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年产1000吨丙酸钠反应釜设计


宝鸡文理学院化学化工系 毕业设计
题目: 年产 1000 吨丙酸钠车间工艺设计 ——立式搅拌反应釜的设计

学生姓名 指导教师 班 专 学 级 业 院

宁颖涛(200792054044) 陈虎魁(教授) 2007 级 1 班 化学工程与工艺 宝鸡文理学院

2010 年 5 月 30 日

> 目录 摘要……………………………………………………………………………………1 1 概述………………………………………………….................................................2 1.1 丙酸钠的性状及应用…………………………………………………….…….2 1.1.1 丙酸钠的性状………………………………………………………..……..2 1.1.2 丙酸钠的应用………………………………………………………………2 1.2 丙酸钠的危险性………………………………….............................................2 1.3 丙酸钠的贮存与运输…………………………………………………………...2 1.4 丙酸钠的使用范围及使用量…………………………………………………...2 1.5 丙酸钠的生产厂家……………………………………………………………...3 1.6 丙酸钠的市场前景……………………………………………….......................3 2 丙酸钠的生产工艺介绍……………………………..................................................3 2.1 丙酸钠的生产方法……………………………………………………………...4 2.1.1 碳酸钠酸碱中和法…………………………………………………………4 2.1.2 氢氧化钠酸碱中和法………………………………………………………4 2.1.3 碳酸氢钠酸碱中和法………………………………………………………4 2.2 生产方法的选定………………………………………………………………...4 3 工艺流程简述………………………………………..................................................4 3.1 工艺流程框图………………………………….…..............................................4 3.2 原料、 辅助原料、 原料配比…………………………………………………….5 3.3 丙酸钠产品的主要技术规格…………………………………………………...5 3.4 反应釜类型……………………………………………………………………...5 3.5 间歇搅拌釜式反应器…………………………………………………………..6 4 工艺计算……………………………………………………………………………..8 4.1 设计生产能力……………………………………..............................................8 4.2 立式搅拌反应釜的设计……………………………………..............................9 4.2.1 确定筒体和封头形式……………………………………..........................9 4.2.2 反应釜体积 V T 的计算……………………………………........................9 4.2.3确定反应釜筒体的直径与高度…………………………………………10

4.2.4 罐体筒体计算厚度……………………………………………………..11 4.2.5 封头设计………………………………………………………………..12 4.2.6 罐体封头厚度计算……………………………………………………..13 4.2.7 夹套筒体厚度计算……………………………………………………..13 4.2.8 夹套封头厚度计算……………………………………………………..14 4.2.9 夹套高度及表面积的计算……………………………………………..14 5. 反应釜搅拌器设计及计算………………………………………………………15 5.1搅拌器的类型…………………………………………………………………15 5.2 搅拌器设计计算……………………………………………………………..16 5.2.1 搅拌器的选型…………………………………………………………..16 5.2.2 搅拌器功率计算………………………………………………………..17 5.2.3 搅拌轴的工艺计算……………………………………………………..17 5.2.3.1 搅拌轴的材质及加工要求………………………………………..17 5.2.3.2 搅拌轴直径计算…………………………………………………..18 6 热量衡算…………………………………………………………………………..18 6.1 相关物料的物性参数[14] …………………………………………………….18 6.2 相关物质量…………………………………………………………………..18 6.3热量计算………………………………………………………………………19 结束语………………………………………………………………………………..20 参考文献……………………………………………………………………………..21 谢辞…………………………………………………………………………………..22

年产1000吨丙酸钠车间工艺设计
—立式搅拌反应釜的工艺设计
宁颖涛*
(宝鸡文理学院 化学化工系, 陕西 宝鸡 721013)

摘 要:由丙酸可制备多种盐,如丙酸钠、丙酸钙、丙酸锌等。丙酸盐既可以用作食品添加 剂,也可用作饲料等的防霉剂。本文综述了丙酸盐类中丙酸钠的生产工艺、产品质量、生产 设备、产品各项指标及市场前景,并重点介绍了年产1000吨丙酸钠车间生产工艺中,生产丙 酸钠的立式搅拌反应釜的设计。 本设计根据反应物的物料恒算和热量恒算对反应釜工艺尺寸 及其附属设备进行计算,从而能够在适当的工艺条件下实现丙酸钠的生产。 关键词:丙酸钠 生产工艺 中和 立式搅拌反应釜

