乙酸乙酯的反應器設計流程

1、摘 要 乙酸乙酯是一類重要的有機溶劑和有機化工基本原料，其用途非常廣泛，目前我國采用傳統(tǒng)的方法制備即乙酸和乙醇為原料，濃硫酸為催化劑直接催化合成乙酸乙酯。所以通過對乙酸乙酯的理化性質，社會用途與需求和國內外發(fā)展現(xiàn)狀進行研究調查以及乙酸乙酯在實驗室制法和工業(yè)生產各方面對比之后，為此對乙醇和乙酸的縮合進行了乙酸乙酯合成工藝的課程設計。本選題為年產量為年產5017噸乙酸乙酯的反應器的設計 。對工業(yè)生產中的物料衡算，熱量衡算和合成工藝的設備等方面為間歇釜式反應器的工業(yè)設計提供較為詳盡的數據與圖紙。本選題為年產量為年產5017噸乙酸乙酯的反應器的設計 。關鍵字：乙酸；乙醇；乙酸乙酯；合成工藝；間歇式反應

2、器AbstractEthyl acetate is a kind of important organic solvents and basic organic chemical raw materials, its application is very broad, our country prepared using traditional methods that acetic acid and ethanol as raw material, concentrated sulfuric acid catalyzed direct synthesis of ethyl acetate.

3、 So through the social use of physical and chemical properties of ethyl status quo needs, and conduct research and development at home and abroad as well as various aspects of ethyl acetate after comparing laboratory and industrial production system of law, for the condensation of ethanol and acetic

4、 acid were synthesis of ethyl curriculum design. The topic for the annual production of 5,017 tons annual output of ethyl reactor design. In industrial production of material balance, heat balance and synthesis process equipment to provide more detailed data and drawings for the batch tank reactor i

5、ndustrial design. The topic for the annual production of 5,017 tons annual output of ethyl reactor design.Key words: Acetic acid; Ethanol; Ethyl acetate; Synthesis process; Batch reactor目 錄摘 要Abstract第一章 前 言81.1 乙酸乙酯概述81.1.1 乙酸乙酯的簡介81.1.2 乙酸乙酯的用途81.1乙酸乙酯的產能和市場需求91.2.1 世界乙酸乙酯的產能與消費情況91.2.2 我國乙酸乙

6、酯的產能與消費狀況9第二章 工藝流程的比較122.1 本課題設計內容和要求122.1.1 設計要求122.1.2 具體設計內容122.2 設計方案的確定122.2.1反應原理12第三章 工藝設計方案143.1原料路線確定的原則和依據143.1.1乙醇乙酸酯化法143.1.2乙醛縮合法143.1.3乙烯加成法153.1.4乙醇脫氫法15第四章 工藝設計計算174.1 設計依據174.2設計方案174.3設計條件174.4反應條件174.5工藝計算及方案選擇174.5.1反應器的的操作有間歇操作和連續(xù)操作174.5.2間歇反應釜進料184.5.3 流量的計算184.5.4 反應體積及反應時間計算1

7、94.6連續(xù)性反應釜進料的計算204.6.1流量的計算204.6.2反應體積及反應時間計算214.6.3設備和工藝流程圖23第五章 熱量衡算245.1熱量衡算總式245.2每摩爾各種物值在不同條件下的值245.3各種氣象物質的參數如下表255.4每摩爾物質在80下的焓值255.5總能量衡算265.6 換熱設計275.7 水蒸氣的用量27第六章 設備設計與選型286.1反應釜體及夾套的設計計算286.1.1 筒體和封頭的幾何參數的確定286.1.2 筒體和封頭的型式286.1.3筒體和封頭的直徑286.1.4 確定筒體高度H286.1.5 夾套直徑、高度的確定296.2釜體及夾套厚度的計算296

8、.2.1設備材料296.3 設備的壁厚計算296.3.1 釜體筒體壁厚計算296.3.2 內壓設計計算296.3.3 外壓設計計算306.3.4 釜體封頭壁厚計算306.3.5 夾套筒體壁厚設計計算316.3.6 夾套封頭壁厚設計與選擇316.3.7 反應釜設計參數316.4攪拌器設計326.4.1 攪拌器的形式選擇326.4.2 攪拌器轉速n：326.4.3 傳動功率P：326.4.4 電機功率326.4.5 減速器的選擇326.4.6 電動機的選擇326.5攪拌軸直徑的設計計算336.5.1 攪拌軸材料：336.5.2 攪拌軸強度計算336.5.3 攪拌軸剛度計算336.6.夾套式反應釜附

9、屬裝置的確定336.6.2 反應釜總重336.7 人孔C336.8接管及其法蘭選擇346.8.1 水蒸氣進口管：346.8.2 冷卻水出口管：346.8.3 進料管34第七章 總 結36參考文獻37致 謝38第一章 前 言1.1 乙酸乙酯概述1.1.1 乙酸乙酯的簡介乙酸乙酯(EA)，又名醋酸乙酯，英文名稱：Ethyl acetate。分子式為：C2H8O4。它是一種無色透明具有流動性并且是易揮發(fā)的可燃性液體1，呈強烈清涼菠蘿香氣和葡萄酒香味。乙酸乙酯能很好的溶于乙醇、氯仿、乙醚、甘油、丙二醇、和大多數非揮發(fā)性油等有機溶劑中，稍溶于水(25時，1mL乙酸乙酯可溶于10mL水中)，而且在堿性溶液

