强烈推荐年产5005t乙酸乙酯间隙釜式反应器的设计毕业论文.docx
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强烈推荐年产5005t乙酸乙酯间隙釜式反应器的设计毕业论文
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武昌理工学院
课程设计说明书
生命科学学院
所属课程化学反应工程
设计题目年产5005t乙酸乙酯间隙釜式反应器的设计
专业班级
学生姓名朱超
设计组别
指导教师薛永萍，刘阳
武昌理工学院生命科学学院印制
摘要
本选题为年产量为年产5005t的反应器的设计。
通过分别对连续釜式反应器和间隙釜式反应器的体积计算，和综合其他因素，得出最佳的反应器------间隙釜式反应器。
由物料衡算、热量衡算，得出反应器体积为、换热量为。
设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高3350mm，直径3000mm；夹套的特征尺寸为高2570mm，内径为3200mm。
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。
乙酸乙酯是重要的化工原料，可用作纺织工业的清洗剂和天然香料的萃取剂，也是制药工业和有机合成的重要原料。
它的产量，代表着一个国家生产水平的高低。
合成乙酸乙酯对合成其他物质起到抛砖引玉的作用。
对此次的程序设计，乙酸乙酯采用的是酯化反应。
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。
由于反应器要有足够的机械强度，抗腐蚀能力，本课程设计采用的是夹套式反应釜。
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。
在此基础上绘制了间歇釜式反应器的设备图，和整体工艺的工艺流程图。
关键字：
间歇釜式反应器;工艺流程图；物料衡算;热量衡算;壁厚设计
Abstract
Thedesignfortheannualoutputofreactorwithanannualoutputof5005tthistopic.Basedonthecontinuousstirredtankreactorandgapreactorvolumecalculation,andotherfactors,thereactor-gapreactorbest.Fromthematerialbalance,,sizeofthereactorforthetowerbodyoftheauxiliaryequipmentdesign,completed.Aformfordisctypestirrer,thestirringshaftdiameter75mm.
Ethylacetateisanimportantchemicalrawmaterial,extractionagentcanbeusedastextileindustrialcleaningagentsandnaturalspices,butalsoanimportantrawmaterialforpharmaceuticalindustryandorganicsynthesis.Itsproduction,representsacountry'sproductionlevel.Synthesisofethylacetatetoplaytheroleofothersyntheticmaterials.Programdesignofthis,ethylacetateisusedinesterificationreaction.Esterificationisarelativelymaturetechnologyoforganicindustry.Althoughnowdevelopedanewcatalystforthesynthesisofdifferentprocesses,butthedesignwithsulfuricacidascatalystinthetraditionalprocessisverynecessary.Becausethereactorshouldresistance,thecurriculumdesignisjacketedreactor.Themainprocessparametersgivendesignandconditions,comprehensiveandsystematicapplicationofchemicaltheoryandcalculationofchemicalengineeringknowledge,tocompletetheprocessdesignandequipmentforreactor.
Onthebasisofdrawingthebatchreactorequipmentdiagram,processflowdiagramandtheoverallprocess.
Keywords:
batchreactor;processflowdiagram;materialbalance;ofwallthickness
前言
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。
反应工程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。
目录
摘要I
AbstractII
前言III
第1章课程设计任务书1
第2章概述3
第3章工艺设计计算4
3.1设计依据4
3.2.设计方案4
3.3工艺计算及方案选择4
3.3.1间歇釜进料4
3.1.2乙酸乙酯的产量4
3.1.3乙酸的流量4
3.1.4乙醇的流量5
3.1.5反应体积及反应时间计算5
3.2连续性进料的计算6
3.2.2乙酸的流量6
3.2.3乙醇的流量6
3.2.6反应体积及反应时间计算7
3.3设计方案的选择8
第4章热量核算9
4.1工艺流程9
4.2物料衡算9
4.3能量衡算9
4.3.1热量衡算总式9
4.3.2每摩尔各种物值在不同条件下的值10
4.3.3各种气象物质的参数如下表11
4.3.4每摩尔物质在100℃下的焓值11
4.3.5总能量衡算12
4.4换热设计13
水蒸气的用量13
4.5传热面积校核14
第5章设备设计与选型15
5.1反应釜体及夹套的设计计算15
5.1.1筒体和封头的几何参数的确定15
5.1.3筒体和封头的直径15
5.1.4确定筒体高度H15
5.1.5夹套直径、高度的确定16
5.2釜体及夹套厚度的计算16
5.2.1设备材料16
5.1.2设备的壁厚计算16
5.1.3釜体筒体壁厚计算16
5.1.4内压设计计算16
5.1.5外压设计计算17
5.1.6釜体封头壁厚计算17
5.1.7夹套筒体壁厚设计计算18
5.1.8夹套封头壁厚设计与选择18
5.1.9反应釜设计参数19
5.2搅拌器设计19
5.2.1搅拌器的形式选择19
5.2.4电机功率19
5.2.5减速器的选择20
5.2.6电动机的选择20
5.3搅拌轴直径的设计计算20
5.3.2搅拌轴强度计算20
5.3.3搅拌轴刚度计算20
5.4夹套式反应釜附属装置的确定21
5.4.4接管及其法兰选择21
第6章反应釜釜体及夹套的压力试验24
6.1釜体的水压试验24
6.1.1水压试验压力的确定24
6.1.2水压试验的强度校核24
6.1.3压力表的量程、水温24
6.1.4水压试验的操作过程24
6.2夹套的液压试验25
6.2.1水压试验压力的确定25
6.2.2水压试验的强度校核25
6.2.3压力表的量程、水温25
6.2.4水压试验的操作过程25
第7章支座的选择26
第8章工艺流程图27
参考文献27
附录28
总结30
致 谢31
第1章课程设计任务书
一、设计项目
年产5005吨乙酸乙酯的反应器的设计
二、设计条件
1、生产规模：
（5000+学号）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：
（50+学号）%（1—10号）；（40+学号）%（11—20号）
（30+学号）%（21—30号）；（20+学号）%（31—40号）
（10+学号）%（41—50号）
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；
