乙酸乙酯间歇反应釜课程设计

乙酸乙酯间歇反应釜工

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书乙酸乙酯间歇反应釜工

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书目录刖言3摘要4.设计条件和任务3.工艺设计61。原料的处理量42。原料液起始浓度53.反应时间54。反应体积6三。热量核算6.物料衡算62。能量衡算73.换热设计10四。反应釜釜体设计111。反应器的直径和高度112。筒体的壁厚123.釜体封头厚度13.反应釜夹套的设计131。夹套DN、PN的确定13.夹套筒体的壁厚13.夹套筒体的高度14.夹套的封头厚度14.搅拌器的选型151。搅拌桨的尺寸及安装位置152。搅拌功率的计算163.搅拌轴的的初步计算16结论19主要符号一览表17总结18参考书目19前百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7100T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31.81m3、换热量为19916.77kg/h。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高3380mm，直径3200mm，壁厚8mm，封头壁厚8mm；夹套的特征尺寸为高2590mm，内径为3400mm壁厚8mm，封头壁厚8mm。还对塔体等进行了辅助设备设计，换热则是通过夹套完成。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。e设计条件和任务一、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二、设计题目和内容设计题目：年产量为年产7100T的间歇釜式反应器的设计乙酸乙酯酯化反应的化学式为：CH3COOH+C2H50H=====CH3COOC2H5+H2O

AB 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%=k1(CACB—CRCS/K)

100c时，k1=4。76X10—6L/(mol•min),平衡常数K=2.92。乙酸的转化率，=0.4,反A应器的填充系数f=0。8,为此反应设计一个

反应器。二,工艺设计工艺流程图1。原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八 7100x103Q= =28.015kmol/L88x300x24x0.4由于原料液反应组分的质量比为：A：B：S=1：2:1.35则单位时间的处理量28.015义60*(1+2+1.35) =7.17m3/h10202。原料液起始浓度28.015=3.91mol/L7.17乙醇和水的起始浓度工91160*2)10.2mol/L463.91*60*L35=17.6mol/L18将速率方程变换成转化率的函数CA=CA00(1「)CB=cB0—cAJa二CA0XACS=cS0+cA0XA将以上各式代人.=.(%%—%%/)中得r=kIC—X)C—CX)—c+cx)/K]整理得rRc—B0cA0Cc1+—B0+

cA0C-^0-CA0KJ(1\+1--=kc2(a+bx+cx2)1A0 AA其中：a=-0="=2.61CB0 3.91b=—(1+CB0^+CA010.2+3.9117.63.91x2.92)=-5.1511c=1- =1-——=0.66K2.92bb2-4ac=.v(-5.15)2-4x2.61x0.66=4.433.反应时间由rV'=n—f^得RRdtdn R-V'dtRdc——R

