乙酸乙酯間歇反應(yīng)釜課程設(shè)計(jì)

1、乙酸乙酯間歇反應(yīng)釜工 藝 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)寸錄、八 、亠前言反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì)是化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)和反應(yīng)工程課程教學(xué) 中綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，是學(xué)生體察 工程實(shí)際問(wèn)題復(fù)雜性，學(xué)習(xí)初次嘗試反應(yīng)釜機(jī)械設(shè)計(jì)?；ぴO(shè)計(jì)不同于平 時(shí)的作業(yè)，在設(shè)計(jì)中需要同學(xué)獨(dú)立自主的解決所遇到的問(wèn)題、自己做出決 策，根據(jù)老師給定的設(shè)計(jì)要求自己選擇方案、查取數(shù)據(jù)、進(jìn)行過(guò)程和設(shè)備 的設(shè)計(jì)計(jì)算，并要對(duì)自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過(guò)反復(fù)的比較分析， 擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。反應(yīng)工程是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在教師指導(dǎo)下， 通過(guò)裸程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立地運(yùn)用所學(xué)到的基本理論并結(jié)合生產(chǎn)

2、實(shí)際的 知識(shí)，綜合地分析和解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的能力。因此，當(dāng)學(xué)生首次完成該 課程設(shè)計(jì)后，應(yīng)達(dá)到一下幾個(gè)目的：1、熟練掌握查閱文獻(xiàn)資料、收集相關(guān)數(shù)據(jù)、正確選擇公式，當(dāng)缺乏必要的 數(shù)據(jù)時(shí)，尚需要自己通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定或到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際查定。2、在兼顧技術(shù)先進(jìn)性、可行性、經(jīng)濟(jì)合理的前提下，綜合分析設(shè)計(jì)任務(wù)要 求，確定化工工藝流程，進(jìn)行設(shè)備選型，并提出保證過(guò)程正常、安全可 行所需的檢測(cè)和計(jì)量參數(shù)，同時(shí)還要考慮改善勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的有 效措施。3、準(zhǔn)確而迅速的進(jìn)行過(guò)程計(jì)算及主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算及選型。4、用精煉的語(yǔ)言、簡(jiǎn)潔的文字、清晰地圖表來(lái)表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思想和計(jì)算 結(jié)果?；ぴO(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很

3、繁瑣的設(shè)計(jì)工作，而且在設(shè)計(jì)中 除了要考慮經(jīng)濟(jì)因素外，環(huán)保也是一項(xiàng)不得不考慮的問(wèn)題。除此之外，還 要考慮諸多的政策、法規(guī)，因此在課程設(shè)計(jì)中要有耐心，注意多專業(yè)、多 學(xué)科的綜合和相互協(xié)調(diào)。摘要本選題為年產(chǎn)量為年產(chǎn)7100T的間歇釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。通過(guò)物料衡算、熱量衡 算，反應(yīng)器體積為31.81m3、換熱量為19916.77kg/h。設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)果表明，反應(yīng) 器的特征尺寸為高3380mm直徑3200mm壁厚8mm圭寸頭壁厚8mm夾套的特征 尺寸為高2590mm內(nèi)徑為3400mn壁厚8mn, 封頭壁厚8mm還對(duì)塔體等進(jìn)行了 輔助設(shè)備設(shè)計(jì)， 換熱則是通過(guò)夾套完成。 攪拌器的形式為圓盤(pán)式攪拌器， 攪拌軸 直

4、徑60mm在此基礎(chǔ)上繪制了設(shè)備條件圖。本設(shè)計(jì)為間歇釜式反應(yīng)器的工業(yè)設(shè) 計(jì)提供較為詳盡的數(shù)據(jù)與圖紙。亠設(shè)計(jì)條件和任務(wù)一、設(shè)計(jì)目的和要求通過(guò)課程設(shè)計(jì)，要求更加熟悉工程設(shè)計(jì)基本內(nèi)容 ，掌握化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的 主要程序及方法，鍛煉和提高學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)和技能的能力、 獨(dú)立工作和 創(chuàng)新能力二、設(shè)計(jì)題目和內(nèi)容設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)量為年產(chǎn)7100T的間歇釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 乙酸乙酯酯化反應(yīng)的化學(xué)式為：CH3COOH+C2H5OH=CH 3COOC2H5+H2OABRS原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為：A : B: S=1： 2：，反應(yīng)液的密度為1020Kg/m3，并 假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時(shí)

