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1、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
2、。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
3、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 The design for the annual output of reactor with an annual output of 5005t this topic. Based on the continuous stirred tank reactor and gap reactor volume calculation, and other factors, the reactor - gap reactor best. From the mate
4、rial balance, heat balance, the reactor volume of 8.08 cubic meters, heat transfer for the 6.5106 kJ per hour. The results showed that the characteristics of equipment design, size of the reactor for high 3350mm, diameter 3000mm; feature size jacket for high 2570mm, 3200mm diameter. Also on the towe
5、r body of the auxiliary equipment design, heat transfer is through the jacket and the inner cooling pipe joint action completed. A form for disc type stirrer, the stirring shaft diameter 75mm. Ethyl acetate is an important chemical raw material, extraction agent can be used as textile industrial cle
6、aning agents and natural spices, but also an important raw material for pharmaceutical industry and organic synthesis. Its production, represents a countrys production level. Synthesis of ethyl acetate to play the role of other synthetic materials. Program design of this, ethyl acetate is used in es
7、terification reaction. Esterification is a relatively mature technology of organic industry. Although now developed a new catalyst for the synthesis of different processes, but the design with sulfuric acid as catalyst in the traditional process is very necessary. Because the reactor should have suf
8、ficient mechanical strength, corrosion resistance, the curriculum design is jacketed reactor. The main process parameters given design and conditions, comprehensive and systematic application of chemical theory and calculation of chemical engineering knowledge, to complete the process design and equ
9、ipment for reactor. On the basis of drawing the batch reactor equipment diagram, process flow diagram and the overall process.Keywords: batch reactor; process flow diagram; material balance; heat balance; the design of wall thickness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
10、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
11、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IAbstractII前 言
12、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43.1 设计依据43.2. 设计方案43.3 工艺计算及方案选择43.3.1 间歇釜进料43.1.2 乙酸乙酯的产量43.1.3 乙酸的流量43.1.4 乙醇的流量53.1.5 反应体积及反应时间计算53.2 连续性进料的计算63.2.2 乙酸的流量63.2.3 乙醇的流量63.2.6 反应体积及反应时间计算73.3 设计方案的选择8第4章 热量核算94.1工艺流程94.2物料衡算94.3能量衡算94.3.1热量衡算总式94.3.2每摩尔各种物值在不同条件下的值104.3.3各种气象物质的参数如下表114.3.4每摩尔物质
13、在100下的焓值114.3.5总能量衡算124.4换热设计13水蒸气的用量134.5传热面积校核14第 5 章 设备设计与选型155.1 反应釜体及夹套的设计计算155.1.1筒体和封头的几何参数的确定155.1.3 筒体和封头的直径155.1.4 确定筒体高度H155.1.5夹套直径、高度的确定165.2釜体及夹套厚度的计算165.2.1设备材料165.1.2 设备的壁厚计算165.1.3 釜体筒体壁厚计算165.1.4 内压设计计算165.1.5 外压设计计算175.1.6 釜体封头壁厚计算175.1.7 夹套筒体壁厚设计计算185.1.8夹套封头壁厚设计与选择185.1.9 反应釜设计参
