间歇式反应釜设计说明书

PAGEPAGE1 反应釜设计任务书设计题目：5×103T/Y乙酸乙酯反应釜设计一、150002、反应式为CHCOOHACHOHBCHCOOCHRHO3 2 5 3 2 5 23ABS1:2:1.354、反应液的密度为1020kg/m3，并假设在反应过程中不变5、每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1小时6、反应在100℃下等温操作，其反应速率方程式为r kA 1

cc

cc KRS7、100℃k1

4.76104Lmolmin

，平衡常数

K2.928、反应器的填充系数取0.75设计内容二、1、计算预算转化率为38%时所需的反应体积2、反应高经比，壁厚3、设备选材4、设备条件图5、搅拌器22 摘要摘要本选题为年产量为的间歇釜式反应器的设计。通过物料衡算、热量衡算，反应器体积为19.77m3、换热量为2.87 106KJ。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高2973.3mm，直径3000mm，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桨式搅拌器搅拌轴直径80m搅拌轴长度3601m在此基础上绘制了设备条件图本设计为间歇釜式反应器的工业设计提供较为详尽的数据与图纸。关键字：间歇釜式反应器;物料衡算;热量衡算;壁厚设计;Abstract:ThebatchreactorforfivemillionTayearistobedesigned.Throughthematerial,heatbalancereactorvolume,heattransfer.Equipmentdesignresultsshowthatthecharacteristicdimensionsforhighreactoris2973.3mm,diameteris3000mm,heightis3180mm ,theauxiliaryequipmentalsoistobedesigned,heatisfinishedthroughtheclipwiththecommoncoldtubeinside.Themixerfor diskpaddletypemixer,stirringshaftdiameterandlengthofstirringshaftis3601mm,diameteris80mm.Basedontheconditionofequipmentdrawing.Thisdesignforbatchreactorindustrialdesignprovidesadetaileddataanddrawings.Keywords:batchreactor,Material,Heatbalance,Thickwalldesign,II 目录IIII PAGEPAGE10 第一章反应釜物料衡算1.1反应釜反应时间、反应体积的确定0原料处理量Q0

,根据乙酸乙酯的产量，每小时的一算用量为：5000 20.77Kmol/h24300880.3888ABS1:2:1.354.35kg1kg一算，由此可求单位时间的原料液量为：20.77604.351020

5.315m3/h式中60为乙酸的相对分子质量，原料液的起始组成为c 20.773.909mol/LAO 5.315乙醇和水的相对分子质量分别为46和1可求出乙醇和水的起始浓度为3.909602c BO 46

10.2mol/Lc 3.909601.3517.59mol/LSO 18由公式可求反应时间，为此需将题给的速率方程变换成转化率的函数，因为c cA c c

X A X

c cc c

c XAO Ac XR AO A

S

AO A r k带入速率方程，整理后得：A 1acBO式中 cAO

abXA

cX2 c2A AOcb1cBOc

c Kc11K得反应时间[1]

AO AO1t XAf dXA1

kcb2kcb24acbb24ac X 2abb24ac X 2aAfkc 1AO

abXA

cXA

1AO Afa10.23.908b110.2 17.59

5.15

3.9082.92 c112.920.6575b24acb24ac5.15242.610.6575将有关数值代入式中得反应时间为：1 5.154.4340.3822.61t4.7610

ln43.9094.434 4.4340.382

131minV所以，所需反应体积为r

Qtt0

60114.83反应器的实际体积为：0.75

19.77m3第二章反应釜公称直径、公称压力的确定反应釜公称直径的确定将反应

L 1D，D4V 4由

D2Li

LDi3419.773.14 D3419.773.14 D 2.93m D 2800mmi则i ，i

，圆整i查到反应釜的DN2800mmPN计算各物质的饱和蒸汽压[2]物质物质乙醇A7.33827B1652.05C231.48乙酸9.312971416.7211乙酸乙酯9.222981238.71217lgpsA由

BtC得一下数据在100℃下，各物质的饱和蒸汽压为下列图表乙醇乙醇乙酸乙酸乙酯水0.316Mpa0.0794Mpa0.272Mpa0.143MpaCHCOOHACHOHBCHCOOCHR

OS3 2 5 3 2 5 2反应比例：1111初始条件：121.350反应用量：-0.38-0.380.380.38最终比例：0.620.621.730.38总物质的量：4.35组成0.14250.37240.39770.08736黏度/MPa0.4450.3610.2160.2838物质CHCOOH3CHOH2 5CHCOOCH3 2 5H物质CHCOOH3CHOH2 5CHCOOCH3 2 5H20.30Mpa选取反应釜的操作压力大于反应釜内物质的最大饱和蒸汽压