dtd(cx)dx A0A=c——Adt A0dtIPkc2(a+bx+cx2)=cdx——AA0dt整理得dt=-kcdx A a+bx+cx2AA积分得t=’』)一巴―kc0a+bx+cx21A0 AA因为b2—4ac=(—5.15)2—4x2.61x0.66=19.63>0…，一，， 1故上式积分为t=—kcln4.76x10-4x3.91x4.43\b2—4acln2cx+b—■vb2—4acl!2cx+b+bb2—4ac2x0.66x0.4—5.15—4.432x0.66x0.4—5.15+4.43—ln0.4—5.15—4.43—5.15+4.43=153min4。反应体积V=Q0(t+10)=7.17x(反应器的实际体积15360+1)=25.45m3V25.45f0.8:31.81m3热量核算1。物料衡算根据乙酸的每小时进料量为28.015kmol/h，再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：Q=Q(1—x)=28.015x(1—0.4)=16.81kmol/houtAinAinB28.015义inB28.015义60*246=73.08kmol/hQB=QB-(QA—QA)=73.08-(28.015-16.81)=61.88kmol/hinS28.015义inS28.015义60*1.3518=126.07kmol/hQS=QS+(QA-QA)=126.07+(28.015-16.81)=137.28kmol/hQR=QA-QA=28.015-16.81=11.21kmol/h结果汇总如下表:物质进料kmol/h出料kmol/h乙酸28。01516。81乙醇73.0861.88乙酸乙酯011.21水126.07137.282.能量衡算热量衡算总式：Q+Q+Q=Q12 3 4式中：Q1进入反应器无聊的能量，KJQj化学反应热，KJq3：供给或移走的热量,外界向系统供热为正，系统向外界移去热量为负，KJQ4：离开反应器物料的热量，KJ每摩尔各种物值在不同条件下的c值：p,m对液相查得，c=A+BT+CT2各种液相物质的热容参数如下表液相物质的热容参数物质ABX103CX106乙醇100。92-111.839498。54乙酸155.48-326。595744.199乙酸乙酯162。99—201。054777.283由于乙醇，乙酸乙酯，乙酸的沸点分别为78.5℃,77。3℃和118℃，所以:乙醇的C值p,mCp.m（l,351.5K广A+BT+CT2二100.91-111.839义10-3义35105+498.54义10-6义351.52=123.204J•mol-1•K-1乙酸的c值p,mc=A+BT+CT2p,m（l,373K）二155.48-326.595义10-义373+744,199义10-6*3732=137.20J•mol-1•K-1乙酸乙酯的c值p,mCp.m（l,350.3K广A+BT+CT2二162.99-207.054义10-3义350.3+777,283义10-6义350.32=185.839J•mol-1•K-1水的c值p,m查得，c«切k）=75.954J•mol-1•K-1对气相各种气象物质的参数如下表气相物质的热容参数物质ABX103CX106DX1010乙醇6。296231。501—118.558222,183乙酸乙酯24.673328。226—98.4119-203。815乙醇的c值p,mc（ ）=A十BT十CT2+DT3=6.296+231,501义10-3义373-118.558义10-6*3732+222,183义10-10义3733=77.304J•mol-1•K-1乙酸乙酯的c值p,m

c =A+BT十CT2+DT3p,m(g，373K)=24.673+328.226义10-3义373—98.4119义10-6*3732—203.815义10-10义3733=132.352J•mol-1•K-1每摩尔物质在100℃下的始值(1)每摩尔水的焓值(H2O) p,m(H20,373K)298J373dT+AHvapm=75.954x10(H2O) p,m(H20,373K)298J373dT+AHvapm=75.954x10-3x(373-298)+40.656=46.352KJ•mol-1⑵每摩尔的乙醇的焓值AH =c( ;于5dT+AH+c( 、rm(CH3CH2OH) p,m”H3CH2OH,l,351,50C) vapm p,m%H3CH2OH,l,373°C)298 :3(3JdT351.5=123.204x10-3x(351.5-298)+38.723+77.304x(373-351.5)x10-3=46.976KJ•mol-1⑶每摩尔乙酸的焓值AH=cJ373dTr p,m,373K)298=137.2x10-3x(373-298)=10.290KJ•mol-1(4)每摩尔乙酸乙酯的焓值AH =c( ;于2dT+AH+c( 、rm1cH3CO00cH2CH3) p,mC3COOOCH2CH3,l,350.2°C) vapm p,mC3COOOCH2CH3,l,373°C)298 :3f3JdT350.2=185.839x10-3x(350.3-298)+32.3+132.352x10-3x(373-350.3)=45,024KJ•mol-1总能量衡算01 "ch3COOH'Pm(CH3COOH) ^H?O'Dm(HO) "CH3CH?OH'Pm(CH3CH2OH)二126.07x103x46.352+73.08x103x46.976+28.015x103x10.29二9564877.07KJ/h(2)Q2的计算CH3COOH+C2H5OH=CH3COOC2H5+H2OQ2=11,21义103义。rHm(H2O)+A/m(CH3CH2COOCCH/m(CH3CH2OH/m(CH3COOHJ=11.21X103X(45.024+46.352—10.29—46.976)=382373.1KJ/h⑶Q4的计算4 "h20"rHm520)+^H2OJ"m(H2O)+CH3CH2OH"r"m(CH3CH2OH)+"cH3CH2OOCCH3"r"m(CH3CH2OOCCH3)=137.27x46.352+11.21x45.024+61.88x46.976+16.81x10.29)x103=9947307.86KJ/h因为。2>0,说明反应吸热故，有Q1-Q2+Q3=Q4求得：Q3=764803.89KJ/hQ3>0,故应是外界向系统供热。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℃。水蒸气的用量忽略热损失,则水的用量为Q=mc攵-T)c=a+bT+cT2poa=29.16J•mol-1•K-1b=14.49x10-3J•mol-1•K-2c=-2.022x10-6J•mol-1•K-3T+T+T403+383=393Kc=29.16+14.49X10-3x393-2.022x10-6x3932po=29.16+5.6946-0.312310

