年产80000t乙酸乙酯间歇釜式反应器设计课程设计大学毕设论文.doc

.化学反应工程课程设计题 目 年产80000t乙酸乙酯间歇釜式反应器设计 系 别 化学与化工学院 专 业 应用化学 学生姓名 学 号 年级 指导教师 职称 副教授 2013 年 6 月 20 日一、设计任务书及要求1.1设计题目 80000t/y乙酸乙酯反应用间歇釜式反应器设计1.2设计任务及条件（1） 反应方程式： （2） 原料中反应组分的质量比：A：B：S=1：2：1.35。（3） 反应液的密度为1020kg/,并假设在反应过程中不变。时被搅拌液体物料的物性参数为： 比热容为，导热系数，黏度。（4）生产能力：80000t/y乙酸乙酯，年生产8000小时，每小时生产10t,乙酸的转化率为40。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。（5）反应在100下等温操作，其反应速率方程如下：100时，平衡常数K=2.92。反应器填充系数可取0.70-0.85。乙酸乙酯相对分子质量88；乙酸相对分子质量60；乙醇相对分子质量46；水相对分子质量18。（6）最大操作压力为。加热的方式为用夹套内的水蒸汽进行电加热。1.3设计内容1、物料衡算及热量衡算；2、反应器体积计算及高径比、直径等参数确定；3、反应搅拌器设计；4、其他配件；5、带管口方位图的设备条件图绘制（不用绘制零件图，不用达到设备装配图水平）；6、设计体会；7、参考文献。二、反应釜基本计算2.1 反应器类型选择常用反应器的类型有：管式反应器；釜式反应器；有固体颗粒床层的反应器；塔式反应器；喷射反应器；其他多种非典型反应器。如回转窑、曝气池等。由于本设计是液液相反应，综合考虑以上反应器的处理能力以及其优缺点，选用釜式反应器。反应器的操作方式包括间歇、连续、半连续。由于反应原料是混合加入，不采用半连续反应釜。因此，本设计的反应器在间歇反应釜和连续反应釜之间选择。2.2 物料衡算根据生产任务计算原料处理量：80000t/y乙酸乙酯，年生产8000小时，每小时生产10t,乙酸的转化率为40。每小时乙酸需用量为：式中：88为乙酸乙酯的相对分子质量。由于原料种乙酸：乙醇：水=1：2：1。35，则1+2+1.35=4.35kg原料液中含1kg乙酸，可求单位时间的原料液量为：式中，60为乙酸的相对分子质量。原料液的起始组成为：乙醇与水的相对分子质量分别为46和18，通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为：采用间歇反应釜，假设每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。求反应釜的实际体积为V，计算如下：因为 ，带入速率方程，整理后得：其中，。带入数据： ， 根据公式： 求得反应时间其中，将有关数据带入上式得反应时间为： 所需的反应体积为： 通常反应器的装填系数可取0.6-0.85。如果物料在反应过程中产生泡沫或沸腾状态，通常装填系数应取较低值，一般为0.60.7；若反应状态平稳，可取0.80.85（物料黏度大时，可取最大值）。本设计综合考虑反应物和生成物的物性参数，最终选用装填系数=0.8。则反应器的实际体积为：（2）若采用连续釜式反应器生产乙酸乙酯，单位时间处理的原料量及原料组成如前计算所示。乙酸的转化率可由反应速率方程球得，将其变换为转化率的函数有将初始组成及反应速率及平衡常数K带入上式化简后得根据可求得所需反应体积为反应器的实际体积为：由计算结果知：采用间歇操作所需的反应体积较之连续釜式反应器要小，故选用间歇式反应釜。