1、摘 要乙酸乙酯是一类重要的有机溶剂和有机化工基本原料，其用途非常广泛，目前我国采用传统的方法制备即乙酸和乙醇为原料，浓硫酸为催化剂直接催化合成乙酸乙酯。所以通过对乙酸乙酯的理化性质，社会用途与需求和国内外发展现状进行研究调查以及乙酸乙酯在实验室制法和工业生产各方面对比之后，为此对乙醇和乙酸的缩合进行了乙酸乙酯合成工艺的课程设计。本选题为年产量为年产 5017 吨乙酸乙酯的反应器的设计 。对工业生产中的物料衡算，热量衡算和合成工艺的设备等方面为间歇釜式反应器的工业设计提供较为详尽的数据与图纸。本选题为年产量为年产 5017 吨乙酸乙酯的反应器的设计 。关键字：乙酸；乙醇；乙酸乙酯；合成工艺；间歇
2、式反应器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 aceta
3、te. 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 ace
4、tic 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 reacto
5、r industrial 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 录摘 要 .Abstract .第一章 前 言 .81.1 乙酸乙酯概述 .81.1.1 乙酸乙酯的简介 .81.1.2 乙酸乙酯的用途 .81.1 乙酸乙酯的产能和市场需求 91.2.1 世界乙酸乙酯的产能与消费情况
6、 .91.2.2 我国乙酸乙酯的产能与消费状况 .9第二章 工艺流程的比较 .122.1 本课题设计内容和要求 .122.1.1 设计要求 .122.1.2 具体设计内容 .122.2 设计方案的确定 .122.2.1 反应原理 12第三章 工艺设计方案 .143.1 原料路线确定的原则和依据 .143.1.1 乙醇乙酸酯化法 143.1.2 乙醛缩合法 143.1.3 乙烯加成法 153.1.4 乙醇脱氢法 15第四章 工艺设计计算 .174.1 设计依据 .174.2 设计方案 174.3 设计条件 174.4 反应条件 174.5 工艺计算及方案选择 174.5.1 反应器的的操作有间歇
7、操作和连续操作 174.5.2 间歇反应釜进料 184.5.3 流量的计算 .184.5.4 反应体积及反应时间计算 .194.6 连续性反应釜进料的计算 204.6.1 流量的计算 204.6.2 反应体积及反应时间计算 214.6.3 设备和工艺流程图 23第五章 热量衡算 .245.1 热量衡算总式 .245.2 每摩尔各种物值在不同条件下的 mpC,值 .245.3 各种气象物质的参数如下表 255.4 每摩尔物质在 80下的焓值 .255.5 总能量衡算 265.6 换热设计 .275.7 水蒸气的用量 .27第六章 设备设计与选型 .286.1 反应釜体及夹套的设计计算 .286.
8、1.1 筒体和封头的几何参数的确定 .286.1.2 筒体和封头的型式 .286.1.3 筒体和封头的直径 286.1.4 确定筒体高度 H 286.1.5 夹套直径、高度的确定 .296.2 釜体及夹套厚度的计算 .296.2.1 设备材料 296.3 设备的壁厚计算 296.3.1 釜体筒体壁厚计算 .296.3.2 内压设计计算 .296.3.3 外压设计计算 .306.3.4 釜体封头壁厚计算 .306.3.5 夹套筒体壁厚设计计算 .316.3.6 夹套封头壁厚设计与选择 .316.3.7 反应釜设计参数 .316.4 搅拌器设计 .326.4.1 搅拌器的形式选择 .326.4.2
9、 搅拌器转速 n： 326.4.3 传动功率 P： 326.4.4 电机功率 .326.4.5 减速器的选择 .326.4.6 电动机的选择 .326.5 搅拌轴直径的设计计算 .336.5.1 搅拌轴材料： .336.5.2 搅拌轴强度计算 .336.5.3 搅拌轴刚度计算 .336.6.夹套式反应釜附属装置的确定 .336.6.2 反应釜总重 .336.7 人孔 C .336.8 接管及其法兰选择 .346.8.1 水蒸气进口管： .346.8.2 冷却水出口管： .346.8.3 进料管 .34第七章 总 结 .36参考文献 .37致 谢 .38第一章 前 言1.1 乙酸乙酯概述1.1.
