年產(chǎn)7200t乙酸乙酯間歇反應(yīng)釜設(shè)計

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年產(chǎn) 7200t 乙酸乙酯的工藝設(shè)計摘要：本選題為年產(chǎn)量為年產(chǎn) 6103T的間歇釜式反應(yīng)器的設(shè)計。通過物料衡算、熱量衡算，反應(yīng)器體積為 、換熱量為 。設(shè)備設(shè)計結(jié)果表明，反應(yīng)器31.m65.10/hKJ的特征尺寸為高 3320mm，直徑 3200mm；夾套的特征尺寸為高 2550mm，內(nèi)徑為3400mm。還對塔體等進行了輔助設(shè)備設(shè)計，換熱則是通過夾套與內(nèi)冷管共同作用完成。攪拌器的形式為圓盤式攪拌器，攪拌軸直徑 60mm。在此基礎(chǔ)上繪制了設(shè)備條件圖。本設(shè)計為間歇釜式反應(yīng)器的工業(yè)設(shè)計提供較為詳盡的數(shù)據(jù)與圖紙。關(guān)鍵字：間歇釜式反應(yīng)器; 物料衡算 ; 熱量衡算; 壁厚設(shè)計;主要符號一覽表V反應(yīng)釜的體積t反應(yīng)時間反應(yīng)物 A 的起始濃度0Ac反應(yīng)物的 B 起始濃度B反應(yīng)物 S 的起始濃度0Scf反應(yīng)器的填充系數(shù)反應(yīng)釜的內(nèi)徑iDH反應(yīng)器筒體的高度封頭的高度2hP操作壓力Pc設(shè)計壓力取焊縫系數(shù) t鋼板的許用應(yīng)力C1鋼板的負偏差C2鋼板的腐蝕裕量S筒壁的計算厚度筒壁的設(shè)計厚度d筒壁的名義厚度n反應(yīng)器夾套筒體的高度jHv封頭的體積水壓試驗壓力TP夾套的內(nèi)徑j(luò)DQ乙酸的用量Q0單位時間的處理量年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書- 0 -第 1 章 設(shè)計任務(wù)及條件1.1 設(shè)計任務(wù)及條件乙酸乙酯酯化反應(yīng)的化學式為：CH3COOH+C2H5OH=CH3COOC2H5+H2OA B R S原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為：A ：B：S=1：2：1.35，反應(yīng)液的密度為 1020Kg/m3，并假定在反應(yīng)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(yīng)在 100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程如下rR=k1(CACBC RCS/K) 1100時，k 1=4.7610-6L/(molmin),平衡常數(shù) K=2.92。乙酸的轉(zhuǎn)化率 XA=0.4，反應(yīng)器的填充系數(shù) f=0.8，為此反應(yīng)設(shè)計一個反應(yīng)器。2.1 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 LkmolQ/675.234.038163由于原料液的組成為1+2+1.35=4.35Kg單位時間的處理量 h/06.10235.467.3302.2 原料液起始濃度 LmolcA/908.36.7520乙醇和水的起始濃度 lB /2.140LocS 597839.3將速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù) )1(0AAXABXc0RcS年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書1201)(AAAcXbakr其中： 61.98.30Bc 15.)92.08.35179.2().1(0 KbAS65792.kc 4.657.14)1(42 ab2.3 反應(yīng)時間 AfXAcbadckt021 aXAffA 2)4(ln42201 min186.4.0)3.15.(l3.98.76.44 2.4 反應(yīng)體積 30 048.25)168(.)( mtQVr 反應(yīng)器的實際體積 3.8.425fr第 3 章 熱量核算3.1 工藝流程反應(yīng)釜的簡單工藝流程圖年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書23.2 物料衡算根據(jù)乙酸的每小時進料量為 ，在根據(jù)它的轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)物的初始質(zhì)量23.675/kmolh比算出各種物質(zhì)的進料和出料量，具體結(jié)果如下表：物質(zhì) 進料 出料 /kmolh乙酸 23.675 14.21乙醇 36.30 26.83乙酸乙酯 0 9.47水 81.68 90.153.3 能量衡算3.3.1 熱量衡算總式1234Q式中： 進入反應(yīng)器無聊的能量， KJ：化學反應(yīng)熱，2：供給或移走的熱量，有外界向系統(tǒng)供熱為正，有系統(tǒng)向外界移去熱量為負，3Q KJ：離開反應(yīng)器物料的熱量，4 