化学反应工程课程设计.doc

学号0707020 院院 系 系 别别 化化 学学 与与 化化 工工 学学 院院 专业专业 应应 用用 化化 学学 年级班年级班 0707 级级 2 2 班班 姓名姓名 设计题目设计题目 3000t yMSDS3000t yMSDS 间歇釜式反应器设计间歇釜式反应器设计 指导老师指导老师 设计日期设计日期 20102010 年年 7 7 月月 宜宾学院宜宾学院 YIBIN UNIVERSITY 反应工程课程设计反应工程课程设计 反应器的设计说明书 第 1 页 共 42 页 化学与化工学院 制 第 1 页 共 42 页 摘要摘要 本文为 3000 吨 MSDS 间歇釜式搅拌反应器设计 通过热量和物料衡算大 致确定了 反应器的主体尺寸为 反应器体积 16 66 反应器尺寸高 3 m 2 9m 直径 2 8m 夹套尺寸直径 3 0m 高 1 4m 选用简单的生蒸汽加热和内 热管进行移热 采用电机带动搅拌 此次设计对反应釜的简单设计有着一定的 指导作用 关键字 关键字 间歇釜式反应器 夹套 搅拌器 物热衡算 Abstract This MSDS batch reactor for the 3 000 tons of reactor design mixing heat and material balance by roughly identified the main body of the reactor size reactor volume of 16 66 reactor size high 2 9m diameter 2 8m jacket size diameter 3 0m high 1 4m students use a simple tube steam heating and heat transfer heat stirring with motor drive The simple design of the reactor with some guidance 第 1 页 共 42 页 目录 一 绪论一 绪论 1 二 反应釜基本尺寸设计二 反应釜基本尺寸设计 1 1 物料物性基本参数 1 1 1 乙酸物性 1 1 2 乙醇物性 2 1 3 水的物性 2 1 4 乙酸乙酯的物性 2 2 反应体积的确定 2 3 反应釜体 DN PN 的确定 4 3 1 反应釜体DN的确定 4 3 2 反应釜体PN的确定 4 4 反应釜体筒体壁厚的确定 5 4 1 设计参数的确定 5 4 2 筒体壁厚的设计 5 5 反应釜体封头的设计 6 5 1 设计参数的确定 6 5 2 封头的壁厚的设计 6 6 筒体长度 H 的设计 7 三 三 反应反应釜夹套的设计反应反应釜夹套的设计 8 1 夹套的 DN PN 的确定 8 1 1 夹套PN的确定 8 1 2 夹套PN的确定 8 2 夹套筒体的设计 9 2 1 夹套筒体壁厚的设计 9 2 2 夹套筒体高度Hj的初步设计 9 3 夹套封头的设计 9 3 1 封头的选型 9 3 2 椭球形封头壁厚的设计 9 4 传热面积的校核 10 四 反应釜釜体及夹套的压力试验四 反应釜釜体及夹套的压力试验 11 1 反应釜体的压力试验 11 1 1 水压试验压力的确定 11 1 2 气压试验压力的确定 11 2 夹套的压力试验 12 2 1 液压试验压力的确定 12 2 2 气压试验压力的确定 12 五 反应反应釜附件的选型及尺寸设计五 反应反应釜附件的选型及尺寸设计 13 第 1 页 共 42 页 1 反应釜体法兰联接结构的设计 13 1 1法兰的设计 13 1 2法兰的结构和主要尺寸如下图如表5 1 13 2 密封面形式的选型 14 2 1 垫片的设计 14 2 2 螺栓 螺母和垫圈的尺寸规格 15 2 3 螺栓长度L的计算 15 2 4 法兰 垫片 螺栓 螺母 垫圈的材料 15 六 工艺接管及法兰设计六 工艺接管及法兰设计 16 1 工业接管设计 16 1 1 乙酸进口接管 