10、1 乙酸乙酯的简介乙酸乙酯(EA)，又名醋酸乙酯，英文名称：Ethyl acetate。分子式为：C 2H8O4。它是一种无色透明具有流动性并且是易挥发的可燃性液体 1，呈强烈清凉菠萝香气和葡萄酒香味。乙酸乙酯能很好的溶于乙醇、氯仿、乙醚、甘油、丙二醇、和大多数非挥发性油等有机溶剂中，稍溶于水(25时，1mL 乙酸乙酯可溶于 10mL 水中)，而且在碱性溶液中易水解成乙酸和乙醇。水分能使其缓慢分解而呈酸性。乙酸乙酯与水和乙醇皆能形成二元共沸混合物，与水形成的共沸混合物沸点为 70.4，其中含水量为 6.1%(质量分数)。与乙醇形成的共沸混合物的沸点为 71.8。还与 7.8%的水和 9.0%的
11、乙醇形成三元共沸混合物，其沸点为 70.2。下表为乙酸乙酯的一些物化参数。表 1.1 乙酸乙酯的物化参数 2熔点( ) -83.6 临界温度() 250.1折光率（20) 1.3708-1.3730 临界压力(MPa) 3.83沸点( ) 77.06 辛醇 /水分配系数的 对数值 0.73对密度(水=1) 0.894-0.898 闪点() 7.2相对蒸气密度(空气=1) 3.04 引燃温度() 426饱和蒸气压(kPa) 13.33(27) 爆炸上限%(V/V) 11.5燃烧热(kJ/mol) 2244.2 爆炸下限%(V/V) 2.0室温下的分子偶极距 6.55510-301.1.2 乙酸乙
12、酯的用途乙酸乙酯是重要的精细化工原料。它是一种具有优异溶解性能和快干性能的溶剂，已广泛应用于化工、医药、纺织、染料、橡胶、涂料、油墨、胶粘剂的生产中，或作为原料、或作为工艺溶剂、萃取剂、稀释剂等等；由于它具有天然水果香味，因此还可作为调香剂组分，应用于香料、食品工业中；也可作为粘合剂用于印刷油墨、人造珍珠等的生产；作为提取剂 用于医药、有机酸的产品的生产等；此外还可用作生产菠萝、香蕉、草莓等水果香精和威士忌、奶油等香料的原料。国外乙酸乙酯的消费结构与我国有所不同，美国和欧洲国家乙酸乙酯最大的应用领域是涂料，其中美国涂料方面的消费量约占总消费量的 60%,欧洲在涂料行业的消费量约占总消费量的 5
13、0%。日本主要应用在涂料，油墨方面，分别约占总消费量的 40%和30%。而我国主要应用于涂料，粘合剂和制药领域 3。1.1 乙酸乙酯的产能和市场需求1.2.1 世界乙酸乙酯的产能与消费情况目前乙酸乙酯生产与消费主要集中在西欧，美国和亚洲地区，其中亚洲地区的生产和消费又主要集中在日本，中国及东南亚国家 4。近年来，世界乙酸乙酯的生产能力不断增加。2001 年全球乙酸乙酯的生产能力只有 125.0 万吨/年,2006 年生产能力增加到 222.0万吨/ 年，20012006 年生产能力的年均增长率高达 12.2%。其中英国 BP 化学公司是目前世界上最大的乙酸乙酯生产厂家，生产能力为 22.0 万
14、吨/年，约占世界总生产能力的 9.91%。其次是中国江苏索普集团公司，生产能力为 20.0 万吨/年，约占 9.01%。表 1.2 为国外乙酸乙酯的生产情况。在涂料方面，使得乙酸乙酯涂料被水性和高固含量涂料、粉末涂料和双组分涂料夺去了市场额。虽然这种变化还在继续，但乙酸乙酯市场仍然保持持续增长。东南亚地区开始成为全球最重要的乙酸乙酯的产地和消费地。大部分投资于乙酸乙酯的资金开始将目标投向乙酸乙酯需求量增长迅速的亚洲和中国。1.2.2 我国乙酸乙酯的产能与消费状况（1）生产现状 我国乙酸乙酯的生产始于 20 世纪 50 年代，近年来，随着我国化学工业和医药工业的快速发展，乙酸乙酯的生产发展很快。