The Process Design of a Plant Producing 1000t/a sodium propionate: The Design of vertical agitation reaction still
Ning Yingtao
(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji, Shaanxi, 721013 ) Abstract: Propionic acid salt can used for food additives, also used for feed mould inhibitor .This paper reviews propionic acid salts in the sodium propionate production technology, product quality, various indicators and market prospect, and mainly introduces an annual output of 1,000 tons sodium propionate workshop production process in production propionic acid sodium vertical stirrer tanks design. This design according to the material constant calculate and reactants to the reaction kettle constant calculate calorie process and its subsidiary equipment size calculation, which could in the appropriate technology condition realize sodium propionate production. Keywords:sodium propionate production technology neutralization reaction vertical agitation reaction still

* 交稿日期:2011-5-20 指导老师:陈虎魁 作者简介:宁颖涛(1988-) ,女,陕西西安市,宝鸡文理学院2011届化学工程与工艺毕业生
1

1.概述

1.1 丙酸钠的性状及应用 1.1.1 丙酸钠的性状 丙酸钠(英文名称:Sodium Propionate) ,分子式为:CH 3 CH 2 COONa,相对 分子质量96.06,是透明颗粒或结晶体,稍有特异丙酸气味。在湿空气中潮解, 极易溶于水,溶于醇,微溶于酮。对石蕊呈中性或弱碱性。丙酸钠基本无毒,对 霉菌、好氧性芽孢杆菌、草类氏阴性菌等具有抑菌效果。 1.1.2 丙酸钠的应用 ① 在食品工业中作膨松剂、面团调节剂、缓冲剂、组织改进剂、固化剂、 营养增补剂、螯合剂等。如作焙制品、糕点膨松剂。面包、饼干的助酵剂、缓冲 剂、果胶固化剂(凝胶作用) ,酵母食料肉类制品组织改进剂等。 ② 用于酿造,可增加糖化力,提高发酵能力。 ③ 用作杀菌剂、防腐剂、防霉剂,用于糕点、杨梅等防霉,也可用作饲料 防霉剂。 ④ 在制革中作蒙囿剂,以提高皮革的耐碱力和鞣制的均匀性。

1.2 丙酸钠的危险性 可燃性危险特性:可燃,火场排出含氧化钠辛辣刺激烟雾。

1.3 丙酸钠的贮存与运输 本品应密封贮存于干燥通风的仓库中,防止包装破损,防止受潮,与有害有 毒物品分开存放。

1.4 丙酸钠的使用范围及使用量 丙酸钠用于食品防腐添加剂时,我国允许使用的范围和限量为:浸杨梅 30-50g/kg,糕点2.5g/kg,加工干酪3000mg/kg,应使用3%-5%的水溶液,加工完 毕后必须洗净。

2

1.5 丙酸钠的生产厂家
表1 单位名称 鹤岗市红旗精细化工厂 上海华美助剂厂 地方国营淮安兽药厂 湖北中天亨迪药业有限公司 天津市兽药二厂 天津市化学试剂研究所 重庆市化工研究院 表2 国外丙酸钠的生产供应商 生产厂家 ALFA AESAR,AJOHNSON MATTHEY COMPANY AMERICAN International chemical,INC ASHLAND Distribution Company BROWN CHEMICAL CO,ICN INGAHAN&COMPANY,ICN NIACET CORP. 2000年国内主要丙酸钠生产厂家情况 生产能力/t*a 300 1000 100 1000 800
?1

产品纯度% 99.0 98.0 98.0 98.0 50.0 试剂级 食品、饲料级

1.6 丙酸钠的市场前景 我国的丙酸钠的生产起步于 20 世纪 80 年代,据不完全统计,全国生产厂才 有 10 家左右。规模都在 500t/a 以下,总规模不足 10kt/a。与国外相比,我国 丙酸钠生产存在较大的差距:一是规模小;二是工艺落后、消耗高;三是自动化 控制水平低,生产人员贫经验操作,产品质量波动大。因此,随着我国食品、饲 料行业的发展,及时采用先进的生产工艺及设备,改造或建设一定经济规模的生 产线,对丙酸钠防腐剂的发展将起到很大的推动作用,有着广阔的市场前景。

2.丙酸钠的生产工艺介绍

3

2.1 丙酸钠的生产方法 2.1.1 碳酸钠酸碱中和法制取丙酸钠 反应方程式:2CH 3 CH 2 COOH +Na 2 CO 3 = 2CH 3 CH 2 COONa + H 2 O + CO 2 ? 2.1.2 氢氧化钠酸碱中和法制取丙酸钠 反应方程式:CH 3 CH 2 COOH + NaOH = CH 3 CH 2 COONa + H 2 O 2.1.3 碳酸氢钠酸碱中和法制取丙酸钠 反应方程式:CH 3 CH 2 COOH + NaHCO 3 = CH 3 CH 2 COONa + H 2 O + CO 2 ?

