化工反应工程反应器课程设计

化学反应工程课程设计题目年产80000t乙酸乙酯间歇釜式反应器设计系别化学与化工学院专业应用化学学生姓名学号年级指导教师职称副教授2013年6月20日一、设计任务书及要求1.1设计题目80000t/y乙酸乙酯反应用间歇釜式反应器设计1.2设计任务及条件（1）反应方程式：)()()()(2523523SOHRHCOOCCHBOHHCACOOHCH（2）原料中反应组分的质量比：A：B：S=1：2：1.35。（3）反应液的密度为1020kg/3m,并假设在反应过程中不变。C100时被搅拌液体物料的物性参数为：比热容为13.124KmolJCp，导热系数CmW/325.0，黏度sPa.101.54。（4）生产能力：80000t/y乙酸乙酯，年生产8000小时，，每小时生产10t,乙酸的转化率为40℅。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。（5）反应在100℃下等温操作，其反应速率方程如下：KcccckrSRBAA/1100℃时，min)./(1076.441molLk，平衡常数K=2.92。反应器填充系数可取0.70-0.85。乙酸乙酯相对分子质量88；乙酸相对分子质量60；乙醇相对分子质量46；水相对分子质量18。（6）最大操作压力为10.4PMPa。加热的方式为用夹套内的水蒸汽进行电加热。1.3设计内容1、物料衡算及热量衡算；2、反应器体积计算及高径比、直径等参数确定；3、反应搅拌器设计；4、其他配件；5、带管口方位图的设备条件图绘制（不用绘制零件图，不用达到设备装配图水平）；6、设计体会；7、参考文献。二、反应釜基本计算2.1反应器类型选择常用反应器的类型有：①管式反应器；②釜式反应器；③有固体颗粒床层的反应器；④塔式反应器；⑤喷射反应器；⑥其他多种非典型反应器。如回转窑、曝气池等。由于本设计是液液相反应，综合考虑以上反应器的处理能力以及其优缺点，选用釜式反应器。反应器的操作方式包括间歇、连续、半连续。由于反应原料是混合加入，不采用半连续反应釜。因此，本设计的反应器在间歇反应釜和连续反应釜之间选择。2.2物料衡算根据生产任务计算原料处理量：80000t/y乙酸乙酯，年生产8000小时，，每小时生产10t,乙酸的转化率为40℅。每小时乙酸需用量为：hkmol/09.2844.08810000式中：88为乙酸乙酯的相对分子质量。由于原料种乙酸：乙醇：水=1：2：1。35，则1+2+1.35=4.35kg原料液中含1kg乙酸，可求单位时间的原料液量为：hmq/70.72102035.46009.28430式中，60为乙酸的相对分子质量。原料液的起始组成为：LmolcA/908.370.7209.2840乙醇与水的相对分子质量分别为46和18，通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为：LmolcB/195.1046260908.30LmolcS/586.171835.160908.30采用间歇反应釜，假设每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。求反应釜的实际体积为V，计算如下：因为AAAXcc10，AABBXccc00，AARXcc0，AASSXccc00带入速率方程，整理后得：2021AAAccXbak其中，00ABcca，00001ASABccccb，11c。带入数据：61.2908.3195.10a，15.592.2908.3586.17908.3195.101b6575.092.211c根据公式：0XAfAAOAdXtcR求得反应时间aXacbbaXacbbLnacbckcXbadXcktAfAfAXAAAAf2424411222010201其中，434.46575.061.2415.5422acb将有关数据带入上式得反应时间为：min9.15361.2240.0434.415.561.2240.0434.415.5434.4908.31076.414Lnt所需的反应体积为：30042.183)160/9.153(70.72mttqVt通常反应器的装填系数η可取0.6-0.85。如果物料在反应过程中产生泡沫或沸腾状态，通常装填系数应取较低值，一般为0.6—0.7；若反应状态平稳，可取0.8—0.85（物料黏度大时，可取最大值）。本设计综合考虑反应物和生成物的物性参数，最终选用装填系数η=0.8。则反应器的实际体积为：3323075.2298.042.1838.0mmVVt（2）若采用连续釜式反应器生产乙酸乙酯，单位时间处理的原料量及原料组成如前计算所示。乙酸的转化率可由反应速率方程球得，将其变换为转化率的函数有KXccXccXccXcckAASAARAABAAAA/000000001将初始组成及反应速率1k及平衡常数K带入上式化简后得hmkmolLmolA334/2853.0min/10755.492.2/40.0908.3586.1740.0908.3040.0908.3195.1040.0908.3908.31076.4根据AAfArRXcqV00可求得所需反应体积为334.3982853.040.0908.370.72mVr反应器的实际体积为：30.8398.340.8497.925rVVm由计算结果知：采用间歇操作所需的反应体积较之连续釜式反应器要小，故选用间歇式反应釜。