年產_t乙酸乙酯間歇反應釜設計

1、前言反應工程課程設計是化工設備機械基礎和反應工程課程教學中綜合性和實踐性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是學生體察工程實際問題復雜性，學習初次嘗試反應釜機械設計。化工設計不同于平時的作業(yè)，在設計中需要同學獨立自主的解決所遇到的問題、自己做出決策，根據(jù)老師給定的設計要求自己選擇方案、查取數(shù)據(jù)、進行過程和設備的設計計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經過反復的比較分析，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計。反應工程是培養(yǎng)學生設計能力的重要實踐教學環(huán)節(jié)。在教師指導下，通過裸程設計，培養(yǎng)學生獨立地運用所學到的基本理論并結合生產實際的知識，綜合地分析和解決生產實際問題的能力。因此，當學生首次完成該課

2、程設計后，應達到一下幾個目的：1、 熟練掌握查閱文獻資料、收集相關數(shù)據(jù)、正確選擇公式，當缺乏必要的數(shù)據(jù)時，尚需要自己通過實驗測定或到生產現(xiàn)場進行實際查定。2、 在兼顧技術先進性、可行性、經濟合理的前提下，綜合分析設計任務要求，確定化工工藝流程，進行設備選型，并提出保證過程正常、安全可行所需的檢測和計量參數(shù)，同時還要考慮改善勞動條件和環(huán)境保護的有效措施。3、 準確而迅速的進行過程計算及主要設備的工藝設計計算及選型。4、 用精煉的語言、簡潔的文字、清晰地圖表來表達自己的設計思想和計算結果。化工設備機械基礎課程設計是一項很繁瑣的設計工作，而且在設計中除了要考慮經濟因素外，環(huán)保也是一項不得不考慮的問題

3、。除此之外，還要考慮諸多的政策、法規(guī)，因此在課程設計中要有耐心，注意多專業(yè)、多學科的綜合和相互協(xié)調。摘要摘要：本選題為年產量為年產6×103T的間歇釜式反應器的設計。通過物料衡算、熱量衡算，反應器體積為、換熱量為。設備設計結果表明，反應器的特征尺寸為高3320mm，直徑3200mm；夾套的特征尺寸為高2550mm，內徑為3400mm。還對塔體等進行了輔助設備設計，換熱則是通過夾套與內冷管共同作用完成。攪拌器的形式為圓盤式攪拌器，攪拌軸直徑60mm。在此基礎上繪制了設備條件圖。本設計為間歇釜式反應器的工業(yè)設計提供較為詳盡的數(shù)據(jù)與圖紙。關鍵字：間歇釜式反應器; 物料衡算; 熱量衡算; 壁

4、厚設計;AbstractAbstract:The batch reactor for annual production capacity of 60,000 10T is to be the designed. Through the material, heat balance reactor volume, heat transfer and Equipment design results show that the size of the reactor characteristics for high is 3320mm, diameter is 3200mm, The chara

5、cteristics of clip size for high is 2550mm, diameter is3400mm. Also auxiliary equipment on the tower as designed, heat is finished through the clip with the common cold tube inside. The mixer for dise-type mixer, stirring shaft of diameter is 60mm . Based on the condition of equipment drawing. This

6、design for batch reactor industrial design provides a detailed data and drawings.Key words: batch reactor, Material, Heat balance, Thick wall design。主要符號一覽表V反應釜的體積t反應時間反應物A的起始濃度反應物的B起始濃度反應物S的起始濃度f反應器的填充系數(shù)反應釜的內徑H反應器筒體的高度封頭的高度P操作壓力Pc設計壓力取焊縫系數(shù)t鋼板的許用應力C1鋼板的負偏差C2鋼板的腐蝕裕量S筒壁的計算厚度筒壁的設計厚度筒壁的名義厚度反應器夾套筒體的高度v封頭

7、的體積水壓試驗壓力夾套的內徑Q乙酸的用量Q0單位時間的處理量目 錄第1章設計任務及條件1第2章工藝設計22.1原料的處理量22.2原料液起始濃度22.3反應時間32.4反應體積3第3章熱量核算43.1工藝流程43.2物料衡算43.3能量衡算4熱量衡算總式4每摩爾各種物值在不同條件下的值5各種氣象物質的參數(shù)如下表6每摩爾物質在100下的焓值6總能量衡算73.4換熱設計8水蒸氣的用量8第4章反應釜釜體設計104.1反應器的直徑和高度104.2筒體壁厚的設計11設計參數(shù)的確定11筒體的壁厚114.3釜體封頭厚11第5章反應釜夾套的設計135.1夾套DN、PN的確定13夾套的DN13夾套的PN135.