2.2 生产方法的选定 从原料的来源与价格上考虑,碳酸钠的来源广泛,价格低廉,适用于大规模 生产,故选择碳酸钠与丙酸反应制取丙酸钠。

3. 工艺流程简述
本工艺由丙酸与碳酸钠作用而制得。工艺过程为:将碳酸钠溶于水中,开启 搅拌器,加热使之溶解,加入反应釜,在 80℃下慢慢加入丙酸。加完丙酸,调 节反应液 PH 值,使其 PH 值在 7-8 范围内,中和温度为 80℃,中和时间 2-3h。 将中和液过滤除去不溶物,清夜经浓缩、冷却、结晶、分离、干燥得成品。

3.1 工艺流程框图

丙酸 碳酸 钠 →

反应 釜加 热 →

抽 滤 →

蒸发 浓缩 —→ 结晶

晶体 离心 —→ 甩干

气流 干燥 →

检 → 测 →

计量 包装 →

成 品

4

3.2 原料、辅助原料、原料配比 原料:碳酸钠(质量分数为 95%) 丙酸(质量分数为 96%) 水 原料配比:n(丙酸)︰n(碳酸钠)=1︰0.72

3.3 丙酸钠产品的主要技术规格
表3 项 目 感官要求 要 求 检 验 方 法 取适量样品于清洁、 干燥的白 瓷盘中, 在自然光线下, 目视 观察,嗅其气味。

色泽和组织状态 气味

白色结晶、 颗粒或结晶性粉末 无臭或带微量乙酸味

表4 项目 1. 含量(以无水盐计) 2. 水分 3. 在 1%水溶液中 PH 值 4. 游离碱(以 Na 2 CO 3 计) 5. 砷(As) 6. 铁(Fe) 7. 铅(Pb)

丙酸钠产品质量指标 指标 ≮99% <1% 7.5~10.0 0.15% <3PPm <30PPm <10PPM

3.4 反应釜的类型 反应釜主要是用于石油,聚合物,化学产品,橡胶制品,农药,染料,医药, 食品,用来完成硫化,硝化,加氢,烷基化,缩合过程中,如压力容器,如反应 釜,反应釜,罐分解,聚合和材料通常碳锰钢,不锈钢,锆,镍基(哈氏合金, 蒙乃尔,镍康)合金及其它复合材料; 根据生产结构的反应釜可分为开放型反应堆落成单位, 开放对焊法兰型反
5

应堆和反应堆关闭三个类别,每个结构和适用范围的自己的长处和短处。 根据反应釜的分类和选择的材料 1.电加热反应釜 适用范围:广泛用于石油,化工,食品,医药,农药,研究和其他行业,完成工 业聚合,缩合,硫化,烷基化,加氢和其他化学品过程中,有机染料和中间体和 反应过程的许多设备。 2.蒸汽加热反应釜 适用范围:广泛用于石油,化工,食品,医药,农药,研究和其他行业,完成工 业聚合,缩合,硫化,烷基化,加氢和其他化学品过程中,有机染料和中间体和 反应过程的许多设备。 3.不饱和聚酯树脂设备 适用范围:用于生产不饱和聚酯树脂,酚醛树脂,环氧树脂, ABS 树脂,油漆 的关键设备。 4.不锈钢反应釜 适用范围:适用于石油,化工,制药,冶金,科研,大学和其他部门进行高温, 高压的化学反应试验,颗粒的粘性材料可以达到的高混合效果。 5.搪玻璃反应釜 适用范围:广泛用于石油,化工,食品,医药,农药,研究和其他行业。 6.磁力搅拌反应釜(化学反应釜) 适用范围:广泛用于石油,化工,食品,医药,农药,研究和其他行业,完成工 业聚合,缩合,硫化,烷基化,加氢和其他化学品过程中,有机染料和中间体和 反应过程的许多设备。 7.多功能反应釜色散 适用范围:广泛用于石油,化工,食品,医药,农药,科研产业,是用来完成聚 合,缩合,硫化,烷基化,加氢和其他化学品过程中,有机染料和中间体和过程 的许多反应设备。 8.小型试验高压釜 适用范围: 适用于高速, 低速, 混合低粘度材料。 各种化学反应的理想设备测试。 9.钢衬 pe 反应釜

