毕业设计-年产4000t乙酸乙酯间歇反应釜设计课程设计.doc

河南城建学院反应工程课程设计专 业：化学工程与工艺姓 名： 任连成 学 号： 101410140 指导教师： 李山鹰 化学与材料学院2013年6月前言反应工程课程设计是化工设备机械基础和反应工程课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，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的作业，在设计中需要同学独立自主的解决所遇到的问题、自己做出决策，根据老师给定的设计要求自己选择方案、查取数据、进行过程和设备的设计计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的比较分析，择优选定最理想的方案和合理的设计。反应工程是培养学生设计能力的重要实践教学环节。在教师指导下，通过裸程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决生产实际问题的能力。因此，当学生首次完成该课程设计后，应达到一下几个目的：1、 熟练掌握查阅文献资料、收集相关数据、正确选择公式，当缺乏必要的数据时，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、经济合理的前提下，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、安全可行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。3、 准确而迅速的进行过程计算及主要设备的工艺设计计算及选型。4、 用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图表来表达自己的设计思想和计算结果。化工设备机械基础课程设计是一项很繁琐的设计工作，而且在设计中除了要考虑经济因素外，环保也是一项不得不考虑的问题。除此之外，还要考虑诸多的政策、法规，因此在课程设计中要有耐心，注意多专业、多学科的综合和相互协调。摘要：本选题为年产量为年产4103T的间歇釜式反应器的设计。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，反应器的特征尺寸为高3024mm，直径2800mm；夹套的特征尺寸为高2320mm，内径为3000mm。还对塔体等进行了辅助设备设计，换热则是通过夹套与内冷管共同作用完成。搅拌器的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的工业设计提供较为详尽的数据与图纸。关键字：间歇釜式反应器; 物料衡算; 热量衡算; 壁厚设计;AbstractThe batch reactor for annual production capacity of 60,000 10T is to be the designed. Through the material, heat balance reactor volume, heat transfer and Equipment design results show that the size of the reactor characteristics for high is 3320mm, diameter is 3200mm, The characteristics of clip size for high is 2550mm, diameter is 3400mm. Also auxiliary equipment on the tower as designed, heat is finished through the clip with the common cold tube inside. The mixer for dise-type mixer, stirring shaft of diameter is 60mm . Based on the condition of equipment drawing. This design for batch reactor industrial design provides a detailed data and drawings.Key words: batch reactor, Material, Heat balance, Thick wall design。主要符号一览表V反应釜的体积t反应时间反应物A的起始浓度反应物的B起始浓度反应物S的起始浓度f反应器的填充系数反应釜的内径H反应器筒体的高度封头的高度P操作压力Pc设计压力取焊缝系数t钢板的许用应力2C1钢板的负偏差C2钢板的腐蚀裕量S筒壁的计算厚度筒壁的设计厚度筒壁的名义厚度反应器夹套筒体的高度v封头的体积水压试验压力夹套的内径Q乙酸的用量Q0单位时间的处理量年产410 T乙酸乙酯设计说明书目 录第1章 设计任务及条件3第2章 工艺设计42.1原料的处理量42.2原料液起始浓度42.3反应时间52.4反应体积5第3章 热量核算63.1工艺流程63.2物料衡算63.3能量衡算73.3.1热量衡算总式73.3.2每摩尔各种物值在不同条件下的值73.3.3各种气象物质的参数如下表83.3.4每摩尔物质在100下的焓值93.3.5总能量衡算103.4换热设计113.4.1水蒸气的用量11第4章 