0.35Mpa，故pN0.6MpaW第三章反应釜体设计W反应釜筒体壁厚的确定设计参数的确定p p~1.1P p

1.10.350.385Mpa设计压力： W，取 W液体静压忽略不计计算压力pc:pcppLP0.385Mpa设计温度tt110℃焊缝系数Φ： （双面对接焊无损探伤）[3]00Cr19Ni1000Cr19Ni10许用应力 ：根据材料 ，设计温度为该材料的 [4]钢板负偏差

C1：C

0.6mm1C C 2mm1腐蚀裕量2：2 （双面腐蚀）筒体壁厚设计ipS cD Cip由公式CC1

n 2tpcC2

[5]得：0.3852800Sn21181.0

0.62.07.18mmS 8mm圆整nS 10mm刚度校核：不锈钢的min [6]S 10mm考虑筒体的加工壁厚不小于10mm，故筒体的壁厚取n釜体封头设计封头的选型EHA JBT 4337 9釜体的封头选取标准型椭圆型封[7EHA JBT 封头壁厚设计p1.1PW

1.10.350.385Mpap ppc

P0.385Mpa椭圆型封头由整块钢板冲压而成，所以取11钢板负偏差C1

C0.6mm：1：C C 2mm腐蚀裕量2：2 （双面腐蚀）ipS cD Cipn由公式

2t0.5pc 得0.3852800Sn21181.00.50.385

0.62.07.17mmS 8mm圆整得nS 10mm根据规定，取封头壁厚与筒体壁厚一致n封头的直边尺寸、体积及重量的确定[8]直边高度直边高度140mmh体积FVhA质量m3.12m3深度2740mm8.82m2842kgH筒体长度H的设计VVT

V VF,

VVFD2HVV,4 iVV

F43.12H

F 3.142.82.8

2705.4mm4D2H4iH2.7mLi釜体长径比D的校核iLD2700740LDi

2800

1.014，设计参数[9]：种类种类釜内物料类型LDi一般反应釜发酵罐液液相或液气液相物料气液相物料1~1.31~21.7~2.5Li由表知，该反应釜的长径比Di

满足要求反应釜的压力校核釜体的水压试验水压试验压力的确定pT水压试验的压力：

1.25

t

且不小于

p0.1Mpat查得p 1.251.10.351.00.48MpaT

p0.10.45Mpap 0.48Mpa取T液压试验的强度校核pDp T

S Cnmax由

2S Cn 得：max

0.482800102.6 22.6

91.05Mpa0.9s

0.91181.0106.2Mpa 91.05Mpa0.9106.2Mpamax s故液压强度足够压力表的量程、水温及水中氯离子浓度的要求压力表的最大量程：

P2pT

20.480.96Mpa1.5p或

P4pT

即0.72Mpap1.92Mpat15℃水中氯离子浓度c25mg/L水压试验的操作过程慢升至0.48Mpa300.385Mpa合格后再做气压试验。釜体的气压试验气压试验压力的确定pT气压试验的压力：

1.15

tp 1.151.10.351.00.4428MpaTp 0.45Mpa取T气压试验的强度校核pDp T

S Cnmax由

2S Cn 得： max

0.44282800102.622.6

81.78Mpa因为max81.78Mpa0.8s94.4Mpa所以气压强度足够做气压实验时，将压缩空气的压力缓慢升到0.05Mpa5分钟进行初检。合格后继续0.205Mpa0.045Mpa0.45Mpa10分钟，然后降到0.4Mpa进行试验，釜体试压合格后再焊上夹套进行压力试验。第四章反应釜夹套的设计夹套公称直径、公称压力的确定DN的确定D由夹套的筒体内径与釜体的内径之间的关系可知：J所以DN3000mm

