年产5000t乙酸乙酯釜式反应器设计
前言
反应工程课程设计化工设备机械基础反应工程课程教学中综合性实践性较强教学环节理联系实际桥梁学生体察工程实际问题复杂性学初次尝试反应釜机械设计化工设计时作业设计中需学独立解决遇问题做出决策根老师定设计求选择方案查取数进行程设备设计计算选择做出证核算反复较分析择优选定理想方案合理设计
反应工程培养学生设计力重实践教学环节教师指导通裸程设计培养学生独立运学基理结合生产实际知识综合分析解决生产实际问题力学生首次完成该课程设计应达目：
1 熟练掌握查阅文献资料收集相关数正确选择公式缺乏必数时尚需通实验测定生产现场进行实际查定
2 兼顾技术先进性行性济合理前提综合分析设计务求确定化工工艺流程进行设备选型提出保证程正常安全行需检测计量参数时考虑改善劳动条件环境保护效措施
3 准确迅速进行程计算设备工艺设计计算选型
4 精炼语言简洁文字清晰图表表达设计思想计算结果
化工设备机械基础课程设计项繁琐设计工作设计中考虑济素外环保项考虑问题外考虑诸政策法规课程设计中耐心注意专业学科综合相互协调
1 设计务条件
11设计务条件
乙酸乙酯酯化反应化学式：
CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O
A B R S
1 原料中反应组分质量：A：B：S1：2：135反应液密度1020Kgm3假定反应程中变生产时间：连续生产8000时年间隙生产6000时年反应100℃等温操作反应速率方程
rRk1(CACB－CRCSK) [1]
100℃时k1476×L(mol·min)衡常数K292乙酸转化率XA039反应器填充系数f08反应设计反应器
2工艺设计
21原料处理量
间歇生产计算
根乙酸乙酯产量计算出时乙酸量（物料损耗5）
Q4690X103(88X6000X039X095)23975kmolh
单位时间处理量Q1
Q1(23975X60X435)10206135m3h
硫酸量总流量1
Q0 Q10996197 m3h
原料液起始浓度
CA02397561973869 molL
乙醇水起始浓度
CB03869x60x24610093 molL
CS03869x60x1351817411 molL
速率方程变成转化率函数
中
a2609
b(1++)515
c11K06575
48475
反应时间
1(474x104x3869x48475)xln(((515+48475)x039+2x2609) (51548475)x039+2x2609)
15212 min
反应体积
VrQ0(t0+t)6197x(1521260+05)1881m3
实际体积
V Vrf18810823513 m3
连续生产计算
根乙酸乙酯产量计算出时乙酸量
Q4690x103(095x88x8000x039)17981 kmolh
原料组成 A：BS12135
单位时间处理量Q1
Q117981x60x43510204601m3h
硫酸量总流量1
Q0 Q10994647 m3h
原料液起始浓度
CA0179814647 3868molL
乙醇水起始浓度
CB010091molL
CS017406 molL
速率方程变成转化率函数
a261
b(1++) 515
c11K06575
反应体积
Vr
5658×103 mol(L min)3
0339 kmol(m3 h)
Vr
设计方案较
(1) 乙醇脱氢法
采铜基催化剂乙醇脱氢生成粗乙酸乙酯高低压蒸馏沸物纯度998乙酸乙酯
2 CH3CH2OH→CH3COOCH2CH3+ H2
(2) 乙烯加成法
附载二氧化硅等载体杂酸金属盐杂酸催化剂存乙烯气相水合气化乙酸直接酯化生成乙酸乙酯
CH2 CH2+ CH3COOH⇌CH3COOCH2CH3
该反应乙酸单程转化率66乙烯计乙酸乙酯选择性94RhonePoulenc 昭电工BP等跨国公司开发该生产工艺
传统醋酸酯化法工艺国外逐步淘汰 规模生产装置采乙醛缩合法乙醇脱氢法醋酸 乙烯加成法中新建装置采醋酸 乙烯加成法国醋酸乙酯采醋酸酯化法进行生产
综述：鉴国乙酸乙酯合成技术国际水相相落运乙醛缩合法乙烯加成法乙醛缩合法等方法合成乙酸乙酯技术成熟次设计年产量转化率37求高选酯化法合成工艺满足设计求符合国国情
(3) 乙醛缩合法
催化剂乙醇铝存两分子乙醛动氧化缩合重排形成分子乙酸乙酯
2CH3CHO→CH3COOCH2CH3
该方法20世纪70年代欧美日等已形成规模生产装置生产环境保护等方面着明显优势
通间歇式连续式间歇生产反应体积1881m3连续反应体积2017 m3
处理量生产量选间歇式较合算设计工艺流程设备
物料衡算
根乙酸时进料量23975kmolh根转化率反应物初始质量算出种物质进料出料量具体结果表：
33量衡算
331热量衡算总式
式中：进入反应器聊量
：化学反应热
：供移走热量外界系统供热正系统外界移热量负
：离开反应器物料热量
332摩尔种物值条件值
气象物质气相热容温度函数面公式计算：
[2]
种液相物质热容参数表[3]：
液相物质热容参数
物质
A
B×10K
C×10K
D×10K
乙醇
59342
36358
12164
18030
乙酸
18944
10971
28921
29275
乙酸乙酯
15594
23697
19976
04592
水
92053
39953
21103
053469
乙醇乙酸乙酯沸点7783℃771℃：
(1) 乙醇值
59342+36358×10×351512164×10×3515+18030×10×3515
59342+127798150289+78302
115153
(2) 乙酸乙酯值
15594+23697×10×350219976×10×3502+04592×10×3502
15594+829724499+19713
159451
(3) 水值
9205339953×10×37321103×10×373+053469×10×373
920531490229360+27748
75539
(3) 乙酸值
18944+10971×10×37328921×10×373+29275×10×373
1398223
333种气象物质参数表
气相物质热容参数[4]
物质
A
B×103
C×103
D×103
乙醇
4396
