乙酸乙酯反應器設計

青 海 大 學 化工過程設備設計 設計說明書 設計題目：年產(chǎn)2.76103t乙酸乙酯反應器設計 班 級：2013級化工2班 姓 名：鄔天貴 學 號：1320103130 前言乙酸乙酯，又稱醋酸乙酯，分子式C4H8O2。它是一種無色透明易揮發(fā)的可燃性液體，呈強烈清涼菠蘿香氣和葡萄酒香味。乙酸乙酯能很好的溶于乙醇、氯仿、乙醚、甘油、丙二醇和大多數(shù)非揮發(fā)性油等有機溶劑中，稍溶于水，25時，1ml乙酸乙酯可溶于10ml水中，而且在堿性溶液中易分解成乙酸和乙醇。水能使其緩慢分解而呈酸性。乙酸乙酯與水和乙醇都能形成二元共沸混合物，與水形成的共沸物沸點為70.4，其中含水量為6.1%（質(zhì)量分數(shù)）。與乙醇形成的共沸物沸點為71.8。還與7.8%的水和9.0%的乙醇形成三元共沸物，其沸點為70.2。乙酸乙酯應用最廣泛的脂肪酸酯之一，具有優(yōu)良的溶解性能，是一種較好的工業(yè)溶劑，已經(jīng)被廣泛應用于醋酸纖維、乙基纖維、氯化橡膠、乙醛纖維樹脂、合成橡膠等的生產(chǎn)，也可用于生產(chǎn)復印機用液體硝基纖維墨水，在紡織工業(yè)中用作清洗劑，在食品工業(yè)中用作特殊改性酒精的香味萃取劑，在香料工業(yè)中是最重要的香味添加劑，可作為調(diào)香劑的組分，乙酸乙酯也可用作黏合劑的溶劑，油漆的稀釋劑以及作為制造藥物、染料等的原料。目前，國內(nèi)外市場需求不斷增加。在人類不斷注重環(huán)保的今天，在涂料油墨生產(chǎn)中采用高檔溶劑是大勢所趨。作為高檔溶劑，乙酸乙酯在國內(nèi)外的應用在持續(xù)穩(wěn)定的增長，在建筑、汽車等行業(yè)的迅速發(fā)展，也會帶動對乙酸乙酯類溶劑的需求。工業(yè)生產(chǎn)技術目前全球乙酸乙酯工業(yè)生產(chǎn)方法主要有醋酸酯化法、乙醛縮合法、乙醇脫氫法和乙烯加成法等。傳統(tǒng)的醋酸酯化法工藝在國外被逐步淘汰，而大規(guī)模生產(chǎn)裝置主要采用后三種方法，其中新建裝置多采用乙烯加成法。本設計采用醋酸酯化法。醋酸酯化法在硫酸催化劑作用下，醋酸和乙醇直接酯化生成乙酸乙酯。該工藝方法技術成熟，投資少，操作簡單，但缺點是生產(chǎn)成本高、硫酸對設備腐蝕性強、副反應多、產(chǎn)品處理困難、環(huán)境污染嚴重。目前我國大多數(shù)企業(yè)仍采用醋酸酯化法生產(chǎn)乙酸乙酯。目錄一、工藝設計1 1.1原料液的處理量1 1.2原料液的起始濃度1 1.3反應時間與反應體積1二、物料衡算2三、熱量衡算3 3.1標準反應熱3 3.2熱量衡算3 3.3換熱計算5四、反應釜釜體設計5 4.1反應器的直徑與高度5 4.2筒體的壁厚7 4.3反應釜封頭厚度8五、反應釜夾套設計8 5.1夾套DN、PN的確定8 5.2夾套筒體的壁厚9 5.3夾套筒體的高度10 5.4夾套的封頭10 5.5換熱面積校核10六、反應釜釜體及夾套壓力試驗10 6.1釜體的水壓試驗11 6.2夾套的液壓試驗11七、攪拌器12 7.1攪拌槳的尺寸與安裝位置13 7.2攪拌功率的計算14 7.3攪拌軸直徑設計15八、反應釜附件的選型與尺寸設計17 8.1原料液進料管17 8.2人孔與手孔17 8.3支座17 8.4傳動裝置17 8.5機架189、 設計結果一覽表1810、 設計心得20 參考文獻21一、工藝設計1.1原料液的處理量 根據(jù)乙酸乙酯的產(chǎn)量可計算出每小時乙酸用量為 Q=11.285kmol/h由于原料液的組分質(zhì)量比為1:2:1.35所以單位時間處理量為 Q0=2.888m3/h1.2原料液的起始濃度CA0=3.908mol/L有質(zhì)量比可得乙醇和水的起始濃度 