磺化反应 间歇釜式反应器设计.doc

精细化工工程课程设计萘磺化生产2-萘磺酸间歇式反应釜的设计班级：化学工程与工艺专业 精细化工方向07级一、设计条件1. 生产能力：4500吨 2-萘磺酸年。2. 原料和生产方法：萘含量为98%的工业萘，以98%的浓硫酸作为磺化剂进行磺化反应。（生产过程中还有1-萘磺酸产生，认真选好反应条件使萘的转化率高且副产物较少）二、设计说明书的内容1、标题页2、设计任务书3、目录4、设计方案简介对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。5、反应釜的工艺设计计算物料衡算、工艺参数的选定、设备结构的设计和工艺尺寸的计算。6、设计结果一览表7、后记及其它（对本设计的评述、对设计过程的总结）8、反应釜的工艺条件图9、参考文献三、设计图要求1、绘制反应釜工艺条件图一张，包括：设备图形、设备技术特性、设备组成一览表和标题栏。四、设计时注意事项1、对相关的数据进行正确的计算和校核；2、需查获资料的数据必须精确可靠；3、读图正确，构想主体模型；4、对构件的形式进行合理的选择；5、制图时比例适当，数据精确，符合要求。目 录1. 基本设计条件的确定-2. 物料衡算-3. 反应釜体的设计-3.1 反应釜体积的计算-3.2 反应釜尺寸的计算-4. 搅拌装置的设计-4.1 搅拌器的选择-4.2 搅拌器尺寸的计算-4.3 搅拌器的转速和功率计算-4.4 电机的功率计算和减速机的选择-5. 传热装置的设计-5.1 热量衡算-5.2 传热装置几何尺寸的计算-5.3 传热面积的校核-6. 设计参数一览表-7. 后记8.参考文献-9. 附图- 1. 基本设计条件的确定本次生产任务以萘含量为98%的工业萘为原料，以98%的浓硫酸作磺化剂，经查阅文献发现，生产中于160166磺化效果较佳。在生产过程中有1-萘磺酸的生成。采用加热的方法，可使不稳定的1-萘磺酸水解。在生产中生产时间为11.5小时。可使反应保持在一个较高的产率。故设置生产时间为2小时。保证足够的操作时间，设操作时间为2小时，生产周期为4小时，每天生产16次，以2次为一班，实现三班轮流生产。2. 物料衡算年生产4500吨2-萘磺酸，以萘含量为98%的工业萘，以98%的浓硫酸作为磺化剂进行磺化反应。酸萘比为1.11,加酸温度为150160,反应温度为160,反应2h。原料萘的转化率为94%，磺化产物为2-萘磺酸与1-萘磺酸，其含量比值为91.7%:8.3%。作出物料流程简图，确定计算范围。根据物料流程简图，可确定磺化的工序进行物料衡算。对间歇生产可确定计算基准为千克/天，则需要计算每天产量及原料投料量。其磺化反应式如下： G1 G 2 G 3 G4 G5每天产2-萘磺酸量：每天投料纯萘量：原料萘量：杂质：磺化物产量：2-萘磺酸：1-萘磺酸：消耗量：生成量：每天所需：98%投料量：中水量：9151.4-8153.1=183.0kg废酸中：8968.4-7663.9=1304.5kg废酸中：183.0+1408.1=1591.1kg废酸总质量：1304.5+1591.1=2895.6kg废酸中含量：45%废酸中含量：55%进料萘的体积： 进料酸的体积： 进料总体积：出料磺化物体积：出料废酸体积：出料总体积：磺化物料衡算表进料物料名称含量%折纯量 kg实际进料量质量kg体积工业萘98萘 10655.2kg杂质 217.5kg10872kg9.36硫酸 98 28968.4kg183.0kg9151.4kg5.09合计20023.4kg20023.4kg14.45出料物料名称含量%折纯量 kg实际进料量质量kg体积工业萘2-萘磺酸91.7%1-萘磺酸 8.3%14924.9kg1350.6kg16272.5kg9.36硫酸45% 55%1304.5kg1591.1kg2895.6kg5.09合计19168.1kg19168.1kg14.453. 