0628
5546
7024
乙酸乙酯
10228
14948
13033
15736
(1) 乙醇值
4396+0628×10×3515+5546×10×35157024×10×3515+2685×10×3515
(4396+0234+77163645+0520)8314
76663
(2) 乙酸乙酯值
(102285576+181338166+1161)8314
131195
334摩尔物质100℃焓值
(1) 摩尔水焓值
(3) 摩尔乙醇焓值
(4) 摩尔乙酸焓值
(5) 摩尔乙酸乙酯焓值
335总量衡算
（1）计算
（2）计算
（3）计算
：
：++
求：3933849
>0应外界系统供热
336换热设计
换热采夹套加热设夹套热水蒸气130℃降110℃温差20℃
337水蒸气量
忽略热损失水量
[5]
2216905 Kgh
4反应釜釜体设计
已知搅拌器操作容积首先选择罐体适宜高径（HDi）确定罐体直径高度选择罐体高径考虑两方面数：
1 高径搅拌功率影响：转速变情况（中D—搅拌器直径P—搅拌功率）P釜体直径增增加减高径谓消耗搅拌功率般情况高径应选择
2 高径传热影响：容积定时HDi越越利传热
高径确定通常验值表
假定高径HDi13先忽略罐底容积
VπDi2H413πDi3423513 m3
解：Di2846mm
取标准Di2900 mm
筒体高度
4(23513318)(314×292)3100mm
釜体高径复核
HDi31002900107
满足求
41筒体壁厚设计
411设计参数确定
表3—3 反应器物质饱蒸汽压[9]
物质
水
乙酸
乙醇
乙酸乙酯
饱蒸汽压（MPa）
0143
008
0316
0272
该反应釜操作压力必须满足乙醇饱蒸汽压操作压力P04MPa该反应器设计压力
PL≈ρgH1020×9807×310031 MPa
PL Pw110031044704>5 液体静压忽略
412该反应器计算压力
PcPw11+ PL 11×04+0031MPa0471MPa
该反应釜操作温度100℃设计温度120℃
选16MnR卷制
16MnR材料120℃许应力[σ]t170MPa
焊缝系数确定
取焊缝系数φ10（双面接焊100％损探伤）
腐蚀裕量C22mm
413筒体壁厚设计
计算厚度S
0471x2900（2x170x10471）40229mm
钢板负偏差
设计厚度Sd
Sd S+ C240229+260229 mm
名义厚度等设计厚度加钢板负偏差 等63229 mm
钢制容器制造取壁厚——详见化工机械基础
圆整取标准 Sd 8 mm
414釜体封头设计
设计选椭球型封头
计算压力 Pc047MPa
该反应釜操作温度100℃设计温度120℃
选16MnR卷制
16MnR材料120℃许应力[σ]t170MPa
焊缝系数确定
取焊缝系数φ10（双面接焊100％损探伤）
腐蚀裕量C22mm
钢板负偏差 C1025mm
标准椭球型封头参数
公称直径（mm）
曲面高度（mm）
直边高度（mm）
表面积（m2）
容积（m3）
2800
700
50
891
318
计算厚度 0471x2900(2x170x105x0471)402
钢板负偏差
设计厚度 402+2602
名义厚度
钢制容器制造取壁厚
415外压封头壁厚设计
1设计外压确定
封头设计外压筒体相设计外压01
封头壁厚计算
设封头壁厚12：– 12225975（）标准椭球形封头09＝09×280025202520975258462
计算系数：A0125(RiSe)0125258462484×104
根材料外压应力B曲线图图水坐标找484×104点该点作竖直线应材料温度线相交点作水线右方坐标相交系数值值：≈62200×105
根 [P] 62258426023mm
＝01<＝023假设＝12偏考虑筒体焊接取封头壁厚筒体致取＝12
416反应釜夹套设计
夹套DNPN确定
夹套DN 夹套筒体径釜体筒体径间关系知：
DjDi+2002900+2003100mm
417夹套PN
设备设计条件知夹套介质工作压力常压取PN025MPa压力高夹套材料选Q235—B卷制
Q235—B材料120℃许应力[σ]t113MPa
焊缝系数确定
取焊缝系数φ10（双面接焊100％损探伤）
腐蚀裕量C22mm
418夹套筒体壁厚
计算厚度 025x3100(2x113x1025)343mm
钢板负偏差
343+025368mm
钢制容中DN3100mm壁厚8mm取
夹套筒体高度
4x(08x23513318) (314x29x29)2367m
419封头厚度
夹套封头选标准椭球封头径筒体（）相夹套封头选带折边形封头半锥角
计算厚度 025x3100(2x113x105x025)343
钢板负偏差
设计厚度 343+2543mm
钢制容中DN3100mm壁厚8mm取
带折边锥形封头壁厚
考虑风头端夹套筒体焊端釜体筒体角焊取封头壁厚夹套筒体壁厚致
5传热面积校核
反应釜进行反应放热反应产生热量仅够维持反应短进行会引起反应釜温度升高防止反应釜温度高反应釜方设置冷凝器进行换热需进行传热面积校核果反应釜进行吸热反应需进行传热面积校核
61反应釜釜体夹套压力试验
611釜体水压试验
水压试验压力确定
反应釜设计条件单知反应釜材料16MnR120℃许应力[σ]t[σ]170MPa
液压试验压力：
液压试验强度校核
055x(2900+097)(2x097)8224MPa
16MnR屈服极限
σT 8224MPa<09σsФ3105 MPa 液压强度足够
612压力表量程水温水中浓度求
压力表量程：P表22×0551115PT P表4PT
0825MPa P表22 水温≥15℃ 水中浓度≤25
613水压试验操作程
操作程：保持釜体表面干燥条件首先水釜体空气排空水压力缓慢升055保压低30然压力缓慢降044保压足够长时间检查焊缝连接部位泄露明显残留变形质量合格缓慢降压釜体水排净压缩空气吹干釜体质量合格修补重新试压直合格止水压试验合格做气压试验
62釜体气压试验
气压试验压力确定
气压试验压力： PT 11p11×044×100484 MPa
气压试验强度校核
0484x(2900+97)(2x97)726 MPa
16MnR屈服极限
08σsФ08×345×10276 MPa
