乙酸乙酯間歇反應釜課程設計.doc

乙酸乙酯間歇反應釜工藝設計說明書目錄前言3摘要4一設計條件和任務5二.工藝設計61. 原料的處理量72. 原料液起始濃度73. 反應時間84. 反應體積8三. 熱量核算91. 物料衡算92. 能量衡算93. 換熱設計12四. 反應釜釜體設計131. 反應器的直徑和高度132. 筒體的壁厚143. 釜體封頭厚度15五. 反應釜夾套的設計151. 夾套DN、PN的確定152. 夾套筒體的壁厚163. 夾套筒體的高度164. 夾套的封頭厚度16六. 攪拌器的選型171. 攪拌槳的尺寸及安裝位置182. 攪拌功率的計算183. 攪拌軸的的初步計算19結論19主要符號一覽表20總結21參考書目22前言反應工程課程設計是化工設備機械基礎和反應工程課程教學中綜合性和實踐性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是學生體察工程實際問題復雜性，學習初次嘗試反應釜機械設計?；ぴO計不同于平時的作業(yè)，在設計中需要同學獨立自主的解決所遇到的問題、自己做出決策，根據(jù)老師給定的設計要求自己選擇方案、查取數(shù)據(jù)、進行過程和設備的設計計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復的比較分析，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計。反應工程是培養(yǎng)學生設計能力的重要實踐教學環(huán)節(jié)。在教師指導下，通過裸程設計，培養(yǎng)學生獨立地運用所學到的基本理論并結合生產(chǎn)實際的知識，綜合地分析和解決生產(chǎn)實際問題的能力。因此，當學生首次完成該課程設計后，應達到一下幾個目的：1、 熟練掌握查閱文獻資料、收集相關數(shù)據(jù)、正確選擇公式，當缺乏必要的數(shù)據(jù)時，尚需要自己通過實驗測定或到生產(chǎn)現(xiàn)場進行實際查定。2、 在兼顧技術先進性、可行性、經(jīng)濟合理的前提下，綜合分析設計任務要求，確定化工工藝流程，進行設備選型，并提出保證過程正常、安全可行所需的檢測和計量參數(shù)，同時還要考慮改善勞動條件和環(huán)境保護的有效措施。3、 準確而迅速的進行過程計算及主要設備的工藝設計計算及選型。4、 用精煉的語言、簡潔的文字、清晰地圖表來表達自己的設計思想和計算結果?；ぴO備機械基礎課程設計是一項很繁瑣的設計工作，而且在設計中除了要考慮經(jīng)濟因素外，環(huán)保也是一項不得不考慮的問題。除此之外，還要考慮諸多的政策、法規(guī)，因此在課程設計中要有耐心，注意多專業(yè)、多學科的綜合和相互協(xié)調(diào)。摘要本選題為年產(chǎn)量為年產(chǎn)7100T的間歇釜式反應器的設計。通過物料衡算、熱量衡算，反應器體積為、換熱量為。設備設計結果表明，反應器的特征尺寸為高3380mm，直徑3200mm，壁厚8mm，封頭壁厚8mm；夾套的特征尺寸為高2590mm，內(nèi)徑為3400mm壁厚8mm，封頭壁厚8mm。還對塔體等進行了輔助設備設計，換熱則是通過夾套完成。攪拌器的形式為圓盤式攪拌器，攪拌軸直徑60mm。在此基礎上繪制了設備條件圖。本設計為間歇釜式反應器的工業(yè)設計提供較為詳盡的數(shù)據(jù)與圖紙。一設計條件和任務一、設計目的和要求通過課程設計，要求更加熟悉工程設計基本內(nèi)容 ，掌握化學反應器設計的主要程序及方法，鍛煉和提高學生綜合運用理論知識和技能的能力、獨立工作和創(chuàng)新能力二、設計題目和內(nèi)容 設計題目：年產(chǎn)量為年產(chǎn)7100T的間歇釜式反應器的設計乙酸乙酯酯化反應的化學式為：CH3COOH+C2H5OH=CH3COOC2H5+H2OA B R S原料中反應組分的質(zhì)量比為：A：B：S=1：2：1.35，反應液的密度為1020Kg/m3，并假定在反應過程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時間為1h，每天計24h每年300d每年生產(chǎn)7200h。反應在100下等溫操作，其反應速率方程如下rR=k1(CACBCRCS/K) 100時，k1=4.7610-6L/(molmin),平衡常數(shù)K=2.92。