乙酸乙酯间歇反应釜课程设计.docx
《乙酸乙酯间歇反应釜课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《乙酸乙酯间歇反应釜课程设计.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
乙酸乙酯间歇反应釜课程设计
乙酸乙酯间歇反应釜
工
艺
设
计
说
明
书
前言3
摘要4
一.设计条件与任务5
二、工艺设计6
1、原料得处理量7
2、原料液起始浓度7
3、反应时间8
4、反应体积8
三、热量核算9
1、物料衡算9
2、能量衡算9
3、换热设计12
四、反应釜釜体设计13
1、反应器得直径与高度13
2、筒体得壁厚14
3、釜体封头厚度15
五、反应釜夹套得设计15
1、夹套DN、PN得确定15
2、夹套筒体得壁厚16
3、夹套筒体得高度16
4、夹套得封头厚度16
六、搅拌器得选型17
1、搅拌桨得尺寸及安装位置18
2、搅拌功率得计算18
3、搅拌轴得得初步计算19
结论19
主要符号一览表20
总结21
参考书目22
前言
反应工程课程设计就是《化工设备机械基础》与《反应工程》课程教学中综合性与实践性较强得教学环节,就是理论联系实际得桥梁,就是学生体察工程实际问题复杂性,学习初次尝试反应釜机械设计。
化工设计不同于平时得作业,在设计中需要同学独立自主得解决所遇到得问题、自己做出决策,根据老师给定得设计要求自己选择方案、查取数据、进行过程与设备得设计计算,并要对自己得选择做出论证与核算,经过反复得比较分析,择优选定最理想得方案与合理得设计。
反应工程就是培养学生设计能力得重要实践教学环节。
在教师指导下,通过裸程设计,培养学生独立地运用所学到得基本理论并结合生产实际得知识,综合地分析与解决生产实际问题得能力。
因此,当学生首次完成该课程设计后,应达到一下几个目得:
1、熟练掌握查阅文献资料、收集相关数据、正确选择公式,当缺乏必要得数据时,尚需要自己通过实验测定或到生产现场进行实际查定。
2、在兼顾技术先进性、可行性、经济合理得前提下,综合分析设计任务要求,确定化工工艺流程,进行设备选型,并提出保证过程正常、安全可行所需得检测与计量参数,同时还要考虑改善劳动条件与环境保护得有效措施。
3、准确而迅速得进行过程计算及主要设备得工艺设计计算及选型。
4、用精炼得语言、简洁得文字、清晰地图表来表达自己得设计思想与计算结果。
化工设备机械基础课程设计就是一项很繁琐得设计工作,而且在设计中除了要考虑经济因素外,环保也就是一项不得不考虑得问题。
除此之外,还要考虑诸多得政策、法规,因此在课程设计中要有耐心,注意多专业、多学科得综合与相互协调。
摘要
本选题为年产量为年产7100T得间歇釜式反应器得设计。
通过物料衡算、热量衡算,反应器体积为、换热量为。
设备设计结果表明,反应器得特征尺寸为高3380mm,直径3200mm,壁厚8mm,封头壁厚8mm;夹套得特征尺寸为高2590mm,内径为3400mm壁厚8mm,封头壁厚8mm。
还对塔体等进行了辅助设备设计,换热则就是通过夹套完成。
搅拌器得形式为圆盘式搅拌器,搅拌轴直径60mm。
在此基础上绘制了设备条件图。
本设计为间歇釜式反应器得工业设计提供较为详尽得数据与图纸。
一.设计条件与任务
一、设计目得与要求
通过课程设计,要求更加熟悉工程设计基本内容,掌握化学反应器设计得主要程序及方法,锻炼与提高学生综合运用理论知识与技能得能力、独立工作与创新能力
二、设计题目与内容
设计题目:
年产量为年产7100T得间歇釜式反应器得设计
乙酸乙酯酯化反应得化学式为:
CH3COOH+C2H5OH=====CH3COOC2H5+H2O
ABRS
原料中反应组分得质量比为:
A:
B:
S=1:
2:
1、35,反应液得密度为1020Kg/m3,并假定在反应过程中不变。
每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h,每天计24h每年300d每年生产7200h。
反应在100℃下等温操作,其反应速率方程如下
rR=k1（CACB－CRCS/K）
100℃时,k1=4、76×10-6L/（mol·min）,平衡常数K=2、92。
