乙酸乙酯说明书
银川能源学院
化学反应工程课程设计说明书
题目:年产3800吨乙酸乙酯反应器的设计
学生姓名 刘珊 张东旭
学 号1410140018 1410140019
指导教师李平
院 系 石油化工学院
专业班级 能源化学工程1401
设计时间 2017.4.1 - 2017.5.26
化学工程教研室
课程设计任务书
一、设计项目
年产2000吨乙酸乙酯的反应器的设计
二、设计条件
1、生产规模:2000+学号×100 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:60%
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:乙醇=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、设计目的和要求
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
物料衡算,热量衡算,生产线数,反应器个数, 反应器体积,反应器基本
尺寸。
4、设计计算说明书内容
封皮(采用化工原理课程设计模版,格式排版要求同化工原理课程设计要
求)
设计任务书;
目录;
设计方案比较;
工艺流程图设计;
反应器的设计
设计总结;
参考资料。
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:李平
2017年4月1日——2017年5月26日
目录
第一章乙酸乙酯的概况 .................................................................................................. 2
1.1 物化特性 ................................................................................................................ 2
1.2 乙酸乙酯可选的合成路线 .................................................................................... 2
1.3 主要用途 ................................................................................................................ 2
第二章物料计算及方案选择 ........................................................................................... 4
2.1 间歇釜进料 ............................................................................................................ 4
2.1.1 流量的计算 ..................................................................................................... 4
2.1.2 反应体积及反应时间计算 ............................................................................. 5
2.2 连续性进料的计算 ................................................................................................ 6
2.2.1 流量的计算 ..................................................................................................... 6
2.2.2 反应体积及反应时间计算 ............................................................................. 7
2.2.3连续性反应时间 .............................................................................................. 7
2.2.4 设计方案的选择 ............................................................................................. 7
第二章热量衡算 ............................................................................................................... 9
3.1工艺流程图 ............................................................................................................. 9
3.2热量衡算总式 ......................................................................................................... 9
3.3每摩尔各种物质在不同条件下的cp,m值.............................................................. 9
3.4各种气象物质的参数如下表 ............................................................................... 10
3.6总能量衡算 ........................................................................................................... 11
3.7 换热设计 .............................................................................................................. 12
3.7.1 水蒸气的用量 ............................................................................................... 13
第四章反应釜体的设计 ................................................................................................. 13
4.1 反应器的直径和高度 .......................................................................................... 13
4.2 筒体壁厚的设计 .................................................................................................. 14
