年產(chǎn)噸乙酸乙酯的反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

1、 河南城建學(xué)院化學(xué)化工系 反應(yīng)工程 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書指導(dǎo)教師： 李 曉 艷 學(xué)生姓名： 班級學(xué)號： 2012年5月 28 日至6月8日目 錄 一、設(shè)計(jì)任務(wù)書3二、概述6三、工藝設(shè)計(jì)計(jì)算.71設(shè)計(jì)依據(jù)72. 設(shè)計(jì)方案 .73. 設(shè)計(jì)計(jì)算.73.1間歇反應(yīng)釜的生產(chǎn)計(jì)算.7 3.2連續(xù)反應(yīng)釜的生產(chǎn)計(jì)算.9 3.3熱量的衡算. .12四、設(shè)備設(shè)計(jì)與選型.171.反應(yīng)釜及夾套的設(shè)計(jì)計(jì)算.172.攪拌器的設(shè)計(jì).183.夾套式反應(yīng)釜附屬裝置的確定.21五、總結(jié)24六、參考文獻(xiàn)25 化學(xué)工程與工藝專業(yè)化學(xué)反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)項(xiàng)目年產(chǎn)（2000+學(xué)號100）噸乙酸乙酯的反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)

2、條件1、 生產(chǎn)規(guī)模：5800 噸/年2、 生產(chǎn)時間：連續(xù)生產(chǎn)8000小時/年，間隙生產(chǎn)6000小時/年3、 物料損耗：按5%計(jì)算4、 乙酸的轉(zhuǎn)化率：60%三、反應(yīng)條件反應(yīng)在等溫下進(jìn)行，反應(yīng)溫度為80，以少量濃硫酸為催化劑，硫酸量為總物料量的1%，當(dāng)乙醇過量時，其動力學(xué)方程為：- ra=kca2。a為乙酸，建議采用配比為乙酸：乙醇=1：5（摩爾比），反應(yīng)物料密度為0。85/l，反應(yīng)速度常數(shù)k為15.00/（kmol.min）四、設(shè)計(jì)目的和要求通過課程設(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)用理論知識和技能的能力、獨(dú)立工作和創(chuàng)新能力。 概 述此

3、次課程設(shè)計(jì)，是結(jié)合化學(xué)反應(yīng)工程這門課程的內(nèi)容及特點(diǎn)所進(jìn)行的一次模擬設(shè)計(jì)。它結(jié)合實(shí)際進(jìn)行計(jì)算，對我們理解理論知識有很大的幫助。同時，通過做課程設(shè)計(jì)，我們不僅熟練了所給課題的設(shè)計(jì)計(jì)算，而且通過分析課題、查閱資料、方案比較等一系列相關(guān)運(yùn)作，讓我們對工藝設(shè)計(jì)有了初步的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過程中解決所遇難題，對我們養(yǎng)成獨(dú)立思考、態(tài)度嚴(yán)整的工作作風(fēng)有極大的幫助，并為我們以后從事這個行業(yè)做好鋪墊。酯化反應(yīng)是有機(jī)工業(yè)中較成熟的一個工藝。盡管現(xiàn)在研制出不同的催化劑合成新工藝，但設(shè)計(jì)以硫酸作為催化劑的傳統(tǒng)工藝是很有必要的。酯化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本要求是滿足傳質(zhì)和傳熱要求。因此需要設(shè)計(jì)攪拌器。另外，反應(yīng)器要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度

