化工原理课程设计样本(反应釜,醋酸丁酯合成)

1、环境工程原理与化工设备课程设计题目 醋酸丁酯合成反应釜设计班级化学与化工院08级4班设计 者王人生、毛鑫学号 080704008、080704007目录1.设计任务书32.设计方案43.反应釜优化设计54.反应釜优化设计计算55.设计计算结果总表226.参考文献247.课程设计心得252醋酸丁酯合成反应釜设计任务书一、设计题目醋酸丁酯合成反应釜设计二、设计条件1处理量：26000 （吨 / 年）2反应温度 135 （）3. 操作条件：间接蒸汽加热；塔顶压强： 0.27MPa（绝对压强）进料状况：两管同时进料，一管为乙酸，另一管为正丁醇。均由泵从塔底输送至进料口。设计任务1. 设计方案的确定：包

2、括反应釜型的选择及操作条件的确定等；2. 画出带控制点的生产工艺流程图；3. 有关工艺计算：物料的衡算，能量衡算算、反应时间，加料所需的流体输送机械、管道的选择。4. 釜体的结构型式（釜体形状，上下封头形状，封头与釜体的连接形式） ；釜体和封头的材料；5. 釜体的直径和高度；6. 釜体壁厚设计，封头壁厚设计，釜体压力试验校核；7. 反应釜夹套型式及和釜体的连接形式；8. 夹套尺寸设计；9. 夹套壁厚设计及压力试验校核；10. 夹套进气管的结构；11. 釜体容器及接管等法兰的设计，选型（材料、密封面的形式、垫片设计。螺栓螺母设计选型）；312. 进出料管口、工艺接管口与仪表接管口形式；13. 人

3、孔设计；14. 开孔补强设计；15. 搅拌器的选型及搅拌轴材料选择，搅拌轴轴径设计、刚度校核，长度设计；16. 反应釜电机及减速器的选型，联轴器的选用，支架和底座的选用；17. 反应釜的轴封选用。18. 画出釜的装配图（ A1号图）设计方案反应釜选择不锈钢 0Cr13 材料（ GB4237），因为反应物有轻微腐蚀性；反应釜为带有搅拌轴的夹套式反应釜， 搅拌装置为闭式弯叶涡轮式， 夹套采用整体式夹套。操作条件：间接蒸汽加热；塔顶压强： 0.27MPa（绝对压强）进料状况：两管同时进料，一管为乙酸，另一管为正丁醇。均由泵从塔底输送至进料口。工艺流程图4反应釜优化设计计算一流程的确定正丁醇和乙酸溶液

4、在常温下用泵送入反应釜。反应釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。工艺流程图见图二物料衡算1. 查阅文献，整理有关物性数据乙酸：理化性质相对密度（水为 1.00 ）：1.049凝固点 ( ):16.7沸点（）：粘度 (Pa.s) ：20时蒸气压（ KPa）：1.5外观及气味：无色液体，有刺鼻的醋味。溶解性：能溶于水、乙醇、乙醚、四氯化碳及甘油等有机溶剂。材料：稀释后对金属有强烈腐蚀性， 316和318不锈钢及铝可作良好的结构材料。正丁醇分子量 : 74.12熔 点: -88.9 沸点： 117.25相对密度 : d(20,4)=0.8098；蒸汽压 : 35 ( 蒸汽压： 0.8

5、2kPa/25 )溶解性 :微溶于水，溶于乙醇 、醚多数有机溶剂稳定性 :稳定外观与性状 : 无色透明液体，具有特殊气味危险标记 : 7(易燃液体 )用 途 :用于制取酯类、 塑料增塑剂、医药、喷漆，以及用作溶剂无色液体，有酒味 .燃烧热 (kJ/mol): 2673.2临界温度 ( ): 287临界压力 (MPa): 4.90饱和蒸气压 : 0.82(25 )闪点 :35 ( 闭口 ) ，40( 开口)粘度 )5乙酸正丁酯：分子量： 116.16 。FEMA： 2174 。CAS：123-86-4。密度： 0.8764熔点（）： -77.9沸点（）： .1闪点（）： 22（闭杯）折射率： 1

