年產500噸馬來酸二乙酯車間工藝設計——脫色和中和反應釜的設計【含CAD圖紙+文檔】

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XX大學 本科畢業(yè)論文 題　　目 年產500噸馬來酸二乙酯車間工藝設計 ?脫色和中和反應釜的設計 學生姓名 專業(yè)名稱 化學工程與工藝 指導教師 20xx年 5月 27日  目錄 摘 要 1 關鍵詞 1 Abstract 1 Keywords 2 1 概述 2 1.1 形狀及應用 2 1.1.1 馬來酸二乙酯的性狀[1] 2 1.1.2 馬來酸二乙酯的危險性概述 2 1.1.3 馬來酸二乙酯的消防措施 3 1.1.4 馬來酸二乙酯的應用及儲存 3 1.2 馬來酸二乙酯的操作注意事項 3 1.3 馬來酸二乙酯的應急處理 4 1.4 運輸注意事項 4 1.5 國內外市場需求 4 2. 馬來酸二乙酯的生產工藝介紹 5 2.1馬來酸二乙酯的生產方法 5 2.1.1 硫酸催化酯化法 5 2.1.2 離子交換法 5 2.2 馬來酸二乙酯的生產工藝選擇 6 2.3 生產流程 6 2.4 反應流程 7 2.5 主要原料配比和用量 7 2.6 原料規(guī)格 8 馬來酸酐 8 3 反應器 9 3.1 反應釜的選型 9 3.2 確定反應釜的操作方式[2] 9 4 脫色 10 5 工藝計算 11 5.1 生產能力 11 5.2 立式攪拌反應釜的設計 12 5.2.1 確定筒體和封頭形式[3] 12 5.2.2 反應釜體積VR的計算 12 5.2.3 確定反應釜筒體的直徑與高度[4] 13 5.2.4 封頭設計 14 5.2.5 反應釜厚度計算 14 5.2.6 內筒筒體厚度計算 14 5.2.7 封頭厚度計算 15 6 反應釜攪拌器設計及計算 15 6.1 攪拌器的類型[5] 15 6.1.1 推進式攪拌器 15 6.1.2 渦輪式攪拌器 16 6.1.3 槳式攪拌器 16 6.1.4 錨式和框式攪拌器 16 6.1.5 螺帶式攪拌器 16 6.2 反應釜攪拌器設計及計算 17 6.2.1 攪拌器功率計算 18 6.2.2 攪拌軸的材質及加工要求 18 6.2.3 攪拌軸直徑計算 18 7 反應熱[6] 19 7.1 相關物料的物性參數 19 7.2 相關物質量 19 7.3 反應放熱 19 結束語 20 參考文獻 21 謝辭 22 年產500噸馬來酸二乙酯車間工藝設計 ——脫色和中和反應釜的設計 摘 要：馬來酸二乙酯（DEM）是高分子化合物單體，農藥、醫(yī)藥、香料、水質穩(wěn)定劑（有機多元羧酸磷酸化合物）的中間體。本文主要介紹了馬來酸二乙酯的性質、用途、主要生產方法、市場前景及發(fā)展趨勢。選用由順丁烯二酸酐和乙醇在硫酸存在下，經酯化、脫色、中和、過濾、精餾制得馬來酸二乙酯的生產工藝。根據反應物的物料恒算和熱量恒算，對中和反應釜工藝尺寸及其附屬設備進行計算，并繪制出符合標準的中和反應釜的圖紙。 關鍵詞：馬來酸二乙酯，脫色 ，中和，反應釜 The Process Design of a Plant Producing 500t/a Diethyl Maleate : The Design of Decolor and Neutralization reactor Abstract: Diethyl Maleate is a macromolecular monomer, and an intermediates of pesticide, medicine spices, water quality stabilizer(organic polybasic carboxylic acid phosphate compound). Its natures, uses, main production methods, market prospect and trend of development are mainly introduced