KJ年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書33.3.2 每摩爾各種物值在不同條件下的 值,pmc對于氣象物質(zhì)，它的氣相熱容與溫度的函數(shù)由下面這個公式計算：2 23,pmcABTCD各種液相物質(zhì)的熱容參數(shù)如下表 3：液相物質(zhì)的熱容參數(shù)物質(zhì) A B103 C103 D103乙醇 -67.4442 18.4252 -7.29726 1.05224乙酸 65.98 1.469 0.15 乙酸乙酯 155.94 2.3697 -1.9976 0.4592水 50.8111 2.12938 -0.630974 0.0648311由于乙醇和乙酸乙酯的沸點為 78.5和 77.2，所以：(1) 乙醇的 值,pmc23,351.plKABTCD1 325367428.05.7926105.1041.6794.11350Jmol同理：(2) 乙酸乙酯的 值,pc23,350.2pmlKcABTCD132531946705.976105.04910.2.8.48.135Jol(3) 水的 值,pmc2 23,37pHOlKABTCD1325350.81.9807.6094170.6483107465.8176.Jmol(3) 乙酸的 值,pc年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書423,37pmlKcABTCD1 2365.984075.1075981.73Jol3.3.3 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) 4物質(zhì) A B103 C103 D103乙醇 6.731842 2.315286 -12.11626 2.493482乙酸乙酯 24.54275 3.288173 -9.926302 1.998997(1) 乙醇的 值,pmc23,g37pmKABTCD152836.1842.5607.621037.49107.89417.Jol(2) 乙酸乙酯的 值,pmc23,g37pmKcABTCD1528324.5.8709.260137.9710165.4713.0Jol3.3.4 每摩爾物質(zhì)在 100下的焓值(1) 每摩爾水的焓值 237 3r2,9876.10729840.6vapmmHOplKcdTH140.6Jol同理：(3) 每摩爾的乙醇的焓值年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書5351. 37r32,32,. ,32,298 51.vapmmCHOpmCHOlCpCHOlCcdTcd 315.805174.107 76.4614.KJol(4) 每摩爾乙酸的焓值 373r3,3,298.710298mCHOpmCHOlCcdT 17.4980KJol(5) 每摩爾乙酸乙酯的焓值 350.2 37r323,323,. ,323,98 50.2vapmmCHOCpmCHOCl pCHOClcdTcdT 319.50.980.1.7750. 76.7143.8KJol3.3.5 總能量衡算（1） 的計算Q物質(zhì) 進料 /kmolh出料 /kmolh乙酸 23.675 14.21乙醇 36.30 26.83乙酸乙酯 0 9.47水 81.68 90.15 13r 20r 32r 23r3 2 32nnnnCHOHCHOCHEOCmmCHOmOmCHOQ332.6750.4981.64.96.147.65014.5982753./hKJ（2） 的計算Q3253252CHOHCOH年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書632rr r r2320332329.4710mHOmCHmCHOmCHOQ.(.964.587.94.65)8/KJh（3） 的計算4111 120r2r32r 32r0232 32nnnnHHOCHOCHOmmmCmCHOQ3.7.98.504.968.047.659.104.59865465/hKJ因為： 1234Q即： + + =5076.0.835270.416求得： =45437.2743/hJ0，故應(yīng)是外界向系統(tǒng)供熱。Q3.4 換熱設(shè)計換熱采用夾套加熱，設(shè)夾套內(nèi)的過熱水蒸氣由 130降到 110，溫差為 20。3.4.1 水蒸氣的用量忽略熱損失，則水的用量為 12opQmcT5ab19.6JlK32140bmo6132.cJl189TK3629.64.102.1039poc25年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書7134.52JmolK19g3124537.2183.2kg/.09opQhcT第 4 章 反應(yīng)釜釜體設(shè)計4.1 反應(yīng)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/D i） ，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(zhuǎn)速不變的情況下， （其中 D攪拌器直徑，P3ip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(yīng)選擇大一些。