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1、,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
2、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
3、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。1 设计任务及条件1.1设计任务及条件乙酸乙酯酯化反应的化学式为：CH3COOH+C2H5OH=CH3COOC2H5+H2OA B R S1、 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。生产时间：连续生产8000小时/年，间隙生产6000小时/年。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=4.76L/(molmin),平衡常数K=2.92。乙酸的转化率XA=0.39，反
4、应器的填充系数f=0.8，为此反应设计一个反应器。2工艺设计2.1原料的处理量按间歇生产计算 根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时的乙酸用量为（物料损耗5%） Q=4690X103/(88X6000X0.39X0.95)=23.975kmol/h所以单位时间处理量为Q1Q1=(23.975X60X4.35)/1020=6.135m3/h硫酸用量为总流量的1% Q0= Q1/0.99=6.197 m3/h原料液起始浓度CA0=23.975/6.197=3.869 mol/L乙醇和水的起始浓度CB0=3.869x60x2/46=10.093 mol/LCS0=3.869x60x1.35/18=17.4
5、11 mol/L将速率方程变成转化率的函数其中a=cB0cA0=2.609b=-(1+cB0cA0+cS0KcA0)=-5.15c=1-1/K=0.6575=4.8475反应时间=1/(4.74x10-4x3.869x4.8475)xln(-5.15+4.8475)x0.39+2x2.609)/ (-5.15-4.8475)x0.39+2x2.609)=152.12 min反应体积Vr=Q0(t0+t)=6.197x(152.12/60+0.5)=18.81m3实际体积V= Vr/f=18.81/0.8=23.513 m3按连续生产计算 根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时的乙酸用量为 Q=469
6、0x103/(0.95x88x8000x0.39)=17.981 kmol/h原料组成 A：B:S=1:2:1.35所以单位时间处理量为Q1Q1=17.981x60x4.35/1020=4.601m3/h硫酸用量为总流量的1%，所以 Q0= Q1/0.99=4.647 m3/h原料液起始浓度CA0=17.981/4.647= 3.868mol/L乙醇和水的起始浓度CB0=3.86860246=10.091mol/LCS0=3.868601.3518=17.406 mol/L将速率方程变成转化率的函数a=cB0cA0=2.61b=-(1+cB0cA0+cS0KcA0)= -5.15c=1-1/K
7、=0.6575反应体积Vr=Q0cA0XArArA=4.76(2.61-5.150.37+0.65750.372)3.868210-4 =5.65810-3 mol/(L min)3.=0.339 kmol/(m3 h)Vr=4.7783.8680.370.339=20.17m3设计方案比较(1) 乙醇脱氢法 采用铜基催化剂使乙醇脱氢生成粗乙酸乙酯，经高低压蒸馏除去共沸物，得到纯度为99.8%以上乙酸乙酯。 2 CH3CH2OHCH3COOCH2CH3+ H2(2) 乙烯加成法 在以附载在二氧化硅等载体上的杂多酸金属盐或杂多酸为催化剂的存在下，乙烯气相水合后与气化乙酸直接酯化生成乙酸乙酯。 C
8、H2 CH2+ CH3COOHCH3COOCH2CH3 该反应乙酸的单程转化率为66%，以乙烯计乙酸乙酯的选择性为94%。Rhone-Poulenc 、昭和电工和BP等跨国公司都开发了该生产工艺。传统的醋酸酯化法工艺在国外被逐步淘汰, 而大规模生产装置主要采用乙醛缩合法、乙醇脱氢法和醋酸/ 乙烯加成法,其中新建装置多采用醋酸/ 乙烯加成法。我国醋酸乙酯则主要采用醋酸酯化法进行生产。综上所述：鉴于我国在乙酸乙酯的合成技术与国际水平相比相对落后，运用乙醛缩合法、乙烯加成法、乙醛缩合法等方法合成乙酸乙酯的技术还不是很成熟，而且本次设计的年产量不是很大，转化率只有37%，要求不是很高。所以，选用酯化法
9、合成工艺即可满足设计要求，也符合我国国情。 (3) 乙醛缩合法 在催化剂乙醇铝的存在下，两个分子的乙醛自动氧化和缩合，重排形成一分子的乙酸乙酯。2CH3CHOCH3COOCH2CH3该方法20世纪70年代在欧美、日本等地已形成了大规模的生产装置，在生产本和环境保护等方面都有着明显的优势。通过间歇式和连续式的对比，间歇生产的反应体积18.81m3，连续的反应体积为20.17 m3还有处理量也不是很大，生产量也不是很大所以选间歇式比较合算，并以此设计工艺流程及设备。物料衡算根据乙酸的每小时进料量为23.975kmol/h，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