10、中易水解成乙酸和乙醇。水分能使其緩慢分解而呈酸性。乙酸乙酯與水和乙醇皆能形成二元共沸混合物，與水形成的共沸混合物沸點為70.4，其中含水量為6.1%(質量分數)。與乙醇形成的共沸混合物的沸點為71.8。還與7.8%的水和9.0%的乙醇形成三元共沸混合物，其沸點為70.2。下表為乙酸乙酯的一些物化參數。表1.1 乙酸乙酯的物化參數2熔點()-83.6臨界溫度()250.1折光率（20)1.3708-1.3730臨界壓力(MPa)3.83沸點()77.06辛醇/水分配系數的 對數值0.73對密度(水=1)0.894-0.898閃點()7.2相對蒸氣密度(空氣=1)3.04引燃溫度()426飽和蒸氣

11、壓(kPa)13.33(27)爆炸上限%(V/V)11.5燃燒熱(kJ/mol)2244.2爆炸下限%(V/V)2.0室溫下的分子偶極距6.555×10-301.1.2 乙酸乙酯的用途乙酸乙酯是重要的精細化工原料。它是一種具有優(yōu)異溶解性能和快干性能的溶劑，已廣泛應用于化工、醫(yī)藥、紡織、染料、橡膠、涂料、油墨、膠粘劑的生產中，或作為原料、或作為工藝溶劑、萃取劑、稀釋劑等等；由于它具有天然水果香味，因此還可作為調香劑組分，應用于香料、食品工業(yè)中；也可作為粘合劑用于印刷油墨、人造珍珠等的生產；作為提取劑 用于醫(yī)藥、有機酸的產品的生產等；此外還可用作生產菠蘿、香蕉、草莓等水果香精和威士忌、奶

12、油等香料的原料。國外乙酸乙酯的消費結構與我國有所不同，美國和歐洲國家乙酸乙酯最大的應用領域是涂料，其中美國涂料方面的消費量約占總消費量的60%,歐洲在涂料行業(yè)的消費量約占總消費量的50%。日本主要應用在涂料，油墨方面，分別約占總消費量的40%和30%。而我國主要應用于涂料，粘合劑和制藥領域3。1.1 乙酸乙酯的產能和市場需求1.2.1 世界乙酸乙酯的產能與消費情況目前乙酸乙酯生產與消費主要集中在西歐，美國和亞洲地區(qū)，其中亞洲地區(qū)的生產和消費又主要集中在日本，中國及東南亞國家4。近年來，世界乙酸乙酯的生產能力不斷增加。2001年全球乙酸乙酯的生產能力只有125.0萬噸/年,2006年生產能力增加

13、到222.0萬噸/年，20012006年生產能力的年均增長率高達12.2%。其中英國BP化學公司是目前世界上最大的乙酸乙酯生產廠家，生產能力為22.0萬噸/年，約占世界總生產能力的9.91%。其次是中國江蘇索普集團公司，生產能力為20.0萬噸/年，約占9.01%。表1.2為國外乙酸乙酯的生產情況。在涂料方面，使得乙酸乙酯涂料被水性和高固含量涂料、粉末涂料和雙組分涂料奪去了市場額。雖然這種變化還在繼續(xù)，但乙酸乙酯市場仍然保持持續(xù)增長。東南亞地區(qū)開始成為全球最重要的乙酸乙酯的產地和消費地。大部分投資于乙酸乙酯的資金開始將目標投向乙酸乙酯需求量增長迅速的亞洲和中國。1.2.2 我國乙酸乙酯的產能與消

14、費狀況（1）生產現(xiàn)狀 我國乙酸乙酯的生產始于20世紀50年代，近年來，隨著我國化學工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)的快速發(fā)展，乙酸乙酯的生產發(fā)展很快。生產能力已經從2001年的37.0萬噸/年增加到2006年的約90.0萬噸/年。目前，我國乙酸乙酯的生產廠家有20多家，生產企業(yè)主要集中在華南和華東地區(qū)。其中國內最大的乙酸乙酯生產企業(yè)江蘇索普集團產能達到20.0萬噸/年，約占國內總生產能力的22.2%，與乙酸產品實現(xiàn)了上下游一體化，產品競爭力較強，80%的乙酸乙酯用于出口；其次是山東金沂蒙集團公司，生產能力為16.0萬噸/年，約占國內總生產能力的13.3%，主要原料乙酸、乙醇均能自給，產品競爭能力也較強。目前國內

