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化学反应工程课 程 设 计题 目 名 称 乙酸乙酯的反应器设计 课 程 名 称 化学反应工程课程设计 学 生 姓 名 学 号李兴洪 201313413120 陈发佳 201313413121余仕刚 201313413118 袁映钦 201313413123白进利 201313413139 年 级 专 业 13级化学工程与工艺 指 导 教 师 陈菓 2015 年 12月 20 日目 录一、设计任务书1二、概述4三、工艺设计计算.51设计依据.52. 设计方案 . 53. 设计计算. 53.1间歇反应釜的生产计算. 5 3.2连续反应釜的生产计算.6四、设备设计与选型.101.反应釜及夹套的设计计算.102.搅拌器的设计.123.夹套式反应釜附属装置的确定.13五、参考文献.16六、总结.17七、致谢.18八、附工程图纸.19化学工程与工艺专业化学反应工程课程设计任务书一、设计项目年产10000吨乙酸乙酯的反应器的设计 二、设计条件1、 生产规模:10000 吨/年2、 生产时间:连续生产8000小时/年,间隙生产6000小时/年3、 物料损耗:按5%计算4、 乙酸的转化率:59%三、反应条件反应在等温下进行,反应温度为80,以少量浓硫酸为催化剂,硫酸量为总物料量的1%,当乙醇过量时,其动力学方程为:- rA=kCA2。A为乙酸,建议采用配比为乙酸:丁醇=1:5(摩尔比),反应物料密度为0。85/l,反应速度常数k为15.00/(kmol.min)四、设计要求 1、 设计方案比较 对所有的设计方案进行比较,最后确定本次设计的设计方案。 2、反应部分的流程设计(画出反应部分的流程图) 3、反应器的工艺设计计算生产线数,反应器个数,单个反应器体积。 4、搅拌器的设计对搅拌器进行选型和设计计算。 5、画出反应器的装配图图面应包括设备的主要工艺尺寸,技术特性表和接管表。 6、设计计算说明书内容 设计任务书; 目录; 设计方案比较; 工艺流程图设计; 反应器的设计 搅拌器的设计; 设备装配图;设计总结; 参考资料。7、绘制主要设备的装配图。 用A1图纸绘制主要设备装配图(图面应包括设备主视图、局部视图等,并配备明细表、管口表、技术性能表、技术要求等),要求采用CAD制图。 指导老师:陈菓2015年12月20日 概 述此次课程设计,是结合化学反应工程这门课程的内容及特点所进行的一次模拟设计。它结合实际进行计算,对我们理解理论知识有很大的帮助。同时,通过做课程设计,我们不仅熟练了所给课题的设计计算,而且通过分析课题、查阅资料、方案比较等一系列相关运作,让我们对工艺设计有了初步的设计基础。在设计过程中解决所遇难题,对我们养成独立思考、态度严整的工作作风有极大的帮助,并为我们以后从事这个行业做好铺垫。酯化反应是有机工业中较成熟的一个工艺。尽管现在研制出不同的催化剂合成新工艺,但设计以硫酸作为催化剂的传统工艺是很有必要的。酯化反应器设计的基本要求是满足传质和传热要求。因此需要设计搅拌器。另外,反应器要有足够的机械强度,抗腐蚀能力;结构要合理,便于制造、安装和检修;经济上要合理,设备全寿命期的总投资要少。夹套式反应釜具有以下特点:1、温度容易控制。2、浓度容易控制。3、传质和传热良好。4、设备使用寿命长。产品乙酸乙酯简介: 无色澄清液体,有强烈的醚似的气味,清灵、微带果香的酒香,易扩散,不持久。分子量 88.11,沸点:77.2 ,微溶于水,溶于醇、醚等多数有机溶剂.通过给定设计的主要工艺参数和条件,综合系统地应用化工理论及化工计算知识,完成对反应釜的工艺设计和设备设计。 工艺设计计算1. 设计依据乙酸乙酯生产设计任务书2. 设计方案对于乙酸乙酯的生产既可以采用间歇式生产,也可以采用连续式生产。本次设计将根据自己的生产规模计算,对设计方案进行比较,得出合理的工艺设计流程。3. 