2.3热量衡算乙酸的进料量为，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：表2-1进料出料组成物质进料/kmolh出料/kmolh乙酸284.09170.454乙醇568.18340.908乙酸乙酯0113.636水284.09397.726热量衡算公式：4321QQQQ式中：1Q进入反应器物料的能量，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，KJ表2-2各物质的热容参数物质ABCD乙醇-67.4442184.252-7.297263101.05224510乙酸65.9814.690.15310—乙酸乙酯155.9423.697-1.99763100.4592510水50.811121.2938-0.6309743100.0648311510乙醇的乙醇的,pmc值为：23,,,351.5132531167.444218.425210351.57.2972610351.51.0522410351.567.4442647.64578901.5929456.9733135.5820pmlKcABTCTDTJmolK乙醇乙酸乙酯的,pmc值23,,,350.21325311155.942.369710350.21.997610350.20.459210350.2155.9482.9395244.9857197.2197191.1135pmlKcABTCTDTJmolK乙酸乙酯水的,pmc值223,,,373132531150.81112.12938103730.630974103730.06483111037350.811179.44265987.7867833.6441876.111pmHOlKcABTCTDTJmolK乙酸的,pmc值23,,,37313231165.981.469103750.1510375037565.9855.087521.0938099.9737pmlKcABTCTDTJmolK乙酸水在100℃时的焓值23733r,,,373298176.1111037329840.68840.3963vapmpmHOlKmHcdTHKJmol水乙醇在100℃时的焓值351.5373r,,,351.5,,,373298351.5331135.582010351.529838.74477.528810373351.57.253638.7441.666947.6645vapmmpmlCpmlCHcdTHcdTKJmol乙醇乙醇乙醇乙酸在100℃时的焓值3733r,,,373298199.9737103732987.4980mpmlCHcdTKJmol乙酸乙酸乙酸乙酯在100℃时的焓值350.2373r,,,350.2,,,373298350.2331191.113510350.229830.539135.073310373350.29.976130.5393.079743.5948vapmmpmlCpmlCHcdTHcdTKJmol乙酸乙酯乙酸乙酯乙酸乙酯则以上数据可计算热量。)()()()(1nnn酯酯乙醇乙醇水水乙酸乙酸rHmrHmrHmrHmnQ0106645.4718.5683963.401009.284498.71009.284333hKJ/10632.17Q3210113.636QhKJ6310275.36645.474980.75843.43396.4010113.636)(')(')(')('4nnn酯酯乙醇乙醇水水乙酸乙酸rHmrHmrHmrHmnQ33337170.54107.498397.7261040.3963340.981047.6645113.6361043.59483.855410KJh由：4321QQQQ带入数据解得：hKJQQQQ/10837.171243三、反应釜釜体的设计3.1釜体DN、PN将釜体视为筒体，本设计采用一般的反应釜，由于釜内物料为液-液相，高径比L/D一般取1~1.3[2]，本设计取L/D为1.2。实际体积3230mV,取五个反应釜，则每个反应釜体积为3146mV由2L4iVD，iL=1.2D，则3344463.66L3.141.2iVDm，圆整mmDi3800。查得釜体的mmDN3800因操作压力10.4PMPa，故：0.6PNMPa3.2筒体壁厚最大操作压力为10.4PMPa，设计压力P取最大工作压力的1.05~1.1倍，本设计取设计压力1P=1.1P1.10.40.44MPa；设计温度T，CT150；根据筒体设计压力和设计温度选择材料：01810CrNiTi，许用应力为[]111tMPa。焊缝系数＝1.0（双面对接焊，100%无损探伤）。表3-1焊接接头系数φ无损检测的长度比例焊接接头形式全部局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头1.00.85单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）0.90.8钢板负偏差：10.8Cmm,腐蚀裕量：22.0Cmm（双面腐蚀）。表3-2钢板负偏差C1钢板厚度22.22.52.8-3.02.2-3.53.8-44.5-5.5负偏差0.130.140.150.160.180.20.2钢板厚度6-78-2526-3032-3436-4042-5052-60负偏差0.60.80.911.11.21.3根据内压圆筒壁厚的计算公式：2dtPDCP，带入以上