乙酸乙酯反應(yīng)器設(shè)計

1、 青 海 大 學(xué) 化工過程設(shè)備設(shè)計 設(shè)計說明書 設(shè)計題目：年產(chǎn)2.76103t乙酸乙酯反應(yīng)器設(shè)計 班 級：2013級化工2班 姓 名：鄔天貴 學(xué) 號：1320103130 前言乙酸乙酯，又稱醋酸乙酯，分子式C4H8O2。它是一種無色透明易揮發(fā)的可燃性液體，呈強烈清涼菠蘿香氣和葡萄酒香味。乙酸乙酯能很好的溶于乙醇、氯仿、乙醚、甘油、丙二醇和大多數(shù)非揮發(fā)性油等有機溶劑中，稍溶于水，25時，1ml乙酸乙酯可溶于10ml水中，而且在堿性溶液中易分解成乙酸和乙醇。水能使其緩慢分解而呈酸性。乙酸乙酯與水和乙醇都能形成二元共沸混合物，與水形成的共沸物沸點為70.4，其中含水量為6.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。與乙醇形

2、成的共沸物沸點為71.8。還與7.8%的水和9.0%的乙醇形成三元共沸物，其沸點為70.2。乙酸乙酯應(yīng)用最廣泛的脂肪酸酯之一，具有優(yōu)良的溶解性能，是一種較好的工業(yè)溶劑，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醋酸纖維、乙基纖維、氯化橡膠、乙醛纖維樹脂、合成橡膠等的生產(chǎn)，也可用于生產(chǎn)復(fù)印機用液體硝基纖維墨水，在紡織工業(yè)中用作清洗劑，在食品工業(yè)中用作特殊改性酒精的香味萃取劑，在香料工業(yè)中是最重要的香味添加劑，可作為調(diào)香劑的組分，乙酸乙酯也可用作黏合劑的溶劑，油漆的稀釋劑以及作為制造藥物、染料等的原料。目前，國內(nèi)外市場需求不斷增加。在人類不斷注重環(huán)保的今天，在涂料油墨生產(chǎn)中采用高檔溶劑是大勢所趨。作為高檔溶劑，乙酸乙酯在國

3、內(nèi)外的應(yīng)用在持續(xù)穩(wěn)定的增長，在建筑、汽車等行業(yè)的迅速發(fā)展，也會帶動對乙酸乙酯類溶劑的需求。工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)目前全球乙酸乙酯工業(yè)生產(chǎn)方法主要有醋酸酯化法、乙醛縮合法、乙醇脫氫法和乙烯加成法等。傳統(tǒng)的醋酸酯化法工藝在國外被逐步淘汰，而大規(guī)模生產(chǎn)裝置主要采用后三種方法，其中新建裝置多采用乙烯加成法。本設(shè)計采用醋酸酯化法。醋酸酯化法在硫酸催化劑作用下，醋酸和乙醇直接酯化生成乙酸乙酯。該工藝方法技術(shù)成熟，投資少，操作簡單，但缺點是生產(chǎn)成本高、硫酸對設(shè)備腐蝕性強、副反應(yīng)多、產(chǎn)品處理困難、環(huán)境污染嚴(yán)重。目前我國大多數(shù)企業(yè)仍采用醋酸酯化法生產(chǎn)乙酸乙酯。目錄一、工藝設(shè)計1 1.1原料液的處理量1 1.2原料液的起始

4、濃度1 1.3反應(yīng)時間與反應(yīng)體積1二、物料衡算2三、熱量衡算3 3.1標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱3 3.2熱量衡算3 3.3換熱計算5四、反應(yīng)釜釜體設(shè)計5 4.1反應(yīng)器的直徑與高度5 4.2筒體的壁厚7 4.3反應(yīng)釜封頭厚度8五、反應(yīng)釜夾套設(shè)計8 5.1夾套DN、PN的確定8 5.2夾套筒體的壁厚9 5.3夾套筒體的高度10 5.4夾套的封頭10 5.5換熱面積校核10六、反應(yīng)釜釜體及夾套壓力試驗10 6.1釜體的水壓試驗11 6.2夾套的液壓試驗11七、攪拌器12 7.1攪拌槳的尺寸與安裝位置13 7.2攪拌功率的計算14 7.3攪拌軸直徑設(shè)計15八、反應(yīng)釜附件的選型與尺寸設(shè)計17 8.1原料液進料管17