15、大型乙酸乙酯企業(yè)均采用酯化法技術。表1.2 國外乙酸乙酯主要生產情況生產廠家地址生產能力(萬噸/年)美國塞拉尼斯公司德克薩斯州潘帕6.0美國伊斯曼化學公司德克薩斯州朗維尤6.1美國Solution公司馬薩諸塞2.5巴西羅地亞公司帕利尼涯10.0默西哥塞拉尼斯公司卡格來吉拉9.2英國BP化學工司赫爾22.0西班牙Ereros塔拉戈納6.0瑞典Wweask乙醇化學公司多姆斯喬3.5瑞典聯(lián)合碳化物公司斯德哥爾摩3.0日本昭和電工公司南陽15.0日本千葉公司市原4.7日本協(xié)和發(fā)酵公司四日市4.0印度LAXMI有機工業(yè)公司馬哈德3.5印度JUBILANT有機合成公司加勞拉尼蠟3.2韓國三星/BP公司蔚山

16、7.0韓國國際酯類公司蔚山7.5新加坡塞拉尼斯公司裕廊島6.0印度昭和酯類公司梅拉克6.0南非薩索爾公司賽庫達5.0隨著生產能力的不斷增加，我國乙酸乙酯的產量也不斷增加5。2001年我國乙酸乙酯的產量只有17.9萬噸，2006年進一步增加到63.0萬噸，比2005年增長約22.19%，20012006年產量的平均增長率高達15.09%，截止到2009年10月底，我國乙酸乙酯生產能力達到約150.0萬噸/年。表1.3 國內乙酸乙酯主要生產情況 6企業(yè)名稱產能 (萬噸/年)江蘇索普集團20.0山東金沂蒙集團公司18.0廣東江門謙信化工發(fā)展公司10.0廣東順德冠集團公司氣體溶劑有限公司10.0上海吳

17、涇化工有限公司20.0揚子江乙?；び邢薰?0.0江西南昌贛江溶劑廠8.0廣東順德集團公司4.5天津冠達集團公司3.5上海石油化工公司 2.1上海試劑有限公司2.0成都有機化工廠2.0浙江建德建業(yè)有機化工有限公司1.2江蘇三木集團公司1.0山東海化股份有限公司10.0（2）消費現(xiàn)狀、進出口情況及發(fā)展前景7隨著生產能力的不斷增加，我國乙酸乙酯的產量也不斷增加。2008年盡管受到金融危機的影響，但是由于2007年新增的產能發(fā)揮作用，產能仍達到約95.0萬噸/年，同比增長約33.8%。表1.4為我國近年來乙酸乙酯的供需關系。表1.4 國內近年來乙酸乙酯的供需關系（單位：萬噸/年）年份產量進口量出口

18、量表觀消費量200230.74.581.0934.19200334.24.271.1937.28200441.83.462.0743.19200547.34.641.8850.06200663.00.9610.9453.02200771.00.7613.7058.06200895.00.1118.3976.722009(1-6月)0.038.73另外，隨著乙酸乙酯新用途的不斷開發(fā)，將會使乙酸乙酯在其他方面用量的比例也有一定的增加。第二章 工藝流程的比較2.1 本課題設計內容和要求2.1.1 設計要求乙酸乙酯是一種重要的基本有機化工原料，其生產方法有直接酯化法和間接酯化法。該產品在酯化工藝中為最

19、基礎、也是最重要的酯化產品。研究并設計其生產工藝具有很重要的意義。2.1.2 具體設計內容 （1）查閱文獻，了解該產品的性質、性能、合成、應用等。選擇合理的生產原料和制備工藝，采用先進的生產設備和控制手段，編制開題報告(工藝流程方框圖、開題報告)；（2）根據原料、產品和生產規(guī)模，繪制工藝流程草圖，進行物料衡算和熱量衡算(物料平衡圖、原料消耗、能量消耗綜合表)；（3）進行主體設備和輔助設備的工藝計算與設備選型，并列出設備一覽表；（4）繪制主體設備圖；（5）繪制帶控制點的工藝流程圖；（6）進行生產車間布置設計(生產車間平面布置圖和立面布置圖)；（7）進行技術分析、經濟效益分析、安全評價與環(huán)保評價。

20、2.2 設計方案的確定目前在世界范圍內，上述四種工藝都已經投入運行，但在國內投入運行的只有酯化法、乙醛縮合法、乙醇脫氫法，乙酸/乙烯加成法在國內還不夠成熟。酯化法中新研究出的催化劑造價過高，乙醇脫氫法適合在乙醇產量高的地區(qū)或者是價格廉價的地區(qū)較合適，日本所有的乙酸乙酯都是采用乙醛縮合法,并且綜合上面的概述中幾種工藝的對比。2.2.1反應原理乙醛縮合法制乙酸乙酯可分為三個階段：催化劑的制備、乙醛的縮合反應、催化劑的脫除和精餾提純。（1）乙醛的縮合反應反應在兩個串聯(lián)的反應器中進行，第一個是釜式的反應器，第二個也是采用釜式的反應器。反應方程式為：這樣做的好處是，在第一個反應器之中，反應劇烈放出大量的