in this paper. Using maleic anhydride and ethanol as the raw materials, after esterification, decolorization neutralization, filtration, distillation, the Diethyl Maleate products were finally got. According to the material balance and heat balance, Neutralization reactor and its subsidiary equipment size were calculated, and a drawing of standard neutralization reactor was draw. Keywords: Diethyl Maleate, Decolor, Neutralization, Reactor 1 概述 1.1 形狀及應用 1.1.1 馬來酸二乙酯的性狀[1] 馬來酸二乙酯又名順丁烯二酸二乙酯、失水蘋果酸二乙酯、失水蘋果酸乙酯，英文名 Diethyl maleate，化學式為C8H12O4，分子量為172.18。結構式 。 馬來酸二乙酯為無色透明液體，常溫常壓下穩(wěn)定。 禁配物：氧化劑、還原劑、酸類、堿類。 微溶于水，溶于醇、醚、烴等有機溶劑，在堿性溶液中易水解，30℃時在水中溶解1.4％；水在馬來酸二乙酯中溶解1.9％，與88.2％的水形成共沸混合物，共沸點99.65℃。 熔點（℃）：-11.5，沸點（℃）：225.0，相對密度（水=1）：1.0687（20℃），相對蒸氣密度（空氣=1）：5.93，飽和蒸汽壓（kPa）：0.133（57.3℃），酸堿度（PH值）：1，折光率：1.4415，粘度（mPa.s，25℃）：3.14，蒸發(fā)熱（kJ/mol）：52.3，蒸汽壓（kPa，30℃）：0.30。 技術指標：含量≥98%，酸度(一硫酸計)≤0.1%。 1.1.2 馬來酸二乙酯的危險性概述 侵入途徑：吸入、食入、經皮吸收。 健康危害：該品粉塵和蒸氣具有刺激性，吸入后可引起咽炎、喉炎和支氣管炎，可伴有腹痛。眼和皮膚直接接觸有明顯刺激作用，并引起灼傷。慢性影響：慢性結膜炎、鼻粘膜潰瘍和炎癥。有致敏性，可引起皮疹和哮喘。對眼睛、皮膚、粘膜有一定的刺激作用。 環(huán)境危害：該物質對環(huán)境有害，建議不要讓其進入環(huán)境，應特別注意對水體的污染。 燃爆危險：其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱極易燃燒爆炸，有腐蝕性。與氧化劑能發(fā)生強烈反應，引起燃燒或爆炸。若遇高熱，可發(fā)生聚合反應，放出大量熱量而引起容器破裂和爆炸事故。蒸氣比空氣重，沿地面擴散并易積存于低洼處，遇火源會著火回燃。 1.1.3 馬來酸二乙酯的消防措施 有害燃燒產物：一氧化碳、二氧化碳。 滅火方法：盡可能將容器從火場移至空曠處，噴水保持火場容器冷卻，直至滅火結束。處在火場中的容器若已變色或從安全泄壓裝置中產生聲音，必須馬上撤離。 滅火劑：霧狀水、泡沫、二氧化碳、干粉、沙土滅火。 滅火注意事項及措施：消防人員須佩戴防毒面具、穿全身消防服，在上風向滅火，盡可能將容器從火場移至空曠處，噴水保持火場容器冷卻，直至滅火結束。處在火場中的容器若已變色或從安全泄壓裝置中產生聲音，必須馬上撤離；注意用水滅火無效。 1.1.4 馬來酸二乙酯的應用及儲存 用途：馬來酸二乙酯主要用于生產有機磷農藥馬拉硫磷。馬來酸二乙酯也是合成高分子化合物的單體。馬來酸二乙酯還用作醫(yī)藥、香料、水質穩(wěn)定劑等的中間體、殺蟲劑、塑料助劑。 包裝：200公斤/鍍鋅鐵桶或200公斤/塑料桶。 儲存方法：儲存在陰涼干燥通風的地方，遠離火種、熱源。防止陽關直射，保持容器密封，應與氧化劑、還原劑、酸類、堿類分開存放，切勿混儲。