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年產 7200t 乙酸乙酯的工藝設計摘要：本選題為年產量為年產 6×103T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31.m65.10/hKJ?的特征尺寸為高 3320mm，直徑 3200mm；夾套的特征尺寸為高 2550mm，內徑為3400mm。還對塔體等進行了輔助設備設計，換熱則是通過夾套與內冷管共同作用完成。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。關鍵字：間歇釜式反應器; 物料衡算 ; 熱量衡算; 壁厚設計;主要符號一覽表V——反應釜的體積t——反應時間——反應物 A 的起始濃度0Ac——反應物的 B 起始濃度B——反應物 S 的起始濃度0Scf——反應器的填充系數(shù)——反應釜的內徑iDH——反應器筒體的高度——封頭的高度2hP——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C2——鋼板的腐蝕裕量S——筒壁的計算厚度——筒壁的設計厚度d——筒壁的名義厚度n——反應器夾套筒體的高度jHv——封頭的體積——水壓試驗壓力TP——夾套的內徑jDQ——乙酸的用量Q0——單位時間的處理量年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書- 0 -第 1 章 設計任務及條件1.1 設計任務及條件乙酸乙酯酯化反應的化學式為：CH3COOH+C2H5OH=====CH3COOC2H5+H2OA 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－C RCS/K) [1]100℃時，k 1=4.76×10-6L/(mol·min),平衡常數(shù) K=2.92。乙酸的轉化率 XA=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。2.1 原料的處理量根據(jù)乙酸乙酯的產量可計算出每小時的乙酸用量為 LkmolQ/675.234.038163???由于原料液的組成為1+2+1.35=4.35Kg單位時間的處理量 h/06.10235.467.330??2.2 原料液起始濃度 LmolcA/908.36.7520?乙醇和水的起始濃度 lB /2.140?LocS 597839.3??將速率方程變換成轉化率的函數(shù) )1(0AAX?ABXc0?Rc?S??年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書1201)(AAAcXbakr??其中： 61.98.30?Bc 15.)92.08.35179.2().1(0 ????????KbAS65792.?kc 4.657.14)1(42 ????ab2.3 反應時間 ???AfXAcbadckt021 aXAffA 2)4(ln42201 ??? min186.4.0)3.15.(l3.98.76.44 ????2.4 反應體積 30 048.25)168(.)( mtQVr ?????反應器的實際體積 3.8.425fr第 3 章 熱量核算3.1 工藝流程反應釜的簡單工藝流程圖年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書23.2 物料衡算根據(jù)乙酸的每小時進料量為 ，在根據(jù)它的轉化率和反應物的初始質量23.675/kmolh比算出各種物質的進料和出料量，具體結果如下表：物質 進料 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 熱量衡算總式1234Q??式中： 進入反應器無聊的能量， KJ：化學反應熱，2：供給或移走的熱量，有外界向系統(tǒng)供熱為正，有系統(tǒng)向外界移去熱量為負，3Q KJ：離開反應器物料的熱量，4 KJ年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書33.3.2 每摩爾各種物值在不同條件下的 值,pmc對于氣象物質，它的氣相熱容與溫度的函數(shù)由下面這個公式計算：[2] 23,pmcABTCD??各種液相物質的熱容參數(shù)如下表 [3]：液相物質的熱容參數(shù)物質 A B×103 C×103 D×103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點為 78.5℃和 77.2℃，所以：(1) 乙醇的 值,pmc??23,351.plKABTCD??1 325367428.05.7926105.1041.????????.6794.?11350Jmol???同理：(2) 乙酸乙酯的 值,pc??23,350.2pmlKcABTCD??132531946705.976105.04910.2???????.8.48.?135Jol???(3) 水的 值,pmc??2 23,,37pHOlKABTCD?1325350.81.9807.6094170.6483107????????465.8?176.Jmol??(3) 乙酸的 值,pc年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書4??23,37pmlKcABTCD??1 2365.984075.1075??????981.73Jol???3.3.3 各種氣象物質的參數(shù)如下表氣相物質的熱容參數(shù) [4]物質 A B×103 C×103 D×103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,pmc??23,g37pmKABTCD??152836.1842.5607.621037.49107???????.894?17.Jol???(2) 乙酸乙酯的 值,pmc??23,g37pmKcABTCD?1528324.5.8709.260137.9710????????165.47?13.0Jol??3.3.4 每摩爾物質在 100℃下的焓值(1) 每摩爾水的焓值 ???? ??237 3r2,,9876.10729840.6vapmmHOplKcdTH?????????140.6Jol??同理：(3) 每摩爾的乙醇的焓值年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書5??????351. 