σT 726MPa<08σsФ276 MPa 气压强度足够＼
7搅拌器选型
搅拌设备规模操作条件液体性质覆盖面非常广泛选型时考虑素考虑素介质黏度搅拌程目搅拌器造成流动形态
搅拌操作种构型搅拌设备完成实施方案需设备投资功率消耗甚会成倍差济高效达搅拌目必须搅拌设备作合理选择根介质黏度种搅拌器选序推进式涡轮式桨式锚式螺带式
根搅拌目选择搅拌器类型：均相液体混合宜选推进式器循环量耗低制乳浊液悬浮液固体溶解宜选涡轮式循环量剪切强气体吸收圆盘涡轮式适宜流量剪切强气体稳分散结晶程晶粒选涡轮式晶粒选桨叶式宜根反应釜选圆盘式搅拌器
71搅拌桨尺寸安装位置
叶轮直径反应釜直径般02 ~05[12]般取033叶轮直径033x2900957取
叶轮槽底安装高度
叶轮叶片宽度取
叶轮叶长度取
液体深度 HL10Di2800mm
挡板数目4垂直安装槽壁槽壁延伸液面挡板宽度
桨叶数6根放规叶端速度设43ms搅拌转速：
取
72搅拌功率计算
采永田进治公式进行计算：
[13]
数值处湍流区应该安装挡板车旋现象功率计算需知界雷诺数代进行搅拌功率计算查表湍流层流转折点出查表知：
功率：取
73搅拌轴初步计算
731搅拌轴直径设计
（1）电机功率＝24 搅拌轴转速＝90根文献取材料1Cr18Ni9Ti []＝40剪切弹性模量＝81×104许单位扭转角[]＝1°m
：
利截面法： （）
：
搅拌轴实心轴：
≥6829mm 取＝70mm
（2）搅拌轴刚度校核：
刚度校核必须满足： ：
搅拌轴直径取＝70mm满足条件
732搅拌抽界转速校核计算
反应釜搅拌轴转速90＜200作界转速校核计算
74联轴器型式尺寸设计
选摆线针齿行星减速机联轴器型式选立式夹壳联轴节（D型）标记：40 HG 21570—95
8反应釜附件选型尺寸设计
81釜体法兰连接结构设计
设计容包括：法兰设计密封面形式选型垫片设计螺栓螺母设计
法兰设计
根＝2900mm＝06筒径较难找适合压力容器法兰选确定法兰类型乙型焊法兰材料：16MnR
图8—1乙型焊法兰
表8—1 法兰结构尺寸
公称直径DN
法兰
螺栓
规格
数量
2800
2860
2915
2876
2856
2853
96
27
M24
76
（数源点问题）
82密封面形式选型
根＝06＜16介质温度120℃介质性质文献6表16－14 知密封面型式光滑面
垫片设计
文献6表331页1614垫片选耐油橡胶石棉垫片材料耐油橡胶石棉板（GBT539）文献7表85确定结构尺寸见图
图8—2垫片结构
8—2垫片尺寸
2850
2800
5
83螺栓螺母垫圈尺寸规格材料
设计选六角头螺栓（C级GBT57802000）Ⅰ型六角螺母（C级GBT412000）
垫圈（100HVGBT952002）
螺栓长度计算：
螺栓长度法兰厚度（）垫片厚度（）螺母厚度（）垫圈厚度（）螺栓伸出长度确定
中965303螺栓伸出长度取04×27
螺栓长度：
2×96+5+30+6+1082378
取＝240
螺栓标记： GBT57802000 M24
84接法兰选择
水蒸气进口：108×4L200mm10号钢
法兰：PN06 DN100 HG 2059297
冷水出口：57×35L150 mm缝钢
法兰：PN06 DN50 HG 2059297
乙酸进料
乙酸时体积流量q23975×60÷1020141m3h原料液需12h 进完
进料体积流量q0141×2282m3h
设进料速率u15ms进口料直径
d2632 mm 圆整取27mm
采φ32×25mm缝钢端切成45°伸入罐L150mm长度配突面板式焊法兰：N025 DN32 HG2095297
乙醇进料
乙醇时体积流量q3431×46÷10201547m3h原料液需12h 进完
进料体积流量q01547×23095m3h
设进料速率u15ms进口料直径
d2699 mm 圆整取27mm
采φ32×25mm缝钢端切成45°伸入罐L160mm长度配突面板式焊法兰：PN025 DN40 HG2095297
水进料
水时体积流量q33366×18÷10200589m3h原料液需12h 进完
进料体积流量q00589×21178m3h
设进料速率u15ms进口料直径
d1661mm 圆整取17mm
采φ20×15mm缝钢端切成45°伸入罐L120mm长度配突面板式焊法兰：PN025 DN20 HG2095297
硫酸进料
硫酸时体积流量q6367×1006367m3h原料液需12h 进完
进料体积流量q0006367×20012734m3h
设进料速率u15ms进口料直径
d21mm 圆整取6mm
采φ10×2mm缝钢端切成45°伸入罐L120mm长度配突面板式焊法兰：PN025 DN10 HG2095297
总物料进口
总物料时体积流量q6197m3h原料液需12h 进完
进料体积流量q06197×212394m3h
设进料速率u15ms进口料直径
d5491mm 圆整取55mm
采φ65×5mm缝钢端切成45°伸入罐L200mm长度配突面板式焊法兰：PN025 DN65 HG2095297
温度计接：45×25L100mm缝钢
法兰：PN025 DN40 HG 2059297
凝气体排出：32×35L100 mm缝钢
法兰：PN06 DN25 HG 2059297
85孔设计补强计算
釜体径2900>900需釜体封头设置孔便安装维修检查釜体部结构设计选锈钢A型回转盖带颈焊法兰孔结构尺寸图45示文献4表341查尺寸见表材料见表
图8—3 A型回转盖带颈焊法兰孔结构
1孔接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11121314轴耳
表8—4回转盖焊法兰进料口尺寸
公称压力（MPa）
密封面形式
公称直径DN
d w×S
D
D1
A
B
螺栓
规格
数量
06
突面
450
480×6
590
550
325
150
M20×75
16
L
H1
H2
b
b1
b2
d
重量(kg)
200
220
102
2830
22
26
20
889
补强计算
釜体封头开孔削弱金属面积：
式中：48012+2×（1+6×125）472
S(0417x2900)(2x17005x0417)3559
1
472×3559+01680
效补强区起补强作金属面积计算