4、，抗腐蝕能力；結(jié)構(gòu)要合理，便于制造、安裝和檢修；經(jīng)濟(jì)上要合理，設(shè)備全壽命期的總投資要少。夾套式反應(yīng)釜具有以下特點(diǎn)：1、溫度容易控制。2、濃度容易控制。3、傳質(zhì)和傳熱良好。4、設(shè)備使用壽命長。產(chǎn)品乙酸乙酯簡介： 無色澄清液體，有強(qiáng)烈的醚似的氣味，清靈、微帶果香的酒香，易擴(kuò)散，不持久。分子量 88.11，沸點(diǎn)：77.2 ，微溶于水，溶于醇、醚等多數(shù)有機(jī)溶劑.通過給定設(shè)計(jì)的主要工藝參數(shù)和條件，綜合系統(tǒng)地應(yīng)用化工理論及化工計(jì)算知識，完成對反應(yīng)釜的工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)計(jì)算1. 設(shè)計(jì)依據(jù)乙酸乙酯生產(chǎn)設(shè)計(jì)任務(wù)書2. 設(shè)計(jì)方案對于乙酸乙酯的生產(chǎn)既可以采用間歇式生產(chǎn)，也可以采用連續(xù)式生產(chǎn)。本次設(shè)計(jì)將根據(jù)

5、自己的生產(chǎn)規(guī)模計(jì)算，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，得出合理的工藝設(shè)計(jì)流程。3. 工藝計(jì)算及方案選擇3.1 間歇釜進(jìn)料3.1.1 流量的計(jì)算3.1.1.1 乙酸乙酯的產(chǎn)量化學(xué)反應(yīng)方程式：乙酸乙酯的相對分子質(zhì)量為88，所以要求的生產(chǎn)流量為f酯=3.1.1.2 乙酸的流量乙酸采用工業(yè)二級品（含量98%），乙酸與乙酸乙酯的物質(zhì)的量比為1:1，乙酸的轉(zhuǎn)化率%,物料損失以5%計(jì)， 則乙酸的進(jìn)料量 fa0= 3.1.1.3 乙醇的流量乙醇與乙酸的摩爾配比為5：1，則乙醇的進(jìn)料量為f乙醇=519.66 = 98.3kmol/h3.1.1.4硫酸的流量：總物料的質(zhì)量流量如下計(jì)算，w總=fama+f乙m乙+w硫酸=因硫酸為

6、總流量的1%，則w硫酸=5759.00.01= 57.59，即可算其物質(zhì)的量流量f硫酸=57.59 /98=0.593.1.1.5 總物料量流量：f= fa0+f乙醇+ f硫酸= 19.66+ 98.3+0.59=118.55 kmol/h表1 物料進(jìn)料量表 .名稱乙酸乙醇濃硫酸流量kmol/h19.6698.30.593.1.2 反應(yīng)體積及反應(yīng)時間計(jì)算當(dāng)乙醇過量時，可視為對乙酸濃度為二級的反應(yīng)，其反應(yīng)速率方程（a為乙酸）當(dāng)反應(yīng)溫度為80，催化劑為硫酸時，反應(yīng)速率常數(shù)k=15.00=0.9m3/(kmol.h)因?yàn)橐掖即蟠筮^量，反應(yīng)混合物密度視為恒定，等于0.85kg/l當(dāng)乙酸轉(zhuǎn)化率%，由間歇

7、釜反應(yīng)有： 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取非生產(chǎn)時間，則反應(yīng)體積 因裝料系數(shù)為0.75，故實(shí)際體積 要求每釜體積小于5m3 則間歇釜需3個，每釜體積v=3.19 m3圓整，取實(shí)際體積。 3.2 連續(xù)性進(jìn)料的計(jì)算3.2.1 流量的計(jì)算3.2.1.1 乙酸乙酯的產(chǎn)量化學(xué)反應(yīng)方程式：乙酸乙酯的相對分子質(zhì)量為88，所以要求的生產(chǎn)流量為f酯=3.2.1.2 乙酸的流量乙酸采用工業(yè)二級品（含量98%），乙酸與乙酸丁酯的物質(zhì)的量比為1:1，乙酸的轉(zhuǎn)化 fa0 = 3.2.1.3 乙醇的流量乙醇與乙酸的摩爾配比為5：1，則丁醇的進(jìn)料量為 3.2.1.4硫酸的流量：總物料的質(zhì)量流量如下計(jì)算， w總=fama+f乙m乙+w硫酸=因硫

