化学反应工程课程设计乙酸乙酯的反应器设计大学论文

化学反应工程 课 程 设 计

题 目 名 称 乙酸乙酯的反应器设计

课 程 名 称 化学反应工程课程设计 学 生 姓 名 学 号

李兴洪 201313413120 陈发佳 201313413121 余仕刚 201313413118 袁映钦 201313413123 白进利 201313413139

年 级 专 业 13级化学工程与工艺 指 导 教 师 陈菓

2015 年 12月 20 日

目 录

一、设计任务书…………………………………………………………1 二、概述…………………………………………………………………4 三、工艺设计计算……………………………………………………....5

1．设计依据……………………………………………………..5 2. 设计方案……………………………………… …………….... 5 3. 设计计算………………………………………………………. 5 3.1间歇反应釜的生产计算……………………………………..... 5 3.2连续反应釜的生产计算………………………………………..6 四、设备设计与选型…………………………………………………..10

1.反应釜及夹套的设计计算……………………………………...10 2.搅拌器的设计…………………………………………………...12 3.夹套式反应釜附属装置的确定………………………………..13 五、参考文献………………………………………………………….16 六、总结……………………………………………………………….17 七、致谢……………………………………………………………….18 八、附工程图纸……………………………………………………….19

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化学工程与工艺专业《化学反应工程》

课程设计任务书

一、设计项目

年产10000吨乙酸乙酯的反应器的设计 二、设计条件

1、 生产规模：10000 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：59% 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：丁醇=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

生产线数，反应器个数，单个反应器体积。 4、搅拌器的设计

对搅拌器进行选型和设计计算。 5、画出反应器的装配图

图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。 6、设计计算说明书内容

设计任务书； 目录； 设计方案比较；

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工艺流程图设计； 反应器的设计 搅拌器的设计； 设备装配图； 设计总结； 参考资料。

7、绘制主要设备的装配图。

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：陈菓

2015年12月20日

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概 述

此次课程设计，是结合《化学反应工程》这门课程的内容及特点所进行的一次模拟设计。它结合实际进行计算，对我们理解理论知识有很大的帮助。同时，通过做课程设计，我们不仅熟练了所给课题的设计计算，而且通过分析课题、查阅资料、方案比较等一系列相关运作，让我们对工艺设计有了初步的设计基础。在设计过程中解决所遇难题，对我们养成独立思考、态度严整的工作作风有极大的帮助，并为我们以后从事这个行业做好铺垫。

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。

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工艺设计计算

1. 设计依据

《乙酸乙酯生产设计任务书》

2. 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。

3. 工艺计算及方案选择

3.1 间歇釜进料 3.1.1 流量的计算 3.1.1.1 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

10000?103?18.94kmolF酯=/h

88?6000

3.1.1.2 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，乙酸的转化率x?60%,物料损失以5%计， 则乙酸的进料量

FA0=

18.94?34048kmol/h

0.59?0.95?0.983.1.1.3 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=5×34048=172.4kmol/h

3.1.1.4 总物料量流量：F= FA0+F乙醇=34048+ 172.4=206.88 kmol/h 3.1.1.5 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

34048?60?172.4?46?10100.2kg/h

0.99 5

W硫酸=10100.3?0.01=101.00kg/h，即可算其物质的量流量

F硫酸=101.0/98=1.030kmol/h

表1 物料进料量表 .

名称 流量kmol/h 乙酸 25.87 丁醇 129.35 浓硫酸 0.774 3.1.2 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为乙酸） ?rkcA?A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) /kmol?min因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85kg/L

c

0.85?10000A,0?5?46?60?29.3

当乙酸转化率x ? 59 %，由间歇釜反应有：

dcA1t?????cAo(?r)kAcAdcA111111?cAoc2A?k(cA?cA0)?0.9(29.3?0.41?29.3)?0.5cA

根据经验取非生产时间 VR???t0.5h，则反应体积

FA034.48(t?t,)??(0.55?0.5)?12.36m3 cA029.312.36?16.48m3 要求每釜体积小于5m3 0.75因装料系数为0.75，故实际体积 VR? 则间歇釜需4个，每釜体积V=4.12 m3圆整，取实际体积V?4.5m3。

3.2 连续性进料的计算 3.2.1 流量的计算

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3.2.1.1 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

10000?103?14.21kmol/h F酯=

88?80003.2.1.2 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

FA0 =

14.21?25.87kmol/h

0.59?0.95?0.983.2.1.3 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?25.87?5?129.35kmol/h

3.2.1.4 总物料量流量：F=FA0?F乙醇?25.87?129035?155.22kmol/h 3.2.1.5 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

W硫酸=7578.1?0.01=75.78kg/h，即可算其物质的量流量

F硫酸=75.78/98=0.774kmol/h

表2 物料进料量表 .