5、間為1h，每天計(jì)24h每年300d每年生產(chǎn)7200h。反應(yīng)在100C下等溫操作，其反應(yīng)速率方程如下 rR=ki(CACB CrCs/K)100 C 時(shí)，k1= x 10-6L/(mol min),平衡 常數(shù)K=。乙酸的轉(zhuǎn)化率XA=，反應(yīng)器的填充 系數(shù)f=，為此反應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)反應(yīng)器。工藝流程圖:ElOla:E 1,01b1 .工藝設(shè)計(jì):El01cVC101R0201V0102 VQW3 : V01.01T1I r - _ a _ j_ _.（.ElOlbElOla-”丄- XEl 01c .丫0畑:仙03林屈- 匪01： 甌應(yīng)羞.in熱水吉瞎詡塔先育2:10201. 原料的處理量根據(jù)乙酸乙酯的產(chǎn)量

6、可計(jì)算出每小時(shí)的乙酸用量為328.015kmol /L7100 10388 300 24 0.4由于原料液反應(yīng)組分的質(zhì)量比為：A : B: S=1:貝U單位時(shí)間的處理量Q02815 60 （1 235）7.17m3/h2.原料液起始濃度28.015 3.91mol/ L 7.17乙醇和水的起始濃度CA0CB 03.9160 2dH/ 1463.9160 1.35Cs017.6mol /L18將速率萬(wàn)程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)CaCa0(1Xa)CbCb0Ca0XaCRCA0XACsCS0CA0XA將以上各式代人rR=k1(cACB crcs/K)中得r Rk1 CA0 1XA CB0CA0XACA0

7、 XACS0CA0XA整理得gk1CA0Cb01Cb0Cs0XaCA0CA0CA0 Kk1CA0 ( 3bXAcxA)其中：aCA010.22.61CB03.91K1K2Xa(1CB0CS0CA0Ca0.K)(110.23.910.662.9217.63.91 2.92)5.15b24ac . ( 5.15)24 2.61 0.664.433.反應(yīng)時(shí)間由rVr如得dtdgdCRd Ca0Xar RVRdtdtdtdxACaFkicA0 (abxA2、CXa)dxA整理得 dt1dxAk1CA0 abxA2CXa積分得1k1CA0XAfdxAbxA2CXa因?yàn)?b2 4ac ( 5.15)24

8、2.61 0.6619.6300.4故上式積分為t1k1CA01.b2 4ac,2cx b 0,說(shuō)明反應(yīng)吸熱故，有 Qi Q2 Q3 Q4求得：Q3 = KJ / hQ30,故應(yīng)是外界向系統(tǒng)供熱3.換熱設(shè)計(jì)換熱采用夾套加熱，設(shè)夾套內(nèi)的過(guò)熱水蒸氣由130C降到110C，溫差為20C水蒸氣的用量忽略熱損失，則水的用量為Q mocpo Ti T2Cpo a bT cT21 1a 29.16J ?mol ?Kb 14.49 10 3J ?mol 1c 2.022 10 6 J ?molT1 T2403 383T -22 2?K 21?K 3393K362Cpo 29.16 14.49 10393 2.

9、022 1039329.16 5.6946 0.312334.5423J ?mol 1 ?K 11.92 KJ ?Kg 1 ?K 1moQ376480389CpO(TiT2)1.92 (403 383)伽曲曲四. 反應(yīng)釜釜體設(shè)計(jì)1.反應(yīng)器的直徑和高度在已知攪拌器的操作容積后，首先要選擇罐體適宜的高徑比( H/Di)，以確 定罐體的直徑和高度。選擇罐體高徑比主要考慮以下兩方面因數(shù)：1、高徑比對(duì)攪拌功率的影響:在轉(zhuǎn)速不變的情況下,p Di3 (其中D攪拌器直徑，P攪拌功率)，P 無(wú)謂地消耗一些攪拌功率2、高徑比對(duì)傳熱的影響：當(dāng)容積一定時(shí)， 高徑比的確定通常采用經(jīng)驗(yàn)值表隨釜體直徑的增大，而增加很多，

10、減小高徑比只能 因此一般情況下，高徑比應(yīng)選擇大一些。H/Di越高，越有利于傳熱種類罐體物料類型H/Di一般攪拌釜液一固或液一液相物料1氣一液相物料12發(fā)酵罐類氣一液相物料O假定高徑比為H/Di=，先忽略罐底容積V 4dh 即3d代入數(shù)據(jù)得Di3.23m3.22取標(biāo)準(zhǔn) Di 3.2m 3200mm公稱直徑(mm)曲面咼度(mm)直邊高度(mm)內(nèi)表面積(m2)容積(m3)320080040標(biāo)準(zhǔn)橢球型圭寸頭參數(shù)筒體的高度31.814.61 43.38m3380mmV 4H 4Di釜體高徑比的復(fù)核H 口2338 4 1.07，滿足要求DiDi32002. 筒體的壁厚設(shè)計(jì)參數(shù)的確定反應(yīng)器內(nèi)各物質(zhì)的飽和

