化工反应工程反应器课程设计Word格式.doc
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乙酸相对分子质量60；
乙醇相对分子质量46；
水相对分子质量18。
（6）最大操作压力为。
加热的方式为用夹套内的水蒸汽进行电加热。
1.3设计内容
1、物料衡算及热量衡算；
2、反应器体积计算及高径比、直径等参数确定；
3、反应搅拌器设计；
4、其他配件；
5、带管口方位图的设备条件图绘制（不用绘制零件图，不用达到设备装配图水平）；
6、设计体会；
7、参考文献。
二、反应釜基本计算
2.1反应器类型选择
常用反应器的类型有：
①管式反应器；
②釜式反应器；
③有固体颗粒床层的反应器；
④塔式反应器；
⑤喷射反应器；
⑥其他多种非典型反应器。
如回转窑、曝气池等。
由于本设计是液液相反应，综合考虑以上反应器的处理能力以及其优缺点，选用釜式反应器。
反应器的操作方式包括间歇、连续、半连续。
由于反应原料是混合加入，不采用半连续反应釜。
因此，本设计的反应器在间歇反应釜和连续反应釜之间选择。
2.2物料衡算
根据生产任务计算原料处理量：
每小时乙酸需用量为：
式中：
88为乙酸乙酯的相对分子质量。
由于原料种乙酸：
乙醇：
水=1：
1。
35，则1+2+1.35=4.35kg原料液中含1kg乙酸，可求单位时间的原料液量为：
式中，60为乙酸的相对分子质量。
原料液的起始组成为：
乙醇与水的相对分子质量分别为46和18，通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为：
采用间歇反应釜，假设每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。
求反应釜的实际体积为V，计算如下：
因为
，，
，
带入速率方程，整理后得：
其中，，，。
带入数据：
，
根据公式：
求得反应时间
其中，
将有关数据带入上式得反应时间为：
所需的反应体积为：
通常反应器的装填系数η可取0.6-0.85。
如果物料在反应过程中产生泡沫或沸腾状态，通常装填系数应取较低值，一般为0.6—0.7；
若反应状态平稳，可取0.8—0.85（物料黏度大时，可取最大值）。
本设计综合考虑反应物和生成物的物性参数，最终选用装填系数η=0.8。
则反应器的实际体积为：
（2）若采用连续釜式反应器生产乙酸乙酯，单位时间处理的原料量及原料组成如前计算所示。
乙酸的转化率可由反应速率方程球得，将其变换为转化率的函数有
将初始组成及反应速率及平衡常数K带入上式化简后得
根据可求得所需反应体积为
反应器的实际体积为：
由计算结果知：
采用间歇操作所需的反应体积较之连续釜式反应器要小，故选用间歇式反应釜。
2.3热量衡算
乙酸的进料量为，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：
表2-1进料出料组成
物质
进料
出料
乙酸
284.09
170.454
乙醇
568.18
340.908
乙酸乙酯
113.636
水
397.726
热量衡算公式：
进入反应器物料的能量，
：
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，
表2-2各物质的热容参数
A
B
C
D
-67.4442
184.252
-7.29726
1.05224
65.98
14.69
0.15
—
155.94
23.697
-1.9976
0.4592
50.8111
21.2938
-0.630974
0.0648311
乙醇的乙醇的值为：
乙酸乙酯的值
水的值
乙酸的值
水在100℃时的焓值
乙醇在100℃时的焓值
乙酸在100℃时的焓值
乙酸乙酯在100℃时的焓值
则以上数据可计算热量。
由：
带入数据解得：
三、反应釜釜体的设计
3.1釜体DN、PN
将釜体视为筒体，本设计采用一般的反应釜，由于釜内物料为液-液相，高径比一般取1~1.3[2]，本设计取为1.2。
实际体积,取五个反应釜，则每个反应釜体积为
由，，则，圆整。
查得釜体的
因操作压力，故：
3.2筒体壁厚
最大操作压力为，设计压力P取最大工作压力的1.05~1.1倍，本设计取设计压力；
设计温度T，；
根据筒体设计压力和设计温度选择材料：
，许用应力为。
焊缝系数＝1.0（双面对接焊，100%无损探伤）。
表3-1焊接接头系数φ
无损检测的长度比例
焊接接头形式
全部
局部
双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头
0.85
单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）
0.9
0.8
钢板负偏差：
腐蚀裕量：
（双面腐蚀）。
表3-2钢板负偏差C1
钢板厚度
2
2.2
2.5
2.8-3.0
2.2-3.5
3.8-4
4.5-5.5
负偏差
0.13
0.14
0.16
0.18
0.2
6-7
8-25
26-30
32-34
36-40
42-50
52-60
0.6
1
1.1
1.2
1.3
根据内压圆筒壁厚的计算公式：
，
带入以上数据得:
，
根据工程要求和钢材的使用壁厚范围圆整后，取。
校核筒体水压试验强度，根据式：
因为的屈服极限，所以
取，，
代入得：
故水压试验满足强度要求。
3.3封头
封头包括有椭圆形、碟形、锥形、球冠形封头、平板封头等多种类型。
从工艺操作要求考虑，对封头形状无特殊要求。
球冠形封头、平板封头都存在较大的边缘应力，且采用平板封头厚度较大，故不宜采用。
半球形封头受力最好，壁厚最薄，重量轻，但深度大，制造较难，中低压小设备不宜采用：
碟形封头存在局部应力，受力不如椭圆形封头：
标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比碟形封头好，综合考虑该精馏塔设计内压、温度等因素，最终确定采用标准椭圆形封头。
查文献选釜体的封头选标准椭球型，代号EHA、标准JB/T4746—2002。
封头以为材料。
标准形封头壁厚：
其中：
，，，（整体冲压），（钢板负偏差），。
与前计算的筒体壁厚一致。
内表面积。
封头的标准为：
EHA3800×
40-JB/T4746.
