乙酸乙酯反应器设计说明书(河南城建)

乙酸乙酯反应器设计说明书

专业：化学工程与工艺

姓名：xxx

学号：1014111

指导教师：赵海鹏

化学与材料工程学院

2014年5月

主要符号一览表V——反应釜的体积

t——反应时间

c——反应物A的起始浓度

A

f——反应器的填充系数

D——反应釜的内径

i

H——反应器筒体的高度

P——操作压力

P c——设计压力

φ——取焊缝系数

[σ]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

S——筒壁的设计厚度

d

S——筒壁的名义厚度

n

H——反应器夹套筒体的高度

j

v——封头的体积

P——水压试验压力

T

D——夹套的内径

j

目 录

绪论 ................................................................................................... 错误！未定义书签。 第1章 设计方案 ....................................................................................................................... 3 第二章 物料计算及方案选择 (3)

2.1间歇进料的计算 ................................................................................................................. 3 2.2连续性进料的计算 ............................................................................................................. 4 2.3方案选择 ............................................................................................................................. 6 第3章 热量核算 .. (7)

3.1热量衡算总式 (7)

3.2每摩尔各种物值在不同条件下的

,p m

c 值 (8)

3.3各种气象物质的参数如下表 ............................................................................................. 9 3.4每摩尔物质在100℃下的焓值 .......................................................................................... 9 3.5总能量衡算 ....................................................................................................................... 10 3.6换热设计 ........................................................................................................................... 11 第4章 反应釜釜体设计 (15)

4.1反应器的直径和高度 ....................................................................................................... 15 4.2筒体壁厚的设计 ............................................................................................................... 16 4.3釜体封头厚 ....................................................................................................................... 16 第5章 反应釜夹套的设计 .. (18)

5.1夹套DN 、PN 的确定 ...................................................................................................... 18 5.2夹套筒体的壁厚 ............................................................................................................... 18 5.3夹套筒体的高度 ............................................................................................................... 19 5.4夹套的封头 ....................................................................................................................... 19 5.5传热面积校核 ................................................................................................................... 19 第6章 反应釜釜体及夹套的压力试验 (20)

6.1釜体的水压试验 ............................................................................................................... 20 6.2夹套的液压试验 ............................................................................................................... 21 第7章 搅拌器的选型 . (22)

7.1搅拌桨的尺寸及安装位置 ............................................................................................... 22 7.2搅拌功率的计算 ............................................................................................................... 22 7.3搅拌轴的的初步计算 ....................................................................................................... 21 7.4夹套式反应釜附属装置的确定 ....................................................................................... 21 总结 24 致谢 25 参考书目 26

绪论

反应工程课程设计是《化工设备机械基础》和《反应工程》课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是学生体察工程实际问题复杂性，学习初次尝试反应釜机械设计。化工设计不同于平时的作业，在设计中需要同学独立自主的解决所遇到的问题、自己做出决策，根据老师给定的设计要求自己选择方案、查取数据、进行过程和设备的设计计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的比较分析，择优选定最理想的方案和合理的设计。

反应工程是培养学生设计能力的重要实践教学环节。在教师指导下，通过裸程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决生产实际问题的能力。因此，当学生首次完成该课程设计后，应达到一下几个目的：

1、熟练掌握查阅文献资料、收集相关数据、正确选择公式，当缺乏必要的

数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场进行实际查定。

2、在兼顾技术先进性、可行性、经济合理的前提下，综合分析设计任务要

求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全可行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。

3、准确而迅速的进行过程计算及主要设备的工艺设计计算及选型。

4、用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图表来表达自己的设计思想和计算

结果。

化工设备机械基础课程设计是一项很繁琐的设计工作，而且在设计中除了要考虑经济因素外，环保也是一项不得不考虑的问题。除此之外，还要考虑诸多的政策、法规，因此在课程设计中要有耐心，注意多专业、多学科的综合和相互协调。

酯化反应是有机工业中较成熟的一个工艺。尽管现在研制出不同的催化剂合

成新工艺，但设计以硫酸作为催化剂的传统工艺是很有必要的。酯化反应器设计的基本要求是满足传质和传热要求。因此需要设计搅拌器。另外，反应器要有足够的机械强度，抗腐蚀能力；结构要合理，便于制造、安装和检修；经济上要合理，设备全寿命期的总投资要少。