6

适用范围:适用酸,碱,盐,和最醇。完善的应用液态食品和药品。是橡胶衬里, 玻璃钢,不锈钢,钛钢,搪瓷,塑料板焊接的理想替代产品。 10.钢衬 ETFE 反应釜 适用范围:特别是良好的抗腐蚀性能的能力不同浓度的酸,碱,盐,强氧化剂, 有机化合物和其他强腐蚀性化学品的所有媒体。为了解决高温硫酸,氢氟酸,盐 酸和各种有机酸,如理想的长期问题的腐蚀产物。 反应釜可根据不同类型的密封可分为:填料密封,机械密封和磁力密封。

3.5 间歇搅拌釜式反应器

间歇搅拌釜式反应器反应物料一次加入反应器,充分搅拌,使整个反应 器内物料的浓度和温度保持均匀。通常它配有夹套或蛇管,以控制反应温度。达 到规定的转化率,停止反应并将物料排出。生产周期包括加料、反应、出料、清 洗。 在理想的间歇搅拌釜式反应器器内,由于剧烈搅拌,物料达到分子尺度 上的均匀,且浓度处处相等,因而排除了物质传递过程对反应的影响;由于具有 足够大的传热速率,器内各处温度相等;排除了热量传递过程对反应的影响。这 种操作特点决定了间歇搅拌釜式反应器的反应结果只由化学动力学所确定。

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4. 工艺计算

4.1 设计生产能力

年产 1000 吨丙酸钠 按每年有 300 个工作日 日产丙酸钠(1000×10 3 )/300=3333.3Kg 采用每天 3 班制间歇式生产 3333.3/3=1111.1Kg/班次 最终产品丙酸钠的干基含量为 99% 则生产丙酸钠 1111.1Kg×99%=1100.0Kg/班次 浓缩收率 95%,结晶收率 95%,过滤收率 95%,干燥收率 99%。 工艺流程中总收率为 反应釜中生成丙酸钠为 根据反应方程式: 2CH 3 CH 2 COOH 148 1040.4Kg + Na 2 CO 3 = 106 745.1Kg 2CH 3 CH 2 COONa 192 1349.7Kg + H2 O 18 126.5Kg + CO 2 ? 44 309Kg 95%×95%×95%×95%=81.5% 1100/81.5%=1349.7Kg/班次

因为反应转化率为 95%,且反应在碱性条件下进行,故碳酸钠过量,则应根据丙 酸计算,那么所需丙酸质量为 1040.4Kg/95%=1095.2Kg/班次=14.8Kmol/班次 查资料得配料比为:n(丙酸)︰n(碳酸钠)=1︰0.72 n(碳酸钠)=14.8×0.72=10.7Kmol/班次=1134.2Kg/班次 本工艺所使用的丙酸为 96%,则需要丙酸(96%)=1095.2/96%=1140.8Kg/班次 碳酸钠为 95%,则需要碳酸钠(95%)=1134.2/95%=1194Kg/班次 查得 80℃时碳酸钠的溶解度为 43.9g/100g 水 则 1194Kg 碳酸钠需溶于水:2720Kg 碳酸钠溶液浓度为:1194/(1194+2720)=30.5%
8

应加入碳酸钠溶液 1194+2720=3914Kg 由资料已知 20℃时丙酸钠的溶解度为 1000g/1L,为 1︰1,溶解 1349.7Kg 丙酸钠 需 1349.7Kg 水。 进口物料组成:m 丙酸(96%) :1140.8 Kg/班次 m 碳酸钠溶液:3914 Kg/班次 m 水:1223.2 Kg/班次 出口物料组成:丙酸钠:1349.7 Kg/班次 生成的水:126.5 Kg/班次 二氧化碳:309 Kg/班次 过量的丙酸:54.8 Kg/班次 过量的碳酸钠:389.1 Kg/班次 溶剂水:3943.2 Kg/班次 96%丙酸所含水:45.6 Kg/班次 95%碳酸钠所含水:59.8 Kg/班次