5、8.2人孔與手孔17 8.3支座17 8.4傳動裝置17 8.5機架189、 設(shè)計結(jié)果一覽表1810、 設(shè)計心得20 參考文獻21一、工藝設(shè)計1.1原料液的處理量 根據(jù)乙酸乙酯的產(chǎn)量可計算出每小時乙酸用量為 Q=11.285kmol/h由于原料液的組分質(zhì)量比為1:2:1.35所以單位時間處理量為 Q0=2.888m3/h1.2原料液的起始濃度CA0=3.908mol/L有質(zhì)量比可得乙醇和水的起始濃度 CB0=10.195mol/L CS0=17.586mol/L1.3反應(yīng)時間與反應(yīng)體積將速率方程轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù) CA=CA0(1-XA) CB=CB0-CA0XA CR=CA0XA CS=CS

6、0+CA0XA RA=k1(a+bXA+cXA2)CA02=k1XA2-(1+)XA+CA02 由上式可得 a=2.609 b=-(1+)=-5.15 c=0.658所以：=4.434則：t=143.8min 所以：VR=Q0(t+t0)=9.328m3實際體積Vt=15.547m3 （對于沸騰或鼓泡的液體物料，f可取0.40.6 化學(xué)反應(yīng)工程）二、物料衡算乙酸每小時進料量為11.285kmol/h，根據(jù)乙酸的轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)物的初始質(zhì)量比計算出各物料的進料和出料量。進料：乙醇：Q0=29.439kmol/h乙酸乙酯：Q0=0kmol/h水：Q0=50.783kmol/h出料：乙酸：Q=11.28

7、5-11.2850.386=6.929kmol/h乙醇：Q=29.439-11.2850.386=25.083kmol/h乙酸乙酯：Q=11.2850.386=4.356kmol/h水：Q=50.783+11.2850.386=55.139kmol/h列表如下： 物料 進料kmol/h 出料kmol/h 乙酸 11.285 6.929 乙醇 29.439 25.083 乙酸乙酯 0 4.356 水 50.783 55.139三、熱量衡算3.1標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱以第一基準(zhǔn)為計算基準(zhǔn)反應(yīng)方程式：CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O H=+輸出niHi-輸入niHi各物質(zhì)的Hf0及HV(

8、蒸發(fā)焓)查得如下：（由化工工藝設(shè)計手冊第四版上冊查得） 乙酸：Hf0=-487.0KJ/mol 乙醇：Hf0=-277.6KJ/mol HV=39.33KJ/mol乙酸乙酯：Hf0=-463.3KJ/mol HV=32.24KJ/mol水：Hf0=-285.9KJ/mol HV=40.63KJ/molHr0=輸出iHf0-輸入iHf0 =-（463.3+285.9）+（487.0+277.6）=15.4KJ/mol3.2熱量衡算從化工工藝設(shè)計手冊第四版上冊查出各組分在各溫度段的CP值，經(jīng)擬合呈線性關(guān)系，所以可用內(nèi)插法求得各物質(zhì)在反應(yīng)溫度段下的平均CP值。擬合結(jié)果如下：乙酸：y=0.1015X+

9、131.25 k2=0.9961 得CP=137.803J/(molk)乙醇：y液=0.4845X+98.9 k2=0.9942 得CP液=124.678J/(molk) y氣=0.1558X+61.593 k2=0.9998 得CP氣=75.390J/(molk)乙酸乙酯：y液=0.225X+164.8 k2=0.9681 得CP液=177.038J/(molk) y氣=0.272X+104.12 k2=0.9995 得CP氣=128.028J/(molk)水：y=0.0002X2-0.0136X+75.453 k2=0.9968 得CP=75.672J/(molk)因為進料溫度為25，所以