夹套式反应釜具有以下特点：1、温度容易控制。2、浓度容易控制。3、传质和传热良好。4、设备使用寿命长。

产品乙酸乙酯简介：无色澄清液体，有强烈的醚似的气味，清灵、微带果

香的酒香，易扩散，不持久。分子量 88.11，沸点：77.2℃，微溶于水，溶于

醇、醚等多数有机溶剂.通过给定设计的主要工艺参数和条件，综合系统地应用

化工理论及化工计算知识，完成对反应釜的工艺设计和设备设计。

摘要：本选题为年产量为年产4000吨的间歇釜式反应器的设计。通过物料衡

5.3m。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为算、热量衡算，反应器体积为3

高1820mm，直径1400mm；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50mm。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;

第1章

设计方案

对于乙酸乙酯的生产既可以采用间歇式生产，也可以采用连续式生产。本次设计将根据自己的生产规模计算，对设计方案进行比较，得出合理的工艺设计流程。

第2章 物料计算及方案选择

2.1 间歇进料的计算 2.1.1 流量的计算

乙酸乙酯的产量

化学反应方程式：

O H CH COOCH CH OH CH CH COOH CH 2323233+??→←+浓硫酸

乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为

F 酯=68.58000

881040003

=??h kmol /

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，乙酸的转化率x=0.50,物料损失以3%计， 则乙酸的进料量

F A0=95.1198

.097.050.068

.5=??h kmol /

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=5×11.95=59.75kmol/h

总物料量流量：F= F A0+F 乙醇=11.95+59.75=71.7 kmol/h 硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算，

W 总=

h kg /5.350099

.046

75.596095.11=?+? 因硫酸为总流量的1%，则

W 硫酸=3500.5?0.01=35.0h kg /，即可算其物质的量流量

F 硫酸=35.0/98=0.357h kmol

/

表1 物料进料量表 .

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

A

A kc r =-（A 为乙酸） 当反应温度为100℃，催化剂为硫酸时，反应速率常数

k=20.00

()min

/?kmol L =1.2m 3/(kmol.h) 因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于900kg/ m 3,则乙酸的初始浓度为：

3

A /1.360

465900m km ol c =+?=，

当乙酸转化率x=0.50，由间歇釜反应有：

h 27.0)1.31

50.01.31(2.11)11(11)(02=-?=-=-=--=??A A cA cAo A A cA

cAo A

A c c k c dc k r dc t

取非生产时间 t ’=1h ，则反应体积 3,0090.4)127.0(1

.395

.11)(m t t c F V A A R =+?=+=

因装料系数为0.8，故实际体积 313.68

.09.4m V R == 要求每釜体积小于5m 3

则间歇釜需2个，每釜体积V=3.06 m 3圆整，取实际体积V=3.5 m 3 。

2.2 连续性进料的计算 2.2.1 流量的计算

乙酸乙酯的产量

化学反应方程式：

O

H CH COOCH CH OH CH CH COOH CH 2323233+??→←+浓硫酸

乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为

F 酯=

h kmol /31.67200

881040003

=?? 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=0.50,物料损失以3%计， 则乙酸的进料量

F A0 =28.1398.097.050.031

.6=??h kmol /

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=13.28 ?5=66.4 h kmol /

总物料量流量：F=h kmol F F A /68.794.6628.130=+=+乙醇

硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算，

W 总=

h kg /1.389099

.046

4.666028.13=?+? 因硫酸为总流量的1%，则

W 硫酸=3890.1?0.01=38.9h kg /，即可算其物质的量流量

F 硫酸=38.9/98=0.397h kmol /

表2 物料进料量表 .

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

A

A kc r =-（A 为乙酸） 当反应温度为100℃，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=20()min /?kmol L

因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于900kg/ m 3。因硫酸少量，忽略其影响，

1.360

46510009.00

,=+??=A c 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，0

ν

不变，

ντi

i V =

不变 2

2

121101)()(A A A A A A r c c V r c c V --=

=--=νν 2

2

22

121110A A A A A A c k c c c k c c -=- 若采用两釜等温操作，则21k k =

代数解得 31kmol/m 21.1=A c 所以 3

2

2101001

R 14.621

.19.01.3)21.11.3(28.13)(m kc c c c F V A A A A A =??-?=-=

‘ 装料系数为0.8，故实际体积V=6.14÷0.8=7.6753m 。故采用一条的生产线生产即可，两釜串联， 每个反应器的体积V<53m ，取V =4 m 3

2.2.3 反应时间：连续性反应时间 h r c c v V A A A 4

3.1121.9.021

.11.3)(2

10=?-=--==τ 2.3 设计方案的选择

经上述计算可知,间歇釜进料需要2个3.5m 3反应釜,而连续性进料需2个4m 3反应釜。根据间歇性和连续性反应特征比较，间歇进料需2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，因而选择间歇生产比连续生产要优越许多。故而，本次设计将根据两釜并联的的间歇性生产线进行，并以此设计其设备和工艺流程图。

