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……………………………………………………....5
1．设计依据……………………………………………………..5
2.设计方案……………………………………………………....5
3.设计计算……………………………………………………….5
3.1间歇反映釜的生产计算…………………………………….....5
3.2连续反映釜的生产计算………………………………………..6
四、设备设计与选型…………………………………………………..10
1.反映釜及夹套的设计计算……………………………………...10
2.搅拌器的设计…………………………………………………...12
3.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……………………………………………………….19

08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=5×26.4=132kmol/h
3.1.1.4总物料量流量：F=FA0+F乙醇=26.4+132=158.4kmol/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=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/h
26.4
132
0.789
3.1.2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/h
19.83
99.17
0.59
3.2.2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V<5，
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
1.045
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实验/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=1.0︿1.4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12[3]初选ho=40mm。
1.1.3拟定筒体高度H
当Dg=1600mm，ho=40mm时，
由附表12[3]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=2.014m3
≈1.68m
取H=1680mm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0.617m3
1.1.4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η为装料系数，η=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=113MPa
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2mm；
[σ]t——材料许用应力：[σ]100=113MPa。
考虑到钢板负偏差，初选C1=0.6mm（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=7mm，并决定L/Do；Do/δ之值：
Do­——筒体外径，Do=Di+2δd=1600+2×7=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/δ=≈230，
由图10-15[2]查得A=0.00045，由图10-17[2]差得B=65MPa，则许用外压为：
[P]===0.28MPa＞0.25MPa。
可见，δ=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δn=δ+C=7+2.6=9.6mm，圆整到标准钢板规格，δn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,
Φ=0.8,
[σ]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[P]﹥PT，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：
δd=+C2=+2≈4.5mm
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=+2.6≈5.1mm.
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/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=100rpm
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，合用。
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=40mm
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11-6[2]选：
支座B4JB/T4735-92
3.2人孔C：选用长圆型回转盖快开人孔人孔PN0.6，400×300JB579-79-1
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：PN0.6DN100HG20592-97
3.3.2冷却水出口管：φ57×3.5，L=150mm，无缝钢管
法兰：PN0.6DN50HG20592-97
3.3.3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：PN0.25DN25HG20592-97
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：PN0.25DN50HG20592-97
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：PN0.25DN10HG20592-97
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：PN0.6DN50HG20592-97
3.3.35温度计接管：φ45×2.5，L=100mm，无缝钢管
法兰：PN0.25DN40HG20592-97
3.3.36不凝气体排出管：φ32×3.5，L=100mm，无缝钢管
法兰：PN0.6DN25HG20592-97
3.33.7压料管：φ57×3.5，L=200mm，无缝钢管
法兰：PN0.25DN50HG20592-97
3.3.38压料管套管：φ108×4，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，2023
[2]陈国桓主编．《化工机械基础》．第二版.化学工业出版社，2023
[3]周大军、揭嘉主编.《化工工艺制图》.化学工业出版社，2023
[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，2023
[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，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。