年产5005t乙酸乙酯间隙釜式反应器的设计课程设计

1、武昌理工学院课程设计说明书生命科学学院所属课程 化学反应工程 设计题目 年产5005t乙酸乙酯间隙釜式反应器的设计 摘 要本选题为年产量为年产5005t的反应器的设计。通过分别对连续釜式反应器和间隙釜式反应器的体积计算，和综合其他因素，得出最佳的反应器-间隙釜式反应器。 由物料衡算、热量衡算，得出反应器体积为、换热量为。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高3350mm，直径3000mm；夹套的特征尺寸为高2570mm，内径为3200mm。还对塔体等进行了辅助设备设计，换热则是通过夹套与内冷管共同作用完成。搅拌器的形式为圆盘式搅拌器，搅拌轴直径75mm。乙酸乙酯是重要的化工原料，可用作纺织工业

2、的清洗剂和天然香料的萃取剂，也是制药工业和有机合成的重要原料。它的产量，代表着一个国家生产水平的高低。合成乙酸乙酯对合成其他物质起到抛砖引玉的作用。对此次的程序设计，乙酸乙酯采用的是酯化反应在此基础上绘制了间歇釜式反应器的设备图，和整体工艺的工艺流程图。关键字：间歇釜式反应器; 工艺流程图；物料衡算; 热量衡算; 壁厚设计Abstract The design for the annual output of reactor with an annual output of 5005t this topic. Based on the continuous stirred tank react

3、or and gap reactor volume calculation, and other factors, the reactor - gap reactor best. From the material balance, heat balance, the reactor volume of 8.08 cubic meters, heat transfer for the 6.5106 kJ per hour. The results showed that the characteristics of equipment design, size of the reactor f

4、or high 3350mm, diameter 3000mm; feature size jacket for high 2570mm, 3200mm diameter. Also on the tower body of the auxiliary equipment design, heat transfer is through the jacket and the inner cooling pipe joint action completed. A form for disc type stirrer, the stirring shaft diameter 75mm. Ethy

5、l acetate is an important chemical raw material, extraction agent can be used as textile industrial cleaning agents and natural spices, but also an important raw material for pharmaceutical industry and organic synthesis. Its production, represents a countrys production level. Synthesis of ethyl ace

6、tate to play the role of other synthetic materials. Program design of this, ethyl acetate is used in esterification reaction. Esterification is a relatively mature technology of organic industry. Although now developed a new catalyst for the synthesis of different processes, but the design with sulf

7、uric acid as catalyst in the traditional process is very necessary. Because the reactor should have sufficient mechanical strength, corrosion resistance, the curriculum design is jacketed reactor. The main process parameters given design and conditions, comprehensive and systematic application of ch

8、emical theory and calculation of chemical engineering knowledge, to complete the process design and equipment for reactor. On the basis of drawing the batch reactor equipment diagram, process flow diagram and the overall process.Keywords: batch reactor; process flow diagram; material balance; heat b

9、alance; the design of wall thickness前 言摘 要IAbstractII前 言III第1章 课程设计任务书1第2章 概 述3第 3 章 工艺设计计算43.1 设计依据43.2. 设计方案43.3 工艺计算及方案选择43.3.1 间歇釜进料43.1.2 乙酸乙酯的产量43.1.3 乙酸的流量43.1.4 乙醇的流量53.1.5 反应体积及反应时间计算53.2 连续性进料的计算6 乙酸的流量6 乙醇的流量63.2.6 反应体积及反应时间计算73.3 设计方案的选择8第4章 热量核算94.1工艺流程94.2物料衡算94.3能量衡算9热量衡算总式9每摩尔各种物值在不同

10、条件下的值10各种气象物质的参数如下表11每摩尔物质在100下的焓值11总能量衡算124.4换热设计13水蒸气的用量134.5传热面积校核14第 5 章 设备设计与选型155.1 反应釜体及夹套的设计计算15筒体和封头的几何参数的确定155.1.3 筒体和封头的直径155.1.4 确定筒体高度H15夹套直径、高度的确定165.2釜体及夹套厚度的计算16设备材料165.1.2 设备的壁厚计算165.1.3 釜体筒体壁厚计算165.1.4 内压设计计算165.1.5 外压设计计算175.1.6 釜体封头壁厚计算175.1.7 夹套筒体壁厚设计计算18夹套封头壁厚设计与选择185.1.9 反应釜设计

