生物質(zhì)制備糠醛的反應(yīng)器設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u176731.1設(shè)計(jì)要求 1294621.2反應(yīng)機(jī)理 2234731.3反應(yīng)參數(shù)的確認(rèn) 3168461.4反應(yīng)器的選擇 418191.5反應(yīng)器綜合設(shè)計(jì) 425541.5.1反應(yīng)器體積的計(jì)算 471581.5.2反應(yīng)器釜體的計(jì)算 47531（1）確定反應(yīng)器釜體的內(nèi)徑 47492（2）確定水解釜筒體高度 420926（3）選擇封頭的尺寸 556751.5.3反應(yīng)器夾套尺寸的計(jì)算 527009（1）內(nèi)筒和夾套的受力情況分析 531514（2）反應(yīng)釜厚度的計(jì)算 569621.5.4反應(yīng)器的攪拌裝置 754291.5.5反應(yīng)器的軸封裝置 8198331.5.6反應(yīng)器的支座 8210451.5.7反應(yīng)器的人孔和手孔 866821.6反應(yīng)器設(shè)備條件圖 91.1設(shè)計(jì)要求反應(yīng)器是化工生產(chǎn)中的重要設(shè)備之一，原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的場(chǎng)所，在設(shè)計(jì)反應(yīng)器是，需要滿足以下條件：（1）反應(yīng)器要具有良好的導(dǎo)熱能力；（2）反應(yīng)器內(nèi)部溫度需要均勻分布；（3）反應(yīng)器強(qiáng)度足夠大，能夠承受較高的反應(yīng)壓力；（4）反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足反應(yīng)的需要，以保證反應(yīng)物反應(yīng)充分；（5）當(dāng)反應(yīng)物具有腐蝕性時(shí)，反應(yīng)器需要良好的抗腐蝕性；（6）反應(yīng)器應(yīng)能保證反應(yīng)物合適的轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)物有良好的產(chǎn)率。1.2反應(yīng)機(jī)理從木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)制備糠醛的基本路線如圖4-1所示，主要包括以下三個(gè)基本過程：首先從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中分離富含得到半纖維素的組分，半纖維素水解制備木糖以及木糖脫水環(huán)化得到糠醛。圖4-1糠醛生產(chǎn)原理示意圖水解在高溫高壓下進(jìn)行，糠醛容易分解成甲酸等物質(zhì)，故水解產(chǎn)生的糠醛需要立刻移出反應(yīng)器，以提高糠醛的收率。本次設(shè)計(jì)通過蒸汽汽提的方法帶出水解釜中的糠醛。因此，整個(gè)水解的過程是涉及到固、液、氣三相的反應(yīng)，根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在查閱了大量文獻(xiàn)以后，發(fā)現(xiàn)糠醛的反應(yīng)速率與催化劑濃度和水解的溫度有關(guān)，并得到以下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程：木聚糖水解為木糖的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程：圖4-2木聚糖水解動(dòng)力學(xué)木糖脫水環(huán)化得到糠醛的動(dòng)力學(xué)方程：圖4-3木糖脫水動(dòng)力學(xué)1.3反應(yīng)參數(shù)的確認(rèn)使用固體酸催化劑，通過前期文獻(xiàn)調(diào)研可知反應(yīng)的最適發(fā)生條件，反應(yīng)溫度調(diào)整為175℃，反應(yīng)壓力為1.6Mpa。輸入相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)k1=235.233exp[?27.9/RT]；k2=0.0476exp[?5.19/RT]。停留時(shí)間為2h。1.4反應(yīng)器的選擇1.5反應(yīng)器綜合設(shè)計(jì)1.5.1反應(yīng)器體積的計(jì)算本反應(yīng)設(shè)計(jì)固、液、氣三相，玉米芯混酸以后加入水解釜內(nèi)，然后持續(xù)通入蒸汽至反應(yīng)釜壓力達(dá)到1.6MPa，溫度控制在175℃下水解。并且持續(xù)通入蒸汽汽提帶出產(chǎn)生的糠醛，所以在計(jì)算反應(yīng)釜體積時(shí)僅需要考慮混酸以后的玉米芯體積，并預(yù)留出部分空間即可。本此設(shè)計(jì)年產(chǎn)糠醛6000噸，折合糠醛產(chǎn)量為843.88kg/h，通過Aspenplusv11模擬得出第一步反應(yīng)玉米芯中的木聚糖轉(zhuǎn)化為木糖收率在反應(yīng)條件下約為45.135%，第二步反應(yīng)木糖脫水環(huán)化基本可以進(jìn)行到底，所以計(jì)算出玉米芯的消耗量約為9462.57kg/h。相關(guān)資料得出玉米芯的堆積密度約為300kg/m3。所以玉米芯處理量的體積約為30m3/h。玉米芯在水解釜中水解2h，期間持續(xù)通入蒸汽，在維持溫度穩(wěn)定的同時(shí)汽提采出糠醛。蒸汽壓力與水解釜的壓力相同，為1.6MPa。