化学反应工程课程设计乙酸乙酯的反应器设计--大学毕业设计论文.doc

化学反应工程课 程 设 计题 目 名 称 乙酸乙酯的反应器设计 课 程 名 称 化学反应工程课程设计 学 生 姓 名 学 号李兴洪 201313413120 陈发佳 201313413121余仕刚 201313413118 袁映钦 201313413123白进利 201313413139 年 级 专 业 13级化学工程与工艺 指 导 教 师 陈菓 2015 年 12月 20 日目 录一、设计任务书1二、概述4三、工艺设计计算.51设计依据.52. 设计方案 . 53. 设计计算. 53.1间歇反应釜的生产计算. 5 3.2连续反应釜的生产计算.6四、设备设计与选型.101.反应釜及夹套的设计计算.102.搅拌器的设计.123.夹套式反应釜附属装置的确定.13五、参考文献.16六、总结.17七、致谢.18八、附工程图纸.19化学工程与工艺专业化学反应工程课程设计任务书一、设计项目年产10000吨乙酸乙酯的反应器的设计 二、设计条件1、 生产规模：10000 吨/年2、 生产时间：连续生产8000小时/年，间隙生产6000小时/年3、 物料损耗：按5%计算4、 乙酸的转化率：59%三、反应条件反应在等温下进行，反应温度为80，以少量浓硫酸为催化剂，硫酸量为总物料量的1%，当乙醇过量时，其动力学方程为：- rA=kCA2。A为乙酸，建议采用配比为乙酸：丁醇=1：5（摩尔比），反应物料密度为0。85/l，反应速度常数k为15.00/（kmol.min）四、设计要求 1、 设计方案比较 对所有的设计方案进行比较，最后确定本次设计的设计方案。 2、反应部分的流程设计（画出反应部分的流程图） 3、反应器的工艺设计计算生产线数，反应器个数，单个反应器体积。 4、搅拌器的设计对搅拌器进行选型和设计计算。 5、画出反应器的装配图图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。 6、设计计算说明书内容 设计任务书； 目录； 设计方案比较； 工艺流程图设计； 反应器的设计 搅拌器的设计； 设备装配图；设计总结； 参考资料。7、绘制主要设备的装配图。 用A1图纸绘制主要设备装配图（图面应包括设备主视图、局部视图等，并配备明细表、管口表、技术性能表、技术要求等），要求采用CAD制图。 指导老师：陈菓2015年12月20日 概 述此次课程设计，是结合化学反应工程这门课程的内容及特点所进行的一次模拟设计。它结合实际进行计算，对我们理解理论知识有很大的帮助。同时，通过做课程设计，我们不仅熟练了所给课题的设计计算，而且通过分析课题、查阅资料、方案比较等一系列相关运作，让我们对工艺设计有了初步的设计基础。在设计过程中解决所遇难题，对我们养成独立思考、态度严整的工作作风有极大的帮助，并为我们以后从事这个行业做好铺垫。酯化反应是有机工业中较成熟的一个工艺。尽管现在研制出不同的催化剂合成新工艺，但设计以硫酸作为催化剂的传统工艺是很有必要的。酯化反应器设计的基本要求是满足传质和传热要求。因此需要设计搅拌器。另外，反应器要有足够的机械强度，抗腐蚀能力；结构要合理，便于制造、安装和检修；经济上要合理，设备全寿命期的总投资要少。夹套式反应釜具有以下特点：1、温度容易控制。2、浓度容易控制。3、传质和传热良好。4、设备使用寿命长。产品乙酸乙酯简介： 无色澄清液体，有强烈的醚似的气味，清灵、微带果香的酒香，易扩散，不持久。分子量 88.11，沸点：77.2 ，微溶于水，溶于醇、醚等多数有机溶剂.通过给定设计的主要工艺参数和条件，综合系统地应用化工理论及化工计算知识，完成对反应釜的工艺设计和设备设计。 工艺设计计算1. 设计依据乙酸乙酯生产设计任务书2. 设计方案对于乙酸乙酯的生产既可以采用间歇式生产，也可以采用连续式生产。本次设计将根据自己的生产规模计算，对设计方案进行比较，得出合理的工艺设计流程。3. 工艺计算及方案选择3.1 间歇釜进料3.1.1 流量的计算3.1.1.1 乙酸乙酯的产量化学反应方程式：乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为F酯=3.1.1.2 乙酸的流量乙酸采用工业二级品（含量98%），乙酸与乙酸乙酯的物质的量比为1:1，乙酸的转化率%,物料损失以5%计， 则乙酸的进料量 FA0= 3.1.1.3 乙醇的流量乙醇与乙酸的摩尔配比为5：1，则乙醇的进料量为F乙醇=534048=172.4kmol/h3.1.1.4 总物料量流量：F= FA0+F乙醇=34048+ 172.4=206.88 kmol/h3.1.1.5 硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算，W总=FAMA+F乙M乙+W硫酸=因硫酸为总流量的1%，则W硫酸=10100.30.01=101.00，即可算其物质的量流量F硫酸=101.0/98=1.030表1 物料进料量表 .