21、熱量，采用釜式的反應器攪拌的均勻，易于把熱量移出，相對于管式的來說，溫度易于控制，雖然轉化率情況有所降低，但反應的可控性、安全性提高；第二個也采用釜式的反應器，是考慮到反應進行到后來，放熱量已經不多，而且造價低。圖2.2為縮合工序的流程簡圖。 圖2.2 縮合工序的流程簡圖（2）催化劑的脫除我們通過加水的方法破壞掉催化劑，然后經過蒸發(fā)器將粗乙酸乙酯蒸出，氫氧化鋁殘液從下面排除，殘液再經過一個分離器進一步分離出氫氧化鋁，液體部分可以再返回蒸發(fā)器。圖2.3 蒸發(fā)工序流程簡圖（3）精餾提純可以采用三塔的模式，三塔均是常壓操作，一塔脫乙醛；二塔脫出乙醇，脫出的乙醇用作生產催化劑；第三塔，塔上得到產品，塔

22、下出重組分。同時還可以設計一個小塔，用來分離第三塔得到的重組分，有效地分離較純副產物乙縮醛，產出乙縮醛，做到了副產品的有效利用。第三章 工藝設計方案3.1原料路線確定的原則和依據乙酸乙酯的合成路線主要有四種，即乙醇乙酸酯化法（其中包括了乙酸乙醇直接酯化法和反應精餾法），乙醛縮合法，乙醇脫氫法，乙烯和乙酸直接加成法。應當說，乙醇乙酸酯化法在乙酸乙酯的合成中依然占有相當大的比例，尤其是在美國等國家，在國內多數企業(yè)也依然采用乙酸酯化法；德國、日本等國有多套乙醛直接縮合生成乙酸乙酯的裝置；乙醇脫氫法與乙烯和乙酸直接加成法在其中所占的比例較小，技術有待成熟。下面簡單介紹四種方法的優(yōu)勢與缺陷9。3.1.1

23、乙醇乙酸酯化法反應式：乙醇乙酸酯化法由乙酸和乙醇在硫酸等催化劑作用下直接酯化成乙酸乙酯，常用的工藝是用濃硫酸作催化劑的均相催化反應精餾，該工藝是目前國內廣泛采用的生產工藝，濃硫酸有酸性強、吸水性強、性能穩(wěn)定、價廉等優(yōu)點，而且溶于反應物料中，是均相催化反應，反應均勻，因而在全塔內都能進行催化反應11。催化作用不受塔內溫度限制，反應機理清楚，容易實現(xiàn)最優(yōu)控制，這些優(yōu)點可以使反應精餾生產裝置大型化。用濃硫酸作催化劑，也有其不可克服的缺點，即硫酸嚴重腐蝕設備，其強氧化性引起磺化、碳化或聚合等副反應，產品純度低，后處理進程復雜，三廢量大。另一種酯化的工藝是催化精餾法，它采用固體酸作催化劑，屬非均相反應精

24、餾。在酯化合成方面，已經開發(fā)出的固體催化劑有沸石分子篩、離子交換樹脂、金屬硫酸鹽、固體超強酸等，具有產物純度高，反應選擇性強，酯收率高，反應條件溫和，副產物較少等優(yōu)點。但若簡單地將固體酸催化劑于反應中取代硫酸，催化劑在反應液中很快失去活性。催化精餾法不容易實現(xiàn)工業(yè)化和大型化的困難，在于催化精餾屬非均相催化反應精餾過程，機理較復雜，目前理論還不能很好地解釋這一過程，在國際上還沒有一個國家提出催化精餾塔的設計方法。3.1.2乙醛縮合法反應式：乙醛縮合法是由兩分子乙醛經Tishchenko反應縮合成一分子乙酸乙酯，催化劑為乙醇鋁、氯化鋁及氯化鋅等，反應溫度為010oC。其生產工藝是將乙醛、乙醇鋁催化

25、劑及助催化劑連續(xù)送入反應器，反應液經蒸發(fā)濃縮后，再經三塔精餾，獲得純度99.8%以上的乙酸乙酯產品。乙醛縮合法優(yōu)點在于反應是在常壓低溫下進行，轉化率和收率高，對設備要求不高，生產成本較酯化法低；缺點是受原料來源限制，僅適宜于乙醛資源豐富的地區(qū)，催化劑乙醇鋁無法回收，最后通過加水生成氫氧化鋁排放，對環(huán)境有一定污染。乙醛縮合法在歐洲和日本是生產乙酸乙酯的主流生產方法，在我國工業(yè)性生產廠很少。乙醛貯存運輸不方便，一般都是自產自用，因此乙醛縮合法乙酸乙酯生產裝置都是建在有乙醛生產的廠內。在冰醋酸價格高的地方，該法有很強的競爭優(yōu)勢。該法在國外已經大型化，在國內尚有催化劑和工程上的問題沒解決，有待突破。該

26、法的產品只能用于化工原料，不能用于食用香料，這是因為乙醛及副產物無法除盡。3.1.3乙烯加成法反應式：隨著化學化工產業(yè)的迅速發(fā)展，煉油技術的不斷提高，乙烯已經成為一種豐富的原料。由于乙烯與乙酸直接加成反應生產乙酸乙酯利用豐富的乙烯原料，原料利用合理，來源廣泛，價格低廉，生產成本較低，且對合成乙酸乙酯具有較高的產率與選擇性，既是一種原子經濟型反應，又是一種環(huán)境友好型反應。缺點是此催化體系對設備腐蝕嚴重，投資成本高。該工藝采用的催化劑主要有液體無機酸和有機磺酸類、分子篩類和雜多酸類催化劑。同時該工藝依賴于石化工業(yè)，需要有大量的乙烯資源，只能在乙烯和乙酸資源相對比較豐富而廉價的地區(qū)才可以考慮。石油價