乙酸的轉化率=0.4，反應器的填充系數(shù)f=0.8，為此反應設計一個反應器。二.工藝設計工藝流程圖1. 原料的處理量根據(jù)乙酸乙酯的產(chǎn)量可計算出每小時的乙酸用量為由于原料液反應組分的質(zhì)量比為：A：B：S=1：2：1.35則 單位時間的處理量2. 原料液起始濃度乙醇和水的起始濃度將速率方程變換成轉化率的函數(shù) 將以上各式代人rR=k1(cAcBcRcS/K)中得整理得 其中：3. 反應時間由得即 整理得 積分得 因為故 上式積分為 =153min4. 反應體積反應器的實際體積三. 熱量核算1. 物料衡算根據(jù)乙酸的每小時進料量為，再根據(jù)它的轉化率和反應物的初始質(zhì)量比算出各種物質(zhì)的進料和出料量：結果匯總如下表：物質(zhì)進料出料乙酸28.01516.81乙醇73.0861.88乙酸乙酯011.21水126.07137.282. 能量衡算熱量衡算總式：式中：進入反應器無聊的能量， ：化學反應熱，：供給或移走的熱量，外界向系統(tǒng)供熱為正，系統(tǒng)向外界移去熱量為負，：離開反應器物料的熱量，每摩爾各種物值在不同條件下的值:對液相查得， 各種液相物質(zhì)的熱容參數(shù)如下表液相物質(zhì)的熱容參數(shù)物質(zhì)AB103C106乙醇100.92-111.839498.54乙酸155.48-326.595744.199乙酸乙酯162.99-201.054777.283由于乙醇，乙酸乙酯，乙酸的沸點分別為78.5，77.3和118，所以：乙醇的值 乙酸的值 乙酸乙酯的值 水的值查得，對氣相各種氣象物質(zhì)的參數(shù)如下表氣相物質(zhì)的熱容參數(shù)物質(zhì)AB103C106D1010乙醇6.296231.501-118.558222.183乙酸乙酯24.673328.226-98.4119-203.815乙醇的值 乙酸乙酯的值 每摩爾物質(zhì)在100下的焓值(1) 每摩爾水的焓值 (2) 每摩爾的乙醇的焓值 (3) 每摩爾乙酸的焓值 (4) 每摩爾乙酸乙酯的焓值 總能量衡算 （2）的計算 （3）的計算 因為>0,說明反應吸熱故，有 求得：=764803.89>0，故應是外界向系統(tǒng)供熱。3. 換熱設計換熱采用夾套加熱，設夾套內(nèi)的過熱水蒸氣由130降到110，溫差為20。水蒸氣的用量忽略熱損失，則水的用量為四. 反應釜釜體設計1. 反應器的直徑和高度在已知攪拌器的操作容積后，首先要選擇罐體適宜的高徑比（H/Di），以確定罐體的直徑和高度。選擇罐體高徑比主要考慮以下兩方面因數(shù)：1、 高徑比對攪拌功率的影響：在轉速不變的情況下，（其中D攪拌器直徑，P攪拌功率），P隨釜體直徑的增大，而增加很多，減小高徑比只能無謂地消耗一些攪拌功率。因此一般情況下，高徑比應選擇大一些。2、 高徑比對傳熱的影響：當容積一定時，H/Di越高，越有利于傳熱。高徑比的確定通常采用經(jīng)驗值表種類罐體物料類型H/Di一般攪拌釜液固或液液相物料11.3氣液相物料12發(fā)酵罐類氣液相物料1.72.5假定高徑比為H/Di=1.2，先忽略罐底容積代入數(shù)據(jù)得 取標準標準橢球型封頭參數(shù)公稱直徑（mm）曲面高度（mm）直邊高度（mm）內(nèi)表面積（m2）容積（m3）32008004011.54.61筒體的高度釜體高徑比的復核，滿足要求2. 筒體的壁厚設計參數(shù)的確定 反應器內(nèi)各物質(zhì)的飽和蒸汽壓物質(zhì)水乙酸乙醇乙酸乙酯飽和蒸汽壓（MPa）0.1430.080.3160.272該反應釜的操作壓力必須滿足乙醇的飽和蒸汽壓所以取操作壓力P=0.4MPa，取反應器的設計壓力Pc=1.1P=1.10.4MPa=0.44MPa該反應釜的操作溫度為100，設計溫度為120。材質(zhì)選用16MnR，16MnR材料在120是的許用應力t=147MPa取焊縫系數(shù)=1.0（雙面對接焊，100無損探傷）腐蝕裕量C2=2mm根據(jù)式 得 考慮到鋼板厚度負偏差圓整后，取水壓試驗水壓試驗時的應力為 取代入得 16MnR的屈服極限水壓試驗時滿足強度要求。水壓試驗的操作過程：在保持釜體表面干燥的條件下，首先用水將釜體內(nèi)的空氣排空，再將水的壓力緩慢升至0.55MPa，保壓不低于30min，然后將壓力緩慢降至0.44MPa，保壓足夠長時間，檢查所有焊縫和連接部位有無泄露和明顯的殘留變形。