乙酸乙酯间歇反应釜课程设计

. ..乙酸乙酯间歇反应釜工艺设计说明书z. .. ..目录前言 3摘要 4一．设计条件和任务 4二.工艺设计 61.原料的处理量 62.原料液起始浓度 73.反应时间 74.反应体积 8三.热量核算 81.物料衡算 82.能量衡算 93.换热设计 12四.反应釜釜体设计 131.反应器的直径和高度 132.筒体的壁厚 143.釜体封头厚度 15五.反应釜夹套的设计 151.夹套DN、PN的确定 152.夹套筒体的壁厚 153.夹套筒体的高度 164.夹套的封头厚度 16六.搅拌器的选型 171.搅拌桨的尺寸及安装位置 172.搅拌功率的计算 183.搅拌轴的的初步计算 18结论 19主要符号一览表 20总结 21参考书目 22z. .. ..前言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。z. .. ..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。z. .. ..一．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+C2H5OH=====CH3COOC2H5+H2OA B 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rR=k1(CACB－CRCS/K)100℃时，k1=4.76×10-6L/(mol·min),平衡常数K=2.92。乙酸的转化率xA=0.4，反应器的填充系数f=0.8，为此反应设计一个反应器。z. .. ..二.工艺设计工艺流程图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Q71001033002428.015kmol/L880.4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Q028.01560(121.35)7.17m3/h1020z. .. ..原料液起始浓度cA028.0153.91mol/L7.17乙醇和水的起始浓度cB03.9160210.2mol/L46cS03.91601.351817.6mol/L将速率方程变换成转化率的函数cAcA0(1xA)cBcB0cA0xAcRcA0xAcScS0cA0xA将以上各式代人rR=k1(cAcB－cRcS/K)中得rRk1cA01xAcB0cA0xAcA0xAcS0cA0xAK整理得2cB0cB0cS012rRk1cA0cA01cA0cA0KxA1KxAk1cA02(abxAcxA2)其中：acA010.22.61cB03.91bcB0cS0)(110.217.65.15(13.913.91)cA0cA0.K2.92c11110.66K2.92b24ac(5.15)242.610.664.43反应时间由rRVR'dnR得dtdnR dcR dcA0xA dxArR VR'dt dt dt cA0 dtz. .. ..即k1cA20整理得积分得

(abxAcxA2)cA0dxAdt1dxAdtabxAcxA2k1cA01xAfdxAt02k1cA0abxAcxA因为b24(5.15)242.610.6619.630acb20.4故上式积分为t11ln2cxb4ack1cA0b24ac2cxbb24ac04.7610414.43ln20.660.45.154.43ln5.154.433.9120.660.45.154.435.154.43=153min反应体积VrQ0(tt0)7.17(1531)25.45m360反应器的实际体积V Vr 25.45 31.81m3f 0.8三.热量核算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：QoutA QinA(1 xA) 28.015 (1 0.4) 16.81kmol/h28.015 60 2QinB 73.08kmol/h46z. .. ..QoutB QinB (QinA QoutA) 73.08 (28.015 16.81) 61.88kmol/hQinS28.015601.3518126.07kmol/hQoutSQivS(QinAQoutA)126.07（28.015-16.81）137.28kmol/hQoutRQinAQoutA28.01516.8111.21kmol/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126.07137.28能量衡算热量衡算总式：Q1 Q2 Q3 Q4式中：Q1进入反应器无聊的能量 ，KJQ2：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cp,m值:对液相查得，cp,mABTCT2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AB×103C×106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cp,m值z. ....cp,m(l,351.5K)ABTCT2100.91111.83910335105498.54106351.52123.204J?mol1?K1乙酸的cp,m值cp,m(l,373K)ABTCT2155.48326.595103373744.1991063732137.20J?mol1?K1乙酸乙酯的cp,m值cp,m(l,350.3K)ABTCT2162.99207.054103350.3777.283106350.32185.839J?mol1?K1水的cp,m值查得，cp,m(l,373K)75.954J?mol1?K1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AB×103C×106D×1010乙醇6.296231.501-118.558222.183乙酸乙酯24.673328.226-98.4119-203.815乙醇的cp,m值cp,m,g,373KABTCT2DT36.296231.501103373118.5581063732222.1831010373377.304J?mol1?K1乙酸乙酯的cp,m值cp,mg,373K A BT CT2 DT3z. .. ..24.673328.22610337398.41191063732203.81510103733132.352J?mol1?K1每摩尔物质在100℃下的焓值(1)每摩尔水的焓值373rH(H2O)cp,m(H2O，373K）298dTvapHm75.954103(373298)40.65646.352KJ?mol1每摩尔的乙醇的焓值351.5373rHmCH3CH2OHcp,mCH3CH2OH,l,351.5CdTvapHmcp,mCH3CH2OH,l,373CdT298351.5123.204 103 (351.5 298) 38.723 77.304 (373 351.5) 10346.976KJ?mol每摩尔乙酸的焓值

