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乙酸乙酯間歇反應釜課程設計.doc

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1、 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 6 1. 原料的處理量 7 2. 原料液起始濃度 7 3. 反應時間 8 4. 反應體積 8 三. 熱量核算 9 1. 物料衡算 9 2. 能量衡算 9 3. 換熱設計 12 四. 反應釜釜體設計 13 1. 反應器的直徑和高度 13 2. 筒體的壁厚 14 3. 釜體封頭厚度 15 五. 反應釜夾套的設計 15 1. 夾套DN、PN的確定 15 2. 夾套筒體的壁厚 16 3. 夾套筒體的高度 16 4

2、. 夾套的封頭厚度 16 六. 攪拌器的選型 17 1. 攪拌槳的尺寸及安裝位置 18 2. 攪拌功率的計算 18 3. 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,根據老師給定的設計要求自己選擇方案、查取數據、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

3、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實際的知識,綜合地分析和解決生產實際問題的能力。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、收集相關數據、正確選擇公式,當缺乏必要的數據時,尚需要自己通過實驗測定或到生產現場進行實際查定。 2、 在兼顧技術先進性、可行性、經濟合理的前提下,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,同時還要考慮改善勞動條件和環(huán)境保護的有

4、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。 化工設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調。 摘要 本選題為年產量為年產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2

5、590mm,內徑為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據與圖紙。 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、設計題目和內容 設計題目: 年產量為年產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=====CH

6、3COOC2H5+H2O A B R S 原料中反應組分的質量比為: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7200h。反應在100℃下等溫操作,其反應速率方程如下 rR=k1(CACB-CRCS/K) 100℃時,k1=4.7610-6L/(molmin),平衡常數K=2.92。乙酸的轉化率=0.4,反應器的填充系數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

7、 根據乙酸乙酯的產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 將以上各式代人rR=k1(cAcB-cRcS/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 =153min 4. 反應體積 反應器的實際體積 三. 熱量核算

8、 1. 物料衡算 根據乙酸的每小時進料量為,再根據它的轉化率和反應物的初始質量比算出各種物質的進料和出料量: 結果匯總如下表: 物質 進料 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 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, 各種液相物質的熱容參數如下表

9、液相物質的熱容參數 物質 A B103 C106 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 各種氣象物質的參數如下表 氣相物質的熱容參數

10、 物質 A B103 C106 D1010 乙醇 6.296 231.501 -118.558 222.183 乙酸乙酯 24.673 328.226 -98.4119 -203.815 乙醇的值 乙酸乙酯的值 每摩爾物質在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

11、 (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: 1、 高徑比對攪拌功率的影響:

12、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 1~1.3 氣—液相物料 1~2 發(fā)酵罐類 氣—液相物料 1.7~2.5 假定高徑比為H/Di=1.2,先忽略罐底容積 代入數據得 取標準 標準橢球型封頭參數 公稱直徑(mm) 曲面高度(mm) 直邊高度(mm) 內

13、表面積(m2) 容積(m3) 3200 800 40 11.5 4.61 筒體的高度 釜體高徑比的復核 ,滿足要求 2. 筒體的壁厚 設計參數的確定 反應器內各物質的飽和蒸汽壓 物質 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℃。 材質選用16MnR,16MnR材

14、料在120℃是的許用應力[σ]t=147MPa 取焊縫系數φ=1.0(雙面對接焊,100%無損探傷) 腐蝕裕量C2=2mm 根據式 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。若質量合格,緩慢降壓將釜體

15、內的水排凈,用壓縮空氣吹干釜體。若質量不合格,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 由夾套的筒體內徑與釜體內徑之間的關系可知: 由設備設計條件可知,夾套內介質的工作壓力為常壓,取PN=0.25MPa 2. 夾套筒體的壁厚 由于壓力不高所以夾套的材料選用Q235—B卷制,Q235—B材料在120℃是的許用應力[σ]t=113MPa 取焊縫系數φ=1.0(雙面對接焊

16、,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

17、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 Q235—B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。若質量合格,緩慢降壓將釜體內的水排凈,用壓縮空氣吹干釜體。若質量不合格,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

18、體性質覆蓋面非常廣泛,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。根據介質黏度由小到大,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,

19、大晶粒選槳葉式為宜。根據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 ,??; 葉輪據槽底的安裝高度; 葉輪的葉片寬度,??; 葉輪的葉長度,取; 液體的深度; 擋板的數目為4,垂直安裝在槽壁上并從槽壁地延伸液面上,擋板寬度 槳葉數為6,根據放大規(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] 由于數值很大,處于湍流區(qū),因此,應該安裝擋板,一消除打旋現象。功率計算需要知到臨界雷諾數,用代替進行攪拌功率計算???/p>

20、以查表上湍流一層流大的轉折點得出。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P=27KW,攪拌軸的轉速n=90r/min,根據文獻,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: 取 (2)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?。?0mm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。 聯軸器的型式及尺寸的設計 由于選用擺線針齒行星

21、減速機,所以聯軸器的型式選用立式夾殼聯軸節(jié)(D型)。標記為:40 HG 21570—95。 結論 依據GB150-1988《鋼制壓力容器》,反應器尺寸為體積為,反應釜高為3380mm,內徑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 Di——反應釜的內徑 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 φ——取焊縫系數 [σ]t——鋼板的許用應力 C1——鋼板的負偏差

22、 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

23、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,查閱互聯網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據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

24、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)現現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

25、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,2008.4 [2] 柴誠敬主編.《化工原理》上冊[M],北京:高等教育出版社,2008.9 [3] 李少芬主編.反應工程[M],北京:化學工業(yè)出版社,2010.2 [4] 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》[

26、M], 北京: 化學工業(yè)出版社. 2003 [7] 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, 2011.11 [10] 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

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