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1、 乙酸乙酯間歇反應釜 工 藝 設 計 說 明 書 目錄 前言 3 摘要 4 一．設計條件和任務 5 二.工藝設計 6 1. 原料的處理量 7 2. 原料液起始濃度 7 3. 反應時間 8 4. 反應體積 8 三. 熱量核算 9 1. 物料衡算 9 2. 能量衡算 9 3. 換熱設計 12 四. 反應釜釜體設計 13 1. 反應器的直徑和高度 13 2. 筒體的壁厚 14 3. 釜體封頭厚度 15 五. 反應釜夾套的設計 15 1. 夾套DN、PN的確定 15 2. 夾套筒體的壁厚 16 3. 夾套筒體的高度 16 4

2、. 夾套的封頭厚度 16 六. 攪拌器的選型 17 1. 攪拌槳的尺寸及安裝位置 18 2. 攪拌功率的計算 18 3. 攪拌軸的的初步計算 19 結論 19 主要符號一覽表 20 總結 21 參考書目 22 前言 反應工程課程設計是《化工設備機械基礎》和《反應工程》課程教學中綜合性和實踐性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是學生體察工程實際問題復雜性，學習初次嘗試反應釜機械設計。化工設計不同于平時的作業(yè)，在設計中需要同學獨立自主的解決所遇到的問題、自己做出決策，根據(jù)老師給定的設計要求自己選擇方案、查取數(shù)據(jù)、進行過程和設備的設計計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經

3、過反復的比較分析，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計。 反應工程是培養(yǎng)學生設計能力的重要實踐教學環(huán)節(jié)。在教師指導下，通過裸程設計，培養(yǎng)學生獨立地運用所學到的基本理論并結合生產實際的知識，綜合地分析和解決生產實際問題的能力。因此，當學生首次完成該課程設計后，應達到一下幾個目的： 1、 熟練掌握查閱文獻資料、收集相關數(shù)據(jù)、正確選擇公式，當缺乏必要的數(shù)據(jù)時，尚需要自己通過實驗測定或到生產現(xiàn)場進行實際查定。 2、 在兼顧技術先進性、可行性、經濟合理的前提下，綜合分析設計任務要求，確定化工工藝流程，進行設備選型，并提出保證過程正常、安全可行所需的檢測和計量參數(shù)，同時還要考慮改善勞動條件和環(huán)境保護的有

4、效措施。 3、 準確而迅速的進行過程計算及主要設備的工藝設計計算及選型。 4、 用精煉的語言、簡潔的文字、清晰地圖表來表達自己的設計思想和計算結果。 化工設備機械基礎課程設計是一項很繁瑣的設計工作，而且在設計中除了要考慮經濟因素外，環(huán)保也是一項不得不考慮的問題。除此之外，還要考慮諸多的政策、法規(guī)，因此在課程設計中要有耐心，注意多專業(yè)、多學科的綜合和相互協(xié)調。 摘要 本選題為年產量為年產7100T的間歇釜式反應器的設計。通過物料衡算、熱量衡算，反應器體積為、換熱量為。設備設計結果表明，反應器的特征尺寸為高3380mm，直徑3200mm，壁厚8mm，封頭壁厚8mm；夾套的特征尺寸為高2

5、590mm，內徑為3400mm壁厚8mm，封頭壁厚8mm。還對塔體等進行了輔助設備設計，換熱則是通過夾套完成。攪拌器的形式為圓盤式攪拌器，攪拌軸直徑60mm。在此基礎上繪制了設備條件圖。本設計為間歇釜式反應器的工業(yè)設計提供較為詳盡的數(shù)據(jù)與圖紙。一．設計條件和任務 一、設計目的和要求 通過課程設計，要求更加熟悉工程設計基本內容 ，掌握化學反應器設計的主要程序及方法，鍛煉和提高學生綜合運用理論知識和技能的能力、獨立工作和創(chuàng)新能力 二、設計題目和內容 設計題目： 年產量為年產7100T的間歇釜式反應器的設計 乙酸乙酯酯化反應的化學式為： CH3COOH+C2H5OH=====CH

