乙酸乙酯间歇反应釜课程设计.docx

乙酸乙酯间歇反应釜工艺设计说明书目前言3摘要4-设计条件和任务6二 .工艺设计61 .原料的处理球82 .原料液起始浓度93 .反应时间94,反应体积10三 .热地核算H1 .物料衡算112 .能批衡第113 .换热设计15四 .反应釜釜体设计161 .反应器的直径和高度162 .筒体的壁厚173 .釜体封头厚度19五 .反应釜夹套的设计191 .夹套DN、PN的确定192 .夹套筒体的壁厚203 .夹套简体的高度204 .夹套的封头厚度20六 .搅拌器的选型221 .搅拌桨的尺寸与安装位置222 .搅拌功率的计算233 .搅拌抽的的初步计算23结论19主要符号一览表26总结28参考书目30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困难性，学习初次尝试反应釜机械设计。化工设计不同于平常的作业，在设计中须要同学独立自主的解决所遇到的问题、自己做出决策，依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，经过反熨的比较分析，择优选定最志向的方案和合理的设计。反应工程是培育学生设计实力的重要实践教学环节。在老师指导下，通过裸程设计，培育学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的学问，综合地分析和解决生产实际问题的实力。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、娴熟驾驭杳阅文献资料、收集相关数据、正确选择公式，当缺乏必要的数据时，尚须要自己通过试臆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、平安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爱护的有效措施。3、精确而快速的进行过程计算与主要设备的工艺设计计算与选型。4、用精炼的语言、简洁的文字、清楚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方耐性，留意多专业、多学科的综合和相互协调。本选题为年产及为年产7100T的间歇釜式反应器的设计。通过物料衡算、热电衡算，反应器体积为31.81加、换热量为1991677依/人设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高3380mm,直径3200mm,嬖厚8mm,封头壁厚8mm;夹套的特征尺寸为高2590mm,内径为340Omm壁厚8mm,封头壁厚8mm0还对塔体等进行了协助设备设计，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供应较为详尽的数据与图纸C一.设计条件和任务一、设计目的和要求通过课程设计，要求更加熟识工程设计基本内容，驾驭化学反应器设计的主要程序与方法，熬炼和提高学生综合运用理论学问和技能的实力、独立工作和创新实力二、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脑防化反应的化学式为：CH3COOH+C2H5OH=CH3COOC2H5+H2OABRS原料中反应蛆分的质量比为：A：B:S=I:2：1.35,反应液的密度为1020Kgm3,并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料与清洗等协助操作时间为Ih,每天计24h每年300d每年生产7200hc反应在100c下等温操作，其反应速率方程如下R=k(CaCb-CrCs/K)1.1CBt,k1.-4.76×10-61.(mo1.min),K-2.92乙醒的转化率t,0.4,反应卷的填充系数f-0.8,为此反JS设计一个反应器.二工艺设计工艺流程图E1.O1.a：；：E1.O1.CVOIo1.VO)O2Vo1.o3Eioi6：.RQ211;：Z-f»&R3,及*E1.O1.aVO1.O3R0201加颊水或气依据乙酸乙酯的产员可计算出每小时的乙酸用盘为=28.015Jtww/1.71()0X1.OtQ-88x3WX24x0.41.35由于原料液反应组分的质量比为：A:B:S=I:2:则单位时间的处理量出生C,10202 .原科液起始浓度28.0157.17乙醉和水的起始浓度3.91×60246=10.2，”。1.3.91x60x13518将速率方程变换成转化率的函数CA=C,<o(17a)CB=cBO-fO-vCR=CMIbCS=%<1+C"a将以上各式代人mk】(cacb-crcsK)中得O=KEM(I-XA)-CZa(<)+C1WXA)/整理得其中："="=些=2.61Go391“川噜缶+瑞57"C=1=1-=0.66K2.92h2-4c=(-5.15)2-4×2.61×0.66=4.433 .