8、2夾套筒體的壁厚135.3夾套筒體的高度145.4夾套的封頭14封頭的厚度145.5傳熱面積校核14第6章反應釜釜體及夾套的壓力試驗156.1釜體的水壓試驗15水壓試驗壓力的確定15水壓試驗的強度校核15壓力表的量程、水溫15水壓試驗的操作過程156.2夾套的液壓試驗16水壓試驗壓力的確定16水壓試驗的強度校核16壓力表的量程、水溫16水壓試驗的操作過程16第7章攪拌器的選型177.1攪拌槳的尺寸及安裝位置177.2攪拌功率的計算177.3攪拌軸的的初步計算18攪拌軸直徑的設計18攪拌抽臨界轉速校核計算197.4聯(lián)軸器的型式及尺寸的設計19結論19參考書目20第1章設計任務及條件1.1設計任務

9、及條件乙酸乙酯酯化反應的化學式為：CH3COOH+C2H5OH=CH3COOC2H5+H2OA B R S原料中反應組分的質量比為：A：B：S=1：2：1.35，反應液的密度為1020Kg/m3，并假定在反應過程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時間為1h，每天計24h每年300d每年生產7200h。反應在100下等溫操作，其反應速率方程如下rR=k1(CACBCRCS/K)1100時，k1=4.76×10-6L/(mol·min),平衡常數(shù)K=2.92。乙酸的轉化率XA=0.4，反應器的填充系數(shù)f=0.8，為此反應設計一個反應器。第2章工藝設計2.1原料的處理量根據(jù)乙

10、酸乙酯的產量可計算出每小時的乙酸用量為由于原料液的組成為1+2+1.35=4.35Kg單位時間的處理量2.2原料液起始濃度乙醇和水的起始濃度將速率方程變換成轉化率的函數(shù)其中：2.3反應時間2.4反應體積反應器的實際體積第3章熱量核算3.1工藝流程反應釜的簡單工藝流程圖3.2物料衡算根據(jù)乙酸的每小時進料量為，在根據(jù)它的轉化率和反應物的初始質量比算出各種物質的進料和出料量，具體結果如下表：物質進料出料乙酸23.67514.21乙醇36.3026.83乙酸乙酯09.47水81.6890.153.3能量衡算熱量衡算總式式中：進入反應器無聊的能量，：化學反應熱，：供給或移走的熱量，有外界向系統(tǒng)供熱為正，

11、有系統(tǒng)向外界移去熱量為負，：離開反應器物料的熱量，每摩爾各種物值在不同條件下的值對于氣象物質，它的氣相熱容與溫度的函數(shù)由下面這個公式計算：2各種液相物質的熱容參數(shù)如下表3：液相物質的熱容參數(shù)物質AB×103C×103D×103乙醇-67.444218.4252-7.297261.05224乙酸65.981.4690.15乙酸乙酯155.942.3697-1.99760.4592水50.81112.12938-0.6309740.0648311由于乙醇和乙酸乙酯的沸點為78.5和77.2，所以：(1) 乙醇的值同理：(2) 乙酸乙酯的值(3) 水的值(3) 乙酸的值

12、各種氣象物質的參數(shù)如下表氣相物質的熱容參數(shù)4物質AB×103C×103D×103乙醇6.7318422.315286-12.116262.493482乙酸乙酯24.542753.288173-9.9263021.998997(1) 乙醇的值(2) 乙酸乙酯的值3.3.4每摩爾物質在100下的焓值(1) 每摩爾水的焓值同理：(3) 每摩爾的乙醇的焓值(4) 每摩爾乙酸的焓值(5) 每摩爾乙酸乙酯的焓值3.3.5總能量衡算（1）的計算物質進料出料乙酸23.67514.21乙醇36.3026.83乙酸乙酯09.47水81.6890.15（2）的計算（3）的計算因為： 即

13、：+=求得：=45437.274>0，故應是外界向系統(tǒng)供熱。3.4換熱設計換熱采用夾套加熱，設夾套內的過熱水蒸氣由130降到110，溫差為20。水蒸氣的用量忽略熱損失，則水的用量為5第4章反應釜釜體設計4.1反應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、 高徑比對攪拌功率的影響：在轉速不變的情況下，（其中D攪拌器直徑，P攪拌功率），P隨釜體直徑的增大，而增加很多，減小高徑比只能無謂地消耗一些攪拌功率。因此一般情況下，高徑比應選擇大一些。2、 高徑比對傳熱的影響：當容積一定時，H/Di越