16 1 2 水进口接管 16 1 3 乙醇进口接管 16 1 4 温度计接管 17 1 5 压力计接口 17 1 6 放料管 17 1 7 安全阀接管 18 1 8 夹套蒸汽管 18 1 9 视镜 18 1 10 冷却管接管 19 2 管法兰尺寸的设计 19 3 垫片尺寸及材质 20 4 固体物料进口的设计 20 5 视镜的选型 21 七 支座的选型及设计七 支座的选型及设计 22 1 支座的选型及尺寸的初步设计 22 1 1 反应反应釜总质量的估算 23 八 搅拌及传动装置的选型与尺寸设计八 搅拌及传动装置的选型与尺寸设计 23 1 搅拌装置的初步计算 23 1 1 搅拌装置设计 4 24 1 2 搅拌功率的计算 24 1 3搅拌轴直径的设计 4 25 2 搅拌轴临界转速校核计算 25 3 联轴器的型式及尺寸的设计 25 4 电动机及减速器的型号确定 26 5 机架的设计 26 6 底座的设计 26 7 反应反应釜的轴封装置设计 27 7 1 轴封的基本介绍 27 九 焊缝结构的设计九 焊缝结构的设计 27 1 反应釜体上主要焊缝结构的设计 27 第 1 页 共 42 页 2 夹套上的焊缝结构的设计 28 十 十 固体物料进口的开孔及补强计算固体物料进口的开孔及补强计算 29 1 封头开人孔后被削弱的金属面积 A 的计算 29 十一 热量衡算及物料部分衡算十一 热量衡算及物料部分衡算 29 1 工艺流程 29 2 物料衡算 30 3 能量衡算 30 4 各种物质在 100 是的焓值 31 4 1 每摩尔各种物值在不同条件下的Cpm值 31 4 2 每摩尔物质在100 下的焓值 32 4 3 总能量衡算 33 十二 反应釜釜体温度自动化控制系统十二 反应釜釜体温度自动化控制系统 34 1 反应特点 34 2 系统类型 34 十三 参考文献十三 参考文献 35 十四 后记十四 后记 36 十五 反应釜的设计附图十五 反应釜的设计附图 37 第 1 页 共 42 页 一 绪论一 绪论 化学反应工程是化学工程学科的一个分支 通常简称为反应工程 其内容 可以概括为两个方面 即反应动力学和反应器的设计和分析 反应动力学主要 研究化学反应进行的机理和速率 为了获得进行工业反应器的设计和操作所必 需的动力学知识 如反应模式 速率方程及反应活化能等等 动力学研究是必 不可少的 釜式反应器是工业上广泛应用的反应器之一 既可以用来进行均相反应 又可以用于多相反应 如气液 液固 液液及气液固等反应 在操作方式上 可以是连续操作 也可以间歇或半间歇操作 本设计为间歇反应器的设计 具 体设计情况如下 1 设计任务 设计题目 等温间歇反应釜式反应器的设计 设计任务 乙酸和乙醇进行酯化反应 其产量为 3 3 0 10 ty 设计内容 1 设计反应器的初始条件 2 物料 热量衡算 3 设备设计 4 设备辅助设备的设计 2 设计基本条件 反应方程式为 3253252 CH COOH AC H OH BCH COOC HRH O S 原料液中反应液的质量比为 反应液的密度为 121 35ABS 3 1020kg m 并假定在反应过程中不变 每批装料 卸料 清洗等辅助操作时间为 1 小时 反应在 100 喜爱等温操作 器反应速率方程为 10 1 AABRS rkc cc ck 其中在 100 时 平衡常数 乙酸的转 4 1 4 76 10 minkLmol 2 92K 化率为40 根据反应物料的特性 取反应器的填充系数为 f 0 75 二 反应釜基本尺寸设计二 反应釜基本尺寸设计 1 物料物性基本参数 1 1 乙酸物性 乙酸物性 熔点 16 7 沸点 118 1 相对密度 水 1 1 05 相对蒸气密 第 1 页 共 42 页 度 空气 1 2 07 饱和蒸气压 kPa 1 52 20 闪点 39 燃烧热 kJ mol 873 7 辛醇 水分配系数 KOW 0 31 0 17 沉积物 水分配系数 KOC 65 生物转化和降解系数 Kb 1E 7 爆炸极限 4 17 体积 