10、表：3.3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AB10/K C10/KD10/K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
11、酸乙酯的沸点为778.3和77.1，所以：(1) 乙醇的值=59.342+36.35810351.5-12.16410351.5+1.803010351.5=59.342+127.798-150.289+78.302=115.153(2) 乙酸乙酯的值=155.94+2.369710350.2-1.997610350.2+0.459210350.2=155.94+8.297-24.499+19.713=159.451(3) 水的值=92.053-3.995310373-2.110310373+0.5346910373=92.053-14.902-29.360+27.748=75.539(3)
12、乙酸的值=-18.944+109.7110373-28.92110373+2.927510373=139.82233.3.3各种气象物质的参数如下表气相物质的热容参数4物质AB103C103D103乙醇4.3960.6285.546-7.024乙酸乙酯10.228-14.94813.033-15.736(1) 乙醇的值=4.396+0.62810351.5+5.54610351.5-7.02410351.5+2.68510351.5=(4.396+0.234+7.716-3.645+0.520)8.314=76.663(2) 乙酸乙酯的值=(10.228-5.576+18.133-8.166+
13、1.161)8.314=131.1953.3.4每摩尔物质在100下的焓值(1) 每摩尔水的焓值(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（2）的计算（3）的计算因为： 即：+=求得：=393384.90，故应是外界向系统供热。3.3.6换热设计换热采用夹套加热，设夹套内的过热水蒸气由130降到110，温差为20。3.3.7水蒸气的用量忽略热损失，则水的用量为5= 851291.61.9220=22169.05 Kg/h 4反应釜釜体设计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
14、。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越大，越有利于传热。高径比的确定通常才用经验值表假定高径比为H/Di=1.3，先忽略罐底容积V=Di2H/4=1.3Di3/4=23.513 m3 解得：Di=2846mm取标准Di=2900 mm筒体的高度=4(23.513-3.18)/(3.142.92)=3100mm釜体高径比的复核H/Di=3100/2900=1
15、.07满足要求4.1筒体壁厚的设计4.1.1设计参数的确定表33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PLgH=10209.8073.1=0.031 MPaPL/ Pw1.1=0.031/0.44=7.04%5% 所以液体静压不能忽略4.1.2该反应器的计算压力 Pc=Pw1.1+ PL =1.10.4+0.031MPa=0.471MPa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
16、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=2mm4.1.3筒体壁厚的设计计算厚度S=0.471x2900/（2x170x1-0.471）=4.0229mm钢板负偏差设计厚度SdSd =S+ C2=4.0229+2=6.0229 mm名义厚度等于设计厚度加上钢板负偏差等于6.3229 mm钢制容器的制造取壁厚详见化工机械基础圆整取标准 Sd =8 mm4.1.4釜体封头设计本设计选用椭球型封头计算压力 Pc=0.47MPa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
17、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=2mm钢板负偏差 C1=0.25mm用标准椭球型封头参数公称直径（mm）曲面高度（mm）直边高度（mm）内表面积（m2）容积（m3）2800700508.913.18计算厚度=0.471x2900/(2x170x1-0.5x0.471)=4.02钢板负偏差设计厚度=4.02+2=6.02名义厚度按钢制容器的制造取壁厚4.1.5外压封头壁厚的设计1.设计外压的确定封头的设计外压与筒体相同，即设计外压=0.1。封头壁厚的计算设封头的壁厚=12，则：= 12-2.25=9.75（），对于标准椭球形封头=0.9，0.92800=2
18、520，=2520/9.75=258.462计算系数：A=0.125/(Ri/Se)=0.125/258.462=4.8410-4根据材料的外压应力B曲线图，在图的水平坐标上找到=4.8410-4点，由该点作竖直线与对应的材料温度线相交，沿此点再作水平线与右方的纵坐标相交，得到系数的值为值为：62、=2.00105根据=得 P= 62/258.426=0.23mm因为0.10.23，所以假设12偏大，考虑到与筒体的焊接，取封头的壁厚与筒体一致，故取12。4.1.6反应釜夹套的设计夹套DN、PN的确定夹套的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+200=2900+200=