14、高，越有利于傳熱。31 高徑比的確定通常才用經驗值表6種類罐體物料類型H/Di一般攪拌釜液固或液液相物料11.3氣液相物料12發(fā)酵罐類氣液相物料1.72.5假定高徑比為H/Di=1.2，先忽略罐底容積7取標準表32用標準橢球型封頭參數(shù)見表8公稱直徑（mm）曲面高度（mm）直邊高度（mm）內表面積（m2）容積（m3）32008004011.54.61筒體的高度釜體高徑比的復核滿足要求4.2筒體壁厚的設計4.2.1設計參數(shù)的確定表33反應器內各物質的飽和蒸汽壓9物質水乙酸乙醇乙酸乙酯飽和蒸汽壓（MPa）0.1430.080.3160.272該反應釜的操作壓力必須滿足乙醇的飽和蒸汽壓所以去操作壓力P

15、=0.4MPa，該反應器的設計壓力Pc=1.1P=1.1×0.4MPa=0.44MPa該反應釜的操作溫度為100，設計溫度為120。由此選用16MnR卷制16MnR材料在120是的許用應力t=170MPa焊縫系數(shù)的確定取焊縫系數(shù)=1.0（雙面對接焊，100無損探傷）腐蝕裕量C2=2mm4.2.2筒體的壁厚計算厚度10鋼板負偏差設計厚度名義厚度按鋼制容器的制造取壁厚4.3釜體封頭厚計算厚度鋼板負偏差設計厚度名義厚度按鋼制容器的制造取壁厚第5章反應釜夾套的設計5.1夾套DN、PN的確定5.1.1夾套的DN由夾套的筒體內徑與釜體筒體內徑之間的關系可知：5.1.2夾套的PN由設備設計條件可知

16、，夾套內介質的工作壓力為常壓，取PN=0.25MPa，由于壓力不高所以夾套的材料選用Q235B卷制Q235B材料在120是的許用應力t=113MPa焊縫系數(shù)的確定取焊縫系數(shù)=1.0（雙面對接焊，100無損探傷）腐蝕裕量C2=2mm5.2夾套筒體的壁厚計算厚度鋼板負偏差設計厚度名義厚度按鋼制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取5.3夾套筒體的高度5.4夾套的封頭5.4.1封頭的厚度夾套的下封頭選標準橢球封頭，內徑與筒體（）相同。夾套的上封頭選帶折邊形的封頭，且半錐角。計算厚度鋼板負偏差設計厚度名義厚度按鋼制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取帶折邊錐形封頭的壁厚考

17、慮到風頭的大端與夾套筒體對焊，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5.5傳熱面積校核由于反應釜內進行的反應是放熱反應，產生的熱量不僅能夠維持反應的不短進行，且會引起反應釜內的溫度升高。為防止反應釜內溫度過高，在反應釜的上方設置了冷凝器進行換熱，因此不需要進行傳熱面積的校核。如果反應釜內進行的是吸熱反應，則需進行傳熱面積的校核。第6章反應釜釜體及夾套的壓力試驗6.1釜體的水壓試驗6.1.1水壓試驗壓力的確定6.1.2水壓試驗的強度校核16MnR的屈服極限由所以水壓強度足夠6.1.3壓力表的量程、水溫壓力表的最大量程：P表=2=2×0.55=1.1或1.5PT P表

18、4PT即0.825MPa P表2.2水溫5 6.1.4水壓試驗的操作過程操作過程：在保持釜體表面干燥的條件下，首先用水將釜體內的空氣排空，再將水的壓力緩慢升至0.55，保壓不低于30，然后將壓力緩慢降至0.44，保壓足夠長時間，檢查所有焊縫和連接部位有無泄露和明顯的殘留變形。若質量合格，緩慢降壓將釜體內的水排凈，用壓縮空氣吹干釜體。若質量不合格，修補后重新試壓直至合格為止。水壓試驗合格后再做氣壓試驗。6.2夾套的液壓試驗6.2.1水壓試驗壓力的確定且不的小于（p+0.1）=0.35MPa所以取6.2.2水壓試驗的強度校核Q235B的屈服極限由所以水壓強度足夠6.2.3壓力表的量程、水溫壓力表的

19、最大量程：P表=2=2×0.35=0.7或1.5PT P表4PT即0.525MPa P表1.4水溫5 6.2.4水壓試驗的操作過程操作過程：在保持釜體表面干燥的條件下，首先用水將釜體內的空氣排空，再將水的壓力緩慢升至0.35，保壓不低于30，然后將壓力緩慢降至0.275，保壓足夠長時間，檢查所有焊縫和連接部位有無泄露和明顯的殘留變形。若質量合格，緩慢降壓將釜體內的水排凈，用壓縮空氣吹干釜體。若質量不合格，修補后重新試壓直至合格為止。水壓試驗合格后再做氣壓試驗。第7章攪拌器的選型攪拌設備規(guī)模、操作條件及液體性質覆蓋面非常廣泛，選型時考慮的因素很多，但主要考慮的因素是介質的黏度、攪拌過程