10、輸入niHi=0，將上述CP值帶入計算各組分輸出焓值。 乙酸：H1=n液dt=7.161104KJ/h 乙醇：H2=n液dt+HV+氣dt=1.194106KJ/h 乙酸乙酯：H3=n液dt+HV+氣dt=1.934105KJ/h 水：H4=n(液dt+HV)=2.553106KJ/h 輸出niHi=4.012106KJ/hH總=4.35615.4103+4.012106-0=4.079106KJ/hH總0，所以外界應(yīng)向系統(tǒng)提供能量。3.3換熱計算換熱采用夾套加熱，設(shè)夾套內(nèi)的過熱水蒸氣由130降到110。溫差為20，忽略熱損失，則計算水蒸氣的用量如下：水蒸氣的比熱容CP0：Cp0=a+(b10

11、-2)T+(c10-5)T2+(d10-9)T3其中a=7.7，b=0.0459，c=0.252，d=-0.859 （由化工計算查得）T1=130， T2=110， T=120計算得Cp0=7.7+0.180+0.389-0.052=8.217cal/(molk)由Q=m0Cp0(T1-T2)得m0=1.068105kg/h四、反應(yīng)釜釜體設(shè)計4.1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素：1、 高徑比對攪拌功率的影響：在轉(zhuǎn)速不變的情況下，PDi3，其中攪拌功率P隨釜體直徑Di的增大，而增加很多

12、，減小高徑比只能無畏的消耗一些攪拌功率。因此一般情況下，高徑比應(yīng)選擇大一些。2、 高徑比對傳熱的影響：當(dāng)容積一定時，H/Di越大，越有利于傳熱。 高徑比的確定通常采用經(jīng)驗值 種類 罐體物料類型H/Di 一般攪拌釜液固或液液相物料 氣液相物料 11.3 12 發(fā)酵罐類氣液相物料 1.72.5假設(shè)高徑比=1.3 先忽略罐底容積 VtDi2HDi315.547=Di31.3 Di=2.48m取標(biāo)準(zhǔn)Di=2.5m=2500mm 標(biāo)準(zhǔn)橢球形封頭設(shè)計參數(shù) 由化工制圖查得 公稱直徑mm總深度mm直邊高度mm內(nèi)表面積m2容積m32500665407.0892.242筒體的高度 H=2.711m=2710mm釜

13、體高徑比的復(fù)核 =1.1所以，該設(shè)計滿足要求。4.2筒體壁厚的設(shè)計4.2.1設(shè)計參數(shù)的確定 110下反應(yīng)器內(nèi)各物質(zhì)的飽和蒸氣壓化工熱力學(xué) 物質(zhì) 水 乙酸 乙醇 乙酸乙酯飽和蒸氣壓MPa 0.143 0.08 0.316 0.272該反應(yīng)釜的操作壓力必須滿足乙醇的飽和蒸氣壓，所以取操作壓力P=0.4MPa，則取設(shè)計壓力PC=1.1P=0.44MPa。反應(yīng)釜操作溫度為100，設(shè)計溫度取130。反應(yīng)釜體材料選用Q345R。查化工設(shè)備機械基礎(chǔ)得該材料在130時的許用應(yīng)力t=189MPa。焊縫系數(shù)取=1.0（雙面對接焊，100%無損探傷），腐蝕裕量C2=2mm。（取自化工設(shè)備機械基礎(chǔ)）4.2.2筒體的壁