6、3COOC2H5+H2O A B R S 原料中反應組分的質量比為：A：B：S=1：2：1.35，反應液的密度為1020Kg/m3，并假定在反應過程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時間為1h，每天計24h每年300d每年生產7200h。反應在100℃下等溫操作，其反應速率方程如下 rR=k1(CACB－CRCS/K) 100℃時，k1=4.7610-6L/(molmin),平衡常數(shù)K=2.92。乙酸的轉化率=0.4，反應器的填充系數(shù)f=0.8，為此反應設計一個反應器。二.工藝設計 工藝流程圖 1. 原料的處理量

7、 根據(jù)乙酸乙酯的產量可計算出每小時的乙酸用量為 由于原料液反應組分的質量比為：A：B：S=1：2：1.35 則 單位時間的處理量 2. 原料液起始濃度 乙醇和水的起始濃度 將速率方程變換成轉化率的函數(shù) 將以上各式代人rR=k1(cAcB－cRcS/K)中得 整理得 其中： 3. 反應時間 由得 即 整理得 積分得 因為 故 上式積分為 =153min 4. 反應體積 反應器的實際體積 三. 熱量核算

8、 1. 物料衡算 根據(jù)乙酸的每小時進料量為，再根據(jù)它的轉化率和反應物的初始質量比算出各種物質的進料和出料量： 結果匯總如下表： 物質 進料 出料 乙酸 28.015 16.81 乙醇 73.08 61.88 乙酸乙酯 0 11.21 水 126.07 137.28 2. 能量衡算 熱量衡算總式： 式中：進入反應器無聊的能量， ：化學反應熱， ：供給或移走的熱量，外界向系統(tǒng)供熱為正，系統(tǒng)向外界移去熱量為負， ：離開反應器物料的熱量， 每摩爾各種物值在不同條件下的值: 對液相 查得， 各種液相物質的熱容參數(shù)如下表

9、液相物質的熱容參數(shù) 物質 A B103 C106 乙醇 100.92 -111.839 498.54 乙酸 155.48 -326.595 744.199 乙酸乙酯 162.99 -201.054 777.283 由于乙醇，乙酸乙酯，乙酸的沸點分別為78.5℃，77.3℃和118℃，所以： 乙醇的值 乙酸的值 乙酸乙酯的值 水的值 查得， 對氣相 各種氣象物質的參數(shù)如下表 氣相物質的熱容參數(shù)

10、 物質 A B103 C106 D1010 乙醇 6.296 231.501 -118.558 222.183 乙酸乙酯 24.673 328.226 -98.4119 -203.815 乙醇的值 乙酸乙酯的值 每摩爾物質在100℃下的焓值 (1) 每摩爾水的焓值 (2) 每摩爾的乙醇的焓值 (3) 每摩爾乙酸的焓值 (4) 每摩爾乙酸乙酯的焓值 總能量衡算

11、 （2）的計算 （3）的計算 因為>0,說明反應吸熱 故，有 求得：=764803.89 >0，故應是外界向系統(tǒng)供熱。 3. 換熱設計 換熱采用夾套加熱，設夾套內的過熱水蒸氣由130℃降到110℃，溫差為20℃。 水蒸氣的用量 忽略熱損失，則水的用量為 四. 反應釜釜體設計 1. 反應器的直徑和高度 在已知攪拌器的操作容積后，首先要選擇罐體適宜的高徑比（H/Di），以確定罐體的直徑和高度。選擇罐體高徑比主要考慮以下兩方面因數(shù)： 1、 高徑比對攪拌功率的影響：