4.2.1 设计参数的确定 ........................................................................................... 14
4.2.2 筒体的壁厚 ................................................................................................... 14
4.3 釜体封头厚度 ...................................................................................................... 15
第五章反应釜夹套设计 ................................................................................................. 15
5.1 夹套DN,PN的确定 ............................................................................................. 15
5.1.1 夹套的DN ..................................................................................................... 15
5.1.2 夹套的PN ..................................................................................................... 15
5.2 夹套筒体的壁厚 .................................................................................................. 16
5.3 夹套筒体的高度 .................................................................................................. 16
5.4 夹套的封头 .......................................................................................................... 16
5.5 传热面积校核 ...................................................................................................... 17
第六章反应釜釜体及夹套的压力试验 ......................................................................... 17
6.1 釜体的水压试验 .................................................................................................. 17
6.2 夹套的液压试验 .................................................................................................. 18
第七章搅拌器的选型 ..................................................................................................... 18
7.1 搅拌桨的尺寸及安装位置 .................................................................................. 19
7.2 搅拌功率的计算 .................................................................................................. 19
7.3搅拌轴直径的设计计算 ....................................................................................... 20
7.4夹套式反应釜附属装置的确定 ........................................................................... 21
7.4.1人孔C: ......................................................................................................... 21
7.4.2进料管: ........................................................................................................ 21
7.4.3 出料管: ....................................................................................................... 22
总结 ................................................................................................................................. 22
参考文献: ..................................................................................................................... 23
摘要:乙酸乙酯是一种重要的化工容积。乙酸乙酯在涂料。粘合剂、制药和油墨等领域的应用十分广泛,其合成过程也受到广泛重视。本设计采用的是乙酸乙酯合成工艺,即乙酸和乙醇在浓硫酸的催化作用下直接合成乙酸乙酯。年产量为7600吨,经物料衡算,热量衡算和反应釜设备尺寸等各方面的计算,得到反应器体积为,最终使用间歇式反应器。反应器的高度是1880mm,直径是1700mm,筒体厚度是6mm。本设计的结果具有一定的市场运用价值,可以指导社会工业化的生产。
关键词:乙酸乙酯; 酯化法; 合成工艺; 间歇式反应器
Abstract
Ethyl acetate is an important chemical solvent. Ethyl acetate in the coating. Adhesives, pharmaceuticals and inks and other fields of application is very extensive, the synthesis