37r32,32,. ,32,298 51.vapmmCHOpmCHOlCpCHOlCcdTcd? ?????? ?315.805174.107? ????76.46?14.KJol??(4) 每摩爾乙酸的焓值 ??????373r3,3,298.710298mCHOpmCHOlCcdT? ?????17.4980KJol??(5) 每摩爾乙酸乙酯的焓值 ??????350.2 37r323,323,. ,323,98 50.2vapmmCHOCpmCHOCl pCHOClcdTcdT? ?????? ???319.50.980.1.7750.? ?????76.7?143.8KJol??3.3.5 總能量衡算（1） 的計算Q物質 進料 /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 32nnnnCHOHCHOCHEOCmmCHOmOmCHOQ????????????332.6750.4981.64.96.147.65014.598275?3./hKJ?（2） 的計算Q3253252CHOHCOH??年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書6????????32rr r r2320332329.4710mHOmCHmCHOmCHOQ????????.(.964.587.94.65)?8/KJh（3） 的計算4????????111 120r2r32r 32r0232 32nnnnHHOCHOCHOmmmCmCHOQ???????????3.7.98.504.968.047.659.104.59865465/hKJ因為： 1234Q??即： + + =5076.0.835270.416求得： =45437.2743/hJ0，故應是外界向系統(tǒng)供熱。Q3.4 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℃。3.4.1 水蒸氣的用量忽略熱損失，則水的用量為 ??12opQmcT??[5]ab?19.6JlK??32140bmo????6132.cJl?189TK??3629.64.102.1039poc?????25年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書7134.52JmolK???19g??????3124537.2183.2kg/.09opQhcT????第 4 章 反應釜釜體設計4.1 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/D i） ，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：在轉速不變的情況下， （其中 D—攪拌器直徑，P—3ip?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/D i 越高，越有利于傳熱。3—1 高徑比的確定通常才用經(jīng)驗值表 [6]種類 罐體物料類型 H/Di液—固或液—液相物料 1~1.3一般攪拌釜氣—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[7]???????iiiDHV34?mDi21.?取標準 i30表 3—2 用標準橢球型封頭參數(shù)見表 [8]公稱直徑（mm）曲面高度（mm）直邊高度（mm）內表面積（m 2）容積（m 3）3200 800 40 11.5 4.61筒體的高度年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書8mDVHi 320.42.3614?????????釜體高徑比的復核 05.12?iih滿足要求4.2 筒體壁厚的設計4.2.1 設計參數(shù)的確定表 3—3 反應器內各物質的飽和蒸汽壓 [9]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去操作壓力 P=0.4MPa，該反應器的設計壓力Pc=1.1P=1.1×0.4MPa=0.44MPa該反應釜的操作溫度為 100℃，設計溫度為 120℃。由此選用 16MnR 卷制16MnR 材料在 120℃是的許用應力[ σ] t=170MPa焊縫系數(shù)的確定取焊縫系數(shù) φ=1.0（雙面對接焊，100％無損探傷）腐蝕裕量 C2=2mm4.2.2 筒體的壁厚計算厚度 [10]??mPDScti 465017234.2???????鋼板負偏差 mC8.01設計厚度 Sd 46542????名義厚度 mn 78011圓 整按鋼制容器的制造取壁厚 mn8年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書94.3 釜體封頭厚計算厚度 ?? mPDSctic 15.4.0517234.5.02????????鋼板負偏差 mC6.1設計厚度 mSd .61.42???名義厚度 n 7805圓 整按鋼制容器的制造取壁厚 n第 5 章 反應釜夾套的設計5.1 夾套 DN、PN 的確定5.1.1 夾套的 DN由夾套的筒體內徑與釜體筒體內徑之間的關系可知： mDij 3402302???5.1.2 夾套的 PN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，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焊縫系數(shù)的確定取焊縫系數(shù) φ=1.0（雙面對接焊，100％無損探傷）腐蝕裕量 C2=2mm5.2 夾套筒體的壁厚計算厚度 ??mPDScti 7.325.01324.2????????鋼板負偏差 mC8.01年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書10設計厚度 mCSd 7.52.32???名義厚度 n 801圓 整按鋼制容中 DN=3400mm 的壁厚最小不的小于 8mm 所以取mSn8?5.3 夾套筒體的高度 mDvfVHij 5.2.34618.0422??????5.4 夾套的封頭5.4.1 封頭的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mDj340?選帶折邊形的封頭，且半錐角 。??45?計算厚度 ??PDSctic 7.25.12.0.02??????鋼板負偏差 mC8.1設計厚度 mSd 7.5.32???名義厚度 n 801圓 整按鋼制容中 DN=3400mm 的壁厚最小不的小于 8mm 所以取mSn8?