学士学位论文--年产6000t乙酸乙酯间歇反应釜设计.doc
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1、设计说明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,反应器的特征尺寸为高3350mm,直径3000mm;夹套的特征尺寸为高2570mm,内径为3200mm。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75mm。在此基础上绘制了间歇釜式反应器的设备图,和整体工艺的工艺流程图。关键字:间歇釜式反应器; 物料衡算; 热量衡算; 壁厚设计;前 言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
2、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
3、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。反应工程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。目 录第1章设计任务及条件2第2章
4、 工艺设计22.1原料的处理量22.2原料液起始浓度22.3反应时间32.4反应体积3第3章热量核算43.1工艺流程43.2物料衡算43.3能量衡算43.3.1热量衡算总式43.3.2每摩尔各种物值在不同条件下的值53.3.3各种气象物质的参数如下表63.3.4每摩尔物质在100下的焓值63.3.5总能量衡算73.4换热设计8水蒸气的用量8第4章反应釜釜体设计94.1反应器的直径和高度94.2筒体壁厚的设计104.2.1设计参数的确定104.2.2筒体的壁厚104.3釜体封头厚11第5章反应釜夹套的设计115.1夹套DN、PN的确定115.1.1夹套的DN115.1.2夹套的PN115.2夹套
5、筒体的壁厚115.3夹套筒体的高度125.4夹套的封头125.5传热面积校核12第6章反应釜釜体及夹套的压力试验136.1釜体的水压试验136.1.1水压试验压力的确定136.1.2水压试验的强度校核136.1.3压力表的量程、水温136.1.4水压试验的操作过程136.2夹套的液压试验146.2.1水压试验压力的确定146.2.2水压试验的强度校核146.2.3压力表的量程、水温146.2.4水压试验的操作过程14第7章搅拌器的选型157.1搅拌桨的尺寸及安装位置157.2搅拌功率的计算157.3搅拌轴的的初步计算167.3.1搅拌轴直径的设计167.3.2搅拌抽临界转速校核计算177.4联
6、轴器的型式及尺寸的设计17第八章 夹套式反应釜附属装置的确定178.1 人孔的选择178.2 接管及其法兰选择178.3 支座的选择19结论20总结2119主要符号一览表V反应釜的体积t反应时间反应物A的起始浓度反应物的B起始浓度反应物S的起始浓度f反应器的填充系数反应釜的内径反应器筒体的高度封头的高度P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筒壁的名义厚度反应器夹套筒体的高度V封头的体积水压试验压力夹套的内径乙酸的用量单位时间的处理量第1章设计任务及条件乙酸乙酯酯化反应的化学式为:CH3COOH+C2H5OH=CH3COO
7、C2H5+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(CACBCRCS/K) 1100时,k1=4.7610-4L/(molmin),平衡常数K=2.92。乙酸的转化率XA=0.6,反应器的填充系数f=0.8,为此反应设计一个反应器。第2章 工艺设计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由于原料中反应组分的质量比为:A:B:S=1:2:1.35
8、取乙酸的质量为一份则:反应物共1+2+1.35=4.35份单位时间的处理量2.2原料液起始浓度乙醇和水的起始浓度将速率方程变换成转化率的函数其中:2.3反应时间2.4反应体积反应器的实际体积第3章热量核算3.1工艺流程反应釜的简单工艺流程图3.2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:物质进料出料乙酸15.7836.313乙醇41.17331.703乙酸乙酯09.47水71.0280.493.3能量衡算3.3.1热量衡算总式式中:进入反应器无聊的能量, :化学反应热,:供给或移走的热量,有外界向系统供热为正,有系统向外界
9、移去热量为负,:离开反应器物料的热量,3.3.2每摩尔各种物值在不同条件下的值对于气象物质,它的气相热容与温度的函数由下面这个公式计算:2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AB102C104D106乙醇59.34236.358-12.1641.8030乙酸-18.944109.71-28.9212.9275乙酸乙酯155.942.3697-1.99760.4592水92.053-3.9953-2.11030.53469由于乙醇和乙酸乙酯的沸点为78.5和77.2,所以:(1) 乙醇的值同理:(2) 乙酸乙酯的值(3) 水的值(3) 乙酸的值3.3.3各种气象物质的参数如下表
10、气相物质的热容参数4物质AB103C105D108E1011乙醇4.3960.6285.546-7.0242.685乙酸乙酯10.228-14.94813.033-15.7365.999(1) 乙醇的值(2) 乙酸乙酯的值3.3.4每摩尔物质在100下的焓值(1) 每摩尔水的焓值同理:(3) 每摩尔的乙醇的焓值(4) 每摩尔乙酸的焓值(5) 每摩尔乙酸乙酯的焓值 3.3.5总能量衡算(1)的计算物质进料出料乙酸15.7836.313乙醇41.17331.703乙酸乙酯09.47水71.0280.49(2)的计算(3)的计算因为: 即:-+=求得:=587310.460,故应是外界向系统供热。3
11、.4换热设计换热采用夹套加热,设夹套内的过热水蒸气由140降到110,温差为30。水蒸气的用量忽略热损失,则水的用量为5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/Di),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,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/Di越高,越有利于传热。 高径比的确定通常才用经验值表6种类罐体物料类型H
12、/Di一般搅拌釜液固或液液相物料11.3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7取标准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(m2)容积(m3)30007504010.153.82筒体的高度釜体高径比的复核满足要求。4.2筒体壁厚的设计4.2.1设计参数的确定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)0.1430.080.3160.272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=0.44MP
13、a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10钢板负偏差设计厚度圆整取7mm按钢制容器的制造取壁厚4.3釜体封头厚计算厚度钢板负偏差设计厚度圆整取7mm按钢制容器的制造取壁厚第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: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Q
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