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1、.化学反应工程课程设计题 目 年产80000t乙酸乙酯间歇釜式反应器设计 系 别 化学与化工学院 专 业 应用化学 学生姓名 学 号 年级 指导教师 职称 副教授 2013 年 6 月 20 日一、设计任务书及要求1.1设计题目 80000t/y乙酸乙酯反应用间歇釜式反应器设计1.2设计任务及条件（1） 反应方程式： （2） 原料中反应组分的质量比：A：B：S=1：2：1.35。（3） 反应液的密度为1020kg/,并假设在反应过程中不变。时被搅拌液体物料的物性参数为： 比热容为，导热系数，黏度。（4）生产能力：80000t/y乙酸乙酯，年生产8000小时，每小时生产10t,乙酸的转化率为40
2、。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。（5）反应在100下等温操作，其反应速率方程如下：100时，平衡常数K=2.92。反应器填充系数可取0.70-0.85。乙酸乙酯相对分子质量88；乙酸相对分子质量60；乙醇相对分子质量46；水相对分子质量18。（6）最大操作压力为。加热的方式为用夹套内的水蒸汽进行电加热。1.3设计内容1、物料衡算及热量衡算；2、反应器体积计算及高径比、直径等参数确定；3、反应搅拌器设计；4、其他配件；5、带管口方位图的设备条件图绘制（不用绘制零件图，不用达到设备装配图水平）；6、设计体会；7、参考文献。二、反应釜基本计算2.1 反应器类型选择常用反应器的类型有：管式
3、反应器；釜式反应器；有固体颗粒床层的反应器；塔式反应器；喷射反应器；其他多种非典型反应器。如回转窑、曝气池等。由于本设计是液液相反应，综合考虑以上反应器的处理能力以及其优缺点，选用釜式反应器。反应器的操作方式包括间歇、连续、半连续。由于反应原料是混合加入，不采用半连续反应釜。因此，本设计的反应器在间歇反应釜和连续反应釜之间选择。2.2 物料衡算根据生产任务计算原料处理量：80000t/y乙酸乙酯，年生产8000小时，每小时生产10t,乙酸的转化率为40。每小时乙酸需用量为：式中：88为乙酸乙酯的相对分子质量。由于原料种乙酸：乙醇：水=1：2：1。35，则1+2+1.35=4.35kg原料液中含
4、1kg乙酸，可求单位时间的原料液量为：式中，60为乙酸的相对分子质量。原料液的起始组成为：乙醇与水的相对分子质量分别为46和18，通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为：采用间歇反应釜，假设每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。求反应釜的实际体积为V，计算如下：因为 ，带入速率方程，整理后得：其中，。带入数据： ， 根据公式： 求得反应时间其中，将有关数据带入上式得反应时间为： 所需的反应体积为： 通常反应器的装填系数可取0.6-0.85。如果物料在反应过程中产生泡沫或沸腾状态，通常装填系数应取较低值，一般为0.60.7；若反应状态平稳，可取0.80.85（物
5、料黏度大时，可取最大值）。本设计综合考虑反应物和生成物的物性参数，最终选用装填系数=0.8。则反应器的实际体积为：（2）若采用连续釜式反应器生产乙酸乙酯，单位时间处理的原料量及原料组成如前计算所示。乙酸的转化率可由反应速率方程球得，将其变换为转化率的函数有将初始组成及反应速率及平衡常数K带入上式化简后得根据可求得所需反应体积为反应器的实际体积为：由计算结果知：采用间歇操作所需的反应体积较之连续釜式反应器要小，故选用间歇式反应釜。2.3 热量衡算乙酸的进料量为，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：表2-1 进料出料组成物质进料出料乙酸284.09170
6、.454乙醇568.18340.908乙酸乙酯0113.636水284.09397.726热量衡算公式： 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，表2-2 各物质的热容参数物质ABCD乙醇-67.4442184.252-7.297261.05224乙酸65.9814.690.15乙酸乙酯155.9423.697-1.99760.4592水50.811121.2938-0.6309740.0648311乙醇的乙醇的值为： 乙酸乙酯的值水的值乙酸的值水在100时的焓值乙醇在100时的焓值乙酸在100时的
7、焓值乙酸乙酯在100时的焓值则以上数据可计算热量。 由：带入数据解得：.三、反应釜釜体的设计3.1 釜体DN、PN将釜体视为筒体，本设计采用一般的反应釜，由于釜内物料为液-液相，高径比一般取11.32，本设计取为1.2。实际体积,取五个反应釜，则每个反应釜体积为由，则，圆整。查得釜体的因操作压力，故：3.2 筒体壁厚最大操作压力为，设计压力P取最大工作压力的1.051.1倍，本设计取设计压力；设计温度T，；根据筒体设计压力和设计温度选择材料：，许用应力为。焊缝系数1.0（双面对接焊，100%无损探伤）。表3-1 焊接接头系数无损检测的长度比例焊接接头形式全部局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对