15、生产能力已经从 2001 年的 37.0 万吨/年增加到 2006年的约 90.0 万吨/年。目前，我国乙酸乙酯的生产厂家有 20 多家，生产企业主要集中在华南和华东地区。其中国内最大的乙酸乙酯生产企业江苏索普集团产能达到 20.0 万吨/年，约占国内总生产能力的 22.2%，与乙酸产品实现了上下游一体化，产品竞争力较强，80%的乙酸乙酯用于出口；其次是山东金沂蒙集团公司，生产能力为 16.0 万吨/年，约占国内总生产能力的 13.3%，主要原料乙酸、乙醇均能自给，产品竞争能力也较强。目前国内大型乙酸乙酯企业均采用酯化法技术。表 1.2 国外乙酸乙酯主要生产情况生产厂家 地址 生产能力( 万吨
16、/年)美国塞拉尼斯公司 德克萨斯州潘帕 6.0美国伊斯曼化学公司 德克萨斯州朗维尤 6.1美国 Solution 公司 马萨诸塞 2.5巴西罗地亚公司 帕利尼涯 10.0默西哥塞拉尼斯公司 卡格来吉拉 9.2英国 BP 化学工司 赫尔 22.0西班牙 Ereros 塔拉戈纳 6.0瑞典 Wweask 乙醇化学公司 多姆斯乔 3.5瑞典联合碳化物公司 斯德哥尔摩 3.0日本昭和电工公司 南阳 15.0日本千叶公司 市原 4.7日本协和发酵公司 四日市 4.0印度 LAXMI 有机工业公司 马哈德 3.5印度 JUBILANT 有机合成公司 加劳拉尼蜡 3.2韩国三星/BP 公司 蔚山 7.0韩国
17、国际酯类公司 蔚山 7.5新加坡塞拉尼斯公司 裕廊岛 6.0印度昭和酯类公司 梅拉克 6.0南非萨索尔公司 赛库达 5.0随着生产能力的不断增加，我国乙酸乙酯的产量也不断增加 5。2001 年我国乙酸乙酯的产量只有 17.9 万吨，2006 年进一步增加到 63.0 万吨，比 2005 年增长约22.19%，20012006 年产量的平均增长率高达 15.09%，截止到 2009 年 10 月底，我国乙酸乙酯生产能力达到约 150.0 万吨/年。表 1.3 国内乙酸乙酯主要生产情况 6企业名称 产能 (万吨/年)江苏索普集团 20.0山东金沂蒙集团公司 18.0广东江门谦信化工发展公司 10.
18、0广东顺德冠集团公司气体溶剂有限公司 10.0上海吴泾化工有限公司 20.0扬子江乙酰化工有限公司 10.0江西南昌赣江溶剂厂 8.0广东顺德集团公司 4.5天津冠达集团公司 3.5上海石油化工公司 2.1上海试剂有限公司 2.0成都有机化工厂 2.0浙江建德建业有机化工有限公司 1.2江苏三木集团公司 1.0山东海化股份有限公司 10.0（2）消费现状、进出口情况及发展前景 7随着生产能力的不断增加，我国乙酸乙酯的产量也不断增加。2008 年尽管受到金融危机的影响，但是由于 2007 年新增的产能发挥作用，产能仍达到约 95.0 万吨/年，同比增长约 33.8%。表 1.4 为我国近年来乙酸
19、乙酯的供需关系。表 1.4 国内近年来乙酸乙酯的供需关系（单位：万吨/ 年）年份 产量 进口量 出口量 表观消费量2002 30.7 4.58 1.09 34.192003 34.2 4.27 1.19 37.282004 41.8 3.46 2.07 43.192005 47.3 4.64 1.88 50.062006 63.0 0.96 10.94 53.022007 71.0 0.76 13.70 58.062008 95.0 0.11 18.39 76.722009(1-6 月) 0.03 8.73另外，随着乙酸乙酯新用途的不断开发，将会使乙酸乙酯在其他方面用量的比例也有一定的增加。第
20、二章 工艺流程的比较2.1 本课题设计内容和要求2.1.1 设计要求乙酸乙酯是一种重要的基本有机化工原料，其生产方法有直接酯化法和间接酯化法。该产品在酯化工艺中为最基础、也是最重要的酯化产品。研究并设计其生产工艺具有很重要的意义。2.1.2 具体设计内容（1）查阅文献，了解该产品的性质、性能、合成、应用等。选择合理的生产原料和制备工艺，采用先进的生产设备和控制手段，编制开题报告(工艺流程方框图、开题报告)；（2）根据原料、产品和生产规模，绘制工艺流程草图，进行物料衡算和热量衡算(物料平衡图、原料消耗、能量消耗综合表)；（3）进行主体设备和辅助设备的工艺计算与设备选型，并列出设备一览表；（4）绘