工艺计算及方案选择3.1 间歇釜进料3.1.1 流量的计算3.1.1.1 乙酸乙酯的产量化学反应方程式:乙酸乙酯的相对分子质量为88,所以要求的生产流量为F酯=3.1.1.2 乙酸的流量乙酸采用工业二级品(含量98%),乙酸与乙酸乙酯的物质的量比为1:1,乙酸的转化率%,物料损失以5%计, 则乙酸的进料量 FA0= 3.1.1.3 乙醇的流量乙醇与乙酸的摩尔配比为5:1,则乙醇的进料量为F乙醇=534048=172.4kmol/h3.1.1.4 总物料量流量:F= FA0+F乙醇=34048+ 172.4=206.88 kmol/h3.1.1.5 硫酸的流量:总物料的质量流量如下计算,W总=FAMA+F乙M乙+W硫酸=因硫酸为总流量的1%,则W硫酸=10100.30.01=101.00,即可算其物质的量流量F硫酸=101.0/98=1.030表1 物料进料量表 .名称乙酸丁醇浓硫酸流量kmol/h25.87129.350.7743.1.2 反应体积及反应时间计算当乙醇过量时,可视为对乙酸浓度为二级的反应,其反应速率方程(A为乙酸)当反应温度为80,催化剂为硫酸时,反应速率常数k=15.00=0.9m3/(kmol.h)因为乙醇大大过量,反应混合物密度视为恒定,等于0.85kg/L当乙酸转化率59=x%,由间歇釜反应有: 根据经验取非生产时间,则反应体积 因装料系数为0.75,故实际体积 要求每釜体积小于5m3 则间歇釜需4个,每釜体积V=4.12 m3圆整,取实际体积。 3.2 连续性进料的计算3.2.1 流量的计算3.2.1.1 乙酸乙酯的产量化学反应方程式:乙酸乙酯的相对分子质量为88,所以要求的生产流量为F酯=3.2.1.2 乙酸的流量乙酸采用工业二级品(含量98%),乙酸与乙酸丁酯的物质的量比为1:1,乙酸的转化率%,物料损失以5%计, 则乙酸的进料量 FA0 = 3.2.1.3 乙醇的流量乙醇与乙酸的摩尔配比为5:1,则丁醇的进料量为 3.2.1.4 总物料量流量:F=3.2.1.5 硫酸的流量:总物料的质量流量如下计算, W总=FAMA+F乙M乙+W硫酸=因硫酸为总流量的1%,则W硫酸=7578.10.01=75.78,即可算其物质的量流量F硫酸=75.78/98=0.774表2 物料进料量表 .名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h25.87129.350.7753.2.2 反应体积及反应时间计算当乙醇过量时,可视为对乙酸浓度为二级的反应,其反应速率方程(A为乙酸)当反应温度为80,催化剂为硫酸时,反应速率常数k=15因为乙醇大大过量,反应混合物密度视为恒定,等于0.85。因硫酸少量,忽略其影响, 对于连续式生产,若采用两釜串联,系统为定态流动,且对恒容系统,不变,不变 若采用两釜等温操作,则代数解得 所以 装料系数为0.75,故实际体积V=3.90.75=5.2。故采用一条的生产线生产即可,即两釜串联,反应器的体积V5.5,3.2.3 反应时间:连续性反应时间 3.3 设计方案的选择 经上述计算可知,间歇釜进料需要4.5m3反应釜3个,而连续性进料需2个4m3反应釜。根据间歇性和连续性反应特征比较,间歇进料需2条生产线,连续性需1条生产线。虽然,间歇生产的检测控制等装备就比连续性生产成本高,所耗费的人力物力大于连续生产,但该课题年产量少,选择间歇生产比连续生产要优越许多。故而,本次设计将根据两釜串联的的间歇性生产线进行,并以此设计其设备和工艺流程图。附:表3. 物料物性参数1名称密度(100oC)熔点/oC沸点/oC黏度/mPa.s百分含量乙酸1.04516.71180.4598%乙醇0.810-114.178.30.5298%乙酸乙酯0.894-83.677.20.2598%表4.乙酸规格质量1:GB1628-79 一级二级外观 铂钴30号,透明液体无悬浮物KMnO4试验/min 5.0乙酸含量/%99.098.0甲酸含量/%0.150.35乙醛含量/%0.050.10蒸发残渣/%0.020.03重金属(以Pb计)/%0.00020.0005铁含量/%0.00020.00054、工艺流程图 根据设计方案由CAD作出其反应流程图如下 图为反应过程的工艺流程图设备设计与选型1反应釜体及夹套的设计计算1.1 筒体和封头的几何参数的确定1.1.1 筒体和封头的型式 选择圆筒体,椭圆形封头。1.1.2 筒体和封头的直径反应物料为液夜相类型,由表H/Di=1.01.4 考虑容器不是很大,故可取H/Di=1.1由式 Di= = 反应釜内径的估算值应圆整到公称直径DN系列,故可取1600 mm 。