11、参数195.2 搅拌器设计195.2.1 搅拌器的形式选择195.2.4 电机功率195.2.5 减速器的选择205.2.6 电动机的选择205.3搅拌轴直径的设计计算20 搅拌轴强度计算205.3.3 搅拌轴刚度计算205.4夹套式反应釜附属装置的确定21 接管及其法兰选择21第6章反应釜釜体及夹套的压力试验246.1釜体的水压试验24水压试验压力的确定24水压试验的强度校核24压力表的量程、水温24水压试验的操作过程246.2夹套的液压试验25水压试验压力的确定25水压试验的强度校核25压力表的量程、水温25水压试验的操作过程25第7章 支座的选择26第8章 工艺流程图27参考文献27附

12、录28总 结30致 谢31第1章 课程设计任务书一、设计项目年产5005吨乙酸乙酯的反应器的设计 二、设计条件1、 生产规模：（5000+学号） 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：（50+学号）%（110号）；（40+学号）%（1120号）（30+学号）%（2130号）；（20+学号）%（3140号）（10+学号）%（4150号）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

13、（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、设计要求制主要设备装指导老师：薛永萍，刘阳2013年12月23日第2章 概 述第 3 章 工艺设计计算3.1 设计依据3.2. 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。3.3 工艺计算及方案选择3.3.1 间歇釜进料3.1.2 乙酸乙酯的产量3.1.3 乙酸的流量3.1.4 乙醇的流量3.1.5 反应体积及反应时间计算圆整，取实际体积。3.2 连续性进料的计算 乙酸乙酯的产量 乙酸的流量 乙醇的

14、流量 总物料量流量3.2.5 硫酸的流量3.2.6 反应体积及反应时间计算故采用一条的生产线生产即可，即两釜串联，3.2.7 反应时间3.3 设计方案的选择第4章 热量核算4.1工艺流程反应釜的简单工艺流程图4.2物料衡算根据乙酸的每小时进料量为，在根据它的转化率和反应物的初始质量比算出各种物质的进料和出料量，具体结果如下表：物质进料出料乙酸18.59.805乙醇92.549.03乙酸乙酯08.695水71.0280.494.3能量衡算热量衡算总式式中：进入反应器无用的能量， ：化学反应热，：供给或移走的热量，有外界向系统供热为正，有系统向外界移去热量为负，：离开反应器物料的热量，每摩尔各种物

15、值在不同条件下的值对于气象物质，它的气相热容与温度的函数由下面这个公式计算：各种液相物质的热容参数如下表：液相物质的热容参数物质AB102C104D106乙醇59.34236.358-12.1641.8030乙酸-18.944109.71-28.9212.9275乙酸乙酯155.942.3697-1.99760.4592水92.053-3.9953-2.11030.53469由于乙醇和乙酸乙酯的沸点为78.5和77.2，所以：(1) 乙醇的值同理：(2) 乙酸乙酯的值(3) 水的值(3) 乙酸的值各种气象物质的参数如下表气相物质的热容参数4物质AB103C105D108E1011乙醇4.396

16、0.6285.546-7.0242.685乙酸乙酯10.228-14.94813.033-15.7365.999(1) 乙醇的值(2) 乙酸乙酯的值每摩尔物质在100下的焓值(1) 每摩尔水的焓值同理：(3) 每摩尔的乙醇的焓值(4) 每摩尔乙酸的焓值(5) 每摩尔乙酸乙酯的焓值 总能量衡算（1）的计算物质进料出料乙酸18.59.805乙醇92.549.03乙酸乙酯08.695水71.0280.49（2）的计算（3）的计算因为： 即：-+=求得：=26991140，故应是外界向系统供热。4.4换热设计换热采用夹套加热，设夹套内的过热水蒸气由140降到110，温差为30。水蒸气的用量忽略热损失，