配備相應品種和數量的消防器材，儲區(qū)應備有泄漏應急處理設備和合適的收容材料。 1.2 馬來酸二乙酯的操作注意事項 密閉操作，提供充分的局部排風；操作人員必須經過專門培訓，嚴格遵守操作規(guī)程；建議操作人員佩戴頭罩型電動送風過濾式防塵呼吸器，穿膠布防毒衣，帶橡膠手套；遠離火種、熱源，工作場所嚴禁吸煙，使用防爆型的通風系統(tǒng)和設備；避免產生粉塵，避免與氧化劑、酸類接觸；搬運時要輕裝輕卸，防止包裝及容器損壞；配備相應品種數量的消防器材及泄漏應急處理設備；倒空的容器可能殘留有害物。 1.3 馬來酸二乙酯的應急處理 迅速撤離泄露污染區(qū)人員至安全區(qū)，并進行隔離，嚴格限制出入。切斷火源。周圍設警告標志，建議應急處理人員戴好防毒面具，穿化學防護服。不要直接接觸泄漏物，盡可能切斷泄漏源，防止流入下水道、排洪溝等限制性空間。小量泄漏：用沙土、蛭石或其它惰性材料吸收。大量泄漏，構筑圍堤或挖坑收容，用泵轉移至槽車或專用收集器內，回收或運至廢物處理場所處理。 呼吸系統(tǒng)防護：空氣中濃度超標時，應該佩帶防毒口罩。 眼睛防護：戴安全防護眼鏡。 防護服：穿工作服（防腐材料制作）。 手防護：帶橡皮手套。 其他：工作后，淋浴更衣，注意個人清潔衛(wèi)生。 皮膚接觸：脫去污染的衣著，立即用水沖洗至少15分鐘。若有灼傷，就醫(yī)治療。 眼鏡接觸：立即提起眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗至少15分鐘。 吸入：迅速脫離現(xiàn)場至空氣新鮮處，保持呼吸道暢通，必要時進行人工呼吸或就醫(yī)。 食入：誤食者立即漱口，給飲牛奶或蛋清或就醫(yī)。 1.4 運輸注意事項 運輸前應先檢查包裝容器是否完整、密封，運輸過程中要確保容器不泄露、不倒塌、不墜落、不損壞。嚴禁與氧化劑、還原劑、酸類、堿類等混裝混運。船運時，應與機艙、電源、火源等部位隔離。公路運輸時要按規(guī)定路線行駛。 1.5 國內外市場需求 馬來酸二乙酯是重要的精細化工原料，有著良好的發(fā)展前景，國內外市場需求量很大，但國內的生產量遠遠不能滿足國內外市場需求。目前，國內外有好多大型企業(yè)在生產此類產品，如國內的遼寧葫蘆島農藥廠，武漢葛店化工集團公司。 2. 馬來酸二乙酯的生產工藝介紹 2.1馬來酸二乙酯的生產方法 馬來酸二乙酯由順丁烯二酸酐和乙醇在硫酸存在下酯化制得，也可用陽離子交換樹脂為催化劑進行交換轉化而得。工業(yè)品順丁烯二酸二乙酯含量≥98%，每噸產品消耗順丁烯二酸酐(95%)585kg，乙醇(95%)604kg。馬來酸二乙酯的傳統(tǒng)生產工藝是用濃硫酸做催化劑，馬來酸酐和乙醇酯化反應合成。 2.1.1 硫酸催化酯化法 本工藝分有苯正壓操作和無苯負壓操作。 有苯正壓操作工藝過程為，將一定量的苯和乙醇加入酯化鍋，投入順丁烯二酸酐在攪拌的情況下，向酯化鍋滴加濃硫酸，加料后，將溫度升至75℃左右，酯化反應產生的水分與苯、乙醇形成三元共沸物上升到蒸餾塔，塔頂溫度保持在65℃左右，共沸物由塔頂進入冷凝器，被冷凝器冷卻到50℃左右流入分離器分層，分離器蛇管通入低溫水，使溫度降至25℃左右，此時上層液體含苯84.5%，水1%，乙醇14.5%，回流入反應鍋內繼續(xù)酯化蒸餾帶水，使可逆的酯化反應進行完全。分離器下層水進一步處理，可回收苯和乙醇。當塔頂溫度上升至68.2℃、分離器下層水液位不再上升時，表示反應鍋內水分已經全部蒸出，酯化反應已經完成。此時蒸出的苯和乙醇二元共沸物，不再回流直接由分離器放入儲槽，經干燥后，此苯、乙醇共沸物供酯化反應配料使用。 無苯負壓操作，這是一種重要改進。順丁烯二酸酐和乙醇在硫酸作用下酯化。借一定的真空和溫度將乙醇和反應生成的水呈氣態(tài)帶出，然后通過分餾塔分離出乙醇回流酯化，使反應趨向完全。這種操作方法能縮短反應周期，提高收率和產品質量，改善操作環(huán)境，國內生產廠大都采用此法。 