反应时间r,Mdqd(G<"Cdxsvt1.dtddtod即k；*+K+式）=CAf1.寸整理得q(1.+v4+cx;积分得I_*vtixA“刖J"a+bxA+cx因为从-4ac=(-5.15)2-4×2.61X0.66=19.630故上式积分为'=看2cr+b-“2-4oc2cx+b+Vb2-Aac0«,-5.15-4.43In-5.15+4.43=1J2X0.66x0,4-5.15-4.434.76XIO-*×3.91×4.432×066×0.4-5.15+4.43=153min4 .反应体积=4-17X曙+1)=25.45加反应器的实际体积0.8=31.81，”'三.褊一核算1.物料衡算依据乙酸的每小时进料量为28.01*”“，刀，再依据它的转化率和反应物的初始质及比算出各种物质的进料和出料最：Q,iua=QAu(I-猫)=28.015X(1.-0.4)=16.8111r28.015x60x246=73.0Skmo1./h%=QtoB-QwJ=73.08-(28.015-16.81)=61,8828.015x60x13518=26.Q1.kmo1.hQas=Q>,s+(。HA-QW)=I266+(28.015-16.81)=1.37.28-zQou=C?"-Qx=2K.()15-16.81=11.21A三结果汇总如下表:物质进料如K”/力出料hno1./乙酸28.01516.81乙醉73.0861.88乙酸乙精011.21水126.07137.282.IMt雷算热破衡算总式：Q+Q+Q,=Q,式中:0进入反应器无聊的能量,KJQz-化学反应热，KJQ、：供应或移走的热依，外界向系统供热为正，系统向外界移去热量为负，KJQ,:离开反应器物料的热限，KJ每摩尔各种物值在不同条件下的Cp“值:查得，ci,m=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ABX1.O3CX1.O6乙醉100.92-111.839498.54乙酸155.48-326.595744.199乙酸乙酯162.99-201.054777.283由于乙醉，乙酸乙酬，乙酸的沸点分别为78.5C,77.3C和118"C,所以:乙修的J“值A+BT+CT2=100.91.-1.1.1.839×1'×35IO5+498.54×10ft×351.52=I23.2(M三,K''乙酸的外,值CCrtIMmK1.=A+BT+CT=155.48-326.595X10,×373+744.1991(6×37311.37.2QJmo1.K'乙我乙的c”值Cp.E"3M3K1.=A+BT+CT'=162.99-207.054×1(尸X350.3+777.283×10«×350.32=I85.839w',K-,水的Ci值查得，J"=75.9547，山尸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ABX1.O3CX1.O6D×10,0乙静6.296231.501-118.558222.183乙酸乙楮24.673328.226-98.4119-203.815乙阵的,小值-A+87+b+"=6.296+231.500×373-118.55863732+222.183x10,n373=11.3(MJmo'K乙酸乙的值PMg.EATj=+BT+CT2+DTy=24.673+328.226×10,×373-98.4119×1(6×3732-203.815×1O1°×373,=32.352JnoK'每修尔物质在100t下的妁值(1)每摩尔水的始值m=75.954xIO3X(373-298)+40.656=46.352K./mo'每摩尔的乙醉的始值351.5373V<w"2tf)=，EC"MOtfJ即5©J"+%'m+HEd<WJ"MJ"JW351.5=123.2MX1(),X(351.5-298)+38.723+77.3(4×(373-351.5)×IOT=46.916KJmo'(3)每摩尔乙酸的燧值cmArH=CAWJ”KJJIWdT=I37.2×1()'×(373-29S)=0.290KJmo1.(4)每摩尔乙酸乙酯的熔值350.2575rayCOOOCH2CHy)"cr3C<MXXM2CWW.X5O2,C)JM+(pMCH丈OOOCH2CH3,3©J.=185.839X103×(350.3-298)+32.3+132.352×10'×(373-350.3)=45.024Vmo1.总能雷算Q1.=nCHyCOOHXAr"e<E,OMW>+,1.H.OX，”“，必。)+nyCH.OHXrw<CH,C11.IOH=126.07×10'X46.352+73.08×1.