年产7200t乙酸乙酯间歇反应釜设计

年产 7200t 乙酸乙酯的工艺设计摘要：本选题为年产量为年产 6103T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31.m65.10/hKJ的特征尺寸为高 3320mm，直径 3200mm；夹套的特征尺寸为高 2550mm，内径为3400mm。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;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0Ac反应物的 B 起始浓度B反应物 S 的起始浓度0Scf反应器的填充系数反应釜的内径iDH反应器筒体的高度封头的高度2hP操作压力Pc设计压力取焊缝系数 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d筒壁的名义厚度n反应器夹套筒体的高度jHv封头的体积水压试验压力TP夹套的内径jDQ乙酸的用量Q0单位时间的处理量年产 610 T乙酸乙酯设计说明书- 0 -第 1 章 设计任务及条件1.1 设计任务及条件乙酸乙酯酯化反应的化学式为：CH3COOH+C2H5OH=CH3COOC2H5+H2OA B R S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/m3，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rR=k1(CACBC RCS/K) 1100时，k 1=4.7610-6L/(molmin),平衡常数 K=2.92。乙酸的转化率 XA=0.4，反应器的填充系数 f=0.8，为此反应设计一个反应器。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 LkmolQ/675.234.038163由于原料液的组成为1+2+1.35=4.35Kg单位时间的处理量 h/06.10235.467.3302.2 原料液起始浓度 LmolcA/908.36.7520乙醇和水的起始浓度 lB /2.140LocS 597839.3将速率方程变换成转化率的函数 )1(0AAXABXc0RcS年产 610 T乙酸乙酯设计说明书1201)(AAAcXbakr其中： 61.98.30Bc 15.)92.08.35179.2().1(0 KbAS65792.kc 4.657.14)1(42 ab2.3 反应时间 AfXAcbadckt021 aXAffA 2)4(ln42201 min186.4.0)3.15.(l3.98.76.44 2.4 反应体积 30 048.25)168(.)( mtQVr 反应器的实际体积 3.8.425fr第 3 章 热量核算3.1 工艺流程反应釜的简单工艺流程图年产 610 T乙酸乙酯设计说明书23.2 物料衡算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23.675/kmolh比算出各种物质的进料和出料量，具体结果如下表：物质 进料 出料 /kmolh乙酸 23.675 14.21乙醇 36.30 26.83乙酸乙酯 0 9.47水 81.68 90.153.3 能量衡算3.3.1 热量衡算总式1234Q式中： 进入反应器无聊的能量， KJ：化学反应热，2：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，3Q KJ：离开反应器物料的热量，4 KJ年产 610 T乙酸乙酯设计说明书33.3.2 每摩尔各种物值在不同条件下的 值,pmc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 23,pmcABTCD各种液相物质的热容参数如下表 3：液相物质的热容参数物质 A B103 C103 D103乙醇 -67.4442 18.4252 -7.29726 1.05224乙酸 65.98 1.469 0.15 乙酸乙酯 155.94 2.3697 -1.9976 0.4592水 50.8111 2.12938 -0.630974 0.0648311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,pmc23,351.plKABTCD1 325367428.05.7926105.1041.6794.11350Jmol同理：(2) 乙酸乙酯的 值,pc23,350.2pmlKcABTCD132531946705.976105.04910.2.8.48.135Jol(3) 水的 值,pmc2 23,37pHOlKABTCD1325350.81.9807.6094170.6483107465.8176.Jmol(3) 乙酸的 值,pc年产 610 T乙酸乙酯设计说明书423,37pmlKcABTCD1 2365.984075.1075981.73Jol3.3.3 各种气象物质的参数如下表气相物质的热容参数 4物质 A B103 C103 D103乙醇 6.731842 2.315286 -12.11626 2.493482乙酸乙酯 24.54275 3.288173 -9.926302 1.998997(1) 乙醇的 值,pmc23,g37pmKABTCD152836.1842.5607.621037.49107.89417.Jol(2) 乙酸乙酯的 值,pmc23,g37pmKcABTCD1528324.5.8709.260137.9710165.4713.0Jol3.3.4 每摩尔物质在 100下的焓值(1) 每摩尔水的焓值 237 3r2,9876.10729840.6vapmmHOplKcdTH140.6Jol同理：(3) 每摩尔的乙醇的焓值年产 610 T乙酸乙酯设计说明书5351. 