乙酸得转化率=0、4,反应器得填充系数f=0、8,为此反应设计一个反应器。
二、工艺设计
工艺流程图
1、原料得处理量
根据乙酸乙酯得产量可计算出每小时得乙酸用量为
由于原料液反应组分得质量比为:
A:
B:
S=1:
2:
1、35
则单位时间得处理量
2、原料液起始浓度
乙醇与水得起始浓度
将速率方程变换成转化率得函数
将以上各式代人rR=k1（cAcB－cRcS/K）中得
整理得
其中:
3、反应时间
由得
即
整理得
积分得
因为
故上式积分为
=153min
4、反应体积
反应器得实际体积
三、热量核算
1、物料衡算
根据乙酸得每小时进料量为,再根据它得转化率与反应物得初始质量比算出各种物质得进料与出料量:
结果汇总如下表:
物质
进料
出料
乙酸
28、015
16、81
乙醇
73、08
61、88
乙酸乙酯
0
11、21
水
126、07
137、28
2、能量衡算
热量衡算总式:
式中:
进入反应器无聊得能量,
:
化学反应热,
:
供给或移走得热量,外界向系统供热为正,系统向外界移去热量为负,
:
离开反应器物料得热量,
每摩尔各种物值在不同条件下得值:
对液相
查得,
各种液相物质得热容参数如下表
液相物质得热容参数
物质
A
B×103
C×106
乙醇
100、92
-111、839
498、54
乙酸
155、48
-326、595
744、199
乙酸乙酯
162、99
-201、054
777、283
由于乙醇,乙酸乙酯,乙酸得沸点分别为78、5℃,77、3℃与118℃,所以:
乙醇得值
乙酸得值
乙酸乙酯得值
水得值
查得,
对气相
各种气象物质得参数如下表
气相物质得热容参数
物质
A
B×103
C×106
D×1010
乙醇
6、296
231、501
-118、558
222、183
乙酸乙酯
24、673
328、226
-98、4119
-203、815
乙醇得值
乙酸乙酯得值
每摩尔物质在100℃下得焓值
（1）每摩尔水得焓值
（2）每摩尔得乙醇得焓值
（3）每摩尔乙酸得焓值
（4）每摩尔乙酸乙酯得焓值
总能量衡算
（2）得计算
（3）得计算
因为>0,说明反应吸热
故,有
求得:
=764803、89
>0,故应就是外界向系统供热。
3、换热设计
换热采用夹套加热,设夹套内得过热水蒸气由130℃降到110℃,温差为20℃。
水蒸气得用量
忽略热损失,则水得用量为
四、反应釜釜体设计
1、反应器得直径与高度
在已知搅拌器得操作容积后,首先要选择罐体适宜得高径比（H/Di）,以确定罐体得直径与高度。
选择罐体高径比主要考虑以下两方面因数:
1、高径比对搅拌功率得影响:
在转速不变得情况下,（其中D—搅拌器直径,P—搅拌功率）,P随釜体直径得增大,而增加很多,减小高径比只能无谓地消耗一些搅拌功率。
因此一般情况下,高径比应选择大一些。
2、高径比对传热得影响:
当容积一定时,H/Di越高,越有利于传热。
高径比得确定通常采用经验值表
种类
罐体物料类型
H/Di
一般搅拌釜
液—固或液—液相物料
1~1、3
气—液相物料
1~2
发酵罐类
气—液相物料
1、7~2、5
假定高径比为H/Di=1、2,先忽略罐底容积
代入数据得
取标准
标准椭球型封头参数
公称直径（mm）
曲面高度（mm）
直边高度（mm）
内表面积（m2）
容积（m3）
3200
800
40
11、5
4、61
筒体得高度
釜体高径比得复核
满足要求
2、筒体得壁厚
设计参数得确定
反应器内各物质得饱与蒸汽压
物质
水
乙酸
乙醇
乙酸乙酯
饱与蒸汽压（MPa）
0、143
0、08
0、316
0、272
该反应釜得操作压力必须满足乙醇得饱与蒸汽压所以取操作压力P=0、4MPa,取反应器得设计压力
Pc=1、1P=1、1×0、4MPa=0、44MPa
该反应釜得操作温度为100℃,设计温度为120℃。
材质选用16MnR,16MnR材料在120℃就是得许用应力[σ]t=147MPa
取焊缝系数φ=1、0（双面对接焊,100％无损探伤）
腐蚀裕量C2=2mm
根据式
得
考虑到钢板厚度负偏差圆整后,,取
水压试验
水压试验时得应力为
取
代入得
16MnR得屈服极限