8、酸為總流量的1%，則w硫酸=4320.10.01=43.21，即可算其物質(zhì)的量流量f硫酸=43.21/98=0.44表2 物料進(jìn)料量表 .名稱乙酸乙醇濃硫酸流量kmol/h14.7573.750.44 3.2.1.5 總物料量流量：f= 14.75+73.75+0.44=86.94 3.2.2 反應(yīng)體積及反應(yīng)時間計(jì)算當(dāng)乙醇過量時，可視為對乙酸濃度為二級的反應(yīng)，其反應(yīng)速率方程（a為乙酸）當(dāng)反應(yīng)溫度為80，催化劑為硫酸時，反應(yīng)速率常數(shù)k=15因?yàn)橐掖即蟠筮^量，反應(yīng)混合物密度視為恒定，等于0.85。因硫酸少量，忽略其影響， 對于連續(xù)式生產(chǎn)，若采用兩釜串聯(lián)，系統(tǒng)為定態(tài)流動，且對恒容系統(tǒng)，不變，不變 若

9、采用兩釜等溫操作，則代數(shù)解得 所以 裝料系數(shù)為0.75，故實(shí)際體積v=2.240.75=2.99。故采用一條的生產(chǎn)線生產(chǎn)即可，即兩釜串聯(lián)，反應(yīng)器的體積v0，故應(yīng)是外界向系統(tǒng)供熱。設(shè)備設(shè)計(jì)與選型1反應(yīng)釜體及夾套的設(shè)計(jì)計(jì)算1.1 筒體和封頭的幾何參數(shù)的確定1.1.1 筒體和封頭的型式 選擇圓筒體，橢圓形封頭。1.1.2 筒體和封頭的直徑反應(yīng)物料為液夜相類型，由表h/di=1.01.4 考慮容器不是很大，故可取h/di=1.0由式 di= = 反應(yīng)釜內(nèi)徑的估算值應(yīng)圓整到公稱直徑dn系列，故可取1600 mm 。封頭取相同內(nèi)徑，其直邊高度ho由附表123 初選ho=40 mm 。1.1.3 確定筒體高

10、度h 當(dāng) dg=1600 mm ，ho= 25 mm 時，由附表123可查得橢圓形封頭的容積為 v封 =0.617 m 查得筒體1米高的容積v1米=2.014 m3 1.45m 取 h = 1450 mm 則 h/di = 1450/16001.0 選取橢圓封頭，其公稱直徑為1600mm，曲面高度為400mm，直邊高度為25mm，容積為0.587 m31.1.4 夾套直徑、高度的確定 根據(jù)筒體的內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算查取，選取dn=1800的夾套。夾套封頭也采用橢圓形并與夾套筒體取相同直徑 。夾套高度h2： ,式中為裝料系數(shù)， = 0.75 ，代入上式： 取：h2 = 1100 mm 。1.2釜體及

11、夾套厚度的計(jì)算1.2.1設(shè)備材料 根據(jù)設(shè)備的工作條件，可選擇q235a作為釜體及夾套材料，由附表62查得所選材料許用應(yīng)力為：100 = 113 mpa1.3 設(shè)備的壁厚計(jì)算1.3.1 釜體筒體壁厚計(jì)算1.3.2 內(nèi)壓設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)工作條件，可選取p=0.2mpa為設(shè)計(jì)內(nèi)壓。 根據(jù)式（10-12）2筒體的設(shè)計(jì)厚度： 3.8mm 式中：d 圓筒設(shè)計(jì)厚度，mm ；di 圓筒內(nèi)徑 ，mm ；p 內(nèi)壓設(shè)計(jì)壓力，mpa ； 焊接接頭系數(shù)，考慮到夾套的焊接取0.8（表10-92）；c2 腐蝕裕量，取 2 mm ；t材料許用應(yīng)力：100 = 113 mpa ?？紤]到鋼板負(fù)偏差，初選c1 = 0.6 mm （表1