[1]

表4[1]

第3章 热量核算

3.1热量衡算总式

1234Q Q Q Q ++=

式中：1Q 进入反应器物料的能量，KJ

2Q ：化学反应热，KJ

3Q ：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

4Q ：离开反应器物料的热量，KJ

3.2每摩尔各种物值在不同条件下的

,p m

c 值

对于气,液象物质，它的气相热容与温度的函数由下面这个公式计算：

23,p m c A BT CT DT =+++[2]

各种液相物质的热容参数如下表[3]：

(1) 乙醇的,p m c 值

()23,,351.5p m l K c A BT CT DT =+++

1

1

36-24-2-15.1155.351108030.15.35110164.12-5.35110358.36342.59--??=??+????+=K mol J

同理：

(2) 乙酸乙酯的,p m c 值

()23,,350.2p m l K c A BT CT DT =+++

1136-24-2-46.1592.350104592.02.350109976.1-2.350103697.294.155--??=??+????+=K mol J

(3) 水的,p m c 值

()223,,,373p m H O l K c A BT CT DT =+++

1136-24-2-54.753731053469.0373101103.2-373109953.3-053.92--??=??+????=K mol J

(3) 乙酸的,p m c 值

()23,,373p m l K c A BT CT DT =+++

1

136-24-2-82.139373109275.237310921.28-3731071.109944.18---??=??+????+=K mol J

3.3各种气象物质的参数如下表

[4]

(1) 乙醇的,p m c 值

()23,,g,373p m K c A BT CT DT =+++

1

1

38-25-3-69.837310024.7-37310546.537310628.0396.4--??=????+??+=K

mol J

(2) 乙酸乙酯的,p m c 值

()23,g,373p m K c A BT CT DT =+++

1

1

38-25-3-62.1437310736.15-37310033.1337310948.14-228.10--??=????+??=K

mol J

3.4每摩尔物质在100℃下的焓值

(1) 每摩尔水的焓值

1

1373298)l,373K o H (,o)m(H r 688.40666.5)298373(54.75H 22--?=?

?=-?=?=?m ol kJ H

m ol kJ dT c m

vap

m p ，

同理：

(2)每摩尔的乙醇的焓值

1

33373

5.351)l,351.5K OH H C (,vap 5.351298)l,351.5K OH H C (,OH)H m(C r 09.45)15.351373(1069.8744.38)2985.351(1015.115H 525252---?=-??++-??=?+?+?=?m ol kJ dT

c H dT c m p m m p ，，

(3) 每摩尔乙酸的焓值

1373298)l,373K (,CO O H )m(CH r 49.10H 3-?=?=?mol

kJ dT c m p 乙酸

(4) 每摩尔乙酸乙酯的焓值

1

1373

2.350)l,373K (,vap 2.350298)l,350.2K (,)H COOC m(CH r 17.38)2.350373(62.14539.30)2982.350(82.139H 523--?=?-?++-?=?+?+?=?m ol kJ m ol kJ dT

c H dT c m p m m p 乙酸乙酯，乙酸乙酯，

3.5总能量衡算

（1）1Q 的计算

物质

进料/kmol h

出料/kmol h

乙酸 11.95 5.975 乙醇 59.75 54.07 乙酸乙酯 0 5.68 水 0

5.68

1

333OH)H m(C r COOH)m(CH r COOH CH 1104.281909

.451075.5949.101095.11H n H n Q 525233-??=??+??=??+??=h kJ OH H C

（2）2Q 的计算

1

313COOH)m(CH r OH)H m(C r )H COOC m(CH r O)m(H r 32104.164)49.1009.4517.38688.40666.5(1068.5)H H -H 688.40H (1068.5Q 3525232--??=?--++??=?-??++???=h kJ h kJ

（3）4Q 的计算

1

33333)

H COOC m(CH r 1

OH)H m(C r 1)m(r 1O)m(H r 141079.298017.381068.509.451007.5449.1010975.5354.461068.5H n H n H H n Q 5235222-??=??+??+??+??=?+??+??+??=h kJ n O H 乙酸乙酯乙醇乙酸乙酸

因为： 1234Q Q Q Q ++= 即：

h

j /01.3104.164104.28191079.2980Q -Q -Q Q 3332143κ-=?-?-?==

求得：1331001.3Q -??-=h kJ 3Q < 0，故应是系统向外界散热。

3.4换热设计

换热采用夹套加热，设夹套内的冷水由25℃升到35 ℃，温差为10℃。

3.4.1水的用量

忽略热损失，则水的用量为

()12o po Q m c T T =-

3

20DT CT BT A c p +++=

K T T T 3032)308

298(2)(21=÷+=÷+= 1

136242p0mol J 447.753031053469.0303101103.2303109953.3053.92c -----??=??+??-??-=K

h

Kg h

mol T T c Q p /72/100.4)308298(447.753010

)(m 321030=?=-?-=-=

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，3i D p α（其中D —搅拌器直径，P —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。

[6]i m

D H V D D H D H D V i

i i i

i 35.18.114.35

.34444333

=??==???