12、在轉速不變的情況下，（其中D—攪拌器直徑，P—攪拌功率），P隨釜體直徑的增大，而增加很多，減小高徑比只能無謂地消耗一些攪拌功率。因此一般情況下，高徑比應選擇大一些。 2、 高徑比對傳熱的影響：當容積一定時，H/Di越高，越有利于傳熱。 高徑比的確定通常采用經驗值表 種類 罐體物料類型 H/Di 一般攪拌釜 液—固或液—液相物料 1~1.3 氣—液相物料 1~2 發(fā)酵罐類 氣—液相物料 1.7~2.5 假定高徑比為H/Di=1.2，先忽略罐底容積 代入數(shù)據(jù)得 取標準 標準橢球型封頭參數(shù) 公稱直徑（mm） 曲面高度（mm） 直邊高度（mm） 內

13、表面積（m2） 容積（m3） 3200 800 40 11.5 4.61 筒體的高度 釜體高徑比的復核 ，滿足要求 2. 筒體的壁厚 設計參數(shù)的確定 反應器內各物質的飽和蒸汽壓 物質 水 乙酸 乙醇 乙酸乙酯 飽和蒸汽壓（MPa） 0.143 0.08 0.316 0.272 該反應釜的操作壓力必須滿足乙醇的飽和蒸汽壓所以取操作壓力P=0.4MPa，取反應器的設計壓力 Pc=1.1P=1.10.4MPa=0.44MPa 該反應釜的操作溫度為100℃，設計溫度為120℃。 材質選用16MnR，16MnR材

14、料在120℃是的許用應力[σ]t=147MPa 取焊縫系數(shù)φ=1.0（雙面對接焊，100％無損探傷） 腐蝕裕量C2=2mm 根據(jù)式 得 考慮到鋼板厚度負偏差圓整后， ，取 水壓試驗 水壓試驗時的應力為 取 代入得 16MnR的屈服極限 水壓試驗時滿足強度要求。 水壓試驗的操作過程： 在保持釜體表面干燥的條件下，首先用水將釜體內的空氣排空，再將水的壓力緩慢升至0.55MPa，保壓不低于30min，然后將壓力緩慢降至0.44MPa，保壓足夠長時間，檢查所有焊縫和連接部位有無泄露和明顯的殘留變形。若質量合格，緩慢降壓將釜體

15、內的水排凈，用壓縮空氣吹干釜體。若質量不合格，修補后重新試壓直至合格為止。水壓試驗合格后再做氣壓試驗。 3. 釜體封頭厚度 設計厚度 考慮到鋼板厚度負偏差圓整后， ，取 五. 反應釜夾套的設計 1. 夾套DN、PN的確定 由夾套的筒體內徑與釜體內徑之間的關系可知： 由設備設計條件可知，夾套內介質的工作壓力為常壓，取PN=0.25MPa 2. 夾套筒體的壁厚 由于壓力不高所以夾套的材料選用Q235—B卷制，Q235—B材料在120℃是的許用應力[σ]t=113MPa 取焊縫系數(shù)φ=1.0（雙面對接焊

16、，100％無損探傷） 腐蝕裕量C2=2mm 設計厚度 考慮到鋼板厚度負偏差圓整后， ，取 按鋼制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取 3. 夾套筒體的高度 4. 夾套的封頭厚度 夾套的下封頭選標準橢球封頭，內徑與筒體（）相同。夾套的上封頭選帶折邊形的封頭，且半錐角。 計算厚度 考慮到鋼板厚度負偏差圓整后， ，取 按鋼制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取 帶折邊錐形封頭的壁厚 考慮到風頭的大端與夾套筒體對焊，小端與釜體筒體角焊，因此取封頭的壁厚與夾套筒體壁厚一致，即 水

17、壓試驗 水壓試驗時的應力為 ，且不得小于（P+0.1）=0.35MPa 所以取 代入得 Q235—B的屈服極限 水壓試驗時滿足強度要求。 水壓試驗的操作過程： 在保持釜體表面干燥的條件下，首先用水將釜體內的空氣排空，再將水的壓力緩慢升至0.35MPa，保壓不低于30min，然后將壓力緩慢降至0.275MPa，保壓足夠長時間，檢查所有焊縫和連接部位有無泄露和明顯的殘留變形。若質量合格，緩慢降壓將釜體內的水排凈，用壓縮空氣吹干釜體。若質量不合格，修補后重新試壓直至合格為止。水壓試驗合格后再做氣壓試驗。 六. 攪拌器的選型 攪拌設備規(guī)模、操作條件及液

