毕业设计参考 釜式反应器的设计

釜式反应器的设计

前言

《化工设备机械基础》化学工程、制药工程类专业以及其他相近的非机械类专业，对化下设备的机械知识和设计能力的要求而编写的。通过此课程的学习，是通过学习使同学掌握基本的设计理论并具有设计钢制的、典型的中、低、常压化工容器的设计和必要的机械基础知识。

化工设备机械基础课程设计是《化工设备机械基础》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，学习初次尝试化工机械设计。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。

化工设备课程设计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：

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。我的工作是生产对苯二甲酸，所以想通过对苯二甲酸来设计反应釜。首先我由对PTA的介绍中引入本文所介绍的内容。精对苯二甲酸（PTA）是聚酯工业的重要原料，（1）精PTA工艺，此工艺采用催化氧化法将对精对二甲苯（PX）氧化成粗TA，再以加氢还原法除去杂质，将CTA精制成PTA。这种工艺在PTA 生产中居主导地位。PTA产品所含的PT酸含量较高（200ppm 左右）4-CBA较低（25ppm左右），而QTA（或ＥＰＴＡ）产品中所含的杂质与PTA相反，４-ＣＢＡ较高（250ppm左右），PT酸较低（25ppm左右以下）。目前，钴-锰-溴三元复合体系是PX氧化的最佳催化剂，其中钴是最贵的，所以

目前该方面一直进行降低催化氧化剂能耗的研究，PTA生产过程中所用TA加氢反应催化剂为Pd/C,目前研究的主要问题是如何延长催化剂的使用寿命。

分析上述可知，随用反应器为釜式反应器，本文将通过PTA生产工艺来设计反应釜。

选题背景

PTA是重要的大宗有机原料之一，其主要用途是生产聚酯纤维( 涤纶) 、聚酯瓶片和聚酯薄膜，广泛用于与化学纤维、轻工、电子、建筑等国民经济的各个方面，与人民生活水平的高低密切相关。PTA( 精对苯二甲酸)2005 年中国需求量1210 万吨，占全球PTA 需求总量2880 万吨的42 ％；产量560 万吨，进口650 万吨，进口依存程度为54 ％，未来PTA 需求仍在不断扩大，在未来几年，PTA 的中国供需仍难以达到完全平衡。EG （乙二醇）需求量达510 ．2 万吨，占全球EG 需求总量1133 万吨的45 ％, 产量110 万吨，进口40万吨。2005 年我国涤纶产量占世界涤纶产量的38 ％，已成为我国纺织工业的最主要原料。中国的动向，引起了世界其它国家和地区的关注，而且会对世界化纤业造成相当大的影响。PTA 的应用比较集中，世界上90% 以上的PTA 用于生产聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET ，简称聚酯) ，其它部分是作为聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT ）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT ）及其它产品的原料。我国聚酯产量世界第一, 是名副其实的聚酯大国。聚酯产能虽然仍以2位数的速率增加,但前2 年经济效益大幅下滑。主要原因是PTA 和Eg价格居高不下,而聚酯产品价位低迷,企业盈利空间越来越小。国内这 2 种原料自给率都低于40% ,4年来,国内PTA 项目成为热点, 几个大项目相继投产，但并没有缓解供不应求态势。到2010年, PTA项目在需求和利益驱动下, 还将有一个快速发展期。PTA 生产工艺技术,也会在建设中有所发展。对我国近年来引进的各种PTA 生产工艺, 特别是低温氧化的EPTA 工艺, 进行比较和评价,就能够更全面地认识现有各种PTA 工艺的技术特点。为了提高国产PTA在国内市场中的份额，提高PTA产量必要性和紧迫性是显而易见的，所以设计合理的反应釜是最基础也是最关键的，本文将对反应釜的设计做以全面的介绍，希望能对化工同事们查阅。

釜式反应器的分类

釜式反应器

一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装臵。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设臵夹套，或在器内设臵换热面，也可通过外循环进行换热。

操作方式釜式反应器按操作方式可分为：①间歇釜式反应器,或称间歇釜（图1[间歇釜式反应器]）。操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。②连续釜式反应器,或称连续釜(图

2[连续釜式反应器]可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。此时可采用多釜串联反应器（图3[多级串联釜式反应器]以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。③半连续釜式反应器。指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。计算。就单一反应a→b而言，各种釜式反应器的常用计算方法如下：①对于间歇釜式反应器,当反应物a的... 初浓度和终浓度分别为和c时，反应所需的时间为：

(1)式中为反应物a的浓度；-为浓度为时的反应速率。②对于连续釜式反应器，设反应器为全混流，当反应物a的进口浓度和出口浓度分别为和时，反应所需的平均停留时间

(2)式中为反应器的有效容积；为体积流率;-为出口浓度下的反应速率。③对于多釜串联反应器,可以利用式(2)逐个反应器类推计算。对一级反应（-=，为反应速率常数）,若各釜有效容积相等，反应温度相同，则有式中为第釜中a的浓度；为一釜的平均停留时间。工程放大机械搅拌的釜式反应器可针对不同反应特征按下列原则之一进行放大：①搅拌雷诺数相等。式中为搅拌桨转速；为搅拌桨直径；为液体密度;为粘度；②单位体积液体搅拌功率相等；③搅拌桨外缘的线速度相等（见彩图[釜式反应器]）。

总体可分为连续式，间歇式，半间歇式。

反应机理

聚酯生产工艺路线有直接酯化法(PTA法)和酯交换法(DMT法)。PTA法具有原料消耗低、反应时间短等优势，自80年代起己成为聚酯的主要工艺和首选技术路线。大规模生产线的连续生产工艺，半连续及间歇生产工艺则适合中、小型多种生产装置。PTA法连续工艺主要有德国吉玛(Zimmer)公司、美国杜邦公司、瑞士伊文达(Inventa)公司和日本钟纺(Konebo)公司等几家技术。其中吉玛、伊文达、钟纺技术为5釜流程，杜邦则开发了3釜流程(目前正在开发2釜流程)，两