4.2 立式搅拌反应釜的设计 4.2.1 确定筒体和封头形式 从上述已知工作压力及反应温度以及该设备之工艺过程性质,可以看出 它是属于带搅拌的反应釜类型,根据惯例,选择圆柱形筒体和椭圆形封头。 4.2.2 反应釜体积 V T 的计算
? ? ?
碳酸钠

=2.530g/cm 3 =2530 Kg/m 3

丙酸

=1.2659g/cm 3 =1265.9 Kg/m 3



=1.000g/cm 3 =1000 Kg/m 3
碳酸钠

V 丙酸钠 =m 碳酸钠 / ? V 丙酸 =m 丙酸 / ? V 水 =m 水 / ?


=1194/2530=0.47 m 3

丙酸

=1140.8/1265.9=0.90 m 3

=3943.2/1000=3.94 m 3

V R = V 丙酸钠 + V 丙酸 + V 水 =0.47+0.90+3.94=5.31 m 3
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决定反应器的罐体体积应考虑填充系数 f,体积计算值 V R 与实际设计值 V T 之比 为 f,其值根据反应物料的性质而定,一般为 0.4~0.85: 对于沸腾或鼓泡的液体物料,可取较小的值,如 0.4~0.6; 对于不沸腾或不鼓泡的液体物料,可取 0.7~0.85; 不带搅拌或搅拌缓慢的反应釜,取 0.85; 带搅拌的反应釜,取 0.6~0.8; 实际工程中,要根据物料性质,反应时的状态和生成物的特点,合理选择填充系 数,提高罐体利用率。本处选择填充系数 f=0.8,则: V R / V T =f=0.8 V T =5.31/0.8=6.64 m 3 ≈7 m 3 4.2.3确定反应釜筒体的直径与高度 在已知搅拌器的操作容积后,首先要选择罐体适宜的长径比(H/Di),以确定 罐体直径和高度。选择罐体长径比主要考虑以下两方面因素: 1、长径比对搅拌功率的影响:在转速不变的情况下,PD5(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,减小长径比只能无 谓地损耗一些搅拌功率。因此一般情况下,长经比应选择大一些。 2、长径比对传热的影响:当容积一定时,H/Di越高,越有利于传热。

表5 种类 一般搅拌罐

长径比的确定通常采用经验值 罐体物料类型 液-固或液-液相物料 气-液相物料 H/Di 1~1.3 1~2 1.7~2.5

发酵罐类

本工艺选用为液液物系反应故H/Di选定为1.2 在确定了长径比和装料系数之后,忽略罐底容积,此时
V=

? ? 2 D i H i = ×1.2D i 4 4

3

解得D i =1.951m=1951mm
10

在设计时选用标准筒体尺寸DN=2.0m=2000mm 当 DN=2000mm 时,由《化工设备机械基础》表 16-5 查得标准椭圆形封头的 容积 V k =0.7846 m 3 , 从表 16-3 查得筒体每一米的容积 V 1 =2.5902m 3 筒体高度 H i =(V-V k )/ V 1 =(7-0.7846)/2.5902=2.3996m=2400mm 圆整筒体高度 H i =2400mm,于是 H i /D i =2400/2000=1.2 4.2.4 罐体筒体计算厚度 反应釜罐体内设计压力 p1 =0.101325M p a 液体平均密度 ? ? (2530+1266+1000)/3=1599 Kg/m 3 液注静压力 p H ? ?gh ? 1599×9.8×2.4=0.04 Mpa

pc ? p1 ? p H ? 0.0101325+0.04=0.14 Mpa
在 |[: 1.内压、外压或最大压差; 2.液体静压力;需要时,还应考虑下列载荷: 3.容器的自重(包括内件和填料等) ,以及正常工作条件下或压力试验状态下内 装物料的重力载荷; 4.附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷; 5.风载荷、地震力、雪载荷。 6.支座、底座圈、支耳及其他型式支撑件的反作用力; 7.连接管道和其他部件的作用力; 8.温度梯度或热膨胀量不同而引起的作用力; 9.包括压力急剧波动的冲击载荷; 10.冲击反力,如由流体冲击引起的反力等。 11.运输或吊装时的作用力。 则 pc ? 0.2 Mpa 计算公式:

11

?1 =

2?? ? ? ? pc
t

pc Di

=

0.2 ? 2000 =2.38mm 2 ? 113 ? 0.8 ? 0.2

[? ]t :设计温度下圆筒材料的许用应力,MPa。Q235-B 的 [? ]t 为 113MPa。
? :焊接接头系数,圆筒除了采用无缝钢管外,一般均由钢板卷焊而成。焊

缝内可能由于有气孔,夹渣等影响,造成焊缝本身比圆筒钢板本体的强度为弱, 所以要将钢材的许用应力适当降低变为 [? ]t ? , ? ≤1,一般情况下视全部无损探 伤,所以取 ? ? 0.8 。 查钢板厚度负偏差表知: C1 ? 0.7mm 腐蚀裕量: C 2 ? 2.0mm

?1c ? ?1 ? C1 ? C2 ? 5.38mm
圆整后筒体厚度 ? n ? 6mm 4.2.5 封头设计 有关标准(JB/T4746-2002)已将碳素钢低合金钢高合金钢焊制的,用于压 力容器的, 有冲压旋压及卷制成形的封头名称断面形状类型代号及型式参数关系 做出了规定。由于封头获得了广泛应用根据《化工设备机械基础》表16-5封头的 名称及型式参数表得 DN ? 2000mm 时封头总深度 H ? 525mm 又公式 DN / 2( H ? h) ? 2 得
h ? 25mm

12

σ

4.2.6 罐体封头厚度计算 计算公式:

? 1' ?

2?? ? ? ? 0.5 pc
t

pc D1

?

0.2 ? 2000 ? 2.38mm 2 ? 113 ? 0.8 ? 0.5 ? 0.2

:设 [? ]t 计温度下圆筒材料的许用应力,MPa。Q235-B 的 [? ]t 为 113MPa。
? :焊接接头系数,圆筒除了采用无缝钢管外,一般均由钢板卷焊而成。焊

缝内可能由于有气孔,夹渣等影响,造成焊缝本身比圆筒钢板本体的强度为弱, 所以要将钢材的许用应力适当降低变为 [? ]t ? , ? ≤1,一般情况下视全部无损探 伤,所以取 ? ? 0.8 。 查钢板厚度负偏差表知: C1 ? 0.7mm 腐蚀裕量: C 2 ? 2.0mm

?1c ' ? ?1' ? C1 ? C2 ? 5.38mm
圆整后罐体封头厚度 ?1c ? 6mm
'

4.2.7 夹套筒体厚度计算 夹套公称直径的计算 夹套和筒体连接常焊接成封闭结构, 夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的 要求而定。 夹套的直径 D2 可根据罐体内径 D1 按表 4-3 选取:D2 = D1 +200=2200mm
表6 夹套直径 D2 mm
13

D1
500~600 700~1800 2000~3000

D2 D1 +50 D1 +100 D1 +200

夹套下封头形式同罐体封头,其直径 D 2 与夹套筒体直径相同。 因 为 本 反 应 需 通 入 100 ℃ 水 蒸 气 加 热 , 查 得 100 ℃ 水 蒸 汽 饱 和 蒸 汽 压 为 0.101325 Mpa 计算公式:

?2 ?

2?? ? ? ? pc
t

pc D2

'

'

?

0.101325 ? 2200 =1.24mm 2 ? 113 ? 0.8 ? 0.101325

? :焊接接头系数, ? ? 0.8

查钢板厚度负偏差表知: C1 ? 0.7mm 腐蚀裕量: C 2 ? 2.0mm

? 2C =1.24+ C1 ? C2 =4.24mm
圆整后夹套筒体厚度 ? n =5mm
'

4.2.8 夹套封头厚度计算 计算公式:

? 2' ?

2?? ? ? ? 0.5 pc
t

pc D2

'

'

=

0.101325 ? 2200 =1.24mm 2 ? 113 ? 0.8 ? 0.5 ? 0.101325

? :焊接接头系数, ? ? 0.8

查钢板厚度负偏差表知: C1 ? 0.7mm 腐蚀裕量: C 2 ? 2.0mm

? 2c ' ? 1.24+ C1 ? C2 =4.24mm
14

圆整后夹套封头厚度 ? 2c ? 5mm
'

4.2.9 夹套高度及表面积的计算 当 DN=2000mm 时,由《化工设备机械基础》表 16-5 查得标准椭圆形封头的 容积 V k =0.7846 m 3 , 从表 16-3 查得筒体每一米的容积 V 1 =2.5902m 3 。 应合理选用装料系数 ? 的值,尽量提高设备利用率,通常 ? =0.6~0.85,此 处选则 ? =0.8. 夹套高度 H 2 =(? V-V 封 )/V 1 =(0.8×6.64-0.785)/2.59=1.75m=1750mm 夹套所包围罐体的表面积 F筒 ? F封