12、0-101）。 所以，內(nèi)壓計(jì)算筒體壁厚：3.8 + 0.6 = 4.4mm1.3.3 外壓設(shè)計(jì)計(jì)算按承受0.25mpa 的外壓設(shè)計(jì)設(shè)筒體的設(shè)計(jì)壁厚 = 7 mm ，并決定l/do ；do/ 之值：do筒體外徑，do = di + 2d =1600 +27 =1614 mm；l 筒體計(jì)算長度，l = h2 +h = 1400+400 =1533 mm （h為封頭的曲面高度），則：l/do = 0.95，do/ = 230，由圖10-152查得a = 0.00045，由圖10-172差得 b = 65 mpa ，則許用外壓為：p = = = 0.28 mpa0.25 mpa ?？梢?， = 7 mm

13、 滿足0.25 mpa 外壓穩(wěn)定要求，考慮壁厚附加量c = c1 + c2 = 0.6 + 2 = 2.6 mm 后，筒體壁厚 n = + c = 7 +2.6 = 9.6 mm ，圓整到標(biāo)準(zhǔn)鋼板規(guī)格，n 取 10 mm 。綜合外壓與內(nèi)壓的設(shè)計(jì)計(jì)算，釜體的筒體壁厚為10mm，經(jīng)計(jì)算校核，滿足設(shè)備安全要求。1.3.4 釜體封頭壁厚計(jì)算按內(nèi)壓計(jì)算：s封 = p = 0.2mpa, di = 1600mm, = 0.8, t = 113mpa, c = 0.6+2 = 2.6mm,代入得 s封= 4.4mm.因?yàn)楦w的筒體s筒釜= 10mm，考慮到封頭與筒體的焊接方便，取封頭與筒體厚s封頭= 10m

14、m經(jīng)采用圖解法外壓校核，由于ppt ，外壓穩(wěn)定安全，故用s封筒= 10 mm。 1.3.5 夾套筒體壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)式（10-12）2 筒體的設(shè)計(jì)厚度： d =+ c2 =+ 2 4.5 mm 考慮到鋼板負(fù)偏差，初選c1 = 0.6 mm 故夾套筒體的厚度為4.5+0.6 = 5.1mm，圓整到標(biāo)準(zhǔn)系列取6 mm。經(jīng)校核，設(shè)備穩(wěn)定安全。1.3.6 夾套封頭壁厚設(shè)計(jì)與選擇s封夾= s封夾=+2.6 5.1 mm.圓整到規(guī)格鋼板厚度，s封夾 = 6mm，與夾套筒體的壁厚相同，這樣便于焊接。經(jīng)校核，設(shè)備穩(wěn)定安全符合要求。據(jù)附表122可查取到夾套封頭尺寸： 公稱直徑：1800mm，曲面高度：400mm

15、，直邊高度：25mm1.3.7 反應(yīng)釜設(shè)計(jì)參數(shù)表4 夾套反應(yīng)釜的相關(guān)參數(shù)項(xiàng)目釜 體夾 套公稱直徑dn/mm16001800公稱壓力pn/mpa0.20.25高度/mm16801200筒體壁厚/mm106封頭壁厚/mm1062、攪拌器設(shè)計(jì)2.1 攪拌器的形式選擇 根據(jù)工作條件，由于物料的黏度不大，考慮到物料的流動、攪拌目的及轉(zhuǎn)速要求，選擇攪拌器的形式為：雙葉螺旋槳式，槳葉直徑為800 mm。2.1.1 攪拌器轉(zhuǎn)速n：根據(jù)相關(guān)的工藝經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇n = 100 rpm2.1.2 傳動功率p： 攪拌的雷諾數(shù)re 則：（kt可查取表3-91）2.1.3 電機(jī)功率本設(shè)計(jì)中考慮傳動效率為90%，則： p電

