乙酸乙酯反应器课程设计

《反应工程》课程设计说明书院（部）名称化学与材料工程学院学生姓名设计项目乙酸乙酯的反应器设计指导教师专业班级化学工程与工艺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。

设计说明摘要：本选题为年产量为年产5000T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346.41m、换热量为481350.95/hKJ。

设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高3910mm，直径3600mm；夹套的特征尺寸为高2700mm，内径为3800mm。

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80mm。

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Ac——反应物的B起始浓度Bc——反应物S的起始浓度Sf——反应器的填充系数D——反应釜的内径iH——反应器筒体的高度h——封头的高度2P——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dS——筒壁的名义厚度nH——反应器夹套筒体的高度jP——水压试验压力TD——夹套的内径jQ——乙酸的用量Q——单位时间的处理量目 录第1章 设计任务及条件 ............................. 错误!未定义书签。

第2章 工艺设计 (2)2.1原料的处理量 (2)2.2原料液起始浓度 (2)2.3反应时间 (3)2.4反应体积 (3)第3章 热量核算 (4)3.1物料衡算 (4)3.2能量衡算 (4)3.2.1热量衡算总式 (4)3.2.2每摩尔各种物值在不同条件下的,p m c 值 (4)3.2.3各种气象物质的参数如下表 (6)3.2.4每摩尔物质在100℃下的焓值 (6)3.2.5总能量衡算 (7)3.3换热设计 (8)3.3.1水蒸气的用量 (8)第4章 反应釜釜体设计 (9)4.1反应器的直径和高度 (9)4.2筒体壁厚的设计 (10)4.2.1设计参数的确定 (10)4.3釜体封头厚 (11)第5章 反应釜夹套的设计 (12)5.1夹套DN 、PN 的确定 (12)5.1.1夹套的DN (12)5.1.2夹套的PN (12)5.2夹套筒体的壁厚 (12)5.3夹套筒体的高度 (13)5.4夹套的封头 (13)5.4.1封头的厚度 (13)5.5传热面积校核 (13)第6章反应釜釜体及夹套的压力试验 (14)6.1釜体的水压试验 (14)6.1.1水压试验压力的确定 (14)6.1.2水压试验的强度校核 (14)6.1.3压力表的量程、水温 (14)6.1.4水压试验的操作过程 (14)6.2夹套的液压试验 (15)6.2.1水压试验压力的确定 (15)6.2.2水压试验的强度校核 (15)6.2.3压力表的量程、水温 (15)6.2.4水压试验的操作过程 (15)第7章搅拌器的选型 (16)7.1搅拌桨的尺寸及安装位置 (16)7.2搅拌功率的计算 (17)7.3搅拌轴的的初步计算 (17)7.3.1搅拌轴直径的设计 (17)7.3.2搅拌抽临界转速校核计算 (18)7.4联轴器的型式及尺寸的设计 (18)第8章反应釜附件的选型及尺寸计算 (16)8.1密封面形式的选型 (16)8.2工艺接管的设计 (17)8.2.1原料液进口管 (19)8.2.2催化剂进口设计 (17)8.2.3温度计接口 (17)第9章支座 (20)设计结果一览表..........................................................................................................错误!未定义书签。

参考书目........................................... 错误!未定义书签。

第一章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 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r R=k1(C A C B－C R C S/K)X ，100℃时，k1=4.76×10-4L/(mol·min),平衡常数K=2.92。