若質(zhì)量合格，緩慢降壓將釜體內(nèi)的水排凈，用壓縮空氣吹干釜體。若質(zhì)量不合格，修補后重新試壓直至合格為止。水壓試驗合格后再做氣壓試驗。3. 釜體封頭厚度設計厚度 考慮到鋼板厚度負偏差圓整后，取五. 反應釜夾套的設計1. 夾套DN、PN的確定由夾套的筒體內(nèi)徑與釜體內(nèi)徑之間的關系可知：由設備設計條件可知，夾套內(nèi)介質(zhì)的工作壓力為常壓，取PN=0.25MPa2. 夾套筒體的壁厚由于壓力不高所以夾套的材料選用Q235B卷制，Q235B材料在120是的許用應力t=113MPa取焊縫系數(shù)=1.0（雙面對接焊，100無損探傷）腐蝕裕量C2=2mm設計厚度 考慮到鋼板厚度負偏差圓整后，取按鋼制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取3. 夾套筒體的高度4. 夾套的封頭厚度夾套的下封頭選標準橢球封頭，內(nèi)徑與筒體（）相同。夾套的上封頭選帶折邊形的封頭，且半錐角。計算厚度考慮到鋼板厚度負偏差圓整后，取按鋼制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取帶折邊錐形封頭的壁厚考慮到風頭的大端與夾套筒體對焊，小端與釜體筒體角焊，因此取封頭的壁厚與夾套筒體壁厚一致，即水壓試驗水壓試驗時的應力為 ，且不得小于（P+0.1）=0.35MPa所以取代入得 Q235B的屈服極限水壓試驗時滿足強度要求。水壓試驗的操作過程：在保持釜體表面干燥的條件下，首先用水將釜體內(nèi)的空氣排空，再將水的壓力緩慢升至0.35MPa，保壓不低于30min，然后將壓力緩慢降至0.275MPa，保壓足夠長時間，檢查所有焊縫和連接部位有無泄露和明顯的殘留變形。若質(zhì)量合格，緩慢降壓將釜體內(nèi)的水排凈，用壓縮空氣吹干釜體。若質(zhì)量不合格，修補后重新試壓直至合格為止。水壓試驗合格后再做氣壓試驗。六. 攪拌器的選型攪拌設備規(guī)模、操作條件及液體性質(zhì)覆蓋面非常廣泛，選型時考慮的因素很多，但主要考慮的因素是介質(zhì)的黏度、攪拌過程的目的和攪拌器能造成的流動形態(tài)。同一攪拌操作可以用多種不同構型的攪拌設備來完成，但不同的實施方案所需的設備投資和功率消耗是不同的，甚至會由成倍的差別。為了經(jīng)濟高效地達到攪拌的目的，必須對攪拌設備作合理的選擇。根據(jù)介質(zhì)黏度由小到大，各種攪拌器的選用順序是推進式、渦輪式、槳式、錨式和螺帶式。根據(jù)攪拌目的選擇攪拌器的類型：均相液體的混合宜選推進式，器循環(huán)量大、耗能低。制乳濁液、懸浮液或固體溶解宜選渦輪式，其循環(huán)量大和剪切強。氣體吸收用圓盤渦輪式最適宜，其流量大、剪切強、氣體平穩(wěn)分散。對結晶過程，小晶粒選渦輪式，大晶粒選槳葉式為宜。根據(jù)以上本反應釜選用圓盤式攪拌器。1. 攪拌槳的尺寸及安裝位置葉輪直徑與反應釜的直徑比一般為0.2 0.5，一般取0.33，所以葉輪的直徑，??；葉輪據(jù)槽底的安裝高度；葉輪的葉片寬度，??；葉輪的葉長度，?。灰后w的深度；擋板的數(shù)目為4，垂直安裝在槽壁上并從槽壁地延伸液面上，擋板寬度槳葉數(shù)為6，根據(jù)放大規(guī)則，葉端速度設為4.3m/s,則攪拌轉速為：，取2. 攪拌功率的計算采用永田進治公式進行計算：13由于數(shù)值很大，處于湍流區(qū)，因此，應該安裝擋板，一消除打旋現(xiàn)象。功率計算需要知到臨界雷諾數(shù)，用代替進行攪拌功率計算?？梢圆楸砩贤牧饕粚恿鞔蟮霓D折點得出。查表知： 所以功率：，取3. 攪拌軸的的初步計算攪拌軸直徑的設計（1）電機的功率P27KW，攪拌軸的轉速n=90r/min，根據(jù)文獻，取用材料為1Cr18Ni9Ti ，剪切彈性模量，許用單位扭轉角1/m。由得：利用截面法得：由 得：攪拌軸為實心軸，則： ?。?）攪拌軸剛度的校核：由 剛度校核必須滿足： ，即：所以攪拌軸的直徑取60mm滿足條件。攪拌抽臨界轉速校核計算由于反應釜的攪拌軸轉速，故不作臨界轉速校核計算。聯(lián)軸器的型式及尺寸的設計由于選用擺線針齒行星減速機，所以聯(lián)軸器的型式選用立式夾殼聯(lián)軸節(jié)（D型）。