反应釜体的设计3.1 反应釜体积的计算根据经验，装料系数一般取0.70.8之间，取=0.8。进料体积出料体积3.53.0,故生产中以出料体积为反应物体积。使用2个2的标准反应釜，作后备系数校核。后备系数14.2%在10%到20%之间，可作为生产的反应釜。故使用2个2的标准反应釜以足够。3.2 反应釜尺寸的计算查HGT 3109-2008 钢制机械搅拌容器型式及主要参数得2标准反应釜的尺寸如下：公称容积V=2，=1400mm，H=1040mm。封头选取椭圆型封头DN=1400mm，曲边高度， 直边高度， 。4. 搅拌装置的设计 4.1 搅拌器的选择在均相液体的混合中，此类体系对搅拌功能要求比较简单，以混合搅动功能为主，搅拌过程的主要控制因素是液体在反应器中的容积循环速率。湍流流动时最好加挡板。涡轮式搅拌浆具有较大的局部剪切作用和容积循环速率，所以对此类操作效果比较好。其中以直叶涡轮浆的前切作用最大，液滴分散程度最大。当搅拌转速很高时，容易产生漩涡，大大降低了液体内部的混合效果。为了增加液体的剪切作用，加强搅拌的激烈程度，常在釜体内靠近器壁的地方装上挡板。挡板的作用是可以避免液体在旋转的搅拌轴中心形成液体凹陷的漩涡现象，增大被搅拌液体的湍动程度，将切线流动转变为轴向和径向流动，改善搅拌效果。安装了挡板后，在较小的搅拌转速下，就可以达到湍流的状态。但安装挡板后，流动阻力增加，搅拌功率增加。本实验选择涡轮式，用六平片式涡轮。4.2 搅拌器尺寸的计算六平片式涡轮，轮径D/T1/4；叶轮距器底高度；叶片宽度W=1/10T；叶片长度L=1/4D；液深(液深是器径的0.983倍)；挡板数=4；。4.3 搅拌器的转速和功率计算搅拌器转速的确定搅拌叶轮的叶端速度 U=410m/sD/T=1/S2/S、D/W=58、转速 10300r/min设n=120根据公式 u=nDu=1203.141.460=8.8ms 在410m/s范围内搅拌器功率计算进料混合物的平均密度=212.1390100%=54.4%=d+1-c=0.5441.84+1-0.80.163=1.19g/cm3平均黏度计算=dc（1-）=0.880.5440.21（1-0.544）=0.45mPasRe=d2n=10400.52120600.4510-3=1.16106104Ps=KzN3d5=4.81040(12060)3(0.5)5=1248w由Re=1.15106，查开启式涡轮搅拌器的功率曲线图其中dD=13,LD=13,Bd=15,hD=1, Z=6,=45 得=4.0 又由=Np=psn3d5得s标=n3d5=41040(12060)30.55=1040w校正（1）叶轮直径与器径比NP(DT)-1.2PS(dD)-1.2PS拉PS=(0.51.413)-1.2PS校=1149w（2）叶片宽度PSBd0.30.4PS校pS校=（0.10.515）0.30.4pS校=1149w叶片数目，叶层深度等与标准相同，无需校核。故搅拌器的搅拌功率为1149w。4.4 电机的功率计算和减速机的选择4.4.1电机的功率Ps稳定条件下，搅拌器在不带附属装置的容器内运转的功率，W；mi同一种附件的个数；qi每一种附件的功率增加率。Pm填料函内的摩擦消耗功率，其值取决于填料函的结构；h传动装置的机械效率。搅拌轴密封所消耗的功率(Pm/KW),密封装置主要有填料密封和机械密封两种形式,当选用填料密封时Pm=10%15%Pa,选Pm=12%Pa,的范围为0.80.95,取0.80计算。 