乙酸乙酯間歇反應釜設(shè)計

前言反應工程課程設(shè)計是《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》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(shè)計?；ぴO(shè)計不同于平時的作業(yè)，在設(shè)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(shè)計要求自己選擇方案、查取數(shù)據(jù)、進行過程和設(shè)備的設(shè)計計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復的比較分析，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計。反應工程是培養(yǎng)學生設(shè)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(shè)計，培養(yǎng)學生獨立地運用所學到的基本理論并結(jié)合生產(chǎn)實際的知識，綜合地分析和解決生產(chǎn)實際問題的能力。因此，當學生首次完成該課程設(shè)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(guān)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(chǎn)現(xiàn)場進行實際查定。2、在兼顧技術(shù)先進性、可行性、經(jīng)濟合理的前提下，綜合分析設(shè)計任務要求，確定化工工藝流程，進行設(shè)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(shè)備的工藝設(shè)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(shè)計思想和計算結(jié)果?；ぴO(shè)備機械基礎(chǔ)課程設(shè)計是一項很繁瑣的設(shè)計工作，而且在設(shè)計中除了要考慮經(jīng)濟因素外，環(huán)保也是一項不得不考慮的問題。除此之外，還要考慮諸多的政策、法規(guī)，因此在課程設(shè)計中要有耐心，注意多專業(yè)、多學科的綜合和相互協(xié)調(diào)。摘要摘要：本選題為年產(chǎn)量為年產(chǎn)6X103T的間歇釜式反應器的設(shè)計。通過物料衡算、熱量衡算，反應器體積為、換熱量為。設(shè)備設(shè)計結(jié)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(nèi)徑為3400mm。還對塔體等進行了輔助設(shè)備設(shè)計，換熱則是通過夾套與內(nèi)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(chǔ)上繪制了設(shè)備條件圖。本設(shè)計為間歇釜式反應器的工業(yè)設(shè)計提供較為詳盡的數(shù)據(jù)與圖紙。關(guān)鍵字：間歇釜式反應器;物料衡算;熱量衡算;壁厚設(shè)計;AbstractAbstract:Thebatchreactorforannualproductioncapacityof60,00010Tistobethedesigned.Throughthematerial,heatbalancereactorvolume,heattransferandEquipmentdesignresultsshowthatthesizeofthereactorcharacteristicsforhighis3320mm,diameteris3200mm,Thecharacteristicsofclipsizeforhighis2550mm,diameteris3400mm.Alsoauxiliaryequipmentonthetowerasdesigned,heatisfinishedthroughtheclipwiththecommoncoldtubeinside.Themixerfordise-typemixer,stirringshaftofdiameteris60mm.Basedontheconditionofequipmentdrawing.Thisdesignforbatchreactorindustrialdesignprovidesadetaileddataanddrawings.Keywords:batchreactor,Material,Heatbalance,Thickwalldesign。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)D――反應釜的內(nèi)徑iH――反應器筒體的高度――封頭的高度P——操作壓力P――設(shè)計壓力C?――取焊縫系數(shù)[0]t——鋼板的許用應力q——鋼板的負偏差C2—鋼板的腐蝕裕量S――筒壁的計算厚度S――筒壁的設(shè)計厚度dS――筒壁的名義厚度nH――反應器夾套筒體的高度jv 封頭的體積――水壓試驗壓力D――夾套的內(nèi)徑j(luò)Q——乙酸的用量Q0 單位時間的處理量目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章 設(shè)計任務及條件 1\o"CurrentDocument"第2章 工藝設(shè)計 2\o"CurrentDocument"2.1原料的處理量 2\o"CurrentDocument"2.2原料液起始濃度 2\o"CurrentDocument"2.3反應時間 2\o"CurrentDocument"2.4反應體積 2\o"CurrentDocument"第3章 