?

??≈≈ππ

π即：[7]

取标准mm m D i 14004.1==

[8]查得椭圆形封头的容积为 V 封 =0.421 m 3

筒体的高度

m 82.169

.1421

.05.3V 1=-=

-=

米

封

封V V H

釜体高径比的复核

3.11400

1820===i i D H D H 满足要求

4.2筒体壁厚的设计 4.2.1设计参数的确定

[9]

P=0.4MPa ，该反应器的设计压力

P c =1.1P=1.1×0.4MPa=0.44MPa

该反应釜的操作温度为100℃，设计温度为110℃。 由此选用16MnR 卷制

16MnR 材料在110℃是的许用应力[σ]t =170MPa 焊缝系数的确定

取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100％无损探伤） 腐蚀裕量C 2=2mm

4.2.2筒体的壁厚

计算厚度 []mm P D P S c t

i c 81.144

.011702140044.02=-???=-Φ=

σ[10]

钢板负偏差 mm C 8.01= 设计厚度 mm C S S d 81.3281.12=+=+= 名义厚度

mm C S S d n 6.48.081.31=+=+=

按钢制容器的制造取壁厚

mm S n 5=

4.3釜体封头厚

计算厚度

[]mm P D P S c

t

i c 81.144.05.0117021400

44.05.02=?-???=-Φ=

σ 钢板负偏差 mm C 6.01= 设计厚度

mm C S S d 81.3281.12=+=+=

名义厚度

mm C S S d n 6.46.081.31=+=+= 圆整取mm S n 5=

按钢制容器的制造取壁厚

mm S n 6=

考虑到封头的大端与筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取筒体壁厚与封头的壁厚一致，即S 筒=mm S n 6=

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：

1500

100=+=i j D D

5.1.2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Q235—B 卷制 Q235—B 材料在110℃是的许用应力[σ]t =113MPa 焊缝系数的确定

取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100％无损探伤） 腐蚀裕量C 2=2mm

5.2夹套筒体的壁厚

计算厚度 []mm P D P S c t

i c 66.125

.0111321500

25.02=-???=-Φ=

σ

钢板负偏差 mm C 6.01= 设计厚度 mm C S S d 66.3266.12=+=+=

名义厚度

mm C S S d n 26.46.066.31=+=+=

圆整取mm S n 5=

按钢制容中DN=1500mm 的壁厚最小不的小于6mm 所以取

mm S n 6=

5.3夹套筒体的高度

m D v

fV H i j 43.14.14

421

.05.375.04

2

2

=?-?=

-=

π

π

圆整取mm 1500

H j =

5.4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（mm D j 1500=）相同。夹套的上封头选带折边形的封头，且半锥角?=45α。 计算厚度[]mm P D P S c t

i c 66.125

.05.0111321500

25.05.02=?-???=-Φ=σ

钢板负偏差 mm C 8.01= 设计厚度 mm C S S d 66.3266.12=+=+=

名义厚度

mm C S S d n 46.48.066.31=+=+=

按钢制容中DN=1500mm 的壁厚最小不的小于6mm 所以取

mm S n 8=

带折边锥形封头的壁厚

考虑到封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取夹套筒体壁厚与封头的壁厚一致，即S 筒=mm S n 8=

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短进行，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6章 反应釜釜体及夹套的压力试验

6.1釜体的水压试验 水压试验压力的确定

[][]MPa P P t

c

T 55.0144.025.125.1=??==σσ

水压试验的强度校核

MPa C S C S D P n n i T T 6.120)

8.26(2)

8.261400(55.0)(2)(=-?-+?=--+=

σ

16MnR 的屈服极限MPa s 345=σ

MPa s 5.31013459.09.0=??=Φσ 由MPa MPa s T 5.3109.06.120=Φ<=σσ 所以水压强度足够

压力表的量程、水温

压力表的最大量程：P 表=2T p =2×0.55=1.1MPa 或1.5P T ≤ P 表≤4P T 即0.825MPa ≤ P 表≤2.2MPa

水温≥5℃

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0.55MPa ，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。