2.15 KW4.3.2减速机的选择由计算得出搅拌的公称输出轴转速为n=120r/min，配电机功率为P=2.15KW，查文献1表4-11，可选用二级齿轮减速机LC75。5. 传热装置的设计5.1 热量衡算热量衡算按照能量守恒定律，传热设备的热量衡算由下式计算： Q1物料带入设备的热量，kJQ2加热剂或者冷却剂传递的热量（加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“”），kJQ3过程的热效应(放热为“+”，吸热为“”，与热焓符号正好相反)，kJQ4离开设备物料带走的热量，kJQ5设备各部件所消耗的热量，kJQ6设备的热损失，kJQ3计算设计如下过程：则Q3=Qr+QpQP=q1+q2+q3首先计算QrQr为化学反应热，可通过萘和硫酸的磺化反应标准化学反应热求取。按化学方程式：以下用标准生成热法计算qr0：已知： qf萘（s）0=-78.5kJ/molqF萘（s）0=-19.1kJ/mol(熔化热)则qf萘（l）0=qf萘（s）0+qF萘（s）0=-78.5+-19.1=-97.5kJ/mol又知 qfH2SO40=-813.2kJ/molqfH2O（l）0=285.6kJ/mol萘磺酸标准生成热可按元素的标准燃烧热和萘磺酸的标准燃烧热进行计算，即qf萘磺酸0=ni（qa0）i-qc萘磺酸0其中元素的克原子燃烧热qa0可查表中数据。萘磺酸的标准热qc萘磺酸0可用qc0=109.07n+iki kJ/mol对萘磺酸： ,分子式为C10H8O3S燃烧热为：所以n=232=46Ar-SO3 1=-98,k1=1Ar-Ar 2=-27.2,k2=2则 qc萘磺酸0=109.0746-98-227.2=4856.7kJ/molqf萘磺酸0=10395.15+8143.15+30+1290.15-4856.7=530.15kJ/mol由以上的各物质标准生成热即可求算磺化反映的标准反应热，即qr0=（qf0)p-（qf0)R=qf萘磺酸0+qfH2o0-(qf萘0+qfH2SO40)=530.15+285.6-97.5+813.2=100.05kJ/mol则总反应热为Qr=GcM1103qr0=1342128103100.05=1.05106kJ计算Q：Q为浓度变化热，这里包含工业硫酸分离成参加反应的和剩余酸、剩余酸和生成及萘带入混合成稀硫酸等过程的热效应。以下分别进行各项计算：a.对工业硫酸分离成反应和余酸过程，即 98%硫酸100%反应+余酸经物料衡算有：在水中的积分溶解热可由博脱式计算，即（l）溶解于1kg水中生成一定浓度时所放出的热量。博脱式： 式中 s以含量计的硫酸浓度（质量百分率）； T溶解温度K； 溶解于水中生成配制酸的积分溶解热kj/kg 。溶解生成酸中百分率： 1-0.8=0.2 1-0.816=0.18 1-0.72=0.29由博脱式计算， b.对稀释过程稀释硫酸中百分率 1-0.37=0.63由博脱式计算 由以上计算各值可计算Q和Q Q= Q=384666.9+64486=4491529KJ物料预热的热量Q计算： Q= =2064977.76KJ物料带走热Q计算： Q= =1041440KJ计算热交换量Q： Q= Q- Q=1041440-4491529=-3450089KJ每小时热负荷=载热体的消耗量要达到等温操作，则载热体带出热量应等于热量衡算式中的Q2 对于间歇釜式反应器，在进行热量衡算时是以每天处理的物料量为基准，在计算传热面积时是以小时为基准。 