Di

200mmPN的确定由设备设计条件知，夹套内介质的工作压力为常压，取DN0.25Mpa夹套筒体的设计夹套筒体壁厚的设计WWPPWW

0.3Mpa

，所以需要根据刚度条件设计筒体的最小壁厚。2DD

3000mm3800mm

S ，取min

i1000且不小于

3mm

再加C2，S 628mm S 9mm所以min ，圆整nn对于Q235的筒体壁厚取S 14mm。nH的确定VV 19.773.12H'

hr2

2.357mm4 4圆整后H'2.360m[10]夹套封头的设计封头的选型夹套的下封头选标准椭圆型，内径与筒体相等（

D 3000mmJ

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45℃椭圆型封头壁厚的设计P因为W

0.3Mpa

，所以需要根据刚度条件设计封头的最小厚度2DD

3000mm3800mm

S ，取min

i1000且不小于

10mm

再加上C2S 12mm S 14mm所以n ，圆整n 。n对于Q235制造的封头厚度取S 14mmn椭圆型封头结构尺寸的确定封头尺寸直边高度直边高度1h2h容积V质量jF840mm4.63m31270kgmin由设备条件知，下料口的DN180mm，封头下部结构主要尺寸D 220mm.min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，小端与釜体筒体角焊，因此取封头的壁厚与夹套筒体的S 14mm不厚一致，即n 。夹套的液压试验液压试验压力的确定pT水压试验的压力： t

1.25

t

且不小于

p0.1Mpa查得p 1.251.10.11.00.1375MpaTp PT

p0.10.21Mpa，p 0.21Mpa取T液压试验的强度校核 max

p DT2

S Cn由 SnC 得： max

0.213000142.622.6

27.73Mpa0.9s

0.92351.0211.5Mpa 27.73Mpa0.9211.5Mpamax s故液压强度足够压力表的量程、水温及水中氯离子浓度的要求[11]压力表的最大量程：

P2pT

20.210.42Mpa或1.5p或T

P4pT

即0.315Mpap0.84Mpa水温t5℃水压试验的操作过程慢升至0.21Mpa300.168Mpa内的水排净，用压缩空气吹干。如质量不合格，修补后重新试压直到合格为止。第五章外压壁厚的设计5.1圆筒的临界压力计算设计夹套内介质的工作压力为常压0.1MPa试差法设计筒体壁厚：当Sn10mm时试差出不满足要求121211.2又设筒体的壁厚S121211.2

S C142.811.2mm Dn

D2Si nLcr1.17Do由

LDoSe DoS1

1.771212

21381.9mm筒体的计算长度L

H Hh3 i 1L2700174040402973.3mm3Lcr= 21381.9> L'；该筒体为短圆筒。（对于圆筒m=）emL'emL'D0D0Se

2.59ES2

2.591.8810511.221.95MPa310251212121211.2故P < pcr；所以假设Sn＝14mm满足稳定性要求。故筒体的壁厚Sn310251212121211.25.2外压封头壁厚设计S 14mm S S C142.811.2mm设封头的壁厚n 则e n 对于标准椭圆型封头系数0.125iR 3000/11.2267.9 A 4.671040.125iRKDK=1，

1200mm S

计算系数

R/Si i e i e查得图在110℃，计算系数A下系数B52MPa、E1.88105MPaP又由

BR/Si

52267.9

0.194MPaPP所以有

满足要求故取与筒体壁厚一致为14mm第六章热量衡算热量衡算基本数据原料带入的热量Q1（K，反应完成后物料带出的热量QK，反应热Q（K，夹套134传进的热量Q（K，内冷管移热量Q（K，热量衡算式为：QQQ134

QQ2 5各物质的比热容（25℃,101.325KPa）金克新赵传钧马沛生化工热力学物质物质CH3COOHC2H5OHCH3COOC2H5H2Oc比热容P,mJ/（mol·K）123.6112.25170.675.29标准摩尔生成焓Hf mB-484.30-276.98-478.82-285.83KJ/mol25℃进料，100℃下恒温反应Q1因为查得的比热容是25℃下的，而进料也是在25℃下进行，所以原料带入的热量为Q1=0反应完成后物料带出的热量Q2的计算c c X 3.9090.382.3454mol/LA0 Ac c c X 10.23.9090.388.6244mol/LB0 A0 A ，c c X =3.9090.381.5636mol/LA0 Ac c c X 17.593.9090.3819.1536mol/LS0 A0 A出料时（100℃）各物料的摩尔定压热容可根据下关联式来求取：clp,m

/Jmol1K1ABTCT2DT4各物质的液体热容与温度的关联式系数表物质AB×10C×103D×105温度范围K乙酸65.981.4690.15——295~400乙醇-67.444218.4252-7.297621.05224159~453乙酸乙酯155.942.3697-1.99760.4592190~ 375水50.81112.12938-0.6309740.0648311273~623则各物质在100℃时的热容为：clp,m