()'×46.976+28.015×10×10.29=9564877.07J2 2)0的计算CHiC(X)H+C,HsOH=CHyCOOCiH,+H7OQz=11.21×10X(4HmhO+A,Hm1.E,CJhCt)(×tM1.i&rHmteHQ,2OH1A=HIME、mOH)=11.21×1(),×(45.024+46.352-10.29-46.976)=38237A17(3)。,的计算Q-n","3)+n”：“*A,"YWM+MWXa"rfw>>w'+n«”y,UaXe、乂&，Hr<nmh>ooCCHn=137.27×46.352+11.21×45.024+61.88×46.976+16.81×10.29)×10'=9947307.86X7/A因为0>0,说明反应吸热故，有Q-Q+Qj=Qj求得：(?,=764803.89K/hQ,>0,故应是外界向系统供热。3 .换焦设计换热采纳夹套加热，设夹套内的过热水蒸气山130C降到IIo温弟为20C。水蒸气的用量忽视热损失，则水的用量为Q=MDCm=a+bT+cT。a=29.6Jn>'K'A=14.4910'/W4K-2c=-2.022×0ttJno'K3T=M=照空=393K22CQ=29.16+14.49×IOs×393-2.022×106×3932=29.16+5.6946-0.3123=34.5423711w1.K,=.92KJKa'K1.飞=0=76480X89=TMeJMgJhcpn(Ti-T2)1.92×(403-383)四.反应箜釜体设计1 .反应善的直径和充度在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体相宜的高径比（H/Di）,以确定罐体的直径和高度°选择罐体高径比在要考虑以下两方面因数：1、高径比对搅拌功率的影响：在转速不变的状况下，（其中D搅拌器直径，P-搅拌功率），P随釜体直径的增大，而增加许多，减小高径比只能无谓地消耗一些搅拌功率。因此一般状况K,高径比应选择大一些。2、高径比对传热的影响：当容积肯定时，H/Di越高，越有利于传热。高径比的确定通常采纳阅历值表种类罐体物料类型HD1一般搅拌釜液一固或液一液相物料1-1.3气一液相物料12发醉蹄类气一液相物料1.72.5假定高径比为HDi=1.2,先忽视镰底容积代入数据得。,=3.23m取标准DQ=32=3200mm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简体的高度=勺工21.a£3.38，”=33助，"“D1-113.22n釜体高径比的复核HH+h,3380+40D1=O=M"，满意要求2 .曾体的看*设计分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泡和蒸汽压(MPa)0.1430.080.3160.272该反应釜的操作压力必需满意乙醉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=1.1.P=1.1×O.4MPa=O.44MPa该反应釜的操作温度为1001C,设计温度为120Co材质选用16MnR,16MnR材料在120"C是的许用应力ot=147MPa取焊健系数=1.0(双面对接焊，100%无损探伤)腐蚀裕趾C2=2mm依据式冉=F”+-Pc,0.44X32CSd=+2=6.80w“2×1.471.0-0.44考虑到钢板厚度负偏旁圆整后，C1=0.6,»,取a=8“水压试股水压试验时的应力为产R=1.25P7=1.25x0.44×-=0.56MParr147¢=6.-C=8-(0.6+2)=5AnvnzisvzH0.56×(32+5.4)-代入得r=166MPa2x5.416MnR的屈服极限=345MPa0.9,=O.9×345×1.O=31.1.WPw<0.9,水压试验时满意强度要求。水压试舱的掾作过程：在保持釜体表面T燥的条件卜.，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至O55MPa,保压不低于30min,然后将压力缓慢降至0.44MPa,保压足够K时间，检查全部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。若质成不合格，修补后重新试压直至合格为止C水压试验合格后再做气压试脸。3 .箜体封头厚度设计厚度心=1,一+/2-Pc0.44x3200C=+22×147×1.0=6.80/?考虑到钢板厚度负偏差圆整后，C1=0.6,三,取a=8”五.反应签夹套的设计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:Df=D.