cp-载热体的热容，kJ/(kg)-每天生产的次数， -反应时间，h夹套的冷却水入口温度20,出口温度50，冷却水的比热容Cp=4.174KJ/(kg.K) 故5.2 传热装置几何尺寸的计算5.2.1总传热系数K的确定反应器是进行化学反应的设备，化学反应过程常伴有放热或者吸热反应，为了维持最佳的反应温度，反应器中必须设置传热装置。一般的搅拌釜是在釜体的内部或外部设置供加热或冷却用的传热装置，通常为釜体外部夹套或釜内蛇管。夹套传热装置夹套一般由普通碳钢制备，它是套在反应器筒外能形成密封空间的容器，既简单又方便。为了强化传热，在夹套内常采用螺旋导流板。夹套筒器身的间距视容器公称直径的大小采用不同的数值，一般为25100 mm。夹套的高度取决于工艺要求的传热面积，但一般不能低于料液的高度，应比液面高度高出50100 mm，以保证传热。通常加套内的压力不能超过1000 kPa，夹套传热的优点是结构简单，耐腐蚀，适应性强。但是传热效率不太高。计算K值的基准面积，习惯上常用设备的外表面积Ao，当Ao/Ai2时近似按平壁计算，即AiAmAo。在计算给热系数a不考虑锅壁厚度的影响。式中 K总传热系数，w/m2 a-给热系数，w/m2； Rz-污垢热阻，m2/w； d-反应器壁厚，m； l-设备壁导热系数，w/m。. 釜侧的传热膜系数可采用如下的关联式求取。 D锅的直径，m流体的导热系数，W/（mK）n搅拌转速，s-1d搅拌浆直径，m流体密度，kg/m3，s流体及其器壁上的黏度Pas查文献4附表有磺化液的导热系数=0.17W/(m. ) ,由附图4知在反应温度下反应液的粘度=0.7 Pa.s. 则有以下计算 常数J、a、b、c的值与搅拌器型式、Res的范围、锅内有无挡板、反应锅几何形状等因素有关。由于本设计选取涡轮式搅拌器，有挡板，所以 J=0.74 a=0.67 b=0.33 c=0.14 即 其中=s 解得.夹套内的传热膜系数 由于磺化反应是放热反应，需冷却，故夹套内通的是冷水，则可采用如下的关联式：Re3600时： w/(m2k) 本夹套操作反应设置通冷却水的入口温度为20，出口为50，则定性温度是 （20+50）/2=35查文献4有夹套内水的物性数据是： u = 1m/s 夹套直径Dj =Di +100 =1400+200=100mm 所以故设置反应釜的壁厚为 反应釜的材料为铸铁，则有导热系数 取垢层阻力Rz=0.0002(井水) 则总传热系数有： 5.2.2 传热面积的计算 对于间歇釜式反应器，在进行热量衡算时是以每天处理的物料量为基准，在计算传热面积时是以小时为基准。 5.2.3夹套几何尺寸的计算夹套直径Dj的计算 Dj可根据罐体内径按表2-12推荐的数据选取。夹套封头根据夹套直径及所选封头形式按标准选取。表2-12夹套直径Dj与罐体直径Dj的关系（mm）Di500600700180020003000DjDi+50Di+100Di+200本反应釜的公称直径Di =1400mm，故 夹套直径Dj =Di +100 =1400+100=1500mm夹套高度Hj的计算主要决定于传热面积Ah的要求，且一般不低于液面高度，以保证充分传热。此时可按 Va工艺计算给定容积，m3V封头罐体下封头容积，m3V1m1m高筒体容积，m3装料系数，可取0.60.85（取装料系数）故取=0.7m，夹套筒体高度H=0.64+0.35+0.04=1.03m5.3 传热面积的校核查文献1附表4-1有反应釜时，有 故有 查附表4-2有所以 则换热装置只选用夹套就足够了。6. 设计参数一览表年生产量：4500吨/年反应物名称萘溶剂名称浓硫酸未反应液密度，kg/m1140磺化液的密度1441反应液比热容,2.1反应速度常数k,0.44反应液的粘0.7反应热75反应釜体积4釜径1400釜体高度1040搅拌器功率1.149 夹套筒体