CB0=10.195mol/L CS0=17.586mol/L1.3反應時間與反應體積將速率方程轉換成轉化率的函數(shù) CA=CA0(1-XA) CB=CB0-CA0XA CR=CA0XA CS=CS0+CA0XA RA=k1(a+bXA+cXA2)CA02=k1XA2-(1+)XA+CA02 由上式可得 a=2.609 b=-(1+)=-5.15 c=0.658所以：=4.434則：t=143.8min 所以：VR=Q0(t+t0)=9.328m3實際體積Vt=15.547m3 （對于沸騰或鼓泡的液體物料，f可取0.40.6 化學反應工程）二、物料衡算乙酸每小時進料量為11.285kmol/h，根據(jù)乙酸的轉化率和反應物的初始質(zhì)量比計算出各物料的進料和出料量。進料：乙醇：Q0=29.439kmol/h乙酸乙酯：Q0=0kmol/h水：Q0=50.783kmol/h出料：乙酸：Q=11.285-11.2850.386=6.929kmol/h乙醇：Q=29.439-11.2850.386=25.083kmol/h乙酸乙酯：Q=11.2850.386=4.356kmol/h水：Q=50.783+11.2850.386=55.139kmol/h列表如下： 物料 進料kmol/h 出料kmol/h 乙酸 11.285 6.929 乙醇 29.439 25.083 乙酸乙酯 0 4.356 水 50.783 55.139三、熱量衡算3.1標準反應熱以第一基準為計算基準反應方程式：CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O H=+輸出niHi-輸入niHi各物質(zhì)的Hf0及HV(蒸發(fā)焓)查得如下：（由化工工藝設計手冊第四版上冊查得） 乙酸：Hf0=-487.0KJ/mol 乙醇：Hf0=-277.6KJ/mol HV=39.33KJ/mol乙酸乙酯：Hf0=-463.3KJ/mol HV=32.24KJ/mol水：Hf0=-285.9KJ/mol HV=40.63KJ/molHr0=輸出iHf0-輸入iHf0 =-（463.3+285.9）+（487.0+277.6）=15.4KJ/mol3.2熱量衡算從化工工藝設計手冊第四版上冊查出各組分在各溫度段的CP值，經(jīng)擬合呈線性關系，所以可用內(nèi)插法求得各物質(zhì)在反應溫度段下的平均CP值。擬合結果如下：乙酸：y=0.1015X+131.25 k2=0.9961 得CP=137.803J/(molk)乙醇：y液=0.4845X+98.9 k2=0.9942 得CP液=124.678J/(molk) y氣=0.1558X+61.593 k2=0.9998 得CP氣=75.390J/(molk)乙酸乙酯：y液=0.225X+164.8 k2=0.9681 得CP液=177.038J/(molk) y氣=0.272X+104.12 k2=0.9995 得CP氣=128.028J/(molk)水：y=0.0002X2-0.0136X+75.453 k2=0.9968 得CP=75.672J/(molk)因為進料溫度為25，所以輸入niHi=0，將上述CP值帶入計算各組分輸出焓值。 乙酸：H1=n液dt=7.161104KJ/h 乙醇：H2=n液dt+HV+氣dt=1.194106KJ/h 乙酸乙酯：H3=n液dt+HV+氣dt=1.934105KJ/h 水：H4=n(液dt+HV)=2.553106KJ/h 輸出niHi=4.012106KJ/hH總=4.35615.4103+4.012106-0=4.079106KJ/hH總>0，所以外界應向系統(tǒng)提供能量。