+20()=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=O.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'C是的许用应力ot=1.13MPa取焊缝系数=1.0(双面对接焊，100%无损探伤)腐蚀裕量C2=2mm设计厚度心=俨j/2-Pc0.25x34(X)-2×113x1.O-O.25=5.11rtn考虑到钢板厚度负偏差圆整后，G=0.6叨,取讥=Imm按钢制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取2=8“Im3.夹套倚体的育度fV-v0.8x31.81-4.61.oH.=2.59m1 11fx,兀、/、-D'-×3.2-444.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(D,=34""")相同。夹套的上封头选带折边形的封头，且半锥角。=45。0计算厚度或=+C=°"f00+2=5.76Wm2(,-O.5C'2×113×1.-O.5×O.25考虑到钢板厚度负偏差圆整后，C.=0.6,三,取3=7M按钢制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取2=8的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样，即a=8叽水压试黯水压试验时的应力为JWwP,=1.257=1.25X0.25X1=O.3I,且不得小于（P+0.1）1.i=0.35MPa所以取6=O35田.=bAf-C=8（0.6+2）=5Mm1.代人得螫9迎2×5.4Q235-B的屈服极限6=*A0.9,=0.9235x1.0=21.2MPa<0.9s水压试验时满意强度要求。水压试段的掾作过程：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035MPa,保压不低于30min,然后将压力缓慢降至0.275MPa,保压足够长时间，检杳全部惇缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质址合格，级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.捷拌卷的选型搅拌设备规模、操作条件与液体性质覆盖面特别广泛，选型时考虑的因素许多，但主要考虑的因素是介质的豺度、搅拌过程的H的和搅拌器能造成的流淌形态。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，必需对搅拌设备作合理的选择C依据介质黏度由小到大，各种搅拌器的选用依次是推动式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式。依据搅拌目的选择搅拌器的类型：均相液体的混合宜选推动式，器循环量大、耗能低。制乳浊液、悬浮液或固体溶解直选涡轮式，其循环量大和剪切强。气体汲取用网盘泄轮式最相宜，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。依据以上本反应釜选用圆盘式搅拌器。1.搅摔桨的尺寸与安装位置叶轮直径与反应釜的直径比般为02-0.5,-般取0.33,所以叶轮的直径d=0.33。=O.333200=1056",取"=Io(X)W.叶轮据槽底的安装岛-度H'=1.(W=1.0×10=1三三,叶轮的叶片宽度W=02d=°2x1.(X"=200"，取W=200au"；叶轮的叶长度/=O-25t-0.251.(XX)-225"，取/=250”；液体的深度"1.1.O"=32OO,mn.挡板的数目为4,垂直安装在槽壁上并从槽壁地延长液面上，挡板宽度M=O.ID=0.1X3200=320mm桨叶数为6,依据放大规则，叶端速度设为43ms,则搅拌转速为:n=-=43=.52r11d3.14×1.0,取=1.5rs2.9功率的计算采纳永田进治公式进行计算：,=257xK)'P"sa=小=1.兽孕=7.09XK).>3002.157x10E=逆=四里=0.229g98113|由于凡.数值很大，处于湍流区，因此，应当安装挡板，一消退打旋现象。功率计算须要知到临界宙诺数儿,用鼠代替K进行搅拌功率计算。凡,可以查表上湍流层流大的转折点得出。查表知：¢=6.8所以功率：P=W6.8*1020X1.5'X1.0'=23.4KW,JUi=24KW3.9轴的的初步计算揽拌，直径的设计(1)电机的功率P=27KW,搅拌轴的转速n=90rmin,依据文献,取用材料为ICrI8Ni9Ti,H=*),"/1”,剪切弹性模量G=8.Ix10'许用单位扭转角网=1°m°由m=9.553IO6-f:m=9.55310,'×=1.486106rmm=1486N/mn9()利用截面法得：JWr-.1.