COOH,l65.980.1469373.150.15103141.68Jmol1K3clp,m

2

OH,l67.44421.84252373.157.29762103373.1521.05224105373.1545204KJmol1K1cl COOC

,l155.942.3454373.151.9976103373.1520.4592105373.154p,m 3 2 591KJmol1K1clp,m

HO,l50.81112.12938373.150.630974103373.15220.0648311105373.15413.33KJmol1K1Q ncl BcV

B2 B p,m Br p,mB BcA

clp,m

COOH,lc3

clp,m

2

OH,l5 VTccl

COOCH,lccl HO,l rRp,m

3 2 5 S p,m 2 2.3436141.681038.63762041.56249019.142413.3312.965103373.15298.152.1106KJ反应热的计算25℃时的标准摩尔反应热为：Hr mB

HB f

BHCOOH,l

HCHOH,lH

CHCOOCH

,lHH

O,lf m 3

f m 2

f m 3 2

f m 2484.30276.98478.82285.832.77KJ/mol25℃时的标准摩尔定压热容为：cr p,m

B

cB p

Bc COOH,l

CHOH,lc

CHCOOCH

,lc O,lp,m 3

p,m 2

p,m 3

2 5 p,m 2123.6112.2575.29170.610.04J/KH由基希霍夫公式：r m应焓：

TH2 r m

TT2121

c r p,m

可以求出100℃是的标准摩尔反H373.15Kr m

H298.15K373.15Km 298.15K

c dTp,m2.77KJ/mol373.15K[10.04J/molKdT298.15K2.017KJ/mol该反应达到40%的转化率时的总反应热为：H n XHr m A0 A r mc V

H373.15KA0r

A r m3.90612.9651030.42.0174.086104KJHr m0，反应为放热反应3即反应达到40%的转化率时总共放出的热量为：Q3

4.086104KJ夹套给热量的计算要使反应在100℃下进行，启动反应时夹套需要传给的热量为：Q n4 B

cp,m

BcA0

cp,m

COOH,lc3 B0

cp,m

2

OH,lc5 S

cp,m

HO,lVT2 r3.906123.610.2112.2517.5875.2912.965103298.152.87106KJ内冷管移热量的计算134由热量恒算式QQQ134

QQ2 5可求出内冷管需要移走的热量为：QQQQQ5 1 3 4

04.0861042.871062.11068.11105KJ换热采用夹套加热，设夹套内的过热水蒸气由130℃降到110℃，温差为20℃。水蒸气的用量忽略热损失，则水的用量为Qmc opo 1

T2a29.16Jmol1K1b14.49103Jmol1K2c2.022106Jmol1K3T2T 1TT2

403383393K2 2c 29.1614.491033932.022106po29.165.69460.312334.5423Jmol1K11.92KJKg1K1Qom c Qo

32736.2868 1.92

kg/hpo 1 2第七章反应釜附件的选型及尺寸设计釜体法兰连接结构的设计根据DN2800mm，PN0.6Mpa可以确定法兰的类型为乙型平焊法标记：法兰FF28000.6 JB/T47012000公称 法兰/mm直 径D D1D2D3公称 法兰/mm直 径D D1D2D3D4δd螺栓规格数量DN/mm2800 2960 2915 2876 2856 102 350 27 M24 72密封面形式的选型PN0.6Mpa1.6Mpa垫片的设计垫片选用石棉橡胶板，工艺接管的设计原料液进口管原料液的量为5.31510205421.3kg/h，生产两小时所需要的原料液的量为：5421.3210842.6kg，但所有原料液需在1/3h 进完则进料的质量流量为：10842.6kg332527.8kg/h，q4/4q4/431.89/36001.5d

