苯化反应生产基苯间歇式反应釜的设计

1、课程设计任务书设计题目：苯硝化反应生产硝基苯间歇式反应釜的设计设计条件1、生产能力：1000吨年硝基苯。2、原料：苯含量为99%的工业苯；硝化剂为由硝酸、硫酸和水组成的混酸，其质量分数分别为20%、59.6%和20.4%。其中硝基苯产率为理论量的98%。目录1. 基本设计条件的选定-（3）1.1反应温度的确定-（3）1.2 反应器的选择-（3）1.3搅拌装置的选择-（3）1.4 换热装置的选择-（3）2. 反应釜体的设计-（4）2.1 工艺条件的确定-（4）2.2 反应釜体积的计算-（8） 物料衡算-（8） 反应釜的体积-（9） 反应釜体尺寸的设计-（9）夹套传热面积的计算及校核-(10)3.

2、 夹套的设计-（11）3.1 热量衡算-（11）4. 搅拌装置的设计-（15）4.1 搅拌器的尺寸计算-（15）4.2搅拌器的转速和功率计- (15)4.3夹套传热面积的计算-（16）5. 附表-（19）6. 参考文献-（21）7. 附图-（另附）1.基本设计条件的选定1.1反应温度的确定设定: 物料的进料温度为45, 出口温度为55夹套中水的进口温度为-10,出口温度为-51.2 反应器的选择苯的硝化是一个强放热反应，而且在以混酸作硝化剂时，混酸中的硫酸被反应生成水稀释而放出大量热量，其热量相当于反应热的7.5-10%，苯在硝化时总的热效应约为-134.0kJ/mol。这样大的热量如不及时移

3、出，势必会使反应温度迅速上升，不仅会引起多硝化、氧化等副反应，使产品质量变坏，同时还会发生硝酸分解，产生大量红棕色二氧化氮气体，污染周围环境，严重时甚至会发生爆炸事故。因此采取有效的冷却方式及时移出反应热是维持一定硝化温度、保持反应正常进行的重要条件。此外,本实验产量小.因此,选用夹套式间歇反应釜1.3搅拌装置的选择搅拌器的作用是使釜内物料混合均匀。搅拌器的类型很多，分为推进式、桨式、涡轮式、锚式、框式、螺杆式、螺带式等，搅拌器选型时，主要考虑 （1）保证从反应器壁或浸入式热交换装置到反应混合物能有高的给热系数。 （2）具有显著的搅拌效果，特别是对多相反应。 （3）搅拌所消耗的能量应尽可能小。

4、搅拌器结构的确定按标准构型搅拌装置考虑。由于本设计中的混合液为不互溶的硝化反应液,常采用径向涡轮式搅拌器;当搅拌器置于容器中心时搅拌粘度不高的液体时,液体易形成旋窝,为了改善搅拌效果,消除打旋,则在器内设挡板.涡轮式搅拌器直径小,转速高,产生循环量大反应釜的传动装置的选择 1、电动机的基本特性及选用通常电动机与减速机配套供应，设计时可根据反应器应配电机功率、转速、安装形式及防爆要求，选择电动机及配套的减速机。电动机基本特性见表电动机基本特性分 类系列名称特 点用途及使用范围使用条件及工作方式安装型式一般异步电动机J2、JO2系列小型三相异步电动机J2型能防止水滴或其它杂物在垂直方向落入电机内部

5、。JO2型能防止灰尘，铁屑或其他杂质侵入电机内部。运行可靠，寿命长，使用维护方便，性能优良，体积小，重量轻，转动惯量小，用料省适用于拖动在起动性能，调速性能及转差率均无特殊的一般机械，JO2可适用于灰尘较多，水土飞溅的地方1.环境温度不超过+402.海拔不超过1000米a.额定电压380V，3千伏以下为Y接法，其他均为D接法b.额定频率：50Hz c.工作方式：连续使用有D2，T2，D2/T2，L3等四种 JO3系列三相异步电动机其结构能阻止机座内外空气自由交换，但不完全密封.采用新兴电磁材料及优质绝缘材料，较JO2系列体积缩小37%，重量减轻22%适用于对转差率无特殊要求的机械拖动，也可用于

6、起动静止负荷或惯性负荷比较大的机械上额定电压：>4KW为220V(D接法)，<4KW为220/520V(D/Y接法)有D2，T2，D2/T2，L3等四种JO2-F系列化工防腐用异步电动机 具有JO2特点，相宜采取了防腐密封措施 腐蚀气体含量：NH3200mg/m3SO2160mg/m3H2S50mg/m3CL2200mg/m3NH3200mg/m3HCL100mg/m3氮的氧化物40mg/m3在氮肥，氯碱系统中化工厂的腐蚀环境中使用空气温度不超过+40空气相对湿度£95有酸雾，碱雾，腐蚀性粉尘，凝露等外型及安装尺寸与JO2同JO2-W系列户外用电动机对于潮气，霉菌，盐雾，