11、蒸汽壓物質(zhì)水乙酸乙醇乙酸乙酯飽和蒸汽壓（MPa）該反應(yīng)釜的操作壓力必須滿足乙醇的飽和蒸汽壓所以取操作壓力P=，取反應(yīng)器的設(shè)計(jì)壓力Pc=x =該反應(yīng)釜的操作溫度為100C，設(shè)計(jì)溫度為120C。材質(zhì)選用16MnR, 16MnR材料在120C是的許用應(yīng)力c t=147MPa取焊縫系數(shù) =（雙面對(duì)接焊，100%無(wú)損探傷）腐蝕裕量C2=2mm根據(jù)式PcDj2 tPcC20.44 32002 147 1.00.446.80mm考慮到鋼板厚度負(fù)偏差圓整后,C10.6mm，取 n 8mmT0.9s水壓試驗(yàn)水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力為PT(Die)150Pt 1.25 Pcr 1.25 0.440.56MPat1470.

12、90.9 345 1.0 311MPa取 R 0.6MPaenC 8(0.62)5.4mm代入得t0.56 (32005.4)166MPa2 5.416MnR的屈服極限 s 345MPa水壓試驗(yàn)時(shí)滿足強(qiáng)度要求。水壓試驗(yàn)的操作過(guò)程：在保持釜體表面干燥的條件下，首先用水將釜體內(nèi)的空氣排空，再將水的壓 力緩慢升至，保壓不低于30mi n,然后將壓力緩慢降至，保壓足夠長(zhǎng)時(shí)間，檢查 所有焊縫和連接部位有無(wú)泄露和明顯的殘留變形。若質(zhì)量合格，緩慢降壓將釜體內(nèi)的水排凈，用壓縮空氣吹干釜體。若質(zhì)量不合格，修補(bǔ)后重新試壓直至合格為 止。水壓試驗(yàn)合格后再做氣壓試驗(yàn)。3. 釜體封頭厚度設(shè)計(jì)厚度PcDiPcC220.4

13、43200 小22 1471.06.80mm考慮到鋼板厚度負(fù)偏差圓整后,50.6mm，取 n 8mm五. 反應(yīng)釜夾套的設(shè)計(jì)1. 夾套DN、PN的確定由夾套的筒體內(nèi)徑與釜體內(nèi)徑之間的關(guān)系可知：Dj Di 20032002003400 mm由設(shè)備設(shè)計(jì)條件可知，夾套內(nèi)介質(zhì)的工作壓力為常壓，取PN=2. 夾套筒體的壁厚由于壓力不高所以?shī)A套的材料選用 Q235- B卷制，Q235 B材料在120C是的 許用應(yīng)力（T t=113MPa取焊縫系數(shù) =（雙面對(duì)接焊，100%無(wú)損探傷）腐蝕裕量C2=2mm設(shè)計(jì)厚度d 姜 C22Pc0.25 34002 113 1.00.255.77mmQ235B 的屈服極限s2

14、35MPa考慮到鋼板厚度負(fù)偏差圓整后，C10.6mm，取7 mm按鋼制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取n 8mm3. 夾套筒體的高度HjfV vD240.8 31.814.613.2242.59m4. 夾套的封頭厚度夾套的下封頭選標(biāo)準(zhǔn)橢球封頭，內(nèi)徑與筒體(Dj 3400mm )相同。夾套的上封頭選帶折邊形的封頭，且半錐角45計(jì)算厚度2 t0.5PcC225 3400 22 113 1 0.5 0.255.76mm考慮到鋼板厚度負(fù)偏差圓整后，C10.6mm，取n 7mm按鋼制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取n 8mm帶折邊錐形封頭的壁厚考慮到風(fēng)頭的大端與夾