熱量核算 4\o"CurrentDocument"3.1工藝流程 4\o"CurrentDocument"3.2物料衡算 4\o"CurrentDocument"3.3能量衡算 4\o"CurrentDocument"3.3.1熱量衡算總式 4\o"CurrentDocument"3.3.2每摩爾各種物值在不同條件下的值 4\o"CurrentDocument"3.3.3各種氣象物質(zhì)的參數(shù)如下表 5\o"CurrentDocument"3.3.4每摩爾物質(zhì)在100°C下的焓值 6\o"CurrentDocument"3.3.5總能量衡算 63.4換熱設(shè)計 7\o"CurrentDocument"水蒸氣的用量 7\o"CurrentDocument"第4章 反應釜釜體設(shè)計 8\o"CurrentDocument"反應器的直徑和高度 8\o"CurrentDocument"筒體壁厚的設(shè)計 8\o"CurrentDocument"設(shè)計參數(shù)的確定 8\o"CurrentDocument"4.2.2筒體的壁厚 9釜體封頭厚 9\o"CurrentDocument"第5章 反應釜夾套的設(shè)計 10\o"CurrentDocument"5.1夾套DN、PN的確定 10\o"CurrentDocument"夾套的DN 10\o"CurrentDocument"5.1.2夾套的PN 10\o"CurrentDocument"夾套筒體的壁厚 10\o"CurrentDocument"夾套筒體的高度 10\o"CurrentDocument"5.4夾套的封頭 11\o"CurrentDocument"5.4.1封頭的厚度 11\o"CurrentDocument"5.5傳熱面積校核 11\o"CurrentDocument"第6章 反應釜釜體及夾套的壓力試驗 12釜體的水壓試驗 12\o"CurrentDocument"水壓試驗壓力的確定 12\o"CurrentDocument"6.1.2水壓試驗的強度校核 12\o"CurrentDocument"6.1.3壓力表的量程、水溫 12\o"CurrentDocument"6.1.4水壓試驗的操作過程 12夾套的液壓試驗 13\o"CurrentDocument"水壓試驗壓力的確定 13\o"CurrentDocument"6.2.2水壓試驗的強度校核 13\o"CurrentDocument"6.2.3壓力表的量程、水溫 13\o"CurrentDocument"6.2.4水壓試驗的操作過程 13\o"CurrentDocument"第7章 攪拌器的選型 14\o"CurrentDocument"7.1攪拌槳的尺寸及安裝位置 14\o"CurrentDocument"7.2攪拌功率的計算 14\o"CurrentDocument"7.3攪拌軸的的初步計算 15\o"CurrentDocument"7.3.1攪拌軸直徑的設(shè)計 15\o"CurrentDocument"7.3.2攪拌抽臨界轉(zhuǎn)速校核計算 15\o"CurrentDocument"7.4聯(lián)軸器的型式及尺寸的設(shè)計 15\o"CurrentDocument"結(jié)論 15\o"CurrentDocument"參考書目 16第1章設(shè)計任務及條件1.1設(shè)計任務及條件乙酸乙酯酯化反應的化學式為：CH3COOH+C2H5OH=====CH3COOC2H5+H2OABRS原料中反應組分的質(zhì)量比為：A：B：S=l：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lh,每天計24h每年300d每年生產(chǎn)7200h。反應在100°C下等溫操作，其反應速率方程如下rR=k1(CACB－CRCS/K)[1]100C時，k]=4.76X10-6L/(mol?min),平衡常數(shù)K=2.92。乙酸的轉(zhuǎn)化率XA=0.4,反應器的填充系數(shù)f=0.8,為此反應設(shè)計一個反應器。第2章工藝設(shè)計2.1原料的處理量根據(jù)乙酸乙酯的產(chǎn)量可計算出每小時的乙酸用量為6X103X10388x300x24x0.4=23.675kmol/L由于原料液的組成為單位時間的處理量1+2+1.35=4.35Kg2.2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(zhuǎn)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3/23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(zhuǎn)化率和反應物的初始質(zhì)量比算出各種物質(zhì)的進料和出料量，具體結(jié)果如下表：物質(zhì)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，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(zhì)，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(zhì)的熱容參數(shù)如下表[3]：液支相物質(zhì)的熱容參數(shù)物質(zhì)ABX103CX103DX103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°C和77.2°C，所以:(1)乙醇的值=_67.4442+18.4252x10-1x351.5-7.29726xlO-3x351.52+1.05224x10-5x351.53同理：(2)乙酸乙酯的值=155.94+2.3697x10-1x350.2-1.9976x10-3x350.22