乙酸乙酯反应器设计

范文一：乙酸乙酯反应器设计

青海大学

《化工过程设备设计Ⅱ》设计说明书

设计题目：年产2.76×103t 乙酸乙酯反应器设计

班级：2013级化工2班

姓名：邬天贵

学号：1320103130

前言

乙酸乙酯，又称醋酸乙酯，分子式C 4H 8O 2。它是一种无色透明易挥发的可燃性液体，呈强烈清凉菠萝香气和葡萄酒香味。乙酸乙酯能很好的溶于乙醇、氯仿、乙醚、甘油、丙二醇和大多数非挥发性油等有机溶剂中，稍溶于水，25℃时，1ml 乙酸乙酯可溶于10ml 水中，而且在碱性溶液中易分解成乙酸和乙醇。水能使其缓慢分解而呈酸性。乙酸乙酯与水和乙醇都能形成二元共沸混合物，与水形成的共沸物沸点为70.4℃，其中含水量为6.1%（质量分数）。与乙醇形成的共沸物沸点为71.8℃。还与7.8%的水和9.0%的乙醇形成三元共沸物，其沸点为70.2℃。

乙酸乙酯应用最广泛的脂肪酸酯之一，具有优良的溶解性能，是一种较好的工业溶剂，已经被广泛应用于醋酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶、乙醛纤维树脂、合成橡胶等的生产，也可用于生产复印机用液体硝基纤维墨水，在纺织工业中用作清洗剂，在食品工业中用作特殊改性酒精的香味萃取剂，在香料工业中是最重要的香味添加剂，可作为调香剂的组分，乙酸乙酯也可用作黏合剂的溶剂，油漆的稀释剂以及作为制造药物、染料等的原料。

目前，国内外市场需求不断增加。在人类不断注重环保的今天，在涂料油墨生产中采用高档溶剂是大势所趋。作为高档溶剂，乙酸乙酯在国内外的应用在持续稳定的增长，在建筑、汽车等行业的迅速发展，也会带动对乙酸乙酯类溶剂的需求。

工业生产技术

目前全球乙酸乙酯工业生产方法主要有醋酸酯化法、乙醛缩合法、乙醇脱氢法和乙烯加成法等。传统的醋酸酯化法工艺在国外被逐步淘汰，而大规模生产装置主要采用后三种方法，其中新建装置多采用乙烯加成法。本设计采用醋酸酯化法。

醋酸酯化法

在硫酸催化剂作用下，醋酸和乙醇直接酯化生成乙酸乙酯。该工艺方法技术成熟，投资少，操作简单，但缺点是生产成本高、硫酸对设备腐蚀性强、副反应多、产品处理困难、环境污染严重。目前我国大多数企业仍采用醋酸酯化法生产乙酸乙酯。

一、工艺设计·························································1

1.1原料液的处理量···············································1

1.2原料液的起始浓度···············································1

1.3反应时间与反应体积············································1

二、物料衡算·························································2

三、热量衡算·························································3

3.1标准反应热···················································3

3.2热量衡算·······················································3

3.3换热计算·····················································5

四、反应釜釜体设计··················································5

4.1反应器的直径与高度·············································5

4.2筒体的壁厚·····················································7

4.3反应釜封头厚度·················································8

五、反应釜夹套设计···················································8

5.1夹套DN 、PN 的确定··············································8

5.2夹套筒体的壁厚················································9

5.3夹套筒体的高度················································10

5.4夹套的封头····················································10

5.5换热面积校核··················································10

六、反应釜釜体及夹套压力试验········································10

6.1釜体的水压试验················································11

6.2夹套的液压试验···············································11

七、搅拌器··························································12

7.1搅拌桨的尺寸与安装位置········································13

7.2搅拌功率的计算················································14

7.3搅拌轴直径设计················································15

八、反应釜附件的选型与尺寸设计······································17

8.1原料液进料管··················································17

8.2人孔与手孔····················································17

8.3支

座··························································17

8.4传动装置······················································17

8.5机架··························································18

九、设计结果一览表·················································18

十、设计心得·······················································20 参考文献·······················································21

一、工艺设计

1.1原料液的处理量

根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时乙酸用量为

2.76×103×103

Q=88×7200×0.386=11.285kmol/h

由于原料液的组分质量比为1:2:1.35

所以单位时间处理量为

11.285×60×4.353 Q 0= =2.888m/h 1020

1.2原料液的起始浓度

11.285C A0=2.888=3.908mol/L

有质量比可得乙醇和水的起始浓度

3.908×60×2 C B0= =10.195mol/L 46

3.908×60×1.35 C S0==17.586mol/L 18

1.3反应时间与反应体积

将速率方程转换成转化率的函数

C A =CA0(1-XA ) C B =CB0-C A0X A C R =CA0X A C S =CS0+CA0X A

R A =k1(a+bXA +cXA 2)C A02=k1

由上式可得

C a=C =2.609 A0

C A0C S0 b=-(1+C +C K )=-5.15 B0A0K-12C C C [K X A -(1+C B0+C A0K )X A +C A0 ]C A02

K-1 c=K =0.658

所以：?=b -4ac =4.434

1则：t=k C 1A0 X 0dX a+bXA +cXA =143.8min

2.888×(143.8+50)3 所以：V R =Q0(t+t0)==9.328m60

V R 9.328实际体积V t =f =0.6=15.547m3 （对于沸腾或鼓泡的液体物料，f

可取0.4~0.6 《化学反应工程》）

二、物料衡算

乙酸每小时进料量为11.285kmol/h，根据乙酸的转化率和反应物的初始质量比计算出各物料的进料和出料量。

进料：

11.285×60×2乙醇：Q 0==29.439kmol/h 46

乙酸乙酯：Q 0=0kmol/h

11.285×60×1.35水：Q 0==50.783kmol/h 18

出料：

乙酸：Q=11.285-11.285×0.386=6.929kmol/h

乙醇：Q=29.439-11.285×0.386=25.083kmol/h

乙酸乙酯：Q=11.285×0.386=4.356kmol/h

水：Q=50.783+11.285×0.386=55.139kmol/h

列表如下：

三、热量衡算

3.1标准反应热

以第一基准为计算基准

反应方程式：CH 3COOH+C2H 5OH →CH 3COOC 2H 5+H2O

n ?H 0

?H=μ+∑输出n i H i -∑输入n i H i

各物质的?H f 0及?H V (蒸发焓) 查得如下：（由《化工工艺设计手册》第四版上册查得）

乙酸：?H f 0=-487.0KJ/mol

乙醇：?H f 0=-277.6KJ/mol ?H V =39.33KJ/mol

乙酸乙酯：?H f 0=-463.3KJ/mol ?H V =32.24KJ/mol

水：?H f 0=-285.9KJ/mol ?H V =40.63KJ/mol

?H r 0=∑输出μi ?H f 0-∑输入μi ?H f 0

=-（463.3+285.9）+（487.0+277.6）=15.4KJ/mol

3.2热量衡算

从《化工工艺设计手册》第四版上册查出各组分在各温度段的C P 值，经拟合呈线性关系，所以可用内插法求得各物质在反应温度段下的平均C P 值。

拟合结果如下：

乙酸：y=0.1015X+131.25 k 2=0.9961

得C P =137.803J/(mol·k)

乙醇：y 液=0.4845X+98.9 k 2=0.9942

得C P 液=124.678J/(mol·k)

y 气=0.1558X+61.593 k 2=0.9998

得C P 气=75.390J/(mol·k)

乙酸乙酯：y 液=0.225X+164.8 k 2=0.9681

得C P 液=177.038J/(mol·k)

y 气=0.272X+104.12 k 2=0.9995

得C P 气=128.028J/(mol·k)

水：y=0.0002X2-0.0136X+75.453 k 2=0.9968

得C P =75.672J/(mol·k)

因为进料温度为25℃，所以∑输入n i H i =0，将上述C P 值带入计算各组分输出焓值。

乙酸：?H 1=n?25Cp 液dt=7.161×104KJ/h

乙醇：?H 2=n[?25C p 液dt+?H V +?78C p 气dt]=1.194×106KJ/h

乙酸乙酯：?H 3=n[?25C p 液dt+?H V +?77C p 气dt]=1.934×105KJ/h

水：?H 4=n(?25Cp 液dt+?H V )=2.553×106KJ/h 1001007810077100

∑输出n i H i =4.012×106KJ/h

?H 总=4.356×15.4×103+4.012×106-0=4.079×106KJ/h

?H 总>0，所以外界应向系统提供能量。

3.3换热计算

换热采用夹套加热，设夹套内的过热水蒸气由130℃降到110℃。温差为20℃，忽略热损失，则计算水蒸气的用量如下：

水蒸气的比热容C P0：

C p0=a+(b×10-2)T+(c×10-5)T 2+(d×10-9)T 3

其中a=7.7，b=0.0459，c=0.252，d=-0.859 （由《化工计算》查得）

T +TT 1=130℃， T 2=110℃， T=2 =120℃

计算得C p0=7.7+0.180+0.389-0.052=8.217cal/(mol·k)

由Q=m0C p0(T1-T 2) 得

Q 4.079×106×18m 0=C (T-T ) =8.217×4.184×20=1.068×105kg/h p012四、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素：

1、高径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，P αD i 3，其中搅拌功率P 随釜体直径D i 的增大，而增加很多，减小高径比只能无畏的消耗一些搅拌功率。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 越大，越有利于传热。

高径比的确定通常采用经验值

H D =1.3 先忽略罐底容积 i

π2π3H V t ≈4D i H ≈4 D i D i

π315.547=4D i ×1.3

D i =2.48m

取标准D i =2.5m=2500mm

标准椭球形封头设计参数

由《化工制图》查得

筒体的高度

(V-v)4

H=D π=2.711m=2710mm

i 釜体高径比的复核 H H+h2710+40

D i =D i =2500=1.1 所以，该设计满足要求。 4.2筒体壁厚的设计 4.2.1设计参数的确定

110℃下反应器内各物质的饱和蒸气压《化工热力学》

该反应釜的操作压力必须满足乙醇的饱和蒸气压，所以取操作压力P=0.4MPa，则取设计压力P C =1.1P=0.44MPa。

反应釜操作温度为100℃，设计温度取130℃。反应釜体材料选用Q345R 。查《化工设备机械基础》得该材料在130℃时的许用应力[σ]t =189MPa。

焊缝系数取φ=1.0（双面对接焊，100%无损探伤），腐蚀裕量C 2=2mm。（取自《化工设备机械基础》） 4.2.2筒体的壁厚计算厚度

P D 0.44×2500δ= =2.9134mm 2[σ]φ-P C 2×189×1.0-0.44因为δ=2.9134?δ所以取δ=3mm 设计厚度

δd =δ+C2=3+2=5mm

钢板负偏差 C 1=0.3mm （取自《化工设备机械基础》）名义厚度

δn =δd +C1+?=5+0.3+?=6mm 有效厚度

δe =δn -C 2-C 1=3.7mm 4.3釜体封头厚度计算厚度

P D 0.44×2500

δ= =2.9117mm 2[σ]φ-0.5P C 2×189×1.0-0.5×0.44因为δ=2.9117?δ所以取δ=3mm 设计厚度

δd =δ+C2=3+2=5mm

钢板负偏差 C 1=0.3mm （取自《化工设备机械基础》）名义厚度

δn =δd +C1+?=5+0.3+?=6mm

min =3mm，δmin -δmin =3mm，δmin -δ

?C 1

五、反应釜夹套设计

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的介质，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、半圆管夹套、和蜂窝夹套等，其适应的温度和压力不同。本设计采用整体夹套中的U 型夹套。 5.1夹套DN 、PN 的确定 5.1.1夹套的DN

夹套直径与筒体直径之间的关系

由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可得：

D j =Di +200=2500+200=2700mm 5.1.2夹套的PN

有设计条件可知夹套内介质的工作压力为常压，故可取PN=0.25MPa，由于PN ?1.6MPa ，所以可以选用Q235B 为夹套的制作材料。

查《化工设备机械基础》得该材料在130℃时的许用应力[σ]t =110MPa，取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100%无损探伤），腐蚀裕量C 2=2mm。 5.2夹套筒体的壁厚计算厚度

P D 0.25×2700δ= =2[σ]φ-P C 2×110×1.0-0.25设计厚度

δd =δ+C2=3.0717+2=5.0717mm

钢板负偏差 C 1=0.3mm （取自《化工设备机械基础》）名义厚度

δn =δd +C1+?=5.0717+0.3+?=6mm 有效厚度

δe =δn -C 1-C 2=6-0.3-2=3.7mm 5.3夹套筒体的高度

fV-v 0.6×15.547-2.242H j =π= =1.44m=1440mm π22

D ×2.5i 445.4夹套的封头封头的厚度

夹套的下封头选用标准椭球形封头，内径与筒体相同。夹套上封头选带折边形的封头，且半锥角α=45°。计算厚度

P D 0.25×2700δ= =3.0699mm 2[σ]φ-0.5P C 2×110×1.0-0.5×0.25设计厚度

δd =δ+C2=3.0699+2=5.0699mm

钢板负偏差 C 1=0.3mm （取自《化工设备机械基础》）名义厚度

δn =δd +C1+?=5.0699+0.3+?=6mm

带折边锥形封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，所以取封头的壁厚与夹套筒体壁厚一致δn =6mm 5.5传热面积校核

釜体下封头的内表面积F K =7.089m2，筒体高度H=2710mm，筒体内经D i =2500mm，筒体内表面积F 0=21.274m2。

总的换热面积F 总=7.089+21.274=28.363m2

六、反应釜釜体及夹套压力试验 6.1釜体的水压试验 6.1.1水压试验的压力

[σ]

P T =1.25Pc =1.25×0.44×1=0.55MPa

[σ]6.1.2强度校核

P T (Di -δe ) 0.55×(2500-3.7)σT = =185.54MPa 2×3.72δe

查《化工设备机械基础》得Q345R 的屈服极限σs =345MPa

0.9φσs =0.9×1.0×345=310.5MPa 因为σT =185.54MPa?0.9φσs =310.5MPa 所以水压强度足够 6.1.3水压试验的操作过程

在保持釜体表面干燥的情况下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.55MPa ，保证不低于30min ，然后将压力缓慢降至0.44MPa ，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄

漏和明显的残留变形。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实验。 6.2夹套的液压试验 6.2.1水压试验的压力

[σ]

P T =1.25Pc =1.25×0.25×1=0.31MPa

[σ]因为0.31MPa ?P+0.1=0.35MPa，所以应取P T =0.35MPa 6.2.2强度校核

P T (Dj -δe ) 0.35×(2700-3.7)σT = =127.53MPa 2×3.72δe

查《化工设备机械基础》得Q235B 的屈服极限σs =235MPa

0.9φσs =0.9×1.0×235=211.5MPa 因为σT =127.53MPa?0.9φσs =211.5MPa 所以水压强度足够 6.2.3水压试验的操作过程

在保持夹套表面干燥的情况下，首先用水将夹套内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.35MPa ，保证不低于30min ，然后将压力缓慢降至0.25MPa ，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄漏和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将夹套内的水排净，用压缩空气吹干夹套。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实验。七、搅拌器