3.3換熱計算換熱采用夾套加熱，設夾套內(nèi)的過熱水蒸氣由130降到110。溫差為20，忽略熱損失，則計算水蒸氣的用量如下：水蒸氣的比熱容CP0：Cp0=a+(b10-2)T+(c10-5)T2+(d10-9)T3其中a=7.7，b=0.0459，c=0.252，d=-0.859 （由化工計算查得）T1=130， T2=110， T=120計算得Cp0=7.7+0.180+0.389-0.052=8.217cal/(molk)由Q=m0Cp0(T1-T2)得m0=1.068105kg/h四、反應釜釜體設計4.1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素：1、 高徑比對攪拌功率的影響：在轉速不變的情況下，PDi3，其中攪拌功率P隨釜體直徑Di的增大，而增加很多，減小高徑比只能無畏的消耗一些攪拌功率。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越大，越有利于傳熱。 高徑比的確定通常采用經(jīng)驗值 種類 罐體物料類型H/Di 一般攪拌釜液固或液液相物料 氣液相物料 11.3 12 發(fā)酵罐類氣液相物料 1.72.5假設高徑比=1.3 先忽略罐底容積 VtDi2HDi315.547=Di31.3 Di=2.48m取標準Di=2.5m=2500mm 標準橢球形封頭設計參數(shù) 由化工制圖查得 公稱直徑mm總深度mm直邊高度mm內(nèi)表面積m2容積m32500665407.0892.242筒體的高度 H=2.711m=2710mm釜體高徑比的復核 =1.1所以，該設計滿足要求。4.2筒體壁厚的設計4.2.1設計參數(shù)的確定 110下反應器內(nèi)各物質(zhì)的飽和蒸氣壓化工熱力學 物質(zhì) 水 乙酸 乙醇 乙酸乙酯飽和蒸氣壓MPa 0.143 0.08 0.316 0.272該反應釜的操作壓力必須滿足乙醇的飽和蒸氣壓，所以取操作壓力P=0.4MPa，則取設計壓力PC=1.1P=0.44MPa。反應釜操作溫度為100，設計溫度取130。反應釜體材料選用Q345R。查化工設備機械基礎得該材料在130時的許用應力t=189MPa。焊縫系數(shù)取=1.0（雙面對接焊，100%無損探傷），腐蝕裕量C2=2mm。（取自化工設備機械基礎）4.2.2筒體的壁厚計算厚度=2.9134mm因為=2.9134min=3mm，min-C1所以取=3mm設計厚度d=+C2=3+2=5mm鋼板負偏差 C1=0.3mm （取自化工設備機械基礎）名義厚度n=d+C1+=5+0.3+=6mm有效厚度 e=n-C2-C1=3.7mm4.3釜體封頭厚度計算厚度=2.9117mm因為=2.9117min=3mm，min-C1所以取=3mm設計厚度d=+C2=3+2=5mm鋼板負偏差 C1=0.3mm （取自化工設備機械基礎）名義厚度n=d+C1+=5+0.3+=6mm5、 反應釜夾套設計 夾套是在釜體的外側用焊接或法蘭連接的方式裝設各種形狀的鋼結構，使其與釜體外壁形成密閉的空間，在此空間內(nèi)通入加熱或冷卻的介質(zhì)，可加熱或冷卻反應釜內(nèi)的物料。夾套的主要結構形式有整體夾套、半圓管夾套、和蜂窩夾套等，其適應的溫度和壓力不同。本設計采用整體夾套中的U型夾套。5.1夾套DN、PN的確定5.1.1夾套的DN夾套直徑與筒體直徑之間的關系Di /mm7001800200030003000400040005000Dj /mmDi+100Di+200Di+300Di+400由夾套的筒體內(nèi)徑與釜體筒體內(nèi)徑之間的關系可得：Dj=Di+200=2500+200=2700mm5.1.2夾套的PN有設計條件可知夾套內(nèi)介質(zhì)的工作壓力為常壓，故可取PN=0.25MPa，由于PN1.6MPa，所以可以選用Q235B為夾套的制作材料。