19、3100mm4.1.7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Q235B卷制Q235B材料在120是的许用应力t=113MPa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=2mm4.1.8夹套筒体的壁厚计算厚度=0.25x3100/(2x113x1-0.25)=3.43mm钢板负偏差=3.43+0.25=3.68mm按钢制容中DN=3100mm的壁厚最小不得小于8mm所以取夹套筒体的高度=4x(0.8x23.513-3.18)/(3.14x2.9x2.9)=2.367m4.1.9封头的厚度夹套
20、的下封头选标准椭球封头，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。计算厚度=0.25x3100/(2x113x1-0.5x0.25)=3.43钢板负偏差设计厚度=3.43+2=5.43mm按钢制容中DN=3100mm的壁厚最小不的小于8mm所以取带折边锥形封头的壁厚考虑到风头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取封头的壁厚与夹套筒体壁厚一致，即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
21、热反应，则需进行传热面积的校核。6.1反应釜釜体及夹套的压力试验6.1.1釜体的水压试验水压试验压力的确定由反应釜设计条件单可知，反应釜材料为16MnR在120是的许用应力t=170MPa液压试验的压力：液压试验的强度校核=0.55x(2900+0.97)/(2x0.97)=82.24MPa16MnR的屈服极限 T =82.24MPa0.9s=310.5 MPa 由故液压强度足够。6.1.2压力表的量程、水温及水中浓度的要求压力表的最大量程：P表=2=20.55=1.1,或1.5PT P表4PT 即0.825MPa P表2.2 水温15 ，水中浓度256.1.3水压试验的操作过程操作过程：在保
22、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0.55，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.44，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。6.2釜体的气压试验气压试验压力的确定气压试验的压力： PT =1.1p t=1.10.441.0=0.484 MPa 气压试验的强度校核=0.484x(2900+9.7)/(2x9.7)=72.6 MPa16MnR的屈服极限 0.8s=0.83451.0=276 MPaT =72
23、.6MPa900，因此需要在釜体的封头上设置人孔，以便于安装、维修、检查釜体的内部结构，本设计选用不锈钢A型回转盖带颈平焊法兰人孔，其结构尺寸如图4-5所示。由文献【4】表3-4-1查得其尺寸见表、材料见表。 图83 A型回转盖带颈平焊法兰人孔结构1-人孔接管；2-螺母；3-螺栓；4-法兰；5-垫片；6-手柄；7-法兰盖；8-销轴；9-开口销；10-垫圈；11、12、13、14-轴耳表84回转盖平焊法兰进料口的尺寸公称压力（MPa）密封面形式公称直径DNd wSDD1AB螺栓规格数量0.6突面4504806590550325150M207516LH1H2bb1b2d重量(kg)20022010
24、228/3022262088.9补强计算釜体上封头开人孔后被削弱的金属面积为：式中：=480-12+2（1+612.5%）=472S=PCDi2【】t-0.5PC=(0.417x2900)/(2x170-0.5x0.417)=3.559=1=4723.559+0=1680有效补强区内起补强作用的金属面积的计算8.2.1封头起补强作用金属面积的计算式中：B=2d=2472=944mm, B=d+2SN+2SM=477+212+26=513 mm取两者中较大值，故944=12-2.25=9.75=6-1-612.5%=4.25r=1A1=(944-472)9.75=4602接管起补强作用金属面积的
25、计算其中： 取其中的较小值53.22St=PCdi2【】t-PC=(0.417x(480-12)/(2x170-0.417=0.649=0，=392.8焊缝起补强作用金属面积的计算18判断是否需要补强的依据有效补强区内起补强作用的金属面积为：=4602+392.8+18=5012.8被削弱的金属面积为：=684因为=1711=5012.8，所以不需要补强。8.6视镜的选型 视镜的选型由于釜内介质压力较低（0.3）本设计选用两个=150mm的不带颈视镜。该类视镜具有结构简单，不易结料，窥视范围大等优点，视镜的结构其结构见图-6。图85 视镜的结构型式视镜的规定标记、标准图号、视镜的尺寸 查文献【