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间接带动。

搅拌设备规模、操作条件及液体性质覆盖面非常广泛，选型时考虑的因素主要有两方面。一是介质的黏度，一是搅拌过程的目的和搅拌器能造成的流动形态。

根据浆叶的结构，常用的搅拌器有：浆式、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、浆式、涡轮式等都可以选择。本次设计选用涡轮式搅拌器。 7.1搅拌桨的尺寸与安装位置

搅拌桨的叶轮直径与反应釜的筒体直径比一般为0.2~0.5，一般取为0.33，所以叶轮的直径

d=0.33Di=0.33×2500=825mm，取d=850mm 由《压力容器与过程设备》一书可查得：

叶轮直径d ：叶轮叶长度l ：叶轮叶片宽度W=20:5:4 叶轮距槽底的安装高度h 1=0.7~1.6d 则由上述数据可计算：叶轮的叶长度

l=0.25d=212.5mm，取l=220mm 叶轮的叶片宽度 W=0.2d=170mm 叶轮距槽底的安装高度

h 1=1.0d=850mm

挡板数目设计为6个，垂直安装在槽壁上并从槽壁延伸至液面上，挡板宽度一般可取容器直径的0.1倍

W b =0.1Di =250mm

桨叶数设计为6片，叶端速度设计为4.0m/s（中度搅拌），则搅拌器的转速为：

4.04.0

n=πd =3.14×0.85=1.50r/s

为了消除可能出现的打旋现象，强化传质和传热，安装6片宽度为0.25m 的挡板，全挡板的条件判断如下：

Wb 1.2

(D ) n b =0.379?0.35 i 所以，符合全挡板条件 7.2搅拌功率的计算

由《化工原理》第三版上册计算方法计算。

由《化工原理》第二版上册查得各物质的黏度计算公式

μ=ATB lg μ=A+B/(C-T)

各物料的黏度计算结果如下

μ乙醇=0.343mPa/s μ乙酸=0.465mPa/s μ乙酸乙酯=0.213mPa/s

μ水=0.2838mPa/s （直接可查得）

对于非缔合液体混合物的黏度，可采用下式计算： lg μm = X i lg μi 反应之前:

11.28529.43950.783

lg μm1=91.507lg0.465+91.507lg0.343+91.507lg0.2838 =-0.0410-0.1495-0.3036=-0.4941

μm1=0.321mPa/s 反应之后：

6.92925.08355.1394.356

lg μm2=91.507lg0.465+91.507lg0.343+91.50791.507lg0.213

=-0.0252-0.1274-0.3332-0.0320=-0.5178 μm2=0.304mPa/s 平均黏度

μm =（μm1+μm2）/2=0.3125mPa/s 雷诺准数

d 2n ρ0.852×1.50×1020

R e =μ =3.125×10=3.537×106

由于R e 很大，处于湍流区，所以应该安装挡板以消除打旋现象。由《压力容器与过程设备》查得，当R e =3.537×106时，N P =6.0 则，搅拌功率为：

P=NP ρn 3d 5=9.16KW≈10KW 7.3搅拌轴直径的设计

7.3.1搅拌轴的选材与直径的计算

搅拌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。本设计中轴不是很大，所以可以选用圆钢制造的轴。奥氏体型不锈耐酸钢有较高的抗晶间腐蚀能力，对一些有机酸和无机酸具有良好的耐腐蚀性能。本设计中的物料中有乙酸，因此搅拌轴的材料选用奥氏体型不锈耐酸钢1Cr18Ni9Ti 。

电动机的功率P=10KW，搅拌轴的转速n=90r/min，材料选用1Cr18Ni9Ti ，[τ]=25MPa，剪切弹性模量G=8.1×104MPa ，许用单位扭转角[θ]=1o /m。外力矩：

m[N·m]=9.553×10n =9553×10/90=1061N·m 利用截面法：

M Tmax =m=1061N·m M 由τmax =W ≦[τ]得

W P ≧1061/25=42440N·mm/MPa

搅拌轴为实心轴，则抗扭截面模量为W P =0.2d3≧42440

d ≧59.65 可取d=60mm 7.3.2搅拌轴刚度的校核

M 180

θmax =GI π ×103

πd 4I P =32

刚度校核必须满足：θmax ≦[θ]，即：

4d P 180

9.553×106n π×103

π[θ]G32

=52.60mm

所以搅拌轴的直径取d=60mm满足要求。 7.3.3搅拌轴临界转速校核

由于搅拌轴的转速取n=90r/min?200r/min，故可以不作临界转速校核。

八、反应釜附件的选型与尺寸设计

8.1原料液进料管

已知原料液每小时处理量为Q 0=2.888m3/h，要求原料要在15分今晚，所以则Q 0=2.888×4=11.552m3/h

设进料速率为u=1.5m/s，则进口管的直径为：

d=4Q 0/πu =4×11.552/3600×3.14×1.5 =0.052m=52mm 圆整后取d=55mm

因此选用φ76×4mm 的无缝钢管。 8.2人孔及手孔

为检查压力容器在使用过程中是否出现问题，以及方便清洁和维修，压力容器常常开设人孔或手孔。

由《化工设备机械基础》查得开设人孔或手孔的相关规定如下：

所以，可开设人孔1个或手孔2个，尺寸见上表。 8.3支座

夹套反应釜采用立式安装，采用耳式支座分为A 型和B 型两种，此设备需要保温110℃时选用B 型。支座数设计为4个。 8.4传动装置

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，再通过联动机带动搅拌轴旋转。减速机下设机座，以便按在反应釜的封头上。由于考虑到传动装置与轴封装置安装时要求保持一定的同心度以及装卸维修的方便，常在封头上焊接一个底座，整个传动装置连机座及轴封装置仪器安装在这底座上。 8.5机架

机架是用来支撑减速机和传动轴的，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。双支点机架使用与搅拌轴载荷较大，对搅拌密封装置要求较高的场合。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。

九、设计结果一览表

十、设计心得

本次课程设计主要是结合《化学反应工程》与《化工设备机械基础》两门课程的内容与特点所进行的一次模拟设计。本次设计从理论结合实际，对我们的学习与知识的综合运用有很大的帮助。同时，通过做课程设计，我们不仅熟练了本次课题的设计计算，而且通过分析课题、查阅资料、小组讨论、方法比较等，让我们对化工工艺设计有了初步的了解与认知。对我们养成独立解决问题有极大的帮助，并为我们以后从事这个行业做好铺垫。

本次课程设计虽然在开始的时候遇到了很多困难，但通过和同学们的讨论和沟通，我很快就可以基本解决这些问题。通过查阅资料，让我对各种知识的运用与理解的能力有了显著的提高。相较上两次课程设计，本次课程设计完成的更完美、更成熟，而且让我在设计方面

的能力有了显著的增长。为以后更好的适应工作与生活起了很大的作用。

参考文献

[1]：《化工原理》第二版上册 [2]：《化学反应工程》第五版 [3]：《化工设备机械基础》第四版 [4]：《化工计算》化学工业出版社 [5]：《化工制图》第二版

[6]：《化工工艺设计手册》第四版上册 [7]：《化工热力学》化学工业出版社 [8]：《化工原理》第三版上册

范文二：乙酸乙酯反应器设计

河南城建学院

《反应工程》

课程设计

指导教师：学生姓名：班级学号： 888888

2012年05月

课程设计任务书

一、设计时间及地点

1、设计时间：2012年5月28日—— 6月8日具体安排：

2012年5月28日上午教师组织学生分组，布置课程设计任务 2012年5月28日下午学生开始查阅资料，整理资料，理出设计思路 2012年5月29日开始学生在教师指导下开始进行课程设计计算 2012年6月5日开始学生在教师指导下编写设计说明书并绘制图纸 2012年6月8日上午分组进行答辩 2、设计地点：9#楼C —504 、C —509教室二、设计目的和要求

通过课程设计，要求更加熟悉工程设计基本内容，掌握化学反应器设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力、独立工作和创新能力。

三、设计题目和内容

设计题目二：年产量[2000+(学号-15) ×100]吨乙酸乙酯的反应器的设计

1. 设计条件

1生产规模：2600吨/年 ○

2生产时间：连续生产8000小时/年, 间歇生产6000小时/年 ○

3物料消耗：按5%计算 ○

4乙酸的转变化率：54% ○

2. 反应条件

反应温度在等温下进行，反应温度为800C ，以少量的浓硫酸为催化剂，硫酸量为总物料量的1%，当乙醇过量时，其动力学方程为：—r A =kCA 2. 。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0.85Kg/L，反应的速率常数k 为15.00L/（kmol*min）。

四、设计方法和步骤

1、设计方案简介

根据设计任务书所提供的条件和要求，通过对现有资料的分析对比，初步确

定工艺流程。对选定的工艺流程、主要设备的型式以及数值积分计算等进行简要的论述。

2、主要设备的工艺设计计算

①反应的物料衡算、热量衡算、动量衡算 ②催化剂床层高度计算 ③出口转化率计算

3、典型辅助设备的选型和计算:

包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定 4、制图：

①绘制带控制点的工艺流程图 ②绘制主体设备图

③绘制温度、转化率、压力与床层高度L 曲线 5、编写设计说明书五、设计成果的编制

本课程的设计任务要求学生做设计说明书1份、图纸3张。各部分具体要求如下：

（一）设计说明书的内容与顺序：

1、封面（包括题目、学生班级、学生姓名、指导教师姓名等） 2、设计任务书 3、目录 4、正文

4.1 绪论：工艺生产技术方法及进展，反应动力学概述、设计任务的意义、设计结果简述

4.2 设计方案简介 4.3 物料流程图及说明

4.4 设计计算说明书（包括装置的工艺计算：物料衡算、热量衡算、动量衡算，反应器床层计算）

4.5 装置流程图（带控制点的工艺流程图和主体设备图）及其说明 4.6 设计结果概要

4.7 设计体会及今后的改进意见 5、参考文献

6、主要符号说明（必须注明意义和单位）

说明书必须书写工整、图文清晰。说明书中所有公式必须写明编号。（二）设计图纸的要求：

1、流程图：

要求画“生产装置工艺流程图”一张，图纸大小为A2。

本图应表示出装置、单元设备、辅助设备和机器、管道、物料流向。以线条和箭头表示物料流向，并以指引线表示物料的流量、温度和组成等。辅助物料的管线以较细的线条表示。

工艺物料管道用粗实线，辅助物料管道用中粗线，其他用细实线。横向管道标注在管道上方，竖向管道标注在管道右侧。辅助物料（如冷却水、加热蒸汽等）的管线以较细的线条表示。

图表和表格中的所有文字写成长仿宋体。

设备以细实线绘制，画出能够显示形状特征的主要轮廓。设备的高低和楼面高低的相对位置一般也按比例绘制。设备的位号、名称标注在相应设备图形的上方或下方，或以指引线引出设备编号，在专栏中注明每个设备的位号、名称等。

2、主体设备图：

本设计要求画主体设备详图一张，图纸大小为A1。表示其结构形式、尺寸（表示设备的尺寸，如圆筒形设备的直径等）、技术特性等。

设备图基本内容有：

视图：一般用主视图、剖面图或俯视图表示主要设备结构形状；

尺寸：图上应注明设备直径、高度以及表示设备总体大小和规格的尺寸；技术特性表：列出设备操作压力、温度、物料名称、设备特性等；标题栏：说明设备名称、图号、比例、设计单位、设计人、审校人等。本设计标题栏规定如下所示：

图纸要求：投影正确、布置合理、线型规范、字迹工整。

标题栏格式：

10 10 8 8

8 8

（三）参考文献的格式：

期刊类：（序号）作者1，作者2，……作者n ，文章名，期刊名（版本），出版年，卷次（期次）。

图书类：（序号）作者1，作者2，……作者n ，书名，版本，出版地：出版社，出版年。

六、评分标准及成绩评定

1. 课程设计成绩评定应以学生出勤情况、工作态度、完成工作任务的情况、设计说明书和图纸以及答辩情况为依据。

2. 课程设计的成绩采用五级计分制即优秀、良好、中等、及格、不及格。 3. 评分标准：

优秀：能圆满地完成课题任务，设计说明书内容完整、计算正确、层次分明，说明书书写规范，图纸符合要求，独立工作能力强，工作态度认真；答辩时概念清楚，回答问题正确。

良好：能较好地完成课题任务；设计说明书完整、计算及论述基本正确；说明书写书规范，图纸符合要求，工作态度认真，答辩时概念较清楚，回答问题基本正确。

中等：完成课题任务，出勤好，设计说明书的内容基本完整、计算及论述无原则性错误；说明书的书写基本规范，图纸质量一般；工作表现较好；答辩时能回答所提出的主要问题，且基本正确。

及格：基本完成课题任务；设计说明书，质量一般，无大的原则性错误；说明书的书写不够规范，图纸不够完整；答辩时讲述不够清楚，对任务涉及的问题基本上能够回答，虽有错误，但不是重大原则错误。

不及格：没有完成课题任务或设计说明书（论文）中有重大原则性错误，答辩中逻辑混乱，概念不清。七、参考文献

八、课程设计期间纪律：

设计期间学生仍要按上课时间正常出勤，按时到教室做设计。

1. 在设计期间有要事的学生须向自己的指导教师履行请假手续。不履行请假手续的视为旷课。

2. 除请假外，学生可以利用较短时间内去图书馆借阅资料。借资料时须提前在教室黑板写明姓名、事由、外出起止时间。

3. 设计期间要保持教室纪律，不能大声喧哗，影响周边教室正常上课。

V ——反应釜的体积 t ——反应时间

c A 0——反应物A 的起始浓度 c B 0——反应物的B 起始浓度

c S 0——反应物S 的起始浓度

f ——反应器的填充系数

D i ——反应釜的内径

H ——反应器筒体的高度

h 2——封头的高度

P ——操作压力 P c ——设计压力 φ——取焊缝系数

[σ]t

——钢板的许用应力 C 1——钢板的负偏差 C 2——钢板的腐蚀裕量 S ——筒壁的计算厚度

S d ——筒壁的设计厚度 S n ——筒壁的名义厚度 H j ——反应器夹套筒体的高度v ——封头的体积

P T ——水压试验压力 D j ——夹套的内径

主要符号一览表

Q ——乙酸的用量

Q0——单位时间的处理量

绪论 . .................................................................................................. 错误！未定义书签。第1章设计方案 . .................................................................................... 错误！未定义书签。第二章物料计算及方案选择 . .............................................................. 错误！未定义书签。

2.1间歇进料的计算 . .............................................................................. 错误！未定义书签。 2.2连续性进料的计算 . ............................................................................................................ 4 2.3方案选择 . ............................................................................................................................ 5 第3章热量核算 . ...................................................................................................................... 6

3.1热量衡算总式 . .................................................................................................................... 6

3.2每摩尔各种物值在不同条件下的

c p , m

值 . ........................................................................ 7

3.3各种气象物质的参数如下表 . ............................................................................................ 8 3.4每摩尔物质在80℃下的焓值 . ........................................................................................... 8 3.5总能量衡算 . ........................................................................................................................ 9 3.6换热设计 . .......................................................................................................................... 10 第4章反应釜釜体设计 . ........................................................................................................ 11