+0.4592x10-5x3502(3)水的值(3)乙酸的值各種氣象物質(zhì)的參數(shù)如下表氣相物質(zhì)的熱容參數(shù)[4]物質(zhì)ABX103CX103DX103乙醇6.7318422.315286-12.116262.493482乙酸乙酯24.542753.288173-9.9263021.998997(1)乙醇的值=6.731842+2.315286x10-1x373-12.11626x10-5x3732+2.493482x10-8x3733(2)乙酸乙酯的值=24.54275+3.288173x10-1x373-9.926302x10-5x3732+1.998997x10-8x37333.3.4每摩爾物質(zhì)在100°C下的焓值(1)每摩爾水的焓值同理：每摩爾的乙醇的焓值每摩爾乙酸的焓值每摩爾乙酸乙酯的焓值3.3.5總能量衡算1)的計算物質(zhì)進料出料乙酸23.67514.21乙醇36.3026.83乙酸乙酯09.47水81.6890.15+nCHECOOQ=n xAH +nxAH+n xAH+nCHECOO1 CH3COOH r m(CH3COOH) H20 r m(H2O) CH3CH2OH r m(CH3CH2OH)=23.675x103x7.4980+81.68x103x40.3963+36.3x103x47.6645+0x103x43.59482)的計算二9.47x103x(40.3963+43.5948-7.4980-47.6645)6/23Q=nixAH +nixAH +ni xAH +ni xAH1 H20 r m(H20) H20 r m(H20) CH3CH2OH r m(CH3CH2OH) CH3CH2OOCCH3 r m(CH3CH2OOCCH3)=14.21x103x7.4980+90.15x103x40.3963+28.63x103x47.6645+9.47x103x43.5948因為：即：++=求得：=45437.274>0，故應是外界向系統(tǒng)供熱。3.4換熱設(shè)計換熱采用夾套加熱，設(shè)夾套內(nèi)的過熱水蒸氣由130r降到110°C，溫差為20°C。水蒸氣的用量忽略熱損失，則水的用量為[5]Q 45437.274^^2— 3 — c(T-T廠1.92x(403—393)po12第4章反應釜釜體設(shè)計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/q）,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(zhuǎn)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越高，越有利于傳熱。3—1 高徑比的確定通常才用經(jīng)驗值表[6]種類罐體物料類型H/D.i一般攪拌釜液一固或液一液相物料1~1.3氣一液相物料1~2發(fā)酵罐類氣一液相物料1.7?2.5假定高徑比為H/Di=1.2，先忽略罐底容積[7]取標準D二3.2m二3200mmi表3—2 用標準橢球型封頭參數(shù)見表[8]公稱直徑（mm）曲面咼度（mm）直邊高度（mm）內(nèi)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(shè)計4.2.1設(shè)計參數(shù)的確定表3—3 反應器內(nèi)各物質(zhì)的飽和蒸汽壓[9]物質(zhì)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=0.4MPa，該反應器的設(shè)計壓力P=l.lP=l.lX0.4MPa=0.44MPac該反應釜的操作溫度為100°C，設(shè)計溫度為120°C。由此選用l6MnR卷制16MnR材料在120C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鋼板負偏差[10]設(shè)計厚度S=S+C=4.1465+2=6.1465mmd2名義厚度S二S+C+圓整二6.1465+0.8二7mmnd1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(shè)計厚度S=S+C=4.15+2=6.15mmd2名義厚度S二S+C+圓整二6.15+0.8二7mmnd1按鋼制容器的制造取壁厚第5章反應釜夾套的設(shè)計5.1夾套DN、PN的確定5.1.1夾套的DN由夾套的筒體內(nèi)徑與釜體筒體內(nèi)徑之間的關(guān)系可知：D二D+200二3200+200二3400mmji5.1.2夾套的PN由設(shè)備設(shè)計條件可知，夾套內(nèi)介質(zhì)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Q235—B卷制Q235—B材料在120°C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(shè)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夾套的封頭封頭的厚度夾套的下封頭選標準橢球封頭，內(nèi)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(shè)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(nèi)進行的反應是放熱反應，產(chǎn)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(nèi)的溫度升高。