6、.3907 （19）色状：无色液体。溶解情况： 溶于醇、醚、醛等有机溶剂，溶于180 份水。2. 反应常数确定：ra3 .9 10 8 exp(73 .4) C a C bRT所以 K3 . 9 10 8 exp(73 .4)RTT=408.15K计算得出 k=0.157423. 反应时间：由资料知道，要反映进行尽量完全， 需要醇过量，所以不考虑价格制约因素。我们取醇酸摩尔比为1:1.2 ，求得质量比为1:1.48.这个反应釜设计要搅拌，所以物料填充系数取 0.75 ，而反应转化率查资料得在135条件和以 HZSM-5为催化剂条件下转化率可以达到 0.93.加完反应物以后，反应釜中混合物密度：

7、 (60 1.2 74 ) /( 60 / 1049 1.274 / 809 .8) =892.09 g/L我组年产量为26000吨，换算表过来天产量：26000000 kg / 300 day86700 kg需要反映物量 Q=86700/（116×24×0.93 ）=33.48 kmol/hQ"=33.48× 60×（ 1.48+1 ）/892.09=5.584 m3 h乙酸CAO33.48 / 5.5845.996mol / l正丁醇 CBO5.996601.48 / 747.195mol / L有资料数据公式：aCB0/CA01.26b(

8、1CB0/ C A0)2.2C=11(b所以， tlnk cao b2 4ac(b代入数据得 t=6.185 hb24ac )X AF2ab24ac )X AF2aV=Q03(tt进料出料 ) 5.584 (6.185 1) 40.12 m（进料出料时间均为半小时）填充度为 0.75 ，所以实际体积V 实际 =43.36 0.75=53.495 m 3考虑到反应釜实际中体积，我们用3个反应釜来实现，每个反应釜体积为：V 53.495 3 17.83 m34. 反应釜的设计由教材查得，一般反应釜类中液液相反应釜的高径比为11.3 ，此处取 1.2D4V=2.6650m D 圆整后取 2800mm

9、所以封头的公称直径为2800mm，得封3H()D3H=VVh2.50m头的体积 Vh =3.12m3.14D 2/ 4查化工设备设计基础知，筒体公称直径取2800mm5. 反应釜的工作压力为水的饱和蒸汽压，应为在几个反应物中，水的沸点最低。查表得在 t=135 时，饱和蒸汽的绝对压力为 0.313 兆帕。所以反应釜设计压力 p=1.05 × (0.313+0.1)=0.43 MPa6. 壁厚计算pDdC有上面已知数据，材料为不锈钢0Cr13 材料，设计温度T2P下许用应力为 112MPa。采用双面焊。7所以，0.43280021125.39mm0.43不锈钢腐蚀余量为0，查表钢板负偏

10、差为0.6mm所以反应釜设计厚度 =5.39+0.6=5.99mm查化工设备设计基础得，在径为2800mm时，最小壁厚为6mm，所以这个反应釜的壁厚d6 mm7. 压力校核 ：（液压试验） pt 1.25p，前面已知材料为不锈钢0Cr13 材t料，压力试验温度下许用应力为119MPa，设计温度下许用应力为112MPa。而屈服极限为 120MPapt ( De ) 0.57 2806t100 0.9 s2 e16所以，符合设计要求！8. 热量衡算前面已求出，每小时需要的生成物体积为5.84m3，乙酸正丁酯密度880kg/m3。则它的摩尔质量34.48880kgn261.14kmol116.19

11、g / mol需要乙酸： nanma28079660.0516962kg280796mol0.93需要丁醇：nbnmolmb33695574.1424982 kg1.23369550.93又查资料得乙酸和丁醇的比热容分别为2.01kJ/(kg· ),2.33kJ/(kg· )Q1 ca ma Tcb mb T2.01 169621102.3324982 110 1.02107KJ8查资料得，反应放热H18.38KJ / mol反应总放热 Q2H n 18.382611404.8106 KJ所以需要水蒸气提供的能量： QQQ25.4106 KJ'1我组设计 3 个反应