process has also been widely attention. The design uses ethyl acetate synthesis process, that is, acetic acid and ethanol in the concentrated sulfuric acid catalyzed direct synthesis of ethyl acetate. The annual output of 7600 tons, the material balance, heat balance and reactor
equipment size and other aspects of the calculation, the reactor volume of 3, the final use of intermittent reactor. The height of the reactor was 1880 mm, the diameter was 1700 mm, and the thickness of the cylinder was 6 mm. The results of this design has a certain value of the market, you can guide the industrialization of social production.
Key words:Ethyl acetate; Esterification method; Synthesis; Intermittent reactor
第一章 乙酸乙酯的概况
1.1 物化特性
乙酸乙酯(ethyl acetate)分子式为CH3COOC2H5,无色易挥发液体有水果香味,熔点-83.6℃,沸点77.06℃,相对密度0.9003;微溶于水,易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂;与水或乙醇都能生成二元共沸混合物;与水的共沸混合物的沸点70.4℃,与乙醇的共沸混合物的沸点71.8℃,与水和乙醇还可以形成三元共沸混合物,沸点70.2℃。在酸或碱的催化下,易水解成乙酸和乙醇;此外,还可发生自缩合等反应。
1.2 乙酸乙酯可选的合成路线
乙酸乙酯的合成路线很多,如下所示;
(1)以醋酸和乙醇为原料,硫酸为催化剂直接酯化得醋酸乙酯,再经脱水、分馏精制得成品。
(2)乙醛缩合法:以烷基铝为催化剂,将乙醛进行缩合反应生成醋酸乙酯。国外工业生产大多采用此工艺。
(3)乙烯与醋酸直接酯化生成醋酸乙酯。乙酸乙酯也可由乙酸、乙酐或乙烯酮与乙醇反应制得;也可在乙醇铝催化下,由两分子乙醛反应生成。此外,工业上由丁烷氧化制乙酸时也副产乙酸乙酯。
1.3 主要用途
乙酸乙酯是应用最广泛的脂肪羧酸之一,具有优良的溶解性能,是一种较好的工业溶剂,已被广泛应用于醋酸纤维、乙基纤维素、氯化橡胶、乙烯树脂、乙酸纤维树脂、合成橡胶等生产,也可用于生产复印机用液体硝基纤维墨水,在纺织工业中用作清洗剂;在食品工业中用作特殊改性酒精的香味萃取剂,在香料工业中是最重要的香料添加剂,可作为调香剂的组分,乙酸乙酯也可用作粘合剂的溶剂,油漆的稀释剂以及作为制造药物、染料等的原料。
制药 醋酸乙酯再制药行业用作溶剂,主要生产维生素E及一些医药中间体。我国是人口大国,到2005年人口已达到13.3亿,人口净增长、人口老龄化问题都将增加对医药品的需求量。同时,随着我国加入世界贸易组织,医药出口量明显增加。2002年传统医药出口形势一路飘红,化学原料依然是我国医药商品出
口的主要品种,产量与出口快速上升,带动了醋酸乙酯销量。
涂料 醋酸乙酯主要用于高档溶剂型涂料,如聚氨酯涂料、环氧树脂涂料、丙烯酸酯涂料、乙烯基涂料等。我国的醋酸酯涂料是20世纪90年代以后才迅速发展起来的,不仅增长速度快,并且在涂料总量中所占比例也不断上升。2000年聚氨酯涂料产量达到8.2万吨,已经成为国内重要的涂料品种。此外,环氧树脂涂料、丙烯酸酯涂料也消费一些醋酸乙酯,但与发到国家相比,国内醋酸乙酯再涂料方面的应用还比较落后。从发到国家的消费情况来看,醋酸乙酯在涂料中作为溶剂应用已经相当广泛,如美国市场醋酸乙酯在涂料的消耗占60%以上,而我国仅占18%。近年来,我国涂料行业迅猛发展,许多国外著名的涂料生产商采取独资或合资的方式在我国建厂生产高档涂料。随着我国经济高速发展,将极大促进对醋酸乙酯的需
第二章 物料计算及方案选择
对于乙酸乙酯的生产既可以采用间歇式生产,也可采用连续式生产,依自己产量。
2.1 间歇釜进料
2.1.1 流量的计算
(1)乙酸乙酯的产量
化学反应方程式:
浓硫酸CH3COOH+CH3CH2OH←−−→CH3COOCH2CH3+H2O
乙酸乙酯的相对分子质量为88,所以要求的生产流量为
3800⨯103
F酯==7.20Kmol/h88⨯6000
(2)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,乙酸的转率x=60%,物料损失以5%计, 则乙酸的进料量
化
FAO=7.20=12.89Kmol/h0.6⨯0.95⨯0.98
(3)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=5×12.89=64.45kmol/h
(4)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=12.89⨯60+64.45⨯46=3775.86kg/h0.99
因硫酸为总流量的1%,则W硫酸=7545.86⨯0.01=75.46,即可算其物质的量流量
/h F硫酸=37.76/98=0.385kmol
表2-1物料进料量表
名称
F/kmol/h 乙酸 12.89 乙醇 64.45 浓硫酸 0.385
2.1.2 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
2-rkcA=A(A为乙酸)
()/kmol⋅min当反应温度为80℃,催化剂为硫酸时,反应速率常数k=15.00L
=0.9m3/(kmol.h)
因为乙醇大大过量,反应混合物密度视为恒定,ρ=0.85kg/L,则乙酸的初始浓度为:
CA,0=0.85⨯1000=2.93kmol/m3 5⨯46+60
当乙酸转化率x=60%,由间歇釜反应有:
dcA1cAdcA111111t=-⎰=-⎰=(-)=(-)=0.57h2cAo(-r)cAokcAkcAcA00.92.93⨯0.42.93AcA
'=0.5h根据经验取非生产时间t,则反应体积
VR=FAO12.89=(t+t')=⨯(0.57+0.5)=4.71m2
CAO2.93
因装料系数为0.75,故实际体积
VR=4.71=6.28m2
0.75 要求每釜体积小于5m3
则间歇釜需2个,每釜体积V=5m3圆整,取实际体积V=5m3。
2.2 连续性进料的计算
2.2.1 流量的计算 (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
3800⨯103
F酯==5.4Kmol/h
88⨯8000
(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x=60%,物料损失以5%计,则乙酸的进料量为:
(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:
F乙醇=19.33⨯5=96.65kmol/h
(4)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
19.33⨯60+96.65⨯46
=5662kg/h
0.99
W硫酸=5662⨯0.01=56.62kg/h,即可算其物质的量流量
/h F硫酸=56.62/98=0.58kmol
表2-2物料进料量表.