封头取相同内径,其直边高度ho由附表123 初选ho=40 mm 。1.1.3 确定筒体高度H 当 Dg=1600 mm ,ho= 40 mm 时,由附表123可查得椭圆形封头的容积为 V封 =0.617 m 查得筒体1米高的容积V1米=2.014 m3 1.68m 取 H = 1680 mm 则 H/Di = 1680/16001.1 选取椭圆封头,其公称直径为1600mm,曲面高度为400mm,直边高度为40mm,容积为0.617 m31.1.4 夹套直径、高度的确定 根据筒体的内径标准,经计算查取,选取DN=1800的夹套。夹套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径 。夹套高度H2: ,式中为装料系数, = 0.75 ,代入上式: 取:H2 = 1200 mm 。1.2釜体及夹套厚度的计算1.2.1设备材料 根据设备的工作条件,可选择Q235A作为釜体及夹套材料,由附表62查得所选材料许用应力为:100 = 113 MPa1.3 设备的壁厚计算1.3.1 釜体筒体壁厚计算1.3.2 内压设计计算根据工作条件,可选取P=0.2MPa为设计内压。 根据式(10-12)2筒体的设计厚度: 3.8mm 式中:d 圆筒设计厚度,mm ;Di 圆筒内径 ,mm ;P 内压设计压力,MPa ; 焊接接头系数,考虑到夹套的焊接取0.8(表10-92);C2 腐蚀裕量,取 2 mm ;t材料许用应力:100 = 113 MPa 。考虑到钢板负偏差,初选C1 = 0.6 mm (表10-101)。 所以,内压计算筒体壁厚:3.8 + 0.6 = 4.4mm1.3.3 外压设计计算按承受0.25MPa 的外压设计设筒体的设计壁厚 = 7 mm ,并决定L/Do ;Do/ 之值:Do筒体外径,Do = Di + 2d =1600 +27 =1614 mm;L 筒体计算长度,L = H2 +h = 1400+400 =1533 mm (h为封头的曲面高度),则:L/Do = 0.95,Do/ = 230,由图10-152查得A = 0.00045,由图10-172差得 B = 65 MPa ,则许用外压为:P = = = 0.28 MPa0.25 MPa 。可见, = 7 mm 满足0.25 MPa 外压稳定要求,考虑壁厚附加量C = C1 + C2 = 0.6 + 2 = 2.6 mm 后,筒体壁厚 n = + C = 7 +2.6 = 9.6 mm ,圆整到标准钢板规格,n 取 10 mm 。综合外压与内压的设计计算,釜体的筒体壁厚为10mm,经计算校核,满足设备安全要求。1.3.4 釜体封头壁厚计算按内压计算:S封 = P = 0.2MPa, Di = 1600mm, = 0.8, t = 113Mpa, C = 0.6+2 = 2.6mm,代入得 S封= 4.4mm.因为釜体的筒体S筒釜= 10mm,考虑到封头与筒体的焊接方便,取封头与筒体厚S封头= 10mm经采用图解法外压校核,由于PPT ,外压稳定安全,故用S封筒= 10 mm。 1.3.5 夹套筒体壁厚设计计算根据式(10-12)2 筒体的设计厚度: d =+ C2 =+ 2 4.5 mm 考虑到钢板负偏差,初选C1 = 0.6 mm 故夹套筒体的厚度为4.5+0.6 = 5.1mm,圆整到标准系列取6 mm。经校核,设备稳定安全。1.3.6 夹套封头壁厚设计与选择S封夹= S封夹=+2.6 5.1 mm.圆整到规格钢板厚度,S封夹 = 6mm,与夹套筒体的壁厚相同,这样便于焊接。经校核,设备稳定安全符合要求。据附表122可查取到夹套封头尺寸: 公称直径:1800mm,曲面高度:450mm,直边高度:40mm1.3.7 反应釜设计参数表4 夹套反应釜的相关参数项目釜 体夹 套公称直径DN/mm16001800公称压力PN/MPa0.20.25高度/mm16801200筒体壁厚/mm106封头壁厚/mm1062、搅拌器设计2.1 搅拌器的形式选择 根据工作条件,由于物料的黏度不大,考虑到物料的流动、搅拌目的及转速要求,选择搅拌器的形式为:双叶螺旋桨式,桨叶直径为800 mm。