反应工程课程设计.doc

课程设计(论文)题目名称 乙酸乙酯的反映器设计 课程名称 化学反映工程课程设计 学生姓名 赵 金 妮 学号 系、专业 生物与化学工程系化工 指导教师 戴云信 2023年6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间歇反映釜的生产计算.53.2连续反映釜的生产计算.6四、设备设计与选型.101.反映釜及夹套的设计计算.102.搅拌器的设计.123.夹套式反映釜附属装置的拟定.13五、参考文献.16六、总结.17七、致谢.18八、附工程图纸.1908级化学工程与工艺专业化学反映工程课程设计任务书一、设计项目年产2023吨乙酸乙酯的反映器的设计二、设计条件1、 生产规模：2023+学号100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：60%三、反映条件反映在等温下进行，反映温度为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），反映物料密度为0。85/l，反映速度常数k为15.00/（kmol.min）四、设计规定1、设计方案比较对所有的设计方案进行比较，最后拟定本次设计的设计方案。2、反映部分的流程设计（画出反映部分的流程图）3、反映器的工艺设计计算生产线数，反映器个数，单个反映器体积。4、搅拌器的设计对搅拌器进行选型和设计计算。5、画出反映器的装配图图面应涉及设备的重要工艺尺寸，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；反映器的设计搅拌器的设计；设备装配图；设计总结；参考资料。7、绘制重要设备的装配图。用A1图纸绘制重要设备装配图（图面应涉及设备主视图、局部视图等，并配备明细表、管口表、技术性能表、技术规定等），规定采用CAD制图。指导老师：戴云信2023年5月20日概述本次课程设计，是结合化学反映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，我们不仅纯熟了所给课题的设计计算，并且通过度析课题、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。酯化反映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。酯化反映器设计的基本规定是满足传质和传热规定。因此需要设计搅拌器。此外，反映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。夹套式反映釜具有以下特点：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.通过给定设计的重要工艺参数和条件，综合系统地应用化工理论及化工计算知识，完毕对反映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映方程式：乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以规定的生产流量为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=526.4=132kmol/h3.1.1.4总物料量流量：F=FA0+F乙醇=26.4+132=158.4kmol/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=7733.30.01=77.33，即可算其物质的量流量F硫酸=77.33/98=0.789表1物料进料量表.名称乙酸丁醇浓硫酸流量kmol/h26.41320.7893.1.2反映体积及反映时间计算当乙醇过量时，可视为对乙酸浓度为二级的反映，其反映速率方程（A为乙酸）当反映温度为80，催化剂为硫酸时，反映速率常数k=15.00=0.9m3/(kmol.h)由于乙醇大大过量，反映混合物密度视为恒定，等于0.85kg/L当乙酸转化率%，由间歇釜反映有：根据经验取非生产时间，则反映体积因装料系数为0.75，故实际体积规定每釜体积小于5m3则间歇釜需3个，每釜体积V=4.28m3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映方程式：乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以规定的生产流量为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=5809.90.01=58.09，即可算其物质的量流量F硫酸=58.09/98=0.59表2物料进料量表.名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h19.8399.170.593.2.2反映体积及反映时间计算当乙醇过量时，可视为对乙酸浓度为二级的反映，其反映速率方程（A为乙酸）当反映温度为80，催化剂为硫酸时，反映速率常数k=15由于乙醇大大过量，反映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=3.0150.75=4.02。故采用一条的生产线生产即可，即两釜串联，反映器的体积V5，3.2.3反映时间：连续性反映时间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反映釜3个,而连续性进料需2个4m3反映釜。根据间歇性和连续性反映特性比较，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，所花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实验/min5.0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作出其反映流程图如下图为反映过程的工艺流程图设备设计与选型1反映釜体及夹套的设计计算1.1筒体和封头的几何参数的拟定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映物料为液夜相类型，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=反映釜内径的估算值应圆整到公称直径DN系列，故可取1600mm。封头取相同内径，其直边高度ho由附表123初选ho=40mm。1.1.3拟定筒体高度H当Dg=1600mm，ho=40mm时，由附表123可查得椭圆形封头的容积为V封=0.617m查得筒体1米高的容积V1米=2.014m31.68m取H=1680mm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0.617m31.1.4夹套直径、高度的拟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=1200mm。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=113MPa1.3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2mm；t材料许用应力：100=113MPa。