18、體性質覆蓋面非常廣泛，選型時考慮的因素很多，但主要考慮的因素是介質的黏度、攪拌過程的目的和攪拌器能造成的流動形態(tài)。 同一攪拌操作可以用多種不同構型的攪拌設備來完成，但不同的實施方案所需的設備投資和功率消耗是不同的，甚至會由成倍的差別。為了經濟高效地達到攪拌的目的，必須對攪拌設備作合理的選擇。根據(jù)介質黏度由小到大，各種攪拌器的選用順序是推進式、渦輪式、槳式、錨式和螺帶式。 根據(jù)攪拌目的選擇攪拌器的類型：均相液體的混合宜選推進式，器循環(huán)量大、耗能低。制乳濁液、懸浮液或固體溶解宜選渦輪式，其循環(huán)量大和剪切強。氣體吸收用圓盤渦輪式最適宜，其流量大、剪切強、氣體平穩(wěn)分散。對結晶過程，小晶粒選渦輪式，

19、大晶粒選槳葉式為宜。根據(jù)以上本反應釜選用圓盤式攪拌器。 1. 攪拌槳的尺寸及安裝位置 葉輪直徑與反應釜的直徑比一般為0.2 ~0.5，一般取0.33，所以葉輪的直徑 ，取； 葉輪據(jù)槽底的安裝高度； 葉輪的葉片寬度，取； 葉輪的葉長度，?。? 液體的深度； 擋板的數(shù)目為4，垂直安裝在槽壁上并從槽壁地延伸液面上，擋板寬度 槳葉數(shù)為6，根據(jù)放大規(guī)則，葉端速度設為4.3m/s,則攪拌轉速為： ，取 2. 攪拌功率的計算 采用永田進治公式進行計算： [13] 由于數(shù)值很大，處于湍流區(qū)，因此，應該安裝擋板，一消除打旋現(xiàn)象。功率計算需要知到臨界雷諾數(shù)，用代替進行攪拌功率計算。可

20、以查表上湍流一層流大的轉折點得出。查表知： 所以功率：，取 3. 攪拌軸的的初步計算 攪拌軸直徑的設計 （1）電機的功率P＝27KW，攪拌軸的轉速n=90r/min，根據(jù)文獻，取用材料為1Cr18Ni9Ti ，，剪切彈性模量，許用單位扭轉角＝1/m。 由得：利用截面法得： 由 得： 攪拌軸為實心軸，則： 取 （2）攪拌軸剛度的校核：由 剛度校核必須滿足： ，即： 所以攪拌軸的直徑取＝60mm滿足條件。 攪拌抽臨界轉速校核計算 由于反應釜的攪拌軸轉速＜，故不作臨界轉速校核計算。 聯(lián)軸器的型式及尺寸的設計 由于選用擺線針齒行星

21、減速機，所以聯(lián)軸器的型式選用立式夾殼聯(lián)軸節(jié)（D型）。標記為：40 HG 21570—95。 結論 依據(jù)GB150-1988《鋼制壓力容器》，反應器尺寸為體積為，反應釜高為3380mm，內徑3200mm，達到實際要求，完成設計任務。 主要符號一覽表 V——反應釜的體積 t——反應時間 cA0——反應物A的起始濃度 cB0——反應物的B起始濃度 cS0——反應物S的起始濃度 f——反應器的填充系數(shù) Di——反應釜的內徑 H——反應器筒體的高度 h2——封頭的高度 P——操作壓力 Pc——設計壓力 φ——取焊縫系數(shù) [σ]t——鋼板的許用應力 C1——鋼板的負偏差