但考慮到經濟效益，正壓比負壓更容易得到，所以采用有苯正壓操作。 2.1.2 離子交換法 順丁烯二酸酐和乙醇的酯化反應在陽離子交換樹脂的作用下進行。交換柱直徑400㎜、高4m，工作溫度為95±2℃。此法可以避免硫酸催化法正壓有苯操作工藝中的苯污染，但對反應原料和設備要求提高，因為交換樹脂容易與高價金屬離子如鐵、鈣、鋁等進行交換而失去催化活性，故反應原料中應不含這些金屬離子，反應設備要求采用搪玻璃、不銹鋼材質。 用粉末型苯乙烯-二乙烯苯強酸性離子交換樹脂催化合成順丁烯二酸二乙酯，能取得提高產品質量、簡化工藝、避免游離酸腐蝕的效果。這種粉末樹脂是一種能顯示離子交換功能的高分子材料，在它交聯(lián)結構的高分子基體上以化學鍵結合著許多酸性或堿性基團，能和一般低分子酸、堿一樣對某些有機化學反應起催化作用，將苯乙烯-二乙烯苯強酸性離子交換樹脂經過10%氫氧化鈉及10%鹽酸交換浸泡后，洗至近中性，在烘箱110℃～120℃溫度下干燥，按順丁烯二酸酐重量的1%～20%加入反應系統(tǒng)，乙醇過量0～5%，在50～100℃進行酯化反應。在反應過程中，不斷蒸餾出乙醇-水共沸物帶出反應生成的水分，在催化劑用量為10%時，完成酯化反應所需時間為4～6h，然后將反應物中的催化劑粉末樹脂過濾分離，就可獲得純度較高的產品，粉末樹脂經活化后繼續(xù)使用。 2.2 馬來酸二乙酯的生產工藝選擇 傳統(tǒng)方法成熟，產率穩(wěn)定，對設備的要求比較低。大規(guī)模工業(yè)生產經濟效益相對比較高且催化劑在液相中具有良好的催化活性，所以馬來酸二乙酯生產工藝是用濃硫酸做催化劑，馬來酸酐和乙醇酯化反應合成。 2.3 生產流程 工藝流程圖如下： 反活性炭 應器 脫 色 中 和 過 濾 精 餾 精 餾 濃硫酸 乙醇 馬來酸酐 活性炭 碳酸鈉 鈉 乙醇,笨 馬來酸酐 馬來酸二乙酯 冷凝器 冷凝器 2.4 反應流程 本設計采用傳統(tǒng)生產工藝用濃硫酸做催化劑，馬來酸酐和乙醇反應合成。雖然，以馬來酸酐、乙醇、濃硫酸為原料經過酯化制得馬來酸二乙酯這一工藝路線有很多缺陷，但是它還是目前比較成熟的工藝方法，所以本文工藝設計所選擇的方法也是以馬來酸酐、乙醇、濃硫酸為原料經過酯化制備。 反應方程式 酯化反應完全后混合物用碳酸鈉中和。 酯化反應是一個典型的可逆反應，馬來酸二乙酯的生產主要依靠如何優(yōu)化反應而提高生產效率。常有以下方法： （1）將反應原料中任何一種過量，使平衡盡量向右移動。 （2）將反應中生成的水或酯及時從系統(tǒng)中除去，促使酯化反應完全。生產中常以過量的醇做溶劑與水形成共沸作用，且共沸溶劑可以在生產過程中循環(huán)使用。 在本生產中，由于馬來酸酐價格較貴，考慮到生產成本，采用乙醇過量。以濃硫酸做催化劑，苯做帶水劑，來促進酯化反應完全。 2.5 主要原料配比和用量 原料 用量（kg/班次） 馬來酸酐 329.6 乙醇 309.4 苯 768.8 濃硫酸 10.3 碳酸鈉 11.7 乙醇用量對反應的影響 乙醇/mL 酐醇摩爾比 產品質量/g 產品收率/g 6 1:2 4.5 52.3 9 1:3 7.2 83.7 12 1:4 7.9 91.9 15 1:5 7.6 88.4 18 1:6 7.3 84.9 該反應中酸酐、乙醇恰當的摩爾比為1:2.4。 2.6 原料規(guī)格 馬來酸酐 含量（以順丁烯二酸酐）/% ≥98.5 熔融色度（鉑—鈷）/ 號 ≤100 結晶點/ ℃ ≥51.5 灰分 /% ＜0.005% 乙醇 含量（以乙醇）/ % ≥96.0% 酸含量（以乙酸計） ≤0.0025% 醛含量（以乙醛計） ≤0.004% 甲醇含量（φ）總堿量 0.02%和0.03% 碳酸鈉 總堿量（以Na2CO3 計） ≥98.5% 氯化物（以NaCl計） ≤1.0% 鐵鹽（以Fe計） ≤0.001% 水不溶物 ≤0.10% 灼燒失重 ≤0.50% 3 反應器 化學反應是化工生產中的一個基本單元操作，設備形式為釜式或管式等。