2.3 热量衡算乙酸的进料量为，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：表2-1 进料出料组成物质进料出料乙酸284.09170.454乙醇568.18340.908乙酸乙酯0113.636水284.09397.726热量衡算公式： 式中：进入反应器物料的能量， ：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，表2-2 各物质的热容参数物质ABCD乙醇-67.4442184.252-7.297261.05224乙酸65.9814.690.15乙酸乙酯155.9423.697-1.99760.4592水50.811121.2938-0.6309740.0648311乙醇的乙醇的值为： 乙酸乙酯的值水的值乙酸的值水在100时的焓值乙醇在100时的焓值乙酸在100时的焓值乙酸乙酯在100时的焓值则以上数据可计算热量。 由：带入数据解得：.三、反应釜釜体的设计3.1 釜体DN、PN将釜体视为筒体，本设计采用一般的反应釜，由于釜内物料为液-液相，高径比一般取11.32，本设计取为1.2。实际体积,取五个反应釜，则每个反应釜体积为由，则，圆整。查得釜体的因操作压力，故：3.2 筒体壁厚最大操作压力为，设计压力P取最大工作压力的1.051.1倍，本设计取设计压力；设计温度T，；根据筒体设计压力和设计温度选择材料：，许用应力为。焊缝系数1.0（双面对接焊，100%无损探伤）。表3-1 焊接接头系数无损检测的长度比例焊接接头形式全部局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头0.85单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）0.90.8钢板负偏差：,腐蚀裕量：（双面腐蚀）。表3-2 钢板负偏差C1钢板厚度22.22.52.8-3.02.2-3.53.8-44.5-5.5负偏差0.130.140.150.160.180.20.2钢板厚度6-78-2526-3032-3436-4042-5052-60负偏差0.60.80.911.11.21.3根据内压圆筒壁厚的计算公式： ，带入以上数据得: ，根据工程要求和钢材的使用壁厚范围圆整后，取。校核筒体水压试验强度，根据式：因为的屈服极限，所以，取， ，代入得：故水压试验满足强度要求。3.3 封头封头包括有椭圆形、碟形、锥形、球冠形封头、平板封头等多种类型。从工艺操作要求考虑，对封头形状无特殊要求。球冠形封头、平板封头都存在较大的边缘应力，且采用平板封头厚度较大，故不宜采用。半球形封头受力最好，壁厚最薄，重量轻，但深度大，制造较难，中低压小设备不宜采用：碟形封头存在局部应力，受力不如椭圆形封头：标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比碟形封头好，综合考虑该精馏塔设计内压、温度等因素，最终确定采用标准椭圆形封头。查文献选釜体的封头选标准椭球型，代号EHA、标准JB/T47462002。封头以为材料。标准形封头壁厚： 其中：，（整体冲压），（钢板负偏差），。代入得：根据工程要求和钢材的使用壁厚范围圆整后，取。与前计算的筒体壁厚一致。内表面积。封头的标准为：EHA 380040- JB/T 4746.综上：筒体和封头选材都为，壁厚。3.4 筒体长度H图3-1 釜体几何尺寸DN=3800mm，查表以内径为公称直径的椭圆形封头的尺寸、内表面积和容积可得：，直边高度,曲面高度。， 圆整得: 。釜体长径比的复核则，满足要求。由加热的方式为用夹套内的水进行电加热可知，夹套内介质的压力为常压，取设计外压。，故釜体厚度以内压计算为准，如前所示。四、夹套的结构和尺寸反应釜是进行化学反应的设备，在化学反应过程中常伴有放热和吸热，而且常常先加热以促进化学反应的进行，一旦反应开始往往又需要冷却，以调节温度维持反应的最佳条件，直到反应完毕又需要散热。因此，反应釜必须配备有加热和冷却的装置，以利维持最佳的工艺条件，取得最好的反应效果。反应釜的加热和冷却有多种方式，除最常用的夹套和蛇管外，还有釜式换热器和电感应加热等。其中以夹套和蛇管两种传热方式使用最为广泛。本设计先采用夹套传热，当需要的传热面积较大，而夹套传热不能满足时，再采用蛇管传热。