=34.5423J•mol-1•K-1=1.92KJ•Kg-i•K-iQ

3Q

3

00(T-T)764803.891.92x(403-383)=19916.77kg/h四。反应釜釜体设计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：在转速不变的情况下，pa。3(其中D一搅拌器i直径，P一搅拌功率)，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.高径比的确定通常采用经验值表种类罐体物料类型H/Di一般搅拌釜液一固或液-液相物料1~1.3气一液相物料1~2发酵罐类气一液相物料1。7〜2。5假定高径比为H/Di=1.2，先忽略罐底容积MJi代入数据得D=3.23mi取标准D=3.2m=3200mmi标准椭球型封头参数公称直径(mm)曲面高度(mm)直边高度(mm)内表面积(m2)容积(m3)32008004011.54。61筒体的高度V-u431.81-4.614H 3.38m=3380mmD2兀 3.22 兀i11

釜体高径比的复核3380+釜体高径比的复核3380+403200=1.07，满足要求2。筒体的壁厚设计参数的确定反应器内各物质的饱和蒸汽压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,取反应器的设计压力Pc=1。1P=1.1X0。4MPa=0。44MPa该反应釜的操作温度为100℃,设计温度为120℃。材质选用16MnR,16MnR材料在120℃是的许用应力［。］t=147MPa取焊缝系数”=1.0（双面对接焊,100%无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm根据式5d+2=6.80+2=6.80mm2义147*1.0—0.44考虑到钢板厚度负偏差圆整后，C1=0.6mm，取5〃=8mm水压试验水压试验时的应力为P=1.25P取=1.25x0.44P=1.25P10T 147取PT=0.6MPa5=5—C=8—(0.6+2)=5.4mm代入得0=吧X(3200+㈣=166MPaT 2X5.416MnR的屈服极限0s=345MPa0.90g0.9x345x1.0=311MPas0<0.90巾12水压试验时满足强度要求。水压试验的操作过程：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0.55MPa,保压不低于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。3.釜体封头厚度设计厚度 5= PD—+Cd2匕」巾一P 20.44义3200中二 +22义147*1.0=6.80mm考虑到钢板厚度负偏差圆整后，C1=0.6mm，取5n=8mm五。反应釜夹套的设计1。夹套DN、PN的确定由夹套的筒体内径与釜体内径之间的关系可知：D=D+200=3200+200=3400mm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。25MPa2。夹套筒体的壁厚由于压力不高所以夹套的材料选用Q235—B卷制，Q235—B材料在120℃是的许用应力［。］t=113MPa取焊缝系数”=1.0（双面对接焊,100%无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm设计厚度5= PD—+Cd2匕」巾-P20.25义3400中= +2义113*1.0—0.25=5.77mm13考虑到钢板厚度负偏差圆整后,C=0.6mm，取8=7mm按钢制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取8=8mm.夹套筒体的高度口fV-v0.8义31.81-4.61。小H= = =2.59mj兀 K -D2 —X3.22i 44。夹套的封头厚度夹套的下封头选标准椭球封头，内径与筒体(Dj=3400mm)相同。夹套的上封头选带折边形的封头，且半锥角a=45°。PD0 0.25x3400计算厚度8= «-i +C= +2=5.76mmn2bJ①-0.5P 22X113X1-0.5X0.25考虑到钢板厚度负偏差圆整后,C1=0.6mm，取8n=7mm按钢制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取8=8mm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8=8mmn水压试验水压试验时的应力为o=P尸Jt 28ePT=1.25P目=1.25x0.25x1=0.31MPa，且不得小于(P+0.1)=0.35MPa所以取PT=0.35MPa8=8-C=8-(0.6+2)=5.4mm代入得。二0.35X(3200+0=110.4MPaT2x5.414Q235-B的屈服极限°r235MPa0.9ag0.9x235x1.0=212MPas°<0.9°6水压试验时满足强度要求。水压试验的操作过程：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。35MPa，保压不低于30min,然后将压力缓慢降至0.275MPa,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。六。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。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d=0.33D=0.33x3200=1056mm取d=1000mm.叶轮据槽底的安装高度H1二L0d=1.0x1000=1000mm；叶轮的叶片宽度卬=0.2d=0.2x1000:200mm,取W=200mm；叶轮的叶长度l=0.25d=0.25x1000=225mm,取l=250mm；15