(5)总物料量流量:F=19.33+96.65+0.58=116.56kmol/h
2.2.2 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
2
-rkcA=A(A为乙酸)
()/kmol⋅min当反应温度为80℃,催化剂为硫酸时,反应速率常数k=15L
因为乙醇大大过量,反应混合物密度视为恒定,等于0.85g/cm3。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,ν0不变,τi=
Vi
不变,则: ν0
-cV-cA0A1V1c2cA1A2
(-r)(-r)A1A2
ccccA0-A1A1-A2
22
kckc1A12A2
若采用两釜等温操作,则
k1=k2
3
代数解得 cA1=1.73kmol/m
所以 V=
FA0(cA0-cA1)14.75⨯(2.93-1.73)
==3.35m3 22
cA0kcA12.93⨯0.9⨯1.73
装料系数为0.75,故实际体积V=3.35÷0.75=4.7m3。故采用一条的生产线生产即可,反应器的体积V
2.2.3连续性反应时间 反应时间:τ=
VcA0-cA12.93-1.73
===0.154h v(-rA)0.9⨯2.9⨯1.732
2.2.4 设计方案的选择
经上述计算可知,间歇釜进料需要4.5m3反应釜3个,而连续性进料需2个反应釜。根据间歇性和连续性反应特征比较,间歇进料需3条生产线,连续性需1条生产线。虽然,间歇生产的检测控制等装备就比连续性生产成本高,所耗费的人力物力大于连续生产,但该课题年产量少,选择间歇生产比连续生产要优越许多。
故而,本次设计将根据三釜串联的的间歇性生产线进行。
表2-3物料物性参数[1]
表
2-4 乙酸规格质量[1]:GB1628-79
第二章 热量衡算
3.1工艺流程图
反应釜的简单工艺流程图
循环使用
换热器1循环使用循环使用
反应釜
3.2热量衡算总式
Q1+Q2+Q3=Q4
式中:Q1进入反应器的能量,KJ
Q2:化学反应热,KJ
Q3: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,KJ
Q4:离开反应器物料的热量,KJ
3.3每摩尔各种物质在不同条件下的cp,m值
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
:
cp,m=A+BT+CT2+DT3[2]
表3-1 液相物质的热容参数
由于乙醇和乙酸乙酯的沸点为78.5℃和77.2℃,所以: (1)乙醇的cp,m值
cp,m(l,351.5K)=A+BT+CT2+DT3
2
=59.342+36.358⨯10-2⨯351.65-12.164⨯10-4⨯351.65+1.8030⨯10-6⨯351.653
=115.15J/mol/K
(2)乙酸乙酯的cp,m值
cp,m(l,350.2K)=A+BT+CT2+DT3
=155.94+2.3697⨯10-2⨯350.2-1.9976⨯10-4⨯350.22+0.4592⨯10-6⨯350.23
=152.79J/mol/K
(3)水的cp,m值
cp,m(353K)=A+BT+CT2+DT3
=92.053-3.9953⨯10-2⨯353-2.1103⨯10-4⨯3532+0.53469⨯10-6⨯3533
=75.17J/mol/K
(4)乙酸的cp,m值
cp,m(353K)=A+BT+CT2+DT3
=-18.944+109.71⨯10-2⨯353-28.921⨯10-4⨯3532+2.9275⨯10-6⨯353.153
=136.72J/mol/K
3.4各种气象物质的参数如下表
表3-2 气相物质的热容参数[4]
(1)乙醇的cp,m值
cp,m(353K)=A+BT+CT2+DT3
=4.396+0.628⨯10-3⨯353+5.546⨯10-5⨯353-7.024⨯10-8⨯3533
=8.41J/mol/K
(2)乙酸乙酯的cp,m值
cp,m(353K)=A+BT+CT2+DT3
=10.228-14.948⨯10-3⨯353+13.033⨯10-5⨯3532-15.736⨯10-8⨯353.153
=24.82J/mol/K
3.5每摩尔物质在80℃下的焓值