27、格的不斷上漲，造成該工藝的劣勢更加凸現(xiàn)，在中國這樣自身石油儲量及產量不高需要大量進口石油的國家，如果盲目發(fā)展這一工藝生產乙酸乙酯缺乏戰(zhàn)略考慮。3.1.4乙醇脫氫法反應式：以乙醇為原料生產乙酸乙酯，傳統(tǒng)工藝必須經過乙醇氧化脫氫為乙醛、乙醛氧化成乙酸、乙酸與乙醇酯化3個工段才能完成。乙醇脫氫法則只用乙醇一種原料，經過單一催化劑脫氫后直接得到乙酸乙酯，因此，這種方法也簡稱一步法，以區(qū)別于傳統(tǒng)的三工段工藝。乙醇脫氫法總反應實際上也是經過3個步驟完成的。具體的反應機理有兩種，一種是“脫氫歧化酯化”機理，另一種是“半縮醛”機理，即三個步驟分別為乙醇脫氫為乙醛、乙醇與乙醛反應生成半縮醛、半縮醛脫氫為乙酸乙酯

28、16。20世紀90年代初清華大學化學系首先對此工藝進行研究，開發(fā)出催化劑Cu/ZnO/Al2O3/ZrO2，并獲得了國家專利。1996年西南化工研究院也開始進行乙醇脫氫法生產乙酸乙酯的研究，目前還在進行工業(yè)試驗，取得了不小的進展。英國Kvaerner工程公司于20世紀90年代研究乙醇脫氫法生產乙酸乙酯，同時已經在南非建成第一家工業(yè)化生產工廠。該工藝的關鍵問題在于催化劑，根據反應歷程，產物中有中間產物乙醛與乙酸，另外還有副產物乙烯、丙酮、丁酮、2-丁醇等。由于氫氣對平衡的抑制及降低副反應要求，單程轉化率只能控制在60%70%。該工藝反應工段，但分離設備較多，流程較復雜，主要的副產物必須分離。脫氫

29、法反應特點是：反應溫和，各種反應條件變化彈性很大，工藝簡單，容易操作。脫氫法優(yōu)點：（1）生產成本低，在沒有甲醇法乙酸生產的地區(qū)，價格優(yōu)勢很大；（2）每噸乙酯副產氫氣509m3，適用于氫氣有用場合；（3）基本無腐蝕和三廢排放，副產物可用于生產無苯提案那水溶劑（香蕉水）。脫氫法缺點：（1）產品質量不如酯化法，雖然可以達到國標，但若丁酮等雜質難以得到完全分離，就不宜用于食品和酒增香等行業(yè)；（2）催化劑在使用前需要還原，停車后須用氮氣保護避免氧化，因此只適用于大規(guī)模連續(xù)生產，經濟規(guī)模在5000t/a以上；（3）技術較復雜，尚未成熟。表1.5四種工藝對比表工藝方法優(yōu)點缺點酯化法濃硫酸有酸性強、吸水性強、

30、性能穩(wěn)定、價廉等優(yōu)點，而且溶于反應物料中，是均相催化反應，反應均勻，因而在全塔內都能進行催化反應。催化作用不受塔內溫度限制，反應機理清楚，容易實現(xiàn)最優(yōu)控制設備腐蝕性大，濃硫酸易引起磺化、炭化和聚合等的副反應，產品純度低，后處理過程復雜，三廢量大乙醛縮合法反應條件溫和、原料消耗少、工藝簡單、設備腐蝕小，國外工藝成熟，國內也取得重大進展必須在乙醛的來源廣泛區(qū)，催化劑處理上存在一定污染乙醇脫氫法原料利用上也較為的經濟，可以副產氫氣，沒有腐蝕性催化劑選擇性較差，分離工段塔多，因而能耗比傳統(tǒng)工藝還高，工藝不成熟乙烯乙酸加成法反應有較高的選擇性和轉化率適合乙烯來源廣的地區(qū)，乙烯價格上漲后，不利，工藝不成熟

31、第四章 工藝設計計算4.1 設計依據11級制藥工程制藥反應工程課程設計任務書4.2設計方案對于乙酸乙酯的生產既可以采用間歇式生產，也可以采用連續(xù)式生產。本次設計將根據自己的生產規(guī)模計算，對設計方案進行比較，得出合理的工藝設計流程。4.3設計條件生產規(guī)模：5017噸/年生產時間：間歇生產6000小時/年，連續(xù)生產8000小時/年,物料消耗：按5%計算乙酸的轉變化率：57%4.4反應條件反應在等溫下進行，反應溫度為80，以少量濃硫酸為催化劑，硫酸量為總物料量的1%，當乙醇過量時，其動力學方程為： 。A為乙酸，建議采用配比為乙酸：乙醇=1：5（摩爾比），反應物料密度為，反應速度常數k為。4.5工藝計

