产年6000t乙酸乙酯间歇反应釜设计---本科毕业设计.doc

设计说明
本选题为年产量为年产6×103T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3350mm，直径3000mm；夹套的特征尺寸为高2570mm，内径为3200mm。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75mm。
在此基础上绘制了间歇釜式反应器的设备图，和整体工艺的工艺流程图。
关键字：间歇釜式反应器; 物料衡算; 热量衡算; 壁厚设计;

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。
反应工程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。

目 录
第1章 设计任务及条件 2
第2章 工艺设计 2
2.1原料的处理量 2
2.2原料液起始浓度 2
2.3反应时间 3
2.4反应体积 3
第3章 热量核算 4
3.1工艺流程 4
3.2物料衡算 4
3.3能量衡算 4
3.3.1热量衡算总式 4
3.3.2每摩尔各种物值在不同条件下的值 5
3.3.3各种气象物质的参数如下表 6
3.3.4每摩尔物质在100℃下的焓值 6
3.3.5总能量衡算 7
3.4换热设计 8
水蒸气的用量 8
第4章反应釜釜体设计 9
4.1反应器的直径和高度 9
4.2筒体壁厚的设计 10
4.2.1设计参数的确定 10
4.2.2筒体的壁厚 10
4.3釜体封头厚 11
第5章 反应釜夹套的设计 11
5.1夹套DN、PN的确定 11
5.1.1夹套的DN 11
5.1.2夹套的PN 11
5.2夹套筒体的壁厚 11
5.3夹套筒体的高度 12
5.4夹套的封头 12
5.5传热面积校核 12
第6章 反应釜釜体及夹套的压力试验 13
6.1釜体的水压试验 13
6.1.1水压试验压力的确定 13
6.1.2水压试验的强度校核 13
6.1.3压力表的量程、水温 13
6.1.4水压试验的操作过程 13
6.2夹套的液压试验 14
6.2.1水压试验压力的确定 14
6.2.2水压试验的强度校核 14
6.2.3压力表的量程、水温 14
6.2.4水压试验的操作过程 14
第7章 搅拌器的选型 15
7.1搅拌桨的尺寸及安装位置 15
7.2搅拌功率的计算 15
7.3搅拌轴的的初步计算 16
7.3.1搅拌轴直径的设计 16
7.3.2搅拌抽临界转速校核计算 17
7.4联轴器的型式及尺寸的设计 17
第八章 夹套式反应釜附属装置的确定 17
8.1 人孔的选择 17
8.2 接管及其法兰选择 17
8.3 支座的选择 19
结论 20
总结 21

19

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
——反应器筒体的高度
——封头的高度
P——操作压力
Pc——设计压力
φ——取焊缝系数
[σ]t——钢板的许用应力
C1——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
——乙酸的用量
——单位时间的处理量

第1章 设计任务及条件
乙酸乙酯酯化反应的化学式为：
CH3COOH+C2H5OH=====CH3COOC2H5+H2O
A 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(CACB－CRCS/K) [1]
100℃时，k1=4.76×10-4L/(mol·min),平衡常数K=2.92。乙酸的转化率XA=0.6，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

由于原料中反应组分的质量比为：A：B：S=1：2：1.35
取乙酸的质量为一份则：反应物共1+2+1.35=4.35份
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
15.783
6.313
乙醇
41.173
31.703
乙酸乙酯
0
9.47
水
71.02
80.49
3.3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
A
B×102
C×104
D×106
乙醇
59.342
36.358
-12.164
1.8030
乙酸
-18.944
109.71
-28.921
2.9275
乙酸乙酯
155.94
2.3697
-1.9976
0.4592
水
92.053
-3.9953
-2.1103
0.53469
由于乙醇和乙酸乙酯的沸点为78.5℃和77.2℃，所以：
(1) 乙醇的值

同理：
(2) 乙酸乙酯的值

(3) 水的值

(3) 乙酸的值

3.3.3各种气象物质的参数如下表
气相物质的热容参数[4]
物质
A
B×103
C×105
D×108
EÍ1011
乙醇
4.396
0.628
5.546
-7.024
2.685
乙酸乙酯
10.228
-14.948
13.033
-15.736
5.999
(1) 乙醇的值

(2) 乙酸乙酯的值

3.3.4每摩尔物质在100℃下的焓值
(1) 每摩尔水的焓值

同理：
(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
物质
进料
出料
乙酸
15.783
6.313
乙醇
41.173
31.703
乙酸乙酯
0
9.47
水
71.02
80.49

（2）的计算

（3）的计算

因为：
即：-+=
求得：=587310.46
>0，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140℃降到110℃，温差为30℃。
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。
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
1~1.3
气—液相物料
1~2
发酵罐类
气—液相物料
1.7~2.5
假定高径比为H/Di=1.2，先忽略罐底容积
[7]