4.1反应器的直径和高度 . ...................................................................................................... 11 4.2筒体壁厚的设计 . .............................................................................................................. 12 4.3釜体封头厚 . ...................................................................................................................... 12 第5章反应釜夹套的设计 . .................................................................................................... 14

5.1夹套DN 、PN 的确定 . ..................................................................................................... 14 5.2夹套筒体的壁厚 . .............................................................................................................. 14 5.3夹套筒体的高度 . .............................................................................................................. 15 5.4夹套的封头 . ...................................................................................................................... 15 5.5传热面积校核 . .................................................................................................................. 15 第6章反应釜釜体及夹套的压力试验 . ................................................................................ 16

6.1釜体的水压试验 . .............................................................................................................. 16 6.2夹套的液压试验 . .............................................................................................................. 17 第7章搅拌器的选型 . ............................................................................................................ 18

7.1搅拌桨的尺寸及安装位置 . .............................................................................................. 18 7.2搅拌功率的计算 . .............................................................................................................. 18 7.3搅拌轴的的初步计算 . ...................................................................................................... 19 7.4联轴器的型式及尺寸的设计 . .......................................................................................... 20 总结 22 致谢 23 参考书目 23

绪论

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。

化工设备机械基础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。

摘要：本选题为年产量为年产2600吨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4. 5m 3、换热量为5.5 106KJ /h 。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高1930mm ，直径1600mm ；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60mm 。在此基础上绘制了设备条件图。本设计为间歇釜式反应器的工业设计提供较为详尽的数据与图纸。

关键字：间歇釜式反应器; 物料衡算; 热量衡算; 壁厚设计;

第1章

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。

第2章物料计算及方案选择

2.1 间歇进料的计算 2.1.1 流量的计算

乙酸乙酯的产量

化学反应方程式：

浓硫酸

CH 3COOH +CH 3CH 2OH ←??→CH 3COOCH 2CH 3+H 2O 乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为

2600?103

=4. 92kmol F 酯=/h

88?6000

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x=0.54,物料损失以5%计，则乙酸的进料量

4. 92

/h FA0==9. 8kmol

0. 54?0. 95?0. 98

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=5×9.8=49kmol/h

总物料量流量：F= FA0+F 乙醇=9.8+49=58.8 kmol/h 硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算，

9. 8?60+49?46

=2870. 7kg /h

0. 99

因硫酸为总流量的1%，则

W 总=

W 硫酸=2870.7?0.01=28.7kg /h ，即可算其物质的量流量

F 硫酸=28.7/98=0.293kmol /h

表1 物料进料量表 .

2.1.2 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） -r =kc A A

当反应温度为80℃，催化剂为硫酸时，反应速率常数

()k=15.00L =0.9m3/(kmol.h) /kmol ?min

因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85kg/L,则乙酸的初始浓度为：

c A 0

0. 85?10003

==2. 9kmol /m 当乙酸转化率x=0.54，由间歇釜反应有：

dc A 1cA dc A 111111

t =-?=-?=(-) =(-) =0. 45h 2cAo (-r ) cAo k 0. 92. 9?0. 462. 93c A k c A c A 0A

根据经验取非生产时间 V R =

'=t 0. 5，则反应体积

F A 09. 8

(t +t , ) =?(0. 45+0. 5) =3. 21m 3 c A 02. 9

因装料系数为0.75，故实际体积 3. 213

V R ==4. 28m 3 要求每釜体积小于5m

0. 75 则间歇釜需1个，每釜体积V=4.28 m3圆整，取实际体积V =4. 5m 3。

2.2 连续性进料的计算 2.2.1 流量的计算

乙酸乙酯的产量

化学反应方程式：

浓硫酸

CH 3COOH +CH 3CH 2OH ←??→CH 3COOCH 2CH 3+H 2O 乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为

260000?103F 酯==3. 69kmol /h

88?8000

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x=0.54,物料损失以5%计，则乙酸的进料量

3. 69

FA0 =/h =7. 34kmol

0. 54?0. 95?0. 98 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

F =7. 34?5=36. 7k m o /l h

总物料量流量：F=F A 0+F =7. 34+36. 7=44. 04kmol /h 硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算，

7. 34?60+36. 7?46

W 总==2128. 6kg /h

0. 99

因硫酸为总流量的1%，则

W 硫酸=2128.6?0.01=21.29kg /h ，即可算其物质的量流量

F 硫酸=21.29/98=0.22kmol /h

表2 物料进料量表 .

2.2.2 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） -r kc A =A

()/kmol ?min 当反应温度为80℃，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=15L

因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85g /cm 3。因硫酸少量，忽略其影响，

c A , 0

0. 85?1000==2. 9 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，ν0

不变，

τi =

V i

不变 ν0

-c V -c A 0A 1V 1c 2c A 1A 2

(-r ) (-r ) A 1A 2

c c c c A 0-A 1A 1-A 2

k c k c 1A 12A 2

若采用两釜等温操作，则代数解得 c A 1=2. 01kmol/m3 所以 V R =

k 1=k

F A 0(c A 0-c A 1) 7. 34?(2. 9-2. 01) 3

==0. 64m 22

c A 0kc A 12. 9?0. 9?2. 01

装料系数为0.75，故实际体积V=0.64÷0.75=0.85m 3。故采用一条的生产线生产即可，反应器的体积V<5m 3，取v="">

2.2.3 反应时间：连续性反应时间 τ=2.3 设计方案的选择

V c A 0-c A 12. 9-2. 01

===0. 26h 2v (-r A ) 0. 9?2. 01

经上述计算可知, 间歇釜进料需要4.5m 3反应釜1个, 而连续性进料需1个1m 3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，但连续性反应器年产量少，因而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]

表4

[1]

第3章热量核算

3.1热量衡算总式

Q 1+Q 2+Q 3=Q 4

式中：Q 1进入反应器物料的能量，KJ

Q 2：化学反应热，KJ

Q 3：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，KJ

Q 4：离开反应器物料的热量，KJ

c p , m

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：

c p , m =A +BT +CT 2+DT 3[2]

各种液相物质的热容参数如下表[3]：

(1) 乙醇的c p , m 值

c p , m (l ,351.5K )=A +BT +CT 2+DT 3

=59. 342+36. 358?10-2?351. 5-12. 164?10-4?351. 52+1. 8030?10-6?351. 53=115. 15J ?mol -1?K -1

同理：

(2) 乙酸乙酯的c p , m 值

c p , m (l ,350.2K )=A +BT +CT 2+DT 3

=155. 94+2. 3697?10-2?350. 2-1. 9976?10-4?350. 22+0. 4592?10-6?350. 23=152. 79J ?mol ?K

-1

(3) 水的c p , m 值

c p , m (H 2O , l ,373K )=A +BT +CT 2+DT 3

=92. 053-3. 9953?10-2?353-2. 1103?10-4?3532+0. 53469?10-6?3533=75. 17J ?mol ?K

-1

(3) 乙酸的c p , m 值

c p , m (l ,373K )=A +BT +CT 2+DT 3

=-18. 944+109. 71?10-2?353-28. 921?10-4?3532+2. 9275?10-6?3533=136. 72J ?mol ?K

-1

3.3各种气象物质的参数如下表

[4](1) 乙醇的c p , m 值

c p , m (,g,373K )=A +BT +CT 2+DT 3

=4. 396+0. 628?10-3?353+5. 546?10-5?3532-7. 024?10-8?3533=8. 41J ?mol ?K

-1

(2) 乙酸乙酯的c p , m 值

c p , m (g,373K )=A +BT +CT 2+DT 3

=10. 228-14. 948?10-3?353+13. 033?10-5?3532-15. 736?10-8?3533=24. 82J ?mol ?K

-1

3.4每摩尔物质在80℃下的焓值

(1) 每摩尔水的焓值

-1

?r H m (H2o) =c p , m (H 2o l,353K ) ?353298dT =44. 822kJ ?mol

同理：

(3) 每摩尔的乙醇的焓值

353

?r H m(C2H 5OH) =c p , m (C 2H 5OH l,351K ) ?353298dT +?vap H m +c p , m (C 2H 5OH l,353K ) ?351dT

=115. 15?10-3?(351-298) +38. 744+8. 41?10-3?(353-351) =44. 864kJ ?mol

(4) 每摩尔乙酸的焓值

-1

?r H m (CH3COOH) =c p , m ( l,353K ) ?353298dT =7. 5196kJ ?mol

-1

(5) 每摩尔乙酸乙酯的焓值

. 2

?r H m(CH3COOC 2H 5) =c p , m ( l,350.2K ) ?350298dT +?vap H m +c p , m ( l,353K )

=38. 58kJ ?mol -1

3.5总能量衡算

（1）Q 1的计算

物质

乙酸乙醇乙酸乙酯水进料kmol /h

9.8 49 0 0 出料kmol /h

4.508 44.08 4.92 4.92

Q 1=n CH 3COOH ??r H m(CH3COOH) +n C 2H 5OH ??r H m(C2H 5OH)

=9. 8?103?7. 5196+49?103?44. 864=2272028. 08kJ ?mol -1

（2）Q 2的计算

Q 2=4. 92?103?(?r H m(H3O) +?r H m(CH3COOC 2H 5) -?r H m(C2H 5OH) -?r H m(CH3COOH) ) =4. 92?103?(44. 822+38. 58-44. 864-7. 519) =152610. 528kJ ?mol

（3）Q 4的计算

111

Q 4=n 1?r H m(CH3COOC 2H 5) H 2O ??r H m(H3O) +n ??r H m( ) +n ??r H m(C2H 5OH) +n

-1

=4. 92?103?44. 822+4. 508?103?7. 5196+44. 08?103?44. 864+4. 92?103?38. 58=2431841. 317kJ ?mol

-1

因为： Q 1+Q 2+Q 3=Q 4

即：Q =Q -Q -Q =2431841. 317-2272028. 08-152610. 528

3412求得：Q 3=7202.709KJ /h

Q 3>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130℃降到110℃，温差为20℃。

3.4.1水蒸气的用量

忽略热损失，则水的用量为

Q =m o c po (T 1-T 2) c po =a +bT +cT 2[5]

a =4. 395J ?mol -1?K -1

b =-4. 186?10-3

J ?mol -1?K -2

c =1. 405?10-5J ?mol -1?K -3

T =

T 1+T 22=403+383

=393K c p0=4. 395-4. 186?10-3?393+1. 405?10-5?3932 =6. 4J ?mol -1?K -1=0. 3556K J ?Kg -1?K -1

m 0=

Q 3c T =7202. 709

=1012. 75Kg /h p 0(T 1-2) 0. 3556?(403-393)

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，p αD i 3（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。

[6]i V ≈

D i H ≈

?H D i 3 D 4?i ?[7]

?? ?

D i =1. 6m

取标准D i =1. 6m =1600mm

[8]查得椭圆形封头的容积为 V封 =0.617 m3

筒体的高度

H =

V -V V 1

4. 5-0. 617

=1. 93m

2. 017

釜体高径比的复核

H H 1930===1. 21 满足要求 D i D i 1600

4.2筒体壁厚的设计 4.2.1设计参数的确定

[9]P=0.4MPa，该反应器的设计压力

P c =1.1P=1.1×0.4MPa=0.44MPa

该反应釜的操作温度为80℃，设计温度为100℃。由此选用16MnR 卷制

16MnR 材料在100℃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C 2=2mm

4.2.2筒体的壁厚

P c D i

计算厚度 S =

2σΦ-P c

0. 44?1600

=2. 07mm [10]

2?170?1-0. 44

钢板负偏差 C 1=0. 8mm 设计厚度名义厚度

S d =S +C 2=2. 07+2=4. 07mm S n =S d +C 1=4. 07+0. 8=4. 87mm

S n =5mm

按钢制容器的制造取壁厚

4.3釜体封头厚

P c D i

0. 44?1600

=2. 07mm

2?170?1-0. 5?0. 44

计算厚度 S =

2σΦ-0. 5P c

钢板负偏差 C 1=0. 6mm 设计厚度

S d =S +C 2=2. 07+2=4. 07mm

名义厚度

S n =S d +C 1=4. 07+0. 6=4. 67mm 圆整取S n =5mm

S n =6mm

按钢制容器的制造取壁厚

考虑到封头的大端与筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取筒体壁厚与封头的壁厚一致，即S 筒=S n =6mm

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：

D j =D i +100=1600+00=1700mm

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100℃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C 2=2mm

5.2夹套筒体的壁厚

计算厚度

S =

P c D i ?1700

2[σ]t

Φ-P =

0.252?113?1-0.25

=1.9mm

钢板负偏差 C 1=0. 8mm 设计厚度 S d =S +C 2=1.9+2=3.9mm

名义厚度

S n =S d +C 1=3.9+0.8=4.7mm 圆整取S n =5mm

按钢制容中DN=1800mm的壁厚最小不的小于6mm 所以取

S n =6mm

5.3夹套筒体的高度

H j =

fV -v

0. 75?4. 5-0. 617

D i 2

=1. 37m 圆整取H j =1400mm

?1. 62

5.4夹套的封头 5.4.1封头的厚度

夹套的下封头选标准椭球封头，内径与筒体（D j =3400mm ）相同。夹套的上封头选带折边形的封头，且半锥角α=45?。计算厚度

S =

P c D i

2[σ]Φ-0.5P c

0.25?1700

=1.9mm

2?113?1-0.5?0.25

钢板负偏差 C 1=0. 8mm 设计厚度名义厚度

S d =S +C 2=1.9+2=3.9mm S =S d +C 1=3.9+0.8=4.7mm

按钢制容中DN=1700mm的壁厚最小不的小于8mm 所以取

S n =8mm

带折边锥形封头的壁厚

考虑到封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取夹套筒体壁厚与封头的壁厚一致，即S 筒=S n =8mm

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釜体的水压试验水压试验压力的确定

P T =1. 25P c

[σ]σt

=1. 25?0. 44?1=0. 55MPa

水压试验的强度校核

P T (D i +S n -C ) 0. 55?(1600+6-2. 8)

==138MPa

2(S n -C ) 2?(6-2. 8)

σT =

16MnR 的屈服极限σs =345MPa

0. 9σs Φ=0. 9?345?1=310. 5MPa

由σT =138MPa <0. 9σs="" φ="310." 5mpa="">

压力表的量程、水温

压力表的最大量程：P 表=2p T =2×0.55=1.1MPa 或1.5P T ≤ P 表≤4P T 即0.825MPa ≤ P 表≤2.2MPa

水温≥5℃

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0.55MPa ，保压不低于30min ，然后将压力缓慢降至0.44MPa ，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夹套的液压试验水压试验压力的确定

P T =1. 25P c

[σ]σt

=1. 25?0. 25?1=0. 3125MPa 且不的小于（p+0.1）=0.35MPa

所以取P T =0. 35MPa

水压试验的强度校核

P T (D i +S n -C ) 0. 35?(3400+8-2. 8)