821封头起补强作金属面积计算
式中：B2d2×472944mm
Bd+2SN+2SM477+2×12+2×6513 mm
取两者中较值
944
12225975
616×125425
ƒr1
A1(944472)×9754602
接起补强作金属面积计算
中：｛ 取中较值5322
St(0417x(48012)(2x17004170649
0
3928
焊缝起补强作金属面积计算
＝18
判断否需补强
效补强区起补强作金属面积：
4602+3928+1850128
削弱金属面积：684
1711＜50128需补强
86视镜选型
视镜选型
釜介质压力较低（＝03）设计选两150mm带颈视镜该类视镜具结构简单易结料窥视范围等优点
视镜结构
结构见图6
图8—5 视镜结构型式
视镜规定标记标准图号视镜尺寸
查文献8确定视镜规定标记标准图号文献8表352确定尺寸尺寸见表8—5视镜封头称布置
标 记：视镜Ⅱ06150
标准图号：HGJ5018614
表8—5 视镜尺寸
9支座选型
夹套反应釜采立式安装采耳式支座标准耳式支座（JBT472592）分A型B型两种设备需保温110℃时选B型支座数设计4
车间布置基原
车间布置设计原点：
（1）限度满足工艺生产包括设备维修求
（2）效利车间建筑面积(包括空间)土
（3）车间技术济指标先进合理节等求创造条件
（4）考虑专业车间布置求
（5）考虑车间发展厂房扩建
（6）车间中采取劳动保护防腐防火防毒防爆安全卫生等措施否符合求
（7）车间车间总面图位置合理力求间输送路短联系方便
（8）考虑建厂区气象质等条件
（9）流物流交错
车间布置求
车间布置涉面较广致纳方面：
（1）厂房建筑
①厂房面积力求简单化利建筑定型化施工机械化常形式直线型长方形T型L型
② 柱间距6×6般超12m总跨度：层般≤24m单层≤30m
常厂房总跨度6m12m18m24m30m般机化工车间总跨度2～3柱网跨度
③层高设备高低安装位置关般层4m～6m低低32m净空高度低26m方面量符合建筑模数(标准化)求
④情况量采露天化敞开式设计样节省投资利通风采光防爆放毒等安全需
⑤影响流程情况较高设备集中布置简化厂房立体化布置省投资
⑥笨重设备震动设备量布置底楼面类设备量集中
⑦设备穿孔必须避开梁
⑧厂房出入口交通道楼梯等需精心安排般厂房门宽度通设备宽度02m满载运输设备06m～10m单门宽般900mm双门宽1200mm1500mm1800mm楼梯坡度45º～60º楼梯45º较
（2） 生产操作
①设备布置量工艺流程致避免交叉返送料量采位差送料般高层低层设备布置槽→反应设备→贮槽重型设备震动设备设备间垂直距离保证物料利进出
②相互联系设备量考虑操作行通道送料半成品堆
放等空
③相相似设备称集中利操作理水电气等供应
符号览表
V——反应釜体积 ——筒壁设计厚度
——筒壁名义厚度
——反应器夹套筒体高度
——水压试验压力
——夹套径
Q——乙酸量
——单位时间处理量
t——反应时间
——反应物A起始浓度
——反应物B起始浓度
——反应物S起始浓度
f——反应器填充系数
——反应釜径
H——反应器筒体高度
——封头高度
P——操作压力
Pc——设计压力
φ——取焊缝系数
[σ]t——钢板许应力
C1——钢板负偏差
C2——钢板腐蚀裕量
S——筒壁计算厚度
设计结果览表
项目
数值
设计压力Mpa
反应釜
0417
夹套
01
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
Q235B
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KJh
48135095
搅拌器材料
1Cr18Ni9Ti
孔
450mm 1
支座
4
搅拌器功率
24kw
反应釜体积m3
2351
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版连：连理工学出版社2013
王志魁编 化工原理[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 化工程设备设计[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）海：华东理工学出版社2004
张洪流张茂润化工单元操作设备设计海：华东理工学出版社2011
刁董琴袁凤隐压力容器化工设备手册（册）北京：化学工业出版社2000
曲文海压力容器化工设备手册（册）北京：化学工业出版社2000
吴宗泽机械设计实手册3版北京：化学工业出版社2010
王凯 虞军编 搅拌设备[M] 北京 化学工业出版社 2003
目录
前言 1
1 设计务条件 2
2工艺设计 2
21原料处理量 2
反应时间 3
设计方案较 5
物料衡算 6
33量衡算 6
331热量衡算总式 6
332摩尔种物值条件值 7
333种气象物质参数表 8
334摩尔物质100℃焓值 9
335总量衡算 10
336换热设计 11
337水蒸气量 11
4反应釜釜体设计 11
41筒体壁厚设计 12
411设计参数确定 12
412该反应器计算压力 13
413筒体壁厚设计 13
414釜体封头设计 13
415外压封头壁厚设计 14
416反应釜夹套设计 15
417夹套PN 15
418夹套筒体壁厚 15
419封头厚度 16
5传热面积校核 16
61反应釜釜体夹套压力试验 17
611釜体水压试验 17
612压力表量程水温水中浓度求 17
613水压试验操作程 17
62釜体气压试验 17
7搅拌器选型 18
71搅拌桨尺寸安装位置 18
72搅拌功率计算 19
73搅拌轴初步计算 19
731搅拌轴直径设计 19
732搅拌抽界转速校核计算 20
74联轴器型式尺寸设计 20
8反应釜附件选型尺寸设计 20
81釜体法兰连接结构设计 21
82密封面形式选型 22
83螺栓螺母垫圈尺寸规格材料 22
84接法兰选择 23
85孔设计补强计算 25
86视镜选型 27
9支座选型 28
车间布置基原 28
车间布置求 29
符号览表 30
设计结果览表 31
参考文献 32
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前言