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；
车间设备布置设计；（主要设备的布置）
环境保护；
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：
薛永萍，刘阳
2013年12月23日
第2章概述
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。
乙酸乙酯分子量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。
第3章工艺设计计算
3.1设计依据
《乙酸乙酯生产设计任务书》
3.2.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。
3.3工艺计算及方案选择
3.3.1间歇釜进料
3.1.2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=
3.1.3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=
3.1.4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=5×18.5=92.5kmol，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，满足设备安全要求。
5.1.6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=10mm。
5.1.7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。
5.1.8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
5.1.9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DNmm
1600
1800
公称压力PNMPa
0.2
0.25
高度mm
1680
1200
筒体壁厚mm
10
6
封头壁厚mm
10
6
5.2搅拌器设计
5.2.1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800mm。
5.2.2搅拌器转速n：
根据相关的工艺经验数据，选择n=100rpm
5.2.3传动功率P：
搅拌的雷诺数Re
则：
（KT可查取表3-9[1]）
5.2.4电机功率
本设计中考虑传动效率为90%，则：
P电=P0.9=1.30.9=1.44KW
5.2.5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。
5.2.6电动机的选择
选用电动机的型号为：
JO2-22-1
5.3搅拌轴直径的设计计算
5.3.1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）
5.3.2搅拌轴强度计算
圆整，取d=40mm
5.3.3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40mm。
5.4夹套式反应釜附属装置的确定
5.4.1支座的选定：
（以下参考书[3]）
因发应釜需外加保温，故选B型悬挂式支座
5.4.2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：
5.4.4接管及其法兰选择
5.4.5水蒸气进口管：
φ108×4，L=200mm，10号钢
5.4.6冷却水出口管：
φ57×3.5，L=150mm，无缝钢管
5.4.7进料管：
乙酸进料管
管径
根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=150mm
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
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
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。
温度计接管：
φ45×2.5，L=100mm，无缝钢管
不凝气体排出管：
φ32×3.5，L=100mm，无缝钢管
压料管：
φ57×3.5，L=200mm，无缝钢管
压料管套管：
φ108×4，L=200mm，10号钢
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
6.1.2水压试验的强度校核
16MnR的屈服极限
由
所以水压强度足够
6.1.3压力表的量程、水温
压力表的最大量程：
P表=2=2×0.55=1.1
或1.5PTP表4PT即0.825MPaP表2.2
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，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。
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
6.2.1水压试验压力的确定
且不的小于（p+0.1）=0.35MPa
所以取
6.2.2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
6.2.3压力表的量程、水温
压力表的最大量程：
P表=2=2×0.35=0.7
或1.5PTP表4PT即0.525MPaP表1.4
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，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。
第7章支座的选择
查化工简明设计手册[6]：
内径为3000mm，厚度为8mm的16MnR的釜筒体一米重593Kg
内径为3200mm，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3200mm，厚度为14mm的Q235—B的夹套封头一米重1270Kg
其中筒体的高度为3.9m
则：
=593
3.35=1987Kg
=550
2=1100Kg
=102022.013=22453.2Kg
=2.57
632+1270
2=4164.2Kg
=1978+1100+22453.2+4164.2=29695.4Kg
由于还有电动机等一些其他设配的重量为500Kg,
则m总=30200Kg=302KN
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[9]
第8章工艺流程图
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
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
附录
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
——反应物的B起始浓度
——反应物S的起始浓度
f——反应器的填充系数
——反应釜的内径
——反应器筒体的高度
——封头的高度
P——操作压力
Pc——设计压力
φ——取焊缝系数
[σ]t——钢板的许用应力
C1——钢板的负偏差
C2——钢板的腐蚀裕量
S——筒壁的计算厚度
——筒壁的设计厚度
——筒壁的名义厚度
——反应器夹套筒体的高度
V——封头的体积
——水压试验压力
——夹套的内径
——乙酸的用量
——单位时间的处理量
总结
此之课程设计，历经两周时间，已基本完成。
在此设计中遇到的难题，自己也通过各种学习之途径有了解决。
面对成果，不禁踌躇满志。
付出后收获，喜悦之情，融化于心田。
天空不留下鸟的痕迹，但我已飞过……
纸上谈来终觉浅，绝知此事要躬行。
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
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