==115MPa

2(S n -C ) 2?(8-2. 8)

σT =

Q235—B 的屈服极限σs =235MPa

0. 9σs Φ=0. 9?235?1=211. 5MPa

由σT =115MPa <0. 9σs="" φ="211." 5mpa="">

压力表的量程、水温

压力表的最大量程：P 表=2p T =2×0.35=0.7MPa 或1.5P T ≤ P 表≤4P T 即0.525MPa ≤ P 表≤1.4MPa

水温≥5℃

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0.35MPa ，保压不低于30min ，然后将压力缓慢降至0.275MPa ，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

d =0.5D i =0.5?1600=800mm ，

叶轮据槽底的安装高度H 1=1.0d =1.0?800=800mm ；叶轮的叶片宽度W =0.2d =0.2?800=160mm ，叶轮的叶长度l =0.25d =0.25?800=200mm ，液体的深度H 1=1.0D i =1600m m ；

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

W b =0.1D =0.1?1600=

160mm

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：

4.34.3n ===1.52r /s ，取n =1.5r /s

πd 3.14?0.8

7.2搅拌功率的计算

采用永田进治公式进行计算：μ=2.157?10-4Pa /s

R e =

d 2n ρ

1.02?1.5?850==7.09?106>300 -4

2.157?10

n 2d 1.52?0.8F r ===0.229[13]

g 9.81

由于R e 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R ec ，用R ec 代替R e 进行搅拌功率计算。R ec 可以查表[8]上湍流一层流大的转折点得出。查表知：φ=6.8 所以功率：，

P =φn 3d 5 =6. 8?1. 53?0. 85?850=13. 4KW 取P ＝14KW

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P ＝14KW ，搅拌轴的转速n ＝90r /min ，根据文献[1]取用材料为1Cr18Ni9Ti ， [τ]＝40MPa ，剪切弹性模量G ＝8.1×104MPa ，许用单位扭转角[θ]＝1°/m。

P 14

由m =9.553?106得：m =9.553?106?=1.486?106N /mm =1486N /m

n 90

利用截面法得：M T m ax = m =9.553?106?（Nmm ）

90由τmax =

M T P 14

≤[τ] 得：W ρ≥9.553?106=9.553?106? W ρn [τ]90?40

90?40

搅拌轴为实心轴，则：W ρ≥0.2d 3=9.553?106? d ≥57.05mm 取d ＝60mm （2）搅拌轴刚度的校核：由

θm a x =

J p =

M T m a x 180

??103

GJ p π

πd

刚度校核必须满足： θmax ≤[θ]，即：

d ≥

==57.2mm

所以搅拌轴的直径取d ＝60mm 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n =90r /min ＜200r /m in ，故不作临界转速校核计算。

[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]郑津洋等编《过程设备设计》

范文三：乙酸乙酯反应器课程设计

院(部)名称化学与材料工程学院学生姓名设计项目乙酸乙酯的反应器设计指导教师专业班级化学工程与工艺

前言

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。

设计说明

摘要:本选题为年产量为年产5000T的间歇釜式反应器的设计。通过物料

3481350.95/hKJ衡算、热量衡算，反应器体积为、换热量为。设备设计46.41m

结果表明，反应器的特征尺寸为高3910mm，直径3600mm;夹套的特征尺寸为高2700mm，内径为3800mm。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80mm。在此基础上绘制了设备条件图。本设计为间歇釜式反应器的工业设计提供较为详尽的数据与图纸。

关键字:间歇釜式反应器; 物料衡算; 热量衡算; 壁厚设计

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 cA0

——反应物的B起始浓度 cB0

——反应物S的起始浓度 cS0

f——反应器的填充系数 ——反应釜的内径 Di

H——反应器筒体的高度 ——封头的高度 h2

P——操作压力

P——设计压力 c

φ——取焊缝系数

t[σ]——钢板的许用应力 C——钢板的负偏差 1

C——钢板的腐蚀裕量 2

S——筒壁的计算厚度 S——筒壁的设计厚度 d

S——筒壁的名义厚度 n

H——反应器夹套筒体的高度 j

P——水压试验压力 T

D——夹套的内径 j

Q——乙酸的用量

Q0——单位时间的处理量

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明

第1章设计任务及条件 ............................错误～未定义书签。第2章工艺设计 ................................................... 1

2.1原料的处理量 ................................................. 1

2.2原料液起始浓度 ............................................... 1

2.3反应时间 ..................................................... 2

2.4反应体积 ..................................................... 2 第3章热量核算 ................................................... 3

3.1物料衡算 ..................................................... 3

3.2能量衡算 ..................................................... 3

3.2.1热量衡算总式 ............................................ 3

cpm,3.2.2每摩尔各种物值在不同条件下的值....................... 4

3.2.3各种气象物质的参数如下表 ................................ 6

3.2.4每摩尔物质在100?下的焓值............................... 5

3.2.5总能量衡算 .............................................. 6

3.3换热设计 ..................................................... 7

3.3.1水蒸气的用量 ............................................ 7 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

4.3釜体封头厚.................................................. 10

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

- 0 -

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明

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

5.4.1封头的厚度 ............................................. 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 .............................................. 16

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8章反应釜附件的选型及尺寸计算 ................................ 15

8.1密封面形式的选型 ............................................ 15

8.2工艺接管的设计 .............................................. 16

8.2.1原料液进口管.......................................................................................19

8.2.2催化剂进口设计......................................... 16

8.2.3温度计接口............................................. 16 第9章支座...................................................... 20

- 1 -

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明设计结果一览表..........................................................................................................错误～未定义书签。

参考书目.......................................... 错误～未定义书签。

- 2 -

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明

第一章设计任务及条件

乙酸乙酯酯化反应的化学式为:

CHCOOH+CHOH=====CHCOOCH+HO 3253252

A B R S

3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/m，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

r=k(CC,CC/K) R1ABRS

X,0.55-4A100?时，k=4.76×10L/(mol?min),平衡常数K=2.92。乙酸的转化率，1

反应器的填充系数f=0.8，为此反应设计一个反应器。

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明

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

3351010，， Qkmolh,,14.348/88300240.55，，，

由于原料液的组成为1:2:1.35

单位时间的处理量

14.348604.35，，3 Qmh,,3.67/01020

2.2原料液起始浓度

14.348cmolL,, 3.91/A03.67

乙醇和水的起始浓度

，，3.91602cmolL,, 10.2/B046

，，3.91601.35cmolL,, 17.60/S018

将速率方程变换成转化率的函数

c,c(1,X) c,c,cX AA0ABB0A0A

c,cXc,c，cX RA0ASS0A0A

，，cccK,122222ASB000()(1)rkabXcXckcXXc,，，,,，，，AAAAAAAA10100,, KccKcBAA000，，

c10.2B0a,,,2.61其中: c3.91A0

cc10.217.60BS00b,,，，,,，，,,(1)(1)5.15 ccK.3.913.912.92，AA00

11c,,,,,110.6575 K2.92

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明

22 bac,,,,，，,4(5.15)42.610.65754.4342.3反应时间

X1dXAfAt, 2,0kcabXcX，，10AAA

22(24)cXbbac，,,11(204)cbbac，，,,A,,lnln2222kcbaccXbbackcbaccbbac,，，,,，，，,4(24)4(204)AAA1010

120.65750.555.154.434，，,,,ln,44.76103.914.43420.65750.555.154.434，，，，，,，

15.154.434,,,,ln547min,44.76103.914.4345.154.434，，，,，

2.4反应体积

5473VQttm,，,，，, ()3.67(1)37.128r0060

反应器的实际体积

V37.1283r

Vm,,,46.41

f0.8

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明

第3章热量核算

3.1物料衡算

33.144/molh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:

kmolh/kmolh/物质进料出料

乙酸 14.348 6.457

乙醇 37.430 29.539

乙酸乙酯 0 7.891

水 64.566 72.457 3.2能量衡算

3.2.1热量衡算总式

QQQQ，，,1234

KJ式中:Q进入反应器的能量， 1

KJQ:化学反应热， 2

Q: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3

KJ负，

KJQ:离开反应器物料的热量， 4

cpm,3.2.2每摩尔各种物值在不同条件下的值

对于液象物质，它的气相热容与温度的函数由下面这个公式计算:

23 cABTCTDT,，，， pm,

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明

[3]各种液相物质的热容参数如下表:

液相物质的热容参数

246物质 A B×10 C×10 D×10 乙醇 59.342 36.383 -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 92.035 -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 cpm,

23 cABTCTDT,，，，pmlK,,351.5，，

,,,24263,，，，,，，，，，59.34236.35810351.512.16410351.51.803010351.5

,,11,,,115.15JmolK

同理:

c(2) 乙酸乙酯的值 pm,

23 cABTCTDT,，，，pmlK,,350.2，，

,,,24263,，，，,，，，，，155.942.369710350.21.997610350.20.459210350.2

,,11,,,159.46JmolK

c(3) 水的值 pm,

23 cABTCTDT,，，，pmHOlK,,,373，，2

,,,24263,,，，,，，，，，92.0533.9953103732.1103103730.5346910373

,,11,,,75.5381JmolK

c(3) 乙酸的值 pm,

23 cABTCTDT,，，，pmlK,,373，，

,,,24263 ,,，，，,，，，，，18.944109.711037328,921103732.927510373

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,,11 ,,,139.82JmolK

3.2.3各种气象物质的参数如下表

[4]气相物质的热容参数

358物质 A B×10 C×10 D×10 乙醇 4.396 0.628 5.546 -7.024 乙酸乙酯 10.228 -14.948 13.033 -15.736 (1) 乙醇的值 cpm,

23 cABTCTDTR,，，，()pmK,,g,373，，

,,,35283 ,，，，，，，,，，，(4.3960.628103735.546103737.02410373)8.314

,,11,,,72.34JmolK

(2) 乙酸乙酯的c值 pm,

23 cABTCTDTR,，，，()pmK,g,373，，

,,,35283 ,,，，，，，,，，，10.22814.9481037313.0331037315.73610373)8.314

,,11,,,121.54JmolK

3.2.4每摩尔物质在100?下的焓值

(1) 每摩尔水的焓值

373,3,,，,,，，,，HcdTH75.5381037329844.012 ，，vapmmHOpmHOlKr，，，，,2,,,3732298

,1KJmol,=49.677

同理:

(3) 每摩尔的乙醇的焓值

351.5373

,,，,，HcdTHcdT rvapm，，，，，，mCHCHOHpmCHCHOHlkpmCHCHOHlk32,32,,351.5,32,,373,,298351.5

,,33,，，,，，，，,115.1510351.529842.5972.3410373351.5 ，，，，

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,1 ,,50.3058KJmol

(4) 每摩尔乙酸的焓值

373,3 HcdT,,，，,139.8210373298,，，mCHCOOHpmCHCOOHlkr，，，，3,3,,373,298

,1 ,,10.49KJmol

(5) 每摩尔乙酸乙酯的焓值

350.2373

,,，,，HcdTHcdTrvapm，，，，，，mCHCOOOCHCHpmCHCOOOCHCHlkpmCHCOOOCHCHlk323,323,,350.2,323,,373,,

298350.2

,,33 ,，，,，，，，,159.4610350.229830.539121.541510373350.2，，，，

,1 ,,41.634KJmol

3.2.5总能量衡算

(1)的计算 Q1

kmolh/kmolh/物质进料出料

乙酸 14.348 6.457

乙醇 37.430 29.539

乙酸乙酯 0 7.891

水 64.566 72.457 QHHH,，,，，,，，,nnn13r20r32rCHCOOHHCHCHOHmCHCOOHmHOmCHCHOH3232，，，，，，

3KJ/h=(14.348×10.49+64.566×49.677+50.3058×37.430)×10=5240902

Q(2)的计算 2

CHCOOHCHOHCHCOOCHHO，,， 3253252

，，Q=(,，,,,,,rmHOrmCHCHOOCCHrmCHCHOHrmCHCOOHHHHH(2)(323)32(3)) 2

3=(49.677+41.634-10.49-50.3058)×7.891×10

KJ/h=240795.44

Q(3)的计算 4

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明

1111 QHHHH,，,，，,，，,，，,nnnn120r2r32r323rHHOCHCHOHCHCHOOCCH20232323mHmHOmCHCHOHmCHCHOOCCH，，，，，，，，

3333=6.457×10×10.49+29.539×10×50.3058+7.891×10×41.634+72.457×10×49.677 =149135.22+7535824+3584370.4+578067.05

KJ/h=5481697.23

因为: QQQQ，，,1234

KJ/hKJ/h即:5240902-240795+=5481697求得:=481590 QQ33

>0，故应是外界向系统供热。 Q3

3.3换热设计

换热采用夹套加热，设夹套内的过热水蒸气由130?降到110?，温差为20?。

3.3.1水蒸气的用量

忽略热损失，则水的用量为

QmcTT,, ，，opo12

TT，，40338312TK,,,393 22

查书得过热蒸汽的比热容为2.18KJ/(kg?k)

Q4815903mh,,,11046kg/ ，，o2.18403393cTT,，,，，，，po12

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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/D)，以确i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:

31、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p,Di

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/D越高，越有利于传热。 i

[6]3—1 高径比的确定通常采用经验值表

种类罐体物料类型 H/D i

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/D=1.3，先忽略罐底容积 i

,,,,H23 VDHD,,,,ii44Di,,

3.143,，D46.121.3i4 Dm,3.56i

Dmmm,,3.63600取标准 i

[8]表3—2 用标准椭球型封头参数见表

23公称直径(mm) 曲面高度(mm) 直边高度(mm) 内表面积(m) 容积(m)

3600 900 50 14.64 6.62 筒体的高度

V,,,446.416.624 Hmmm,,,,,,3.90939102D,,3.6i

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明釜体高径比的复核

HHh，，3910502,,,1.1 DD3600ii

因此，该设计满足要求

4.2筒体壁厚的设计

4.2.1设计参数的确定

[9]表3—3 反应器内各物质的饱和蒸汽压

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取操作压力P=0.4MPa，该反应器的设计压力

P=1.1P=1.1×0.4MPa=0.44MPa c

该反应釜的操作温度为100?，设计温度为120?。

由此选用16MnR卷制

t16MnR材料在120?时的许用应力[σ]=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C=2mm 2

4.2.2筒体的壁厚

PD0.443600，ci[10]Smm,,,4.6649计算厚度 t217010.44，，,,,,2,,Pc

SSCmm,，,，,4.664926.6649厚度 d2

C,0.6mm设计钢板负偏差 1

SSCmm,，,，,6.66490.67.2649名义厚度 nd1

Smm,8按钢制容器的制造取壁厚 n

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明 4.3釜体封头厚

PD0.443600，ci计算厚度 Smm,,,4.66t217010.50.44，，,，,,,20.5,,Pc

设计厚度 SSCmm,，,，,4.6626.66d2

钢板负偏差名义厚度 SSCmm,，，,，,圆整6.660.67.28C,0.6mmnd11

按钢制容器的制造取壁厚 Smm,8n

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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:

DDmm,，,，,20036002003800ji

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

tQ235—B材料在120?是的许用应力[σ]=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C=2mm 2