15、套筒體對(duì)焊，小端與釜體筒體角焊，因此取封頭的壁厚與夾套筒體壁厚一致，即 n 8mm水壓試驗(yàn)水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力為Pt (Die)所以取Pt0.35MPaen C 8(0.62)5.4mm代入得0.35 (32005.4)T110.4MPa2 5.4Pt 1.25Pc1.25 0.25 10.31MPa，且不得小于(P+)=0.9 s 0.9 235 1.0 212MPaT 0.9 s水壓試驗(yàn)時(shí)滿足強(qiáng)度要求 。 水壓試驗(yàn)的操作過(guò)程：在保持釜體表面干燥的條件下， 首先用水將釜體內(nèi)的空氣排空， 再將水的壓 力緩慢升至，保壓不低于30mi n,然后將壓力緩慢降至，保壓足夠長(zhǎng)時(shí)間，檢查 所有焊縫和連接部位有

16、無(wú)泄露和明顯的殘留變形。 若質(zhì)量合格， 緩慢降壓將釜體 內(nèi)的水排凈， 用壓縮空氣吹干釜體。 若質(zhì)量不合格， 修補(bǔ)后重新試壓直至合格為 止。水壓試驗(yàn)合格后再做氣壓試驗(yàn)。六. 攪拌器的選型攪拌設(shè)備規(guī)模、 操作條件及液體性質(zhì)覆蓋面非常廣泛， 選型時(shí)考慮的因素很 多，但主要考慮的因素是介質(zhì)的黏度、 攪拌過(guò)程的目的和攪拌器能造成的流動(dòng)形 態(tài)。同一攪拌操作可以用多種不同構(gòu)型的攪拌設(shè)備來(lái)完成， 但不同的實(shí)施方案所 需的設(shè)備投資和功率消耗是不同的， 甚至?xí)沙杀兜牟顒e。 為了經(jīng)濟(jì)高效地達(dá)到 攪拌的目的， 必須對(duì)攪拌設(shè)備作合理的選擇。 根據(jù)介質(zhì)黏度由小到大， 各種攪拌 器的選用順序是推進(jìn)式、渦輪式、槳式、錨式和

17、螺帶式。根據(jù)攪拌目的選擇攪拌器的類型： 均相液體的混合宜選推進(jìn)式， 器循環(huán)量大、 耗能低。制乳濁液、懸浮液或固體溶解宜選渦輪式，其循環(huán)量大和剪切強(qiáng)。氣體 吸收用圓盤(pán)渦輪式最適宜，其流量大、剪切強(qiáng)、氣體平穩(wěn)分散。對(duì)結(jié)晶過(guò)程，小 晶粒選渦輪式，大晶粒選槳葉式為宜。根據(jù)以上本反應(yīng)釜選用圓盤(pán)式攪拌器 。1. 攪拌槳的尺寸及安裝位置葉輪直徑與反應(yīng)釜的直徑比一般為 ，一般取，所以葉輪的直徑d 0.33Di 0.33 32001056mm 取 d 1000mm ；葉輪據(jù)槽底的安裝高度 H1 1.0d 1.0 1000 1 000mm ；葉輪的葉片寬度 W 0.2d0.2 1000 200mm，取 W 200

18、mm ；葉輪的葉長(zhǎng)度 l 0.25d0.25 1000 225mm，取 l 250mm ；液體的深度 H1 1.0H 3200mm擋板的數(shù)目為 4，垂直安裝在槽壁上并從槽壁地延伸液面上，擋板寬度Wb 0.1D0.1 3200320mm槳葉數(shù)為6,根據(jù)放大規(guī)則，葉端速度設(shè)為 s,則攪拌轉(zhuǎn)速為:4.3d4.31.52r/s3.14 1.0取 n 1.5r/s2.攪拌功率的計(jì)算采用永田進(jìn)治公式進(jìn)行計(jì)算:42.157 10 Pa/sRed2n1.02 1.5 10202.157 1067.09 10300Frn2d21.51.09.810.22913由于Re數(shù)值很大，處于湍流區(qū)，因此，應(yīng)該安裝擋板，一

19、消除打旋現(xiàn)象 功率計(jì)算需要知到臨界雷諾數(shù) Rec，用Rec代替Re進(jìn)行攪拌功率計(jì)算。Rec可以查表上湍流一層流大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)得出。查表知：6.8所以功率：Pn3d5 6.8 1020 1.53 1.05 23.4KW，取 P 24KW3. 攪拌軸的的初步計(jì)算攪拌軸直徑的設(shè)計(jì)(1) 電機(jī)的功率P= 27KW，攪拌軸的轉(zhuǎn)速n=90r/min，根據(jù)文獻(xiàn)，取用材料 為1Cr18Ni9Ti， 40MPa，剪切彈性模量G 8.1 104MPa，許用單位扭轉(zhuǎn) 角 =1 m。6 P6146由 m 9.553 10 得：m 9.553 101.486 10 N / mm 1486N /mn90利用截面法得： Mt