1 2 乙醇物性 乙醇物性 密度 0 789 g cm 3 液熔点 114 3 C 158 8K 沸点 78 4 C 351 6K 在水中溶解时 pKa 15 9 黏度 1 200 cP 20 0 C 分子偶极矩 s mPa 5 64fC fm 1 69 D 折射率 1 3614 相对密度 水 1 0 79 相对饱和蒸气密 度 空气 1 1 59 饱和蒸气压 kPa 5 33 19 燃烧热 kJ mol 1365 5 临 界温度 243 1 临界压力 MPa 6 38 闪点 12 引燃温度 363 爆炸上限 V V 19 0 爆炸下限 V V 3 3 1 3 水的物性 水的物性 水的物性详细参见参考文献 1 附表进行选取不同温度下的水的相应物性 1 4 乙酸乙酯的物性 乙酸乙酯的物性 熔点 84 C lit 沸点 76 5 77 5 C lit 密度 0 902 g mL at 25 C lit 蒸气密度 3 20 C vs air 蒸气压 73 mm Hg 20 C 折射率 n20 D 1 3720 lit 闪点 26 F 水溶解性 80 g L 20 C 2 反应体积的确定 首先计算原料处理量 根据设计要求给定的乙酸乙酯产量 可计算出每小 时的乙酸需用量为 1 1 10000 13 53 88 24 0 35 m Q Mt Y Qkmol h 乙酸乙酯 式中 t 代表时间 h m 代表乙酸乙酯的生产量 kg Y 代表乙酸的转化率 由于原料液中乙酸 乙醇 水 1 2 1 35 则每 4 35kg 原料中含 1kg 乙酸 由此可以算出单位时间的原料液用量为 式中 60 为乙醇的相对分 3 1 2 4 3513 53 60 4 35 3 46 1020 QM Qmh 子质量 第 1 页 共 42 页 则原料液的起始组成如下 1 13 53 3 91 3 46 Ao o Q cmol L Q 通过乙酸的起始浓度和原料液中个组分的质量比 可求出乙醇和水的起始 浓度如下 60 23 91 60 2 10 20 4646 Ao Bo c cmol L 60 1 353 91 60 1 35 17 60 1818 Ao So c cmol L 根据速率方程与转化率的函数关系可知 1 AAoA ccX BBoAoA cccX BBoAoA cccX SSoAoA cccX 将上述四个方程带入速率方程得 22 1AAAAo rkabXcXc 其中 1 1 1 AoBo BoAoSoAo acc bcccc K cK 间歇反应器是一个封闭系统 与环境没有物质的交换 液无功的交换 所 以间歇反应可是为是等容过程 因此反应体积可视为常数 又因该反应为均 r V 相反应 所以反应时间为 10 0 Af X A Ao A dX tc 将带入 t 得反应时间 A r 2 10 2 2 2 1 1 42 1 ln 442 Af X AoAA Af Ao Af dX t k cabXcX bbac Xa k cbacbbac Xa 式中 10 2 3 912 61 1 10 2 3 91 17 60 3 91 2 921 2 61 1 545 15 1 1 2 920 66 a b c 将有关数据带入上式得 第 1 页 共 42 页 2 4 2 2 1 4 76 103 915 154 2 61 0 66 5 155 154 2 61 0 660 352 2 61 ln 5 155 154 2 61 0 660 352 2 61 118 86min t 间歇反应器的反应体积系根据单位时间的反应物料处理量及操作时间 o Q 来决定 因此可得 间歇反应器的反应体积 3 3 91118 86 60 111 66 roo VQttm 反应的实际体积为 3 11 66 16 66 0 7 r V Vm f 3 反应釜体DN PN的确定 3 1 反应釜体 反应釜体 DN 的确定的确定 将反应釜体视为筒体 取高径比 L D 1 0 由体积关系式 可知 结果 2 4 i VD L 