21、制主体设备图；（5）绘制带控制点的工艺流程图；（6）进行生产车间布置设计(生产车间平面布置图和立面布置图)；（7）进行技术分析、经济效益分析、安全评价与环保评价。2.2 设计方案的确定目前在世界范围内，上述四种工艺都已经投入运行，但在国内投入运行的只有酯化法、乙醛缩合法、乙醇脱氢法，乙酸/乙烯加成法在国内还不够成熟。酯化法中新研究出的催化剂造价过高，乙醇脱氢法适合在乙醇产量高的地区或者是价格廉价的地区较合适，日本所有的乙酸乙酯都是采用乙醛缩合法,并且综合上面的概述中几种工艺的对比。2.2.1 反应原理乙醛缩合法制乙酸乙酯可分为三个阶段：催化剂的制备、乙醛的缩合反应、催化剂的脱除和精馏提纯。（1
22、）乙醛的缩合反应反应在两个串联的反应器中进行，第一个是釜式的反应器，第二个也是采用釜式的反应器。反应方程式为： CH3OAl(C2H5)3CH3OC2H5这样做的好处是，在第一个反应器之中，反应剧烈放出大量的热量，采用釜式的反应器搅拌的均匀，易于把热量移出，相对于管式的来说，温度易于控制，虽然转化率情况有所降低，但反应的可控性、安全性提高；第二个也采用釜式的反应器，是考虑到反应进行到后来，放热量已经不多，而且造价低。图 2.2 为缩合工序的流程简图。 图 2.2 缩合工序的流程简图（2）催化剂的脱除我们通过加水的方法破坏掉催化剂，然后经过蒸发器将粗乙酸乙酯蒸出，氢氧化铝残液从下面排除，残液再经
23、过一个分离器进一步分离出氢氧化铝，液体部分可以再返回蒸发器。 图 2.3 蒸发工序流程简图（3）精馏提纯可以采用三塔的模式，三塔均是常压操作，一塔脱乙醛；二塔脱出乙醇，脱出的乙醇用作生产催化剂；第三塔，塔上得到产品，塔下出重组分。同时还可以设计一个小塔，用来分离第三塔得到的重组分，有效地分离较纯副产物乙缩醛，产出乙缩醛，做到了副产品的有效利用。第三章 工艺设计方案3.1 原料路线确定的原则和依据乙酸乙酯的合成路线主要有四种，即乙醇乙酸酯化法（其中包括了乙酸乙醇直接酯化法和反应精馏法） ，乙醛缩合法，乙醇脱氢法，乙烯和乙酸直接加成法。应当说，乙醇乙酸酯化法在乙酸乙酯的合成中依然占有相当大的比例，
24、尤其是在美国等国家，在国内多数企业也依然采用乙酸酯化法；德国、日本等国有多套乙醛直接缩合生成乙酸乙酯的装置；乙醇脱氢法与乙烯和乙酸直接加成法在其中所占的比例较小，技术有待成熟。下面简单介绍四种方法的优势与缺陷 9。3.1.1 乙醇乙酸酯化法反应式： OHCCOHCH2323三323 乙醇乙酸酯化法由乙酸和乙醇在硫酸等催化剂作用下直接酯化成乙酸乙酯，常用的工艺是用浓硫酸作催化剂的均相催化反应精馏，该工艺是目前国内广泛采用的生产工艺，浓硫酸有酸性强、吸水性强、性能稳定、价廉等优点，而且溶于反应物料中，是均相催化反应，反应均匀，因而在全塔内都能进行催化反应 11。催化作用不受塔内温度限制，反应机理清
25、楚，容易实现最优控制，这些优点可以使反应精馏生产装置大型化。用浓硫酸作催化剂，也有其不可克服的缺点，即硫酸严重腐蚀设备，其强氧化性引起磺化、碳化或聚合等副反应，产品纯度低，后处理进程复杂，三废量大。另一种酯化的工艺是催化精馏法，它采用固体酸作催化剂，属非均相反应精馏。在酯化合成方面，已经开发出的固体催化剂有沸石分子筛、离子交换树脂、金属硫酸盐、固体超强酸等，具有产物纯度高，反应选择性强，酯收率高，反应条件温和，副产物较少等优点。但若简单地将固体酸催化剂于反应中取代硫酸，催化剂在反应液中很快失去活性。催化精馏法不容易实现工业化和大型化的困难，在于催化精馏属非均相催化反应精馏过程，机理较复杂，目前