名称 流量kmol/h 乙酸 25.87 乙醇 129.35 浓硫酸 0.775 25.87?60?129.35?46?7578.1kg/h

0.993.2.2 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为乙酸） ?rkcA?A??/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，

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忽略其影响，

85?1000cA,0?05.?46?60?2.93

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不变，

?i?Vi不变 ?0?cV?cA0A1V1c2cA1A2 ????(?r)?(?r)A1A2ccccA0?A1A1?A2 ?22kckc1A12A2若采用两釜等温操作，则

3代数解得 cA1?1.73kmol/m

k1?k2

所以 V?FA0(cA0?cA1)25.87?(2.93?1.73)3??3.9m 22cA0kcA12.93?0.9?1.73装料系数为0.75，故实际体积V=3.9?0.75=5.2m3。故采用一条的生产线生产即可，即两釜串联，反应器的体积V<5.5m3， 3.2.3 反应时间：连续性反应时间 ??3.3 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4m3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，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串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。

附：表3. 物料物性参数[1] 名称 密度g/m3（100C）

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oVcA0?cA12.93?1.73???0.45h v(?rA)0.9?1.732

熔点/oC 沸点/oC 黏度/mPa.s 百分含量 乙酸 乙醇 乙酸乙酯 1.045 0.810 0.894 16.7 -114.1 -83.6 118 78.3 77.2 0.45 0.52 0.25 98% 98% 98%

表4.乙酸规格质量[1]：GB1628-79 一级 二级 外观 ≤ 铂钴30号，透明液体无悬浮物 KMnO4试验/min ≥ 5.0 —— 乙酸含量/% 99.0 98.0 甲酸含量/% 0.15 0.35 乙醛含量/% 0.05 0.10 蒸发残渣/% 0.02 0.03 重金属(以Pb计)/% 0.0002 0.0005 铁含量/%

0.0002 0.0005

4、工艺流程图

根据设计方案由CAD作出其反应流程图如下 图为反应过程的工艺流程图

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设备设计与选型

1．反应釜体及夹套的设计计算

1.1 筒体和封头的几何参数的确定

1.1.1 筒体和封头的型式 选择圆筒体，椭圆形封头。

1.1.2 筒体和封头的直径

反应物料为液夜相类型，由表H/Di=1.0︿1.4 考虑容器不是很大，故可取H/Di=1.1

由式

Di=

4V33.14?HD =34?4?1.6m3

3.14?1.1 反应釜内径的估算值应圆整到公称直径DN系列，故可取1600 mm 。封头取相同内径，其直边高度ho由附表12[3] 初选ho=40 mm 。 1.1.3 确定筒体高度H

当 Dg=1600 mm ，ho= 40 mm 时，

由附表12[3]可查得椭圆形封头的容积为 V封 =0.617 m3 查得筒体1米高的容积V1米=2.014 m3 H?V?V封4.0?0.617?≈1.68m V1米2.014 取 H = 1680 mm 则 H/Di = 1680/1600≈1.1 选取椭圆封头，其公称直径为1600mm，曲面高度为400mm，直边高度为40mm，容积为0.617 m3

1.1.4 夹套直径、高度的确定

根据筒体的内径标准，经计算查取，选取DN=1800的夹套。夹套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径 。 夹套高度H2：

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ηV?V封H2≥ ,式中η为装料系数，η = 0.75 ，代入上式：

V1米 H2?0.75?4.0－0.617?1.18m

2.014取：H2 = 1200 mm 。

1.2釜体及夹套厚度的计算 1.2.1设备材料

根据设备的工作条件，可选择Q235—A作为釜体及夹套材料，由附表6[2]查得所选材料许用应力为：[σ]100 = 113 MPa 1.3 设备的壁厚计算 1.3.1 釜体筒体壁厚计算 1.3.2 内压设计计算

根据工作条件，可选取P=0.2MPa为设计内压。 根据式（10-12）[2]筒体的设计厚度： ?d? 式中：

δd —— 圆筒设计厚度，mm ； Di —— 圆筒内径 ，mm ； P —— 内压设计压力，MPa ；

Φ —— 焊接接头系数，考虑到夹套的焊接取0.8（表10-9[2]）； C2 —— 腐蚀裕量，取 2 mm ；

[σ]t——材料许用应力：[σ]100 = 113 MPa 。

考虑到钢板负偏差，初选C1 = 0.6 mm （表10-10[1]）。 所以，内压计算筒体壁厚：3.8 + 0.6 = 4.4mm 1.3.3 外压设计计算

按承受0.25MPa 的外压设计

设筒体的设计壁厚 δ = 7 mm ，并决定L/Do ；Do/δ 之值： Do——筒体外径，Do = Di + 2δd =1600 +2×7 =1614 mm；

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PDi0.2?1600??2≈3.8mm ?C2t2?113?0.8－0.22[σ]φ?P11L ——筒体计算长度，L = H2 +h = 1400+×400 =1533 mm （h为封头