反應物在一定的溫度、壓力和催化劑作用下，生成目標產物，同時伴有副產物和熱效應。反應后的產物經過分離單元操作，如精餾、萃取、結晶和干燥等，最終得到目標產物。 3.1 反應釜的選型 反應釜的材料主要滿足生產工藝的要求，如耐壓、耐溫、耐介質腐蝕以及保證產品清潔等。由于材料的不同，反應釜的制造工藝、結構也有所不同。因此可分為鋼制攪拌設備、搪玻璃攪拌設備和帶襯里的攪拌設備等。 在此工藝過程中，我們選用比較常用的立式鋼制攪拌反應釜。 3.2 確定反應釜的操作方式[2] 根據工藝流程的特點，確定反應釜是連續(xù)操作還是間歇操作（即分批式操作）。 間歇操作是原料一次性加入反應器，然后在釜內進行反應，經過一定時間后，達到要求的反應程度便生產出全部物料，接著清洗反應釜，繼而進行下一批原料的裝入、反應和御料，即一批一批的反應，所以這種反應釜又叫分批式反應釜或間歇式反應釜。連續(xù)操作是連續(xù)地將原料加入反應器，反應后的原料也連續(xù)的流出反應釜，所使用的反應釜叫連續(xù)釜。 間歇式反應釜適用于產量小而產品種類多的生產過程例如制藥工程和精細化工；對于反應速率小、需要比較長的反應時間的反應過程，使用間歇反應釜也是合適的。連續(xù)反應釜適用于生產規(guī)模較大的生產過程。權衡此工藝流程，采用間歇式反應釜。 對于間歇攪拌釜中，釜內溫度、濃度由于攪拌作用而達到均勻。 間歇攪拌器如下圖： 4 脫色 因為在本實驗中需要進行脫色，故選活性炭進行脫色?；钚蕴渴且环N吸附能力很強的炭，是把硬木、果殼、骨頭等放在密閉的容器中燒成炭再增加其孔隙后制成的。防毒面具中用來過濾氣體，工業(yè)上用來脫色、使溶液純凈，醫(yī)藥上用來吸收胃腸中的毒素、細菌或氣體。 因為PH值會影響溶液的電離度，一般物質在酸性環(huán)境中電離度是比較低的?；钚蕴吭谒嵝匀芤褐校≒H:3-5）吸附作用較強，在堿性溶液中有時出現(xiàn)“膠溶”或脫吸附作用，使溶液中的雜質增加，影響制成溶液質量。所以在酸性環(huán)境中活性炭的吸附效果是比較好的。 因此，此生產過程中在中和反應進行前，對產品溶液進行脫色，活性炭加入量為酯化產品的5%。 5 工藝計算 5.1 生產能力 假設每年工作日為300天，要完成年產500噸馬來酸二乙酯的生產量。則每天生產馬來酸二乙酯 500×1000／300＝1666.7 ㎏／天 采用每天3班制間歇式生產 1666.7／3=555.6 ㎏／班次 又知，馬來酸二乙酯質量分數為98％，所以工藝流程中需生產純的馬來酸二乙酯為 555.6×98%＝544.5 ㎏／班次 精餾塔Ⅱ中損耗3％，所以精餾塔Ⅱ進口含量為 544.5／97％＝561.3 ㎏／班次 精餾塔Ⅰ中損耗1％，所以精餾塔Ⅰ進口含量為 561.3／99％＝567.0 ㎏／班次 過濾時損耗1％，所以過濾進口含量為 567.0／99％＝572.7 ㎏／班次 中和反應時損耗1％，所以中和反應時進口含量為 572.7／99％＝578.5 ㎏／班次 馬來酸酐 CH3CH2OH 馬來酸二乙酯 H2O 98 92 172 36 329.6kg 309.4kg 578.5kg 121.1kg 因為馬來酸酐質量分數為95%，則 329.6/95%=346.9 kg/班次=3.5 kmol/班次 因為乙醇與馬來酸酐的摩爾比為2.4:1，所以 n乙醇=3.5×2.4=8.4 kmol m乙醇=8.4×46=386.4 kg/班次 因為催化劑H2SO4與馬來酸酐的摩爾比為0.03:1，所以 n硫酸=0.03×3.5=0.105 kmol m硫酸=0.105×98=10.3 kg/班次 因為甲苯用量為每摩爾馬來酸酐250ml,所以 V苯=3.5×103×250=875000 ml=875 L=0.875 m3 H2SO4 + Na2CO3 = Na2SO4 + H2O + CO2↑ 98 106 142 10.3kg 11.1kg 14.9kg 因為需中和所有的催化劑H2SO4，所以Na2CO3必須過量5%，即 n碳酸鈉=1.05×0.105=0.11 kmol m碳酸鈉=0.11×106=11.7 kg 又知活性炭加入量為酯化產品的5%，所以 m活性炭=0.05×578.5=28.9 kg≈30 kg 5.2 立式攪拌反應釜的設計 5.2.1 確定筒體和封頭形式[3] 從上述已知工作壓力及反應溫度以及該設備之工藝過程性質，可以看出它是屬于帶攪拌的反應釜類型，根據慣例，選擇圓柱形筒體和橢圓形封頭。 