(1)每摩尔水的焓值
∆rHm(H2O)=cp,m(353K)⎰dT=44.822KJ/mol
298353
(2)每摩尔的乙醇的焓值
353
353
∆rHm(CH3CH2OH)=cp,m(351K)⎰dT+∆vapHm+Cp,m(CH3CH2OH,353K)
298
351
⎰dT
=44.864KJ/mol
(3)每摩尔乙酸的焓值
353
∆rHm(CH3COOH)=cp,m(353K)⎰dT=7.5196KJ/mol
298
+
(4)每摩尔乙酸乙酯的焓值
350
353
∆rHm(CH3COOCH2CH3)=cp,m(350K)⎰dT+∆vapHm+Cp,m(CH3COOCH2CH3,l,353︒C)
298
350
⎰dT
=38.58KJ/mol
3.6总能量衡算
(1)Q1的计算
表3-2 各物质的进料量和出料量
Q1=nCH3COOH⨯∆rHm(CH3COOH)+nCH3CH2OH⨯∆rHm(CH3CH2OH)
=25.76⨯103⨯7.5196+128.8⨯103⨯44.8643
=5972188.1KJ/h (2)Q2的计算
Q2=15.46⨯103⨯(∆rHm(H2O)+
∆H(CHCHOOCCH)-∆H(CHCHOH)-∆H(CHCOOH)
r
m
3
2
3
r
m
3
2
r
m
3
=15.46⨯103⨯(44.822+38.58-44.864-7.5196)
=479544.464KJ/h
(3)Q4的计算
Q4=nH20⨯∆rHm(H20)+nCH3CH2OH⨯∆rHm(CH3CH2OH)+nCH3CH2OOCCH3⨯∆rHm(CH3CH2OOCCH3)⨯nCH3COOH⨯∆rHm(CH3COOH)
=15.46⨯103⨯44.822+25.76⨯103⨯7.5196+128.8⨯103⨯44.864+15.46⨯103⨯38.58
=7261583.02KJ/h
因为:Q1+Q2+Q3=Q4 所以得:Q3=809850KJ/h
Q3>0,故应是外界向系统供热。
3.7 换热设计
换热采用夹套加热,设夹套内的过热水蒸气由130C︒降到110C︒,温差为20C︒。
3.7.1 水蒸气的用量
忽略热损失,则水的用量为:
Q=moCpo(T1-T2)Cpo=a+bT+cT2
其中:a=4.395J/mol/Kb=-4.186⨯10-3J/mol/K-2c=1.405⨯10-5J/mol/K-3T=
T1+T2403+383
==393K22
Cpo=4.395-4.186⨯10-2⨯393+1.405⨯10-5⨯3932=6.4J/mol/K=0.3556KJ/Kg/Kmo=
Q3809850
==227742Kg/h
Cpo(T1-T2)0.3556⨯(403-393)
第四章 反应釜体的设计
4.1 反应器的直径和高度
表4-1 高径比设为确定通常采用的经验值表
种类 一般搅拌釜
罐体物料类型 液-固或液-液相物料 气-液相物料
发醇罐类
气-液相物料
H/Di 1~1.3 1~2 1.7~2.5
假设高径比为筒体H/Di=1.3,先忽略罐体容积。
V≈
π
4
DiH≈
π
4
Di3(
H
),Di=1.7m Di
取标准 Di=1700mm
表4-2 标准椭球形封头参数
公称直径
曲面高度直边高度
内表面积容积
(mm)
1700
(mm)
425
(mm)
40
(m2)
3.34
(m3)
0.734
筒体的高度:
H=
V-v45-0.7344
⨯=⨯=1.88m 2Diπ1.7π
H1880
==1.106,满足要求。
Di1700
釜体高径比的复核:
4.2 筒体壁厚的设计
4.2.1 设计参数的确定
表4-3 反应器内各物质的饱和蒸汽压
物质 饱和蒸汽压(MPa)
水 0.143
乙酸 0.08
乙醇 0.316
乙酸乙酯 0.272
该反应釜的操作压力必须满足乙醇的饱和蒸汽压,所以操作压力P=0.4MPa,该反应器内的设计压力:
PL=HP=1.1⨯0.4=0.44MPa
该反应釜的操作温度为80C︒,设计温度为100C︒。
t
由此选用16MnP材料在100C︒时的许用应力[σ]=170MPa T
焊缝系数:取焊缝系数φ=1.0,腐蚀裕量C2=2mm 4.2.2 筒体的壁厚 计算厚度 S=
PcDi0.44⨯1700
==2.20mm t