2、 高徑比對傳熱的影響：當容積一定時，H/D i 越高，越有利于傳熱。31 高徑比的確定通常才用經(jīng)驗值表 6種類 罐體物料類型 H/Di液固或液液相物料 11.3一般攪拌釜氣液相物料 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7iiiDHV34mDi21.取標準 i30表 32 用標準橢球型封頭參數(shù)見表 8公稱直徑（mm）曲面高度（mm）直邊高度（mm）內(nèi)表面積（m 2）容積（m 3）3200 800 40 11.5 4.61筒體的高度年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書8mDVHi 320.42.3614釜體高徑比的復(fù)核 05.12iih滿足要求4.2 筒體壁厚的設(shè)計4.2.1 設(shè)計參數(shù)的確定表 33 反應(yīng)器內(nèi)各物質(zhì)的飽和蒸汽壓 9物質(zhì) 水 乙酸 乙醇 乙酸乙酯飽和蒸汽壓（MPa ）0.143 0.08 0.316 0.272該反應(yīng)釜的操作壓力必須滿足乙醇的飽和蒸汽壓所以去操作壓力 P=0.4MPa，該反應(yīng)器的設(shè)計壓力Pc=1.1P=1.10.4MPa=0.44MPa該反應(yīng)釜的操作溫度為 100，設(shè)計溫度為 120。由此選用 16MnR 卷制16MnR 材料在 120是的許用應(yīng)力 t=170MPa焊縫系數(shù)的確定取焊縫系數(shù) =1.0（雙面對接焊，100無損探傷）腐蝕裕量 C2=2mm4.2.2 筒體的壁厚計算厚度 10mPDScti 465017234.2鋼板負偏差 mC8.01設(shè)計厚度 Sd 46542名義厚度 mn 78011圓 整按鋼制容器的制造取壁厚 mn8年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書94.3 釜體封頭厚計算厚度 mPDSctic 15.4.0517234.5.02鋼板負偏差 mC6.1設(shè)計厚度 mSd .61.42名義厚度 n 7805圓 整按鋼制容器的制造取壁厚 n第 5 章 反應(yīng)釜夾套的設(shè)計5.1 夾套 DN、PN 的確定5.1.1 夾套的 DN由夾套的筒體內(nèi)徑與釜體筒體內(nèi)徑之間的關(guān)系可知： mDij 34023025.1.2 夾套的 PN由設(shè)備設(shè)計條件可知，夾套內(nèi)介質(zhì)的工作壓力為常壓，取 PN=0.25MPa，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(yīng)力 t=113MPa焊縫系數(shù)的確定取焊縫系數(shù) =1.0（雙面對接焊，100無損探傷）腐蝕裕量 C2=2mm5.2 夾套筒體的壁厚計算厚度 mPDScti 7.325.01324.2鋼板負偏差 mC8.01年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書10設(shè)計厚度 mCSd 7.52.32名義厚度 n 801圓 整按鋼制容中 DN=3400mm 的壁厚最小不的小于 8mm 所以取mSn85.3 夾套筒體的高度 mDvfVHij 5.2.34618.04225.4 夾套的封頭5.4.1 封頭的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mDj340選帶折邊形的封頭，且半錐角 。45計算厚度 PDSctic 7.25.12.0.02鋼板負偏差 mC8.1設(shè)計厚度 mSd 7.5.32名義厚度 n 801圓 整按鋼制容中 DN=3400mm 的壁厚最小不的小于 8mm 所以取mSn8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 mSn85.5 傳熱面積校核由于反應(yīng)釜內(nèi)進行的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量不僅能夠維持反應(yīng)的不短進行，且年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書11會引起反應(yīng)釜內(nèi)的溫度升高。為防止反應(yīng)釜內(nèi)溫度過高，在反應(yīng)釜的上方設(shè)置了冷凝器進行換熱，因此不需要進行傳熱面積的校核。如果反應(yīng)釜內(nèi)進行的是吸熱反應(yīng)，則需進行傳熱面積的校核。第 6 章 反應(yīng)釜釜體及夾套的壓力試驗6.1 釜體的水壓試驗6.1.1 水壓試驗壓力的確定 MPaPtcT 5.014.2525.16.1.2 水壓試驗的強度校核 PaCSDPniT 170)8.2(305.)(216MnR 的屈服極限 MPas4s 5.3109.0. 