20、的目的和攪拌器能造成的流動形態(tài)。同一攪拌操作可以用多種不同構型的攪拌設備來完成，但不同的實施方案所需的設備投資和功率消耗是不同的，甚至會由成倍的差別。為了經濟高效地達到攪拌的目的，必須對攪拌設備作合理的選擇。根據(jù)介質黏度由小到大，各種攪拌器的選用順序是推進式、渦輪式、槳式、錨式和螺帶式。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。氣體吸收用圓盤渦輪式最適宜，其流量大、剪切強、氣體平穩(wěn)分散。對結晶過程，小晶粒選渦輪式，大晶粒選槳葉式為宜。根據(jù)以上本反應釜選用圓盤式攪拌器。7.1攪拌槳的尺寸及安裝位置葉輪直徑

21、與反應釜的直徑比一般為0.2 0.512，一般取0.33，所以葉輪的直徑，??；葉輪據(jù)槽底的安裝高度；葉輪的葉片寬度，取；葉輪的葉長度，??；液體的深度；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，擋板寬度槳葉數(shù)為6，根據(jù)放大規(guī)則，葉端速度設為4.3m/s,則攪拌轉速為：，取7.2攪拌功率的計算采用永田進治公式進行計算：13由于數(shù)值很大，處于湍流區(qū)，因此，應該安裝擋板，一小車打旋現(xiàn)象。功率計算需要知到臨界雷諾數(shù)，用代替進行攪拌功率計算?？梢圆楸砩贤牧饕粚恿鞔蟮霓D折點得出。查表知：所以功率：，取7.3攪拌軸的的初步計算7.3.1攪拌軸直徑的設計（1）電機的功率3，攪拌軸的轉速90，根據(jù)文獻

22、取用材料為1Cr18Ni9Ti ， 40，剪切彈性模量8.1×104，許用單位扭轉角1°/m。由得：=利用截面法得：=（）由得：=攪拌軸為實心軸，則：=57.05mm取60mm（2）攪拌軸剛度的校核：由剛度校核必須滿足：，即：所以攪拌軸的直徑取60mm滿足條件。7.3.2攪拌抽臨界轉速校核計算由于反應釜的攪拌軸轉速=90200，故不作臨界轉速校核計算。7.4聯(lián)軸器的型式及尺寸的設計由于選用擺線針齒行星減速機，所以聯(lián)軸器的型式選用立式夾殼聯(lián)軸節(jié)（D型）。標記為：40 HG 2157095。結論依據(jù)GB 150-1988鋼制壓力容器尺寸為反應器體積為，反應釜高為3320mm，直

23、徑3200mm，完成設計任務，達到實際要求。參考書目1 譚蔚主編，化工設備設計基礎M，天津：天津大學出版社，2008.42 柴誠敬主編，化工原理上冊M，北京：高等教育出版社，2008.93李少芬主編，反應工程M，北京：化學工業(yè)出版社，2010.24王志魁編. 化工原理M. 北京: 化學工業(yè)出版社，2006.5陳志平, 曹志錫編. 過程設備設計與選型基礎M. 浙江: 浙江大學出版社. 2007.6金克新, 馬沛生編. 化工熱力學M, 北京: 化學工業(yè)出版社. 20037涂偉萍, 陳佩珍, 程達芳編. 化工過程及設備設計M. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2000.8匡國柱,史啟才編. 化工單元過程及

24、設備課程設計M. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005.9柴誠敬編. 化工原理M. 北京: 高等教育出版社, 2000. 10管國鋒 ,趙汝編.化工原理M. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2008.11朱有庭, 曲文海編. 化工設備設計手冊M. 化學工業(yè)出版社, 2004.12丁伯民, 黃正林編. 化工容器M. 化學工業(yè)出版社. 2003. 13王凱, 虞軍編. 攪拌設備M. 北京: 化學工業(yè)出版社. 2003.總結在為期兩周的設計里，在此課程設計過程中首先要感尚書勇老師，在這次課程設計中給予我們的指導，由于是初次做反應工程課程設計，所以，再設計整個過程中難免遇到這樣那樣的難題不知該如何處理，幸好有尚書勇耐心教誨，給予我們及時必要的指導，在此向尚老師表最誠摯的感謝！從尚老師開始說要在做課程設計開始，我就一直擔心我到最后交不了稿，因為這都到期末了，有很多