取标准

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）
3000
750
40
10.15
3.82
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
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）
0.143
0.08
0.316
0.272
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=1.1×0.4MPa=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[σ]t=170MPa
焊缝系数的确定
取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100％无损探伤）
腐蚀裕量C2=2mm
4.2.2筒体的壁厚
计算厚度 [10]
钢板负偏差
设计厚度
圆整取7mm
按钢制容器的制造取壁厚
4.3釜体封头厚
计算厚度
钢板负偏差
设计厚度
圆整取7mm
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Q235—B卷制
Q235—B材料在120℃是的许用应力[σ]t=113MPa
焊缝系数的确定
取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100％无损探伤）
腐蚀裕量C2=2mm
5.2夹套筒体的壁厚
计算厚度
钢板负偏差
设计厚度
圆整取6mm
按钢制容中DN=3200mm的壁厚最小不的小8mm所以取

5.3夹套筒体的高度

5.4夹套的封头
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
圆整取6mm
按钢制容中DN=3200mm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=2×0.55=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

Q235—B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=2×0.35=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 ~0.5[12]，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＝30 ，搅拌轴的转速＝90，根据文献取用材料为1Cr18Ni9Ti ， []＝40，剪切弹性模量＝8.1×104，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：=
≥73.5mm 取＝75mm
（2）搅拌轴刚度的校核：由

刚度校核必须满足： ，即：
=69.2mm
所以搅拌轴的直径取＝75mm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=90＜200，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 21570—95。
第八章 夹套式反应釜附属装置的确定
8.1 人孔的选择
人孔C:选用长圆型回转盖快开人孔 人孔PN0.6, 400×300JB579-79-1
8.2 接管及其法兰选择
水蒸气进口管108×4，L=200mm，10号钢
法兰：PN0.6 DN100 HG 20592-97
冷却水出口管：57×3.5，L=150 mm，无缝钢管
法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-97
进料管：

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 20592-97

乙醇进料管

管径
根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=200mm
法兰：PN0.25 DN32 HG 20592-97

水进料管

管径
根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=100mm
法兰：PN0.25 DN25 HG 20592-97

出料管：出料总质量流量

因密度，则体积流量为

因进料黏度低，选取管道中流速
则管径
根据规格选取φ47×3.5的无缝钢管。
法兰：PN0.6 DN40 HG 20592-97
温度计接管：φ45×2.5，L=100mm，无缝钢管
法兰：PN0.25 DN40 HG 20592-97
8.3 支座的选择
查化工简明设计手册[6]：
内径为3000mm，厚度为8mm的16MnR的釜筒体一米重593Kg
内径为3200mm，厚度为8mm的Q235—B的夹套筒体一米重632kg
内径为3000mm，厚度为8mm的16MnR的釜的封头一米重约为550Kg
内径为3200mm，厚度为14mm的Q235—B的夹套封头一米重1270Kg
其中筒体的高度为3.9m
则： =5933.35=1987Kg
=5502=1100Kg
=102022.013=22453.2Kg
=2.57632+12702=4164.2Kg
=1978+1100+22453.2+4164.2=29695.4Kg
由于还有电动机等一些其他设配的重量为500Kg,
则m总=30200Kg=302KN
选用三个耳式支座，则一个支座为100.7KN,选用支座本体允许载荷Q为150KN的B型耳式支座，高度为400mm，支座质量为51.8Kg.
由于反应釜在室内，所以风载荷可以忽略，为了计算方便，我们把地震载荷也忽略。

式中，n为支座的数量
所以选择的支座本体允许载荷Q为150KN的B型耳式支座合[9]

结论
依据GB 150-1988《钢制压力容器》尺寸为反应器设计压力为0.44Mpa，反应釜体积为27052m ³，反应釜高33500mm，直径3000mm,壁厚8mm，标准椭圆形封头，壁厚8mm，曲面高度为750mm，直边高度为40mm，夹套直径为3200mm，壁厚8mm,高度为2570mm，标准椭圆形封头，壁厚8mm，搅拌机功率为30KW，叶轮直径为1000mm，搅拌轴直径75mm，B型耳式支座3个。
换热量为。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，2008.4
[2] 柴诚敬主编，《化工原理》上册[M]，北京：高等教育出版社，2008.9
[3]李少芬主编，反应工程[M]，北京：化学工业出版社，2010.2
[4]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. 2003
[7]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.
[14]陈国桓编《化工机械基础》[M].北京: 化学工业出版社.2006
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，所以在整个设计过程中难免遇到这样那样的难题不知该如何处理，幸好有陈老师耐心教诲，给予我们及时必要的指导，在此向陈老师表最诚挚的感谢！
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，因此在过程中不免有很多困难，但通过与同学的交流和探讨，查阅文献资料，查阅互联网以及在陈老师的指导帮助下，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，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，我的查阅文献和对数据的选择判断能力得到了很好的锻炼，同时也意识到自己应该把所学到的知识应用到设计中来。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，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，另外使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，在今后的学习工作中会更加的注重实际、在设计中同学之间的相互帮助、相互交流，对设计中遇到的问题进行讨论，使彼此的设计更加完善，在此再次感谢我各位亲爱的同学们。
由于首次做反应釜设计，过程中难免疏忽与错误，希望有关老师同学能及时给予指出。在此特别感谢。