14、数195.2 搅拌器设计195.2.1 搅拌器的形式选择195.2.4 电机功率195.2.5 减速器的选择205.2.6 电动机的选择205.3搅拌轴直径的设计计算205.3.2 搅拌轴强度计算205.3.3 搅拌轴刚度计算205.4夹套式反应釜附属装置的确定215.4.4 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246.1釜体的水压试验246.1.1水压试验压力的确定246.1.2水压试验的强度校核246.1.3压力表的量程、水温246.1.4水压试验的操作过程246.2夹套的液压试验256.2.1水压试验压力的确定256.2.2水压试验的强度校核256.2.3压力表的量程、水
15、温256.2.4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）%（110号）；（40+学号）%（1120号）（30+学号）%（2130号）；（20+学号）%（3140号）（10+学号）%（4150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
16、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
17、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
18、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、
19、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
20、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=518.5=92.5 kmol/h3.1.1.4 总物料量流量：F= FA0+F乙醇=18.5+92.5=158.4 kmol/h3.1.1.5 硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算，W总=FAMA+F乙M乙+W硫酸=因硫酸为总流量的1%，则W硫酸=5419.20.0
21、1=54.19，即可算其物质的量流量F硫酸=54.19/98=0.55表1 物料进料量表 .名称乙酸丁醇浓硫酸流量kmol/h18.592.50.553.1.5 反应体积及反应时间计算当乙醇过量时，可视为对乙酸浓度为二级的反应，其反应速率方程（A为乙酸）当反应温度为80，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=15.00=0.9m3/(kmol.h)因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85kg/L当乙酸转化率x=55%，由间歇釜反应有： 根据经验取非生产时间，则反应体积 因装料系数为0.75，故实际体积 要求每釜体积小于5m3 则间歇釜需2个，每釜体积V=4.04 m3圆整，取实际体积。
22、 3.2 连续性进料的计算3.2.1 乙酸乙酯的产量化学反应方程式：乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为F酯=3.2.2 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 = 3.2.3 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 3.2.4 总物料量流量：F=3.2.5 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
23、量表 .名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h19.8399.170.593.2.6 反应体积及反应时间计算当乙醇过量时，可视为对乙酸浓度为二级的反应，其反应速率方程（A为乙酸）当反应温度为80，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=15因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85。因硫酸少量，忽略其影响， 对于连续式生产，若采用两釜串联，系统为定态流动，且对恒容系统，不变，不变 若采用两釜等温操作，则代数解得 所以 装料系数为0.75，故实际体积V=2.220.75=2.96。故采用一条的生产线生产即可，即两釜串联，反应器的体积V0，故应是外界向系统供热。4.4换热设计换热采用夹套加热，设夹
24、套内的过热水蒸气由140降到110，温差为30。水蒸气的用量忽略热损失，则水的用量为55 M=1023.61kg/h4.5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 5 章 设备设计与选型5.1 反应釜体及夹套的设计计算5.1.1筒体和封头的几何参数的确定5.1.2 筒体和封头的型式 选择圆筒体，椭圆形封头。5.1.3 筒体和封头的直径反应物料为液夜相类型，由表H/Di=1.01
25、.4 考虑容器不是很大，故可取H/Di=1.1由式 Di= = 反应釜内径的估算值应圆整到公称直径DN系列，故可取1600 mm 。封头取相同内径，其直边高度ho由附表123 初选ho=40 mm 。5.1.4 确定筒体高度H 当 Dg=1600 mm ，ho= 40 mm 时，由附表123可查得椭圆形封头的容积为 V封 =0.617 m 查得筒体1米高的容积V1米=2.014 m3 1.68m 取 H = 1680 mm 则 H/Di = 1680/16001.1 选取椭圆封头，其公称直径为1600mm，曲面高度为400mm，直边高度为40mm，容积为0.617 m35.1.5夹套直径、高度
26、的确定 根据筒体的内径标准，经计算查取，选取DN=1800的夹套。夹套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径 。夹套高度H2： ,式中为装料系数， = 0.75 ，代入上式： 取：H2 = 1200 mm 。5.2釜体及夹套厚度的计算5.2.1设备材料 根据设备的工作条件，可选择Q235A作为釜体及夹套材料，由附表62查得所选材料许用应力为：100 = 113 MPa5.1.2 设备的壁厚计算5.1.3 釜体筒体壁厚计算5.1.4 内压设计计算根据工作条件，可选取P=0.2MPa为设计内压。 根据式（10-12）2筒体的设计厚度： 3.8mm 式中：d 圆筒设计厚度，mm ；Di 圆筒内径 ，