33 44 16 66 2 77 1 01 0 3 14 i V Dm 不正确 圆整得 2800mm 3 2 反应釜体 反应釜体 PN 的确定的确定 反应釜体操作压力的确定应当考虑反应物料的在反应温度下的饱和蒸汽压 以及反应釜体的填装上段空气在反应温度下的压力 反应物料的饱和蒸汽压如下 水在操作温度 100 下的饱和蒸汽为 文献 1 15 页表 1 3 1 乙醇 100 对应的饱和蒸汽压为 1 101 33KPa 文献 1 15 页表 1 3 1 其他物质的蒸汽压 p Pa 可按下 1 222 48 KPa 式计算 文献 2 177 页表 4 9 2 lg B PAD Ct 式中 A B C 2 常数 第 1 页 共 42 页 T 温度 D 压力单位的换算因子 其值为 2 1249 则 lg 1416 7 lg7 188072 1249 211 100 lg4 75766 57234 7776557234 7857 23 B PAD Ct P P PPakPa 综合以上数据可以发现 乙醇在操作反应过程为气态 然而你对应的饱 和蒸汽压最大为 222 3kPa 针对于反应器上端的空气 在反应过程中可以假 想为乙醇形成的饱和气体 因此操作压力可大致取为 0 5 故 W p MPa 0 5 1 250 625PNMPa 4 反应釜体筒体壁厚的确定 4 1 设计参数的确定 设计参数的确定 设计压力 P 1 05 1 1 取 pp W p 1 1 1 1 0 5 0 55MPa p W p 设计温度 100 许用应力 根据本设计选材为 Q235 A 则你对应的物性参数如下 焊缝系 数 1 0 双面对接焊 100 无损探伤 设备材料的选择 本设计中 考虑到反应温度为 100 许用应力 根据材料 Q235 A 设计温度 t 3 120 文献 3 208 页附表 1 知 113 t MPa 钢板负偏差 0 8 1 C 1 C mm 腐蚀裕量 2 0 双面腐蚀 2 C 2 C mm 4 2 筒体壁厚的设计 筒体壁厚的设计 由公式 得 2 i dt pD C p 第 1 页 共 42 页 圆整后可得 12 2 0 55 2800 2 113 1 0 55 6 83 9 63mm i dt d pD C p C C CCC 则 圆整 前面假设的壁厚对应负偏差想吻合 故正确 10 d mm 根据设计材料的最小壁厚关系 可知材料 16MR 的 考虑筒体的 6 d mm 加工壁厚不小于 6mm 故筒体的壁厚取合理 10 d mm 5 反应釜体封头的设计 5 1 设计参数的确定 设计参数的确定 1 1 0 55 p W p MPa 2 0 55 2 8 1 1 0 0308 10 cL L PPPMPa PkgfcmMPa L 静压P 因此可以近似忽略 1 0 整板冲压 0 8 1 C mm 2 0 2 C mm 5 2 封头的壁厚的设计 封头的壁厚的设计 由公式 可知封头壁厚的确定如下 20 5 i dt pD C p 第 1 页 共 42 页 12 20 5 0 55 2800 2 113 1 0 55 0 5 6 82 2 00 81 8 9 62 i dt d pD C p C C CCC mm 故 圆整后取 10 d mm 同时根据设计参考 取封头壁厚与筒体壁厚一致即 10 d mm 校核反应反应釜体与封头水压实验强度 根据式 0 9 2 Tie Ts e PD 式中 10 2 8 7 2 1 25 0 550 6875 T PMPa e S n SC mm 文献 3 附表 1 235 s MPa 0 6875 7 2 2800 962 50 90 9 235211 5 2 7 2 1 0 Ts kPaMPa 水压试验满足强度要求 6 筒体长度H的设计 因 则 又因 12 V V V 12 V V V 11 V SH H V S则 式中 V 反应反应釜体总体积 筒体对应的体积 1 V 封头对应的体积 V 根据封头的大小为公称直径为 2800 则可知其对应体积为 