5.2夹套筒体的壁厚

PD0.253800，ci计算厚度 Smm,,,4.21t211310.25，，,,,,2,,Pc

SSCmm,，,，,4.2126.21设计厚度 d2

钢板负偏差 C,0.6mm 1

SSCmm,，,，,6.210.66.81名义厚度 nd1

S,7mm n

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明 5.3夹套筒体的高度

fVv,，,0.846.416.62 Hm,,,2.7j,,22D，3.8i44

5.4夹套的封头

5.4.1封头的厚度

夹套的下封头选标准椭球封头，内径与筒体()相同。夹套的Dmm,3800j

,,45:上封头选带折边形的封头，且半锥角。

PD0.253800，ciSmm,,,4.21计算厚度 t211310.50.25，，,，,,,20.5,,Pc

设计厚度 SSCmm,，,，,4.2126.21d2

名钢板负偏差 C,0.6mm1

义厚度 SSCmm,，,，,6.210.66.81nd1

S,7mmn

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S,7mm n

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断进行，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。

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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

,,, P,1.25P,1.25，0.44，1,0.55MPaTct,,,

6.1.2水压试验的强度校核

PDSC()，,0.55(360082.6)，，,Tin ,,,,183.61MPaT2()2(82.6)SC,，,n

16MnR的屈服极限 ,,345MPas

0.9,,,0.9，345，1,310.5MPas

由 ,,,,,,183.610.9310.5MPaMPaTs

所以水压强度足够

6.1.3压力表的量程、水温

MPa压力表的最大量程:1.5P P4P即0.825MPa P2.2 ,,,,表表TT

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，

MPa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min

MPa0.44，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。

年产量5000T的间歇釜式反应器设计说明 6.2夹套的液压试验

6.2.1水压试验压力的确定

,,,且不大于(p+0.1)=0.35MPa P,1.25P,1.25，0.25，1,0.3125MPaTct,,,

所以取 P,0.35MPaT

6.2.2水压试验的强度校核

PDSC()，,0.35(380072.6)，，,Tjn ,,,,151.31MPaT2()2(72.6)SC,，,n

Q235—B的屈服极限 ,,235MPas

0.9,,,0.9，235，1,211.5MPas

由 ,,,,,,151.310.9211.5MPaMPaTs

所以水压强度足够

6.2.3压力表的量程、水温

MPa压力表的最大量程:1.5P P4P即0.525MPa P1.4 ,,,,表表TT

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，

MPa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min

MPa0.275，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。

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第7章搅拌器的选型

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

[12]叶轮直径与反应釜的直径比一般为0.2 ~0.5，一般取0.33，所以叶轮的直径

dmm,1200dDmm,,，,0.330.3334001188，取; i

叶轮据槽底的安装高度Hdmm,,，,1.01.012001200; 1

Wdmm,,，,0.20.21200240Wmm,250叶轮的叶片宽度，取;

ldmm,,，,0.250.251200300lmm,300叶轮的叶长度，取;

HHm,,1.03910m液体的深度; 1

挡板的数目为4，垂直安装在槽壁上并从槽壁延伸液面上，挡板宽度WD,,，,0.10.13600360mm b

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:

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4.34.3nrs,1.2/，取 ,,,nrs1.14/,，d3.141.2

7.2搅拌功率的计算

,4采用永田进治公式进行计算: ,,，2.15710/Pas

22dn,1.21.21020，，6 R,,,，,8.1710300e,42.15710，,

22nd1.21.2，[13] F,,,0.176rg9.81

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Re

计算需要知道临界雷诺数，用代替进行搅拌功率计算。可以查表上RRRRececece

湍流一层流大的转折点得出。查表知: ,,6.8

3535PKW,30，取所以功率:PndKW,,，，，,,,6.810201.21.229.87.3搅拌轴的的初步计算

7.3.1搅拌轴直径的设计

KWr/min(1)电机的功率,30 ，搅拌轴的转速n,72，根据文献取用材料P

4GMPaMPa为1Cr18Ni9Ti ， [,],40，剪切弹性模量,8.1×10，许用单位扭

,转角[],1?/m。

P30666m,，9.553109.553103.9810/3980/，，,，,NmmNmm由得:= n72

306Nmm9.55310，，M,m利用截面法得: =() Tmax72

M30P66T,,,,[]9.55310，，W,，9.55310由得:= max,7240，W,n[],

3036Wd,0.29.55310，，搅拌轴为实心轴，则:= ,7240，

dd ?79.2mm 取,80mm

(2)搅拌轴刚度的校核:由

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M1803Tmax,,，，10maxGI,p 4d,,Ip32

刚度校核必须满足: ，即: ,,,,,max

p180301806363，，，，，，，，，9.55310109.5531010324,,n72,,,dmm73.18 44,，，，18.110,G,,,32

d所以搅拌轴的直径取,80mm满足条件。

7.3.2搅拌抽临界转速校核计算

r/minr/min由于反应釜的搅拌轴转速=72,200，故不作临界转速校核计n

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)。

DN标记为:40 HG 21570—95。

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第八章反应釜附件的选型及尺寸设计 8.1 密封面形式的选型

PNMpaMpa,,0.61.6由于，所以选用密封面形式为全平面垫片的设计，垫片选用石棉橡胶板

8.2 工艺接管的设计

8.2.1 原料液进口管

31.乙酸每小时进量为14.348×60?1045=0.824m/h，但所有原料液需在1/3h 进完

3则进料的质量流量为:0.824×3=2.472m/h

设进料的速率为1.5m/s，，则进口管料的直径为

dqm,,，，，,4/42.472/(36001.5)0.0241πuπ，圆整之后取25mm。因此采用φ45×3.5mm无缝钢管，管的一端切成45?，伸入罐内一定长度。配用

01810CrNiTiRF突面板式平焊管法兰:HG20952 法兰 SO45-0.6

32.乙醇每小时进量为14.348×60?810×2=2.126m/h，但所有原料液需在1/3h 进完

3则进料的质量流量为:2.126×3=6.377m/h

设进料的速率为1.5m/s，，则进口管料的直径为

dqm,,，，，,4/46.377/(36001.5)0.03878πuπ，圆整之后取40mm。因此采用φ45×3.5mm无缝钢管，管的一端切成45?，伸入罐内一定长度。配用

01810CrNiTiRF突面板式平焊管法兰:HG20952 法兰 SO45-0.6

33.水每小时进量为14.348×60?1000×1.35=1.162m/h，但所有原料液需在1/3h 进

3完则进料的质量流量为:1.162×3=3.487m/h

设进料的速率为1.5m/s，，则进口管料的直径为

dqm,,，，，,4/43.487/(36001.5)0.02867πuπ，圆整之后取30mm。因此采用φ45×3.5mm无缝钢管，管的一端切成45?，伸入罐内一定长度。配用

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01810CrNiTiRF突面板式平焊管法兰:HG20952 法兰 SO45-0.6 8.2.2 催化剂进口设计

催化剂选用Hβ做催化剂，此催化剂不腐蚀设备，生产无废液排除，此反应为间歇反应器，催化剂做成颗粒状，则过滤后产品即可分离，便于操作。催化剂的用量当小于反应物总量的4%时，随着催化剂的用量增大酯化率液随之增大，当增大到0.4%时，在增大催化剂的用量对酯化率的影响减小，因此最佳催化剂的用量为反应物总质量的0.4%。反应物的总质量为3743.4，则催化剂的量为:3743.4×0.4,=14.9736。

,，203.0由于催化剂的用量很少，采用无缝钢管，管的一端切成45?，伸入罐内

HG20593PL400.6,RF一定长度。配用突面板式平焊管法兰: 法兰 01810CrNiTi

8.2.3 温度计接口

,，452.5采用无缝钢管，伸入釜体内一定长度。配用突面板式平焊管法兰: HG20593PL650.6,RFCrNiTi01810 法兰

第九章支座

夹套反应釜采用立式安装，采用耳式支座。标准耳式支座(JB/T4725-92)分为A型和B型两种，此设备需要保温110?时选用B型。支座数设计为4个。

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设计结果一览表项目数值设计压力/Mpa 反应釜 0.44

夹套 0.1 设计温度/? 373.15 壁厚/mm 反应釜体 8

夹套 7 材料选型反应釜体 16MnR

夹套 Q235-B 直径/mm 反应釜体 3600

夹套 3800 高度/mm 反应釜体 3910

夹套 2700 传热量/KJ 481350.95 搅拌器材料 1Cr18Ni9Ti 人孔 450mm 1个支座 4个搅拌器功率 30kw 反应釜体积/m3 46.41

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参考文献

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范文四：年产5021t乙酸乙酯反应器课程设计

年产5021t乙酸乙酯反应器课程设计

武昌理工学院生命科学学院

课程设计说明书

所属课程: 制药反应工程设计题目: 年产5021t乙酸乙酯反应器设

计

专业班级:制药1101 学生姓名:黄静

学生学号: 20114790021

指导教师: 薛永萍、刘阳课题工作时间: 2013年12月23日至

7>2014年1月3日

制药工程《制药反应工程》

课程设计任务书

一、设计项目

年产5021吨乙酸乙酯的反应器设计

二、设计条件

生产规模:5021 吨/年

生产时间:连续生产8000小时/年,间隙生产6000小时/年

物料损耗:按5%计算

4、乙酸的转化率:51%

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: rAkCA2。A为乙酸,建议采用配比为乙酸:乙醇1:5(摩尔比),反应物料密度为0.85?/l,反应速度常数k为15.00L/(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)(需根据计算结果,进行比较做改动)

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、设计计算说明书内容

设计任务书;

目录;

前言(对设计产品的理化性能,国内外发展概况,应用价值及其前景等方面进行介绍)

设计方案比较;合成工艺介绍,通过分析各种工艺优缺点,得到本设计选

用的合成工艺流程

工艺流程图设计;

反应器的设计

搅拌器的设计;

环境保护;

设计总结;

参考资料。

指导老师:薛永萍,刘阳 2013年12月23日

摘要

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。对我们养成独立思考有极大的帮助,并为我们以后从事这个行业做好铺垫。

乙酸乙酯是一类重要的有机溶剂。纯净的乙酸乙酯是一类重要的有机化工基本原料,被广泛用于醋酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶、乙烯树脂、乙酸纤维树酯、合成橡胶、涂料及油漆等的生产过程中。

本选题为年产量为年产5.021×103T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1940mm,直径1600mm;夹套的特征尺寸为高1400mm,内径为1700mm。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。在此基础上绘制了设备条件图。本设计

为间歇釜式反应器的工业设计提供较为详尽的数据与图纸。

关键词:间歇釜式反应器;物料衡算;热量衡算;壁厚设计

Abstract

The curriculum design is a simulation design combined with the content and characteristics of the course of “chemical reaction engineering". It combines the actual calculation, and is of great help to our understanding of the theoretical knowledge. At the same time, it not only make us more proficient in the project design, ,but also let us lay the foundations for preliminary process design through the analysis of the subject, access to information, scheme comparison and a series of related operation. It is of great help for us to develop independent thinking, attitude and pave the way for us to job engaged in the future.

Ethyl?acetate?is?an?important?organic?solvent.?Pure?ethyl?acetate?is?a?kind?of?important?organic?solvent?and?organic?chemical?raw?material,?and?is?widely?used?for?cellulose?acetate,?ethyl?cellulose,?chlorinated?rubber,?vinyl?resin,?cellulose?acetate?resin,?synthetic?rubber,?and?the?production?process?of?paints?and?varnishesThe batch reactor for annual production capacity of 5021T is to be the designed. Through the material, heat balance reactor volume, heat transfer and Equipment design results show that the size of the reactor characteristics for high is 1940mm, diameter is 1600mm, The characteristics of clip size for high

is 1400mm, diameter is 1700mm. Also auxiliary equipment on the tower as designed, heat is finished through the clip with the common cold tube inside. The mixer for Disk agitator, stirring shaft of diameter is 60 mm. Based on the condition of equipment drawing. This design for batch reactor industrial design provides a detailed data and drawings.

Key words: batch reactor; material; meat balance;thick wall design

前言

乙酸乙酯EA,又名醋酸乙酯,英文名称:Ethyl?acetate。分子式为:C2H8O4。

它是一种无色透明具有流动性并且是易挥发的可燃性液体[1],呈强烈清凉菠萝

香气和葡萄酒香味。乙酸乙酯能很好的溶于乙醇、氯仿、乙醚、甘油、丙二醇、

和大多数非挥发性油等有机溶剂中,稍溶于水25?时,1mL乙酸乙酯可溶于10mL

水中,而且在碱性溶液中易水解成乙酸和乙醇。水分能使其缓慢分解而呈酸性。

乙酸乙酯与水和乙醇皆能形成二元共沸混合物,与水形成的共沸混合物沸点为

70.4?,其中含水量为6.1%质量分数。与乙醇形成的共沸混合物的沸点为

71.8?。还与7.8%的水和9.0%的乙醇形成三元共沸混合物,其沸点为70.2?