32、算及方案選擇4.5.1反應器的的操作有間歇操作和連續(xù)操作反應器的設計基于“三傳一反”?！叭齻鳌敝纲|量、熱量和動量傳遞，其質量平衡，熱量平衡和動量平衡可以分別表述如下：1) 質量平衡2) 熱量平衡3) 動量平衡4.5.2間歇反應釜進料間歇反應釜操作期間沒有任何物料流入或流出，假定反應釜內部物料混合均勻，各物質濃度、溫度不隨空間位置而變，根據質量守恒，對反應物進行衡算：年產量為間歇生產6000小時/年，24小時生產制，一年250個工作日。4.5.3 流量的計算1）乙酸乙酯的產量化學反應方程式：乙酸乙酯的相對分子質量為88，所以要求的生產流量為2）乙酸的流量乙酸采用工業(yè)二級品（含量98%），乙酸與乙

33、酸乙酯的物質的量比為1:1，乙酸的轉化率x=0.57,物料損失以5%計， 則乙酸的進料量（即為）3）乙醇的流量乙醇與乙酸的摩爾配比為5：1，則乙醇的進料量為總物料量流量：4） 硫酸的流量總物料的質量流量如下計算，因硫酸為總流量的1%，則即可算其物質的量流量表3-5-1 物料進料量表 名稱乙酸乙醇濃硫酸流量17.989.50.534.5.4 反應體積及反應時間計算當乙醇過量時，可視為對乙酸濃度為二級的反應，其反應速率方程（A為乙酸）當反應溫度為80，催化劑為硫酸時，反應速率常數因為乙醇大大過量，反應混合物密度視為恒定，等于0.85kg/L,則乙酸的初始濃度為：當乙酸轉化率x=0.57，由間歇釜反

34、應有：根據經驗取非生產時間，則反應體積因裝料系數為0.75，故實際體積要求每釜體積小于5m3則間歇釜需2個，每釜體積V=4.28 m3圓整，取實際體積。4.6連續(xù)性反應釜進料的計算輸入的量=輸出的量+反應消耗的量+累積量圖4-6-1 連續(xù)流動釜式反應器示意圖特點：反應器有效容積中任意一點處的組成、溫度等狀態(tài)完全相同。出口物料的各種狀態(tài)與反應釜中相應的狀態(tài)相同4.6.1流量的計算乙酸乙酯的相對分子質量為88，所以要求的生產流量為2）乙酸的流量乙酸采用工業(yè)二級品（含量98%），乙酸與乙酸乙酯的物質的量比為1:1，乙酸的轉化率x=0.57,物料損失以5%計， 則乙酸的進料量（即為）3）乙醇的流量乙醇

35、與乙酸的摩爾配比為5：1，則乙醇的進料量為總物料量流量：5） 硫酸的流量總物料的質量流量如下計算，因硫酸為總流量的1%，則即可算其物質的量流量名稱乙酸乙醇濃硫酸流量13.467.10.40表4-6-1 物料進料量表 .4.6.2反應體積及反應時間計算當乙醇過量時，可視為對乙酸濃度為二級的反應，其反應速率方程（A為乙酸）當反應溫度為80，催化劑為硫酸時，反應速率常數k=15因為乙醇大大過量，反應混合物密度視為恒定，等于0.85。因硫酸少量，忽略其影響，乙酸的初始濃度：乙醇的初始濃度：對于連續(xù)式生產1）若采用兩釜串聯(lián)，系統(tǒng)為定態(tài)流動，且對恒容系統(tǒng)，不變，不變2）若采用兩釜等溫操作，則代數解得 所以

36、 裝料系數為0.75，故實際體積V=1.770.75=2.36。故采用一條的生產線生產即可，即兩釜串聯(lián)，反應器的體積V<5，反應時間：連續(xù)性反應時間 4.6.3設備和工藝流程圖經上述計算可知,間歇釜進料需要4.5m3反應釜2個,而連續(xù)性進料需1個4m3反應釜。根據間歇性和連續(xù)性反應特征比較，間歇進料需2條生產線，連續(xù)性需1條生產線。雖然，間歇生產的檢測控制等裝備就比連續(xù)性生產成本高，所耗費的人力物力大于連續(xù)生產，但該課題年產量少，選擇間歇生產比連續(xù)生產要優(yōu)越許多。故而，本次設計將根據兩釜串聯(lián)的的間歇性生產線進行，并以此設計其設備和工藝流程圖第五章 熱量衡算5.1熱量衡算總式式中：進入反應

37、器物料的能量，：化學反應熱，：供給或移走的熱量，有外界向系統(tǒng)供熱為正，有系統(tǒng)向外界移去熱量為負，：離開反應器物料的熱量，5.2每摩爾各種物值在不同條件下的值對于氣象物質，它的氣相熱容與溫度的函數由下面這個公式計算：各種液相物質的熱容參數如下表3：表頭液相物質的熱容參數同前物質AB×102C×104D×106乙醇59.34236.358-12.1641.8030乙酸-18.944109.71-28.9212.9275乙酸乙酯155.942.3697-1.99760.4592水92.053-3.9953-2.11030.53469由于乙醇和乙酸乙酯的沸點為78.5和7