水压试验时满足强度要求。
水压试验得操作过程:
在保持釜体表面干燥得条件下,首先用水将釜体内得空气排空,再将水得压力缓慢升至0、55MPa,保压不低于30min,然后将压力缓慢降至0、44MPa,保压足够长时间,检查所有焊缝与连接部位有无泄露与明显得残留变形。
若质量合格,缓慢降压将釜体内得水排净,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。
3、釜体封头厚度
设计厚度
考虑到钢板厚度负偏差圆整后,,取
五、反应釜夹套得设计
1、夹套DN、PN得确定
由夹套得筒体内径与釜体内径之间得关系可知:
由设备设计条件可知,夹套内介质得工作压力为常压,取PN=0、25MPa
2、夹套筒体得壁厚
由于压力不高所以夹套得材料选用Q235—B卷制,Q235—B材料在120℃就是得许用应力[σ]t=113MPa
取焊缝系数φ=1、0（双面对接焊,100％无损探伤）
腐蚀裕量C2=2mm
设计厚度
考虑到钢板厚度负偏差圆整后,,取
按钢制容中DN=3400mm得壁厚最小不得小于8mm所以取
3、夹套筒体得高度
4、夹套得封头厚度
夹套得下封头选标准椭球封头,内径与筒体（）相同。
夹套得上封头选带折边形得封头,且半锥角。
计算厚度
考虑到钢板厚度负偏差圆整后,,取
按钢制容中DN=3400mm得壁厚最小不得小于8mm所以取
带折边锥形封头得壁厚
考虑到风头得大端与夹套筒体对焊,小端与釜体筒体角焊,因此取封头得壁厚与夹套筒体壁厚一致,即
水压试验
水压试验时得应力为
且不得小于（P+0、1）=0、35MPa
所以取
代入得
Q235—B得屈服极限
水压试验时满足强度要求。
水压试验得操作过程:
在保持釜体表面干燥得条件下,首先用水将釜体内得空气排空,再将水得压力缓慢升至0、35MPa,保压不低于30min,然后将压力缓慢降至0、275MPa,保压足够长时间,检查所有焊缝与连接部位有无泄露与明显得残留变形。
若质量合格,缓慢降压将釜体内得水排净,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。
六、搅拌器得选型
搅拌设备规模、操作条件及液体性质覆盖面非常广泛,选型时考虑得因素很多,但主要考虑得因素就是介质得黏度、搅拌过程得目得与搅拌器能造成得流动形态。
同一搅拌操作可以用多种不同构型得搅拌设备来完成,但不同得实施方案所需得设备投资与功率消耗就是不同得,甚至会由成倍得差别。
为了经济高效地达到搅拌得目得,必须对搅拌设备作合理得选择。
根据介质黏度由小到大,各种搅拌器得选用顺序就是推进式、涡轮式、桨式、锚式与螺带式。
根据搅拌目得选择搅拌器得类型:
均相液体得混合宜选推进式,器循环量大、耗能低。
制乳浊液、悬浮液或固体溶解宜选涡轮式,其循环量大与剪切强。
气体吸收用圆盘涡轮式最适宜,其流量大、剪切强、气体平稳分散。
对结晶过程,小晶粒选涡轮式,大晶粒选桨叶式为宜。
根据以上本反应釜选用圆盘式搅拌器。
1、搅拌桨得尺寸及安装位置
叶轮直径与反应釜得直径比一般为0、2~0、5,一般取0、33,所以叶轮得直径
取;
叶轮据槽底得安装高度;
叶轮得叶片宽度,取;
叶轮得叶长度,取;
液体得深度;
挡板得数目为4,垂直安装在槽壁上并从槽壁地延伸液面上,挡板宽度
桨叶数为6,根据放大规则,叶端速度设为4、3m/s,则搅拌转速为:
取
2、搅拌功率得计算
采用永田进治公式进行计算:
[13]
由于数值很大,处于湍流区,因此,应该安装挡板,一消除打旋现象。
功率计算需要知到临界雷诺数,用代替进行搅拌功率计算。
可以查表上湍流一层流大得转折点得出。
查表知:
所以功率:
取
3、搅拌轴得得初步计算
搅拌轴直径得设计
（1）电机得功率P＝27KW,搅拌轴得转速n=90r/min,根据文献,取用材料为1Cr18Ni9Ti,,剪切弹性模量,许用单位扭转角＝1°/m。
由得:
利用截面法得:
由得:
搅拌轴为实心轴,则:
取
（2）搅拌轴刚度得校核:
由
刚度校核必须满足:
即:
所以搅拌轴得直径取＝60mm满足条件。
搅拌抽临界转速校核计算
由于反应釜得搅拌轴转速＜,故不作临界转速校核计算。
联轴器得型式及尺寸得设计