37r32,32,. ,32,298 51.vapmmCHOpmCHOlCpCHOlCcdTcd 315.805174.107 76.4614.KJol(4) 每摩尔乙酸的焓值 373r3,3,298.710298mCHOpmCHOlCcdT 17.4980KJol(5) 每摩尔乙酸乙酯的焓值 350.2 37r323,323,. ,323,98 50.2vapmmCHOCpmCHOCl pCHOClcdTcdT 319.50.980.1.7750. 76.7143.8KJol3.3.5 总能量衡算（1） 的计算Q物质 进料 /kmolh出料 /kmolh乙酸 23.675 14.21乙醇 36.30 26.83乙酸乙酯 0 9.47水 81.68 90.15 13r 20r 32r 23r3 2 32nnnnCHOHCHOCHEOCmmCHOmOmCHOQ332.6750.4981.64.96.147.65014.5982753./hKJ（2） 的计算Q3253252CHOHCOH年产 610 T乙酸乙酯设计说明书632rr r r2320332329.4710mHOmCHmCHOmCHOQ.(.964.587.94.65)8/KJh（3） 的计算4111 120r2r32r 32r0232 32nnnnHHOCHOCHOmmmCmCHOQ3.7.98.504.968.047.659.104.59865465/hKJ因为： 1234Q即： + + =5076.0.835270.416求得： =45437.2743/hJ0，故应是外界向系统供热。Q3.4 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 12opQmcT5ab19.6JlK32140bmo6132.cJl189TK3629.64.102.1039poc25年产 610 T乙酸乙酯设计说明书7134.52JmolK19g3124537.2183.2kg/.09opQhcT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 i） ，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， （其中 D搅拌器直径，P3ip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 i 越高，越有利于传热。31 高径比的确定通常才用经验值表 6种类 罐体物料类型 H/Di液固或液液相物料 11.3一般搅拌釜气液相物料 12发酵罐类 气液相物料 1.72.5假定高径比为 H/Di=1.2，先忽略罐底容积7iiiDHV34mDi21.取标准 i30表 32 用标准椭球型封头参数见表 8公称直径（mm）曲面高度（mm）直边高度（mm）内表面积（m 2）容积（m 3）3200 800 40 11.5 4.61筒体的高度年产 610 T乙酸乙酯设计说明书8mDVHi 320.42.3614釜体高径比的复核 05.12iih满足要求4.2 筒体壁厚的设计4.2.1 设计参数的确定表 33 反应器内各物质的饱和蒸汽压 9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去操作压力 P=0.4MPa，该反应器的设计压力Pc=1.1P=1.10.4MPa=0.44MPa该反应釜的操作温度为 100，设计温度为 120。由此选用 16MnR 卷制16MnR 材料在 120是的许用应力 t=170MPa焊缝系数的确定取焊缝系数 =1.0（双面对接焊，100无损探伤）腐蚀裕量 C2=2mm4.2.2 筒体的壁厚计算厚度 10mPDScti 465017234.2钢板负偏差 mC8.01设计厚度 Sd 46542名义厚度 mn 78011圆 整按钢制容器的制造取壁厚 mn8年产 610 T乙酸乙酯设计说明书94.3 釜体封头厚计算厚度 mPDSctic 15.4.0517234.5.02钢板负偏差 mC6.1设计厚度 mSd .61.42名义厚度 n 7805圆 整按钢制容器的制造取壁厚 n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： mDij 34023025.1.2 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 Q235B 卷制Q235B 材料在 120是的许用应力 t=113MPa焊缝系数的确定取焊缝系数 =1.0（双面对接焊，100无损探伤）腐蚀裕量 C2=2mm5.2 夹套筒体的壁厚计算厚度 mPDScti 7.325.01324.2钢板负偏差 mC8.01年产 610 T乙酸乙酯设计说明书10设计厚度 mCSd 7.52.32名义厚度 n 801圆 整按钢制容中 DN=3400mm 的壁厚最小不的小于 8mm 所以取mSn85.3 夹套筒体的高度 mDvfVHij 5.2.34618.04225.4 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。夹套的上封头mDj340选带折边形的封头，且半锥角 。