3 18 则对 3 mm 应的高度 m 2 V V H S 2 4 2 20 3 14 2 8 m 16 66 3 18 圆整得 H 2200 mm 反应釜体高径比的复核 i L D 2 ii L DHhD 第 1 页 共 42 页 式中 H 筒体 2 h 封头的深度 2 h 根据不同反应物料情况 满足要求 32 1 2200 7002200 根据关系式 0 2818 1 01 2 2800 i D K D 所以该容器为薄壁容器 同时由于反应反应釜的反应内侧压力大于外部压 强 所以该容器为内压容器 反应反应釜的封头设计 图 1 1 反应釜体封头的结构与尺寸 表 1 1 反应釜体封头的尺寸 mmDi mmH mmho mm 28007005010 三 三 反应反应釜夹套的设计反应反应釜夹套的设计 1 夹套的DN PN的确定 1 1 夹套 夹套 PN 的确定的确定 由夹套的筒体内径与反应釜体筒体内径之间的关系可知 2800 200 3000 故取 3000mm 200 ji DD mmDN 1 2 夹套 夹套 PN 的确定的确定 由设备设计条件单知 夹套内介质为饱和蒸汽 因此其对应的工作压力为 第 1 页 共 42 页 水蒸气的饱和蒸汽压 取 0 11 PNMPa 2 夹套筒体的设计 2 1 夹套筒体壁厚的设计 夹套筒体壁厚的设计 因为为 0 11 0 3 所以需要根据刚度条件设计筒体的最小壁 W p MPaMPa 厚 因 3000 3800 取min 2 1000 且不小于 7 另加 j D mmmm i D mm2 C 故min 7 2 9 同时考虑钢材的负偏差 圆整 10 mmn mm 对于碳钢制造的筒体壁厚取 10 n mm 2 2 夹套筒体高度 夹套筒体高度 Hj的初步设计的初步设计 2 1 11 663 18 1 38 0 785 2 8 4 hh j i VVVV Hm V D 式中 填料系数 操作容积 V 下封头所包含的容积 h V 圆整后 H 筒 1400mm 3 夹套封头的设计 3 1 封头的选型 封头的选型 夹套的下封头选标准椭球型 内径与筒体相同 3000 夹套的上 j D mm 封头选带折边锥形封头 且半锥角 45 3 2 椭球形封头壁厚的设计 椭球形封头壁厚的设计 因为为 0 11 0 3 所以需要根据刚度条件设计封头的最小壁 W p MPaMPa 厚 第 1 页 共 42 页 因 1400 3800 取min 2 1000 且不小于 7 另加 j D mmmm i D mm2 C 故min 7 2 9 同时考虑钢材的负偏差 圆整 10 对于碳钢 mmn mm 制造的封头壁厚取 10 n mm 3 3 带折边锥形封头壁厚的设计 考虑到封头的大端与夹套筒体对焊 小端与反应釜体筒体角焊 因此取封 头的壁厚与夹套筒体的壁厚一致 即 10 由于封头过渡部分与锥体部 n mm 分受力情况不同 分两部分计算 过渡部分 K 0 68 f 0 554 o 30 I DR15 0 1 mmC P DKP c t ic n 6 88 2 55 0 5 08 01132 280055 0 68 0 5 02 锥体部分 mmC P DfP c t ic n 73 4 55 0 5 08 01132 280055 0 554 0 5 02 故 mm 圆整 33 1373 4 6 8 n mm n 14 故在设备的设计制造过程中为消除边缘应力的影响使设备的自身性能更加 稳定 故对与夹套的设计厚度统一取为 14mm 4 传热面积的校核 2800mm 反应釜体下封头的内表面积 8 91 DNh F 2 m 2800mm 筒体 1高 的内表面积 8 802 DNm1 F m 夹套包围筒体的表面积 8 80 1 38 12 1442 S F 1 F j H m 8 91 12 144 21 054 h F S F 2 m 由于反应釜内进行的反应是酯化反应 对与反应前期需要对反应进行加热 但是对于酯化反应自身的特点属于放热反应 当反应发生以后反应产生的热量 