5.2.2 反應釜體積VR的計算 查取數據，得 ρ乙醇=0.7895 g/cm3=789.5 kg/m3 ρ硫酸=1.84 g/cm3=1840 kg/m3 ρ碳酸鈉=2.532 g/cm3=2532 kg/m3 ρ活性炭=0.45-0.55 g/cm3(取0.5 g/cm3=500 kg/m3) ρ馬來酸二乙酯=1.064 g/cm3=1064 kg/m3 所以 V乙醇=386.4/789.5=0.49 m3 V硫酸=10.3/1840=0.006 m3 V碳酸鈉=11.7/2532=0.005 m3 V活性炭=30/500=0.06 m3 V馬來酸二乙酯=578.5/1064=0.54 m3 V苯=0.875 m3 即VR= V乙醇+V硫酸+V碳酸鈉+V活性炭+V馬來酸二乙酯+V苯 =0.49+0.006+0.005+0.06+0.54+0.875=1.976 m3 決定反應器的罐體體積應考慮裝料系數φ，通常裝料系數可取0.4～0.85。具體可按下列情況確定： 不帶攪拌或攪拌緩慢的反應釜　　　　　　　0.8～0.85 帶攪拌的反應釜 0.6～0.8 易起泡沫和在沸騰下操作的設備 0.4～0.6 在實際工程中，要根據物料的性質，反應時的狀態(tài)和生成物的特點，合理的選取裝料系數，以盡量提高罐體的利用率。 V=VR/φ=1.976/0.6=3.29 m3≈4m3 φ—裝料系數 帶攪拌的反應釜φ取0.6～0.8 在此φ取0.6 5.2.3 確定反應釜筒體的直徑與高度[4] 在已知攪拌器的操作容積后，首先要選擇罐體適宜的長徑比(H/Di)，以確定罐體直徑和高度。選擇罐體長徑比主要考慮以下兩方面因素： 1、長徑比對攪拌功率的影響：在轉速不變的情況下，PD5（其中D——攪拌器直徑，P——攪拌功率），P隨釜體直徑的增大。而增加很多，減小長徑比只能無謂地損耗一些攪拌功率。因此一般情況下，長徑比應選擇大一些。 2、長徑比對傳熱的影響：當容積一定時，H/Di越高，越有利于傳熱。 長徑比的確定通常采用經驗值 種類 罐體物料類型 H/Di 一般攪拌罐 液-固或液-液相物料 1--1.3 氣-液相物料 1—2 發(fā)酵罐類 1.7—2.5 本工藝選用為液固物系反應故H/Di選定為1.1 在確定了長徑比和裝料系數之后，忽略罐底容積，此時 解得 Di=1.667m=1667mm 在設計時選用標準筒體尺寸DN=1.6 m =1600 mm 當DN=1600 mm，由《化工設備機械基礎》表13-5查得標準橢圓形封頭的容積Vh=0.5215m3, 從表13-3查得筒體每一米的容積V1=1.945m3 筒體高度 H=(V－VR)/ V=(4－0.5215)/1.945=1.788m=1788mm 圓整筒體高度Hi=1800 mm，于是H/ Di=1788/1667≈1.1 5.2.4 封頭設計 根據《化工設備機械基礎》表13-5封頭的名稱及型式參數表得DN=1600mm 時封頭總深度H=425mm 又公式得 h=25mm 5.2.5 反應釜厚度計算 反應釜在壓力狀態(tài)下操作由于此反應釜帶夾套則筒體及上下封頭均按內壓容器設計操作時釜內最大壓力做為工作壓力。 σ? 5.2.6 內筒筒體厚度計算 承受0.101MPa內壓時筒體厚度 設計厚度δd=(pDi)/(2[δ]tφ -p)+C2=(0.101×1667)/（2×113×0.6-0.101）+2=3.3mm 查《化工設備機械基礎》表13-6取鋼板負偏差 名義厚度δn=δd+C1=3.3+0.8=4.1 mm 圓整后取名義厚度 ：設計溫度下圓筒材料的許用應力，MPa。