反应釜釜体设计124.1反应器的直径和高度124.2筒体壁厚的设计134.2.1设计参数的确定134.2.2筒体的壁厚134.3釜体封头厚14第5章 反应釜夹套的设计145.1夹套DN、PN的确定145.1.1夹套的DN145.1.2夹套的PN145.2夹套筒体的壁厚155.3夹套筒体的高度155.4夹套的封头155.4.1封头的厚度155.5传热面积校核16第6章 反应釜釜体及夹套的压力试验166.1釜体的水压试验166.1.1水压试验压力的确定166.1.2水压试验的强度校核166.1.3压力表的量程、水温176.1.4水压试验的操作过程176.2夹套的液压试验176.2.1水压试验压力的确定176.2.2水压试验的强度校核176.2.3压力表的量程、水温186.2.4水压试验的操作过程18第7章 搅拌器的选型187.1搅拌桨的尺寸及安装位置197.2搅拌功率的计算197.3搅拌轴的的初步计算207.3.1搅拌轴直径的设计207.3.2搅拌抽临界转速校核计算217.4联轴器的型式及尺寸的设计21结论21参考书目21总结22第 1 页第 1 页第1章 设计任务及条件1.1设计任务及条件乙酸乙酯酯化反应的化学式为：CH3COOH+C2H5OH=CH3COOC2H5+H2OA B R S原料中反应组分的质量比为：A：B：S=1：2：1.35，反应液的密度为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(CACBCRCS/K) 1100时，k1=4.76L/(molmin),平衡常数K=2.92。乙酸的转化率XA=0.48，反应器的填充系数f=0.8，为此反应设计一个反应器。 第2章 工艺设计2.1原料的处理量根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时的乙酸用量为由于原料液的组成为1+2+1.35=4.35Kg单位时间的处理量2.2原料液起始浓度乙醇和水的起始浓度将速率方程变换成转化率的函数其中：2.3反应时间2.4反应体积反应器的实际体积第3章 热量核算3.1工艺流程反应釜的简单工艺流程图3.2物料衡算根据乙酸的每小时进料量为，在根据它的转化率和反应物的初始质量比算出各种物质的进料和出料量，具体结果如下表：物质进料出料乙酸13.1526.839乙醇34.31027.997乙酸乙酯06.313水59.18465.4953.3能量衡算3.3.1热量衡算总式式中：进入反应器无聊的能量， ：化学反应热，：供给或移走的热量，有外界向系统供热为正，有系统向外界移去热量为负，：离开反应器物料的热量，3.3.2每摩尔各种物值在不同条件下的值对于气象物质，它的气相热容与温度的函数由下面这个公式计算：2各种液相物质的热容参数如下表3：液相物质的热容参数物质AB10/K C10/KD10/K乙醇59.34236.358-12.1641.8030乙酸-18.944109.71-28.9212.9275乙酸乙酯155.942.3697-1.99760.4592水92.053-3.9953-2.11030.53469由于乙醇和乙酸乙酯的沸点为778.3和77.1，所以：(1) 乙醇的值=59.342+36.35810351.5-12.16410351.5+1.803010351.5=59.342+127.798-150.289+78.302=115.153(2) 乙酸乙酯的值=155.94+2.369710350.2-1.997610350.2+0.459210350.2=155.94+8.297-24.499+19.713=159.451(3) 水的值=92.053-3.995310373-2.110310373+0.5346910373=92.053-14.902-29.360+27.748=75.539(3) 乙酸的值=-18.944+109.7110373-28.92110373+2.927510373=139.82233.3.3各种气象物质的参数如下表气相物质的热容参数4物质AB103C103D103乙醇4.3960.6285.546-7.024乙酸乙酯10.228-14.94813.033-15.736(1) 乙醇的值=4.396+0.62810351.5+5.54610351.5-7.02410351.5+2.68510351.5=(4.396+0.234+7.716-3.645+0.520)8.314=76.663(2) 乙酸乙酯的值=(10.228-5.576+18.133-8.166+1.161)8.314=131.1953.3.4每摩尔物质在100下的焓值(1) 每摩尔水的焓值(3) 每摩尔的乙醇的焓值(4) 每摩尔乙酸的焓值(5) 每摩尔乙酸乙酯的焓值 3.3.5总能量衡算（1）的计算（2）的计算（3）的计算因为： 即：+=求得：=393384.90，故应是外界向系统供热。3.4换热设计换热采用夹套加热，设夹套内的过热水蒸气由130降到110，温差为20。3.4.1水蒸气的用量忽略热损失，则水的用量为5第4章 反应釜釜体设计4.1反应器的直径和高度在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的高径比（H/Di），以确定罐体的直径和高度。