液体的深度H1=L0H=3200mm；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W=0.1D=0.1x3200=320mm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:4.3 4.3n=—=——--=1.52r/§九d3.14x1.0 ，取n=1.5r/§2。搅拌功率的计算采用永田进治公式进行计算:H=2157x10-4Pa/§R=皿=L02x1.5x1020=7.09x106>300eN 2.157x10-4n2n2d 1.52x1.0g9.81=0.229[13]由于Re数值很大，处于湍流区，因此，应该安装挡板，一消除打旋现象。功率计算需要知到临界雷诺数Rj用R率计算需要知到临界雷诺数Rj用R代替R进行搅拌功率计算。R可以查表ecec上湍流一层流大的转折点得出。查表知：。=6.8所以功率：P=Mn3d5=6.8x1020x1.53x1.05=23.4KW，取P=24KW3。搅拌轴的的初步计算搅拌轴直径的设计(1)电机的功率P=27KW,搅拌轴的转速n=90r/min,根据文献，取用材料为1Cr18Ni9Ti,□=40MPa，剪切弹性模量G=8,1x104MPa，许用单位扭转TOC\o"1-5"\h\z _P 14 __ _ _由m=9.553x106一得：m=9.553x106x =1.486x106N/mm=1486N/mn 9014利用截面法得：M=m=9.553x106x (N/mm)Tmax 9016

,M P 14由t二jvk」得:W>9.553x106 =9.553x106x—maxW P nh」 90x40p14搅拌轴为实心轴，则:W>0.2d3>9.553x106x p 90x40d>57.05mm取d=60mm(2)搅拌轴刚度的校核:由n_M 180wV=Tmaxx x103maxGJ兀T兀d4J= p32刚度校核必须满足：Omax<[0l即:d>141801d>9.533x106x—x x103=57.2mm90兀=57.2mm兀1x8.1x104x—32所以搅拌轴的直径取d=60mm满足条件。搅拌抽临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速n=90r/min<200r/min,故不作临界转速校核计算。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：DN40HG21570—95。结论依据GB150—1988《钢制压力容器》，反应器尺寸为体积为31.81m3，反应釜高为3380mm，内径3200mm,达到实际要求，完成设计任务。主要符号一览表V——反应釜的体积t--反应时间c——反应物A的起始浓度J。一-反应物的B起始浓度17c--反应物S的起始浓度f--反应器的填充系数Di——反应釜的内径H-—-反应器筒体的高度h——封头的高度P—-操作压力P——设计压力布一-取焊缝系数［。］「一钢板的许用应力C--钢板的负偏差C1--钢板的腐蚀裕量S2——筒壁的计算厚度S——筒壁的名义厚度Hn——反应器夹套筒体的高度vj—-封头的体积P--水压试验压力DT——夹套的内径Qj——乙酸的用量Q0——单位时间的处理量总结在为期两周的设计里，在此课程设计过程中首先要感谢老师，在这次课程设计中给予我们的指导，由于是初次做反应工程课程设计，所以 ，再设计整个过程中难免遇到这样那样的难题不知该如何处理，幸好有陈湘耐心教诲，给予我们及时必要的指导，在此向陈老师表最诚挚的感谢！从陈老师开始说要在做课程设计开始，我就一直担心我到最后交不了