乙酸的转化率0.55A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335101014.348/88300240.55Q kmol h ⨯⨯==⨯⨯⨯ 由于原料液的组成为1:2:1.35单位时间的处理量3014.34860 4.35 3.67/1020Q m h ⨯⨯== 2.2原料液起始浓度014.348 3.91/3.67A c mol L == 乙醇和水的起始浓度0 3.9160210.2/46B c mol L ⨯⨯== 0 3.9160 1.3517.60/18S c mol L ⨯⨯== 将速率方程变换成转化率的函数)1(0A A A X c c -=A AB B X c c c 00-= A A R X c c 0=A A S S X c c c 00+= 22222000101000001()(1)A SB A A A A A A A A B A A c c c K r k a bX cX c k c X X c Kc c K c ⎡⎤-=++=-+++⎢⎥⎣⎦ 其中：0010.2 2.613.91B A c a c === 000010.217.60(1)(1) 5.15. 3.91 3.91 2.92B S A A c c b c c K =-++=-++=-⨯ 11110.65752.92c K =-=-=4.434==2.3反应时间20101Af X A A A AdX t k c a bX cX =++⎰=44120.65750.55 5.15 4.434ln 4.7610 3.91 4.43420.65750.55 5.15 4.4341 5.15 4.434ln 547min 4.7610 3.91 4.434 5.15 4.434--⨯⨯--=⨯⨯⨯⨯⨯-+---=⨯⨯⨯-+2.4反应体积300547() 3.67(1)37.12860r V Q t t m =+=⨯+= 反应器的实际体积37.128346.410.8V r V m f ===第3章 热量核算3.1物料衡算根据乙酸的每小时进料量为33.144/mol 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，具体结果如下表：3.2能量衡算3.2.1热量衡算总式1234Q Q Q Q ++=式中：1Q 进入反应器的能量，KJ2Q ：化学反应热，KJ3Q ：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，KJ4Q ：离开反应器物料的热量，KJ3.2.2每摩尔各种物值在不同条件下的,p mc 值对于液象物质，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 =+++各种液相物质的热容参数如下表[3]：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,p m c 值()23,,351.5p m l K c A BT CT DT =+++2426359.34236.35810351.512.16410351.5 1.803010351.5---=+⨯⨯-⨯⨯+⨯⨯ 11115.15J mol K --=••同理：(2) 乙酸乙酯的,p m c 值()23,,350.2p m l K c A BT CT DT =+++24263155.94 2.369710350.2 1.997610350.20.459210350.2---=+⨯⨯-⨯⨯+⨯⨯ 11159.46J mol K --=••(3) 水的,p m c 值()223,,,373p m H O l K c A BT CT DT =+++2426392.053 3.995310373 2.1103103730.5346910373---=-⨯⨯-⨯⨯+⨯⨯ 1175.5381J mol K --=••(3) 乙酸的,p m c 值()23,,373p m l K c A BT CT DT =+++2426318.944109.711037328,92110373 2.927510373---=-+⨯⨯-⨯⨯+⨯⨯3.2.3各种气象物质的参数如下表气相物质的热容参数[4](1) 乙醇的,p m c 值()23,,g,373()p m K c A BT CT DT R =+++35283(4.3960.62810373 5.546103737.02410373)8.314---=+⨯⨯+⨯⨯-⨯⨯⨯1172.34J mol K --=••(2) 乙酸乙酯的,p m c 值()23,g,373()p m K c A BT CT DT R =+++3528310.22814.9481037313.0331037315.73610373)8.314---=-⨯⨯+⨯⨯-⨯⨯⨯11121.54J mol K --=••3.2.4每摩尔物质在100℃下的焓值 (1) 每摩尔水的焓值()()()23733r 2,,,37329875.5381037329844.012vapm m H O p m H O l K H c dT H -∆=+∆=⨯⨯-+⎰=49.6771KJ mol -•同理：(3) 每摩尔的乙醇的焓值()()()351.5373r 32,32,,351.5,32,,373298351.5vap m m CH CH OH p m CH CH OH l k p m CH CH OH l k H c dT H c dT ∆=+∆+⎰⎰()()33115.1510351.529842.5972.3410373351.5--=⨯⨯-++⨯⨯-(4) 每摩尔乙酸的焓值∆()()()3733r 3,3,,373298139.8210373298m CH COOH p m CH COOH l k H c dT -==⨯⨯-⎰110.49KJ mol -=•(5) 每摩尔乙酸乙酯的焓值()()()350.2373r 323,323,,350.2,323,,373298350.2vap m m CH COOOCH CH p m CH COOOCH CH l k p m CH COOOCH CH l k H c dT H c dT∆=+∆+⎰⎰()()33159.4610350.229830.539121.541510373350.2--=⨯⨯-++⨯⨯-141.634KJ mol -=•3.2.5总能量衡算 （1）1Q 的计算物质 进料/kmol h出料/kmol h乙酸 14.348 6.457 乙醇 37.430 29.539 乙酸乙酯 0 7.891 水64.56672.457()()()13r 20r 32r 3232n n n CH COOH H CH CH OH m CH COOH m H O m CH CH OH Q H H H =⨯∆+⨯∆+⨯∆=（14.348×10.49+64.566×49.677+50.3058×37.430)×103=5240902/h KJ （2）2Q 的计算3253252CH COOH C H OH CH COOC H H O +=+2Q =(()(2)(323)32(3))r m H O r m CH CH OOCCH r m CH CH OH r m CH COOH H H H H ∆+∆-∆-∆=(49.677+41.634-10.49-50.3058)×7.891×103 =240795.44/h KJ （3）4Q 的计算()()()()1111120r 2r 32r 323r 20232323n n n n H H O CH CH OH CH CH OOCCH m H m H O m CH CH OH m CH CH OOCCH Q H H H H =⨯∆+⨯∆+⨯∆+⨯∆ =6.457×103×10.49+29.539×103×50.3058+7.891×103×41.634+72.457×103×49.677 =149135.22+7535824+3584370.4+578067.05 =5481697.23/h KJ 因为： 1234Q Q Q Q ++=即：5240902-240795+3Q =5481697求得：3Q =481590/h KJ /h KJ3Q >0，故应是外界向系统供热。