0.1=0.35MPa，所以应取 PT=0.35MPa6.2.2 强度校核PT(Dj-e)0.35 (2700-3.7) T=e=23.7=127.53MPa2查化工设备机械

22、基础得Q235B 的屈服极限 s=235MPa0.9s=0.91.0235=211.5MPa因为 T=127.53MPa?0.9s=211.5MPa所以水压强度足够6.2.3 水压试验的操作过程在保持夹套表面干燥的情况下，首先用水将夹套的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.35MPa，保证不低于30min，然后将压力缓慢降至 0.25MPa，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄漏和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将夹套的水排净，用压缩空气吹干夹套。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压.z.试验合格后再做气压实验。七、搅拌器在反应釜中， 为增快反应速率， 强化传质或传热效果以

23、及加强混合等作用，常装有搅拌装置，搅拌装置通常包括搅拌器和搅拌轴。搅拌轴由电动机通过联轴直接带动或经过减速机减速后间接带动。搅拌设备规模、 操作条件及液体性质覆盖面非常广泛， 选型时考虑的因素主要有两方面。 一是介质的黏度， 一是搅拌过程的目的和搅拌器能造成的流动形态。根据浆叶的结构， 常用的搅拌器有： 浆式、框式、锚式、涡轮式、推进式等。因为该搅拌器主要是为了实现物料的均相混合，所以，推进式、浆式、涡轮式等都可以选择。本次设计选用涡轮式搅拌器。7.1 搅拌桨的尺寸与安装位置搅拌桨的叶轮直径与反应釜的筒体直径比一般为 0.20.5，一般取为 0.33，所以叶轮的直径d=0.33Di=0.332

24、500=825mm，取 d=850mm由压力容器与过程设备一书可查得：叶轮直径 d：叶轮叶长度 l：叶轮叶片宽度W=20:5:4叶轮距槽底的安装高度h1=0.71.6d则由上述数据可计算：叶轮的叶长度l=0.25d=212.5mm，取 l=220mm叶轮的叶片宽度.z.W=0.2d=170mm叶轮距槽底的安装高度h1=1.0d=850mm挡板数目设计为6 个，垂直安装在槽壁上并从槽壁延伸至液面上，挡板宽度一般可取容器直径的0.1 倍Wb=0.1Di=250mm桨叶数设计为 6 片，叶端速度设计为4.0m/s（中度搅拌），则搅拌器的转速为：4.04.0n=d=3.140.85 =1.50r/s为

25、了消除可能出现的打旋现象，强化传质和传热，安装6 片宽度为0.25m 的挡板，全挡板的条件判断如下：(Wb )1.2nb=0.379?0.35Di所以，符合全挡板条件7.2 搅拌功率的计算由化工原理第三版上册计算方法计算。由化工原理第二版上册查得各物质的黏度计算公式 =ATBlg =A+B/(C-T)物料ABC乙醇-5.5972-846.95-24.124乙酸1.2106106-3.6612.z.乙酸乙酯-4.8721-452.07-3.4748各物料的黏度计算结果如下乙醇 =0.343mPa/s乙酸 =0.465mPa/s乙酸乙酯 =0.213mPa/s水=0.2838mPa/s （直接可查

26、得）对于非缔合液体混合物的黏度，可采用下式计算：lg m=Xilg i反应之前 :11.28529.43950.783lg m1=91.507lg0.465+91.507lg0.343+91.507lg0.2838=-0.0410-0.1495-0.3036=-0.4941m1 =0.321mPa/s反应之后：6.92925.08355.1394.356lg m2=91.507 lg0.465+91.507 lg0.343+91.507 lg0.2838+91.507 lg0.213=-0.0252-0.1274-0.3332-0.0320=-0.5178m2=0.304mPa/s平均黏度m=

27、（m1+m2）/2=0.3125mPa/s雷诺准数d2n 0.8521.501020Re= =3.12510-4=3.537106由于 Re 很大，处于湍流区，所以应该安装挡板以消除打旋现象。.z.由压力容器与过程设备查得，当Re=3.537106 时， NP=6.0则，搅拌功率为：35P=NPnd =9.16KW 10KW7.3 搅拌轴直径的设计7.3.1 搅拌轴的选材与直径的计算搅拌轴材料一般是经过轧制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢，对于直径较小的轴，可用圆钢制造。本设计中轴不是很大，所以可以选用圆钢制造的轴。 奥氏体型不锈耐酸钢有较高的抗晶间腐蚀能力，对一些有机酸和无机酸具有良好的耐腐

28、蚀性能。本设计中的物料中有乙酸，因此搅拌轴的材料选用奥氏体型不锈耐酸钢1Cr18Ni9Ti。电动机的功率 P=10KW，搅拌轴的转速 n=90r/min ，材料选用1Cr18Ni9Ti， =25MPa，剪切弹性模量 G=8.1104MPa，许用单位扭转角 =1o/m 。外力矩：mNm=9.553103P =955310/90=1061Nm n利用截面法：M Tmax=m=1061NmM T由 max=WP 得WP1061/25=42440Nmm/MPa搅拌轴为实心轴，则抗扭截面模量为WP=0.2d342440d 59.65可取 d=60mm.z.7.3.2 搅拌轴刚度的校核MTmax180ma

29、x=GIP 1034dIP= 32刚度校核必须满足： max，即：46P18039.5531010nd=52.60mm G32所以搅拌轴的直径取d=60mm 满足要求。7.3.3 搅拌轴临界转速校核由于搅拌轴的转速取n=90r/min?200r/min ，故可以不作临界转速校核。八、反应釜附件的选型与尺寸设计8.1 原料液进料管已知原料液每小时处理量为Q0=2.888m3/h ，要求原料要在15 分今晚，所以则 Q0=2.8884=11.552m3/h设进料速率为u=1.5m/s，则进口管的直径为：d=2 4Q0/ u=2 411.552/36003.141.5 =0.052m=52mm圆整后

30、取 d=55mm因此选用 764mm 的无缝钢管。8.2 人孔及手孔为检查压力容器在使用过程中是否出现问题，以及方便清洁和维.z.修，压力容器常常开设人孔或手孔。由化工设备机械基础查得开设人孔或手孔的相关规定如下：Di/mm检查孔最少数量人孔手孔300?D500手孔 2个圆 孔 75 、 长 圆 孔i7550500?Di 1000人孔 1 个，当容器圆形 400、长圆孔100 、长圆孔无法开人孔时： 手孔 2圆 形 ： 400250 、10080Di?1000个380280圆孔150 、长圆孔150100所以，可开设人孔1 个或手孔 2 个，尺寸见上表。8.3 支座夹套反应釜采用立式安装，采用耳式支座分为 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。8.4 传动装置搅拌器有一定的转速要求， 这需电动机通过传动装置来实现。 传动装置通常设置在反