26、理论还不能很好地解释这一过程，在国际上还没有一个国家提出催化精馏塔的设计方法。3.1.2 乙醛缩合法反应式： 523三3 HCOCHO2 乙醛缩合法是由两分子乙醛经 Tishchenko 反应缩合成一分子乙酸乙酯，催化剂为乙醇铝、氯化铝及氯化锌等，反应温度为 010oC。其生产工艺是将乙醛、乙醇铝催化剂及助催化剂连续送入反应器，反应液经蒸发浓缩后，再经三塔精馏，获得纯度 99.8%以上的乙酸乙酯产品。乙醛缩合法优点在于反应是在常压低温下进行，转化率和收率高，对设备要求不高，生产成本较酯化法低；缺点是受原料来源限制，仅适宜于乙醛资源丰富的地区，催化剂乙醇铝无法回收，最后通过加水生成氢氧化铝排放，
27、对环境有一定污染。乙醛缩合法在欧洲和日本是生产乙酸乙酯的主流生产方法，在我国工业性生产厂很少。乙醛贮存运输不方便，一般都是自产自用，因此乙醛缩合法乙酸乙酯生产装置都是建在有乙醛生产的厂内。在冰醋酸价格高的地方，该法有很强的竞争优势。该法在国外已经大型化，在国内尚有催化剂和工程上的问题没解决，有待突破。该法的产品只能用于化工原料，不能用于食用香料，这是因为乙醛及副产物无法除尽。3.1.3 乙烯加成法反应式： 52332 HCOCHCH 随着化学化工产业的迅速发展，炼油技术的不断提高，乙烯已经成为一种丰富的原料。由于乙烯与乙酸直接加成反应生产乙酸乙酯利用丰富的乙烯原料，原料利用合理，来源广泛，价格
28、低廉，生产成本较低，且对合成乙酸乙酯具有较高的产率与选择性，既是一种原子经济型反应，又是一种环境友好型反应。缺点是此催化体系对设备腐蚀严重，投资成本高。该工艺采用的催化剂主要有液体无机酸和有机磺酸类、分子筛类和杂多酸类催化剂。同时该工艺依赖于石化工业，需要有大量的乙烯资源，只能在乙烯和乙酸资源相对比较丰富而廉价的地区才可以考虑。石油价格的不断上涨，造成该工艺的劣势更加凸现，在中国这样自身石油储量及产量不高需要大量进口石油的国家，如果盲目发展这一工艺生产乙酸乙酯缺乏战略考虑。3.1.4 乙醇脱氢法反应式： 252323 HCOOHC 催 化 剂以乙醇为原料生产乙酸乙酯，传统工艺必须经过乙醇氧化脱
29、氢为乙醛、乙醛氧化成乙酸、乙酸与乙醇酯化 3 个工段才能完成。乙醇脱氢法则只用乙醇一种原料，经过单一催化剂脱氢后直接得到乙酸乙酯，因此，这种方法也简称一步法，以区别于传统的三工段工艺。乙醇脱氢法总反应实际上也是经过 3 个步骤完成的。具体的反应机理有两种，一种是“脱氢歧化酯化 ”机理，另一种是 “半缩醛”机理，即三个步骤分别为乙醇脱氢为乙醛、乙醇与乙醛反应生成半缩醛、半缩醛脱氢为乙酸乙酯 16。20 世纪 90 年代初清华大学化学系首先对此工艺进行研究，开发出催化剂Cu/ZnO/Al2O3/ZrO2，并获得了国家专利。1996 年西南化工研究院也开始进行乙醇脱氢法生产乙酸乙酯的研究，目前还在进
30、行工业试验，取得了不小的进展。英国 Kvaerner 工程公司于 20 世纪 90 年代研究乙醇脱氢法生产乙酸乙酯，同时已经在南非建成第一家工业化生产工厂。该工艺的关键问题在于催化剂，根据反应历程，产物中有中间产物乙醛与乙酸，另外还有副产物乙烯、丙酮、丁酮、2-丁醇等。由于氢气对平衡的抑制及降低副反应要求，单程转化率只能控制在 60%70%。该工艺反应工段，但分离设备较多，流程较复杂，主要的副产物必须分离。脱氢法反应特点是：反应温和，各种反应条件变化弹性很大，工艺简单，容易操作。脱氢法优点：（1）生产成本低，在没有甲醇法乙酸生产的地区，价格优势很大；（2）每吨乙酯副产氢气 509m3，适用于氢
31、气有用场合；（3）基本无腐蚀和三废排放，副产物可用于生产无苯提案那水溶剂（香蕉水） 。脱氢法缺点：（1）产品质量不如酯化法，虽然可以达到国标，但若丁酮等杂质难以得到完全分离，就不宜用于食品和酒增香等行业；（2）催化剂在使用前需要还原，停车后须用氮气保护避免氧化，因此只适用于大规模连续生产，经济规模在 5000t/a 以上；（3）技术较复杂，尚未成熟。表 1.5 四种工艺对比表工艺方法 优点 缺点酯化法浓硫酸有酸性强、吸水性强、性能稳定、价廉等优点，而且溶于反应物料中，是均相催化反应，反应均匀，因而在全塔内都能进行催化反应。催化作用不受塔内温度限制，反应机理清楚，容易实现最优控制设备腐蚀性大，浓