27、mm ；P 内压设计压力，MPa ； 焊接接头系数，考虑到夹套的焊接取0.8（表10-92）；C2 腐蚀裕量，取 2 mm ；t材料许用应力：100 = 113 MPa 。考虑到钢板负偏差，初选C1 = 0.6 mm （表10-101）。 所以，内压计算筒体壁厚：3.8 + 0.6 = 4.4mm5.1.5 外压设计计算按承受0.25MPa 的外压设计设筒体的设计壁厚 = 7 mm ，并决定L/Do ；Do/ 之值：Do筒体外径，Do = Di + 2d =1600 +27 =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），
28、则：L/Do = 0.95，Do/ = 230，由图10-152查得A = 0.00045，由图10-172差得 B = 65 MPa ，则许用外压为：P = = = 0.28 MPa0.25 MPa 。可见， = 7 mm 满足0.25 MPa 外压稳定要求，考虑壁厚附加量C = C1 + C2 = 0.6 + 2 = 2.6 mm 后，筒体壁厚 n = + C = 7 +2.6 = 9.6 mm ，圆整到标准钢板规格，n 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。5.1.6 釜体封头壁厚计算按内压计算：S封 = P = 0.2MPa
29、, Di = 1600mm, = 0.8, 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PPT ，外压稳定安全，故用S封筒= 10 mm。 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： d =+ C2 =+ 2 4.5 mm 考虑到钢板负偏差，初选C1 = 0.6 mm 故夹套筒体的厚度为4.5+0.6 = 5.1mm，圆整到标准系列取6 mm。经校核，设备稳定安全。5.1.8夹套封头壁厚设计与选择S封夹
30、= S封夹=+2.6 5.1 mm.圆整到规格钢板厚度，S封夹 = 6mm，与夹套筒体的壁厚相同，这样便于焊接。经校核，设备稳定安全符合要求。据附表122可查取到夹套封头尺寸： 公称直径：1800mm，曲面高度：450mm，直边高度：40mm5.1.9 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DN/mm16001800公称压力PN/MPa0.20.25高度/mm16801200筒体壁厚/mm106封头壁厚/mm1065.2 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
31、叶直径为800 mm。5.2.2 搅拌器转速n：根据相关的工艺经验数据，选择n = 100 rpm5.2.3传动功率P：搅拌的雷诺数Re 则：（KT可查取表3-91）5.2.4 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 = 1.44KW5.2.5 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：JO2-22-15.3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=16MPa （为轴材料的许用切应力，单位：MPa,对于Q23
32、5-A,取1220MPa）5.3.2 搅拌轴强度计算圆整，取d = 40 mm5.3.3 搅拌轴刚度计算（式中为轴的许用扭转角(/m)，对于一般的传动，可取0.51.0(/m)，本设计中物料黏度不大，取为0.7）经计算比较，轴径为40mm 满足强度、刚度要求，故选择搅拌轴径为40 mm 。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1000
33、N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11-62 选：支座B4 JB/T 4735-925.4.3 人孔C：选用长圆型回转盖快开人孔 人孔PN0.6，400300 JB 579-79-15.4.4 接管及其法兰选择5.4.5 水蒸气进口管：1084，L=200mm，10号钢 法兰：PN0.6 DN100 HG 20592-975.4.6 冷却水出口管：573.5，L=150 mm，无缝钢管 法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-975.4.7 进料管
34、： 乙酸进料管 管径根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=150mm法兰：PN0.25 DN25 HG 20592-97乙醇醇进料管 管径 根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=200mm法兰：PN0.25 DN50 HG 20592-97 浓硫酸进料管 管径根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=100mm法兰：PN0.25 DN10 HG 20592-97出料管：出料总质量流量 因密度，则体积流量为 由表1-14得，因进料黏度低，选取管道中流速则管径根据规格选取573.5的无缝钢管。 法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-97 温度计接管：452.5，L=100mm，无缝钢管 法兰：PN0
35、.25 DN40 HG 20592-97不凝气体排出管：323.5，L=100 mm，无缝钢管 法兰：PN0.6 DN25 HG 20592-97 压料管：573.5，L=200 mm，无缝钢管 法兰：PN0.25 DN50 HG 20592-97压料管套管：1084，L=200 mm，10号钢 法兰：PN0.25 DN100 HG 20592-97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=20.55=1.1或1.5PT P表4PT 即
36、0.825MPa P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Q235B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=20.35=0.7或1.5PT P表4PT 即0.525MPa P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16