查化工設備機械基礎得該材料在130時的許用應力t=110MPa，取焊縫系數(shù)=1.0（雙面對接焊，100%無損探傷），腐蝕裕量C2=2mm。5.2夾套筒體的壁厚計算厚度=3.0717mm設計厚度d=+C2=3.0717+2=5.0717mm鋼板負偏差 C1=0.3mm （取自化工設備機械基礎）名義厚度n=d+C1+=5.0717+0.3+=6mm有效厚度 e=n-C1-C2=6-0.3-2=3.7mm5.3夾套筒體的高度Hj=1.44m=1440mm5.4夾套的封頭封頭的厚度夾套的下封頭選用標準橢球形封頭，內(nèi)徑與筒體相同。夾套上封頭選帶折邊形的封頭，且半錐角=45。計算厚度=3.0699mm設計厚度d=+C2=3.0699+2=5.0699mm鋼板負偏差 C1=0.3mm （取自化工設備機械基礎）名義厚度n=d+C1+=5.0699+0.3+=6mm帶折邊錐形封頭的大端與夾套筒體對焊，小端與釜體筒體角焊，所以取封頭的壁厚與夾套筒體壁厚一致n=6mm5.5傳熱面積校核釜體下封頭的內(nèi)表面積FK=7.089m2，筒體高度H=2710mm，筒體內(nèi)經(jīng)Di=2500mm，筒體內(nèi)表面積F0=21.274m2?？偟膿Q熱面積F總=7.089+21.274=28.363m2六、反應釜釜體及夾套壓力試驗6.1釜體的水壓試驗6.1.1水壓試驗的壓力PT=1.25Pc=1.250.441=0.55MPa6.1.2強度校核T=185.54MPa查化工設備機械基礎得Q345R的屈服極限s=345MPa0.9s=0.91.0345=310.5MPa因為T=185.54MPa0.9s=310.5MPa所以水壓強度足夠6.1.3水壓試驗的操作過程在保持釜體表面干燥的情況下，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，保證不低于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漏和明顯的殘留變形。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實驗。6.2夾套的液壓試驗6.2.1水壓試驗的壓力PT=1.25Pc=1.250.251=0.31MPa因為0.31MPaP+0.1=0.35MPa，所以應取PT=0.35MPa6.2.2強度校核T=127.53MPa查化工設備機械基礎得Q235B的屈服極限s=235MPa0.9s=0.91.0235=211.5MPa因為T=127.53MPa0.9s=211.5MPa所以水壓強度足夠6.2.3水壓試驗的操作過程在保持夾套表面干燥的情況下，首先用水將夾套內(nèi)的空氣排空，再將水的壓力緩慢升至0.35MPa，保證不低于30min，然后將壓力緩慢降至0.25MPa，保壓足夠長時間，檢查所有焊縫和連接部位有無泄漏和明顯的殘留變形。若質(zhì)量合格，緩慢降壓將夾套內(nèi)的水排凈，用壓縮空氣吹干夾套。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實驗。七、攪拌器在反應釜中，為增快反應速率，強化傳質(zhì)或傳熱效果以及加強混合等作用，常裝有攪拌裝置，攪拌裝置通常包括攪拌器和攪拌軸。攪拌軸由電動機通過聯(lián)軸直接帶動或經(jīng)過減速機減速后間接帶動。攪拌設備規(guī)模、操作條件及液體性質(zhì)覆蓋面非常廣泛，選型時考慮的因素主要有兩方面。一是介質(zhì)的黏度，一是攪拌過程的目的和攪拌器能造成的流動形態(tài)。