12、釜，所以每个反应釜需要传热量 Q=106KJ1.8反应釜中加料完成后，混合物中：比热Cp2.33 1.2 2.01 2.403 kj/(kg*K)2粘度1.2210 3310 32.1110 32设计要求给出，反应釜流速u=5m/s查资料得，混合物 M6074.121.267.7g / mol11.2查表得混合物的0.21w/(m*k)对流传热系数 10.023du)0.8(C p)0. 4d(代入数据得11421.21/(2? K)wm对水蒸气一侧 , 选用螺旋导流板夹套：夹套环隙宽度取100mm导板间隙宽度取 200mm所以当量直径De=4E=40.1=0.4m类蛇管平均轮径Dc=3.6m

13、查得公式De0.027 Re0.8 Pr0.4 (1 3.5 De)Dc查表此温度下Pr=1.18ReLu2.5 1.5 892.09 / 0.00019 176070392 2042.79w /(m2 ?k)查表得不锈钢17.45w /( m ? K )9总传热系数 K:14061400rm1403ln14061400A2DL3.14(2800 12)250022074200mm2同理， Am2 rm LA2A122027100mm2lnA2A111A1b A123.32 10 4K12 A2AmK=482.82w/( ?K)由Q KTAAQ80906.116.76m2T K428.82 1

14、0校核 ADH3.14 2.82.5 21.98m2符合设计要求9. 夹套选择与尺寸夹套选择 U 型夹套，夹套与反应釜体之间为不可拆式的焊接。载热介质入口在上端，出口在下端。夹套高度 h：先估算 h0.75V Vh1.67mD 24A16.761.90mh3.14 (2.8(D 12)0.012)夹套壁厚：考虑成本及压力因素， 夹套材料选取 16MR钢。反应釜径为 2800mm，所以查得夹套径200mm。工作压力为145水蒸气饱和蒸汽压加上大气压等于0.51MPa0.51(280012200)4.5mm217010.5110n4.50.226.7 mm校核： Pt=1.150.511=0.53

15、MPa1.06(28001220013.4)239.32 MPa 0.8 St26.710. 封头形式与材料综合考虑，封头采用椭圆形封头，反应釜径2800mm，查表得对应封头。得：封头曲面高度为750mm，直边高度 40mm，容积 3.82 平方厘米封头与反应釜体连接形式为焊接夹套的下封头选标准椭球型，径与筒体相同（D j 3000mm）。代号EHA，标准JB/T47462002。夹套的上封头选带折边锥形封头，且半锥角45o 。因为 pW >0.3 MPa ，所以需要根据强度条件设计封头的最小壁厚。 D j 3000mm 3800 mm，取 S min2 Di /1000 且不小于 3

16、mm 另加 C2 ， Smin 5.6+1=6.6 （ mm），圆整 Sn =7mm。对于碳钢制造的封头壁厚取Sn 7 mm。11. 夹套进气管设计采用气（汽）体作传热介质时，若夹套进气（汽）管的气速较高，需考虑采取防止气体直接冲刷釜体外壁的措施。采用下图所示的防冲挡板或侧向开孔的进气管，在结构尺寸上要求气体进入夹套处的通气截面积大于进气管的横截面积。12. 反应釜附件的选型及尺寸设计(1) 根据 DN 2800mm、 PN 0.51 MPa ，由文献 13327 页表 16-9 确定法兰的类型为甲型平焊法兰。标记：法兰 FF3200-0.45 JB/T4701材料： 0Cr18Ni10Ti（

17、 2）法兰的结构和主要尺寸如图12111图 12 1 甲型平焊法兰（ 3）密封面形式的选型根据 PN 0.51 MPa 1.6 MPa 、介质温度 155和介质的性质， 由文献 13331 页表 1614 知密封面形式为光滑面垫片的设计由文献【 11】表 331 页 16-14 得垫片选用耐油橡胶石棉垫片， 材料为耐油橡胶石棉板（ GB/T539），结构及尺寸见图 122 和。尺寸见表 12-2图 12-2垫片的结构表 12-2垫片的尺寸D0 / mmdi / mm/ mm284028005（ 4）螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格本设计选用六角头螺栓（C 级、 GB/T5780-2000）、型六角螺