2.1.1 搅拌器转速n:根据相关的工艺经验数据,选择n = 100 rpm2.1.2 传动功率P:搅拌的雷诺数Re 则:(KT可查取表3-91)2.1.3 电机功率本设计中考虑传动效率为90%,则: P电 = P/0.9 = 1.3/0.9 = 1.44KW2.1.4 减速器的选择 根据以上计算,并查取文献,选用BLD1.5-2-29Q型减速器,其出轴转速为100rpm,适用。2.1.5 电动机的选择 选用电动机的型号为:JO2-22-12.2搅拌轴直径的设计计算2.2.1 搅拌轴材料:选用Q235-A,选取其=16MPa (为轴材料的许用切应力,单位:MPa,对于Q235-A,取1220MPa)2.2.2 搅拌轴强度计算圆整,取d = 40 mm2.2.3 搅拌轴刚度计算(式中为轴的许用扭转角(/m),对于一般的传动,可取0.51.0(/m),本设计中物料黏度不大,取为0.7)经计算比较,轴径为40mm 满足强度、刚度要求,故选择搅拌轴径为40 mm 。3.夹套式反应釜附属装置的确定支座的选定:(以下参考书3)3.1.1因发应釜需外加保温,故选B型悬挂式支座3.1.2 反应釜总重 Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4式中:Q1筒体与夹套筒体总重Q2封头与夹套封头总重Q3料液重,按水压试验时充满水计Q4附件重,人孔重900N,其它接管和保温层按1000N计故: Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 12357 + 4690 + 53057 + 1900 = 72004N按两个支座承载计,每个支座承载36002N由表11-62 选:支座B4 JB/T 4735-923.2 人孔C:选用长圆型回转盖快开人孔 人孔PN0.6,400300 JB 579-79-13.3 接管及其法兰选择3.3.1 水蒸气进口管:1084,L=200mm,10号钢 法兰:PN0.6 DN100 HG 20592-973.3.2 冷却水出口管:573.5,L=150 mm,无缝钢管 法兰:PN0.6 DN50 HG 20592-973.3.3 进料管: 3.3.3 1乙酸进料管 管径根据管子规格圆整选用的无缝钢管,L=150mm法兰:PN0.25 DN25 HG 20592-973.3.3.2乙醇醇进料管 管径 根据管子规格圆整选用的无缝钢管,L=200mm法兰:PN0.25 DN50 HG 20592-973.3.3.3 浓硫酸进料管 管径根据管子规格圆整选用的无缝钢管,L=100mm法兰:PN0.25 DN10 HG 20592-973.33.4 出料管:出料总质量流量 因密度,则体积流量为 由表1-14得,因进料黏度低,选取管道中流速则管径根据规格选取573.5的无缝钢管。 法兰:PN0.6 DN50 HG 20592-973.3.35 温度计接管:452.5,L=100mm,无缝钢管 法兰:PN0.25 DN40 HG 20592-973.3.36 不凝气体排出管:323.5,L=100 mm,无缝钢管 法兰:PN0.6 DN25 HG 20592-973.33.7 压料管:573.5,L=200 mm,无缝钢管 法兰:PN0.25 DN50 HG 20592-973.3.38 压料管套管:1084,L=200 mm,10号钢 法兰:PN0.25 DN100 HG 20592-97参考文献:1陈甘棠主编化学反应工程第三版化学工业出版社,20092陈国桓主编化工机械基础第二版. 化学工业出版社,20073周大军、揭嘉主编.化工工艺制图.化学工业出版社,20054实用化学手册科学出版社5姚玉英主编化工原理修订版.天津科学技术出版社,20066印永嘉等主编物理化学简明教程.第四版高等教育出版社,2007总 结这次课程设计,经过三周时间,已经基本完成。在这次课程设计中遇到的难题,自己也通过各种学习途径有了解决。看到这份设计书能在预期内顺利完成,真的感到十分欣慰。同时,也享有付出就有收获的喜悦。我相

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