38、7.2，所以：(1) 乙醇的值 同理可得：(2) 乙酸乙酯的值(3) 水的值(3) 乙酸的值5.3各種氣象物質的參數如下表5-3-1 氣相物質的熱容參數同前物質AB×103C×105D×108乙醇乙酸乙酯4.39610.2280.628-14.9485.54613.033-7.024-15.736(1) 乙醇的值(2) 乙酸乙酯的值 5.4每摩爾物質在80下的焓值(1) 每摩爾水的焓值同理：(3) 每摩爾的乙醇的焓值(4) 每摩爾乙酸的焓值(5) 每摩爾乙酸乙酯的焓值5.5總能量衡算表5-2 各組分進料量同前，所有表格都要統(tǒng)一修改好物質進料出料乙酸17.97.7乙

39、醇89.579.3乙酸乙酯09.5水09.5（1）的計算（2）的計算（3）的計算因為：所以：>0，故應是外界向系統(tǒng)供熱。5.6 換熱設計換熱采用夾套加熱，設夾套內的過熱水蒸氣由130降到110，溫差為20。5.7 水蒸氣的用量忽略熱損失，則水的用量為5第六章 設備設計與選型6.1反應釜體及夾套的設計計算6.1.1 筒體和封頭的幾何參數的確定設備圖6.1.2 筒體和封頭的型式選擇圓筒體，橢圓形封頭。6.1.3筒體和封頭的直徑反應物料為液夜相類型，由表H/Di=1.01.4 考慮容器不是很大，故可取H/Di=1.1由式反應釜內徑的估算值應圓整到公稱直徑DN系列，故可取1600 mm 。封頭取

40、相同內徑，其直邊高度ho由附表123 初選ho=40 mm 。6.1.4 確定筒體高度H當 Dg=1600 mm ，ho= 40 mm 時，由附表123可查得橢圓形封頭的容積為 V封 =0.617 m查得筒體1米高的容積V1米=2.014 m3取 H = 1680 mm 則 H/Di = 1680/16001.1 選取橢圓封頭，其公稱直徑為1600mm，曲面高度為400mm，直邊高度為40mm，容積為0.617 m36.1.5 夾套直徑、高度的確定根據筒體的內徑標準，經計算查取，選取DN=1800的夾套。夾套封頭也采用橢圓形并與夾套筒體取相同直徑 。夾套高度H2：式中為裝料系數， = 0.75

41、 ，代入上式：取：H2 = 1200 mm 。6.2釜體及夾套厚度的計算6.2.1設備材料根據設備的工作條件，可選擇Q235A作為釜體及夾套材料，由附表62查得所選材料許用應力為：6.3 設備的壁厚計算6.3.1 釜體筒體壁厚計算6.3.2 內壓設計計算根據工作條件，可選取P=0.2MPa為設計內壓。根據式（10-12）2筒體的設計厚度：式中：d 圓筒設計厚度，mm ；Di 圓筒內徑 ，mm ；P 內壓設計壓力， ； 焊接接頭系數，考慮到夾套的焊接取0.8（表10-92）；C2 腐蝕裕量，取 2 mm ；t材料許用應力： 。考慮到鋼板負偏差，初選C1 = 0.6 mm （表10-101）。所以

42、，內壓計算筒體壁厚：3.8 + 0.6 = 4.4mm6.3.3 外壓設計計算按承受0.25MPa 的外壓設計設筒體的設計壁厚 = 7 mm ，并決定L/Do ；Do/ 之值：Do筒體外徑，Do = Di + 2d =1600 +2×7 =1614 mm；L 筒體計算長度，L = H2 +h = 1400+×400 =1533 mm （h為封頭的曲面高度），則：L/Do = 0.95，Do/ = 230由圖10-152查得A = 0.00045，由圖10-172差得 ，則許用外壓為：可見， = 7 mm 滿足0.25 MPa 外壓穩(wěn)定要求，考慮壁厚附加量C = C1 + C

43、2 = 0.6 + 2 = 2.6 mm 后，筒體壁厚 n = + C = 7 +2.6 = 9.6 mm ，圓整到標準鋼板規(guī)格，n 取 10 mm 。綜合外壓與內壓的設計計算，釜體的筒體壁厚為10mm，經計算校核，滿足設備安全要求。6.3.4 釜體封頭壁厚計算按內壓計算:P = 0.2MPa, Di = 1600mm, = 0.8,t = 113Mpa, C = 0.6+2 = 2.6mm代入數據：因為釜體的筒體S筒釜= 10mm，考慮到封頭與筒體的焊接方便，取封頭與筒體厚S封頭= 10mm經采用圖解法外壓校核，由于PPT ，外壓穩(wěn)定安全，故用S封筒= 10 mm。6.3.5 夾套筒體壁厚設