22、 C2——鋼板的腐蝕裕量 S——筒壁的計算厚度 Sn——筒壁的名義厚度 Hj——反應器夾套筒體的高度 v——封頭的體積 PT——水壓試驗壓力 Dj——夾套的內徑 Q——乙酸的用量 Q0——單位時間的處理量 總結 在為期兩周的設計里，在此課程設計過程中首先要感謝老師，在這次課程設計中給予我們的指導，由于是初次做反應工程課程設計，所以，再設計整個過程中難免遇到這樣那樣的難題不知該如何處理，幸好有陳湘耐心教誨，給予我們及時必要的指導，在此向陳老師表最誠摯的感謝！ 從陳老師開始說要在做課程設計開始，我就一直擔心我到最后交不了稿，因為這都到期末了，有很多門專業(yè)課要考試，必須

23、花上大量的時間復習，加上前面我們做了一個化工原理的課程設計，知道里面有很多需要查閱的東西，所以天天就一直在想到底是復習還是做課程設計。知道今天為止，我終于兩不誤，把兩樣事情都順利地完成了。 課程設計不同于書本理論知識的學習，有些問題是實際實踐過程中的，無法用理論推導得到，因此不免過程中有很多困難，但通過與同學的交流和探討，查閱文獻資料，查閱互聯(lián)網以及在陳老師的指導幫助下，問題都得到很好的解決。這讓我深深意識到自己知識體系的漏洞，自己知識體系的不足，但同時也深刻體會到同學間的團結互助的精神。 通過此次課程設計，使我查閱文獻的能力和對數(shù)據(jù)的選擇判斷能力得到了很好的鍛煉，同時我也意識到自己應該把

24、所學到的知識應用到設計中來。這次的課程設計讓我對某些反應工程的理論有了更加深入的了解，同時在具體的設計過程中我發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在書本上的知識與實際的應用存在著不小的差距，書本上的知識很多都是理想化后的結論，忽略了很多實際的因素，或者涉及的不全面，可在實際的應用時這些是不能被忽略的，我們不得不考慮這方的問題，這讓我們無法根據(jù)書上的理論就輕易得到預想中的結果，有時結果甚至很差別很大。通過這次設計使我更深刻的體會到了理論聯(lián)系實際的重要性，我們在今后的學習工作中會更加的注重實際。同時在設計中同學之間的相互幫助，相互交流，認識的進一步加深，對設計中遇到的問題進行討論，使彼此的設計更加完善，對設計的認識更加深刻。在

25、此再次感謝我各位親愛的同學們。 由于首次做反應釜設計，過程中難免疏忽與錯誤，感謝有關老師同學能及時給予指出。 參考書目 [1] 譚蔚主編.《化工設備設計基礎》[M]天津：天津大學出版社，2008.4 [2] 柴誠敬主編.《化工原理》上冊[M]，北京：高等教育出版社，2008.9 [3] 李少芬主編.反應工程[M]，北京：化學工業(yè)出版社，2010.2 [4] 王志魁編.《化工原理》[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社，2006. [5] 陳志平, 曹志錫編. 《過程設備設計與選型基礎》[M]. 浙江: 浙江大學出版社. 2007. [6] 金克新, 馬沛生編. 《化工熱力學》[

26、M], 北京: 化學工業(yè)出版社. 2003 [7] 涂偉萍, 陳佩珍, 程達芳編. 《化工過程及設備設計》[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2000. [8] 匡國柱，史啟才編. 《化工單元過程及設備課程設計》[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005. [9] 陳國恒編. 《化工機械基礎》[M].　 北京: 化學工業(yè)出版社, 2011.11 [10] 管國鋒，趙汝編.《化工原理》[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2008. [11] 朱有庭, 曲文海編.《化工設備設計手冊》[M]. 化學工業(yè)出版社, 2004. [12] 丁伯民, 黃正林編.《化工容器》[M]. 化學工業(yè)出版社. 2003. [13] 王凱, 虞軍編.《攪拌設備》[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社. 2003. 22