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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摘要摘要本选题为年产量为年产6×103T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3320mm,直径3200mm;夹套的特征尺寸为高2550mm,内径为3400mm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60mm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;AbstractAbstract:Thebatchreactorforannualproductioncapacityof6000010Tistobethedesigned.ThroughthematerialheatbalancereactorvolumeheattransferandEquipmentdesignresultsshowthatthesizeofthereactorcharacteristicsforhighis3320mmdiameteris3200mmThecharacteristicsofclipsizeforhighis2550mmdiameteris3400mm.Alsoauxiliaryequipmentonthetowerasdesignedheatisfinishedthroughtheclipwiththecommoncoldtubeinside.Themixerfordise-typemixerstirringshaftofdiameteris60mm.Basedontheconditionofequipmentdrawing.Thisdesignforbatchreactorindustrialdesignprovidesadetaileddataanddrawings.Keywords:batchreactorMaterialHeatbalanceThickwalldesign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H——反应器筒体的高度——封头的高度P——操作压力Pc——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——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Q——乙酸的用量Q0——单位时间的处理量目录TOC\o1-3\h\z\u第1章设计任务及条件1第2章工艺设计
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
83.
4.1水蒸气的用量8第4章反应釜釜体设计
104.1反应器的直径和高度
104.2筒体壁厚的设计
114.
2.1设计参数的确定
114.
2.2筒体的壁厚
114.3釜体封头厚11第5章反应釜夹套的设计
135.1夹套DN、PN的确定
135.
1.1夹套的DN
135.
1.2夹套的PN
135.2夹套筒体的壁厚
135.3夹套筒体的高度
145.4夹套的封头
145.
4.1封头的厚度
145.5传热面积校核14第6章反应釜釜体及夹套的压力试验
156.1釜体的水压试验
156.
1.1水压试验压力的确定
156.
1.2水压试验的强度校核
156.
1.3压力表的量程、水温
156.
1.4水压试验的操作过程
156.2夹套的液压试验
166.
2.1水压试验压力的确定
166.
2.2水压试验的强度校核
166.
2.3压力表的量程、水温
166.
2.4水压试验的操作过程16第7章搅拌器的选型
177.1搅拌桨的尺寸及安装位置
177.2搅拌功率的计算
177.3搅拌轴的的初步计算
187.
3.1搅拌轴直径的设计
187.
3.2搅拌抽临界转速校核计算
197.4联轴器的型式及尺寸的设计19结论19参考书目20第1章设计任务及条件
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+H2OABRS原料中反应组分的质量比为A BS=
121.35,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=k1CACB-CRCS/K
[1]100℃时,k1=
4.76×10-6L/mol·min平衡常数K=
2.92乙酸的转化率XA=
0.4,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液的组成为1+2+
1.35=
4.35Kg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
23.
67514.21乙醇
36.
3026.83乙酸乙酯
09.47水
81.
6890.
153.3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AB×103C×103D×103乙醇-
67.
444218.4252-
7.
297261.05224乙酸
65.
981.
4690.15—乙酸乙酯
155.
942.3697-
1.
99760.4592水
50.
81112.12938-
0.
6309740.0648311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气相物质的热容参数
[4]物质AB×103C×103D×103乙醇
6.
7318422.315286-
12.
116262.493482乙酸乙酯
24.
542753.288173-
9.
9263021.9989971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
23.
67514.21乙醇
36.
3026.83乙酸乙酯
09.47水
81.
6890.15
(2)的计算
(3)的计算因为即++=求得=
45437.2740,故应是外界向系统供热
3.4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.
4.1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3—1高径比的确定通常才用经验值表
[6]种类罐体物料类型H/Di一般搅拌釜液—固或液—液相物料1~
1.3气—液相物料1~2发酵罐类气—液相物料
1.7~
2.5假定高径比为H/Di=
1.2,先忽略罐底容积
[7]取标准表3—2用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)
32008004011.
54.61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设计参数的确定表3—3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=
1.1×
0.4MPa=
0.44MPa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[σ]t=170MPa焊缝系数的确定取焊缝系数φ=
1.0(双面对接焊,100%无损探伤)腐蚀裕量C2=2mm
4.