名称乙酸丁醇浓硫酸流量kmol/h25.87129.350.7743.1.2 反应体积及反应时间计算当乙醇过量时，可视为对乙酸浓度为二级的反应，其反应速率方程（A为乙酸）当反应温度为80，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=15.00=0.9m3/(kmol.h)因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85kg/L当乙酸转化率59=x%，由间歇釜反应有： 根据经验取非生产时间，则反应体积 因装料系数为0.75，故实际体积 要求每釜体积小于5m3 则间歇釜需4个，每釜体积V=4.12 m3圆整，取实际体积。 3.2 连续性进料的计算3.2.1 流量的计算3.2.1.1 乙酸乙酯的产量化学反应方程式：乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为F酯=3.2.1.2 乙酸的流量乙酸采用工业二级品（含量98%），乙酸与乙酸丁酯的物质的量比为1:1，乙酸的转化率%,物料损失以5%计， 则乙酸的进料量 FA0 = 3.2.1.3 乙醇的流量乙醇与乙酸的摩尔配比为5：1，则丁醇的进料量为 3.2.1.4 总物料量流量：F=3.2.1.5 硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算， W总=FAMA+F乙M乙+W硫酸=因硫酸为总流量的1%，则W硫酸=7578.10.01=75.78，即可算其物质的量流量F硫酸=75.78/98=0.774表2 物料进料量表 .名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h25.87129.350.7753.2.2 反应体积及反应时间计算当乙醇过量时，可视为对乙酸浓度为二级的反应，其反应速率方程（A为乙酸）当反应温度为80，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=15因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85。因硫酸少量，忽略其影响， 对于连续式生产，若采用两釜串联，系统为定态流动，且对恒容系统，不变，不变 若采用两釜等温操作，则代数解得 所以 装料系数为0.75，故实际体积V=3.90.75=5.2。故采用一条的生产线生产即可，即两釜串联，反应器的体积V5.5，3.2.3 反应时间：连续性反应时间 3.3 设计方案的选择 经上述计算可知,间歇釜进料需要4.5m3反应釜3个,而连续性进料需2个4m3反应釜。根据间歇性和连续性反应特征比较，间歇进料需2条生产线，连续性需1条生产线。虽然，间歇生产的检测控制等装备就比连续性生产成本高，所耗费的人力物力大于连续生产，但该课题年产量少，选择间歇生产比连续生产要优越许多。故而，本次设计将根据两釜串联的的间歇性生产线进行，并以此设计其设备和工艺流程图。附：表3. 物料物性参数1名称密度（100oC）熔点/oC沸点/oC黏度/mPa.s百分含量乙酸1.04516.71180.4598%乙醇0.810-114.178.30.5298%乙酸乙酯0.894-83.677.20.2598%表4.乙酸规格质量1：GB1628-79 一级二级外观 铂钴30号，透明液体无悬浮物KMnO4试验/min 5.0乙酸含量/%99.098.0甲酸含量/%0.150.35乙醛含量/%0.050.10蒸发残渣/%0.020.03重金属(以Pb计)/%0.00020.0005铁含量/%0.00020.00054、工艺流程图 根据设计方案由CAD作出其反应流程图如下 图为反应过程的工艺流程图设备设计与选型1反应釜体及夹套的设计计算1.1 筒体和封头的几何参数的确定1.1.1 筒体和封头的型式 选择圆筒体，椭圆形封头。1.1.2 筒体和封头的直径反应物料为液夜相类型，由表H/Di=1.01.4 考虑容器不是很大，故可取H/Di=1.1由式 Di= = 反应釜内径的估算值应圆整到公称直径DN系列，故可取1600 mm 。封头取相同内径，其直边高度ho由附表123 初选ho=40 mm 。1.1.3 确定筒体高度H 当 Dg=1600 mm ，ho= 40 mm 时，由附表123可查得椭圆形封头的容积为 V封 =0.617 m 查得筒体1米高的容积V1米=2.014 m3 1.68m 取 H = 1680 mm 则 H/Di = 1680/16001.1 选取椭圆封头，其公称直径为1600mm，曲面高度为400mm，直边高度为40mm，容积为0.617 m31.1.4 夹套直径、高度的确定 根据筒体的内径标准，经计算查取，选取DN=1800的夹套。