1373rHcp,m,373K)298dT137.2103(373298)10.290KJ?mol

1每摩尔乙酸乙酯的焓值350.2373rHmCH3COOOCH2CH3cp,mCH3COOOCH2CH3,l,350.2CdTvapHmcp,mCH3COOOCH2CH3,l,373CdT298350.2185.839103(350.3298)32.3132.352103(373350.3)45.024KJ?mol1总能量衡算Q1nCH3COOHrHm(CH3COOH)nH2OrHm(H2O)nCH3CH2OHrHm(CH3CH2OH)126.0710346.35273.0810346.97628.01510310.299564877.07KJ/h2）Q2的计算z. .. ..CH3COOHC2H5OHCH3COOC2H5H2OQ211.21103(rHm(H2O)rHm(CH3CH2COOCCH3)rHm(CH3CH2OH)rHm(CH3COOH))11.21103(45.02446.35210.2946.976)382373.1KJ/h3）Q4的计算Q1n1H20rHmH20n1H2OrHmH2On1CH3CH2OHrHmCH3CH2OHn1CH3CH2OOCCH3rHmCH3CH2OOCCH3137.2746.35211.2145.02461.8846.97616.8110.29)1039947307.86KJ/h因为Q2>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 。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mocpoT1T2cpoabTcT2a29.16J?mol1?K1b14.49103J?mol1?K2c2.022106J?mol1?K3TT1T2403383393K22cpo29.1614.491033932.022106393229.165.69460.3123z. .. ..34.5423J?mol1?K11.92KJ?Kg1?K1m0Q3764803.89cp0(T1T2)19916.77kg/h1.92(403383).反应釜釜体设计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， pDi3（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。高径比的确定通常采用经验值表种类罐体物料类型一般搅拌釜液—固或液—液相物料气—液相物料发酵罐类气—液相物料假定高径比为H/Di=1.2，先忽略罐底容积

H/Di1~1.31~21.7~2.5VDi2H4Di3H4Di代入数据得Di3.23m取标准Di3.2m3200mm标准椭球型封头参数公称直径曲面高度直边高度内表面积容积（m3）（mm）（mm）（mm）（m2）32008004011.54.61筒体的高度V431.814.6143380mmH23.223.38mDiz. .. ..釜体高径比的复核H H h2 3380 401.07，满足要求Di Di 3200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） 0.143 0.08 0.316 0.272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=1.1×0.4MPa=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[σ]t=147MPa取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100％无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm根据式dPCDiC2tPC2得0.443200d1471.026.80mm20.44考虑到钢板厚度负偏差圆整后，C10.6mm，取n8mm水压试验水压试验时的应力为TPT(Die)2ePT1.25Pc1.250.44150t0.56MPa147取PMPaT0.6e n代入得 T

C 8 (0.6 2) 5.4mm0.56(32005.4)2166MPa5.416MnR的屈服极限S345MPa0.9s0.93451.0311MPaT0.9sz. .. ..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。釜体封头厚度设计厚度dPCDiC22tPC0.44 320021471.06.80mm考虑到钢板厚度负偏差圆整后， C1 0.6mm，取 n 8mm.反应釜夹套的设计夹套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：Dj Di 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=0.25MPa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[σ]t=113MPa取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100％无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm设计厚度dPCDiC2t2PC0.25 340021131.00.255.77mmz. .. ..考虑到钢板厚度负偏差圆整后， C1 0.6mm，取 n 7mm按钢制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于 8mm所以取 n 8mm夹套筒体的高度fVv0.831.814.61Hj2.59mDi23.2244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（Dj3400mm）相同。夹套的上封头选带折边形的封头，且半锥角45。计算厚度nPcDiC20.2534005.76mmt0.5Pc211310.5220.25考虑到钢板厚度负偏差圆整后，C10.6mm，取n7mm按钢制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取n8mm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 n 8mm水压试验水压试验时的应力为PT(Die)T2ePT 1.25Pc 1.25 0.25 1 0.31MPa，且不得小于（P+0.1）=0.35MPat所以取PT0.35MPaenC8(0.62)5.4mm代入得T0.35(32005.4)25.4110.4MPaz. .. ..Q235—B的屈服极限 s 235MPa0.9 s 0.9 235 1.0 212MPa0.9s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 。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d0.33Di0.3332001056mm，取d1000mm；叶轮据槽底的安装高度H11.0d1.010001000mm；叶轮的叶片宽度W0.2d0.21000200mm，取W200mm；叶轮的叶长度l0.25d0.251000225mm，取l250mm；液体的深度H11.0H3200mm；z. .. ..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Wb0.1D0.13200320mm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：4.34.3n1.52r/s，取n1.5r/sd3.141.0搅拌功率的计算采用永田进治公式进行计算：2.157104Pa/sd2n1.021.510207.09106300Re2.157104n2d1.521.00.229Fr9.81g[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 Rec，用Rec代替Re进行搅拌功率计算。 Rec可以查表上湍流一层流大的转折点得出。查表知： 6.8所以功率：P n3d5 6.8 1020 1.53 1.05 23.4KW，取P 24KW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G8.1104MPa，许用单位扭转角＝1°/m。由m9.553106P得：m9.553106141.486106N/mm1486N/mn14(90利用截面法得：MTmax6N/)m9.5531090mm由maxMT得：WP9.553106P9.55310614WPn9040z. .. ..搅拌轴为实心轴，则：WP0.2d39.55310614904057.05mm取d60mm（2）搅拌轴刚度的校核：由max MTmax 180 103Jp

GJpd432刚度校核必须满足： max ，即：9.533106p1801039.53310614180103d4n9057.2mm4104G18.13232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。z. .. ..主要符号一览表V——反应釜的体积——反应时间cA0——反应物A的起始浓度cB0——反应物的B起始浓度cS0——反应物S的起始浓度——反应器的填充系数Di——反应釜的内径H——反应器筒体的高度h2——封头的高度P——操作压力Pc——设计压力φ——取焊缝系数t[σ]——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Hj——反应器夹套筒体的高度v——封头的体积PT——水压试验压力Dj——夹套的内径Q——乙酸的用量Q0——单位时间的处理量z. .. ..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稿，因为这都到期末了，有很多门专业课要考试，必须花上大量的时间复习，加上前面我们做了一个化工原理的课程设计，知道里面有很多需要查阅的东西，所以天天就一直在想到底是复习还是做课程设计。知道今天为止，我终于两不误，把两样事情都顺利