20、max m 9.553 10614(N / mm)90M t6 P614由 max - 得：WP 9.553 109.553 10Wpn90 40CC 14攪拌軸為實(shí)心軸，貝U: Wp o.2d39.553 10690 40 d 57.05mm 取 d 60mm(2) 攪拌軸剛度的校核：由maxM Tmax 18013GJ pJp*32剛度校核必須滿足：max ，即:dp 180nG321039.533 106 14180 1039057.2mm1 8.1 104 一32所以攪拌軸的直徑取d二60mm滿足條件 攪拌抽臨界轉(zhuǎn)速校核計(jì)算由于反應(yīng)釜的攪拌軸轉(zhuǎn)速n 90r/min 200r/min，故

21、不作臨界轉(zhuǎn)速校核計(jì) 算。聯(lián)軸器的型式及尺寸的設(shè)計(jì)由于選用擺線針齒行星減速機(jī)，所以聯(lián)軸器的型式選用立式夾殼聯(lián)軸節(jié)（D型）。標(biāo)記為：DN 40 HG 21570- 95。結(jié)論依據(jù)GB150-1988鋼制壓力容器，反應(yīng)器尺寸為體積為31.81m3，反應(yīng)釜高為 3380mm內(nèi)徑3200mm達(dá)到實(shí)際要求，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。主要符號(hào)一覽表V反應(yīng)釜的體積 t 反應(yīng)時(shí)間CA0反應(yīng)物A的起始濃度 Cbo反應(yīng)物的B起始濃度 Cso反應(yīng)物S的起始濃度 f 反應(yīng)器的填充系數(shù) D反應(yīng)釜的內(nèi)徑 H反應(yīng)器筒體的高度 h2封頭的高度 P操作壓力Pc設(shè)計(jì)壓力 取焊縫系數(shù)C t 鋼板的許用應(yīng)力C1鋼板的負(fù)偏差 C2鋼板的腐蝕裕量S筒

22、壁的計(jì)算厚度 s筒壁的名義厚度 H 反應(yīng)器夾套筒體的高度 v圭寸頭的體積Pt水壓試驗(yàn)壓力 D夾套的內(nèi)徑 Q乙酸的用量Q單位時(shí)間的處理量總結(jié)在為期兩周的設(shè)計(jì)里，在此課程設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要感謝老師，在這次 課程設(shè)計(jì)中給予我們的指導(dǎo)，由于是初次做反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì)，所以，再 設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程中難免遇到這樣那樣的難題不知該如何處理，幸好有陳湘耐 心教誨，給予我們及時(shí)必要的指導(dǎo)，在此向陳老師表最誠(chéng)摯的感謝！從陳老師開(kāi)始說(shuō)要在做課程設(shè)計(jì)開(kāi)始，我就一直擔(dān)心我到最后交不了 稿，因?yàn)檫@都到期末了，有很多門(mén)專業(yè)課要考試，必須花上大量的時(shí)間復(fù) 習(xí)，加上前面我們做了一個(gè)化工原理的課程設(shè)計(jì)，知道里面有很多需要查 閱的東西，所以

23、天天就一直在想到底是復(fù)習(xí)還是做課程設(shè)計(jì)。知道今天為 止，我終于兩不誤，把兩樣事情都順利地完成了。課程設(shè)計(jì)不同于書(shū)本理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，有些問(wèn)題是實(shí)際實(shí)踐過(guò)程中的, 無(wú)法用理論推導(dǎo)得到，因此不免過(guò)程中有很多困難，但通過(guò)與同學(xué)的交流 和探討，查閱文獻(xiàn)資料，查閱互聯(lián)網(wǎng)以及在陳老師的指導(dǎo)幫助下，問(wèn)題都 得到很好的解決。這讓我深深意識(shí)到自己知識(shí)體系的漏洞，自己知識(shí)體系 的不足，但同時(shí)也深刻體會(huì)到同學(xué)間的團(tuán)結(jié)互助的精神。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，使我查閱文獻(xiàn)的能力和對(duì)數(shù)據(jù)的選擇判斷能力得 到了很好的鍛煉，同時(shí)我也意識(shí)到自己應(yīng)該把所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中 來(lái)。這次的課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)某些反應(yīng)工程的理論有了更加深入的了解，同 時(shí)在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中我發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在書(shū)本上的知識(shí)與實(shí)際的應(yīng)用存在著不小 的差距，書(shū)本上的知識(shí)很多都是理想化后的結(jié)論