反应工程课程设计化工设备机械基础反应工程课程教学中综合性实践性较强教学环节理联系实际桥梁学生体察工程实际问题复杂性学初次尝试反应釜机械设计化工设计时作业设计中需学独立解决遇问题做出决策根老师定设计求选择方案查取数进行程设备设计计算选择做出证核算反复较分析择优选定理想方案合理设计
反应工程培养学生设计力重实践教学环节教师指导通裸程设计培养学生独立运学基理结合生产实际知识综合分析解决生产实际问题力学生首次完成该课程设计应达目：
1 熟练掌握查阅文献资料收集相关数正确选择公式缺乏必数时尚需通实验测定生产现场进行实际查定
2 兼顾技术先进性行性济合理前提综合分析设计务求确定化工工艺流程进行设备选型提出保证程正常安全行需检测计量参数时考虑改善劳动条件环境保护效措施
3 准确迅速进行程计算设备工艺设计计算选型
4 精炼语言简洁文字清晰图表表达设计思想计算结果
化工设备机械基础课程设计项繁琐设计工作设计中考虑济素外环保项考虑问题外考虑诸政策法规课程设计中耐心注意专业学科综合相互协调
1 设计务条件
11设计务条件
乙酸乙酯酯化反应化学式：
CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O
A B R S
1 原料中反应组分质量：A：B：S1：2：135反应液密度1020Kgm3假定反应程中变生产时间：连续生产8000时年间隙生产6000时年反应100℃等温操作反应速率方程
rRk1(CACB－CRCSK) [1]
100℃时k1476×L(mol·min)衡常数K292乙酸转化率XA039反应器填充系数f08反应设计反应器
2工艺设计
21原料处理量
间歇生产计算
根乙酸乙酯产量计算出时乙酸量（物料损耗5）
Q4690X103(88X6000X039X095)23975kmolh
单位时间处理量Q1
Q1(23975X60X435)10206135m3h
硫酸量总流量1
Q0 Q10996197 m3h
原料液起始浓度
CA02397561973869 molL
乙醇水起始浓度
CB03869x60x24610093 molL
CS03869x60x1351817411 molL
速率方程变成转化率函数
中
a2609
b(1++)515
c11K06575
48475
反应时间
1(474x104x3869x48475)xln(((515+48475)x039+2x2609) (51548475)x039+2x2609)
15212 min
反应体积
VrQ0(t0+t)6197x(1521260+05)1881m3
实际体积
V Vrf18810823513 m3
连续生产计算
根乙酸乙酯产量计算出时乙酸量
Q4690x103(095x88x8000x039)17981 kmolh
原料组成 A：BS12135
单位时间处理量Q1
Q117981x60x43510204601m3h
硫酸量总流量1
Q0 Q10994647 m3h
原料液起始浓度
CA0179814647 3868molL
乙醇水起始浓度
CB010091molL
CS017406 molL
速率方程变成转化率函数
a261
b(1++) 515
c11K06575
反应体积
Vr
5658×103 mol(L min)3
0339 kmol(m3 h)
Vr
设计方案较
(1) 乙醇脱氢法
采铜基催化剂乙醇脱氢生成粗乙酸乙酯高低压蒸馏沸物纯度998乙酸乙酯
2 CH3CH2OH→CH3COOCH2CH3+ H2
(2) 乙烯加成法
附载二氧化硅等载体杂酸金属盐杂酸催化剂存乙烯气相水合气化乙酸直接酯化生成乙酸乙酯
CH2 CH2+ CH3COOH⇌CH3COOCH2CH3
该反应乙酸单程转化率66乙烯计乙酸乙酯选择性94RhonePoulenc 昭电工BP等跨国公司开发该生产工艺
传统醋酸酯化法工艺国外逐步淘汰 规模生产装置采乙醛缩合法乙醇脱氢法醋酸 乙烯加成法中新建装置采醋酸 乙烯加成法国醋酸乙酯采醋酸酯化法进行生产
综述：鉴国乙酸乙酯合成技术国际水相相落运乙醛缩合法乙烯加成法乙醛缩合法等方法合成乙酸乙酯技术成熟次设计年产量转化率37求高选酯化法合成工艺满足设计求符合国国情
(3) 乙醛缩合法
催化剂乙醇铝存两分子乙醛动氧化缩合重排形成分子乙酸乙酯
2CH3CHO→CH3COOCH2CH3
该方法20世纪70年代欧美日等已形成规模生产装置生产环境保护等方面着明显优势
通间歇式连续式间歇生产反应体积1881m3连续反应体积2017 m3
处理量生产量选间歇式较合算设计工艺流程设备
物料衡算
根乙酸时进料量23975kmolh根转化率反应物初始质量算出种物质进料出料量具体结果表：
33量衡算
331热量衡算总式
式中：进入反应器聊量
：化学反应热
：供移走热量外界系统供热正系统外界移热量负
：离开反应器物料热量
332摩尔种物值条件值
气象物质气相热容温度函数面公式计算：
[2]
种液相物质热容参数表[3]：
液相物质热容参数
物质
A
B×10K
C×10K
D×10K
乙醇
59342
36358
12164
18030
乙酸
18944
10971
28921
29275
乙酸乙酯
15594
23697
19976
04592
水
92053
39953
21103
053469
乙醇乙酸乙酯沸点7783℃771℃：
(1) 乙醇值
59342+36358×10×351512164×10×3515+18030×10×3515
59342+127798150289+78302
115153
(2) 乙酸乙酯值
15594+23697×10×350219976×10×3502+04592×10×3502
15594+829724499+19713
159451
(3) 水值
9205339953×10×37321103×10×373+053469×10×373
920531490229360+27748
75539
(3) 乙酸值
18944+10971×10×37328921×10×373+29275×10×373
1398223
333种气象物质参数表
气相物质热容参数[4]
物质
A
B×103
C×103
D×103
乙醇
4396
0628