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 mSn8?5.5 傳熱面積校核由于反應釜內進行的反應是放熱反應，產生的熱量不僅能夠維持反應的不短進行，且年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書11會引起反應釜內的溫度升高。為防止反應釜內溫度過高，在反應釜的上方設置了冷凝器進行換熱，因此不需要進行傳熱面積的校核。如果反應釜內進行的是吸熱反應，則需進行傳熱面積的校核。第 6 章 反應釜釜體及夾套的壓力試驗6.1 釜體的水壓試驗6.1.1 水壓試驗壓力的確定 ??MPaPtcT 5.014.2525.1????6.1.2 水壓試驗的強度校核 PaCSDPniT 170)8.2(305.)(2?????????16MnR 的屈服極限 MPas4s 5.3109.0. ???由 asT17????所以水壓強度足夠6.1.3 壓力表的量程、水溫壓力表的最大量程：P 表=2 =2×0.55=1.1TpMPa或 1.5PT P 表 4PT 即 0.825MPa P 表 2.2??水溫≥5℃ 6.1.4 水壓試驗的操作過程操作過程：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 0.55 ，保壓不低于 30 ，然后將壓力緩慢降至 0.44 ，保壓足MPaminMPa年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書12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。6.2 夾套的液壓試驗6.2.1 水壓試驗壓力的確定且不的小于（p+0.1）=0.35MPa??MPaPtcT 3125.0.25125.1????所以取 Ma3.06.2.2 水壓試驗的強度校核 MPaCSDPniT 15)8.2(3405.)(2?????????Q235—B 的屈服極限 MPass 5.139.0. ???由 PasT215????所以水壓強度足夠6.2.3 壓力表的量程、水溫壓力表的最大量程：P 表=2 =2×0.35=0.7TpMPa或 1.5PT P 表 4PT 即 0.525MPa P 表 1.4??水溫≥5℃ 6.2.4 水壓試驗的操作過程操作過程：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 0.35 ，保壓不低于 30 ，然后將壓力緩慢降至 0.275 ，保壓足MPaminMPa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。年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書13第 7 章 攪拌器的選型攪拌設備規(guī)模、操作條件及液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(jīng)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，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。7.1 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[12]，一般取 0.33，所以葉輪的直徑，取 ；0.3.320156idDm???0dm?葉輪據(jù)槽底的安裝高度 ；H?葉輪的葉片寬度 ，取 ；.2Wd20W葉輪的葉長度 ，取 ；025105l??5l?液體的深度 ；1.3m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020bD?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.3.1.5/4nrsd???1.5/nrs?7.2 攪拌功率的計算采用永田進治公式進行計算： 42.1570/Pas????22 641.05.937ednR??????年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書14[13]221.50.998rndFg???由于 數(shù)值很大，處于湍流區(qū)，因此，應該安裝擋板，一小車打旋現(xiàn)象。功率計算需要知eR到臨界雷諾數(shù) ，用 代替 進行攪拌功率計算。 可以查表 上湍流一層流大的轉ececRe ecR??8折點得出。查表知： 6.8??所以功率： ，取3535012.02.4PndKW???3P?7.3 攪拌軸的的初步計算7.3.1 攪拌軸直徑的設計（1）電機的功率 ＝3 ，攪拌軸的轉速 ＝90 ，根據(jù)文獻 取用材料為PKWn/mir??11Cr18Ni9Ti ， [ ]＝40 ，剪切彈性模量 ＝8.1×10 4 ，許用單位扭轉角[ ]?MaGMPa?＝1°/m。由 得： =69.510mn??m66149.530.80/186/N????利用截面法得： = （ ）?axT9由 得： =max[]W????69.5310[]Pn???64.53109?攪拌軸為實心軸，則： =.2d?6.?≥57.05mm 取 ＝60mmd（2）攪拌軸剛度的校核：由3maxax4p180J32TpMGd????剛度校核必須滿足： ，即：??max????63634 441801809.539.557.2.2pnd mG??????????年產 6××10 3T乙酸乙酯設計說明書15所以攪拌軸的直徑取 ＝60mm 滿足條件。d7.3.2 攪拌抽臨界轉速校核計算由于反應釜的攪拌軸轉速 =90 ＜200 ，故不作臨界轉速校核計算。n/mirin/r7.4 聯(lián)軸器的型式及尺寸的設計由于選用擺線針齒行星減速機，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N依據(jù) GB 150-1988《鋼制壓力容器》尺寸為反應器體積為 ，反應釜高為 3320mm，31.m直徑 3200mm，完成設計任務，達到實際要求。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》[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]柴誠敬編. 《化工原理》[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000. 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