18、母（ C 级、GB/T41-2000）平垫圈（ 100HV、GB/T95-2002）12螺栓长度 L 的计算：螺栓的长度由法兰的厚度（）、垫片的厚度（ S ）、螺母的厚度（ H ）、垫圈厚度（ h ）、螺栓伸出长度0.30.5d 确定。其中 =75mm、S=5 mm、H=40mm、h =6mm、螺栓伸出长度取 0.3d =20 mm螺栓的长度 L 为： L 2SH2h0.4d2755402620=227（mm）取 L 227 mm螺栓标记： GB/T5780-2000M 20130螺母标记： GB/T41-2000M 20垫圈标记：GB/T95-200224-100HV（ 5）法兰、垫片、螺栓

19、、螺母、垫圈的材料根据甲型平焊法兰、 工作温度 t =135的条件，由文献 13 附录 8 法兰、垫片、螺栓、螺母材料匹配表进行选材，结果如表123 所示。表 12-3 法兰、垫片、螺栓、螺母的材料法兰垫片螺栓螺母垫圈0Cr18Ni10Ti耐油橡胶石棉3520100HV13. 工艺接管的设计由文献【 12】附录六查无缝钢管水进口接管采用 45×2.5 无缝钢管，罐的接管与夹套表面磨平。 配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰 PL25-0.1 RF 20。N2（气）进口采用 32×3.0无缝钢管，接管与封头表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰 PL25-

20、0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。（ 3）温度计接口采用 45× 2.5无缝钢管，伸入釜体一定长度。配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰 PL65-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。（ 4）工艺物料进口13采用 45×2.5 无缝钢管，管的一端切成 45o ，伸入罐一定长度。配用的突面板式平焊管法兰： HG20592 法兰 PL50-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti 。（ 5）放料口采用 76×3.0无缝钢管，接管与封头表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰 PL80-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。与其配套的是手动下展式铸不

21、锈钢放料阀，标记：放料阀6-100HG5-11-81-3.（ 6）水出口采用 45×2.5无缝钢管，接管与封头表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰 PL25-0.1 RF 20。安全阀接口采用 32×3.0无缝钢管，接管与封头表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰 PL25-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。冷凝器接口采用894 无缝钢管，接管与封头表面磨平。 配用突面板式平焊管法兰： HG20592法兰 PL80-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。（ 9）加热器套管采用764 无缝钢管，罐的接管与下封头表面磨平磨平。配用突面板式平焊管

22、法兰： HG20592法兰 PL65-0.1 RF 20。 固体物料采用 219× 8.0 无缝钢管，罐的接管与下封头表面磨平磨平。配用突面板式平焊管法兰： HG20592法兰 PL200-0.1 RF 20。（ 11）视镜采用 89 4 无缝钢管，接管与封头表面磨平。 配用突面板式平焊管法兰： HG20592 法兰 PL80-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti 。14. 管法兰尺寸的设计工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的结构如图。由文献【 13】表 12-491 得并根据 PN=0.51MPa和接管的 DN ，由板式平焊管法兰标准（ HG20592）确定法兰的尺寸。管法兰的尺寸见

23、表 14-1 。14图 14-1板式平焊管法兰表 14-1板式平焊管法兰的尺寸（ HG20592）公接连接尺寸密封面坡称管法兰 厚厚法兰口接管名称直外宽DKLnTh度 Cd度 径 B径径度fADNb安全阀接口、 N2接口253210075114M 101458233工艺物料进口5057140110144M 121688259水进口4046120110144M 121688259温度计接口6570160140184M 16222542222冷凝器接口、放M 16料口4046120170184181442110水出口5057140110144M 121688259加热器套管808919015018

24、4M 1616124288垫片尺寸及材质工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的垫片尺寸、材质文献【13】 1251页表12-261 查如表 14-2 所示。垫片的结构图 14-2 管道法兰用软垫片1515. 密封面形式及垫片尺寸表 15-1 密封面形式及垫片尺寸垫片尺寸 ( mm)接管名称密封面型式外径 DO径 di垫片材质厚度安全阀接口、N27134耐油石棉橡RF2接口胶板RF10761耐油石棉橡工艺物料进口2胶板RF10761耐油石棉橡水进口2胶板RF273220耐油石棉橡温度计接口2胶板冷凝器接口、放料162115耐油石棉橡RF2口胶板RF10761耐油石棉橡水出口2胶板RF14289耐油石