由 asT17所以水壓強度足夠6.1.3 壓力表的量程、水溫壓力表的最大量程：P 表=2 =20.55=1.1TpMPa或 1.5PT P 表 4PT 即 0.825MPa P 表 2.2水溫5 6.1.4 水壓試驗的操作過程操作過程：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 0.55 ，保壓不低于 30 ，然后將壓力緩慢降至 0.44 ，保壓足MPaminMPa年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書12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。6.2 夾套的液壓試驗6.2.1 水壓試驗壓力的確定且不的小于（p+0.1）=0.35MPaMPaPtcT 3125.0.25125.1所以取 Ma3.06.2.2 水壓試驗的強度校核 MPaCSDPniT 15)8.2(3405.)(2Q235B 的屈服極限 MPass 5.139.0. 由 PasT215所以水壓強度足夠6.2.3 壓力表的量程、水溫壓力表的最大量程：P 表=2 =20.35=0.7TpMPa或 1.5PT P 表 4PT 即 0.525MPa P 表 1.4水溫5 6.2.4 水壓試驗的操作過程操作過程：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 0.35 ，保壓不低于 30 ，然后將壓力緩慢降至 0.275 ，保壓足MPaminMPa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。年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書13第 7 章 攪拌器的選型攪拌設(shè)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(gòu)型的攪拌設(shè)備來完成，但不同的實施方案所需的設(shè)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(shè)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(jié)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(yīng)釜選用圓盤式攪拌器。7.1 攪拌槳的尺寸及安裝位置葉輪直徑與反應(yīng)釜的直徑比一般為 0.2 0.512，一般取 0.33，所以葉輪的直徑，取 ；0.3.320156idDm0dm葉輪據(jù)槽底的安裝高度 ；H葉輪的葉片寬度 ，取 ；.2Wd20W葉輪的葉長度 ，取 ；025105l5l液體的深度 ；1.3m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020bD槳葉數(shù)為 6，根據(jù)放大規(guī)則，葉端速度設(shè)為 4.3m/s,則攪拌轉(zhuǎn)速為：，取.3.1.5/4nrsd1.5/nrs7.2 攪拌功率的計算采用永田進治公式進行計算： 42.1570/Pas22 641.05.937ednR年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書1413221.50.998rndFg由于 數(shù)值很大，處于湍流區(qū)，因此，應(yīng)該安裝擋板，一小車打旋現(xiàn)象。功率計算需要知eR到臨界雷諾數(shù) ，用 代替 進行攪拌功率計算。 可以查表 上湍流一層流大的轉(zhuǎn)ececRe ecR8折點得出。查表知： 6.8所以功率： ，取3535012.02.4PndKW3P7.3 攪拌軸的的初步計算7.3.1 攪拌軸直徑的設(shè)計（1）電機的功率 3 ，攪拌軸的轉(zhuǎn)速 90 ，根據(jù)文獻 取用材料為PKWn/mir11Cr18Ni9Ti ， 40 ，剪切彈性模量 8.110 4 ，許用單位扭轉(zhuǎn)角 MaGMPa1/m。由 得： =69.510mnm66149.530.80/186/N利用截面法得： = （ ）axT9由 得： =maxW69.5310Pn64.53109攪拌軸為實心軸，則： =.2d6.57.05mm 取 60mmd（2）攪拌軸剛度的校核：由3maxax4p180J32TpMGd剛度校核必須滿足： ，即：max63634 441801809.539.557.2.2pnd mG年產(chǎn) 610 T乙酸乙酯設(shè)計說明書15所以攪拌軸的直徑取 60mm 滿足條件。d7.3.2 攪拌抽臨界轉(zhuǎn)速校核計算由于反應(yīng)釜的攪拌軸轉(zhuǎn)速 =90 200 ，故不作臨界轉(zhuǎn)速校核計算。n/mirin/r7.4 聯(lián)軸器的型式及尺寸的設(shè)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(jié)論N依據(jù) GB 150-1988鋼制壓力容器尺寸為反應(yīng)器體積為 ，反應(yīng)釜高為 3320mm，31.m直徑 3200mm，完成設(shè)計任務(wù)，達到實際要求。參考書目1 譚 蔚 主 編 ， 化 工 設(shè) 備 設(shè) 計 基 礎(chǔ) M， 天 津 ： 天 津 大 學 出 版 社 ， 2008.42 柴 誠 敬 主 編 ， 化 工 原 理 上 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