2[σ]φ-Pc2⨯170⨯1-0.44
钢板负偏差 C1=0.8mm
设计厚度 Sd=S+l2=2.20+2=4.20mm
名义厚度 Sn=Sd+C1=4.20+0.8=5.0mm 按钢制容器的制造取壁厚 Sn=6mm
4.3 釜体封头厚度
计算厚度 S=
PcDi0.44⨯1700
==2.20mm t
2[σ]φ-0.5Pc2⨯170⨯1-0.5⨯0.44
钢板负偏差 C1=0.6mm
设计厚度 Sd=S+l2=4.20+0.6=4.80mm
名义厚度 Sn=Sd+C1=4.20+0.6=4.8mm, 圆整取Sn=5mm 按钢制容器的制造取壁厚 Sn=6mm
考虑到封头的大端与筒体对焊,小端与筒体角焊,因此取筒体壁厚与封头的壁厚一致,S壁=Sn=6mm
第五章 反应釜夹套设计
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:
Dj=Di+100=1700+100=1800mm
5.1.2 夹套的PN
由设备条件可知,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Q235-B卷制。
Q235-B材料在100C︒时的许用应力[σ]=113MPa 焊缝系数的确定: 取焊缝系数 φ=1.0 腐蚀裕量 L2=2mm
5.2 夹套筒体的壁厚
计算厚度 S=
PcDi0.25⨯1700
==1.94mm
2[σ]tφ-Pc2⨯113⨯1-0.25
钢板负偏差 C1=0.8mm
设计厚度 Sd=S+l2=1.9+2=3.9mm
名义厚度 Sn=Sd+C1=3.9+0.8=4.7mm, 圆整取Sn=5mm 按钢制容器的制造取壁厚 Sn=5mm
按钢制容器中DN=1800mm的壁厚最小不小于6mm,所以取Sn=6mm。
5.3 夹套筒体的高度
Hj=
fv-vDi
2
=
0.75⨯5-0.7341.7⨯
2
4
=1.33mm,圆整取Hj=1400mm
4
Hj=1400mm
圆整取
5.4 夹套的封头
夹套的下封头选择标准椭球形封头,内径与筒体相同,夹套的上封头选带折边形的封头,且半锥角α=45︒。
计算厚度 S=
PcDi0.25⨯1700
==1.9mm
2[σ]tφ-0.5Pc2⨯113⨯1.0-0.25⨯0.5
钢板负偏差 C1=0.8mm
设计厚度 Sd=S+l2=1.9+2=3.9mm
名义厚度 Sn=Sd+C1=3.9+0.8=4.7mm, 圆整取Sn=5mm 按钢制容器中DN=1700mm的壁厚最小不小于8mm,所以取Sn=8mm。 带折边锥形封头的壁厚,考虑到封头的大端与筒体对焊,小端与筒体角焊,因此取筒体壁厚与封头的壁厚一致,S壁=Sn=8mm
5.5 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断进行,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。
第六章 反应釜釜体及夹套的压力试验
6.1 釜体的水压试验
(1)水压试验压力的确定
PT=1.25PC
[σ]
=1.25⨯0.44⨯1=0.55MPa t
[σ]
(2)水压试验的强度校核
σT=
P0.55⨯(1700+6-2.8)T(Di+Sn-c)==146MPa 2(Sn-c)2⨯(6-2.8)
16MnR的屈服极限是σ2=345MPa
0.9σ2φ=0.9×345×1=310.5MPa由σT=146MPa
(3)压力表的量程,水温
压力表的最大量程:PT=2⨯0.55=1.1MPa 表=2P或1.5P T≤PT,即0.825MPa≤P表≤4P表≤2.2MPa水温≥5C︒
(4)水温试验的操作过程
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0.55MPa,保压不低于30min,然后将压力缓慢降至0.44MPa,保压足够长时间。检查所有焊缝和连接部位有无泄漏和明显的残留变形。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,维补后重新试压至合格为止,水压试验合格后再做气压试验。
6.2 夹套的液压试验
(1)水压试验压力的确定
PT=1.25PC
[σ]
=1.25⨯0.25⨯1=0.3125MPa,且不得小于(P+0.1)=0.35MPa [σ]t