14、厚計算厚度=2.9134mm因為=2.9134min=3mm，min-C1所以取=3mm設(shè)計厚度d=+C2=3+2=5mm鋼板負(fù)偏差 C1=0.3mm （取自化工設(shè)備機械基礎(chǔ)）名義厚度n=d+C1+=5+0.3+=6mm有效厚度 e=n-C2-C1=3.7mm4.3釜體封頭厚度計算厚度=2.9117mm因為=2.9117min=3mm，min-C1所以取=3mm設(shè)計厚度d=+C2=3+2=5mm鋼板負(fù)偏差 C1=0.3mm （取自化工設(shè)備機械基礎(chǔ)）名義厚度n=d+C1+=5+0.3+=6mm5、 反應(yīng)釜夾套設(shè)計 夾套是在釜體的外側(cè)用焊接或法蘭連接的方式裝設(shè)各種形狀的鋼結(jié)構(gòu)，使其與釜體外壁形成密

15、閉的空間，在此空間內(nèi)通入加熱或冷卻的介質(zhì)，可加熱或冷卻反應(yīng)釜內(nèi)的物料。夾套的主要結(jié)構(gòu)形式有整體夾套、半圓管夾套、和蜂窩夾套等，其適應(yīng)的溫度和壓力不同。本設(shè)計采用整體夾套中的U型夾套。5.1夾套DN、PN的確定5.1.1夾套的DN夾套直徑與筒體直徑之間的關(guān)系Di /mm7001800200030003000400040005000Dj /mmDi+100Di+200Di+300Di+400由夾套的筒體內(nèi)徑與釜體筒體內(nèi)徑之間的關(guān)系可得：Dj=Di+200=2500+200=2700mm5.1.2夾套的PN有設(shè)計條件可知夾套內(nèi)介質(zhì)的工作壓力為常壓，故可取PN=0.25MPa，由于PN1.6MPa，所

16、以可以選用Q235B為夾套的制作材料。查化工設(shè)備機械基礎(chǔ)得該材料在130時的許用應(yīng)力t=110MPa，取焊縫系數(shù)=1.0（雙面對接焊，100%無損探傷），腐蝕裕量C2=2mm。5.2夾套筒體的壁厚計算厚度=3.0717mm設(shè)計厚度d=+C2=3.0717+2=5.0717mm鋼板負(fù)偏差 C1=0.3mm （取自化工設(shè)備機械基礎(chǔ)）名義厚度n=d+C1+=5.0717+0.3+=6mm有效厚度 e=n-C1-C2=6-0.3-2=3.7mm5.3夾套筒體的高度Hj=1.44m=1440mm5.4夾套的封頭封頭的厚度夾套的下封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢球形封頭，內(nèi)徑與筒體相同。夾套上封頭選帶折邊形的封頭，且半錐角

17、=45。計算厚度=3.0699mm設(shè)計厚度d=+C2=3.0699+2=5.0699mm鋼板負(fù)偏差 C1=0.3mm （取自化工設(shè)備機械基礎(chǔ)）名義厚度n=d+C1+=5.0699+0.3+=6mm帶折邊錐形封頭的大端與夾套筒體對焊，小端與釜體筒體角焊，所以取封頭的壁厚與夾套筒體壁厚一致n=6mm5.5傳熱面積校核釜體下封頭的內(nèi)表面積FK=7.089m2，筒體高度H=2710mm，筒體內(nèi)經(jīng)Di=2500mm，筒體內(nèi)表面積F0=21.274m2。總的換熱面積F總=7.089+21.274=28.363m2六、反應(yīng)釜釜體及夾套壓力試驗6.1釜體的水壓試驗6.1.1水壓試驗的壓力PT=1.25Pc=1

18、.250.441=0.55MPa6.1.2強度校核T=185.54MPa查化工設(shè)備機械基礎(chǔ)得Q345R的屈服極限s=345MPa0.9s=0.91.0345=310.5MPa因為T=185.54MPa0.9s=310.5MPa所以水壓強度足夠6.1.3水壓試驗的操作過程在保持釜體表面干燥的情況下，首先用水將釜體內(nèi)的空氣排空，再將水的壓力緩慢升至0.55MPa，保證不低于30min，然后將壓力緩慢降至0.44MPa，保壓足夠長時間，檢查所有焊縫和連接部位有無泄漏和明顯的殘留變形。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