33的曲面高度），则：

15331614L/Do = ≈ 0.95，Do/δ = ≈ 230，

16147[2][2]

由图10-15查得A = 0.00045，由图10-17差得 B = 65 MPa ，则许用外压为：

[P] =

B65 = = 0.28 MPa＞0.25 MPa 。 DO16147?可见，δ = 7 mm 满足0.25 MPa 外压稳定要求，考虑壁厚附加量C = C1 + C2

= 0.6 + 2 = 2.6 mm 后，筒体壁厚 δn = δ + C = 7 +2.6 = 9.6 mm ，圆整到标准钢板规格，δn 取 10 mm 。

综合外压与内压的设计计算，釜体的筒体壁厚为10mm，经计算校核，满足设备安全要求。 1.3.4 釜体封头壁厚计算

按内压计算：S封 =

P = 0.2MPa, Di = 1600mm, Φ = 0.8, [σ]t = 113Mpa, C = 0.6+2 = 2.6mm,

代入得 S封= 4.4mm.

因为釜体的筒体S筒釜= 10mm，考虑到封头与筒体的焊接方便，取封头与筒体厚 S封头= 10mm

经采用图解法外压校核，由于[P]﹥PT ，外压稳定安全，故用S封筒= 10 mm。 1.3.5 夹套筒体壁厚设计计算

根据式（10-12）[2] 筒体的设计厚度： δd =

PDi0.25?1800+ C =+ 2 ≈ 4.5 mm 2t2?113?0.8－0.252[σ]φ?PPDi

?C2[σ]tφ?0.5P 考虑到钢板负偏差，初选C1 = 0.6 mm

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故夹套筒体的厚度为4.5+0.6 = 5.1mm，圆整到标准系列取6 mm。经校核，设备稳定安全。

1.3.6 夹套封头壁厚设计与选择

S封夹=

S封夹=

圆整到规格钢板厚度，S封夹 = 6mm，与夹套筒体的壁厚相同，这样便于焊接。经校核，设备稳定安全符合要求。 据附表12[2]可查取到夹套封头尺寸：

公称直径：1800mm，曲面高度：450mm，直边高度：40mm 1.3.7 反应釜设计参数

表4 夹套反应釜的相关参数

项目 公称直径DN/mm 公称压力PN/MPa 高度/mm 筒体壁厚/mm 封头壁厚/mm

釜 体 1600 0.2 1680 10 10 夹 套 1800 0.25 1200 6 6 PD夹2[σ]φ?0.5Pt?C

1800?0.25+2.6 ≈ 5.1 mm.

2?113?0.8?0.5?0.252、搅拌器设计

2.1 搅拌器的形式选择

根据工作条件，由于物料的黏度不大，考虑到物料的流动、搅拌目的及转速要求，选择搅拌器的形式为：双叶螺旋桨式，桨叶直径为800 mm。 2.1.1 搅拌器转速n：根据相关的工艺经验数据，选择n = 100 rpm 2.1.2 传动功率P：

搅拌的雷诺数Re Re?

ρnd?u2850?100?0.8260?2?106?10000 0.4513

则：

?100?5P?KTn3d5ρ?0.32??W?1.3KW ??0.8?850?128960??（KT可查取表3-9[1]） 2.1.3 电机功率

本设计中考虑传动效率为90%，则： P电 = P/0.9 = 1.3/0.9 = 1.44KW 2.1.4 减速器的选择

根据以上计算，并查取文献，选用BLD1.5-2-29Q型减速器，其出轴转速为100rpm，适用。 2.1.5 电动机的选择

选用电动机的型号为：JO2-22-1 2.2搅拌轴直径的设计计算

2.2.1 搅拌轴材料：选用Q235-A,选取其[τ]=16MPa （[τ]为轴材料的许用切应力，单位：MPa,对于Q235-A,取12～20MPa） 2.2.2 搅拌轴强度计算

3d?3653P1.3?3653?34mm n[τ]100?16圆整，取d = 40 mm 2.2.3 搅拌轴刚度计算

d?15374P1.3?15374?33.6mm ??Gnθ100?0.7?81000（式中[θ]为轴的许用扭转角(°/m)，对于一般的传动，可取0.5～1.0(°/m)，本设计中物料黏度不大，取为0.7）

经计算比较，轴径为40mm 满足强度、刚度要求，故选择搅拌轴径为40 mm 。

3.夹套式反应釜附属装置的确定 支座的选定：（以下参考书[3]）

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sskg.html