乙酸乙酯是应用最广泛的脂肪酸酯之一,具有优良的溶解性能,是一种较好的工业溶剂,已经被广泛应用于醋酸纤维,乙基纤维,氯化橡胶,乙烯树脂,乙醛纤维树脂,合成橡胶等生产,也可用于生产复印机用液体硝基纤维墨水,在纺织工业中用作清洗剂,在食品工业中用作特殊改性酒精的香味萃取剂,在香料工业中是最重要的香料添加剂,可作为调香剂的组分,乙酸乙酯也可用作黏合剂的溶剂,油漆的稀释剂以及作为制造药物、染料等的原料。

目前,国内外市场需求量不断增加。在人类日益注重环保的今天,在涂料油墨生产中采用高档溶剂是大势所趋。作为高档溶剂,乙酸乙酯在国内外的应用在持续稳定增长、建筑、汽车等行业的迅速发展,也会带动对乙酸乙酯类溶剂溶剂的需求。

目前乙酸乙酯生产与消费主要集中在西欧,美国和亚洲地区,其中亚洲地区的生产和消费又主要集中在日本,中国及东南亚国家。在涂料方面,使得乙酸乙酯涂料被水性和高固含量涂料、粉末涂料和双组分涂料夺去了市场额。虽然这种变化还在继续,但乙酸乙酯市场仍然保持持续增长。东南亚地区开始成为全球最重要的乙酸乙酯的产地和消费地。大部分投资于乙酸乙酯的资金开始将目标投向乙酸乙酯需求量增长迅速的亚洲和中国。

我国乙酸乙酯的生产始于20世纪50年代,近年来,随着我国化学工业和医药工业的快速发展,乙酸乙酯的生产发展很快。目前,我国乙酸乙酯的生产厂家有20多家,生产企业主要集中在华南和华东地区。其中国内最大的乙酸乙酯生产企业江苏索普集团产能达到20.0万吨/年,约占国内总生产能力的22.2%,与乙酸产品实现了上下游一体化,产品竞争力较强,80%的乙酸乙酯用于出口;其次是山东金沂蒙集团公司,生产能力为16.0万吨/年,约占国内总生产能力的13.3%,主要

原料乙酸、乙醇均能自给,产品竞争能力也较强。目前国内大型乙酸乙酯企业均

采用酯化法技术。

摘要 I

Abstract II 前言 III

第一章工艺设计 1 1.1酯化法的选择 1 1.2进样方式 2

1.2.1间歇釜进料 2 1.2.2 连续性进料 4 1.3设计方案的选择 6 1.4设计条件 6

1.5反应条件 6

1.6工艺流程图设计 6 第二章热量核算 8 2.1.热量衡算总式 8 2.1.1每摩尔各种物值在不同条件下的值 8

2.1.2每摩尔物质在80?下的焓值 10

2.1.3总能量衡算 10 2.2换热计算 11

第三章反应器的设计 13 3.1反应釜体及夹套的设计计算 13 3.1.1 筒体和封头的型式 13 3.1.2 筒体和封头的直径 13 3.1.3 筒体高度H 13

3.1.4 夹套直径 13

3.1.5夹套高度H2 14 3.2釜体及夹套厚度的计算 14 3.2.1设备材料 14

3.2.2釜体的筒体壁厚 14 3.3 釜体封头壁厚计算 15 3.4 夹套筒体壁厚设计计算 16 3.5夹套封头壁厚设计与选择 16 3.6 反应釜设计参数 16 第四章搅拌器的设计 17 4.1搅拌器的选型 17

4.2搅拌桨的尺寸及安装位置 17 4.3搅拌功率的计算 17

4.4搅拌轴的的初步计算 18 4.4.1搅拌轴直径的设计 18 4.4.2 搅拌轴强度计算 18 4.4.3 搅拌轴刚度计算 18

4.4.4搅拌抽临界转速校核计算 18 4.5联轴器的型式及尺寸的设计 19 第五章反应釜釜体及夹套的压力试验 20 5.1釜体的水压试验 20

5.1.1水压试验压力的确定 20 5.1.2水压试验的强度校核 20 5.1.3压力表的量程、水温 20 5.1.4水压试验的操作过程 20 5.2夹套的液压试验 20

5.2.1水压试验压力的确定 20 5.2.2水压试验的强度校核 21 5.2.3压力表的量程、水温 21 5.2.4水压试验的操作过程 21 第六章夹套式反应釜附属装置的确定 22 6.1 人孔的选择 22

6.2 接管及其法兰选择 22 6.2.1 水蒸气进口管 22

6.2.2 冷却水出口管 22

6.2.3 进料管 22

6.2.4 出料管 23

6.2.5其他管 23

6.3支座的确定 24

第七章坏境保护及辅助设施 25 7.1总图运输 25

7.1.1总平面布置 25 7.1.2工厂绿化 26

7.1.3排渣 26

7.2给排水 27

7.2.1概述 27

7.2.2工厂给水 27

7.2.3工厂排水 27

7.2.4污水处理 27

7.3通风 28

参考文献 29

总结 29

致谢 30

附录 31

第一章工艺设计

1.1酯化法的选择

目前,乙酸乙酯的工业生产方法主要有乙酸/乙醇酯化法、乙醛缩合法、乙醇

脱氢法和乙酸/乙烯加成4种。传统的乙酸酯化法工艺在国外被逐步淘汰,而大规

模生产装置主要采用乙醛缩合法、乙醇脱氢法和乙酸/乙烯加成法,其中新建装置多采用乙酸/乙烯加成法,我国的乙酸乙酯则主要采用乙酸酯化法进行生产。

以下是这四种生产方案的优缺点的比较。经过比较,本次设计选择乙酸乙酯酯化法。

表1.1各种生产方案的优缺点比较

工艺方法优点缺点

酯化法浓硫酸有酸性强、吸水性强、性能稳定、价廉等优点,而且溶于反应物料中,是均相催化反应,反应均匀,因而在全塔内都能进行催化反应。催化作用不受塔内温度限制,反应机理清楚,容易实现最优控制设备腐蚀性大,浓硫酸易引起磺化、炭化和聚合等的副反应,产品纯度低,后处理过程复杂,三废量大

乙醛缩合法反应条件温和、原料消耗少、工艺简单、设备腐蚀小,国外工艺成熟,国内也取得重大进展必须在乙醛的来源广泛区,催化剂处理上存在一定污染

乙醇脱氢法原料利用上也较为的经济,可以副产氢气,没有腐蚀性催化剂选择性较差,分离工段塔多,因而能耗比传统工艺还高,工艺不成熟

乙烯乙酸加成法反应有较高的选择性和转化率适合乙烯来源广的地区,乙烯价格上涨后,不利,工艺不成熟

1.2进样方式

1.2.1间歇釜进料

化学反应方程式:

(1)流量的计算

乙酸乙酯的流量

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

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51%,物料损失以5%计, 则乙酸的进料量 FA0 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5×20.03100.15kmol/h

总物料量流量

F FA0+F乙醇20.03+100.15120.18 kmol/h

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5867.40.0158.674,即可算其物质的量流量

F硫酸58.674/980.599 表1.2 物料进料量表名称乙酸

乙醇浓硫酸

流量kmol/h 20.03 100.15 0.599

(2)反应体积及反应时间计算

反应时间的计算

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k15.000.9m3/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,由间歇釜反应有:

反应体积的计算

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每釜体积

V4.055 m3圆整,取实际体积,则间歇釜需2个

1.2.2 连续性进料

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

(1)流量的计算

?乙酸乙酯的流量

F酯

?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 ?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

?总物料量流量

?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4399.80.0143.998,即可算其物质的量流量

F硫酸43.998/980.45

表1.3 物料进料量表

名称乙酸乙醇浓硫酸

流量kmol/h 15.02 75.1 0.45 (2)反应体积及反应时间计算

?反应体积的计算

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k15 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V1.4680.751.96。故采用一条的生产线生产即可,即两釜串联,反应器的体积V5,

?反应时间的计算

连续性反应时间

1.3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2个,而连续性进料需2个2m3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。

故最后设计方案:

选择乙酸乙酯的酯化法,两釜串联的间歇性生产

1.4设计条件

1、生产规模:5037 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:57%

1.5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: r AkCA2。A为乙酸,建议采用配比为乙酸:乙醇1?5(摩尔比),反应物料密度为0.85?/ l,反应速度常数k为

15.00L/(kmol?min),反应器的填充系数f0.75,每批装料、卸料及清洗等辅助操

作时间为0.5

1.6工艺流程图设计

根据设计方案由CAD作出其反应流程图,样图如下,实图见附图

第二章热量核算

2.1.热量衡算总式

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,

2.1.1每摩尔各种物值在不同条件下的值

(1)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]:

表2.1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:

?乙醇的值

?乙酸乙酯的值

?水的值

?乙酸的值

(2)各种气相物质的参数如下表

表2.2气相物质的热容参数[4]

物质 A B×103 C×105 D×108

乙醇 4.396 0.628 5.546 -7.024

乙酸乙酯 10.228 -14.948 13.033 -15.736 ?乙醇的值

?乙酸乙酯的值

2.1.2每摩尔物质在80?下的焓值 (1)每摩尔水的焓值

(2)每摩尔的乙醇的焓值

(3)每摩尔乙酸的焓值

(4)每摩尔乙酸乙酯的焓值

2.1.3总能量衡算

(1)的计算

表2.3各物质的进出料量

物质进料出料

乙酸 20.03 9.14

乙醇 100.15 90.64

乙酸乙酯 0 9.51

水 0 9.51 2的计算

3的计算

因为:即:

求得:?60000

0,故系统向外界移去热量。

2.2换热计算

换热采用夹套加热,设夹套内的过热水蒸气由70?升到90?,温差为20?。

(1)水蒸气的用量

忽略热损失,则水的用量为[5]

(2)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。

第三章反应器的设计

3.1反应釜体及夹套的设计计算

3.1.1 筒体和封头的型式选择圆筒体,椭圆形封头。

3.1.2 筒体和封头的直径

反应物料为液夜相类型,由表H/Di1.0?1.4考虑容器不是很大,假设H/Di1.2

由式

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。

3.1.3 筒体高度H

从椭圆形封头内表面积、容积的表中,查得当公称直径为1600mm时标准椭圆形封头容积0.5864,又查筒体的容积、内表面积及质量的表查参考文献[4]得当公称直径为1600mm时筒体每一米高的容积2.017

m 取H1940

于是1.2 与刚刚假设的值相符,所以H是1940mm

3.1.4 夹套直径

夹套直径

根据筒体的内径标准, 在700到1800时,+100

刚刚算得筒体内径为1600mm

所以1700

夹套封头也采用椭圆形,并与夹套筒体取相同直径 3.1.5夹套高度H2

? ,式中η为装料系数,η 0.75 ,代入上式:

取:H2 1400 mm 。

3.2釜体及夹套厚度的计算

3.2.1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,查得所选材料许

用应力为:[σ]100 113 MPa

3.2.2釜体的筒体壁厚

(1) 内压设计计算

根据工作条件,可选取P0.2MPa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查参考文献[8];

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查参考文献[7]。所以,内压计算筒体壁厚:3.8 + 0.6 4.4mm

(2)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,

由外压或轴向受压圆筒几何参数计算图查参考文献[3]得:当Do/δ230时,A 0.00045,由外压圆筒和球壳厚度计算图查参考文献[3]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

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。

3.3 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。查参考文献[4]

3.4 夹套筒体壁厚设计计算

根据下式计算筒体的设计厚度:

δd + C2 + 2 ? 4.4 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 5.0mm,圆整到标准系列取5 mm。经校核,设备稳定安全。

3.5夹套封头壁厚设计与选择

S封夹

S封夹+2.6 ?4.8 mm.

圆整到规格钢板厚度,S封夹 5mm,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。

查取当公称直径为1600mm时的夹套封头尺寸:

公称直径:1600mm,曲面高度:400mm,直边高度:25mm

3.6 反应釜设计参数

表3.6夹套反应釜的相关参数

项目釜体夹套

公称直径DN/mm 1600 1700

公称压力PN/MPa 0.2 0.25

高度/mm 1940 1400

筒体壁厚/mm 10 5

封头壁厚/mm 10 5

第四章搅拌器的设计

4.1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。

4.2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:

,取查参考文献[1]

4.3搅拌功率的计算

搅拌的雷诺数Re

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。功率计算需要知道临界雷诺数,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: 查参考文献[5]

所以功率:,取

4.4搅拌轴的的初步计算

4.4.1搅拌轴直径的设计

电机的功率=20 ,搅拌轴的转速=150,根据文献取用材料为1Cr18Ni9Ti ,

[]=40,剪切弹性模量=8.1×104

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)查参考文献[6]

4.4.2 搅拌轴强度计算

(查参考文献[9])

圆整,取d 75mm

4.4.3 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0.5)(查参考文献[4])

经计算比较,轴径为75mm 满足强度、刚度要求,故选择搅拌轴径为75 mm 。

4.4.4搅拌抽临界转速校核计算

由于反应釜的搅拌轴转速150<200,故不作临界转速校核计算。查参考文献[3]>

4.5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。(查参考文献[2])

第五章反应釜釜体及夹套的压力试验

5.1釜体的水压试验

5.1.1水压试验压力的确定

5.1.2水压试验的强度校核

16MnR的屈服极限

由

所以水压强度足够

5.1.3压力表的量程、水温

压力表的最大量程:P表22×0.250.5 或1.5PT P表4PT 即0.825MPa P表2.2 水温?5?

5.1.4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。 5.2夹套的液压试验

5.2.1水压试验压力的确定

且不小于(+0.1)0.35MPa

所以取

5.2.2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

5.2.3压力表的量程、水温

压力表的最大量程:P表22×0.350.7

或1.5PT P表4PT 即0.525MPa P表1.4

水温?5?

5.2.4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。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

第六章夹套式反应釜附属装置的确定

6.1 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

6.2 接管及其法兰选择

6.2.1 水蒸气进口管

υ108×4,L200mm,10号钢法兰:PN0.6 DN100 HG 20592-97

6.2.2 冷却水出口管

υ57×3.5,L150 mm,无缝钢管法兰:PN0.6 DN50 HG 20592-97

6.2.3 进料管

(1)乙酸进料管管径

根据管子规格圆整选用的无缝钢管,L150mm

法兰:PN0.25 DN25HG 20592-97

(2)乙醇醇进料管管径根据管子规格圆整选用的无缝钢管,L200mm

法兰:PN0.25 DN50HG 20592-97

(3)浓硫酸进料管管径:根据管子规格圆整选用的无缝钢管,L100mm

法兰:PN0.25 DN10HG 20592-97 (查参考文献[1])

6.2.4 出料管

出料总质量流量,此处由物料守恒

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υ57×3.5的无缝钢管。

法兰:PN0.6DN50HG 20592-97(查参考文献[6])

6.2.5其他管

温度计接管:υ45×2.5,L100mm,无缝钢管法兰:PN0.25 DN40HG 20592-97 不凝气体排出管:υ32×3.5,L100 mm,无缝钢管法兰:PN0.6 DN25 HG

20592-97

压料管:υ57×3.5,L200 mm,无缝钢管法兰:PN0.25 DN50HG 20592-97 压料管套管:υ108×4,L200 mm,10号钢法兰:PN0.25 DN100 HG

20592-97(查参考文献[6])

6.3支座的确定

查化工简明设计手册[6]:

内径为2000mm,厚度为8mm的16MnR的釜筒体一米重593Kg

内径为2200mm,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2200mm,厚度为8mm的Q235?B的夹套封头一米重1270Kg

其中筒体的高度为2.2m

则: 5933.351987Kg 55021100Kg 85022.01322453.2Kg

2.57632+127024164.2Kg 1978+1100+22453.2+4164.229695.4Kg

由于还有电动机等一些其他设配的重量为500Kg,

则 m总30200Kg302KN

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(查参考文献[9])

第七章坏境保护及辅助设施

7.1总图运输

7.1.1总平面布置

(1)平面布置原则

合当地区域规划,满足国家现行的防火、安全、卫生等有关规范的要求;

符合生产流程、操作要求和使用功能的前提下,生产装置露天化联合集中布置,辅助建(构)筑物尽可能合并,经济合理有效利用土地;

根据生产性质,按功能分区布置,便于生产管理;

助生产设施,在符合其特性要求条件下,尽量靠近负荷中心;

运设施应根据物料的性质及运输方式等条件,相对集中布置在运输装卸方便的位置,并宜靠近与其有关的设施;

合场地现状条件,合理组织运输,缩短运输距离,便于相互联系,避免人流、货流交叉;

据建厂条件和工厂发展规划,尽可能处理好近、远期的关系。

(2)平面布置方案

本项目拟定厂区地形为矩形,其中南北方向长为135m,东西方向宽为100m,总面积约13500m2。厂区分为厂前区、生产辅助区、生产区和储罐区。

厂前区位于厂区西北侧,为常年主导风向西北风的上风向。主要建筑包括行政楼、食堂、停车场、宿舍等,职工宿舍和食堂组成生活区,位于行政楼的南侧,停车场位于行政楼与生活区之前。