19、氣壓實驗。6.2夾套的液壓試驗6.2.1水壓試驗的壓力PT=1.25Pc=1.250.251=0.31MPa因為0.31MPaP+0.1=0.35MPa，所以應(yīng)取PT=0.35MPa6.2.2強度校核T=127.53MPa查化工設(shè)備機械基礎(chǔ)得Q235B的屈服極限s=235MPa0.9s=0.91.0235=211.5MPa因為T=127.53MPa0.9s=211.5MPa所以水壓強度足夠6.2.3水壓試驗的操作過程在保持夾套表面干燥的情況下，首先用水將夾套內(nèi)的空氣排空，再將水的壓力緩慢升至0.35MPa，保證不低于30min，然后將壓力緩慢降至0.25MPa，保壓足夠長時間，檢查所有焊縫和連

20、接部位有無泄漏和明顯的殘留變形。若質(zhì)量合格，緩慢降壓將夾套內(nèi)的水排凈，用壓縮空氣吹干夾套。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實驗。七、攪拌器在反應(yīng)釜中，為增快反應(yīng)速率，強化傳質(zhì)或傳熱效果以及加強混合等作用，常裝有攪拌裝置，攪拌裝置通常包括攪拌器和攪拌軸。攪拌軸由電動機通過聯(lián)軸直接帶動或經(jīng)過減速機減速后間接帶動。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，選型時考慮的因素主要有兩方面。一是介質(zhì)的黏度，一是攪拌過程的目的和攪拌器能造成的流動形態(tài)。根據(jù)漿葉的結(jié)構(gòu)，常用的攪拌器有：漿式、框式、錨式、渦輪式、推進式等。因為該攪拌器主要是為了實現(xiàn)物料的均相混合，所以，推進

21、式、漿式、渦輪式等都可以選擇。本次設(shè)計選用渦輪式攪拌器。7.1攪拌槳的尺寸與安裝位置攪拌槳的葉輪直徑與反應(yīng)釜的筒體直徑比一般為0.20.5，一般取為0.33，所以葉輪的直徑d=0.33Di=0.332500=825mm，取d=850mm由壓力容器與過程設(shè)備一書可查得：葉輪直徑d：葉輪葉長度l：葉輪葉片寬度W=20:5:4葉輪距槽底的安裝高度h1=0.71.6d則由上述數(shù)據(jù)可計算：葉輪的葉長度 l=0.25d=212.5mm，取l=220mm葉輪的葉片寬度 W=0.2d=170mm葉輪距槽底的安裝高度h1=1.0d=850mm擋板數(shù)目設(shè)計為6個，垂直安裝在槽壁上并從槽壁延伸至液面上，擋板寬度一般

22、可取容器直徑的0.1倍Wb=0.1Di=250mm槳葉數(shù)設(shè)計為6片，葉端速度設(shè)計為4.0m/s（中度攪拌），則攪拌器的轉(zhuǎn)速為：n=1.50r/s為了消除可能出現(xiàn)的打旋現(xiàn)象，強化傳質(zhì)和傳熱，安裝6片寬度為0.25m的擋板，全擋板的條件判斷如下：()1.2nb=0.3790.35所以，符合全擋板條件7.2攪拌功率的計算由化工原理第三版上冊計算方法計算。由化工原理第二版上冊查得各物質(zhì)的黏度計算公式=ATBlg=A+B/(C-T) 物料 A B C 乙醇-5.5972-846.95-24.124 乙酸1.2106106-3.6612 乙酸乙酯-4.8721-452.07-3.4748各物料的黏度計算結(jié)

23、果如下乙醇=0.343mPa/s乙酸=0.465mPa/s乙酸乙酯=0.213mPa/s水=0.2838mPa/s （直接可查得）對于非締合液體混合物的黏度，可采用下式計算： lgm=Xilgi反應(yīng)之前: lgm1=lg0.465+lg0.343+lg0.2838 =-0.0410-0.1495-0.3036=-0.4941m1=0.321mPa/s反應(yīng)之后：lgm2=lg0.465+lg0.343+lg0.2838+lg0.213=-0.0252-0.1274-0.3332-0.0320=-0.5178m2=0.304mPa/s平均黏度 m=（m1+m2）/2=0.3125mPa/s雷諾準(zhǔn)數(shù)