45计算厚度 PDSctic 7.25.12.0.02钢板负偏差 mC8.1设计厚度 mSd 7.5.32名义厚度 n 801圆 整按钢制容中 DN=3400mm 的壁厚最小不的小于 8mm 所以取mSn8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 mSn85.5 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，且年产 610 T乙酸乙酯设计说明书11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6.1.1 水压试验压力的确定 MPaPtcT 5.014.2525.16.1.2 水压试验的强度校核 PaCSDPniT 170)8.2(305.)(216MnR 的屈服极限 MPas4s 5.3109.0. 由 asT17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=1.1TpMPa或 1.5PT P 表 4PT 即 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MPaminMPa年产 610 T乙酸乙酯设计说明书12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）=0.35MPaMPaPtcT 3125.0.25125.1所以取 Ma3.06.2.2 水压试验的强度校核 MPaCSDPniT 15)8.2(3405.)(2Q235B 的屈服极限 MPass 5.139.0. 由 PasT215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=0.7TpMPa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MPaminMPa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 610 T乙酸乙酯设计说明书13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 0.512，一般取 0.33，所以叶轮的直径，取 ；0.3.320156idDm0dm叶轮据槽底的安装高度 ；H叶轮的叶片宽度 ，取 ；.2Wd20W叶轮的叶长度 ，取 ；025105l5l液体的深度 ；1.3m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020bD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.3.1.5/4nrsd1.5/nrs7.2 搅拌功率的计算采用永田进治公式进行计算： 42.1570/Pas22 641.05.937ednR年产 610 T乙酸乙酯设计说明书1413221.50.998rndFg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eR到临界雷诺数 ，用 代替 进行搅拌功率计算。 可以查表 上湍流一层流大的转ececRe ecR8折点得出。查表知： 6.8所以功率： ，取3535012.02.4PndKW3P7.3 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 3 ，搅拌轴的转速 90 ，根据文献 取用材料为PKWn/mir11Cr18Ni9Ti ， 40 ，剪切弹性模量 8.110 4 ，许用单位扭转角 MaGMPa1/m。由 得： =69.510mnm66149.530.80/186/N利用截面法得： = （ ）axT9由 得： =maxW69.5310Pn64.53109搅拌轴为实心轴，则： =.2d6.57.05mm 取 60mmd（2）搅拌轴刚度的校核：由3maxax4p180J32TpMGd刚度校核必须满足： ，即：max63634 441801809.539.557.2.2pnd mG年产 610 T乙酸乙酯设计说明书15所以搅拌轴的直径取 60mm 满足条件。d7.3.2 搅拌抽临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速 =90 200 ，故不作临界转速校核计算。n/mirin/r7.4 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） 。标记为：40 HG 2157095。结论N依据 GB 150-1988钢制压力容器尺寸为反应器体积为 ，反应釜高为 3320mm，31.m直径 3200mm，完成设计任务，达到实际要求。参考书目1 谭 蔚 主 编 ， 化 工 设 备 设 计 基 础 M， 天 津 ： 天 津 大 学 出 版 社 ， 2008.42 柴 诚 敬 主 编 ， 化 工 原 理 上 册 M， 北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社 ， 2008.93李 少 芬 主 编 ， 反 应 工 程 M， 北 京 ： 化 学 工 业 出 版 社 ， 2010.24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. 20037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. 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