26、8】可确定视镜的规定标记、标准图号,文献【8】表3-5-2确定其尺寸，尺寸见表85，视镜在封头上对称布置。标 记：视镜0.6，150标准图号：HGJ501-86-14。表85 视镜的尺寸9支座选型夹套反应釜采用立式安装，采用耳式支座。标准耳式支座（JB/T4725-92）分为A型和B型两种，此设备需要保温110时选用B型。支座数设计为4个。车间布置的基本原则车间布置设计的原则有以下几点：（1）最大限度地满足工艺生产包括设备维修的要求；（2）有效地利用车间建筑面积(包括空间)和土地；（3）要为车间的技术经济指标、先进合理以及节能等要求创造条件；（4）考虑其他专业对本车间布置的要求；（5）要考虑车
27、间的发展和厂房的扩建；（6）车间中所采取的劳动保护、防腐防火、防毒、防爆及安全卫生等措施是否符合要求；（7）本车间与其他车间在总平面图上的位置合理，力求使它们之间输送管路最短，联系最方便；（8）考虑建厂地区的气象、地质等条件；（9）人流、物流不能交错。车间布置的要求车间布置涉及面较广，但大致可以归纳为以下几个方面：（1）厂房建筑 厂房面积力求简单化，以利用建筑定型化和施工机械化。常用形式有直线型、长方形、T型和L型。 柱间距多用66，一般不超过12m。总跨度：多层一般24m，单层30m。常用厂房总跨度有6m、12m、18m、24m、30m，一般有机化工车间总跨度为23个柱网跨度。层高与设备的高
28、低、安装位置有关，一般每层4m6m，最低不低于3.2m，净空高度不得低于2.6m以上方面尽量符合建筑模数(标准化)的要求。在可能情况下尽量采用露天化和敞开式设计，这样既能节省投资，又有利于通风采光、防爆、放毒等安全需要。在不影响流程情况下，较高设备集中布置，可简化厂房立体化布置，又省投资。对于笨重设备和震动设备尽量布置底楼的地面。同类设备可尽量集中。设备穿孔必须避开主梁。厂房出入口、交通道、楼梯等都需精心安排。一般厂房大门宽度要比通过的设备宽度大0.2m以上，满载的运输设备大0.6m1.0m，单门宽一般900mm，双门宽有1200mm、1500mm、1800mm，楼梯的坡度4560，主楼梯45
29、的较多。（2） 生产操作设备布置尽量和工艺流程一致，避免交叉往返送料，尽量采用位差送料，一般从高层到低层设备布置槽反应设备贮槽、重型设备和震动设备。设备间的垂直距离，要保证物料能顺利进出。相互有联系的设备尽量靠近，但要考虑操作、行人通道、送料及半成品堆放等空地。相同、相似设备尽可能对称、集中，以利操作管理及水、电、气等供应。主要符号一览表V反应釜的体积 筒壁的设计厚度筒壁的名义厚度反应器夹套筒体的高度水压试验压力夹套的内径Q乙酸的用量单位时间的处理量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H反应器筒体的高度封头的高度P操作压力Pc设计压力取
30、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筒壁的计算厚度设计结果一览表项目数值设计压力/Mpa反应釜0.417夹套0.1设计温度/120壁厚/mm反应釜体12夹套8材料选型反应釜体16MnR夹套Q235-B直径/mm反应釜体2900夹套3000高度/mm反应釜体3000夹套2300传热量/KJ/h481350.95搅拌器材料1Cr18Ni9Ti人孔450mm 1个支座4个搅拌器功率24kw反应釜体积/m323.51参考文献李绍芬编. 反应工程M. 北京: 化学工出版社. 2000玉玮，王立业，喻建良，化工设备机械基础，7版，大连：大连理工大学出版社，2013王志魁编. 化工原
31、理M. 北京: 化学工业出版社，2006.金克新, 马沛生编. 化工热力学M, 北京: 化学工业出版社. 200涂伟萍, 陈佩珍, 程达芳编. 化工过程及设备设计M. 北京: 化学 工业出版社, 2000.汤善甫、朱思明编，化工设备机械基础（第二版），上海：华东理工大学出版社，2004张洪流，张茂润，化工单元操作设备设计，上海：华东理工大学出版社，2011刁董大琴，袁凤隐，压力容器与化工设备使用手册（上册），北京：化学工业出版社，2000曲文海，压力容器与化工设备使用手册（下册），北京：化学工业出版社，2000吴宗泽，机械设计实用手册，3版，北京：化学工业出版社，2010王凯, 虞军编. 搅拌
32、设备M. 北京: 化学工业出版社. 2003. 目录前言11 设计任务及条件22工艺设计22.1原料的处理量2反应时间3设计方案比较5物料衡算63.3能量衡算63.3.1热量衡算总式63.3.2每摩尔各种物值在不同条件下的值73.3.3各种气象物质的参数如下表83.3.4每摩尔物质在100下的焓值93.3.5总能量衡算103.3.6换热设计113.3.7水蒸气的用量114反应釜釜体设计114.1筒体壁厚的设计124.1.1设计参数的确定124.1.2该反应器的计算压力134.1.3筒体壁厚的设计134.1.4釜体封头设计134.1.5外压封头壁厚的设计144.1.6反应釜夹套的设计154.1.7夹套的PN154.1.8夹套筒体的壁厚154.1.9封头的厚度165传热面积校核166.1反应釜釜体及夹套的压力试验176.1.1釜体的水压试验176.1.2压力表的量程、水温及水中浓度的要求176.1.3水压试验的操作过程176.2釜体的气压试验177.搅拌器的选型187.1搅拌桨的尺寸及安装位置187.2搅拌功率的计算197.3搅拌轴的的初步计算197.3.1搅拌轴直径的设计197.3.2搅拌抽临界转速校核计算207.4联轴器的型式及尺寸的设计208.反应釜附件的选型及尺寸设计208.1釜体法兰连接结构设计218.2密封面形式的选型228.3螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格及材料228.4接