【《生物质制备糠醛的反应器设计案例》2400字】

生物质制备糠醛的反应器设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u176731.1设计要求 1294621.2反应机理 2234731.3反应参数的确认 3168461.4反应器的选择 418191.5反应器综合设计 425541.5.1反应器体积的计算 471581.5.2反应器釜体的计算 47531（1）确定反应器釜体的内径 47492（2）确定水解釜筒体高度 420926（3）选择封头的尺寸 556751.5.3反应器夹套尺寸的计算 527009（1）内筒和夹套的受力情况分析 531514（2）反应釜厚度的计算 569621.5.4反应器的搅拌装置 754291.5.5反应器的轴封装置 8198331.5.6反应器的支座 8210451.5.7反应器的人孔和手孔 866821.6反应器设备条件图 91.1设计要求反应器是化工生产中的重要设备之一，原料转化为产物的场所，在设计反应器是，需要满足以下条件：（1）反应器要具有良好的导热能力；（2）反应器内部温度需要均匀分布；（3）反应器强度足够大，能够承受较高的反应压力；（4）反应器的结构应该满足反应的需要，以保证反应物反应充分；（5）当反应物具有腐蚀性时，反应器需要良好的抗腐蚀性；（6）反应器应能保证反应物合适的转化率，产物有良好的产率。1.2反应机理从木质纤维素类生物质制备糠醛的基本路线如图4-1所示，主要包括以下三个基本过程：首先从木质纤维素生物质中分离富含得到半纤维素的组分，半纤维素水解制备木糖以及木糖脱水环化得到糠醛。图4-1糠醛生产原理示意图水解在高温高压下进行，糠醛容易分解成甲酸等物质，故水解产生的糠醛需要立刻移出反应器，以提高糠醛的收率。本次设计通过蒸汽汽提的方法带出水解釜中的糠醛。因此，整个水解的过程是涉及到固、液、气三相的反应，根据相关的实验结果，在查阅了大量文献以后，发现糠醛的反应速率与催化剂浓度和水解的温度有关，并得到以下的反应动力学方程：木聚糖水解为木糖的反应动力学方程：图4-2木聚糖水解动力学木糖脱水环化得到糠醛的动力学方程：图4-3木糖脱水动力学1.3反应参数的确认使用固体酸催化剂，通过前期文献调研可知反应的最适发生条件，反应温度调整为175℃，反应压力为1.6Mpa。输入相关动力学参数k1=235.233exp[−27.9/RT]；k2=0.0476exp[−5.19/RT]。停留时间为2h。1.4反应器的选择1.5反应器综合设计1.5.1反应器体积的计算本反应设计固、液、气三相，玉米芯混酸以后加入水解釜内，然后持续通入蒸汽至反应釜压力达到1.6MPa，温度控制在175℃下水解。并且持续通入蒸汽汽提带出产生的糠醛，所以在计算反应釜体积时仅需要考虑混酸以后的玉米芯体积，并预留出部分空间即可。本此设计年产糠醛6000吨，折合糠醛产量为843.88kg/h，通过Aspenplusv11模拟得出第一步反应玉米芯中的木聚糖转化为木糖收率在反应条件下约为45.135%，第二步反应木糖脱水环化基本可以进行到底，所以计算出玉米芯的消耗量约为9462.57kg/h。相关资料得出玉米芯的堆积密度约为300kg/m3。所以玉米芯处理量的体积约为30m3/h。玉米芯在水解釜中水解2h，期间持续通入蒸汽，在维持温度稳定的同时汽提采出糠醛。蒸汽压力与水解釜的压力相同，为1.6MPa。取装填系数为0.85，综合考虑只设计一个反应器，同时准备一个水解釜备用，以应对突发情况。那么反应器的内部体积约为30m3。1.5.2反应器釜体的计算（1）确定反应器釜体的内径由前面的计算可知水解釜的体积为V=30m3，根据下列公式可以计算出反应器的内径：其中i为气液相物料的长径比（i=H1/D1），经验值在1~2之间，可取1.4。那么D1=将计算所得的结果圆整至标准公称直径后，选取筒体直径为D1=3100mm。（2）确定水解釜筒体高度H=(V−Vℎ)/(πD1)×4=3.圆整后为3300mm。并且H/D1=3300/3100=1.064，符合设计要求。（3）选择封头的尺寸查阅相关的标准封头参数资料得知时，选取封头相关尺寸参数如下：表4-1封头尺寸公称直径DN/mm椎体高度H/mm圆弧半径r/mm直边高度h/mm厚度δ/mm内表面积A/m2容积Vm3质量m/kg3100272045025615.457.1412001.5.3反应器夹套尺寸的计算（1）内筒和夹套的受力情况分析筒体以及夹套将全部按照内压圆筒的强度计算相关原则来进行本次设计计算。生产相关工艺提供的设计条件如下：水解反应釜内工作压力为1.6MPa，取夹套内的工作压力略大约为1.7MPa。则夹套筒体和夹套封头将承受1.7MPa的内压；那么内部筒体在承受1.6MPa的内压的同时又要承受1.7MPa的外压，此时内部筒体的最恶劣的承受压力的情况为为：在生产中止时候，内部圆筒无压力而夹套内部仍有蒸汽压力，此刻内筒承受1.7MPa的外部压力。（2）反应釜厚度的计算由于选用腐蚀性较小的固体酸作为催化剂，故筒体以及夹套的材料可以选用较普通的材料即可，经过查阅相关设计资料，选用Q345-R作为本次反应器设计材料。筒体内的设计温度t1=165℃，夹套内的温度t2=170℃，罐体内计算设计压力为P1=1.6MPa，夹套内设计压力为P2=1.7MPa。筒体的计算压力P1C=1.1P1=1.76MPa,P2C=1.1P2=1.87MPa，查阅相关资料得知在设计温度下Q345-R的最大允许使用应力为。夹套筒体和内部罐体采用环焊缝连接，因为无法进行探伤检查，所以根据经验取得，考虑到安全情况，夹套上所有的焊缝系数均取来计算，筒体的下封头可以采用表尊椭圆形封头。那么厚度计算分别如下:筒体的厚度的计算：δ1=夹套的厚度计算为：δ1=筒体封头的计算厚度为：δ1=夹套封头的计算厚度为：δ1=另外，钢板厚度负偏差取C1=6mm，内部筒体腐蚀余量可取2mm，夹套钢板厚度负偏差取C2=1.5mm，腐蚀余量取1mm。则：筒体总厚度为：δ夹套总厚度为：δ圆整后取筒体的名义厚度为7mm，夹套的名义厚度为7mm，同理可以计算得到筒体封头和夹套封头的名义厚度也各为7mm。1.5.4反应器的搅拌装置根据生产工艺的要求，本次设计选取涡轮式搅拌器。查阅相关设计标准HG/T3796.5-2005后，选用搅拌器的轴直径d1=150mm，涡轮式搅拌器的叶轮直径d=1200mm。搅拌器型号为1200-150，轴材料选用45钢。图4-8搅拌轴示意图查阅相关标准《搅拌传动装置—联轴器》与（HG/T21570－1995）中的关于联轴器孙旺形式、技术要求以及相关尺寸参数后，最终决定选用立式夹壳联轴器。型号为：联轴器DN150。1.5.5反应器的轴封装置反应器采用机械轴封，具体的示意图如下所示：图4-9机械轴封图1.5.6反应器的支座根据相关标准耳式支座（JB/T4725-92），本次设计选用B型耳式支座，尺寸如下所示：表1.2B型耳式支座尺寸(mm)DN底板筋板垫板地脚螺栓支座重量lbδSlbδbd规格