32、硫酸易引起磺化、炭化和聚合等的副反应，产品纯度低，后处理过程复杂，三废量大乙醛缩合法反应条件温和、原料消耗少、工艺简单、设备腐蚀小，国外工艺成熟，国内也取得重大进展必须在乙醛的来源广泛区，催化剂处理上存在一定污染乙醇脱氢法原料利用上也较为的经济，可以副产氢气，没有腐蚀性催化剂选择性较差，分离工段塔多，因而能耗比传统工艺还高，工艺不成熟乙烯乙酸加成法 反应有较高的选择性和转化率适合乙烯来源广的地区，乙烯价格上涨后，不利，工艺不成熟第四章 工艺设计计算4.1 设计依据11 级制药工程制药反应工程课程设计任务书4.2 设计方案对于乙酸乙酯的生产既可以采用间歇式生产，也可以采用连续式生产。本次设计将根
33、据自己的生产规模计算，对设计方案进行比较，得出合理的工艺设计流程。4.3 设计条件生产规模：5017 吨/年 1生产时间：间歇生产 6000 小时/年，连续生产 8000 小时/年, 2物料消耗：按 5%计算 3乙酸的转变化率：57% 44.4 反应条件反应在等温下进行，反应温度为 80，以少量浓硫酸为催化剂，硫酸量为总物料量的1%，当乙醇过量时，其动力学方程为： 。 A 为乙酸，建议采用配比为乙酸：乙醇2AkCr=1：5（摩尔比） ，反应物料密度为 ，反应速度常数 k 为 。lg/85.0 min)/(0.15kol4.5工艺计算及方案选择4.5.1反应器的的操作有间歇操作和连续操作反应器的
34、设计基于“三传一反” 。 “三传”指质量、热量和动量传递，其质量平衡，热量平衡和动量平衡可以分别表述如下：1) 质量平衡 累 积 量消 耗 量生 产 量质 量 输 出质 量 输 入 量 2) 热量平衡 热 量 累 积 量热 量 产 生 量热 量 净 变 化 量3) 动量平衡 动 量 累 计 量净 作 用 力 项动 量 输 出动 量 输 入 量 4.5.2间歇反应釜进料间歇反应釜操作期间没有任何物料流入或流出，假定反应釜内部物料混合均匀，各物质浓度、温度不随空间位置而变，根据质量守恒，对反应物进行衡算： 累 积 量反 应 消 耗 掉 的 量输 出 的 量输 入 的 量 年产量为间歇生产6000小
35、时/年，24小时生产制，一年250个工作日。4.5.3 流量的计算1）乙酸乙酯的产量化学反应方程式： OHCHOCHC 2323233 浓 硫 酸乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为 )/(5.96081573hkmolF生 产 时 间摩 尔 质 量间 隙 生 产 年 产 量乙 酸 乙 酯2）乙酸的流量乙酸采用工业二级品（含量98%） ，乙酸与乙酸乙酯的物质的量比为1:1，乙酸的转化率x=0.57,物料损失以5%计， 则乙酸的进料量（即为 ）0AF)/(9.178.05.17.90 hkmolFA ）（乙 酸 的 含 量未 被 损 耗 的 量乙 酸 的 转 化 率乙 酸 乙 酯
36、的 生 产 流 量乙 酸3）乙醇的流量乙醇与乙酸的摩尔配比为5：1，则乙醇的进料量为 )/(5.89.17hkmolF 乙 酸 的 进 料 量乙 醇 与 乙 酸 的 摩 尔 比乙 醇总物料量流量： )/(4.0/5.89/.170 hkolhkmolhkolA 乙 醇总4）硫酸的流量总物料的质量流量如下计算， )/(4.5239.068.1742 hkgWMFWSOHA 浓乙 醇乙 醇总因硫酸为总流量的 1%，则 )/(3.501.4523hkg硫 酸即可算其物质的量流量 )/(.98.molF硫 酸表3-5-1 物料进料量表 名称 乙酸 乙醇 浓硫酸流量 hkmol/17.9 89.5 0.