2.2筒体的壁厚计算厚度
[10]钢板负偏差设计厚度名义厚度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名义厚度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Q235—B卷制Q235—B材料在120℃是的许用应力[σ]t=113MPa焊缝系数的确定取焊缝系数φ=
1.0(双面对接焊,100%无损探伤)腐蚀裕量C2=2mm
5.2夹套筒体的壁厚计算厚度钢板负偏差设计厚度名义厚度按钢制容中DN=3400mm的壁厚最小不的小于8mm所以取
5.3夹套筒体的高度
5.4夹套的封头
5.
4.1封头的厚度夹套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,且半锥角计算厚度钢板负偏差设计厚度名义厚度按钢制容中DN=3400mm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
5.5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热反应,则需进行传热面积的校核第6章反应釜釜体及夹套的压力试验
6.1釜体的水压试验
6.
1.1水压试验压力的确定
6.
1.2水压试验的强度校核16MnR的屈服极限由所以水压强度足够
6.
1.3压力表的量程、水温压力表的最大量程P表=2=2×
0.55=
1.1或
1.5PTP表4PT即
0.825MPaP表
2.2水温≥5℃
6.
1.4水压试验的操作过程操作过程在保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夹套的液压试验
6.
2.1水压试验压力的确定且不的小于(p+
0.1)=
0.35MPa所以取
6.
2.2水压试验的强度校核Q235—B的屈服极限由所以水压强度足够
6.
2.3压力表的量程、水温压力表的最大量程P表=2=2×
0.35=
0.7或
1.5PTP表4PT即
0.525MPaP表
1.4水温≥5℃
6.
2.4水压试验的操作过程操作过程在保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
0.35,保压不低于30,然后将压力缓慢降至
0.275,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第7章搅拌器的选型搅拌设备规模、操作条件及液体性质覆盖面非常广泛,选型时考虑的因素很多,但主要考虑的因素是介质的黏度、搅拌过程的目的和搅拌器能造成的流动形态同一搅拌操作可以用多种不同构型的搅拌设备来完成,但不同的实施方案所需的设备投资和功率消耗是不同的,甚至会由成倍的差别为了经济高效地达到搅拌的目的,必须对搅拌设备作合理的选择根据介质黏度由小到大,各种搅拌器的选用顺序是推进式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式根据搅拌目的选择搅拌器的类型均相液体的混合宜选推进式,器循环量大、耗能低制乳浊液、悬浮液或固体溶解宜选涡轮式,其循环量大和剪切强气体吸收用圆盘涡轮式最适宜,其流量大、剪切强、气体平稳分散对结晶过程,小晶粒选涡轮式,大晶粒选桨叶式为宜根据以上本反应釜选用圆盘式搅拌器
7.1搅拌桨的尺寸及安装位置叶轮直径与反应釜的直径比一般为
0.2~
0.5
[12],一般取
0.33,所以叶轮的直径,取;叶轮据槽底的安装高度;叶轮的叶片宽度,取;叶轮的叶长度,取;液体的深度;挡板的数目为4,垂直安装在槽壁上并从槽壁地延伸液面上,挡板宽度桨叶数为6,根据放大规则,叶端速度设为
4.3m/s则搅拌转速为,取
7.2搅拌功率的计算采用永田进治公式进行计算
[13]由于数值很大,处于湍流区,因此,应该安装挡板,一小车打旋现象功率计算需要知到临界雷诺数,用代替进行搅拌功率计算可以查表上湍流一层流大的转折点得出查表知所以功率,取
7.3搅拌轴的的初步计算
7.
3.1搅拌轴直径的设计
(1)电机的功率=3,搅拌轴的转速=90,根据文献取用材料为1Cr18Ni9Ti,[]=40,剪切弹性模量=
8.1×104,许用单位扭转角[]=1°/m由得=利用截面法得=()由得=搅拌轴为实心轴,则=≥
57.05mm取=60mm
(2)搅拌轴刚度的校核由刚度校核必须满足,即所以搅拌轴的直径取=60mm满足条件
7.