7、雨水，雪，日辐射，风沙，严寒(-40)等气候有防护作用能在一般户外的环境下进行工作，不需加任何附加防护措施环境温度：-40+40有D2，T2，D2/T2，L3等四种防爆异步电动机AJO2、BJO2、BJO2Q系列防爆三相异步电动机结构与特点与JO2相似，适当加固以防爆。AJO2为防爆安全型，BJO2为隔爆型，BJO2Q为高启动转矩隔爆型适用于具有爆炸危险性混合物的场所与JO2系列相同，可连续使用有D2，T2，D2/T2，L3等四种 注：当选用AJO2或BJO2系列电动机时，应分别在标定符号前加“A”或“B”字，用JO2系列时不加标记。根据上表电动机采用AJO2型防爆异步电动机减速装置的选择目前

8、我国已颁布的标准釜用立式减速机，有摆线针齿行星减速机、两级齿轮减速机、三角皮带减速机和谐波减速机四种。釜用立式搅拌机减速机外形及尺寸可查标准HG5-745-747-78釜用立式减速机的基本特性特 性减 速 机 类 型谐波减速机摆线针齿行星减速机两级齿轮减速机三角带减速机减速比范围359908791165.634.532.9输出轴转速范围（rpm）41616160125250320500功率范围0.613 kW0.630 kW0.630 kW0.65.5 kW效率（%）> 0.830.90.96主要特点本机为利用行星轮为柔轮的少齿差内啮合的大速比的新型机械传动，与其它型式啮合相比，具有结构

9、简单，体积小，重量轻，速比大，承载能力高，运转平稳，封闭性能好本机为利用少齿差内啮合行星传动的减速装置，故减速比大，传动效率高，结构紧凑，装拆方便，寿命长，承载能力高，工作平稳，重量轻，体积小，故障少，有取代涡轮减速机的趋向。本机为两级同中心距并流式斜齿轮减速传动装置，传动比准确，寿命长。在相同速比范围内，较之于其它传动来说，具有体积小，效率高，制造成本低，结构简单，装配检修方便等。本机为单级三角皮带传动的减速装置，结构简单，过载时会产生打滑现象，因此能起到安全保护作用，但由于皮带滑动不能保持精确的传动比。特性参数柔轮分度圆直径电动功率、机型号、减速比中心距三角皮带型号及根数应用条件不需多级传

10、动而用于转速极低的搅拌传动装置，可用于有防爆要求的场合对过载和冲击载荷有较弱承载能力，可短期过载75%，起动转矩为额定转矩的2倍，允许反正旋转，可用于有防爆要求的场合，与电动机直连供应，可依轴承载寿命来计算容许的轴向力，本机要求采用夹壳式联轴节（HG521365）允许反正旋转，可采用夹壳式联轴节（HG521365）或弹性块式联轴节（HG574378）与搅拌轴联接，不许承外加轴向载荷或允许轴向力小的场合， 可用于有防爆要求的场合，与电机直连供应允许反正旋转，本系列采用夹壳式联轴节（HG521365）与搅拌轴联接，搅拌器及轴的重量均由本机轴承承受，本机不能用于有防爆要求的场合。标定符号XB分度圆公

11、称直径顺序号BLD型号代号机型号减速比轴头型号LC中心距顺序号，输出轴结构或P三角皮带型号、三角皮带根数顺序号标准图号HG574478HG574578HG574678HG574778根据上表选择两级齿轮减速机型号为A-LC100-12-型 换热装置的选择苯的硝化是一个强放热反应，而且在以混酸作硝化剂时，混酸中的硫酸被反应生成水稀释而放出大量热量，苯在这样大的热量如不及时移出，势必会使反应温度迅速上升，不仅会引起多硝化、氧化等副反应，使产品质量变坏，同时还会发生硝酸分解，产生大量红棕色二氧化氮气体，污染周围环境，严重时甚至会发生爆炸事故。因此采取有效的冷却方式及时移出反应热是维持一定硝化温度、保

12、持反应正常进行的重要条件.因此,就要用夹套式换热器,且要求传热效率高的,因而选用铸铁制成的夹套式换热器.2. 反应釜体积的计算2.1工艺条件的确定 反应釜中反应液的流动属于全混流硝化反应的动力学方程，根据反应条件而异。如在浓硫酸中用适量硝酸硝化许多芳香族化合物时，反应为二级，实验动力学方程式为（2）。 r=kC6H6HNO3 （2）2.2反应釜的设计 物料衡算以昼夜生产能力为基准：按年开工数为330天计，每昼夜生产硝基苯的量为：10000003603030 Kg化学反应式： 78 63 123 18 99x m1 3030 /98% m2消耗的工业苯：x1980Kg 纯苯：1980×