综上：
筒体和封头选材都为，壁厚。
3.4筒体长度H
图3-1釜体几何尺寸
DN=3800mm，，查表以内径为公称直径的椭圆形封头的尺寸、内表面积和容积可得：
，直边高度,曲面高度。
圆整得:
。
釜体长径比的复核
则，满足要求。
由加热的方式为用夹套内的水进行电加热可知，夹套内介质的压力为常压，取设计外压。
<
，故釜体厚度以内压计算为准，如前所示。
四、夹套的结构和尺寸
反应釜是进行化学反应的设备，在化学反应过程中常伴有放热和吸热，而且常常先加热以促进化学反应的进行，一旦反应开始往往又需要冷却，以调节温度维持反应的最佳条件，直到反应完毕又需要散热。
因此，反应釜必须配备有加热和冷却的装置，以利维持最佳的工艺条件，取得最好的反应效果。
反应釜的加热和冷却有多种方式，除最常用的夹套和蛇管外，还有釜式换热器和电感应加热等。
其中以夹套和蛇管两种传热方式使用最为广泛。
本设计先采用夹套传热，当需要的传热面积较大，而夹套传热不能满足时，再采用蛇管传热。
夹套是在釜体的外侧用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与釜体外壁形成密闭的空间，在此空间内通入加热或冷却介质，可加热或冷却反应釜内的物料。
夹套的主要结构形式有整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等，其适用的温度和压力不同。
本设计采用整体夹套。
而整体夹套的形式又包括圆筒形、U型、分段式、全包式夹套，本设计采用U型夹套。
4.1夹套DN、PN
表4-1夹套直径与筒体直径的关系
Di（mm）
500~600
700~1800
2000~3000
3000~4000
4000~5000
Dj（mm）
Di+50
Di+100
Di+200
Di+300
Di+400
由于Di=3800mm，则Dj=Di+300=4100mm，即夹套的公称直径为DN=4100mm。
由设备设计条件单知，夹套内介质的工作压力为常压，取。
4.2夹套筒体高度Hj
夹套筒体高度Hj主要由传热面积确定，一般不低于料液高度，以保证充分传热。
根据装料系数、操作体积,夹套筒体高度Hj可由估算。
带入数据计算得：
圆整后，取Hj=2.6m。
4.3夹套筒体壁厚
时水的蒸气压力为，因为夹套的压力＜0.3，所以需要根据刚度条件设计筒体的最小壁厚。
由于＝2800＜3800，取，另外加上（钢板负偏差），（腐蚀裕量）。
，根据工程要求圆整后取厚的钢板。
4.4夹套封头
夹套的封头选标准椭球型，内径与筒体相同（＝2800）。
代号EHA，标准JB/T4746—2002。
因为为常压＜0.3，所以需要根据刚度条件设计封头的最小壁厚。
由于＝2800＜3800，取
且不小于3，另外加上（钢板负偏差），（腐蚀余量）。
，圆整后壁厚，采用为封头材料。
根据中JB/T4746—2002推荐：
当DN<
2000时，封头直边高度；
当DN>
2000时，直边高度。
本设计中DN=2600>
2000，则取。
根据DN，，查表可得：
封头，容积。
封头标准为：
EHA2800×
28-JB/T4746.
4.5传热面积校核
釜体下封头的内表面积，，由于筒体高度，则筒体内表面积。
则总换热面
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