0.08674m，圆整之后取90mm。因此采用4.0无缝钢管，管的一端切成45°，伸入罐内一定长度。配用突面板式焊管法兰：HG20593 法兰PL900.6 RF 物料出口管4.0法兰：HG20593 法兰PL800.6 RF 。与其配套的是手动下展式铸不钢放料阀，标记：放料阀6100 HG511813。催化剂进口设计催化剂选用Hβ做催化剂，此催化剂不腐蚀设备，生产无废液排除，此反应为间歇反应器，催化剂做成颗粒状，则过滤后产品即可分离，便于操作。催化剂的用量当小于反应物总量的时，随着催化剂的用量增大酯化率液随之增大，当增大到0.4%0.4%10842.6Kg，则催化剂的量为：10842.60.4%43.37kg。由于催化剂的用量很少采用203.0无缝钢管管的一端切成伸入罐内一定长度配用突面板式平焊管法兰：HG20593 法兰PL400.6 RF 温度计接口采用452.5无缝钢管，伸入釜体内一定长度。配用突面板式平焊管法兰：HG20593法兰PL650.6RF0Cr18Ni10Ti视镜采用894无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20593 法兰PL800.6 RF 第八章搅拌装置设计动轴本身和随轴转轴的附件，如联轴器、减半叶轮等，必须经过设计计算孔。凸缘法兰选择凸缘法兰的公称直径DN200~900mm。形式如表所示[12]凸缘法兰形式结构型式密封面型式突面凹面整体RM衬里LRLM安装底盖采用螺柱等紧固件与凸缘法兰连接，使整个减半传动装置与容器连接的主要连接件。我国现行的设计标准5机械搅拌设备6(HG/T20569-94) 是对保证设计质量和加快计进,起到了很大作用。标准中,力学模型的主要假设有:刚性联轴器联接的可拆轴视为整体轴;搅拌器及轴上的其他零件(附件)的重力、惯性力、流体作用力均作用在零件轴套的中部;轴受扭距作用外,还考虑搅拌器上流体的径向力以及搅拌轴和搅拌器在组合重心处质量偏心引起的离心力的作用。在此基础上,标准给出了两种常规的计算模型:单跨轴及悬臂轴。临界转速的计算在临界转速的计算过程中,该标准对搅拌轴及搅拌器的质量先作了有效质量的处理:刚性轴的有效质量等于轴自身的质量加上轴附带的液体质量。刚性搅拌轴的搅拌器(包括附件)有效质量等于搅拌器自身质量加上搅拌器附带的液体质量。可由下列公式计算m mie i

G PKi4

Dhji

cosHQ109Pm d2 PLe 4 L

Q109KiG 第iKi

Dji 第i,mm;iih 第i个搅拌器的叶片宽; ii0.48

、H 为搅拌器几何尺, ,m 500.5 8020cos0146kgie 4m 0.488020.0446kgLe 4之后,再把各有效质量作了相当质量的简化。具体如下:m

17W m35 Le单跨轴的有效质量Le 简化到轴的中点,相当质量为17W m35

1735

14671kgW

16K

2m搅拌器在中点处的相当质量: i

i i ieW160.5210.524692kgi17W中点处总的相当质量为S17

m35

EWiW S 35

1462.146167.5kg2.12.1102167.5

n 45819d2EE1N20WSn 45819802K

189r/minN0空心轴内外径之比,实心轴为0;E轴材料的弹性模量,MPa;dL轴直径,mm。所以。选取减速器的转速为189r/min搅拌功率的计算CHCOOHACHOHBCHCOOCHRH

O3 2 5 3 2 5 2反应比例： 1 1 1 1初始条件： 1 2 1.35反应用量： -0.38 -0.38 0.38

00.38最终比例： 0.62 0.62 1.73 0.38物质CH物质CHCOOH3CHOH2 5CHCOOCH3 2 5H2组成0.14250.37240.39770.08736黏度/MPa0.4450.3610.2160.2838lg0.1425lg0.4450.3724lg0.3610.3977lg0.2160.08736lg0.28380.30Mpa液体的黏度对搅拌状态有很大影响，所以根据搅拌介质黏度大小来选型。PNN3d5851020105N搅拌功率： P PRed2N

2.821.41710200.3

37771A 10001.2Re

H0.35bN B

Dsin1.27P Re 1003.2Re

Db d 2 A14 670 0.618548.92DD p1.14b2.5d0.527b4

1.39D D D PNP

N3d5851020105NP

35kw搅拌装置的选型与尺寸设计搅拌轴直径的初步计算有防腐或防污染物料等要求较高的场合，应选用耐酸不锈钢。奥氏体型不锈耐酸钢（尤其是在氧化性介质中。电p35KW，搅拌轴的转速n189r/min，搅拌轴的材料为G 40Mpa 8.1 104 G ，剪切弹性模量 ，许用单位扭转角p 3.0m9.553106由

m9.553106 n得： 189利用截面法得：

M9.553106

3.085

NmmM rMW由

得：

W 9.553106

p 9.553106n3.0

3.0189W搅拌轴为实心轴，则

0.2d39.553106

18940d34.8mm，取dM

180 1搅拌轴刚度的校核，得

TmaxGJ

0.98/m 8.10.1104因为最大单位扭转角

/m/mmax所以圆轴的刚度足够。考虑到搅拌轴与联轴器配合，d80mm可能需要进一步调整。搅拌轴临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速n189rmin200r