年产吨乙酸乙酯的反应器的设计.doc

河南城建学院化学化工系 反应工程 课 程 设 计 说 明 书指导教师： 李 晓 艳 学生姓名： 班级学号： 2012年5月 28 日至6月8日目 录 一、设计任务书3二、概述6三、工艺设计计算.71设计依据72. 设计方案 .73. 设计计算.73.1间歇反应釜的生产计算.7 3.2连续反应釜的生产计算.9 3.3热量的衡算. .12四、设备设计与选型.171.反应釜及夹套的设计计算.172.搅拌器的设计.183.夹套式反应釜附属装置的确定.21五、总结24六、参考文献25 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（2000+学号100）吨乙酸乙酯的反应器的设计 二、设计条件1、 生产规模：5800 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：60%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：乙醇=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、设计目的和要求通过课程设计，要求更加熟悉工程设计基本内容 ，掌握化学反应器设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力、独立工作和创新能力。 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=519.66 = 98.3kmol/h3.1.1.4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=5759.00.01= 57.59，即可算其物质的量流量f硫酸=57.59 /98=0.593.1.1.5 总物料量流量：f= fa0+f乙醇+ f硫酸= 19.66+ 98.3+0.59=118.55 kmol/h表1 物料进料量表 .名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h19.6698.30.593.1.2 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%，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3个，每釜体积v=3.19 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 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=4320.10.01=43.21，即可算其物质的量流量f硫酸=43.21/98=0.44表2 物料进料量表 .名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h14.7573.750.44 3.2.1.5 总物料量流量：f= 14.75+73.75+0.44=86.94 3.2.2 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=2.240.75=2.99。故采用一条的生产线生产即可，即两釜串联，反应器的体积v0，故应是外界向系统供热。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=1.0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= 25 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 1.45m 取 h = 1450 mm 则 h/di = 1450/16001.0 选取椭圆封头，其公称直径为1600mm，曲面高度为400mm，直边高度为25mm，容积为0.587 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 = 1100 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：400mm，直边高度：25mm1.3.7 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 总 结 经过接近两周