夹套是在釜体的外侧用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与釜体外壁形成密闭的空间，在此空间内通入加热或冷却介质，可加热或冷却反应釜内的物料。夹套的主要结构形式有整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等，其适用的温度和压力不同。本设计采用整体夹套。而整体夹套的形式又包括圆筒形、U型、分段式、全包式夹套，本设计采用U型夹套。4.1 夹套DN、PN表4-1 夹套直径与筒体直径的关系Di（mm）5006007001800200030003000400040005000Dj（mm）Di+50Di+100Di+200Di+300Di+400由于Di=3800mm，则Dj= Di+300=4100mm，即夹套的公称直径为DN=4100mm。由设备设计条件单知，夹套内介质的工作压力为常压，取。4.2 夹套筒体高度Hj夹套筒体高度Hj主要由传热面积确定，一般不低于料液高度，以保证充分传热。根据装料系数、操作体积,夹套筒体高度Hj可由估算。带入数据计算得：圆整后，取Hj=2.6m。4.3 夹套筒体壁厚时水的蒸气压力为，因为夹套的压力0.3，所以需要根据刚度条件设计筒体的最小壁厚。由于28003800，取，另外加上（钢板负偏差），（腐蚀裕量）。，根据工程要求圆整后取厚的钢板。4.4 夹套封头夹套的封头选标准椭球型，内径与筒体相同（2800）。代号EHA，标准JB/T47462002。因为为常压0.3，所以需要根据刚度条件设计封头的最小壁厚。由于28003800，取且不小于3，另外加上（钢板负偏差），（腐蚀余量）。，圆整后壁厚，采用为封头材料。根据中JB/T 47462002推荐：当DN2000时，直边高度。本设计中DN=26002000，则取。根据DN，查表可得：封头，容积。封头标准为：EHA 280028- JB/T 4746.校核筒体水压试验强度，根据式：因为的屈服极限，所以，取， ，代入得：故水压试验满足强度要求。4.5 传热面积校核釜体下封头的内表面积，由于筒体高度，则筒体内表面积。则总换热面积：。由于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断进行，且会引起釜内温度升高。为防止釜内温度过高，在釜体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。如果釜内进行的反应是吸热反应，则需进行传热面积的校核，即：将总换热面积与工艺需要的传热面积进行比较。若，则不需要在釜内另设置蛇管；反之则需要蛇管。五、反应釜附件的选型及尺寸设计5.1 工艺接管反应釜上工艺接管包括进料接管、出料接管、水进出口接管、温度计管口等。5.1.1 进料管反应釜的进料口从顶盖引入，进料口下端的开口截成45度角，开口方向朝向釜的中心，以防止冲击釜壁。本设计采用内伸式进料管，管口浸没于料液中，可减少冲击页面而产生泡沫，有利于稳定液面，液面以上部分开有直径为5mm的小孔，以防止虹吸现象。乙醇进料管采用无缝钢管，法兰标记为： HG20593-97 法兰PL50-0.6 RF 。乙酸进料管采用无缝钢管，法兰标记为：HG20593-97 法兰PL80-0.6 RF 。5.1.2 出料接管反应釜出料有上出料和下出料两种方式。上出料方式用于当反应釜液体物料需要输送到位置比反应釜高或并列的设备，通过压出管实现。下出料方式用云物料需放入另一个位置较低的设备、对于粘稠物料或含有固体颗粒的物料，在反应釜地步装设出料口。本设计采用下出口出料。出料管采用无缝钢管，法兰标记为：HG20593-97 法兰PL120-0.6 RF 。5.1.3 夹套水进出口接管夹套水进出口接管采用无缝钢管，罐内的接管与下封头内表面磨平磨平。配用突面板式平焊管法兰，法兰标记为：HG20593-97 法兰 PL100-0.6 RF 。