夹套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径 。夹套高度H2： ,式中为装料系数， = 0.75 ，代入上式： 取：H2 = 1200 mm 。1.2釜体及夹套厚度的计算1.2.1设备材料 根据设备的工作条件，可选择Q235A作为釜体及夹套材料，由附表62查得所选材料许用应力为：100 = 113 MPa1.3 设备的壁厚计算1.3.1 釜体筒体壁厚计算1.3.2 内压设计计算根据工作条件，可选取P=0.2MPa为设计内压。 根据式（10-12）2筒体的设计厚度： 3.8mm 式中：d 圆筒设计厚度，mm ；Di 圆筒内径 ，mm ；P 内压设计压力，MPa ； 焊接接头系数，考虑到夹套的焊接取0.8（表10-92）；C2 腐蚀裕量，取 2 mm ；t材料许用应力：100 = 113 MPa 。考虑到钢板负偏差，初选C1 = 0.6 mm （表10-101）。 所以，内压计算筒体壁厚：3.8 + 0.6 = 4.4mm1.3.3 外压设计计算按承受0.25MPa 的外压设计设筒体的设计壁厚 = 7 mm ，并决定L/Do ；Do/ 之值：Do筒体外径，Do = Di + 2d =1600 +27 =1614 mm；L 筒体计算长度，L = H2 +h = 1400+400 =1533 mm （h为封头的曲面高度），则：L/Do = 0.95，Do/ = 230，由图10-152查得A = 0.00045，由图10-172差得 B = 65 MPa ，则许用外压为：P = = = 0.28 MPa0.25 MPa 。可见， = 7 mm 满足0.25 MPa 外压稳定要求，考虑壁厚附加量C = C1 + C2 = 0.6 + 2 = 2.6 mm 后，筒体壁厚 n = + C = 7 +2.6 = 9.6 mm ，圆整到标准钢板规格，n 取 10 mm 。综合外压与内压的设计计算，釜体的筒体壁厚为10mm，经计算校核，满足设备安全要求。1.3.4 釜体封头壁厚计算按内压计算：S封 = P = 0.2MPa, Di = 1600mm, = 0.8, t = 113Mpa, C = 0.6+2 = 2.6mm,代入得 S封= 4.4mm.因为釜体的筒体S筒釜= 10mm，考虑到封头与筒体的焊接方便，取封头与筒体厚S封头= 10mm经采用图解法外压校核，由于PPT ，外压稳定安全，故用S封筒= 10 mm。 1.3.5 夹套筒体壁厚设计计算根据式（10-12）2 筒体的设计厚度： d =+ C2 =+ 2 4.5 mm 考虑到钢板负偏差，初选C1 = 0.6 mm 故夹套筒体的厚度为4.5+0.6 = 5.1mm，圆整到标准系列取6 mm。经校核，设备稳定安全。1.3.6 夹套封头壁厚设计与选择S封夹= S封夹=+2.6 5.1 mm.圆整到规格钢板厚度，S封夹 = 6mm，与夹套筒体的壁厚相同，这样便于焊接。经校核，设备稳定安全符合要求。据附表122可查取到夹套封头尺寸： 公称直径：1800mm，曲面高度：450mm，直边高度：40mm1.3.7 反应釜设计参数表4 夹套反应釜的相关参数项目釜 体夹 套公称直径DN/mm16001800公称压力PN/MPa0.20.25高度/mm16801200筒体壁厚/mm106封头壁厚/mm1062、搅拌器设计2.1 搅拌器的形式选择 根据工作条件，由于物料的黏度不大，考虑到物料的流动、搅拌目的及转速要求，选择搅拌器的形式为：双叶螺旋桨式，桨叶直径为800 mm。2.1.1 搅拌器转速n：根据相关的工艺经验数据，选择n = 100 rpm2.1.2 传动功率P：搅拌的雷诺数Re 则：（KT可查取表3-91）2.1.3 电机功率本设计中考虑传动效率为90%，则： P电 = P/0.9 = 1.3/0.9 = 1.44KW2.1.4 减速器的选择 根据以上计算，并查取文献，选用BLD1.5-2-29Q型减速器，其出轴转速为100rpm，适用。2.1.5 电动机的选择 选用电动机的型号为：JO2-22-12.2搅拌轴直径的设计计算2.2.1 搅拌轴材料：选用Q235-A,选取其=16MPa （为轴材料的许用切应力，单位：MPa,对于Q235-A,取1220MPa）2.2.2 搅拌轴强度计算圆整，取d = 40 mm2.2.3 搅拌轴刚度计算（式中为轴的许用扭转角(/m)，对于一般的传动，可取0.51.0(/m)，本设计中物料黏度不大，取为0.7）经计算比较，轴径为40mm 满足强度、刚度要求，故选择搅拌轴径为40 mm 。3.