5546
7024
乙酸乙酯
10228
14948
13033
15736
(1) 乙醇值
4396+0628×10×3515+5546×10×35157024×10×3515+2685×10×3515
(4396+0234+77163645+0520)8314
76663
(2) 乙酸乙酯值
(102285576+181338166+1161)8314
131195
334摩尔物质100℃焓值
(1) 摩尔水焓值
(3) 摩尔乙醇焓值
(4) 摩尔乙酸焓值
(5) 摩尔乙酸乙酯焓值
335总量衡算
（1）计算
（2）计算
（3）计算
：
：++
求：3933849
>0应外界系统供热
336换热设计
换热采夹套加热设夹套热水蒸气130℃降110℃温差20℃
337水蒸气量
忽略热损失水量
[5]
2216905 Kgh
4反应釜釜体设计
已知搅拌器操作容积首先选择罐体适宜高径（HDi）确定罐体直径高度选择罐体高径考虑两方面数：
1 高径搅拌功率影响：转速变情况（中D—搅拌器直径P—搅拌功率）P釜体直径增增加减高径谓消耗搅拌功率般情况高径应选择
2 高径传热影响：容积定时HDi越越利传热
高径确定通常验值表
假定高径HDi13先忽略罐底容积
VπDi2H413πDi3423513 m3
解：Di2846mm
取标准Di2900 mm
筒体高度
4(23513318)(314×292)3100mm
釜体高径复核
HDi31002900107
满足求
41筒体壁厚设计
411设计参数确定
表3—3 反应器物质饱蒸汽压[9]
物质
水
乙酸
乙醇
乙酸乙酯
饱蒸汽压（MPa）
0143
008
0316
0272
该反应釜操作压力必须满足乙醇饱蒸汽压操作压力P04MPa该反应器设计压力
PL≈ρgH1020×9807×310031 MPa
PL Pw110031044704>5 液体静压忽略
412该反应器计算压力
PcPw11+ PL 11×04+0031MPa0471MPa
该反应釜操作温度100℃设计温度120℃
选16MnR卷制
16MnR材料120℃许应力[σ]t170MPa
焊缝系数确定
取焊缝系数φ10（双面接焊100％损探伤）
腐蚀裕量C22mm
413筒体壁厚设计
计算厚度S
0471x2900（2x170x10471）40229mm
钢板负偏差
设计厚度Sd
Sd S+ C240229+260229 mm
名义厚度等设计厚度加钢板负偏差 等63229 mm
钢制容器制造取壁厚——详见化工机械基础
圆整取标准 Sd 8 mm
414釜体封头设计
设计选椭球型封头
计算压力 Pc047MPa
该反应釜操作温度100℃设计温度120℃
选16MnR卷制
16MnR材料120℃许应力[σ]t170MPa
焊缝系数确定
取焊缝系数φ10（双面接焊100％损探伤）
腐蚀裕量C22mm
钢板负偏差 C1025mm
标准椭球型封头参数
公称直径（mm）
曲面高度（mm）
直边高度（mm）
表面积（m2）
容积（m3）
2800
700
50
891
318
计算厚度 0471x2900(2x170x105x0471)402
钢板负偏差
设计厚度 402+2602
名义厚度
钢制容器制造取壁厚
415外压封头壁厚设计
1设计外压确定
封头设计外压筒体相设计外压01
封头壁厚计算
设封头壁厚12：– 12225975（）标准椭球形封头09＝09×280025202520975258462
计算系数：A0125(RiSe)0125258462484×104
根材料外压应力B曲线图图水坐标找484×104点该点作竖直线应材料温度线相交点作水线右方坐标相交系数值值：≈62200×105
根 [P] 62258426023mm
＝01<＝023假设＝12偏考虑筒体焊接取封头壁厚筒体致取＝12
416反应釜夹套设计
夹套DNPN确定
夹套DN 夹套筒体径釜体筒体径间关系知：
DjDi+2002900+2003100mm
417夹套PN
设备设计条件知夹套介质工作压力常压取PN025MPa压力高夹套材料选Q235—B卷制
Q235—B材料120℃许应力[σ]t113MPa
焊缝系数确定
取焊缝系数φ10（双面接焊100％损探伤）
腐蚀裕量C22mm
418夹套筒体壁厚
计算厚度 025x3100(2x113x1025)343mm
钢板负偏差
343+025368mm
钢制容中DN3100mm壁厚8mm取
夹套筒体高度
4x(08x23513318) (314x29x29)2367m
419封头厚度
夹套封头选标准椭球封头径筒体（）相夹套封头选带折边形封头半锥角
计算厚度 025x3100(2x113x105x025)343
钢板负偏差
设计厚度 343+2543mm
钢制容中DN3100mm壁厚8mm取
带折边锥形封头壁厚
考虑风头端夹套筒体焊端釜体筒体角焊取封头壁厚夹套筒体壁厚致
5传热面积校核
反应釜进行反应放热反应产生热量仅够维持反应短进行会引起反应釜温度升高防止反应釜温度高反应釜方设置冷凝器进行换热需进行传热面积校核果反应釜进行吸热反应需进行传热面积校核
61反应釜釜体夹套压力试验
611釜体水压试验
水压试验压力确定
反应釜设计条件单知反应釜材料16MnR120℃许应力[σ]t[σ]170MPa
液压试验压力：
液压试验强度校核
055x(2900+097)(2x097)8224MPa
16MnR屈服极限
σT 8224MPa<09σsФ3105 MPa 液压强度足够
612压力表量程水温水中浓度求
压力表量程：P表22×0551115PT P表4PT
0825MPa P表22 水温≥15℃ 水中浓度≤25
613水压试验操作程
操作程：保持釜体表面干燥条件首先水釜体空气排空水压力缓慢升055保压低30然压力缓慢降044保压足够长时间检查焊缝连接部位泄露明显残留变形质量合格缓慢降压釜体水排净压缩空气吹干釜体质量合格修补重新试压直合格止水压试验合格做气压试验
62釜体气压试验
气压试验压力确定
气压试验压力： PT 11p11×044×100484 MPa
气压试验强度校核
0484x(2900+97)(2x97)726 MPa
16MnR屈服极限
08σsФ08×345×10276 MPa