不仅能够维持反应的不断进行 且会引起反应釜内温度升高 因本设计中为一 个恒温反应 为此为防止反应釜内温度过高 在反应釜体的上方设置了冷凝器 进行换热 因此不需要进行传热面积的校核 如果反应釜内进行的反应是吸热 反应 则需进行传热面积的校核 即 将 21 0542 与工艺需要的传 h F S F m 热面积进行比较 若 则不需要在反应釜内另设置蛇管 反之则 F h F S F F 需要蛇管 第 1 页 共 42 页 四 反应釜釜体及夹套的压力试验四 反应釜釜体及夹套的压力试验 由于在本设计中 反应反应釜在恒温环境下进行 为此需要设计夹套进行 保温 故对于反应反应釜自身而言均受到了外压和内压 因此需要进行内压和 外压的压力校核 1 反应釜体的压力试验 1 1 水压试验压力的确定 水压试验压力的确定 水压试验的压力 文献 3 且不小于 0 1 3 1 25 T t pp p MPa 式中 试验压力 T p 压力试验温度下的材料许用应力 MPa 设计温度下的材料许用应力 MPa t 查 0 0 1 1 t MPaPT6875 0 0 15 01 125 1 p 0 65 取 0 69 MPaT p MPa 液压试验的强度校核 由 得 0 9 2 Tin TS n pDC C T MPa51 134 0 18 2102 8 2102800 69 0 0 9 0 9 235 211 5 s MPa 故0 故应是外界向系统供热 3 Q hKJ 第 1 页 共 42 页 十二 反应釜釜体温度自动化控制系统十二 反应釜釜体温度自动化控制系统 1 反应特点 本设计为一个间歇反应釜式反应器 在此反应过程中反应温度应维持在 100 由于反应过程为乙酸和乙醇在催化剂的作用下进行酯化反应生成乙酸乙 酯 在乙酸乙酯的生产过程中温度对其的影响较为严重 当温度高于一定温度 后由于有机反应非常复杂 会伴随大量副反应发生 因而大大影响反应的最终 转化率和最终反应生产物质的纯度以致影响生产的生产效益 与此同时 当温 度较低时 酯化反应较难发生或反应维持在一个相对于较低的转化率下进行 从而大大延长反应时间 提高生产成本 而对于生产无实际意义 为此对反应器中反应温度的控制显得尤为重要 在反应的初期为了引发反 应的发生 需要对反应物料进行加热以达到反应对应的设计温度 伴随反应的 渐渐进行 酯化反应自身会放出热量 而对于反应器常常为封闭式的 同时由 于反应温度需要维持在 100 设计中选用了夹套保温 因此反应放出的热量 就会蓄积于反应器中使反应体系温度升高 对于反应器就需要对其进行反应热 的输送和换热 然而对于换热介质的流量控制将直接影响到反应热的输送量进 而直接关系到反应体系的温度变化 对于人工控制难度较大同时也存在相当长 的滞后时间从而使反应器的温度控制始终滞后很长一段时间 间歇反应器的操作常为反应物一批或几批进料 对于一锅已经投好料的反 应反应釜 使它正常反应的操作 就在于根据反应的温度 压力等及时调节夹 套中冷却剂的量和温度 对于本色设计中的间歇反应反应釜 干扰仅来自投入 的物料情况和反应釜外的冷却情况 而物料投入后 其干扰客观存在 因此及 时发现和克服反应釜外干扰 根据反应釜内温度和压力参数 调节冷却剂量或 温度 是间歇反应反应釜自动调节的基本方面 2 系统类型 在反应器的设计中选取复杂控制系统中的串级控制系统 将反应反应釜内 的温度作为主变量 将夹套的温度作为副变量 对于反应器夹套的温度在一定 程度上既反映反应反应釜温又反映冷却剂的用量同时还反应温度的变化 选用 两个温度控制器即主控制器和副控制器 基本的系统控制图如下 第 1 页 共 42 页 对于反应器的控制中 对于参数的控制室最为关键的 所以及时发现温度 的变化就至关重要了 为了减少资源的使用 同时将资源的合理分配以达到较 高的自动化控制 常有以下方式将副回路与主回路间具有较强的内在联系 使 系统的主要干扰包含在副回路内 在允许的情况下 使副回路尽量的包含更多 的次要干扰 最后在选择副变量时应使副变量