级制药工程化学反应工程设计.doc

11级制药工程化学反应工程课程设计任务书一、设计项目年产5039吨乙酸乙酯的反应器的设计 二、设计条件1、生产规模：5039吨/年2、生产时间：连续生产8000小时/年，间歇生产6000小时/年3、物料损耗：按5%计算4、乙酸的转化率：59%三、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： rA=kCA2。A为乙酸，建议采用配比为乙酸：乙醇=1：5（摩尔比），反应物料密度为0.85/l，反应速度常数k为15.00L/（kmolmin）四、设计要求1、设计方案比较 对所有的设计方案进行比较，最后确定本次设计的设计方案。 2、反应部分的流程设计（画出反应部分的流程图）（需根据计算结果，进行比较做改动）3、反应器的工艺设计计算生产线数，反应器个数，单个反应器体积。 4、搅拌器的设计对搅拌器进行选型和设计计算。 5、画出反应器的装配图图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。 6、设计计算说明书内容 设计任务书； 目录； 前言（对设计产品的理化性能，国内外发展概况，应用价值及其前景等方面进行介绍）设计方案比较；(合成工艺介绍，通过分析各种工艺优缺点，得到本设计选用的合成工艺流程)工艺流程图设计； 反应器的设计 搅拌器的设计；车间设备布置设计；（主要设备的布置）环境保护；设备装配图；设计总结； 参考资料。7、绘制主要设备的装配图。用A1图纸绘制主要设备装配图（图面应包括设备主视图、局部视图等，并配备明细表、管口表、技术性能表、技术要求等），要求采用CAD制图。指导老师：薛永萍，刘阳2013年12月23日摘 要传统的乙酸乙酯合成工艺为酯化法，即乙酸和乙醇在浓硫酸的催化作用下直接合成乙酸乙酯。本设计通过调查国内外乙酸乙酯消费的情况和比较现有的合成工艺，并对连续式反应器和间歇式反应器进行了体积的计算，最终选用酯化法和间歇式反应器。本选题为年产量为5039吨的间歇釜式反应器的计算，通过物料衡算，热量衡算，反应器体积为4.5m，换热量为。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高1930mm，直径1600mm；夹套的特征尺寸为高1400mm，内径为1700mm。还对塔体等进行了辅助设备设计，换热则是通过夹套与内冷管共同作用完成。搅拌器的形式为圆盘式搅拌器，搅拌轴直径60mm。电机功率为1.44KW。本项目设计的结果具有一定的市场运用价值，可以指导工业化生产。在此基础上绘制了设备条件图。关键词：乙酸乙酯；间歇釜式反应器；物料衡算；热量衡算；设备AbstractThe traditional synthesis method of EA is esterification, in which EA was made by direct esterification of ethanol and acetic acid with a sulfuric acid catalyst.This design through the consumption of ethyl acetate at home and abroad and compare the existing synthetic process, and has carried on the volume calculation of the continuous reactor and batch reactor.Eventually the esterification method and batch reactor is determined. The batch reactor for annual production capacity of 5039 T is to be the designed. From the material balance，heat balance，the reactor volume of 4.5 cubic meters, heat transfer for the per hour .The results show that the size of the reactor characteristics for high is 1930mm, diameter is 1600mm, The characteristics of clip size for high is 1400mm, diameter is 1700mm. Also auxiliary equipment on the tower as designed, heat is finished through the clip with the common cold tube inside. The form for disc type stirrer, stirring