σT 726MPa<08σsФ276 MPa 气压强度足够＼
7搅拌器选型
搅拌设备规模操作条件液体性质覆盖面非常广泛选型时考虑素考虑素介质黏度搅拌程目搅拌器造成流动形态
搅拌操作种构型搅拌设备完成实施方案需设备投资功率消耗甚会成倍差济高效达搅拌目必须搅拌设备作合理选择根介质黏度种搅拌器选序推进式涡轮式桨式锚式螺带式
根搅拌目选择搅拌器类型：均相液体混合宜选推进式器循环量耗低制乳浊液悬浮液固体溶解宜选涡轮式循环量剪切强气体吸收圆盘涡轮式适宜流量剪切强气体稳分散结晶程晶粒选涡轮式晶粒选桨叶式宜根反应釜选圆盘式搅拌器
71搅拌桨尺寸安装位置
叶轮直径反应釜直径般02 ~05[12]般取033叶轮直径033x2900957取
叶轮槽底安装高度
叶轮叶片宽度取
叶轮叶长度取
液体深度 HL10Di2800mm
挡板数目4垂直安装槽壁槽壁延伸液面挡板宽度
桨叶数6根放规叶端速度设43ms搅拌转速：
取
72搅拌功率计算
采永田进治公式进行计算：
[13]
数值处湍流区应该安装挡板车旋现象功率计算需知界雷诺数代进行搅拌功率计算查表湍流层流转折点出查表知：
功率：取
73搅拌轴初步计算
731搅拌轴直径设计
（1）电机功率＝24 搅拌轴转速＝90根文献取材料1Cr18Ni9Ti []＝40剪切弹性模量＝81×104许单位扭转角[]＝1°m
：
利截面法： （）
：
搅拌轴实心轴：
≥6829mm 取＝70mm
（2）搅拌轴刚度校核：
刚度校核必须满足： ：
搅拌轴直径取＝70mm满足条件
732搅拌抽界转速校核计算
反应釜搅拌轴转速90＜200作界转速校核计算
74联轴器型式尺寸设计
选摆线针齿行星减速机联轴器型式选立式夹壳联轴节（D型）标记：40 HG 21570—95
8反应釜附件选型尺寸设计
81釜体法兰连接结构设计
设计容包括：法兰设计密封面形式选型垫片设计螺栓螺母设计
法兰设计
根＝2900mm＝06筒径较难找适合压力容器法兰选确定法兰类型乙型焊法兰材料：16MnR
图8—1乙型焊法兰
表8—1 法兰结构尺寸
公称直径DN
法兰
螺栓
规格
数量
2800
2860
2915
2876
2856
2853
96
27
M24
76
（数源点问题）
82密封面形式选型
根＝06＜16介质温度120℃介质性质文献6表16－14 知密封面型式光滑面
垫片设计
文献6表331页1614垫片选耐油橡胶石棉垫片材料耐油橡胶石棉板（GBT539）文献7表85确定结构尺寸见图
图8—2垫片结构
8—2垫片尺寸
2850
2800
5
83螺栓螺母垫圈尺寸规格材料
设计选六角头螺栓（C级GBT57802000）Ⅰ型六角螺母（C级GBT412000）
垫圈（100HVGBT952002）
螺栓长度计算：
螺栓长度法兰厚度（）垫片厚度（）螺母厚度（）垫圈厚度（）螺栓伸出长度确定
中965303螺栓伸出长度取04×27
螺栓长度：
2×96+5+30+6+1082378
取＝240
螺栓标记： GBT57802000 M24
84接法兰选择
水蒸气进口：108×4L200mm10号钢
法兰：PN06 DN100 HG 2059297
冷水出口：57×35L150 mm缝钢
法兰：PN06 DN50 HG 2059297
乙酸进料
乙酸时体积流量q23975×60÷1020141m3h原料液需12h 进完
进料体积流量q0141×2282m3h
设进料速率u15ms进口料直径
d2632 mm 圆整取27mm
采φ32×25mm缝钢端切成45°伸入罐L150mm长度配突面板式焊法兰：N025 DN32 HG2095297
乙醇进料
乙醇时体积流量q3431×46÷10201547m3h原料液需12h 进完
进料体积流量q01547×23095m3h
设进料速率u15ms进口料直径
d2699 mm 圆整取27mm
采φ32×25mm缝钢端切成45°伸入罐L160mm长度配突面板式焊法兰：PN025 DN40 HG2095297
水进料
水时体积流量q33366×18÷10200589m3h原料液需12h 进完
进料体积流量q00589×21178m3h
设进料速率u15ms进口料直径
d1661mm 圆整取17mm
采φ20×15mm缝钢端切成45°伸入罐L120mm长度配突面板式焊法兰：PN025 DN20 HG2095297
硫酸进料
硫酸时体积流量q6367×1006367m3h原料液需12h 进完
进料体积流量q0006367×20012734m3h
设进料速率u15ms进口料直径
d21mm 圆整取6mm
采φ10×2mm缝钢端切成45°伸入罐L120mm长度配突面板式焊法兰：PN025 DN10 HG2095297
总物料进口
总物料时体积流量q6197m3h原料液需12h 进完
进料体积流量q06197×212394m3h
设进料速率u15ms进口料直径
d5491mm 圆整取55mm
采φ65×5mm缝钢端切成45°伸入罐L200mm长度配突面板式焊法兰：PN025 DN65 HG2095297
温度计接：45×25L100mm缝钢
法兰：PN025 DN40 HG 2059297
凝气体排出：32×35L100 mm缝钢
法兰：PN06 DN25 HG 2059297
85孔设计补强计算
釜体径2900>900需釜体封头设置孔便安装维修检查釜体部结构设计选锈钢A型回转盖带颈焊法兰孔结构尺寸图45示文献4表341查尺寸见表材料见表
图8—3 A型回转盖带颈焊法兰孔结构
1孔接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11121314轴耳
表8—4回转盖焊法兰进料口尺寸
公称压力（MPa）
密封面形式
公称直径DN
d w×S
D
D1
A
B
螺栓
规格
数量
06
突面
450
480×6
590
550
325
150
M20×75
16
L
H1
H2
b
b1
b2
d
重量(kg)
200
220
102
2830
22
26
20
889
补强计算
釜体封头开孔削弱金属面积：
式中：48012+2×（1+6×125）472
S(0417x2900)(2x17005x0417)3559
1
472×3559+01680
效补强区起补强作金属面积计算