25、棉橡加热器套管2胶板16. 固体物料进口的设计由于釜体的径 D i2800 mm ，因此不需要在釜体的封头上设置人孔，本设计选用 PN 0.6DN 200 板式平焊法兰物料孔。由文献【13】1208 页表 12-149 和 1212 表 12-151 查文献【 14】附录九 得其结构如图 16-1 、尺寸见表 16-1 、材料见表16-2 。16图 16-1带盖平焊法兰进料口结构1- 接管； 2- 螺母； 3- 螺栓； 4- 法兰； 5- 垫片； 6- 法兰盖； 7- 手柄；表 16-1 带盖平焊法兰进料口的尺寸公称压力密 封公称直d w S螺栓D1（ MPa ）面 形径 DNDB式规格数量2

26、00273×350M 202039080.51突面H 1H 2bb1b219084261820表 16-2 物料进口 PN 0.6 DN 200 的明细表件号名称数量材料1接管10Cr18Ni10Ti2螺母8253螺栓8354法兰11Cr18Ni9Ti5垫片1耐油石棉橡胶板6法兰盖11Cr18Ni9Ti7手柄2Q235-A1717. 搅拌装置的选型与尺寸设计（1）搅拌轴直径的设计电机的功率P 4KW，搅拌轴的转速 n 80r / min ，文献 11235 表11-1取用材料为1Cr18Ni9Ti， 40MPa ，剪切弹性模量G 8.1 ×104 MPa ，许用单位扭转角

27、1°/m。由 m 9.553 10 6P 得： m =9.553 1064（ Nmm ）n80利用截面法得：M T maxm =9.553 1064 （ Nmm ）80由 maxM T得：W9.553 106P= 9.55310 64Wn 80 40搅拌轴为实心轴，则： W0.2d 3 =9.55310680440d 39.08mm取 d 40mm（ 2）搅拌轴刚度的校核由 maxM T max180103 得：GJ641801o）9.553 1080408.10.1404=0.878 （/ m因为最大单位扭转角max0.878 o / m 1 o / m所以圆轴的刚度足够。考虑到搅

28、拌轴与联轴器配合，d 40 mm可能需要进一步调整。搅拌抽临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速n =80r / min 200 r / min ，故不作临界转速校核计算。18. 联轴器的型式及尺寸的设计由于选用摆线针齿行星减速机，所以联轴器的型式选用立式夹壳联轴节（D型）。标记为： DN 40 HG21570 95，结构如图 5-1 。由文献【 16】656 页表 4-2-7分别确定联轴节的尺寸和零件及材料，由于联轴节轴孔直径DN =40 mm，因此搅拌轴的直径 d 为 40 mm。1813-1立式夹壳联轴节19. 搅拌桨尺寸的设计框式搅拌桨的结构如图13-2 所示。由【 13】839 页表

29、 10-6 和 10-7 确定不锈钢框式搅拌桨的尺寸见表13-3 、零件明细表见表19-1 。表 19-1零件明细表件号名称数量材料件号名称数量材料1桨叶2Q235B5带口销235 钢2螺栓8钢4.8 级6开口销4低碳钢丝3螺母8钢 4 级7筋板4Q235B扁钢4垫圈8性能等级100HV20. 搅拌轴的结构及尺寸的设计（ 1）搅拌轴长度的设计搅拌轴的长度 L 近似由釜外长度 L1 、釜未浸入液体的长度 L2 、浸入液体的长度 L3三部分构成。即：L = L1 + L3 + L2其中 L1 = HM （ H 机架高； M 减速机输出轴长度）L1 =825-180=645（ mm）L2 = H T