(2)水压试验的强度校核
σT=
P0.35⨯(3400+8-2.8)T(Di+Sn-c)==115MPa 2(Sn-c)2⨯(8-2.8)
0.9σ6φ=0.9⨯235⨯1=211.5MPa
由σT=115MPa
压力表的最大量程:PT=2⨯0.35=0.7MPa 表=2P或1.5P T≤PT,即0.525MPa≤P表≤4P表≤1.4MPa水温≥5C︒
(4)水温试验的操作过程
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0.35MPa,保压不低于30min,然后将压力缓慢降至0.275MPa,保压足够长时间。检查所有焊缝和连接部位有无泄漏和明显的残留变形。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,维补后重新试压至合格为止,水压试验合格后再做气压试验。
第七章 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,但是不同的是实施方案所需的设备投资和功率消耗不同的,甚至会由成倍的差别。为了经济高效地达
到搅拌的目的,必须对搅拌设备做合理的选择。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,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0.2~0.5,一般取0.33,所以叶轮直径为
d=0.5Pi=0.5⨯1700=850mm
叶轮距槽底的安装高度 H1=1.0d=1.0⨯850=850mm 叶轮的叶片宽度 W=0.2d=0.2⨯850=170mm 叶轮的叶片长度 L=0.25d=0.25⨯850=212.5mm 液体的深度 H1=1.0Di=1700mm
挡板的数目为4,垂直安装在槽壁上从槽壁延伸到液面上,挡板宽度:
Wb=0.1D=0.1⨯1700=170mm
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:
n=
4.34.3
==1.61r/s,取n=1.6r/s πl3.14⨯0.85
7.2 搅拌功率的计算
搅拌的雷诺数Re
Re=
ρnd2
μ
850⨯1.6⨯1.02=≈6.3⨯106>300 -4
2.157⨯10
n2d1.62⨯0.85Fv===0.222
g9.81
由于Re很大,处于湍流区,因此,功率需要知道临界Re,所以查表得:
φ=6.8
P=φn3d5ρ=6.8⨯1.63⨯0.55⨯850=10.5W≈11KW
7.3搅拌轴直径的设计计算
(1)电机功率P=11KW,搅拌轴的转速n=96r/min,根据文献取用材料为
Cr18Ni9Ti,[τ]=40MPa,剪切弹性模量G=8.1⨯104MPa,均用单位转角[θ]=1︒/m
由
m=9.553⨯106⨯
m=9.553⨯106
P
n
得
11
=1.095⨯106N/mm=1095N/m 96
利用截面法得:MT,max=m 由τmax=
MTP11
≤[τ],得Wρ≥9.553⨯1069.553⨯106⨯ Wρn[τ]96
Wρ≥0.2d39.553⨯106⨯d≥51.5mm
11
96
搅拌轴为空心轴,则:
d≥51.5mm,取d=60mm (2)搅拌轴刚度计算 由 θmax=
MT,maxGJp
=
180
π
⨯10,得Jp=
3
πd4
3
2
刚度校核必须满足:θmax≤[θ],即
d≥
=55.93
所以搅拌轴的直径取d=60mm满足条件。 (3)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,所以联轴器的型式是适用立式夹壳联轴节(D型),标设为:DN40HG 21570-95
7.4夹套式反应釜附属装置的确定
7.4.1人孔C:
选用长圆型回转盖快开人孔人孔PN0.6,400×300 JB 579-79-1 7.4.2进料管: (1)乙酸进料管
v=
25.76⨯60
=0.0004
1040⨯3600
管径d=
m
根据管子规格圆整选用φ30⨯2.5的无缝钢管,L=150mm 法兰:PN0.25 DN25 HG 20592-97
(2)乙醇醇进料管