5.1.4 温度计管口温度计管口采用无缝钢管，法兰标记：HG20593-97 法兰PL100-0.6 RF 。接管的具体位置，见设备图。5.2 垫片尺寸及材质根据，工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的垫片，材料为耐油石棉橡胶板。垫片标记为：乙醇进料管：垫片PL50-0.6 JB4704-2000.乙酸进料管：垫片PL80-0.6 JB4704-2000.出料口接管：垫片PL120-0.6 JB4704-2000.夹套水进出口接管：垫片PL100-0.6 JB4704-2000.温度管口：垫片PL100-0.6 JB4704-2000.5.3 开孔与补强5.3.1 开孔由于D=2600mm，因此需要在釜体的封头上设置人孔。人孔标准按公称压力为0.6MPa的等级选取。该反应釜在最高工作压力小于或等于0.6MPa的条件下工作，从人孔类型系列标准可知，公称压力为0.6MPa的人孔类型很多。本设计采用旋柄快开人孔DG450。该人孔标记为：HG2151695 人孔（R.A2707）450 HG 2151595.如前计算所示（具体开孔情况，见精馏塔工艺条件图）；各接管开孔面积的总和均等于1.31.5倍的管截面积，乙醇进料管、乙酸进料管、出料口接管、夹套水进出口接管、温度管口开孔面积均取1.3倍管的截面积。5.3.2 补强为了降低峰值应力，需要对结构开孔部位进行补强，以保证容器安全运行。开孔应立集中的程度和开孔的形状有关，圆孔的应力集中程度最低，因此本设计均采用圆孔。由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准。本设计所选用的人孔筒节内径，壁厚。故补强圈内径，外径，补强圈的厚度按下式估算：取整后，人孔处的补强圈取25mm厚。当壳体开孔满足全部满足条件时可不另行补强：设计压力小于或等于2.5MPa：两相邻开孔中心的间距应不小于两开孔直径之和的两倍：接管公称外径小于或等于89mm。乙醇进料管,乙酸进料管，均满足可不另行补强的条件，不进行补强。出料管，夹套水进出口接管，温度计管口，开孔较大，需对其进行开孔补强。根据规定，采用补强圈结构补强时应遵循：钢材的标准抗拉强度下限值；补强圈厚度小于或等于；壳体名义厚度。根据已知条件，可判断出符合补强圈补强的条件。则此处采用补强圈补强。出料管补强圈标记为： dN 1336mm-D- JB/T 4736。夹套水进出口接管、温度计管口补强圈标记为： dN 1084mm-D- JB/T 4736。5.4 釜体法兰联接结构的设计根据2600mm、0.6，由8确定容器法兰的类型为乙型平焊法兰。标记：法兰RF2600-0.6 JB/T4701材料：公称直径DN/ 法兰/螺栓规格数量2600276027152676265626539627M2472法兰结构尺寸根据0.61.6、介质温度90和介质的性质，参照8 知密封面形式为光滑面。垫片选用耐油橡胶石棉垫片，材料为耐油橡胶石棉板（GB/T539）。垫片标记为：垫片 26000.6 JB47042000。5.5 支座选型及设计支座用来支承和固定设备。常用的有耳式支座和鞍式支座。本设计采用耳式支座。耳式支座又有A、AN和B、BN型四种，本设计选用耳式B型支座，支座数量为4个。反应釜总质量的估算：式中：釜体的质量（kg）；夹套的质量（kg）；搅拌装置的质量（kg）；附件的质量（kg）。其中： ，则 反应釜内的物料质量约为（以水装满釜体计算），夹套中水的质量。故物料总质量。装置的总质量：每个支座承受的重力约为：。选择B型带垫板，8号耳式支座，支座材料为Q235-A.F，垫板材料为，垫板厚度为16mm，其规定标记为；JB/T4725-92 耳座B8，。底板筋板垫板地脚螺栓规格600480360261455103801872060016723630B型耳式支座的尺六、反应釜的搅拌装置6.1 搅拌器选型在反应釜中，为增快反应速率，强化传质或传热效果以及加强混合等作用，常装有搅拌装置，搅拌装置通常包括搅拌器和搅拌轴。