30、 + H FH i （ HT 釜体筒体的长度；H F 封头深度； H i液体的装填高度）液体装填高度 H i 的确定：19釜体筒体的装填高度H 1VcVF4Di2式中 Vc 操作容积（ m3 ）； VF 釜体封头容积（ m3 ）； Di 筒体的径（ m ）1670mm液体的总装填高度H i =H 1h1h2 =1670+700+40=2410（ mm）L2 =2500+2×（ 40+700）-2410=1370（ mm）浸入液体搅拌轴的长度L3 的确定：搅拌桨的搅拌效果和搅拌效率与其在釜体的位置和液柱高度有关。搅拌桨浸入液体的最佳深度为：22H i （见文献 14215 ）SDi33

31、当 DiH i 时为最佳装填高度；当Di H i 时，需要设置两层搅拌桨。由于 H i Di ，本设计选用一个搅拌桨。搅拌桨浸入液体的最佳深度为：S=2Hi/3=1867（ mm）故浸入液体的长度：L3 =1867（ mm）搅拌轴搅拌轴的长度L 为： L =645+1370+1867=3882（ mm）（ 2）搅拌轴的结构由于搅拌轴的长度较大， 考虑加工的方便， 将搅拌轴设计成两部分。 与减速机相联的搅拌轴轴长为： L = H M + L4式中 L4 搅拌轴深入釜的长度，d=40mm时取 350 mmL =825-180+350=995（ mm）取 L =995mm搅拌轴下部分的轴长为：L =

32、 LL =3882-995=2887（ mm）21. 传动装置的选型和尺寸计算（ 1）电动机的选型由于反应釜里的物料具有易燃性和一定的腐蚀性，故选用隔爆型三相异步电机20（防爆标志 d AT4 ）。根据电机的功率P 4 KW 、转速 n 1440 r / min ，由文献 15 16-52 页表 16-1-28 选用的电机型号为： YB112。（ 2）减速器的选型根据电机的功率P 4 KW 、搅拌轴的转速 n 80 r / min 、传动比 i 为 1440/ 80 18 选用直联摆线针轮减速机（ JB/T2982-1994 ），标记 ZLD2.2 4A23。由文献【16】1218页表 9-2

33、-35 确定其安装尺寸，直联摆线针轮减速机的外形见图 21-1 、安装尺寸如表 21-1 。减速机的外形安装尺寸图 21-1 直连摆线针轮减速机表 21-1 减速机的外形安装尺寸L1lPEMDl 1n dD232463415796- ?124526040D3D4hbD1h 1b 1C F23020048.51422246161（ 3）机架的设计由于反应釜传来的轴向力不大，减速机输出轴使用了带短节的夹壳联轴节，且反21应釜使用不带置轴承的机械密封，故选用 WJ型单支点机架（ HG2156695）。由搅拌轴的直径 d 40mm可知，机架的公称直径 DN 200mm。结构如图 21-2 所示。图 2

34、1-2 WJ 型无支点机架（ 4) 底座的设计对于不锈钢设备， 本设计如下底座的结构， 其上部与机架的输出端接口和轴封装置采用可拆相联，下部伸入釜，结构与尺寸如图 21-3 所示。图 21-3 底座的结构(5) 反应釜的轴封装置设计反应釜中应用的轴封结构主要有两大类，填料箱密封和机械密封。 考虑到釜的物料具有易燃性和一定的腐蚀性，因此选用机械密封。根据 pW 0.51 MPa , t 135,n=80r/min,d=40mm 。由文献【16】855页表 6-3-37 选用 d 型（双端面小弹簧UB型）釜用机械密封，其结构如图21-4 、主要尺寸如表 21-2 所示。22轴封装置的结构及尺寸图 21-4釜用 206 型机械密封结构表 121-2釜用机械密封的主要尺寸（mm ）轴DD1D2D3h1h2h3h4h螺n径H柱d402452101751804.52814200190 315 8-18M1622. 固体物料进口的开孔及补强计算（ 1）接管补强的计算由数据可知设计压力为 0.51MPa<2.5MPa;两相邻开孔中心的间距均不小于两孔直径之和的两倍； 且接管公称外径小于 89mm,接管最小壁厚均满足书 124 页表3-31 要求，故接管不需补强。（ 2）焊缝起