16、 = p/0.9 = 1.3/0.9 = 1.44kw2.1.4 減速器的選擇 根據(jù)以上計(jì)算，并查取文獻(xiàn)，選用bld1.5-2-29q型減速器，其出軸轉(zhuǎn)速為100rpm，適用。2.1.5 電動機(jī)的選擇 選用電動機(jī)的型號為：jo2-22-12.2攪拌軸直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算2.2.1 攪拌軸材料：選用q235-a,選取其=16mpa （為軸材料的許用切應(yīng)力，單位：mpa,對于q235-a,取1220mpa）2.2.2 攪拌軸強(qiáng)度計(jì)算圓整，取d = 40 mm2.2.3 攪拌軸剛度計(jì)算（式中為軸的許用扭轉(zhuǎn)角(/m)，對于一般的傳動，可取0.51.0(/m)，本設(shè)計(jì)中物料黏度不大，取為0.7）經(jīng)計(jì)算比較，軸

17、徑為40mm 滿足強(qiáng)度、剛度要求，故選擇攪拌軸徑為40 mm 。3.夾套式反應(yīng)釜附屬裝置的確定支座的選定：（以下參考書3）3.1.1因發(fā)應(yīng)釜需外加保溫，故選b型懸掛式支座3.1.2 反應(yīng)釜總重 q = q1 + q2 + q3 + q4式中：q1筒體與夾套筒體總重q2封頭與夾套封頭總重q3料液重，按水壓試驗(yàn)時充滿水計(jì)q4附件重，人孔重900n，其它接管和保溫層按1000n計(jì)故： q = q1 + q2 + q3 + q4 = 12357 + 4690 + 53057 + 1900 = 72004n按兩個支座承載計(jì)，每個支座承載36002n由表11-62 選：支座b4 jb/t 4735-923

18、.2 人孔c：選用長圓型回轉(zhuǎn)蓋快開人孔 人孔pn0.6，400300 jb 579-79-13.3 接管及其法蘭選擇3.3.1 水蒸氣進(jìn)口管：1084，l=200mm，10號鋼 法蘭：pn0.6 dn100 hg 20592-973.3.2 冷卻水出口管：573.5，l=150 mm，無縫鋼管 法蘭：pn0.6 dn50 hg 20592-973.3.3 進(jìn)料管： 3.3.3 1乙酸進(jìn)料管 管徑根據(jù)管子規(guī)格圓整選用的無縫鋼管，l=150mm法蘭：pn0.25 dn25 hg 20592-973.3.3.2乙醇醇進(jìn)料管 管徑 根據(jù)管子規(guī)格圓整選用的無縫鋼管，l=200mm法蘭：pn0.25 dn

19、50 hg 20592-973.3.3.3 濃硫酸進(jìn)料管 管徑根據(jù)管子規(guī)格圓整選用的無縫鋼管，l=100mm法蘭：pn0.25 dn10 hg 20592-973.33.4 出料管：出料總質(zhì)量流量 因密度，則體積流量為 由表1-14得，因進(jìn)料黏度低，選取管道中流速則管徑根據(jù)規(guī)格選取573.5的無縫鋼管。 法蘭：pn0.6 dn50 hg 20592-973.3.35 溫度計(jì)接管：452.5，l=100mm，無縫鋼管 法蘭：pn0.25 dn40 hg 20592-973.3.36 不凝氣體排出管：323.5，l=100 mm，無縫鋼管 法蘭：pn0.6 dn25 hg 20592-973.33.7 壓料管：573.5，l=200 mm，無縫鋼管 法蘭：pn0.25 dn50 hg 20592-973.3.38 壓料管套管：1084，l=200 mm，10號鋼 法蘭：pn0.25 dn100 hg 20592-97 總 結(jié) 經(jīng)過接近兩周