44、計計算根據式（10-12）2 筒體的設計厚度：考慮到鋼板負偏差，初選C1 = 0.6 mm故夾套筒體的厚度為4.5+0.6 = 5.1mm，圓整到標準系列取6 mm。經校核，設備穩(wěn)定安全。6.3.6 夾套封頭壁厚設計與選擇圓整到規(guī)格鋼板厚度，S封夾 = 6mm，與夾套筒體的壁厚相同，這樣便于焊接。經校核，設備穩(wěn)定安全符合要求。據附表122可查取到夾套封頭尺寸：公稱直徑：1800mm，曲面高度：450mm，直邊高度：40mm6.3.7 反應釜設計參數表4 夾套反應釜的相關參數項目釜 體夾 套公稱直徑DN/mm16001800公稱壓力PN/MPa0.20.25高度/mm16801200筒體壁厚/m

45、m106封頭壁厚/mm1066.4攪拌器設計6.4.1 攪拌器的形式選擇根據工作條件，由于物料的黏度不大，考慮到物料的流動、攪拌目的及轉速要求，選擇攪拌器的形式為：雙葉螺旋槳式，槳葉直徑為800 mm。6.4.2 攪拌器轉速n：根據相關的工藝經驗數據，選擇6.4.3 傳動功率P：攪拌的雷諾數Re則：（KT可查取表3-91）6.4.4 電機功率本設計中考慮傳動效率為90%，則：6.4.5 減速器的選擇根據以上計算，并查取文獻，選用BLD1.5-2-29Q型減速器，其出軸轉速為100rpm，適用。6.4.6 電動機的選擇選用電動機的型號為：JO2-22-16.5攪拌軸直徑的設計計算6.5.1 攪拌

46、軸材料：選用Q235-A,選取其=16MPa （為軸材料的許用切應力，單位：MPa,對于Q235-A,取1220MPa）6.5.2 攪拌軸強度計算圓整，取d = 40 mm6.5.3 攪拌軸剛度計算（式中為軸的許用扭轉角(°/m)，對于一般的傳動，可取0.51.0(°/m)，本設計中物料黏度不大，取為0.7）經計算比較，軸徑為40mm 滿足強度、剛度要求，故選擇攪拌軸徑為40 mm 。6.6.夾套式反應釜附屬裝置的確定6.6.1支座的選定：（以下參考書3）因反應釜需外加保溫，故選B型懸掛式支座6.6.2 反應釜總重式中：Q1筒體與夾套筒體總重Q2封頭與夾套封頭總重Q3料液重

47、，按水壓試驗時充滿水計Q4附件重，人孔重900N，其它接管和保溫層按1000N計故：Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 12357 + 4690 + 53057 + 1900 = 72004N按兩個支座承載計，每個支座承載36002N由表11-62 選：支座B4 JB/T 4735-926.7 人孔C選用長圓型回轉蓋快開人孔 人孔PN0.6，400×300 JB 579-79-16.8接管及其法蘭選擇6.8.1 水蒸氣進口管：108×4，L=200mm，10號鋼法蘭：PN0.6 DN100 HG 20592-976.8.2 冷卻水出口管：57×3.5，

48、L=150 mm，無縫鋼管法蘭：PN0.6 DN50 HG 20592-976.8.3 進料管（1） 乙酸進料管管徑根據管子規(guī)格圓整選用的無縫鋼管，L=150mm法蘭：PN0.25 DN25 HG 20592-97（2） 乙醇醇進料管管徑根據管子規(guī)格圓整選用的無縫鋼管，L=200mm法蘭：PN0.25 DN50 HG 20592-97（3） 濃硫酸進料管管徑根據管子規(guī)格圓整選用的無縫鋼管，L=100mm法蘭：PN0.25 DN10 HG 20592-97（4） 出料管：出料總質量流量因密度，則體積流量為由表1-14得，因進料黏度低，選取管道中流速則管徑根據規(guī)格選取57×3.5的無縫鋼

49、管。法蘭：PN0.6 DN50 HG 20592-97（6）溫度計接管：45×2.5，L=100mm，無縫鋼管法蘭：PN0.25 DN40 HG 20592-97（7） 不凝氣體排出管：32×3.5，L=100 mm，無縫鋼管法蘭：PN0.6 DN25 HG 20592-97（8） 壓料管：57×3.5，L=200 mm，無縫鋼管法蘭：PN0.25 DN50 HG 20592-97（9）壓料管套管：108×4，L=200 mm，10號鋼法蘭：PN0.25 DN100 HG 20592-97第七章 總 結   在為期兩周的設計

50、里，在此課程設計過程中首先要感謝老師，在這次課程設計中給予我們的指導，由于是初次做反應工程課程設計，所以，再設計整個過程中難免遇到這樣那樣的難題不知該如何處理，幸好有老師的耐心教誨，給予我們及時必要的指導，在此向各位老師表最誠摯的感謝！ 從老師開始說要在做課程設計開始，我就一直擔心我到最后交不了稿，因為這都到期末了，有很多門專業(yè)課要考試，必須花上大量的時間復習，加上前面我們做了一個化工原理的課程設計，知道里面有很多需要查閱的東西，所以天天就一直在想到底是復習還是做課程設計。知道今天為止，我終于兩不誤，把兩樣事情都順利地完成了。 課程設計不同于書本理論知識的學習，有些問題是實際實踐過程中的，無法用理論推導得到，因此不免過程中有很多困難，但通過與同學的交流和探討，查閱文獻資料，