17、则水的用量为 M=1023.61kg/h4.5传热面积校核由于反应釜内进行的反应是放热反应，产生的热量不仅能够维持反应的不短进行，且会引起反应釜内的温度升高。为防止反应釜内温度过高，在反应釜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是吸热反应，则需进行传热面积的校核。 第 5 章 设备设计与选型5.1 反应釜体及夹套的设计计算筒体和封头的几何参数的确定5.1.2 筒体和封头的型式5.1.3 筒体和封头的直径5.1.4 确定筒体高度H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

18、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 m3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 。5.2釜体及夹套厚度的计算设备材料 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 MPa 设备的壁厚计算 釜体筒体壁厚计算 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

19、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 = 4.4mm 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

20、 = 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。 釜

21、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。 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

22、安全。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：40mm 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/mm1065.2 搅拌器设计5.2.1 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

23、形式为：双叶螺旋桨式，桨叶直径为800 mm。 搅拌器转速n：根据相关的工艺经验数据，选择n = 100 rpm传动功率P：搅拌的雷诺数Re 则：（KT可查取表3-91） 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 = 1.44KW 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。 电动机的选择 选用电动机的型号为：JO2-22-15.3搅拌轴直径的设计计算 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） 搅拌轴强

24、度计算圆整，取d = 40 mm 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 。5.4夹套式反应釜附属装置的确定支座的选定5.4.2 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 = 72

25、004N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 4735-92 人孔C 接管及其法兰选择 水蒸气进口管5.4.6 冷却水出口管 进料管 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 20592-97第6章反应釜釜体及夹套的压力试验6.1釜体的水压试验水压试验压力的确定水压试验的强度校核16MnR的屈服极限由所以水压强度足够压力表的量程、水温压力表的最大量程：P表=2=20.55=1.1或1.5PT P表4PT 即0.825MPa P表

26、2.2水温5 水压试验的操作过程操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.55，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.44，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。6.2夹套的液压试验水压试验压力的确定且不的小于（p+0.1）=0.35MPa所以取水压试验的强度校核Q235B的屈服极限由所以水压强度足够压力表的量程、水温压力表的最大量程：P表=2=20.35=0.7或1.5PT P表4PT 即0.

27、525MPa P表1.4水温5 水压试验的操作过程操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.35，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.275，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。第7章 支座的选择 查化工简明设计手册6：内径为3000mm，厚度为8mm的16MnR的釜筒体一米重593Kg内径为3200mm，厚度为8mm的Q235B的夹套筒体一米重632kg内径为3000mm，厚度为8mm的1

28、6MnR的釜的封头一米重约为550Kg内径为3200mm，厚度为14mm的Q235B的夹套封头一米重1270Kg其中筒体的高度为3.9m 则： =5933.35=1987Kg =5502=1100Kg =102022.013=22453.2Kg =2.57632+12702=4164.2Kg =1978+1100+22453.2+4164.2=29695.4Kg由于还有电动机等一些其他设配的重量为500Kg,则m总=30200Kg=302KN选用三个耳式支座，则一个支座为100.7KN,选用支座本体允许载荷Q为150KN的B型耳式支座，高度为400mm，支座质量为51.8Kg.由于反应釜在室内

29、，所以风载荷可以忽略，为了计算方便，我们把地震载荷也忽略。 式中，n为支座的数量 所以选择的支座本体允许载荷Q为150KN的B型耳式支座合9第8章 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 参考文献附 录主要符号一览表：V反应釜的体积t反应时间反应物A的起始浓度反应物的B起始浓度反应物S的起始浓度f反应器的填充系数反应釜的内径反应器筒体的高度封头的高度P操作压力Pc设计压力取焊缝系数t钢板的许用应力C1钢板的负偏差C2钢板的腐蚀裕量S筒壁的计算厚度筒壁的设计厚度筒壁的名义厚度反应器夹套筒体的高度V封头的体积水压试验压力夹套的内径乙酸的用量单位时间的处理量 总 结此之课程设计，历经两周时间，已基本完成。在此设计中遇到的难题，自己也通过各种学习之途径有了