37、534.5.4 反应体积及反应时间计算当乙醇过量时，可视为对乙酸浓度为二级的反应，其反应速率方程（A为乙酸）2AkCdtr当反应温度为80，催化剂为硫酸时，反应速率常数 )/(9.0min)/(0.153hkololLK因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85kg/L,则乙酸的初始浓度为： 30A /93.2604518. mkolc当乙酸转化率x=0.57，由间歇釜反应有： 30 /260.1)57.(.)1( kolXCAA h)(50.)93.2160.(91)()( 02 AcAocoA cdkrdt根据经验取非生产时间 ht5.，则反应体积 )(1.6)0.(93.21
38、7)( 3,0 mtcFVAR因装料系数为0.75，故实际体积 )(1.875.63mR要求每釜体积小于5m 3则间歇釜需 2 个，每釜体积 V=4.28 m3圆整，取实际体积 。3m5.4V4.6 连续性反应釜进料的计算输入的量=输出的量+ 反应消耗的量+ 累积量图 4-6-1 连续流动釜式反应器示意图特点：反应器有效容积中任意一点处的组成、温度等状态完全相同。出口物料的各种状态与反应釜中相应的状态相同4.6.1 流量的计算OHCHOCHC 2323233 浓 硫 酸乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为 )/(1.78053hkmolF生 产 时 间摩 尔 质 量间 隙 生 产
39、 年 产 量乙 酸 乙 酯2）乙酸的流量乙酸采用工业二级品（含量98%） ，乙酸与乙酸乙酯的物质的量比为1:1，乙酸的转化率x=0.57,物料损失以5%计， 则乙酸的进料量（即为 ）0AF)/(4.1398.5.17.0 hkmolFA ）（乙 酸 的 含 量未 被 损 耗 的 量乙 酸 的 转 化 率乙 酸 乙 酯 的 生 产 流 量3）乙醇的流量乙醇与乙酸的摩尔配比为5：1，则乙醇的进料量为 )/(1.674.35hkmolF 乙 酸 的 进 料 量乙 醇 与 乙 酸 的 摩 尔 比乙 醇总物料量流量： hkolhkmolhkolA /.80/1.67/4.130 乙 醇总5）硫酸的流量总
40、物料的质量流量如下计算， )/(3909.046174.1342 hkgWMFWSOHA 浓乙 醇乙 醇总因硫酸为总流量的 1%，则 )/(30.91.390hkg硫 酸即可算其物质的量流量 )/(4.8.molF硫 酸表4-6-1 物料进料量表 .4.6.2 反应体积及反应时间计算当乙醇过量时，可视为对乙酸浓度为二级的反应，其反应速率方程 （A2AkCr名称 乙酸 乙醇 浓硫酸流量 hkol/13.4 67.1 0.40为乙酸）当反应温度为80，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=15 min/kolL因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85 3cg。因硫酸少量，忽略其影响，乙酸的
41、初始浓度： )/(93.2604518. 30 mkolCA )/26.157.0)( 3kolXA乙醇的初始浓度： )/(6.742093. 30kolCB对于连续式生产1）若采用两釜串联，系统为定态流动，且对恒容系统， 不变， 不变OQ0Vii210210ArAr CQVCV2210Akk2）若采用两釜等温操作，则 21k代数解得 )mol/(80.31AC所以 )(7.180.9.2)(4)( 32210 mkFV装料系数为 0.75，故实际体积 V=1.770.75=2.36 。故采用一条的生产线生产即可，即两釜串联，反应器的体积 V0，故应是外界向系统供热。5.6 换热设计换热采用夹
42、套加热，设夹套内的过热水蒸气由 130降到 110，温差为 20。5.7 水蒸气的用量忽略热损失，则水的用量为 12opQmcT5ab1lJ39.4K23ol0186315.c1240389TK 11253p0 KgJ356.0molJ4.6 39104.16.95.c )/(.)90(.7)(m42103 hkgTcQp 第六章 设备设计与选型6.1反应釜体及夹套的设计计算6.1.1 筒体和封头的几何参数的确定设备图6.1.2 筒体和封头的型式选择圆筒体，椭圆形封头。6.1.3筒体和封头的直径反应物料为液夜相类型，由表 H/Di=1.01.4 考虑容器不是很大，故可取 H/Di=1.1由式