由于选用摆线针齿行星减速机,所以联轴器得型式选用立式夹壳联轴节（D型）。
标记为:
40HG21570—95。
结论
依据GB150-1988《钢制压力容器》,反应器尺寸为体积为,反应釜高为3380mm,内径3200mm,达到实际要求,完成设计任务。
主要符号一览表
V——反应釜得体积
t——反应时间
cA0——反应物A得起始浓度
cB0——反应物得B起始浓度
cS0——反应物S得起始浓度
f——反应器得填充系数
Di——反应釜得内径
H——反应器筒体得高度
h2——封头得高度
P——操作压力
Pc——设计压力
φ——取焊缝系数
[σ]t——钢板得许用应力
C1——钢板得负偏差
C2——钢板得腐蚀裕量
S——筒壁得计算厚度
Sn——筒壁得名义厚度
Hj——反应器夹套筒体得高度
v——封头得体积
PT——水压试验压力
Dj——夹套得内径
Q——乙酸得用量
Q0——单位时间得处理量
总结
在为期两周得设计里,在此课程设计过程中首先要感谢老师,在这次课程设计中给予我们得指导,由于就是初次做反应工程课程设计,所以,再设计整个过程中难免遇到这样那样得难题不知该如何处理,幸好有陈湘耐心教诲,给予我们及时必要得指导,在此向陈老师表最诚挚得感谢！
从陈老师开始说要在做课程设计开始,我就一直担心我到最后交不了稿,因为这都到期末了,有很多门专业课要考试,必须花上大量得时间复习,加上前面我们做了一个化工原理得课程设计,知道里面有很多需要查阅得东西,所以天天就一直在想到底就是复习还就是做课程设计。
知道今天为止,我终于两不误,把两样事情都顺利地完成了。
课程设计不同于书本理论知识得学习,有些问题就是实际实践过程中得,无法用理论推导得到,因此不免过程中有很多困难,但通过与同学得交流与探讨,查阅文献资料,查阅互联网以及在陈老师得指导帮助下,问题都得到很好得解决。
这让我深深意识到自己知识体系得漏洞,自己知识体系得不足,但同时也深刻体会到同学间得团结互助得精神。
通过此次课程设计,使我查阅文献得能力与对数据得选择判断能力得到了很好得锻炼,同时我也意识到自己应该把所学到得知识应用到设计中来。
这次得课程设计让我对某些反应工程得理论有了更加深入得了解,同时在具体得设计过程中我发现现在书本上得知识与实际得应用存在着不小得差距,书本上得知识很多都就是理想化后得结论,忽略了很多实际得因素,或者涉及得不全面,可在实际得应用时这些就是不能被忽略得,我们不得不考虑这方得问题,这让我们无法根据书上得理论就轻易得到预想中得结果,有时结果甚至很差别很大。
通过这次设计使我更深刻得体会到了理论联系实际得重要性,我们在今后得学习工作中会更加得注重实际。
同时在设计中同学之间得相互帮助,相互交流,认识得进一步加深,对设计中遇到得问题进行讨论,使彼此得设计更加完善,对设计得认识更加深刻。
在此再次感谢我各位亲爱得同学们。
由于首次做反应釜设计,过程中难免疏忽与错误,感谢有关老师同学能及时给予指出。
参考书目
[1]谭蔚主编、《化工设备设计基础》[M]天津:
天津大学出版社,2008、4
[2]柴诚敬主编、《化工原理》上册[M],北京:
高等教育出版社,2008、9
[3]李少芬主编、反应工程[M],北京:
化学工业出版社,2010、2
[4]王志魁编、《化工原理》[M]、北京:
化学工业出版社,2006、
[5]陈志平,曹志锡编、《过程设备设计与选型基础》[M]、浙江:
浙江大学出版社、2007、
[6]金克新,马沛生编、《化工热力学》[M],北京:
化学工业出版社、2003
[7]涂伟萍,陈佩珍,程达芳编、《化工过程及设备设计》[M]、北京:
化学工业出版社,2000、
[8]匡国柱,史启才编、《化工单元过程及设备课程设计》[M]、北京:
化学工业出版社,2005、
[9]陈国恒编、《化工机械基础》[M]、 北京:
化学工业出版社,2011、11
[10]管国锋,赵汝编、《化工原理》[M]、北京:
化学工业出版社,2008、
[11]朱有庭,曲文海编、《化工设备设计手册》[M]、化学工业出版社,2004、
[12]丁伯民,黄正林编、《化工容器》[M]、化学工业出版社、2003、
[13]王凯,虞军编、《搅拌设备》[M]、北京:
化学工业出版社、2003、
升级会员 