F筒 = H 2 × F1m =1.75×5.715=10.0 ㎡
式中 F封 ─封头表面积(查表得)3.678 ㎡

F1m ─1m 高内表面积(查表得)5.715 ㎡

F筒 ? F封 =10.0+3.678=13.678 ㎡

5. 反应釜搅拌器设计及计算

5.1搅拌器的类型 搅拌器的类型 主要有下列几种: ①旋桨式搅拌器 由2~3片推进式螺旋桨叶构成,工作转速较高,叶片外缘的圆周速度一般为 5~15m/s。旋桨式搅拌器主要造成轴向液流,产生较大的循环量,适用于搅拌低 粘度 (<2Pa·s)液体、乳浊液及固体微粒含量低于10%的悬浮液。 ②涡轮式搅拌器 由在水平圆盘上安装2~4片平直的或弯曲的叶片所构成。桨叶的外径、宽度 与高度的比例,一般为20:5:4,圆周速度一般为 3~8m/s。涡轮在旋转时造成高 度湍动的径向流动,适用于气体及不互溶液体的分散和液液相反应过程。被搅拌 液体的粘度一般不超过25Pa·s。
15

③桨式搅拌器 有平桨式和斜桨式两种。平桨式搅拌器由两片平直桨叶构成。桨叶直径与 高度之比为 4~10,圆周速度为1.5~3m/s,所产生的径向液流速度较小。斜桨式 搅拌器的两叶相反折转45°或60°,因而产生轴向液流。桨式搅拌器结构简单, 常用于低粘度液体的混合以及固体微粒的溶解和悬浮。 ④螺带式搅拌器 螺带的外径与螺距相等 ,专门用于搅拌高粘度液体 (200~500Pa·s)及拟 塑性流体,通常在层流状态下操作。 ⑤变频双层搅拌器 变频搅拌器的底座、支杆、电动机使用专利技术固定为一体。专利夹头, 无松动、无摇摆、不会脱落,安全可靠。镀铬支杆,下粗上细,钢性强、结构合 理。具有移动方便,重量轻等优点。适合各类小型容器。 ⑥磁力搅拌器 Corning数字式加热器带有一个闭路旋钮来监控与调节搅拌速度。 微处理 器自动调节马达动力去适应水质、粘性溶液与半固体溶液。

5.2 搅拌器设计计算 5.2.1 搅拌器的选型 (1)材料:主要有扁钢、合金钢、有色金属、或钢外包橡胶或环氧树脂、 酚醛玻璃布等本反应在酸性条件下进行故采用外包聚氯乙烯(PVC)搅拌器。 (2)形式 平直:叶面与旋转方向垂直。

(3)尺寸: 拌器直径 DJ ? (1/ 3 ? 2 / 3)D 在此系数取0.5 桨叶宽度 b ? (0.1 ? 0.25)DJ 在此系数取0.15 加强筋的厚度常与浆叶厚度相同

DJ ? 0.5Di ? 0.5 ? 2000 ? 1m ? 1000mm
h ? 0.5DJ ? 0.5?1000 ? 500mm b ? 0.15DJ ? 0.15?1000 ?150mm
DJ
—搅拌器直径

16

DJ

h —搅拌器叶轮距釜底高度

DJ b —叶轮宽度
通过比较搅拌器选用开启涡轮式搅拌器(直叶)

Z ?3
此处 Z 取 3
D d b DJ

Z 为桨叶数

o 60

(4)固定方式:当d<50mm时,除用螺栓对夹外,再用紧固螺钉固定;当 d>50mm时,除用螺栓对夹外再用穿轴螺栓或圆柱销固定在轴上 5.2.2 搅拌器功率计算 根据实验测得反应釜中矿浆黏度 ? m ? 0.63m p a ·s 反应物料平均密度

? 平均 =

1141 ? 3914 ? 1223 =1182Kg/m 3 5 .3

雷诺数
KN

Re ?

DJ 2 n?

?m

?