搅拌轴由电动机通过联轴直接带动或经过减速机减速后简介带动。搅拌器的类型很多，它与被搅拌液体的流动状态和物性有关，一般是根据工艺要求来选用的。根据桨叶的结构，常用的搅拌器有：桨式、框式、锚式、涡轮式、推进式等。因为该搅拌器主要是为了实现物料的均相混合，所以，推进式、桨式、涡轮式等都可以选择，此处选择六片平直圆盘涡轮式搅拌器。6.2 搅拌器设计计算确定搅拌槽的结构与尺寸，明确搅拌桨及其附件的几何尺寸和安装位置，计算搅拌转速和功率，计算传热面积等，最终为机械设计提供条件。6.2.1 搅拌桨尺寸及其安装位置 搅拌器为六片平直叶圆盘涡轮式。根据中表4-1，可以选取：叶轮直径等于搅拌槽直径的1/3,即约为，叶轮的叶片宽度，叶轮距槽底的高度为，桨叶数6，搅拌转速为取整：6.2.2 搅拌槽的附件由于时被搅拌液体物料的物性参数为：比热容为，导热系数，粘度。因此，应该安装挡板，以消除打旋现象。为了抑制打旋现象的发生，强化传热和传质，改善搅拌效果。安装6块宽度W为，即W=0.26m的挡板。全挡板条件判断如下：由于0.3780.35，因此，符合全挡板条件。6.2.3 搅拌功率如前计算所示：由从图4-8中的曲线6可以查得：。则6.2.4 搅拌轴直径（1）搅拌轴直径的设计搅拌轴轴材料一般是经过轧制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢，对于直径较小的轴，可用圆钢制造，对于大直径或阶梯直径变化较大的轴采用锻坯。本设计中轴直径不是很大，因此选择圆钢制造的轴。常用45号钢，强度要求不高的可选用Q235-A等普通碳素钢，对于高温或腐蚀条件下工作的轴可选用耐热钢或不锈钢。有防腐或防污染物料等要求较高的场合，应选用耐酸不锈钢。奥氏体型不锈耐酸钢（321）有较高的抗晶间腐蚀能力，对一些有机酸和无机酸（尤其是在氧化性介质中）具有良好的耐腐蚀性能用于制造耐酸输送管道，大型锅炉过热器、再热器、蒸汽管道、石油化工的热交换器等。本设计中的物料中有乙酸，因此搅拌轴材料为奥氏体型不锈耐酸钢1Cr18Ni9Ti。电机的功率，搅拌轴的转速，取用材料为1Cr18Ni9Ti，40，剪切弹性模量，许用单位扭转角。外力矩，抗扭截面模量为，搅拌轴为实心轴，则：，取。（2）搅拌轴刚度的校核由得： 因为最大单位扭转角max0.1321，所以圆轴的刚度足够。考虑到搅拌轴与联轴器配合，可能需要进一步调整。七、传动装置带动搅拌轴的传动装置是由电动机、减速机、联动轴、釜盖、凸缘法兰等部件组合而成。安置在釜盖上的凸缘法兰、安装底盖支承着机架和密封箱，传动轴则吊装在机架上的轴承箱内、穿越密封箱体伸入釜内，再利用釜内联动轴与搅拌轴相连。在机架的顶部连接板上安装着电动机和减速机，减速机的输出轴通过带短节的联动轴与传动轴上端的轴颈相连。7.1 电动机与减速机搅拌器有一定的转速要求，这需电动机通过传动装置来实现。传动装置通常设置在反应釜的顶部，采用立式布置。电动机经减速机将转速减到工艺要求的搅拌转速，在通过联动器带动搅拌轴旋转。减速机下设机座，以便安在反应釜的封头尚。由于考虑到传动装置于轴封装置安装时要求保持一定的同心度以及装卸检修的方便，常在封头上焊一底座，整个传动装置连机座及轴封装置一起安装在这底座上。反应釜用的电动机绝大部分与减速机配套使用，只在搅拌转速很高时，才有电动机直接驱动搅拌轴，因此，电动机的选用一般与减速机的选用互相配合考虑。反应釜传动装置上的点击选用问题，主要是确定系列、功率、转速以及安装形式和防爆要求等。电动机的功率是根据搅拌器所需功率及传动装置的传动效率等确定的，根据设备所需的要求，本设计选用JO2型电动机。表7-1 釜用立式减速机功率、公称转速使用范围序号标准号减速机类型类型代号公称转速范围r/min电动机功率范围kW1谐波减速机XB4160.6132HG 5-745-78摆线针齿行减速机BLD161600.6303HG 5-746-78两级齿轮减速机LC1252500.6304HG 5-747-78三角皮带减速机P3205000.65.5根据搅拌器的转速和功率，可选择标准号为HG 5-745-78 ，类型为摆线针齿行减速机，材质为1Cr18Ni9Ti。