化学反应工程课程设计乙酸乙酯的反应器设计.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……………………………………………………....5
1．设计依据……………………………………………………..5
2. 设计方案……………………………………… …………….... 5
3. 设计计算………………………………………………………. 5
3.1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…………………………………………………..10
1.反应釜及夹套的设计计算……………………………………...10
2.搅拌器的设计…………………………………………………...12
3.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=5×34048=172.4kmol/h
3.1.1.4 总物料量流量：F= FA0+F乙醇=34048+ 172.4=206.88 kmol/h
3.1.1.5 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/h
25.87
129.35
0.774
3.1.2 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/h
25.87
129.35
0.775
3.2.2 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V<5.5，
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
1.045
16.7
118
0.45
98%
乙醇
0.810
-114.1
78.3
0.52
98%
乙酸乙酯
0.894
-83.6
77.2
0.25
98%

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/%
99.0
98.0
甲酸含量/%
0.15
0.35
乙醛含量/%
0.05
0.10
蒸发残渣/%
0.02
0.03
重金属(以Pb计)/%
0.0002
0.0005
铁含量/%
0.0002
0.0005

4、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=1.0︿1.4 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12[3] 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12[3]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 = 1680/1600≈1.1 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 m3

1.1.4 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η为装料系数，η = 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Q235—A作为釜体及夹套材料，由附表6[2]查得所选材料许用应力为：[σ]100 = 113 MPa
1.3 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：
δd —— 圆筒设计厚度，mm ；
Di —— 圆筒内径 ，mm ；
P —— 内压设计压力，MPa ；
Φ —— 焊接接头系数，考虑到夹套的焊接取0.8（表10-9[2]）；
C2 —— 腐蚀裕量，取 2 mm ；
[σ]t——材料许用应力：[σ]100 = 113 MPa 。
考虑到钢板负偏差，初选C1 = 0.6 mm （表10-10[1]）。
所以，内压计算筒体壁厚：3.8 + 0.6 = 4.4mm
1.3.3 外压设计计算
按承受0.25MPa 的外压设计
设筒体的设计壁厚 δ = 7 mm ，并决定L/Do ；Do/δ 之值：
Do——筒体外径，Do = Di + 2δd =1600 +2×7 =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/δ = ≈ 230，
由图10-15[2]查得A = 0.00045，由图10-17[2]差得 B = 65 MPa ，则许用外压为：
[P] = = = 0.28 MPa＞0.25 MPa 。
可见，δ = 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 δn = δ + C = 7 +2.6 = 9.6 mm ，圆整到标准钢板规格，δn 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,
Φ = 0.8,
[σ]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[P]﹥PT ，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：
δd =+ 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12[2]可查取到夹套封头尺寸：
公称直径：1800mm，曲面高度：450mm，直边高度：40mm
1.3.7 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/mm
1600
1800
公称压力PN/MPa
0.2
0.25
高度/mm
1680
1200
筒体壁厚/mm
10
6
封头壁厚/mm
10
6

2、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 rpm
2.1.2 传动功率P：
搅拌的雷诺数Re

则：

（KT可查取表3-9[1]）
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 = 1.44KW
2.1.4 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：JO2-22-1
2.2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[τ]=16MPa （[τ]为轴材料的许用切应力，单位：MPa,对于Q235-A,取12～20MPa）
2.2.2 搅拌轴强度计算

圆整，取d = 40 mm
2.2.3 搅拌轴刚度计算

（式中[θ]为轴的许用扭转角(°/m)，对于一般的传动，可取0.5～1.0(°/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11-6[2] 选：
支座B4 JB/T 4735-92
3.2 人孔C：选用长圆型回转盖快开人孔 人孔PN0.6，400×300 JB 579-79-1
3.3 接管及其法兰选择
3.3.1 水蒸气进口管：φ108×4，L=200mm，10号钢
法兰：PN0.6 DN100 HG 20592-97
3.3.2 冷却水出口管：φ57×3.5，L=150 mm，无缝钢管
法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-97
3.3.3 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 20592-97

3.3.3.2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 20592-97

3.3.3.3 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 20592-97

3.33.4 出料管：出料总质量流量

因密度，则体积流量为

由表1-1[4]得，因进料黏度低，选取管道中流速
则管径
根据规格选取φ57×3.5的无缝钢管。
法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-97

3.3.35 温度计接管：φ45×2.5，L=100mm，无缝钢管
法兰：PN0.25 DN40 HG 20592-97
3.3.36 不凝气体排出管：φ32×3.5，L=100 mm，无缝钢管
法兰：PN0.6 DN25 HG 20592-97
3.33.7 压料管：φ57×3.5，L=200 mm，无缝钢管
法兰：PN0.25 DN50 HG 20592-97
3.3.38 压料管套管：φ108×4，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，2009
[2]陈国桓主编．《化工机械基础》．第二版. 化学工业出版社，2007
[3]周大军、揭嘉主编.《化工工艺制图》.化学工业出版社，2005
[4]《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，2006
[6]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。

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