821封头起补强作金属面积计算
式中：B2d2×472944mm
Bd+2SN+2SM477+2×12+2×6513 mm
取两者中较值
944
12225975
616×125425
ƒr1
A1(944472)×9754602
接起补强作金属面积计算
中：｛ 取中较值5322
St(0417x(48012)(2x17004170649
0
3928
焊缝起补强作金属面积计算
＝18
判断否需补强
效补强区起补强作金属面积：
4602+3928+1850128
削弱金属面积：684
1711＜50128需补强
86视镜选型
视镜选型
釜介质压力较低（＝03）设计选两150mm带颈视镜该类视镜具结构简单易结料窥视范围等优点
视镜结构
结构见图6
图8—5 视镜结构型式
视镜规定标记标准图号视镜尺寸
查文献8确定视镜规定标记标准图号文献8表352确定尺寸尺寸见表8—5视镜封头称布置
标 记：视镜Ⅱ06150
标准图号：HGJ5018614
表8—5 视镜尺寸
9支座选型
夹套反应釜采立式安装采耳式支座标准耳式支座（JBT472592）分A型B型两种设备需保温110℃时选B型支座数设计4
车间布置基原
车间布置设计原点：
（1）限度满足工艺生产包括设备维修求
（2）效利车间建筑面积(包括空间)土
（3）车间技术济指标先进合理节等求创造条件
（4）考虑专业车间布置求
（5）考虑车间发展厂房扩建
（6）车间中采取劳动保护防腐防火防毒防爆安全卫生等措施否符合求
（7）车间车间总面图位置合理力求间输送路短联系方便
（8）考虑建厂区气象质等条件
（9）流物流交错
车间布置求
车间布置涉面较广致纳方面：
（1）厂房建筑
①厂房面积力求简单化利建筑定型化施工机械化常形式直线型长方形T型L型
② 柱间距6×6般超12m总跨度：层般≤24m单层≤30m
常厂房总跨度6m12m18m24m30m般机化工车间总跨度2～3柱网跨度
③层高设备高低安装位置关般层4m～6m低低32m净空高度低26m方面量符合建筑模数(标准化)求
④情况量采露天化敞开式设计样节省投资利通风采光防爆放毒等安全需
⑤影响流程情况较高设备集中布置简化厂房立体化布置省投资
⑥笨重设备震动设备量布置底楼面类设备量集中
⑦设备穿孔必须避开梁
⑧厂房出入口交通道楼梯等需精心安排般厂房门宽度通设备宽度02m满载运输设备06m～10m单门宽般900mm双门宽1200mm1500mm1800mm楼梯坡度45º～60º楼梯45º较
（2） 生产操作
①设备布置量工艺流程致避免交叉返送料量采位差送料般高层低层设备布置槽→反应设备→贮槽重型设备震动设备设备间垂直距离保证物料利进出
②相互联系设备量考虑操作行通道送料半成品堆
放等空
③相相似设备称集中利操作理水电气等供应
符号览表
V——反应釜体积 ——筒壁设计厚度
——筒壁名义厚度
——反应器夹套筒体高度
——水压试验压力
——夹套径
Q——乙酸量
——单位时间处理量
t——反应时间
——反应物A起始浓度
——反应物B起始浓度
——反应物S起始浓度
f——反应器填充系数
——反应釜径
H——反应器筒体高度
——封头高度
P——操作压力
Pc——设计压力
φ——取焊缝系数
[σ]t——钢板许应力
C1——钢板负偏差
C2——钢板腐蚀裕量
S——筒壁计算厚度
设计结果览表
项目
数值
设计压力Mpa
反应釜
0417
夹套
01
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
Q235B
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KJh
48135095
搅拌器材料
1Cr18Ni9Ti
孔
450mm 1
支座
4
搅拌器功率
24kw
反应釜体积m3
2351
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版连：连理工学出版社2013
王志魁编 化工原理[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 化工程设备设计[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）海：华东理工学出版社2004
张洪流张茂润化工单元操作设备设计海：华东理工学出版社2011
刁董琴袁凤隐压力容器化工设备手册（册）北京：化学工业出版社2000
曲文海压力容器化工设备手册（册）北京：化学工业出版社2000
吴宗泽机械设计实手册3版北京：化学工业出版社2010
王凯 虞军编 搅拌设备[M] 北京 化学工业出版社 2003
目录
前言 1
1 设计务条件 2
2工艺设计 2
21原料处理量 2
反应时间 3
设计方案较 5
物料衡算 6
33量衡算 6
331热量衡算总式 6
332摩尔种物值条件值 7
333种气象物质参数表 8
334摩尔物质100℃焓值 9
335总量衡算 10
336换热设计 11
337水蒸气量 11
4反应釜釜体设计 11
41筒体壁厚设计 12
411设计参数确定 12
412该反应器计算压力 13
413筒体壁厚设计 13
414釜体封头设计 13
415外压封头壁厚设计 14
416反应釜夹套设计 15
417夹套PN 15
418夹套筒体壁厚 15
419封头厚度 16
5传热面积校核 16
61反应釜釜体夹套压力试验 17
611釜体水压试验 17
612压力表量程水温水中浓度求 17
613水压试验操作程 17
62釜体气压试验 17
7搅拌器选型 18
71搅拌桨尺寸安装位置 18
72搅拌功率计算 19
73搅拌轴初步计算 19
731搅拌轴直径设计 19
732搅拌抽界转速校核计算 20
74联轴器型式尺寸设计 20
8反应釜附件选型尺寸设计 20
81釜体法兰连接结构设计 21
82密封面形式选型 22
83螺栓螺母垫圈尺寸规格材料 22
84接法兰选择 23
85孔设计补强计算 25
86视镜选型 27
9支座选型 28
车间布置基原 28
车间布置求 29
符号览表 30
设计结果览表 31
参考文献 32
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