3.2搅拌抽临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速=90<200,故不作临界转速校核计算
7.4联轴器的型式及尺寸的设计由于选用摆线针齿行星减速机,所以联轴器的型式选用立式夹壳联轴节(D型)标记为40HG21570—95结论依据GB150-1988《钢制压力容器》尺寸为反应器体积为,反应釜高为3320mm,直径3200mm,完成设计任务,达到实际要求参考书目
[1]谭蔚主编,《化工设备设计基础》[M],天津天津大学出版社,
2008.4
[2]柴诚敬主编,《化工原理》上册[M],北京高等教育出版社,
2008.9
[3]李少芬主编,反应工程[M],北京化学工业出版社,
2010.2
[4]王志魁编.《化工原理》[M].北京:化学工业出版社,
2006.
[5]陈志平曹志锡编.《过程设备设计与选型基础》[M].浙江:浙江大学出版社.
2007.
[6]金克新马沛生编.《化工热力学》[M]北京:化学工业出版社.2003
[7]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.
[8]匡国柱 史启才编.《化工单元过程及设备课程设计》[M].北京:化学工业出版社
2005.
[9]柴诚敬编.《化工原理》[M]. 北京:高等教育出版社
2000.
[10]管国锋赵汝编.《化工原理》[M].北京:化学工业出版社
2008.
[11]朱有庭曲文海编.《化工设备设计手册》[M].化学工业出版社
2004.
[12]丁伯民黄正林编.《化工容器》[M].化学工业出版社.
2003.
[13]王凯虞军编.搅拌设备[M].北京:化学工业出版社.
2003.总结在为期两周的设计里,在此课程设计过程中首先要感尚书勇老师,在这次课程设计中给予我们的指导,由于是初次做反应工程课程设计,所以,再设计整个过程中难免遇到这样那样的难题不知该如何处理,幸好有尚书勇耐心教诲,给予我们及时必要的指导,在此向尚老师表最诚挚的感谢!从尚老师开始说要在做课程设计开始,我就一直担心我到最后交不了稿,因为这都到期末了,有很多门专业课要考试,必须花上大量的时间复习,加上前面我们做了一个化工原理的课程设计,知道里面有很多需要查阅的东西,所以天天就一直在想到底是复习还是做课程设计知道今天为止,我终于两不误,把两样事情都顺利地完成了课程设计不同于书本理论知识的学习,有些问题是实际实践过程中的,无法用理论推导得到,因此不免过程中有很多困难,但通过与同学的交流和探讨,查阅文献资料,查阅互联网以及在尚老师的指导帮助下,问题都得到很好的解决这让我深深意识到自己知识体系的漏洞,自己知识体系的不足,但同时也深刻体会到同学间的团结互助的精神通过此次课程设计,使我查阅文献的能力和对数据的选择判断能力得到了很好的锻炼,同时我也意识到自己应该把所学到的知识应用到设计中来这次的课程设计让我对某些反应工程的理论有了更加深入的了解,同时在具体的设计过程中我发现现在书本上的知识与实际的应用存在着不小的差距,书本上的知识很多都是理想化后的结论,忽略了很多实际的因素,或者涉及的不全面,可在实际的应用时这些是不能被忽略的,我们不得不考虑这方的问题,这让我们无法根据书上的理论就轻易得到预想中的结果,有时结果甚至很差别很大通过这次设计使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性,我们在今后的学习工作中会更加的注重实际同时在设计中同学之间的相互帮助,相互交流,认识的进一步加深,对设计中遇到的问题进行讨论,使彼此的设计更加完善,对设计的认识更加深刻在此再次感谢我各位亲爱的同学们在这次设计和一年的学习中,尚老师不管是在学习上还是在生活中都教会了我很多东西,让我明确了学习和生活的目标,首先他严谨的治学态度,做事情的一丝不苟都让我非常的敬佩还有他做人做事的方式让我自愧不如同时还要感谢化工学院里的老师给我们提供教室,以及学校图书馆向我们提供工具书和参考书,在此特别予以感谢由于首次做反应釜设计,过程中难免疏忽与错误,感谢有关老师同学能及时给予指出。