13、991960 Kg硝酸理论消耗量: m1=1960×（63/78）1580Kg生成水的量: m2=1960×18/78=452Kg 在实际生产中每加入500Kg工业苯消耗的混酸2020Kg， 其中 H2SO4占59.6，硝酸占20，水占20.4。 混酸总量：500/1980=2020/a a=8000 Kg 物料总量：800019809980 Kg 混酸中硫酸的量：8000×59.64770 Kg 混酸中硝酸的量：8000×20 1600Kg混酸中水的量： 8000×20.41630 Kg 反应后剩下的硝酸的量：1600158020 Kg 反应

14、后水的总量：16304522082 Kg 废酸总量：47702020826872 Kg 苯的体积：V11980/0.879=2252.6(L) 混酸的体积：V28000/1.55333.3(L) V总进料V1+V2=5333.3+2252.6=7585.2L=7.585 m3 反应后混合物的体积： V=6820 L 反应釜的体积取反应操作时间：6h 每天可以完成4次操作V总进料>V出料故反应釜的体积Va7.585/41.895 m3 填充系数取V=1.895/0.75=2527反应釜的体积 圆整为2.5m3 V总进料/Vp7.585/（2.5×0.75）4.045 24/6=4

15、次设备台数：mp= / =4.045/4=1.0113 安装台数：m取两台 设备后备系数：（m-mp）/mp = (2-1.0113)/1.0113 =97.8% 反应釜体尺寸的设计反应釜Va3.0m3 取长径比iHi / Di 1.3（表42 化工设备机械基础课程设计指导书 P32）反应釜直径Di=1.36 m圆整至公称直径系列Di=1500mm，标准椭圆型封头取相同的直径查封头附表4-2:H封=375 直边高h1=40mm,内表面积A=2.6275m2筒体高度：当DN=1500mm，从表165中查得标准椭圆封头容积Vh=0.5125m3 从表163中查得筒体每1m高得容积V1m1.76m3

16、/m筒体高估算为：H=1.29m取H1.4m，于是=0.94实际容积: V=V1m*H+V封=1.76*1.400+0.5125=2.9765M3夹套传热面积的计算夹套类型的选择 夹套类型有整体夹套、半圆管夹套、型钢夹套和蜂窝夹套。通常整体夹套的压力不能超过1MP ，否则将会因罐体及夹套壁厚太大，增加制造的困难。当反应器直径较大或采用的传热介质压力较高时，可采用后三种类型，这样不但能提高传热介质的流速，改善传热效果，而且能提高筒体承受内、外压的强度和刚度，各种夹套的使用范围见下表：夹套类型温度，0C压力MPa整体夹套3500.6半圆管夹套2801.06.4型钢夹套2250.62.5蜂窝夹套25

17、02.54.0因为我们选用的是50常压的反应条件因此我们采用:整体夹套夹套直径Dj及高度Hj计算 （1）夹套直径Dj的计算： Dj可根据罐体内径按下表推荐的数据选取。 表210夹套直径Dj与罐体直径Dj的关系（mm）Di500600700180020003000DjDi+50Di+100Di+200所以我组夹套的直径为: Dj= Di+100=1600(mm)（2）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。此时可按下式估算： V封罐体下封头容积，m3 装料系数，可取0.60.85取=0.75 圆整得H2 = 1000 mm查化工设备机械基础课程

18、设计指导书附表4-2得到: 封头表面积F1封=2.9761m2查化工设备机械基础课程设计指导书附表4-1得到:1m高筒体内表面积: F1m= 4.715所以:实际总传热面积 F = 4.715×1+2.9761 = 7.691m23.夹套的设计3.1热量衡算热平衡式 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6式中 Q1进料带入设备虽的热量,KJ Q2换热剂(水)传递的热量,KJ Q3化学过程的反应热与伴随的溶解蒸发等物理化学过程放出或吸入热量的总和,KJ Q4产物从设备中带出的热量,KJ Q5消耗向周围散失的热量,KJQ6设备向周围散失的热量,KJQr浓度发生变化热,KJQp化学反应热,KJ

19、假设(由经验得知): Q5+Q6=15%基准温度为45则 热量平衡式可写成 计算.1硝基苯物质Cp的计算(用Missenard法估算其Cp,其结构式, 从表37中,获得基团数值,计算其Cp如下:Cp=CpC6H5+CpNO2=113+64.9=177.9KJ/(k mol ).2 废酸中的Cp用手册查得: 所以废酸Cp=1.78×0.29%+1.42×69.41%+4.187×30.30%=2.259kJ/(kg.) 所以 计算Q3 (Q3=Qr+Qp).1计算Qr(其中qr0在条件中可知道苯在硝化时总的热效应, qr0=-134.0 kJ/mol).2 Qp的计