根據(jù)漿葉的結構，常用的攪拌器有：漿式、框式、錨式、渦輪式、推進式等。因為該攪拌器主要是為了實現(xiàn)物料的均相混合，所以，推進式、漿式、渦輪式等都可以選擇。本次設計選用渦輪式攪拌器。7.1攪拌槳的尺寸與安裝位置攪拌槳的葉輪直徑與反應釜的筒體直徑比一般為0.20.5，一般取為0.33，所以葉輪的直徑d=0.33Di=0.332500=825mm，取d=850mm由壓力容器與過程設備一書可查得：葉輪直徑d：葉輪葉長度l：葉輪葉片寬度W=20:5:4葉輪距槽底的安裝高度h1=0.71.6d則由上述數(shù)據(jù)可計算：葉輪的葉長度 l=0.25d=212.5mm，取l=220mm葉輪的葉片寬度 W=0.2d=170mm葉輪距槽底的安裝高度h1=1.0d=850mm擋板數(shù)目設計為6個，垂直安裝在槽壁上并從槽壁延伸至液面上，擋板寬度一般可取容器直徑的0.1倍Wb=0.1Di=250mm槳葉數(shù)設計為6片，葉端速度設計為4.0m/s（中度攪拌），則攪拌器的轉速為：n=1.50r/s為了消除可能出現(xiàn)的打旋現(xiàn)象，強化傳質(zhì)和傳熱，安裝6片寬度為0.25m的擋板，全擋板的條件判斷如下：()1.2nb=0.3790.35所以，符合全擋板條件7.2攪拌功率的計算由化工原理第三版上冊計算方法計算。由化工原理第二版上冊查得各物質(zhì)的黏度計算公式=ATBlg=A+B/(C-T) 物料 A B C 乙醇-5.5972-846.95-24.124 乙酸1.2106106-3.6612 乙酸乙酯-4.8721-452.07-3.4748各物料的黏度計算結果如下乙醇=0.343mPa/s乙酸=0.465mPa/s乙酸乙酯=0.213mPa/s水=0.2838mPa/s （直接可查得）對于非締合液體混合物的黏度，可采用下式計算： lgm=Xilgi反應之前: lgm1=lg0.465+lg0.343+lg0.2838 =-0.0410-0.1495-0.3036=-0.4941m1=0.321mPa/s反應之后：lgm2=lg0.465+lg0.343+lg0.2838+lg0.213=-0.0252-0.1274-0.3332-0.0320=-0.5178m2=0.304mPa/s平均黏度 m=（m1+m2）/2=0.3125mPa/s雷諾準數(shù)Re=3.537106由于Re很大，處于湍流區(qū)，所以應該安裝擋板以消除打旋現(xiàn)象。由壓力容器與過程設備查得，當Re=3.537106時，NP=6.0則，攪拌功率為：P=NPn3d5=9.16KW10KW7.3攪拌軸直徑的設計7.3.1攪拌軸的選材與直徑的計算攪拌軸材料一般是經(jīng)過軋制或鍛造經(jīng)切削加工的碳素鋼或合金鋼，對于直徑較小的軸，可用圓鋼制造。本設計中軸不是很大，所以可以選用圓鋼制造的軸。奧氏體型不銹耐酸鋼有較高的抗晶間腐蝕能力，對一些有機酸和無機酸具有良好的耐腐蝕性能。本設計中的物料中有乙酸，因此攪拌軸的材料選用奧氏體型不銹耐酸鋼1Cr18Ni9Ti。電動機的功率P=10KW，攪拌軸的轉速n=90r/min，材料選用1Cr18Ni9Ti，=25MPa，剪切彈性模量G=8.1104MPa，許用單位扭轉角=1o/m。外力矩： mNm=9.553103=955310/90=1061Nm利用截面法： MTmax=m=1061Nm由max=得WP1061/25=42440Nmm/MPa攪拌軸為實心軸，則抗扭截面模量為WP=0.2d342440d59.65 可取d=60mm7.3.2攪拌軸剛度的校核max=103IP=剛度校核必須滿足：max，即：d=52.60mm所以攪拌軸的直徑取d=60mm滿足要求。