24、Re=3.537106由于Re很大，處于湍流區(qū)，所以應(yīng)該安裝擋板以消除打旋現(xiàn)象。由壓力容器與過程設(shè)備查得，當(dāng)Re=3.537106時，NP=6.0則，攪拌功率為：P=NPn3d5=9.16KW10KW7.3攪拌軸直徑的設(shè)計7.3.1攪拌軸的選材與直徑的計算攪拌軸材料一般是經(jīng)過軋制或鍛造經(jīng)切削加工的碳素鋼或合金鋼，對于直徑較小的軸，可用圓鋼制造。本設(shè)計中軸不是很大，所以可以選用圓鋼制造的軸。奧氏體型不銹耐酸鋼有較高的抗晶間腐蝕能力，對一些有機酸和無機酸具有良好的耐腐蝕性能。本設(shè)計中的物料中有乙酸，因此攪拌軸的材料選用奧氏體型不銹耐酸鋼1Cr18Ni9Ti。電動機的功率P=10KW，攪拌軸的轉(zhuǎn)速n

25、=90r/min，材料選用1Cr18Ni9Ti，=25MPa，剪切彈性模量G=8.1104MPa，許用單位扭轉(zhuǎn)角=1o/m。外力矩： mNm=9.553103=955310/90=1061Nm利用截面法： MTmax=m=1061Nm由max=得WP1061/25=42440Nmm/MPa攪拌軸為實心軸，則抗扭截面模量為WP=0.2d342440d59.65 可取d=60mm7.3.2攪拌軸剛度的校核max=103IP=剛度校核必須滿足：max，即：d=52.60mm所以攪拌軸的直徑取d=60mm滿足要求。7.3.3攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速校核由于攪拌軸的轉(zhuǎn)速取n=90r/min200r/min，故可以

26、不作臨界轉(zhuǎn)速校核。八、反應(yīng)釜附件的選型與尺寸設(shè)計8.1原料液進料管已知原料液每小時處理量為Q0=2.888m3/h，要求原料要在15分今晚，所以則Q0=2.8884=11.552m3/h設(shè)進料速率為u=1.5m/s，則進口管的直徑為：d=0.052m=52mm圓整后取d=55mm因此選用764mm的無縫鋼管。8.2人孔及手孔為檢查壓力容器在使用過程中是否出現(xiàn)問題，以及方便清潔和維修，壓力容器常常開設(shè)人孔或手孔。由化工設(shè)備機械基礎(chǔ)查得開設(shè)人孔或手孔的相關(guān)規(guī)定如下：Di/mm檢查孔最少數(shù)量 人孔 手孔300Di500手孔2個圓孔75、長圓孔 7550500Di1000 Di1000 人孔1個，當(dāng)容器無法開人孔時：手孔2個 圓形400、長圓形：400250、380280圓孔100、長圓孔 10080 圓孔150、長圓孔 150100所以，可開設(shè)人孔1個或手孔2個，尺寸見上表。8.3支座夾套反應(yīng)釜采用立式安裝，采用耳式支座分為A型和B型兩種，此設(shè)備需要保溫110時選用B型。支座數(shù)設(shè)計為4個。8.4傳動裝置攪拌器有一定的轉(zhuǎn)速要求，這需電動機通過傳動裝置來實現(xiàn)。傳動裝置通常設(shè)置在反應(yīng)釜的頂部，采用立式布置。電動機經(jīng)減速機將轉(zhuǎn)速減到工藝要求的攪拌轉(zhuǎn)速，再通過聯(lián)動機帶動攪拌軸旋轉(zhuǎn)。減速機下設(shè)機座，以便按在反應(yīng)釜的封頭上。由于考慮到傳動裝置與軸封裝置安裝時要求保持一定的同心度