=9.553×10"t由J.,=胃S口得：W,N9553x1.O1.i而=9.553X10"X而为搅拌轴为实心轴，贝上VV,0.29.553xI06x-90x4()d57.05“取d=60/p/(2)搅拌轴刚度的校核：由e=%三1.2xio'2GJ11就Yp32刚度校核必需满意：公，'7句，即：9.533×106××-1.'9.533×10h×-X×10'dX-a三4_-2_S-=57.2wwUGU1.×8.1×104×所以搅拌轴的直径取"=6Omm满意条件。揽用*临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速=9°rmin<2rmin,故不作临界转速校核计算。或轴卷的型式与尺寸的设计由于选用授线针齿行星减速机，所以联轴器的型式选用立式夹壳联轴节(D型)。标记为：ON40HG2157095。结论依据GB15(M988钢制压力容器，反应器尺寸为体积为31.81，”'，反应釜高为3380mm,内径3200mm,达到实除要求，完成设计任务C主要符号一览表V反应釜的体积t反应时间CAO反应物A的起始浓度Cbo一反应物的B起始浓度CSo反应物S的起始浓度f反应器的填充系数D1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设计压力取焊缝系数钢板的许用应力C1钢板的负偏差C2钢板的腐蚀裕里S筒壁的计算厚度Sn筒鞭的名义厚度Hj反应器夹套筒体的高度V封头的体积PI-水压试验压力DJ夹套的内径Q乙酸的用量Qo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泞先要感谢老师，在这次课程设计中赐予我们的指导，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，幸好有陈湘耐性训诲，赐予我们与时必要的指导，在此向陈老师表最真诚的感谢！从陈老郎起先说要在做课程设计起先，我就始终担忧我到最终交不了稿，因为这都到期末了，有许多门专业课要考试，必需花上大量的时间复习，加上前面我们做r一个化工原理的课程设计，知道里面有许多须要查阅的东西，所以每天就始终在想究竟是复习还是做课程设计。知道今日为止，我最终两不误，把两样事情都顺当地完成r。课程设计不同于书本理论学问的学习，有些问题是实际实践过程中的，无法用理论推导得到，因此不免过程中有许多困难，但通过与同学的沟通和探讨，查阅文献资料，查阅互联网以与在陈老师的指导帮助下，问题都得到很好的解决.这让我深深意识到自己学问体系的漏洞，自己学问体系的不足，但同时也深刻体会到同学间的团结互助的精神C通过此次课程设计，使我查阅文献的实力和对数据的选择推断实力得到r很好的熬炼，同时我也意识到自己应当把所学到的学问应用到设计中来。这次的课程设计让我对某些反应工程的理论有了更加深化的了解，同时在详细的设计过程中我发觉现在书本匕的学问与实际的应用存在着不小的差距，书本上的学问许多都是志向化后的结论，忽视了许多实际的因素，或者涉与的不全面，可在实际的应用时这些是不能被忽视的，我们不得不考虑这方的问题，这让我们无法依据书匕的理论就轻易得到预想中的结果，有时结果甚至很差别很大。通过这次设计使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，我们在今后的学习工作中会更加的留意实际。同时在设计中同学之间的相互帮助,相互沟通，相识的进一步加深，对设计中遇到的问题进行探讨，使彼此的设计更加完善，对设计的相识更加深刻。在此再次感谢我各位敬爱的同学们。由于首次做反应釜设计，过程中难免疏忽与错误，感谢有关老师同学能与时赐予指出。参考书目1谭蔚主编.化工设备设计基础M天津：天津高校出版社，2008.42柴诚敬主编.化工原理上册M,北京：高等教化出版社，2008.93李少芬主编.反应工程M,北京：化学工业出版社，2010.24王志魁编.化工原理M.北京：化学工业出版社，2006.5陈志平，野志锡编.过程设备设计与选型基础M,浙江：浙江高校出版社.2007.6金克新,马沛生编.化工热力学WM1.北京：化学工业出版社.20037涂伟萍，陈佩珍，程达芳编.化工过程与设备设计M北京：化学工业出版社，2000.8匡国柱，史启才编.化工单元过程与设备课程设计M北京：化学工业出版社，2005.9陈国恒编.化工机械基础M.北京：化学工业出版社,2011.11101管国锋，赵汝编.化工原理（M.北京：化学工业出版社，2008.111朱有庭，曲文海编.化工设备设计手册M,化学工业出版社,2004.12J伯民，黄正林编.化工容器M化学工业出版社.2003.13）王凯,虞军编.搅拌设备M.北京：化学工业出版社.2003.