7.3.3攪拌軸臨界轉速校核由于攪拌軸的轉速取n=90r/min200r/min，故可以不作臨界轉速校核。八、反應釜附件的選型與尺寸設計8.1原料液進料管已知原料液每小時處理量為Q0=2.888m3/h，要求原料要在15分今晚，所以則Q0=2.8884=11.552m3/h設進料速率為u=1.5m/s，則進口管的直徑為：d=0.052m=52mm圓整后取d=55mm因此選用764mm的無縫鋼管。8.2人孔及手孔為檢查壓力容器在使用過程中是否出現(xiàn)問題，以及方便清潔和維修，壓力容器常常開設人孔或手孔。由化工設備機械基礎查得開設人孔或手孔的相關規(guī)定如下：Di/mm檢查孔最少數(shù)量 人孔 手孔300Di500手孔2個圓孔75、長圓孔 7550500Di1000 Di1000 人孔1個，當容器無法開人孔時：手孔2個 圓形400、長圓形：400250、380280圓孔100、長圓孔 10080 圓孔150、長圓孔 150100所以，可開設人孔1個或手孔2個，尺寸見上表。8.3支座夾套反應釜采用立式安裝，采用耳式支座分為A型和B型兩種，此設備需要保溫110時選用B型。支座數(shù)設計為4個。8.4傳動裝置攪拌器有一定的轉速要求，這需電動機通過傳動裝置來實現(xiàn)。傳動裝置通常設置在反應釜的頂部，采用立式布置。電動機經(jīng)減速機將轉速減到工藝要求的攪拌轉速，再通過聯(lián)動機帶動攪拌軸旋轉。減速機下設機座，以便按在反應釜的封頭上。由于考慮到傳動裝置與軸封裝置安裝時要求保持一定的同心度以及裝卸維修的方便，常在封頭上焊接一個底座，整個傳動裝置連機座及軸封裝置儀器安裝在這底座上。8.5機架機架是用來支撐減速機和傳動軸的，軸承箱也歸屬于機架。機架有單支點機架和雙支點機架兩種。雙支點機架使用與攪拌軸載荷較大，對攪拌密封裝置要求較高的場合。對于中等載荷條件，且又可將減速機出軸的軸承作為另一個支點、或者在釜體內(nèi)設置有中間軸承且可作為一個支點時，可選用單支點機架。九、設計結果一覽表 項目 數(shù)值 操作壓力MPa0.4 設計壓力MPa0.44 操作溫度100 設計溫度130 設計體積m39.328 實際體積m315.547 反應釜體直徑mm2500 夾套筒體直徑mm2700 反應釜體高度mm2710 夾套筒體高度mm1440 反應釜體壁厚mm6 夾套壁厚mm6 反應釜體選材Q345R 夾套選材Q235B 傳熱量KJ/h4.079106 攪拌器葉輪直徑m0.85 攪拌器葉輪寬度m0.17 葉輪距槽底高度m0.85 葉輪轉速r/s1.5 攪拌軸直徑mm60 攪拌功率KW10 人孔400 1個十、設計心得本次課程設計主要是結合化學反應工程與化工設備機械基礎兩門課程的內(nèi)容與特點所進行的一次模擬設計。本次設計從理論結合實際，對我們的學習與知識的綜合運用有很大的幫助。同時，通過做課程設計，我們不僅熟練了本次課題的設計計算，而且通過分析課題、查閱資料、小組討論、方法比較等，讓我們對化工工藝設計有了初步的了解與認知。對我們養(yǎng)成獨立解決問題有極大的幫助，并為我們以后從事這個行業(yè)做好鋪墊。本次課程設計雖然在開始的時候遇到了很多困難，但通過和同學們的討論和溝通，我很快就可以基本解決這些問題。通過查閱資料，讓我對各種知識的運用與理解的能力有了顯著的提高。相較上兩次課程設計，本次課程設計完成的更完美、更成熟，而且讓我在設計方面的能力有了顯著的增長。為以后更好的適應工作與生活起了很大的作用。參考文獻1：化工原理第二版上冊2：化學反應工程第五版3：化工設備機械基礎第四版4：化工計算 化學工業(yè)出版社5：化工制圖第二版6：化工工藝設計手冊第四版上冊7：化工熱力學化學工業(yè)出版社8：化工原理第三版上冊