1 ? 1.5 ? 1182 =2814 0.63

查功率数

与雷诺数 Re 的关系图的

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K N ? 1.7
搅拌器功率 N ? K N ?n3 DJ 5 ? 1.7×1182×1.5 3 ×1 5 =6782W=6.782KW 5.2.3 搅拌轴的工艺计算 5.2.3.1 搅拌轴的材质及加工要求 搅拌轴工作时,主要受扭转、弯曲和冲击作用,故轴的材质应有足够的强 度、刚度和韧性。此外,为了便于加工制造,还要有优良的切削加工性能。所以 常采用45#钢。对于要求较低的搅拌轴,也可用Q235-A 或35#钢。由于本反 应中有大量硫酸存在故搅拌轴下端采用聚氯乙烯(PVC)外包。 5.2.3.2 搅拌轴直径计算 搅拌扭矩 空心轴内外径比 许用扭转角 轴的剪切弹性模量 搅拌轴直径

? n ? 6mm
K ? 0.2
0.35? / m

钢 G ? 81000MPa

4

d ? 155.43

Ts ? 155.43 ?aG(1 ? K 4 )

4

Ts ? 155.43 ?aG

4

436.35 ? 79.59mm ? 80mm 0.35 ? 81000

6 热量衡算

6.1 相关物料的物性参数[14]:

C p,m Na2CO3 ? 112.3 Jm ol?1 K ?1 C p,mCH 3CH 2COOH =109 Jm ol?1 K ?1
Cp,m H2O ? 75.29J .mol ?1 .K ?1

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6.2 相关物质量

nNa2CO3 =10.7×10 3 =10700 mol

nCH3CH 2COOH =14.8×10 3 =14800 mol
nH 2O =219.1×10 3 =219100 mol

6.3热量计算

Q1 ?

? nC
i ?1

n

p ,m

?T ? (112.3×10700+109×14800+75.29×219100)×60

=1.16×10 9 J=1.16×10 6 KJ 查得碳酸钠与丙酸发生酸碱中和反应时的中和热数值为+55.89 KJ / mol 反应放热

Q2 ? 55.89×10 3 ×14.0=7.8×10 5 KJ
需要补充热量

Q ? Q1 ? Q2 ? (11.6-7.8)×10 5 =3.8×10 5 KJ
100? C

0.1MPa 水的汽化热
r ? 2257kJ / kg

CP,m ? 4.2kJ / kg
m H 2O ? Q 380000 ? 162.3 kg ? C p ,m ?T ? r 4.2 ? (100 ? 80) ? 2257

由于此反应有气体放出故反应釜有排气孔会有一部分蒸汽损失根据经验的 效率? ? 70% 共需蒸汽 mH 2O ? 162.3/70%=232 kg 每小时通入水蒸汽 mH 2O ? 232/2=116 kg / h

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结束语
本文主要介绍了年产1000吨丙酸钠的车间工艺设计过程中立式搅拌反应釜的 设计。 通过本次设计, 使我更加明确地认识到化工工艺设计是非常严谨和标准的。 在设计过程,重温了以前学习的有关化工原理、物理化学、化工设计及化工制图 等的一些知识,也学会了如何用捷径的方法查找所需资料。由于所设计的产品工 艺中许多相关中间产物的物性参数欠缺, 很多数据是根据经验公式和其它相似物 质的参数及相关工业设计的经验数据计算所得,所以难免会有很多误差。此外, 由于自身知识有限和经验不足, 虽然完成了此设计任务, 但还有许多不成熟之处。 所以,在以后的设计中还需要继续努力。

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参考文献
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谢辞
经过这段时间的努力,关于立式搅拌反应釜的设计终于完成,本次毕业 设计是在陈虎魁教授的悉心指导下完成的。在本次的设计期间,陈老师严谨的治 学态度、求实的工作作风、循循善诱的教导给予我无尽的启迪。尽管本次设计的 时间紧张而匆忙, 但是陈老师在设计中的给我的具体指导对我科研技能及业务能 力的提高有着深远的影响。在此,我向陈老师表示衷心的感谢! 在整个设计过程中,出现过很多的难题,但都在老师和同学的帮助下顺利 解决了,在不断的学习过程中我体会到: 总之,通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情,需要有系统的思维 方式和方法,对待要解决的问题,要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。 同时我也深刻的认识到,在对待一个新事物时,一定要从整体考虑,完成一步之 后再作下一步,这样才能更加有效。 最后,在设计即将完成之际,对所有曾经在工作和学习过程中帮助过我的老 师及同学表示最真诚的感谢!

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