考虑到钢板负偏差，初选C1=0.6mm（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=7mm，并决定L/Do；Do/之值：Do筒体外径，Do=Di+2d=1600+27=1614mm；L筒体计算长度，L=H2+h=1400+400=1533mm（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=65MPa，则许用外压为：P=0.28MPa0.25MPa。可见，=7mm满足0.25MPa外压稳定规定，考虑壁厚附加量C=C1+C2=0.6+2=2.6mm后，筒体壁厚n=+C=7+2.6=9.6mm，圆整到标准钢板规格，n取10mm。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，满足设备安全规定。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.由于釜体的筒体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=10mm。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=+24.5mm考虑到钢板负偏差，初选C1=0.6mm故夹套筒体的厚度为4.5+0.6=5.1mm，圆整到标准系列取6mm。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=+2.65.1mm.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，设备稳定安全符合规定。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反映釜设计参数表4夹套反映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、搅拌目的及转速规定，选择搅拌器的形式为：双叶螺旋桨式，桨叶直径为800mm。2.1.1搅拌器转速n：根据相关的工艺经验数据，选择n=100rpm2.1.2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，合用。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=40mm2.2.3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、刚度规定，故选择搅拌轴径为40mm。3.夹套式反映釜附属装置的拟定支座的选定：（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反映釜总重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，按水压实验时充满水计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=72023N按两个支座承载计，每个支座承载36002N由表11-62选：支座B4JB/T4735-923.2人孔C：选用长圆型回转盖快开人孔人孔PN0.6，400300JB579-79-13.3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：PN0.6DN100HG20592-973.3.2冷却水出口管：573.5，L=150mm，无缝钢管法兰：PN0.6DN50HG20592-973.3.3进料管：3.3.31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：PN0.25DN25HG20592-973.3.3.2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：PN0.25DN50HG20592-973.3.3.3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：PN0.25DN10HG20592-973.33.4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：PN0.6DN50HG20592-973.3.35温度计接管：452.5，L=100mm，无缝钢管法兰：PN0.25DN40HG20592-973.3.36不凝气体排出管：323.5，L=100mm，无缝钢管法兰：PN0.6DN25HG20592-973.33.7压料管：573.5，L=200mm，无缝钢管法兰：PN0.25DN50HG20592-973.3.38压料管套管：1084，L=200mm，10号钢法兰：PN0.25DN100HG20592-97参考文献：1陈甘棠主编化学反映工程第三版化学工业出版社，20232陈国桓主编化工机械基础第二版.化学工业出版社，20233周大军、揭嘉主编.化工工艺制图.化学工业出版社，20234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，20236印永嘉等主编物理化学简明教程.第四版高等教育出版社，2023总结这次课程设计，通过三周时间，已经基本完毕。在这次课程设计中碰到的难题，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毕，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。乙酸乙酯的反映是一个成熟的有机工艺过程。在方案选择过程中，它很好的将间歇反映和连续性反映结合起来比较，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。本次课程设计前，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毕后，自己能体会到本次的差异。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，而本次的设计规定我们对整个工艺有完整的流程。这不仅与本门课程的特性相关，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，对两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，同时对我们此后工作中考虑问题很有益处。这次的课程设计相称一次模拟实践，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，各方面都有了较大限度的进步，达成了预期效果。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。让我们可以理论和实践及时结合学习，即提高了平日的学习爱好，又与此后的工作接轨，做了很好的铺垫。本次课程设计由戴云信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，戴老师都会不辞辛劳，毫不踌躇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，并规定我们及时改正。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毕。此外，在这次设计中碰到了不少问题，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达感谢。