厂前区北面是生产辅助区。生产辅助区主要包括中心控制楼、化验中心、维修车间、材料仓库和水处理车间等。

生产区和储罐区主要位于整个厂区的东面。主要有四大部分:乙醇储罐区,反应车间,分离车间和产品罐区。园区及周围的95%乙醇直接通过管道输送至厂区,在乙醇储罐区存放。反应车间由两层组成,其中安放了脱氢反应器和加氢反应器及其辅助设备。反应车间的南侧集中布置分离车间,其中包括闪蒸罐一个,精馏塔五个及其配套的辅助设备。燃料煤堆场和蒸汽锅炉房位于反应车间东面,分离车间的北面,靠近大量耗用蒸汽的精馏工段。产品灌区位于厂区的最南面,其中包括了氢气球罐,乙酸乙酯储罐和副产物无苯天那水溶液粗料储罐。

各车间最大可能的采用露天布置,闪蒸塔、精馏塔、储罐等均布置在露天场所,减少了建设投资,便于改扩建。其余厂房多采用单层结构,设计要求满足甲类产品生产的耐火、防火、防爆等级。

厂区设有四个出口,两扇主门一南一北,东侧开两扇侧门,厂内10米宽的中

央主道横贯南北,东面出口即为总厂铁路。

此外,本项目根据当地自然条件,工厂生产特点并结合全厂总平面布置进行绿化设计,厂区绿化面积超过20%。厂前区和生产辅助区为重点绿化、美化区,设置花坛,种植花卉,辅以草坪。沿工厂围墙四周、道路两侧及厂内适当的地点种植乔木、灌木、绿篱,为职工生产和生活创造良好的环境条件,以达到净化空气,保护环境,有益于人体健康的目的。绿化既要保护环境,防止污染,美化厂容,又不应妨碍生产操作,物料运输及防火要求。我们采用的植物主要以绿色木本植物为主,能够达到一个良好的降低空气污染的效果。附平面图。

7.1.2工厂绿化

本项目根据当地自然条件,工厂生产特点并结合全厂总平面布置进行绿化设计,厂区绿化面积约为13%。厂前区为重点绿化、美化区,设置花坛,种植花卉,辅以草坪。沿工厂围墙四周、道路两侧及厂内适当的地点种植乔木、灌木、绿篱,为职工生产和生活创造良好的环境条件,以达到净化空气,保护环境,有益于人体健康的目的。绿化既要保护环境,防止污染,美化厂容,又不应妨碍生产操作,物料运输及防火要求。

7.1.3排渣

工厂排出的废渣主要为锅炉煤渣和更换的失活催化剂,煤渣可作为原料出售给当地水泥厂,失活催化剂由专门厂家进行处理。

废水自行处理排放,主要污染物为乙酸乙酯(24ppm)、乙醇(0.89%)、甘油(痕量)。

7.2给排水

7.2.1概述

园区内水源和给水系统及其相应的排水系统和污水处理装置无需自建。相应的排水系统及污水处理系统需自建,给水方案以节约用水为原则,合理利用水资源。生产冷却水全部使用循环水,以尽量减少新鲜水。排水系统的划分以清污分流为原则。

7.2.2工厂给水

本项目装置用水设置2个供水系统。即独立的生产、生活供水系统,消防水系统以及循环水系统。

(1)生产、生活供水系统

本项目装置用水量为5.8×106吨/年,主要用于生活用水和各生产装置工艺水、地坪冲洗、循环水补充水、消防水池补水等。

(2)循环冷却水系统

本项目装置循环水用量为117152.8吨/年

7.2.3工厂排水

本着清污分流的划分原则,结合厂外排水条件和满足环保要求。厂区排水系统划分为:

(1)生产污水排水系统

各装置的生产污水收集后排入污水处理站。

(2)生活污水排水系统

全厂生活污水汇集后经化粪池处理后排入厂内污水处理站处理。

(3)生产净下水及雨水排水系统

厂内雨水、生产净下水及处理后的污水经W10#管线收集重力排至工业园区现有管线。

7.2.4污水处理

本项目需处理的污水主要来精馏塔废水及厂区生活污水和化验室污水,拟采用活性污泥法进行生化处理。处理流程采用活性污泥法进行生化处理。

7.3通风

本项目工艺生产装置介质易燃、易爆、有毒,在有害介质有可能泄漏的房间拟设置通风机械进行强制通风,预防事故的发生。

生产厂房内亦设置通风机械进行强制通风,以改善操作环境。控制室、化验室等处有精密仪器的房间,为保证仪表、精密仪器的可靠运行,室内需恒温恒湿,因此上述房间设置空调。

参考文献

[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

总结

通过此次课程设计,使我查阅文献的能力和对数据的选择判断能力得到了很好的锻炼,同时我也意识到自己应该把所学到的知识应用到实际中来。

虽然由于种种因素导致我们所学习的化学反应工程的理论知识并不多,但是通过这次的设计,我翻阅了许多书籍,自学了许多的知识,例如反应釜的计算,我查阅了许多资料书,才搞明白反应釜的各个部位应该如何计算,为了一些参数也颇费了一些功夫,但是正是经历了这一过程,我才对书本的理论知识有了更加深刻的认识和了解。

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,或者涉及的不全面,可在实际的应用时这些是不能被忽略的,我们不得不考虑这些方面的问题,所以设计时一些参数的选择也有许多我不明白的地方。

通过这次设计使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性,所以在今后的学习中或者以后的工作中,我会更加注重理论联系实际。

由于知识的不全面,不免为设计带来了许多的困难,为此我时常与同学们讨论,譬如在做反应釜的计算时多亏了与同学们讨论,我才对反应釜的结构有了更深入的了解。这使我更加体会到合作和交流的重要性。

这次设计当然收获的不仅仅是知识和合作,我还学会了一些电脑方面的知识。例如如何制作目录,如何使用公式编辑器,如何使用CAD画图,虽然CAD还是不太会,但是我也对CAD有了一定的了解,相信对今后都是有不小的帮助的。

致谢

此次课程设计由薛永萍老师担任我们的指导老师。正所谓无规矩不成方圆嘛,在这次设计中薛永萍老师对我们课程设计的要求做了详细的说明,从设计书到如何排版,字体大小都做了明确的规定,让我在做设计时少了很多的疑惑。在此我对薛永萍老师表示诚挚的感谢。

在这次课程设计中,由于很多知识没有学过,无形中增加了很多的困难,但过程是曲折的结果是可喜的,在这期间通过与同学的交流和讨论,我解决了期间遇到的很多问题。此外,由于我们没有学习过CAD做图,我还特地请教了环境工程的同学,习得了CAD最基础的知识,虽然现在还是不能很完整的画出一幅复杂的装备图,但是对CAD有了些许的了解。所以在这里我对那些在课程设计里帮助过我的同学表示诚挚的感谢。

附录

结果一览表

项目数值

操作压力MPa 0.5

设计压力MPa 0.55

操作温度 ? 80

设计温度? 80

设计体积 m3 8.11

实际体积m3 9

公称直径 mm 1600

范文五：乙酸乙酯反应器设计说明书(河南城建)

乙酸乙酯反应器设计说明书

专业：化学工程与工艺姓名： xxx 学号： 1014111 指导教师：赵海鹏

化学与材料工程学院

2014年5月

主要符号一览表

V ——反应釜的体积

t ——反应时间

c A 0——反应物A 的起始浓度

f——反应器的填充系数

D i ——反应釜的内径

H ——反应器筒体的高度

P——操作压力

P c ——设计压力

φ——取焊缝系数

[σ]t

——钢板的许用应力

C 1——钢板的负偏差

C 2——钢板的腐蚀裕量 S ——筒壁的计算厚度

S d ——筒壁的设计厚度 S n ——筒壁的名义厚度

H j ——反应器夹套筒体的高度

v ——封头的体积

P T ——水压试验压力

D j ——夹套的内径

绪论 . .................................................................................................. 错误！未定义书签。第1章设计方案 . ...................................................................................................................... 3 第二章物料计算及方案选择 . .................................................................................................. 3

2.1间歇进料的计算 . ................................................................................................................ 3 2.2连续性进料的计算 . ............................................................................................................ 4 2.3方案选择 . ............................................................................................................................ 6 第3章热量核算 . ...................................................................................................................... 7

3.1热量衡算总式 . .................................................................................................................... 7

3.2每摩尔各种物值在不同条件下的

c p , m

值 . ........................................................................ 8

3.3各种气象物质的参数如下表 . ............................................................................................ 9 3.4每摩尔物质在100℃下的焓值 . ......................................................................................... 9 3.5总能量衡算 . ...................................................................................................................... 10 3.6换热设计 . .......................................................................................................................... 11 第4章反应釜釜体设计 . ........................................................................................................ 15

4.1反应器的直径和高度 . ...................................................................................................... 15 4.2筒体壁厚的设计 . .............................................................................................................. 16 4.3釜体封头厚 . ...................................................................................................................... 16 第5章反应釜夹套的设计 . .................................................................................................... 18

5.1夹套DN 、PN 的确定 . ..................................................................................................... 18 5.2夹套筒体的壁厚 . .............................................................................................................. 18 5.3夹套筒体的高度 . .............................................................................................................. 19 5.4夹套的封头 . ...................................................................................................................... 19 5.5传热面积校核 . .................................................................................................................. 19 第6章反应釜釜体及夹套的压力试验 . ................................................................................ 20

6.1釜体的水压试验 . .............................................................................................................. 20 6.2夹套的液压试验 . .............................................................................................................. 21 第7章搅拌器的选型 . ............................................................................................................ 22

7.1搅拌桨的尺寸及安装位置 . .............................................................................................. 22 7.2搅拌功率的计算 . .............................................................................................................. 22 7.3搅拌轴的的初步计算 . ...................................................................................................... 21 7.4夹套式反应釜附属装置的确定 . ...................................................................................... 21 总结 24 致谢 25 参考书目 26

绪论

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。

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。

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。

摘要：本选题为年产量为年产4000吨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3. 5m 3 。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高1820mm ，直径1400mm ；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50mm 。在此基础上绘制了设备条件图。本设计为间歇釜式反应器的工业设计提供较为详尽的数据与图纸。

关键字：间歇釜式反应器; 物料衡算; 热量衡算; 壁厚设计;

第1章

设计方案

第2章物料计算及方案选择

2.1 间歇进料的计算 2.1.1 流量的计算

乙酸乙酯的产量

化学反应方程式：

CH CH 浓硫酸

3COOH +3CH 2OH ←??→CH 3COOCH 2CH 3+H 2O

乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为

F =4000?103

酯88?8000

=5. 68kmol /h

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x=0.50,物料损失以3%计，则乙酸的进料量

F5. 68

A0=0. 50?0. 97?0. 98

=11. 95kmol /h

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=5×11.95=59.75kmol/h

总物料量流量：F= FA0+F 乙醇=11.95+59.75=71.7 kmol/h 硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算，

W 11. 95?60+59. 75?46

总=

0. 99

=3500. 5kg /h 因硫酸为总流量的1%，则

W 硫酸=3500.5?0.01=35.0kg /h ，即可算其物质的量流量

F 硫酸=35.0/98=0.357kmol

表1 物料进料量表 .

2.1.2 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） -r kc A =A

当反应温度为100℃，催化剂为硫酸时，反应速率常数

k=20.00

()=1.2m3/(kmol.h) L /kmol ?min

因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于900kg/ m3, 则乙酸的初始浓度为：

c A ，

9003

==3. 1km ol /m 当乙酸转化率x=0.50，由间歇釜反应有：

dc A 1cA dc A 111111

t =-?=-?=(-) =(-) =0. 27h 2cAo (-r ) cAo k c A k c A c A 01. 23. 1?0. 503. 1A

取非生产时间 t’=1h ，则反应体积 V R =

F A 011. 95

(t +t , ) =?(0. 27+1) =4. 90m 3 c A 03. 1

因装料系数为0.8，故实际体积 4. 93

V R ==6. 13m 3 要求每釜体积小于5m

0. 8

则间歇釜需2个，每釜体积V=3.06 m3圆整，取实际体积V=3.5 m3 。

2.2 连续性进料的计算 2.2.1 流量的计算

乙酸乙酯的产量

化学反应方程式：

浓硫酸

CH 3COOH +CH 3CH 2OH ←??→CH 3COOCH 2CH 3+H 2O

乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为

4000?103

=6. 31kmol /h F 酯=

88?7200

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x=0.50,物料损失以3%计，则乙酸的进料量

6. 31

=13. 28kmol FA0 =/h

0. 50?0. 97?0. 98 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

F=13.28 ?5=66.4 kmol /h

总物料量流量：F=F A 0+F 乙醇=13. 28+66. 4=79. 68kmol /h

硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算，

13. 28?60+66. 4?46

=3890. 1kg /h W 总=

0. 99

因硫酸为总流量的1%，则

W 硫酸=3890.1?0.01=38.9kg /h ，即可算其物质的量流量

F 硫酸=38.9/98=0.397kmol /h

表2 物料进料量表 .