选择罐体高径比主要考虑以下两方面因数：1、 高径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，（其中D搅拌器直径，P搅拌功率），P随釜体直径的增大，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、 高径比对传热的影响：当容积一定时，H/Di越高，越有利于传热。31 高径比的确定通常才用经验值表6种类罐体物料类型H/Di一般搅拌釜液固或液液相物料11.3气液相物料12发酵罐类气液相物料1.72.5假定高径比为H/Di=1.3，先忽略罐底容积7取标准表32用标准椭球型封头参数见表8公称直径（mm）曲面高度（mm）直边高度（mm）内表面积（m2）容积（m3）2800700408.823.12筒体的高度釜体高径比的复核满足要求4.2筒体壁厚的设计4.2.1设计参数的确定表33反应器内各物质的饱和蒸汽压9物质水乙酸乙醇乙酸乙酯饱和蒸汽压（MPa）0.1430.080.3160.272该反应釜的操作压力必须满足乙醇的饱和蒸汽压所以去操作压力P=0.4MPa，该反应器的设计压力Pc=1.1P=1.10.4MPa=0.44MPa该反应釜的操作温度为100，设计温度为120。由此选用16MnR卷制16MnR材料在120是的许用应力t=170MPa焊缝系数的确定取焊缝系数=1.0（双面对接焊，100无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm4.2.2筒体的壁厚计算厚度10钢板负偏差设计厚度名义厚度按钢制容器的制造取壁厚详见化工机械基础附表124.3釜体封头厚计算厚度钢板负偏差设计厚度名义厚度按钢制容器的制造取壁厚第5章 反应釜夹套的设计5.1夹套DN、PN的确定5.1.1夹套的DN由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可知：5.1.2夹套的PN由设备设计条件可知，夹套内介质的工作压力为常压，取PN=0.25MPa，由于压力不高所以夹套的材料选用Q235B卷制Q235B材料在120是的许用应力t=113MPa焊缝系数的确定取焊缝系数=1.0（双面对接焊，100无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm5.2夹套筒体的壁厚计算厚度钢板负偏差按钢制容中DN=3000mm的壁厚最小不得小于8mm所以取5.3夹套筒体的高度5.4夹套的封头5.4.1封头的厚度夹套的下封头选标准椭球封头，内径与筒体（）相同。夹套的上封头选带折边形的封头，且半锥角。计算厚度钢板负偏差设计厚度按钢制容中DN=3000mm的壁厚最小不的小于8mm所以取带折边锥形封头的壁厚考虑到风头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取封头的壁厚与夹套筒体壁厚一致，即5.5传热面积校核由于反应釜内进行的反应是放热反应，产生的热量不仅能够维持反应的不短进行，且会引起反应釜内的温度升高。为防止反应釜内温度过高，在反应釜的上方设置了冷凝器进行换热，因此不需要进行传热面积的校核。如果反应釜内进行的是吸热反应，则需进行传热面积的校核。第6章 反应釜釜体及夹套的压力试验6.1釜体的水压试验6.1.1水压试验压力的确定6.1.2水压试验的强度校核16MnR的屈服极限由所以水压强度足够6.1.3压力表的量程、水温压力表的最大量程：P表=2=20.55=1.1或1.5PT P表4PT 即0.825MPa P表2.2水温5 6.1.4水压试验的操作过程操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.55，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.44，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，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。6.2夹套的液压试验6.2.1水压试验压力的确定且不的小于（p+0.1）=0.35MPa所以取6.2.2水压试验的强度校核Q235B的屈服极限由所以水压强度足够6.2.3压力表的量程、水温压力表的最大量程：P表=2=20.35=0.7或1.5PT P表4PT 即0.525MPa P表1.4水温5 6.2.4水压试验的操作过程操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.35，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.275，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，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。第7章 搅拌器的选型搅拌设备规模、操作条件及液体性质覆盖面非常广泛，选型时考虑的因素很多，但主要考虑的因素是介质的黏度、搅拌过程的目的和搅拌器能造成的流动形态。同一搅拌操作可以用多种不同构型的搅拌设备来完成，但不同的实施方案所需的设备投资和功率消耗是不同的，甚至会由成倍的差别。为了经济高效地达到搅拌的目的，必须对搅拌设备作合理的选择。