8、接接头0.85单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）0.90.8钢板负偏差：,腐蚀裕量：（双面腐蚀）。表3-2 钢板负偏差C1钢板厚度22.22.52.8-3.02.2-3.53.8-44.5-5.5负偏差0.130.140.150.160.180.20.2钢板厚度6-78-2526-3032-3436-4042-5052-60负偏差0.60.80.911.11.21.3根据内压圆筒壁厚的计算公式： ，带入以上数据得: ，根据工程要求和钢材的使用壁厚范围圆整后，取。校核筒体水压试验强度，根据式：因为的屈服极限，所以，取， ，代入得：故水压试验满足强度要求。3.3 封头封头包括有椭
9、圆形、碟形、锥形、球冠形封头、平板封头等多种类型。从工艺操作要求考虑，对封头形状无特殊要求。球冠形封头、平板封头都存在较大的边缘应力，且采用平板封头厚度较大，故不宜采用。半球形封头受力最好，壁厚最薄，重量轻，但深度大，制造较难，中低压小设备不宜采用：碟形封头存在局部应力，受力不如椭圆形封头：标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比碟形封头好，综合考虑该精馏塔设计内压、温度等因素，最终确定采用标准椭圆形封头。查文献选釜体的封头选标准椭球型，代号EHA、标准JB/T47462002。封头以为材料。标准形封头壁厚： 其中：，（整体冲压），（钢板负偏差），。代入得：根据工程要求和钢材的使用壁厚范围圆整后
10、，取。与前计算的筒体壁厚一致。内表面积。封头的标准为：EHA 380040- JB/T 4746.综上：筒体和封头选材都为，壁厚。3.4 筒体长度H图3-1 釜体几何尺寸DN=3800mm，查表以内径为公称直径的椭圆形封头的尺寸、内表面积和容积可得：，直边高度,曲面高度。， 圆整得: 。釜体长径比的复核则，满足要求。由加热的方式为用夹套内的水进行电加热可知，夹套内介质的压力为常压，取设计外压。，故釜体厚度以内压计算为准，如前所示。四、夹套的结构和尺寸反应釜是进行化学反应的设备，在化学反应过程中常伴有放热和吸热，而且常常先加热以促进化学反应的进行，一旦反应开始往往又需要冷却，以调节温度维持反应的
11、最佳条件，直到反应完毕又需要散热。因此，反应釜必须配备有加热和冷却的装置，以利维持最佳的工艺条件，取得最好的反应效果。反应釜的加热和冷却有多种方式，除最常用的夹套和蛇管外，还有釜式换热器和电感应加热等。其中以夹套和蛇管两种传热方式使用最为广泛。本设计先采用夹套传热，当需要的传热面积较大，而夹套传热不能满足时，再采用蛇管传热。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、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等，其适用的温度和压力不同。本设计采用整体夹套。而整体夹套的形式
12、又包括圆筒形、U型、分段式、全包式夹套，本设计采用U型夹套。4.1 夹套DN、PN表4-1 夹套直径与筒体直径的关系Di（mm）5006007001800200030003000400040005000Dj（mm）Di+50Di+100Di+200Di+300Di+400由于Di=3800mm，则Dj= Di+300=4100mm，即夹套的公称直径为DN=4100mm。由设备设计条件单知，夹套内介质的工作压力为常压，取。4.2 夹套筒体高度Hj夹套筒体高度Hj主要由传热面积确定，一般不低于料液高度，以保证充分传热。根据装料系数、操作体积,夹套筒体高度Hj可由估算。带入数据计算得：圆整后，取Hj
13、=2.6m。4.3 夹套筒体壁厚时水的蒸气压力为，因为夹套的压力0.3，所以需要根据刚度条件设计筒体的最小壁厚。由于28003800，取，另外加上（钢板负偏差），（腐蚀裕量）。，根据工程要求圆整后取厚的钢板。4.4 夹套封头夹套的封头选标准椭球型，内径与筒体相同（2800）。代号EHA，标准JB/T47462002。因为为常压0.3，所以需要根据刚度条件设计封头的最小壁厚。由于28003800，取且不小于3，另外加上（钢板负偏差），（腐蚀余量）。，圆整后壁厚，采用为封头材料。根据中JB/T 47462002推荐：当DN2000时，直边高度。本设计中DN=26002000，则取。根据DN，查表可得：封头，容积。封头标准为：EHA 280028- JB/T 4746.校核筒体水压试验强度，根据式：因为的屈服极限，所以，取， ，代入得：故水压试验满足强度要求。4.5 传热面积校核釜体下封头的内表面积，由于筒体高度，则筒体内表面积。则总