20、算按物料衡算数据,用式(3-17)、(3-18)、(3-19)进行计算在25下: G混酸=8000Kg qd混=304.65 kJ/(kg混酸) G废酸=6872Kg qd废=228.9 kJ/(kg废酸) G硝酸=1580Kg qd硝酸=242.96kJ/(kg硝酸)qd计算如下: 在原混酸中：所以 在废酸中：同理可得废酸 在硝酸中： 注：其中 S,N,W分别表示硫酸、硝酸及水在混酸中的百分质量由盖斯定律得：Qp=G混qd混- G硝qd硝- G废qd废=8000×-1580×242.96-6872×=5.8X105所以Q3=Qr+Qp=3.46×106

21、+5.8×105=4.144×106kJ3.1.3热负荷Q2的计算每小时热负荷:冷冻盐水消耗量计算:每日冷冻盐水用量:=1.832×105kg每小时冷冻盐水用量:=9.16×103kg3.1.5传热面积的计算A求得k=373.13(算法后附)因为 校核传热面积当DN=1600mm时,从表16-5,16-3查得封头内表面积Fh=2.976筒体1m高的内表面积F1m=4.715则实际总传热面积 F = 4.715×1+2.9761 = 7.691m2所以F=7.691>A=7.658,则该反应釜可以满足反应条件4.搅拌装置的设计4.1搅拌器的

22、尺寸计算因为选用涡轮式搅拌器,查化工设备机械基础设备第二版中的表18-5可知:搅拌器的直径: d=1/3*DN=1/3×1500=500mm 搅拌桨叶宽:b=0.15mm叶轮距槽底高度:C=0.5m桨叶数:6为了消除可能的打旋现象,强化传热和传质,安装6块宽度为(1/10)D,即0.15m的挡板,全挡板条件判断如下: 由于0.378>0.35,因此符合全挡板条件4.2搅拌器的转速和功率计算转速的确定:根据选定的桨式搅拌器来选定, 查化工设备机械基础设备第二版中的表18-5可知:,且物料粘度不是太高，通常转速在80120转/分则: 转速n=2.5转/秒电机的功率的计算采用永田进治

23、公式法计算R=545>300F=根据已知条件,图中曲线6是全挡板六片平直叶圆盘涡轮式搅拌器的功率曲线.从图上读得湍流区全挡板曲线的延长线与层流区的全挡板曲线的延长线的交点对应的雷诺数Re=14.0六片平直叶涡轮桨叶的宽度b=0.5,桨叶数z=6b/D=0.1/1.5=0.0667d/D=0.5/1.5=0.333H/D=1sin=1.0A=14+()670(-0.6)+185=14+0.0667×670×(0.333-0.5)+185=27.59B=10=10=1.48P=1.1+4()-2.5(-0.5)-7() =1.1+40.0667-2.5(0.333-0.5

24、)-70.0667=1.3N=+B()(sin) =+1.48 =3.43N= Nnd=3.43=8822.87W4.3夹套传热面积的计算搅拌反应釜侧给热系数,可采用如下的关联式求取 D反应釜的直径，m流体的导热系数，W/（m·K）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Pa·s 反应釜内物料的物性参数据为:=1.5×103kg/m3kJ/(kg.)D=1.5md=0.5mn=180/60=2.5因为300<Res<4×105,所以可用式(147)计算:夹套侧冷却水对流传热系数 计算时忽略V项计算流速u查

25、物性手册得定性温度(45+55)/2=50比热容C=3.0KJ/(kg )导热系数=0.57W/(m)密度=1228kg/m粘度=1.1PS需要移出的热量:Q=1.27+8822.87=135822.87冷却水的质量流率:m=4.53夹套中水的流速u= D=4E=4D=1.35R=P= 设已知铸铁锅的壁厚 设垢厚阻力去Rz=0.0004 （井水）因此总热阻R0.00268 K=373w/()5.附图筒体几何尺寸步骤项目及代号参数及结果备 注1-1全容积V, m32.5由工艺条件给定1-2操作容积V1 , m31.875由工艺条件给定1-3传热面积F, m27.658由工艺条件给定1-4釜体形式圆筒形常用结构1-5封头形式椭圆行常用结构1-6长径比i = H1 / D11.3按表4-2选取1-7初算筒体内径D1 , m1.36按式4-1计算1-8圆整筒体内径D1 ,mm1.50按附表4-1选取1-9一米高的容积V1m , m31.76按附表4-1选取1-10釜体封头容积V1封 ，m30.5125按附表4-2选取1-11釜体高度H1 = ( V V1封) / V1m , m1.29按式4-2计算1-1