標記為：40 HG 2157095。結論依據(jù)GB150-1988鋼制壓力容器，反應器尺寸為體積為，反應釜高為3380mm，內(nèi)徑3200mm，達到實際要求，完成設計任務。主要符號一覽表V反應釜的體積t反應時間cA0反應物A的起始濃度cB0反應物的B起始濃度cS0反應物S的起始濃度f反應器的填充系數(shù)Di反應釜的內(nèi)徑H反應器筒體的高度h2封頭的高度P操作壓力Pc設計壓力取焊縫系數(shù)t鋼板的許用應力C1鋼板的負偏差C2鋼板的腐蝕裕量S筒壁的計算厚度Sn筒壁的名義厚度Hj反應器夾套筒體的高度v封頭的體積PT水壓試驗壓力Dj夾套的內(nèi)徑Q乙酸的用量Q0單位時間的處理量總結在為期兩周的設計里，在此課程設計過程中首先要感謝老師，在這次課程設計中給予我們的指導，由于是初次做反應工程課程設計，所以，再設計整個過程中難免遇到這樣那樣的難題不知該如何處理，幸好有陳湘耐心教誨，給予我們及時必要的指導，在此向陳老師表最誠摯的感謝！從陳老師開始說要在做課程設計開始，我就一直擔心我到最后交不了稿，因為這都到期末了，有很多門專業(yè)課要考試，必須花上大量的時間復習，加上前面我們做了一個化工原理的課程設計，知道里面有很多需要查閱的東西，所以天天就一直在想到底是復習還是做課程設計。知道今天為止，我終于兩不誤，把兩樣事情都順利地完成了。課程設計不同于書本理論知識的學習，有些問題是實際實踐過程中的，無法用理論推導得到，因此不免過程中有很多困難，但通過與同學的交流和探討，查閱文獻資料，查閱互聯(lián)網(wǎng)以及在陳老師的指導幫助下，問題都得到很好的解決。這讓我深深意識到自己知識體系的漏洞，自己知識體系的不足，但同時也深刻體會到同學間的團結互助的精神。通過此次課程設計，使我查閱文獻的能力和對數(shù)據(jù)的選擇判斷能力得到了很好的鍛煉，同時我也意識到自己應該把所學到的知識應用到設計中來。這次的課程設計讓我對某些反應工程的理論有了更加深入的了解，同時在具體的設計過程中我發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在書本上的知識與實際的應用存在著不小的差距，書本上的知識很多都是理想化后的結論，忽略了很多實際的因素，或者涉及的不全面，可在實際的應用時這些是不能被忽略的，我們不得不考慮這方的問題，這讓我們無法根據(jù)書上的理論就輕易得到預想中的結果，有時結果甚至很差別很大。通過這次設計使我更深刻的體會到了理論聯(lián)系實際的重要性，我們在今后的學習工作中會更加的注重實際。同時在設計中同學之間的相互幫助，相互交流，認識的進一步加深，對設計中遇到的問題進行討論，使彼此的設計更加完善，對設計的認識更加深刻。在此再次感謝我各位親愛的同學們。由于首次做反應釜設計，過程中難免疏忽與錯誤，感謝有關老師同學能及時給予指出。參考書目1 譚蔚主編.化工設備設計基礎M天津：天津大學出版社，2008.42 柴誠敬主編.化工原理上冊M，北京：高等教育出版社，2008.93 李少芬主編.反應工程M，北京：化學工業(yè)出版社，2010.24 王志魁編.化工原理M. 北京: 化學工業(yè)出版社，2006.5 陳志平, 曹志錫編. 過程設備設計與選型基礎M. 浙江: 浙江大學出版社. 2007.6 金克新, 馬沛生編. 化工熱力學M, 北京: 化學工業(yè)出版社. 20037 涂偉萍, 陳佩珍, 程達芳編. 化工過程及設備設計M. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2000.8 匡國柱，史啟才編. 化工單元過程及設備課程設計M. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005.9 陳國恒編. 化工機械基礎M. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2011.1110 管國鋒，趙汝編.化工原理M. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2008.11 朱有庭, 曲文海編.化工設備設計手冊M. 化學工業(yè)出版社, 2004.12 丁伯民, 黃正林編.化工容器M. 化學工業(yè)出版社. 2003. 13 王凱, 虞軍編.攪拌設備M. 北京: 化學工業(yè)出版社. 2003.22