43、)(6.14.314.33mDHVi 反应釜内径的估算值应圆整到公称直径 DN 系列，故可取 1600 mm 。封头取相同内径，其直边高度 ho由附表 123 初选 ho=40 mm 。6.1.4 确定筒体高度 H当 D g=1600 mm ，h o= 40 mm 时，由附表 123可查得椭圆形封头的容积为 V 封 =0.617 m3查得筒体 1 米高的容积 V1 米 =2.014 m3)(68.04.271H米 封取 H = 1680 mm 则 H/Di = 1680/16001.1 选取椭圆封头，其公称直径为 1600mm，曲面高度为 400mm，直边高度为 40mm，容积为 0.617
44、m36.1.5 夹套直径、高度的确定根据筒体的内径标准，经计算查取，选取DN=1800的夹套。夹套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径 。夹套高度 H2： 米 封 1V式中 为装料系数， = 0.75 ，代入上式： m)(18.04.267752H取：H 2 = 1200 mm 。6.2釜体及夹套厚度的计算6.2.1 设备材料根据设备的工作条件，可选择 Q235A 作为釜体及夹套材料，由附表 62查得所选材料许用应力为： )(130MPa6.3 设备的壁厚计算6.3.1 釜体筒体壁厚计算6.3.2 内压设计计算根据工作条件，可选取 P=0.2MPa 为设计内压。根据式（10-12） 2筒体的
45、设计厚度： 2.081326.2ti CPDd式中：d 圆筒设计厚度，mm ；Di 圆筒内径 ，mm ；P 内压设计压力， ；MPa 焊接接头系数，考虑到夹套的焊接取 0.8（表 10-92） ；C2 腐蚀裕量，取 2 mm ；t材料许用应力： 。)(130a考虑到钢板负偏差，初选 C1 = 0.6 mm （表 10-101） 。所以，内压计算筒体壁厚：3.8 + 0.6 = 4.4mm6.3.3 外压设计计算按承受 0.25MPa 的外压设计设筒体的设计壁厚 = 7 mm ，并决定 L/Do ；D o/ 之值：Do筒体外径，D o = Di + 2d =1600 +27 =1614 mm；L
46、 筒体计算长度， L = H2 + h = 1400+ 400 =1533 mm （h 为封头的曲面高3131度） ，则：L/Do = 0.95，D o/ = 230164537164由图 10-152查得 A = 0.00045，由图 10-172差得 ，则许用外压为：MPaB65)(25.0)(28.00 MPaaBP可见， = 7 mm 满足 0.25 MPa 外压稳定要求，考虑壁厚附加量 C = C1 + C2 = 0.6 + 2 = 2.6 mm 后，筒体壁厚 n = + C = 7 +2.6 = 9.6 mm ，圆整到标准钢板规格， n 取 10 mm 。综合外压与内压的设计计算，
47、釜体的筒体壁厚为 10mm，经计算校核，满足设备安全要求。6.3.4 釜体封头壁厚计算按内压计算: CPDSi5.02t封 夹P = 0.2MPa, Di = 1600mm, = 0.8,t = 113Mpa, C = 0.6+2 = 2.6mm代入数据： )(4.205.81326.5.02t mPSi 封 夹因为釜体的筒体 S 筒釜 = 10mm，考虑到封头与筒体的焊接方便，取封头与筒体厚S 封头 = 10mm经采用图解法外压校核，由于PP T ，外压稳定安全，故用 S 封筒 = 10 mm。6.3.5 夹套筒体壁厚设计计算根据式（10-12） 2 筒体的设计厚度： )(5.42.0813
48、25.2ti mCPDd 考虑到钢板负偏差，初选 C1 = 0.6 mm故夹套筒体的厚度为 4.5+0.6 = 5.1mm，圆整到标准系列取 6 mm。经校核，设备稳定安全。6.3.6 夹套封头壁厚设计与选择 CPDSt5.02 夹封 夹）（封 夹 mS1.562.058.132圆整到规格钢板厚度，S 封夹 = 6mm，与夹套筒体的壁厚相同，这样便于焊接。经校核，设备稳定安全符合要求。据附表 122可查取到夹套封头尺寸：公称直径：1800mm，曲面高度：450mm，直边高度：40mm6.3.7 反应釜设计参数表 4 夹套反应釜的相关参数项目 釜 体 夹 套公称直径 DN/mm 1600 1800公称压力 PN/MPa 0.2 0.25高度/mm 1680 1200筒体壁厚/mm 10 6封头壁厚/mm 10 66.4 搅拌器设计6.