根据介质黏度由小到大，各种搅拌器的选用顺序是推进式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式。根据搅拌目的选择搅拌器的类型：均相液体的混合宜选推进式，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，其循环量大和剪切强。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。7.1搅拌桨的尺寸及安装位置叶轮直径与反应釜的直径比一般为0.2 0.512，一般取0.33，所以叶轮的直径，取；叶轮据槽底的安装高度；叶轮的叶片宽度，取；叶轮的叶长度，取；液体的深度；挡板的数目为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7.2搅拌功率的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，一小车打旋现象。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的转折点得出。查表知：所以功率：，取7.3搅拌轴的的初步计算7.3.1搅拌轴直径的设计（1）电机的功率24 ，搅拌轴的转速90，根据文献取用材料为1Cr18Ni9Ti ， 40，剪切弹性模量8.1104，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：= 68.29mm 取70mm（2）搅拌轴刚度的校核：由 刚度校核必须满足： ，即：所以搅拌轴的直径取70mm满足条件。7.3.2搅拌抽临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速=90200，故不作临界转速校核计算。7.4联轴器的型式及尺寸的设计由于选用摆线针齿行星减速机，所以联轴器的型式选用立式夹壳联轴节（D型）。标记为：40 HG 2157095。结论依据GB 150-1988钢制压力容器尺寸为反应器体积为，反应釜高为3024mm，直径2800mm，完成设计任务，达到实际要求。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，2008.42 柴诚敬主编，化工原理上册M，北京：高等教育出版社，2008.93李少芬主编，反应工程M，北京：化学工业出版社，2010.24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. 20037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柴诚敬编. 化工原理M. 北京: 高等教育出版社, 2000. 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.总结在为期两周的设计里，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的指导，由于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的难题不知该如何处理，幸好有尚书勇耐心教诲，给予我们及时必要的指导，在此向尚老师表最诚挚的感谢！从尚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，必须花上大量的时间复习，加上前面我们做了一个化工原理的课程设计，知道里面有很多需要查阅的东西，所以天天就一直在想到底是复习还是做课程设计。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的学习，有些问题是实际实践过程中的，无法用理论推导得到，因此不免过程中有很多困难，但通过与同学的交流和探讨，查阅文献资料，查阅互联网以及在尚老师的指导帮助下，问题都得到很好的解决。这让我深深意识到自己知识体系的漏洞，自己知识体系的不足，但同时也深刻体会到同学间的团结互助的精神。通过此次课程设计，使我查阅文献的能力和对数据的选择判断能力得到了很好的锻炼，同时我也意识到自己应该把所学到的知识应用到设计中来。这次的课程设计让我对某些反应工程的理论有了更加深入的了解，同时在具体的设计过程中我发现现在书本上的知识与实际的应用存在着不小的差距，书本上的知识很多都是理想化后的结论，忽略了很多实际的因素，或者涉及的不全面，可在实际的应用时这些是不能被忽略的，我们不得不考虑这方的问题，这让我们无法根据书上的理论就轻易得到预想中的结果，有时结果甚至很差别很大。通过这次设计使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，我们在今后的学习工作中会更加的注重实际。同时在设计中同学之间的相互帮助，相互交流，认识的进一步加深，对设计中遇到的问题进行讨论，使彼此的设计更加完善，对设计的认识更加深刻。在此再次感谢我各位亲爱的同学们。在这次设计和一年的学习中，尚老师不管是在学习上还是在生活中都教会了我很多东西，让我明确了学习和生活的目标，首先他严谨的治学态度，做事情的一丝不苟都让我非常的敬佩。还有他做人做事的方式让我自愧不如。同时还要感谢化工学院里的老师给我们提供教室，以及学校图书馆向我们提供工具书和参考书，在此特别予以感谢。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。第 20 页