為防止反應釜內(nèi)溫度過高，在反應釜的上方設(shè)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(nèi)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釜體的水壓試驗6.1.1水壓試驗壓力的確定P=1.25PTc=1.25x0.44x1=0.55MPaP=1.25PTc6.1.2水壓試驗的強度校核16MnR的屈服極限0.9b①二0.9x345x1二310.5MPas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=2x0.55=1.1表或1.5Pt<P<4Pt即0.825MPa<P<2.2T 表T 表水溫25°C6.1.4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(nèi)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(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，修補后重新試壓直至合格為止。水壓試驗合格后再做氣壓試驗。

夾套的液壓試驗6.2.1水壓試驗壓力的確定P=1.25P=1.25PTc=1.25x0.25x1=0.3125MPa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Q235—B的屈服極限由所以水壓強度足夠6.2.3壓力表的量程、水溫壓力表的最大量程：P表=2=2x0.35=0.7表或1.5Pt<PJ4Pt即0.525MPa<P<1.4T 表T 表水溫25°C6.2.4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(nèi)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(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(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、攪拌過程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(gòu)型的攪拌設(shè)備來完成，但不同的實施方案所需的設(shè)備投資和功率消耗是不同的，甚至會由成倍的差別。為了經(jīng)濟高效地達到攪拌的目的，必須對攪拌設(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(jié)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與反應釜的直徑比一般為0.2~0.5[12]，一般取0.33，所以葉輪的直徑d二0.33D二0.33x3200二1056mm，取d=1000mm；i葉輪據(jù)槽底的安裝高度；葉輪的葉片寬度W=0.2d=0.2x1000=200mm，取；葉輪的葉長度，?。灰后w的深度H=1.0H=3200mm；1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W二0.1D二0.1x3200二320mmb槳葉數(shù)為6,根據(jù)放大規(guī)則，葉端速度設(shè)為4.3m/s，則攪拌轉(zhuǎn)速為：，取7.2攪拌功率的計算采用永田進治公式進行計算：d2nd2np1.02x1.5x10202.157x10-4二7.09x106>300[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。可以查表上湍流一層流大的轉(zhuǎn)折點得出。查表知所以功率：P=Qpn3d5二0.68x1020x1.53x1.05二2.34KW，取

7.3攪拌軸的的初步計算7.3.1攪拌軸直徑的設(shè)計（1）電機的功率=3，攪拌軸的轉(zhuǎn)速=90,根據(jù)文獻山取用材料為lCrl8Ni9Ti,[]=40,剪切彈性模量G=8.1x104，許用單位扭轉(zhuǎn)角[0]=1°/m。由得：=利用截面法得：=（）由得：=攪拌軸為實心軸，則：=三57.05mm 取=60mm（2）攪拌軸剛度的校核：由0maxM 1800max—TmaxX X103GJ兀p兀d4J=p32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(zhuǎn)速校核計算由于反應釜的攪拌軸轉(zhuǎn)速=90<200,故不作臨界轉(zhuǎn)速校核計算。7.4聯(lián)軸器的型式及尺寸的設(shè)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:40HG21570—95。結(jié)論依據(jù)GB150-1988《鋼制壓力容器》尺寸為反應器體積為，反應釜高為3320mm,直徑3200mm,完成設(shè)計任務，達到實際要求。參考書目譚蔚主編，《化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)》[M],天津：天津大學出版社，2008.4柴誠敬主編，《化工原理》上冊[M],北京：高等教育出版社，2008.9李少芬主編，反應工程[M],北京：化學工業(yè)出版社，2010.2王志魁編.《化工原理》[M].北京:化學工業(yè)出版社，2006.陳志平,曹志錫編.《過程設(shè)備設(shè)計與選型基礎(chǔ)》[M].浙江:浙江大學出版社.2007.金克新,馬沛生編.《化工熱力學》[M],北京:化學工業(yè)出版社.2003涂偉萍,陳佩珍,程達芳編.《化工過程及設(shè)備設(shè)計》[M].北京:化學工業(yè)出版社,2000.匡國柱，史啟才編.《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》[M].北京：化學工業(yè)出版社,200