反应工程设计参考(4)

4.2.5总能量衡算

把两个串联的连续釜当成一个反应系统 （1）Q1的计算

反应原料中不含乙酸乙酯，所以其初始热量为0，因此

Q1?nCH3C00H?ΔrHm(CH3C00H)?nH20?ΔrHm(H20)?nC2H5OHΔrHm(CHOH)25?15.562?103?10.488?70.029?103?46.334?40.597?103?46.566 ?5298378KJ/h（2）Q2的计算

反应式为 CH3COOH+C2H5OH??CH3COOC2H5+H2O

Q2??5.914?103(ΔrHm(H0)?ΔrHm(CHC00CH)?ΔrHm(CHC00H)?ΔrHm(CHOH))2325325??5.914?103?(46.334?41.836?10.488?46.566)??184020KJ/h（3）Q4的计算

Q4?n,CH3C00H?ΔrHm(CH3C00H)?n,H20?ΔrHm(H20)?n,C2H5OHΔrHm(C2H5OH)?n,CH3COOC2H5ΔrHm(CH3COOC2H5)?(9.648?10.488?75.943?46.334?34.683?46.566?5.914?41.836)?103?5482398KJ/h(4) Q3的计算 ∵Q1?Q2?Q3?Q4 ∴

Q3?Q4?Q1?Q2 ?5482398?5298378?184020?368040KJ/h

Q3>0，故应是外界向系统供热。

4.3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℃。 4.3.1水蒸气的用量 忽略热损失，则水的用量为

16

Q?m0Cpo(T1?T2)

Cpo?a?bT?cT2 a?29.16J?mol?1?K?1 b?14.49?10?3J?mol?1?K?2

c??2.022?10?6J?mol?1?K?3

T?T1?T2403.15?383.15??393.15K 22Cpo?29.16?14.49?10?3?393.15?2.022?10?6?393.152?34.5442J?mol?1?K?1

?1.919KJ/(kg?K)m0?Q3368040??9589.369(kg/h)

Cpo(T1?T2)1.919?(403.15?383.15)17

第5章 反应釜釜体设计

夹套反应釜是化工生产中常见的典型设备，由釜体（罐体和夹套）、搅拌装置、传动装置。轴封以及人（手）孔、工艺接管、视镜、支座等附件组成。反应釜采用夹套式壁外传热结构，釜体上安装有各种工艺接管口。釜体的设计的内容包括釜体、封头及夹套尺寸的计算，强度及稳定性计算与校核【8】。

5.1反应釜的直径与高度

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素：

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。

5—1高径比的确定通常采用经验值表

种类 一般搅拌釜 罐体物料类型 液—固或液—液相物料 气—液相物料 发酵罐类 气—液相物料 H/Di 1~1.3 1~2 1.7~2.5 [6]

假定高径比为H/Di=1.3，先忽略罐底容积

V?π2π3?H?[7]

?DiH?Di??44?Di??Di?4V3?(H)Di

Di为罐体直径；V为罐体操作体积；H/Di为罐体高径比 本设计采用两连续釜串联，单釜体积为8.118m3

18

∴Di?34?8.118?1.996m

3.14?1.3圆整后Di=2000mm

表5-2压力容器公称直径（mm）

300 800 1600 2600 3600 4600 5600 350 850 1700 2700 3700 4700 5700 400 900 1800 2800 3800 4800 5800 450 950 1900 2900 3900 4900 5900 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 550 1100 2100 3100 4100 5100 － 600 1200 2200 3200 4200 5200 － 650 1300 2300 3300 4300 5300 － 700 1400 2400 3400 4400 5400 － 750 1500 2500 3500 4500 5500 － 对于封头，采用标准椭圆形封头，即

D2000Di?500mm ?2 ∴hi?i?442hi对于直径小于等于2000mm的,根据GB/T 25198-2012,直边高度h0=25mm

表5—3标准椭圆形封头参数

公称直径（mm） 曲面高度（mm） 直边高度（mm） 内表面积（m） 2000 500 25 4.4930 2容积（m） 1.1257 3筒体的高度

H?V??Di2?4??8.118?1.12574??2.227m?2227mm 2?2.0圆整后取H=2200mm 釜体高径比的复核

HH?h22200?25???1.11 DiDi2000满足要求。

19

5.2筒体壁厚的设计

5.2.1设计参数的确定

该酯化反应温度为100℃，该条件下反应器内各组分的饱和蒸汽压见表5-4：

表5-4 反应器内各物质的饱和蒸汽压

物质 饱和蒸汽压（MPa） 水 0.143 乙酸 0.08 乙醇 0.316 乙酸乙酯 0.272 该反应为液-液反应，所以反应釜的操作压力必须满足乙醇的饱和蒸汽压， ∴取该反应的操作压力p=0.4MPa

设计压力Pc取最大工作压力的1.05~1.1倍，故该反应器的设计压力,可取

pc=1.1p=1.1?0.4?0.44MPa

而设计温度取介质温度加上15~30℃，故该反应器的设计温度，可取120℃， 可选用Q345R

Q345R材料在120℃是的许用应力[σ]t=189MPa

焊接接头系数的确定：取φ=1.0（双面对接焊，100％无损探伤）

表5-5焊接接头系数

焊接接头系数 100%无损检测 双面焊对接接头 单面焊对接接头 1.0 0.90 焊接接头系数 局部无损检测 0.85 0.8 5.2.2筒体的壁厚

（1）计算厚度 ??2?????pctpcDi?0.44?2000?2.33mm

2?189?1?0.44（2）设计厚度 ?d?2?????pctpcDi?C2???C2?2.33?2?4.33mm

该酯化反应的催化剂是浓硫酸，为强腐蚀介质 ∴取腐蚀裕量C2=2mm

20