7.2 凸缘法兰凸缘法兰焊在釜体封头上，整个传动装置就装在它的上边，可兼作釜体维修的检查孔用。包括有R型、M型、LM型、LR型。本设计选用凸缘法兰标记为：HG 21564-95 法兰R 700-16MnR。7.3 安装底盖安装底盖的作用主要是安装机架和密封箱体，在对传动系统维修时可临时搁置传动轴。安装底盖的公称直径与凸缘法兰相同，形式选取应与凸缘法兰的密封面搭配一致。本设计选用的安装底盖的形式为RS，材料为16MnR，公称直径DN=700mm，查下表所示：可查的公称直径DN=700mm时，外径为830mm,螺柱中心圆直径K=780mm.表7-2 安装底盖尺寸/mm公称直径DN200250300400500700900外径D3403954455656708301045螺柱中心圆直径K2953504005156207809907.4 机架机架是用来支承减速机和传动轴的，轴承箱也归属于机架。机架有单支点机架和双支点机架两种。双支点机架适用于搅拌轴载荷较大，对搅拌密封装置有较高要求的场合。对于中等载荷条件，且又可将减速机出轴的轴承作为另一个支点、或者在釜体内设置有中间轴承且可作为一个支点时，可选用单支点机架。机架有A、B型之分，A型机架高度较矮，至使用于配用不带内轴承的机械密封，而B型机架较高，使用填料密封箱和带内置轴承的机械密封。表7-3 机架选型应考虑采用的轴封结构形式机架形式适用的传动轴密封形式A型（单、双）不带轴承的机械密封（2001、2003、2004、2006、2008）B型（单、双）填料箱或带内轴承的机械密封由于反应釜传来的轴向力不大，减速机输出轴使用了带短节的夹壳联轴节，且反应釜使用不带内置轴承的机械密封，故选用WJ型单支点B型机架（HG21566-95）。由搅拌轴的直径70mm可知，机架的公称直径300。机架可标记为：HG21566-95 机架 B300-70。八、设备设计一览表项目数值操作压力MPa0.5设计压力MPa0.55操作温度 100设计温度150设计体积 m312.63实际体积m315.78公称直径 mm2600公称压力 MPa0.6筒体高度mm2030釜体封头曲面高度 mm2650釜体长径比L/Di1.2筒体壁厚 mm8釜体封头壁厚 mm8夹套公称直径 mm2800夹套公称压力 MPa0.25夹套筒体高度mm1200夹套封头曲面直径 mm700每个支座承受重力 KN50.3搅拌器叶轮直径 mm0.9搅拌器叶轮宽度 mm0.18叶轮距槽底高度 mm0.9搅拌器转速 r/s1.68搅拌功率 KW19请在此提供带管口方位图的CAD设备条件图！九、主要符号比热容钢板负偏差黏度屈服极限 导热系数壁厚 内表面积许用应力P 压力 腐蚀裕量PN公称压力T 温度DN 公称直径 釜体直径反应速率 焊缝系数K平衡常数Dj 夹套直径 反应速率常数Hj 夹套筒体高度流量 装料系数C 浓度 直径t时间V体积m釜体质量n转速Re雷诺数M物料质量d叶宽直径b叶宽 焊接接头系数 直边高度 曲面高度. 十、 设计心得.参考文献1. 李绍芬反应工程M北京：化学工业出版社，20002. 谭蔚化工设备设计基础M天津：天津大学出版社，20073. 汤善甫、朱思明化工设备基础（第二版）M上海：华东理工大学出版社，20044. 钱自强大学工程制图M上海：华东大学出版社，20055. 董大勤化工设备机械基础M北京：化学工业出版社，20026. 卓震化工容器及设备M北京：中国石化出版社，20087. 柴诚敬化工流体流动与传热M北京：化学工业出版社，20008. 朱有庭、曲文海化工设备设计手册（上卷）M北京：化学工业出版社，20059. 蔡纪宁，张秋翔化工设备机械课程设计指导书M北京：化学工业出版社，200010. 柴诚敬化工原理M北京：高等教育出版社，2008潘国昌，郭庆丰化工设备设计M北京：清华大学出版社，