v=
128.8⨯46
=0.0456m3/s
790⨯3600
管径
d=
=0.241m
根据管子规格圆整选用φ18⨯4的无缝钢管,L=200mm 法兰:PN0.25 DN50 HG 20592-97 (3)浓硫酸进料管
v=
0.77⨯98
=0.00001m3/s
1830⨯3600
管径d=
0.009m
根据管子规格圆整选用φ18⨯4的无缝钢管,L=100mm 法兰:PN0.25 DN10 HG 20592-97
7.4.3 出料管: 出料总质量流量
W=FAMA+F乙醇M乙醇+W硫酸=7545.86kg/h因密度ρ=850kg/m3,则体积流量为
V=
7545.86
=0.00246m3/s
850⨯3600
由表1-1得,因进料黏度低,选取管道中流速u=1.0m/s
则管径d=
=0.056m
根据规格选取φ57×3.5的无缝钢管。 法兰:PN0.6DN50 HG 20592-97
温度计接管:φ45×2.5,L=100mm,无缝钢管 法兰:PN0.25 DN40 HG 20592-97
不凝气体排出管:φ32×3.5,L=100 mm,无缝钢管 法兰:PN0.6 DN25 HG 20592-97 压料管:φ57×3.5,L=200 mm,无缝钢管 法兰:PN0.25 DN50 HG 20592-97 压料管套管:φ108×4,L=200 mm,10号钢 法兰:PN0.25 DN100 HG 20592-97
总结
经过近几周的努力,课程设计终于完成了。在此我首先要感谢给予我帮助的指导教师和我的搭档。
作为一名石化系大三的学生,我觉得能做这样的课程设计是十分有意义的。在已度过的三年大学生活里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面,如何去面对现实中的各种化工工艺的设计?如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢?我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中,我感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书。为了让自己的设计更加完善,更加符合工程标准,一
次次翻阅化工原理设计书是十分必要的,同时也是必不可少的。我们做的是课程设计,而不是艺术家的设计。艺术家可以抛开实际,尽情在幻想的世界里翱翔,我们是工程师,一切都要有据可依有理可寻,不切实际的构想永远只能是构想,永远无法升级为设计。
在这个过程中,我学到了很多知识CAD作图、查阅文献资料、word排版等,这对我们的以后的发展更为有益,比如为即将面临的毕业论文、考研或毕业后的工作打下坚实的基础。
致谢
在此感谢李老师对我们的认真教导,尽管在设计中遇到一些困难,但老师都能够及时给予我解答,有时候尽管没有面对面,但也在网上给予我解答。老师认真负责,勤勤恳恳的工作态度,一直是我工作、学习中的榜样;老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪;这次课程设计的每个实验细节和每个数据,都离不开老师您的认真解答。您时刻帮助我们,让我们感受到如春风化雨般的温暖,同时感谢对我帮助过的这一组同学,谢谢你们对我的帮助和支持,让我感受到同学的热情。由于我的设计能力有限,在设计过程中难免出现错误,我非常诚恳地请求您给我我批评指正。这次课程设计也让我学习到了很多有益的知识,谢谢这次课程设计的所有老师和同学!
参考文献:
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[9] 舒均杰.基本有机化工工艺学(第2版)[M].北京:化学工业出版社,2004
[10]丁伯民, 黄正林编. 《化工容器》[M]. 化学工业出版社. 2003. [11] 王凯, 虞军编. 搅拌设备[M]. 北京: 化学工业出版社. 2003
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版社. 2007
化工原理课程设计评价表
银川能源学院反应工程课设设计说明书
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