Q235-B的為113MPa。 ：焊接接頭系數，圓筒除了采用無縫鋼管外，一般均由鋼板卷焊而成。焊縫內可能由于有氣孔，夾渣等影響，造成焊縫本身比圓筒鋼板本體的強度為弱，所以要將鋼材的許用應力適當降低變?yōu)椋?,一般情況下視全部無損探傷，所以取。 5.2.7 封頭厚度計算 承受0.101MPa內壓時封頭厚度 設計厚度δd=pDi/(2[δ]tφ -0.5p)+C2=(0.101×1667)/（2×113×0.6-0.5×0.101）+2=3.3 mm 查《化工設備機械基礎》表13-6取鋼板負偏差 名義厚度δn=δd+C1=3.3+0.8=4.1 mm 圓整后取名義厚度 ：設計溫度下圓筒材料的許用應力，MPa。Q235-B的為113MPa。 ：焊接接頭系數，封頭除了采用無縫鋼管外，一般均由鋼板卷焊而成。焊縫內可能由于有氣孔，夾渣等影響，造成焊縫本身比圓筒鋼板本體的強度為弱，所以要將鋼材的許用應力適當降低變?yōu)?，?,一般情況下視全部無損探傷，所以取。 反應釜采用Q235-B內襯聚氯乙烯（PVC）圖涂層。 6 反應釜攪拌器設計及計算 6.1 攪拌器的類型[5] 攪拌器的型式很多，它的行狀、尺寸、結構與被攪拌液體的性質和要求實現(xiàn)的流型有關，因而應根據工藝要求來選用。常用的攪拌器有以下幾種。 6.1.1 推進式攪拌器 高速旋轉的攪拌器使釜內液體產生軸向和切向運動。液體的軸向分速度可以起到混合液體的作用；而切向分速度使釜內液體產生圓周運動，并形成漩渦，不利于液體的混合，且當物料為多相體系時，還會產生分層或分離現(xiàn)象，因此，應采取措施預于抑制或消除。推進式攪拌器產生的湍動程度不高，但液體循環(huán)量較大，常用于低粘度（＜2Pa·s）液體的傳熱、反應以及固液比較小的懸液、溶解等過程。 6.1.2 渦輪式攪拌器 高速旋轉的攪拌器使釜內液體產生切向和徑向運動，并以很高的絕對速度沿葉輪半徑方向流出。流出液體的徑向分速度使液體流向壁面，然后形成上、下兩條回路流入攪拌器。流出液體的切向分速度使釜內液體產生圓周運動，同樣應采取措施予以抑制或消除。與推進式攪拌器相比，渦輪式攪拌器不僅能使釜內液體產生較大的循環(huán)量，而且對槳葉外緣附近的液體產生較強的剪切作用，常用于粘度小于50Pa·s液體的傳熱、反應以及固液懸浮、溶解和氣體分散等過程。 6.1.3 槳式攪拌器 平槳式攪拌器可使液體產生切向和徑向運動，可用于簡單的固液懸浮、溶解和氣體分散等過程。但是，即使是斜槳式攪拌器，所造成的軸向流動范圍也不大，故當釜內液位較高時，應采用多斜槳式攪拌器，或與螺旋槳配合使用。當旋轉直徑達到釜徑的0.9倍以上，并設置多層槳葉時，可用于較高粘度液體的攪拌。 6.1.4 錨式和框式攪拌器 當液體粘度更大時，可根據釜底的形狀，將槳式攪拌器做成錨式或框式；此類攪拌器一般在層流狀態(tài)下操作，主要使液體產生水平環(huán)向流動，基本不產生軸向流動，故難以保證軸向混合均勻。但此類攪拌器的攪動范圍很大，且可根據需要在槳上增加橫梁和豎梁，以進一步增大攪拌范圍，所有一般不會產生死區(qū)。此外，由于攪拌器與釜內壁的間隙很小，可防止固體顆粒在釜內壁上的沉積現(xiàn)象。錨式和框式攪拌器常用于中、高粘度液體的混合、傳熱及反應等過程。 6.1.5 螺帶式攪拌器 為進一步提高軸向混合效果，可采用螺帶式攪拌器。此類攪拌器亦在層流狀態(tài)下操作。但在螺帶的作用下，液體將沿著螺旋面上升或下降形成軸向循環(huán)流動，故混合效果比錨式或框式的好，常用于中、高粘度液體的混合、傳熱及反應等過程。 6.2 反應釜攪拌器設計及計算 （1）材料：主要有扁鋼、合金鋼、有色金屬、鋼外包橡膠或環(huán)氧樹脂、酚醛玻璃布等，本反應在酸性條件下進行，故采用外包聚氯乙烯攪拌器。 （2）形式 平直：葉面與旋轉方向垂直。 （3）尺寸： 拌器直徑 在此系數取0.5 槳葉寬度 在此系數取0.15 加強筋的厚度常與漿葉厚度相同 DJ=0.5Di=0.5×1667=833.5 mm h=0.5 DJ=0.5×833.5=416.8 mm b=0.15 DJ=0.15×833.5=125.03 mm —攪拌器直徑 —攪拌器葉輪距釜底高度 —葉輪寬度 因為參與中和反應的碳酸鈉為固體堿，考慮工藝條件和要求，所以決定在本次設計中采用開啟渦輪式攪拌器（直葉），轉速在100rad/min左右。 此處取 為槳葉數 （4）固定方式：當d<50mm時，除用螺栓對夾外，再用緊固螺釘固定；當d>50mm時，除用螺栓對夾外再用穿軸螺栓或圓柱銷固定在軸上 6.2.1 攪拌器功率計算 取經驗值得反應釜中礦漿黏度μm=0.35 mPa·s 反應物料平均密度ρ苯=0.8786g/ml=878.6kg/m3 m苯=878.6×0.875=768.8kg ρm=m/VR=(386.4+10.3+11.7+30+578.5+768.8)/1.976 =903.69 kg/m3 雷諾數Re=DJ2nρ/um=0.83352×1.5×903.69/0.35=2690.63 查功率數與雷諾數的關系圖的 KN=1.5 攪拌器功率N= KNρn3 DJ5=1.5×903.69×1.53×0.83355 =1840.4W=1.84kW 6.2.2 攪拌軸的材質及加工要求 攪拌軸工作時，主要受扭轉、彎曲和沖擊作用，故軸的材質應有足夠的強度、剛度和韌性。此外，為了便于加工制造，還要有優(yōu)良的切削加工性能。所以常采用45＃鋼。對于要求較低的攪拌軸，也可用Ｑ235－A 或35＃鋼。由于本反應中有大量硫酸存在故攪拌軸下端采用聚氯乙烯（PVC）外包。 6.2.3 攪拌軸直徑計算 攪拌扭矩 空心軸內外徑比 許用扭轉角 軸的剪切彈性模量 鋼 攪拌軸直徑 7 反應熱[6] 7.1 相關物料的物性參數 7.2 相關物質量 n碳酸鈉=0.11 kmol=110 mol 7.3 反應放熱 結束語 本文主要介紹了年產500噸馬來酸二乙酯車間工藝設計過程中脫色和中和反應釜的設計,這是一個相當成熟的工藝，具有廣闊的市場前景及發(fā)展趨勢。在設計過程，重溫了以前學習的有關化工計算、化工原理、物理化學、化工設計及化工制圖等的一些知識，也學會了如何用捷徑的方法查找所需資料。但是在設計的過程中，由于所設計的產品工藝中許多相關中間產物的物性參數欠缺，很多數據是經驗值和估計值，所以難免會有很多誤差。還有由于自身知識有限和經驗貧乏，計算結果和實際有些偏差，所以，在以后的設計中仍需要進一步改進。 參考文獻 [1] 周連江, 樂志強. 無機鹽手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2008. [2] 賀匡國. 化工容器及設備簡明設計手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2002. [3] 周大軍, 揭嘉等. 化工工藝制圖[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2005. [4] 趙軍, 段成紅等. 化工設備機械基礎[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007. [5] 賈邵義, 柴誠敬等. 化工原理課程設計[M]. 天津:天津大學出版社, 2002. [6] 傅獻彩, 沈文霞等. 物理化學[M]. 北京：高等教育出版社, 2005. [7] 夏清, 陳常貴等. 化工原理[M]. 天津：天津大學出版社, 2005. 謝辭 本次畢業(yè)設計是在陳虎魁教授的悉心指導下完成的。在本次的設計期間，陳老師嚴謹的治學態(tài)度、求實的工作作風、循循善誘的教導給予我無盡的啟迪。盡管本次設計的時間緊張而匆忙，但是陳老師在設計中的給我的具體指導對我科研技能及業(yè)務能力的提高有著深遠的影響。在此，我向陳老師表示衷心的感謝！ 最后，在設計即將完成之際，對所有曾經在工作和學習過程中幫助過我的老師及同學表示最真誠的感謝！ 25