夹套式反应釜附属装置的确定支座的选定：（以下参考书3）3.1.1因发应釜需外加保温，故选B型悬挂式支座3.1.2 反应釜总重 Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4式中：Q1筒体与夹套筒体总重Q2封头与夹套封头总重Q3料液重，按水压试验时充满水计Q4附件重，人孔重900N，其它接管和保温层按1000N计故： Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 12357 + 4690 + 53057 + 1900 = 72004N按两个支座承载计，每个支座承载36002N由表11-62 选：支座B4 JB/T 4735-923.2 人孔C：选用长圆型回转盖快开人孔 人孔PN0.6，400300 JB 579-79-13.3 接管及其法兰选择3.3.1 水蒸气进口管：1084，L=200mm，10号钢 法兰：PN0.6 DN100 HG 20592-973.3.2 冷却水出口管：573.5，L=150 mm，无缝钢管 法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-973.3.3 进料管： 3.3.3 1乙酸进料管 管径根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=150mm法兰：PN0.25 DN25 HG 20592-973.3.3.2乙醇醇进料管 管径 根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=200mm法兰：PN0.25 DN50 HG 20592-973.3.3.3 浓硫酸进料管 管径根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=100mm法兰：PN0.25 DN10 HG 20592-973.33.4 出料管：出料总质量流量 因密度，则体积流量为 由表1-14得，因进料黏度低，选取管道中流速则管径根据规格选取573.5的无缝钢管。 法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-973.3.35 温度计接管：452.5，L=100mm，无缝钢管 法兰：PN0.25 DN40 HG 20592-973.3.36 不凝气体排出管：323.5，L=100 mm，无缝钢管 法兰：PN0.6 DN25 HG 20592-973.33.7 压料管：573.5，L=200 mm，无缝钢管 法兰：PN0.25 DN50 HG 20592-973.3.38 压料管套管：1084，L=200 mm，10号钢 法兰：PN0.25 DN100 HG 20592-97参考文献：1陈甘棠主编化学反应工程第三版化学工业出版社，20092陈国桓主编化工机械基础第二版. 化学工业出版社，20073周大军、揭嘉主编.化工工艺制图.化学工业出版社，20054实用化学手册科学出版社5姚玉英主编化工原理修订版.天津科学技术出版社，20066印永嘉等主编物理化学简明教程.第四版高等教育出版社，2007总 结这次课程设计，经过三周时间，已经基本完成。在这次课程设计中遇到的难题，自己也通过各种学习途径有了解决。看到这份设计书能在预期内顺利完成，真的感到十分欣慰。同时，也享有付出就有收获的喜悦。我相信，只有努力过，才会拥有成功的机会。乙酸乙酯的反应是一个成熟的有机工艺过程。在方案选择过程中，它很好的将间歇反应和连续性反应结合起来比较，这样掌握这部分知识就会更加容易，事实亦正是如此。通过这样与实际情况联系的学习，对以前许多比较抽象理论的理解会更加透彻。此次课程设计前，我们也对其它学科进行过设计学习。将这次设计各部分都完成后，自己能体会到此次的差异。这次的课程设计有个最大的特点就是它的相对完整性。在以往课程设计中，我们接触的都是单个的单元，而此次的设计要求我们对整个工艺有完整的流程。这不仅与本门课程的特征相关，也让我们对一个工艺流程设计所需考虑的问题有比较全面的了解。对我们以后全面考虑问题有很好的帮助，可谓受益匪浅。本次设计将工艺设计和设备设计结合，对二者有了全面的联系和掌握。这不仅使自己对各个单元操作有了了解，同时对我们今后工作中考虑问题很有益处。这次的课程设计相当一次模拟实践，帮助我们养成严整、务实的良好作风，提高了全面考虑问题的综合能力，各方面都有了较大程度的进步，达到了预期效果。致谢课程设计对于工科学生是一个十分重要的环节，作为化学工程专业的学生，特别感谢教研室的老师们能结合实际，对我们的课程有着精心合理的安排。让我们能够理论和实践及时结合学习，即提高了平日的学习兴趣，又与今后的工作接轨，做了很好的铺垫。此次课程设计由陈菓老师担任我们的指导老师。在课程设计过程中，只要我们有难题，陈老师都会不辞辛劳，毫不犹豫的从另一校区赶过来为大家辅导。同时，戴老师还是一名严格的教师。对于我们设计过程中的一些不良习惯，他都直接指出来，并要求我们及时改正。正是老师这种严格而又认真负责的工作作风，才使本次设计能顺利完成。此外，在这次设计中遇到了不少问题，都是和同学讨论、互相学习解决的。在此，对所有于自己有所帮助的同志一并表示感谢。19