取裝填系數(shù)為0.85，綜合考慮只設(shè)計(jì)一個(gè)反應(yīng)器，同時(shí)準(zhǔn)備一個(gè)水解釜備用，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。那么反應(yīng)器的內(nèi)部體積約為30m3。1.5.2反應(yīng)器釜體的計(jì)算（1）確定反應(yīng)器釜體的內(nèi)徑由前面的計(jì)算可知水解釜的體積為V=30m3，根據(jù)下列公式可以計(jì)算出反應(yīng)器的內(nèi)徑：其中i為氣液相物料的長(zhǎng)徑比（i=H1/D1），經(jīng)驗(yàn)值在1~2之間，可取1.4。那么D1=將計(jì)算所得的結(jié)果圓整至標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑后，選取筒體直徑為D1=3100mm。（2）確定水解釜筒體高度H=(V?V?)/(πD1)×4=3.圓整后為3300mm。并且H/D1=3300/3100=1.064，符合設(shè)計(jì)要求。（3）選擇封頭的尺寸查閱相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)封頭參數(shù)資料得知時(shí)，選取封頭相關(guān)尺寸參數(shù)如下：表4-1封頭尺寸公稱直徑DN/mm椎體高度H/mm圓弧半徑r/mm直邊高度h/mm厚度δ/mm內(nèi)表面積A/m2容積Vm3質(zhì)量m/kg3100272045025615.457.1412001.5.3反應(yīng)器夾套尺寸的計(jì)算（1）內(nèi)筒和夾套的受力情況分析筒體以及夾套將全部按照內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度計(jì)算相關(guān)原則來進(jìn)行本次設(shè)計(jì)計(jì)算。生產(chǎn)相關(guān)工藝提供的設(shè)計(jì)條件如下：水解反應(yīng)釜內(nèi)工作壓力為1.6MPa，取夾套內(nèi)的工作壓力略大約為1.7MPa。則夾套筒體和夾套封頭將承受1.7MPa的內(nèi)壓；那么內(nèi)部筒體在承受1.6MPa的內(nèi)壓的同時(shí)又要承受1.7MPa的外壓，此時(shí)內(nèi)部筒體的最惡劣的承受壓力的情況為為：在生產(chǎn)中止時(shí)候，內(nèi)部圓筒無壓力而夾套內(nèi)部仍有蒸汽壓力，此刻內(nèi)筒承受1.7MPa的外部壓力。（2）反應(yīng)釜厚度的計(jì)算由于選用腐蝕性較小的固體酸作為催化劑，故筒體以及夾套的材料可以選用較普通的材料即可，經(jīng)過查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料，選用Q345-R作為本次反應(yīng)器設(shè)計(jì)材料。筒體內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度t1=165℃，夾套內(nèi)的溫度t2=170℃，罐體內(nèi)計(jì)算設(shè)計(jì)壓力為P1=1.6MPa，夾套內(nèi)設(shè)計(jì)壓力為P2=1.7MPa。筒體的計(jì)算壓力P1C=1.1P1=1.76MPa,P2C=1.1P2=1.87MPa，查閱相關(guān)資料得知在設(shè)計(jì)溫度下Q345-R的最大允許使用應(yīng)力為。夾套筒體和內(nèi)部罐體采用環(huán)焊縫連接，因?yàn)闊o法進(jìn)行探傷檢查，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取得，考慮到安全情況，夾套上所有的焊縫系數(shù)均取來計(jì)算，筒體的下封頭可以采用表尊橢圓形封頭。那么厚度計(jì)算分別如下:筒體的厚度的計(jì)算：δ1=夾套的厚度計(jì)算為：δ1=筒體封頭的計(jì)算厚度為：δ1=夾套封頭的計(jì)算厚度為：δ1=另外，鋼板厚度負(fù)偏差取C1=6mm，內(nèi)部筒體腐蝕余量可取2mm，夾套鋼板厚度負(fù)偏差取C2=1.5mm，腐蝕余量取1mm。則：筒體總厚度為：δ夾套總厚度為：δ圓整后取筒體的名義厚度為7mm，夾套的名義厚度為7mm，同理可以計(jì)算得到筒體封頭和夾套封頭的名義厚度也各為7mm。1.5.4反應(yīng)器的攪拌裝置根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，本次設(shè)計(jì)選取渦輪式攪拌器。查閱相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)HG/T3796.5-2005后，選用攪拌器的軸直徑d1=150mm，渦輪式攪拌器的葉輪直徑d=1200mm。攪拌器型號(hào)為1200-150，軸材料選用45鋼。圖4-8攪拌軸示意圖查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《攪拌傳動(dòng)裝置—聯(lián)軸器》與（HG/T21570－1995）中的關(guān)于聯(lián)軸器孫旺形式、技術(shù)要求以及相關(guān)尺寸參數(shù)后，最終決定選用立式夾殼聯(lián)軸器。型號(hào)為：聯(lián)軸器DN150。1.5.5反應(yīng)器的軸封裝置反應(yīng)器采用機(jī)械軸封，具體的示意圖如下所示：圖4-9機(jī)械軸封圖1.5.6反應(yīng)器的支座根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)耳式支座（JB/T4725-92），本次設(shè)計(jì)選用B型耳式支座，尺寸如下所示：表1.2B型耳式支座尺寸(mm)DN底板筋板墊板地腳螺栓支座重量lbδSlbδbd規(guī)格