2.2.2 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） -r kc A =A

()/kmol ?min 当反应温度为100℃，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=20L

因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于900kg/ m3。因硫酸少量，忽略其影响，

c A , 0

0. 9?1000==3. 1 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，ν0

不变，

τi =

V i

不变 ν0

-c V -c A 0A 1V 1c 2c A 1A 2

(-r ) (-r ) A 1A 2

c c c c A 0-A 1A 1-A 2

k c k c 1A 12A 2

若采用两釜等温操作，则代数解得 c A 1=1. 21kmol/m3 所以 V ‘R =

k 1=k 2

F A 0(c A 0-c A 1) 13. 28?(3. 1-1. 21) 3

==6. 14m 22

c A 0kc A 13. 1?0. 9?1. 21

装料系数为0.8，故实际体积V=6.14÷0.8=7.675m 3。故采用一条的生产线生产即可，两釜串联，每个反应器的体积V<5m 3，取v="4">

2.2.3 反应时间：连续性反应时间 τ=2.3 设计方案的选择

V c A 0-c A 13. 1-1. 21

===1. 43h v (-r A ) 0. 9?. 1212

经上述计算可知, 间歇釜进料需要2个3.5m 3反应釜, 而连续性进料需2个4m 3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，因而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并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。

[1]

表4[1]

第3章热量核算

3.1热量衡算总式

Q 1+Q 2+Q 3=Q 4

式中：Q 1进入反应器物料的能量，KJ

Q 2：化学反应热，KJ

Q 3：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，KJ

Q 4：离开反应器物料的热量，KJ

3.2每摩尔各种物值在不同条件下的

c p , m

值

对于气, 液象物质，它的气相热容与温度的函数由下面这个公式计算：

c p , m =A +BT +CT 2+DT 3[2]

各种液相物质的热容参数如下表[3]：

(1) 乙醇的c p , m 值

c p , m (l ,351.5K )=A +BT +CT 2+DT 3

=59. 342+36. 358?10-2?351. 5-12. 164?10-4?351. 52+1. 8030?10-6?351. 53=115. 15J ?mol ?K

-1

同理：

(2) 乙酸乙酯的c p , m 值

c p , m (l ,350.2K )=A +BT +CT 2+DT 3

=155. 94+2. 3697?10-2?350. 2-1. 9976?10-4?350. 22+0. 4592?10-6?350. 23=159. 46J ?mol -1?K -1(3) 水的c p , m 值

c p , m (H 2O , l ,373K )=A +BT +CT 2+DT 3

=92. 053-3. 9953?10-2?373-2. 1103?10-4?3732+0. 53469?10-6?3733=75. 54J ?mol -1?K -1

(3) 乙酸的c p , m 值

c p , m (l ,373K )=A +BT +CT 2+DT 3

=-18. 944+109. 71?10-2?373-28. 921?10-4?3732+2. 9275?10-6?3733=139. 82J ?mol -1?K -1

3.3各种气象物质的参数如下表

[4](1) 乙醇的c p , m 值

c p , m (,g,373K )=A +BT +CT 2+DT 3

=4. 396+0. 628?10-3?373+5. 546?10-5?3732-7. 024?10-8?3733=8. 69J ?mol ?K

-1

(2) 乙酸乙酯的c p , m 值

c p , m (g,373K )=A +BT +CT 2+DT 3

=10. 228-14. 948?10-3?373+13. 033?10-5?3732-15. 736?10-8?3733=14. 62J ?mol ?K

-1

3.4每摩尔物质在100℃下的焓值

(1) 每摩尔水的焓值

?r H m(H2o) =c p , m (H 2o ，l,373K ) ?373298dT =75. 54?(373-298) =5. 666kJ ?m ol -1 ?

vap

=40. 688kJ ?m ol -1

同理：

(2)每摩尔的乙醇的焓值

. 5373

?r H m(C2H 5OH) =c p , m (C 2H 5OH ，l,351.5K ) ?351298dT +?vap H m +c p , m (C 2H 5OH ，l,351.5K ) ?351. 5dT

=115. 15?10-3?(351. 5-298) +38. 744+8. 69?10-3?(373-351. 15) =45. 09kJ ?m ol -1

(3) 每摩尔乙酸的焓值

-1 ?r H m(CH3CO O H ) =c p , m (乙酸l,373K ) ?373298dT =10. 49kJ ?mol

(4) 每摩尔乙酸乙酯的焓值

. 2373

?r H m(CH3COOC 2H 5) =c p , m (乙酸乙酯，l,350.2K ) ?350298dT +?vap H m +c p , m (乙酸乙酯，l,373K ) ?350. 2dT

=139. 82?(350. 2-298) +30. 539+14. 62?(373-350. 2) kJ ?m ol -1=38. 17kJ ?m ol -1

3.5总能量衡算

（1）Q 1的计算

物质

乙酸乙醇乙酸乙酯水进料kmol /h

11.95 59.75 0 0

出料kmol /h

5.975 54.07 5.68 5.68

Q 1=n CH 3COOH ??r H m(CH3COOH) +n C 2H 5OH ??r H m(C2H 5OH) =11. 95?103?10. 49+59. 75?103?45. 09

=2819. 4?103kJ ?h -1

（2）Q 2的计算

Q 2=5. 68?103?(?r H m(H2O) +40. 688+?r H m(CH3COOC 2H 5) -?r H m(C2H 5OH) -?r H m(CH3COOH) ) =5. 68?103?(5. 666+40. 688+38. 17-45. 09-10. 49) kJ ?h -1=164. 4?103kJ ?h -1

（3）Q 4的计算

111

Q 4=n 1H 2O ??r H m(H2O) +n 乙酸??r H m(乙酸) +n 乙醇??r H m(C2H 5OH) +n 乙酸乙酯?r H m(CH3COOC 2H 5)

=5. 68?103?46. 354+5. 975?103?10. 49+54. 07?103?45. 09+5. 68?103?38. 17=2980. 79?103kJ ?h -1

因为： Q 1+Q 2+Q 3=Q 4即：

Q 3=Q 4-Q 1-Q 2=2980. 79?103-2819. 4?103-164. 4?103=-3. 01κj /h

求得：Q 3=-3. 01?103kJ ?h -1 Q 3<>

3.4换热设计

换热采用夹套加热，设夹套内的冷水由25℃升到35 ℃，温差为10℃。

3.4.1水的用量

忽略热损失，则水的用量为

Q =m o c po (T 1-T 2)

c p 0=A +BT +CT 2+DT 3

) ÷2=303K T =(T 1+T 2) ÷2=(298+308

c p0=92. 053-3. 9953?10-2?303-2. 1103?10-4?3032+0. 53469?10-6?3033=75. 447J ?mol -1?K -1

m 0=

Q 3-3010

==4. 0?103mol /h

c p 0(T 1-T 2) 75. 447?(298-308)

=72Kg /h

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：

[6]i ?H ?

?V ≈D i H ≈D 44?D i ??

ππ

4V 4?3. 5

即：D i ===1. 35m

33. 14?1. 8πD i

[7]

取标准D i =1. 4m =1400mm

[8]查得椭圆形封头的容积为 V封 =0.421 m3

筒体的高度

H =

V -V 封封

V 1米

3. 5-0. 421

=1. 82m

1. 69

釜体高径比的复核

H H 1820===1. 3 满足要求 D i D i 1400

4.2筒体壁厚的设计 4.2.1设计参数的确定

[9]P=0.4MPa，该反应器的设计压力

P c =1.1P=1.1×0.4MPa=0.44MPa

该反应釜的操作温度为100℃，设计温度为110℃。由此选用16MnR 卷制

16MnR 材料在110℃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C 2=2mm

4.2.2筒体的壁厚

P c D i 0. 44?1400[10]

==1. 81mm t

2σΦ-P c 2?170?1-0. 44

计算厚度 S =

钢板负偏差 C 1=0. 8mm 设计厚度名义厚度

S d =S +C 2=1. 81+2=3. 81mm S n =S d +C 1=3. 81+0. 8=4. 6mm

S n =5mm

按钢制容器的制造取壁厚

4.3釜体封头厚

S =

P c D i 0. 44?1400

==1. 81mm t

2?170?1-0. 5?0. 442σΦ-0. 5P c

计算厚度

钢板负偏差 C 1=0. 6mm 设计厚度

S d =S +C 2=1. 81+2=3. 81mm

名义厚度

S n =S d +C 1=3. 81+0. 6=4. 6mm 圆整取S n =5mm

S n =6mm

按钢制容器的制造取壁厚

考虑到封头的大端与筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取筒体壁厚与封头的壁厚一致，即S 筒=S n =6mm

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：

D j =D i +100=1500

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110℃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C 2=2mm

5.2夹套筒体的壁厚

计算厚度 S =

P c D i 2σt

Φ-P =0. 25?1500

?113?1-0. 25

=1. 66mm c 2

钢板负偏差 C 1=0. 6mm 设计厚度 S d =S +C 2=1. 66+2=3. 66mm

名义厚度

S n =S d +C 1=3. 66+0. 6=4. 26mm

圆整取S n =5mm

按钢制容中DN=1500mm的壁厚最小不的小于6mm 所以取

S n =6mm

5.3夹套筒体的高度

H j =

fV -v

0. 75?3. 5-0. 421

D i 2

?1. 42

mm =1. 43m 圆整取H j =1500

5.4夹套的封头 5.4.1封头的厚度

夹套的下封头选标准椭球封头，内径与筒体（D j =1500mm ）相同。夹套的上封头选带折边形的封头，且半锥角α=45?。计算厚度S =

P c D i 0. 25?1500

==1. 66mm t

2σΦ-0. 5P c 2?113?1-0. 5?0. 25

钢板负偏差 C 1=0. 8mm 设计厚度名义厚度

S d =S +C 2=1. 66+2=3. 66mm

S n =S d +C 1=3. 66+0. 8=4. 46mm

按钢制容中DN=1500mm的壁厚最小不的小于6mm 所以取

S n =8mm

带折边锥形封头的壁厚

考虑到封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取夹套筒体壁厚与封头的壁厚一致，即S 筒=S n =8mm

5.5传热面积校核

第6章反应釜釜体及夹套的压力试验

6.1釜体的水压试验水压试验压力的确定

P T =1. 25P c

[σ]σt

=1. 25?0. 44?1=0. 55MPa

水压试验的强度校核

P T (D i +S n -C ) 0. 55?(1400+6-2. 8)

==120. 6MPa

2(S n -C ) 2?(6-2. 8)

σT =

16MnR 的屈服极限σs =345MPa

0. 9σs Φ=0. 9?345?1=310. 5MPa 由σT =120. 6MPa <0. 9σs="" φ="310." 5mpa="">

压力表的量程、水温

压力表的最大量程：P 表=2p T =2×0.55=1.1MPa 或1.5P T ≤ P 表≤4P T 即0.825MPa ≤ P 表≤2.2MPa

水温≥5℃

水压试验的操作过程

6.2夹套的液压试验水压试验压力的确定

P T =1. 25P c

[σ]σt

=1. 25?0. 25?1=0. 3125MPa 且不的小于（p+0.1）=0.35MPa

所以取P T =0. 35MPa

水压试验的强度校核

P T (D i +S n -C ) 0. 35?(1500+6-2. 6)

==78. 4MPa

2(S n -C ) 2?(6-2. 6)

σT =

Q235—B 的屈服极限σs =235MPa

0. 9σs Φ=0. 9?235?1=211. 5MPa 由σT =78. 4MPa <0. 9σs="" φ="211." 5mpa="">

压力表的量程、水温

压力表的最大量程：P 表=2p T =2×0.35=0.7MPa 或1.5P T ≤ P 表≤4P T 即0.525MPa ≤ P 表≤1.4MPa

水温≥5℃

水压试验的操作过程

第7章搅拌器的选型

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0.5，所以叶轮的直径

d =0. 5?D i =0. 5?1400=700mm

叶轮据槽底的安装高度 H 1=1. 0d =1. 0?700=700mm 叶轮的叶片宽度 W =0. 2d =140mm

叶轮的叶长度 l =0. 25d =175mm

mm 液体的深度 H 1=1. 0D i =1400

垂直安装在槽壁上并从槽壁地延伸液面上，

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：

n =4. 3÷(πd ) =4. 3÷(3. 14?0. 7) =1. 96r /s ，取n =2. 0r /s

7.2搅拌功率的计算

采用永田进治公式进行计算：μ=2.157?10-4Pa /s

R e =d 2n ρ/μ=0. 72?2. 0?900/(2. 157?10-4) =4. 11?106>>300F r =n 2d /g =22?0. 7/9. 81=0. 285

由于R e 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

R ec 可以查表[]上计算需要知到临界雷诺数R ec ，用R ec 代替R e 进行搅拌功率计算。

湍流一层流大的转折点得出。查表知：φ=6.8 所以功率：，

3535

P =φn ρd =6. 8?2?900?0. 7=8. 22KW

取P ＝9KW

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P ＝9KW ，搅拌轴的转速n ＝120r /min ，根据文献[]取用材

料为1Cr18Ni9Ti ， [τ]＝40MPa ，剪切弹性模量G ＝8.1×104MPa ，许用单位扭转角[θ]＝1°/m。

由m =9.553?106得：m =9. 553?10?9÷120N /mm

n 利用截面法得：M T max =m

由τmax =

M T

≤[τ] 得：W ρ

W ρ≥9. 553?106

P 9=9. 553?106?n ι120?40

搅拌轴为实心轴，则：

W ρ≥0. 2d 2=9. 553?106?

120?40

d ≥44.7 取d ＝50mm （2）搅拌轴刚度的校核：由

θm a x =

M T m a x 180

??103

GJ p π

J p =

πd

刚度校核必须满足： θmax ≤[θ]，即：

9. 533?106?d ≥p 1809180??1039. 533?106???103=[θ]G 1?8. 1?104?

3232

=47. 65

所以搅拌轴的直径取d ＝50mm 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n =120r /min ＜200r /min ，故不作临界转速校核计算。

7.3.3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：DN 40 HG 21570—95。

7.4夹套式反应釜附属装置的确定

7.4.1 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 7.4.2 接管及其法兰选择

冷水进口管：φ57×3.5，L=200mm，10号钢法兰：PN0.6 DN100 HG 20592-97 热水出口管：φ57×3.5，L=150 mm，无缝钢管法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-97 进料管：

v =

q n , V M m 11. 95?60

=0. 00021m 3/s

3600ρV 958?3600

乙酸进料管

d =

4q V , V

管径

πμ

4?0. 00021

=0. 021m

3. 14?0. 6

根据管子规格圆整选用φ25?2. 5的无缝钢管，L=150mm μ﹦0.7m/s

法兰：PN0.25 DN25 HG 20592-97

乙醇醇进料管 v =

d =

59. 75?46

=0. 0011m 3/s

717?3600

4?0. 0011

=0. 037m

3. 14?1

管径

根据管子规格圆整选用φ48?4的无缝钢管，L=200mm

法兰：PN0.25 DN50 HG 20592-97

浓硫酸进料管 v =

d =

0. 357?98

=0. 00000m 535/s

176?136004?0. 0000055

=0. 0084m

3. 14?0. 1

管径

根据管子规格圆整选用φ18?4的无缝钢管，L=100mm 法兰：PN0.25 DN10 HG 20592-97

出料管：出料总质量流量

W =F A M A +F 乙醇M 乙醇+W 硫酸

=11. 95?60+59. 75?46+35

=3500. 5kg /h

因密度ρ=900kg/m3，则体积流量为

350. 05

=0. 0010m 83/s

900?3600

[4]

由表1-1得，因进料黏度低，选取管道中流速u =1. 0m/s

V =

则管径d =

4?0. 00108

=0. 037m

3. 14?1. 0

根据规格选取φ47×3.5的无缝钢管。

法兰：PN0.6 DN50 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 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

压料管：φ57×3.5，L=200 mm，无缝钢管

法兰：PN0.25 DN50 HG 20592-97 压料管套管：φ108×4，L=200 mm，10号钢法兰：PN0.25 DN100 HG 20592-97

总结

这次课程设计，经过二周时间，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。

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。

此次课程设计由赵海鹏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，刘老师都会不辞辛劳，毫不犹豫的赶过来为大家辅导。同时，赵海鹏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！

参考书目

[1] 郭锴等编著. 《化学反应工程》. 第二版. 化学工业出版社，2007. [2] 陈甘棠主编．《化学反应工程》．第三版．化学工业出版社，2009 [3] 周大军、揭嘉主编. 《化工工艺制图》. 化学工业出版社，2005 [4] 陈国桓主编．《化工机械基础》．第二版. 化学工业出版社，2007 [5] 姚玉英主编．《化工原理》．修订版. 天津科学技术出版社，2006 [6] 《化学化工物性数据手册》．有机卷，无机卷，化学工业出版社，2002 [7] 李永红主编：《化工热力学》第二版．通用型/马沛生. 北京：化学工业出版社，2009

[8] 吴指南．《基本有机化工工艺学》（修订版）．北京：化学工业出版社，1990 [9] 赵海鹏主编. 《化工管道工程》 . 中国矿业大学出版社. 2011 [10] 王凯, 虞军编. 搅拌设备[M]. 北京: 化学工业出版社. 2003

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