shaft of diameter is 60mm，the motor power is 1.44 kw.The result of the project design has a certain market value which can guide industrial production.This design for batch reactor industrial design provides a detailed data and drawings.Keywords:ethyl acetate;batch reactor;material balance;heat balance;equipment目 录摘 要IAbstractII第一章 文献综述11.1 产品的性质与用途11.1.1 物化特性11.1.2主要用途11.2国、内外产业状况21.2.2国外生产状况及发展动向21.2.2 国内生产状况及发展动向31.3 产品的市场需求预测51.3.1 进出口情况51.3.2 消费现状及发展前景7第二章 工艺设计计算92.1 设计依据92.2设计方案92.3 工艺计算及方案选择92.3.1 间歇釜进料的计算92.3.2 连续性进料的计算112.3.3 设计方案的选择132.4 物料衡算142.5 热量衡算142.5.1每摩尔各种物质在不同条件下的值142.5.2各种气相物质的参数152.5.2每摩尔物质在80下的焓值162.5.3 总能量衡算162.6换热设计17第三章 反应釜釜体设计183.1反应器的直径和高度183.2筒体壁厚的设计193.2.1设计参数的确定193.2.2筒体的壁厚193.3釜体封头厚20第四章 反应釜夹套的设计214.1夹套DN、PN的确定214.1.1夹套的DN214.1.2夹套的PN214.2夹套筒体的壁厚214.3夹套筒体的高度224.4夹套的封头224.4.1封头的厚度224.5传热面积校核22第五章 反应釜釜体及夹套的压力试验235.1釜体的水压试验235.2夹套的液压试验23第六章 搅拌器的选型256.1搅拌桨的尺寸及安装位置256.2搅拌功率的计算256.3搅拌轴的的初步计算266.3.1搅拌轴直径的设计266.3.2搅拌抽临界转速校核计算276.3.3联轴器的型式及尺寸的设计276.4夹套式反应釜附属装置的确定276.4.1 人孔C276.4.2 接管及其法兰选择27第七章 车间设备布置设计297.1 车间布置设计概述297.2 车间布置的基本原则和要求297.2.1车间布置的基本原则297.2.2 车间布置的要求30第八章 环境保护31总 结32参考文献33致 谢34III第一章 文献综述1.1 产品的性质与用途1.1.1 物化特性乙酸乙酯（ethyl acetate）分子式为CH3COOC2H5，无色易挥发液体有水果香味，熔点-83.6 ，沸点77.06 ，相对密度0.9003；微溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂；与水或乙醇都能生成二元共沸混合物；与水的共沸混合物的沸点70.4，与乙醇的共沸混合物的沸点71.8 ，与水和乙醇还可以形成三元共沸混合物，沸点70.2 。在酸或碱的催化下，易水解成乙酸和乙醇；此外，还可发生自缩合等反应。1.1.2主要用途乙酸乙酯是应用最广泛的脂肪酸酯之一，具有优良的溶解性能，是一种较好的工业溶剂，已被广泛应用于醋酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶、乙烯树脂、乙酸纤维树脂、合成橡胶等生产，也可用于生产复印机用液体硝基纤维墨水，在纺织工业中用作清洗剂；在食品工业中用作特殊改性酒精的香味萃取剂，在香料工业中是最重要的香料添加剂，可作为调香剂的组分，乙酸乙酯也可用作粘合剂的溶剂，油漆的稀释剂以及作为制造药物、染料等的原料10。制药 醋酸乙酯在制药行业用作溶剂，主要生产维生素E及一些医药中间体。我国是人口大国，到2005年人口已达到13.3亿，人口净增长、人口老龄化问题都将增加对医药品的需求量。同时，随着我国加入世界贸易组织，医药出口量明显增加。2002年传统医药出口形势一路飘红，化学原料药依然是我国医药商品出口的主要品种，产量与出口量快速上升，带动了醋酸乙酯消费。胶粘剂 胶粘剂的种类繁多，醋酸乙酯主要用于溶剂型胶粘剂，尤其是聚氨酯类胶粘剂。我国从20世纪50年代开始研制和开发聚氨酯胶粘剂，产量不断增大，2000年国内聚氨酯类胶粘剂的产量约14万t，年均增长率为25%。从未来发展看，我国聚氨酯类胶粘剂的应用领域扩展很快，我国是世界上最大的制鞋国，目前虽有相当部分的制鞋企业以氯丁胶作为胶粘剂，但氯丁胶尽管有初粘性好、可冷粘、价格较便宜等优点，但其不耐增塑剂渗透，必须用苯类有毒溶剂等是其致命弱点，使得氯丁胶已经不适应制鞋工业的发展要求，国外的趋势是逐渐被聚氨酯胶粘剂所代替，欧美等发达国家80%90%的鞋用胶已经被聚氨酯类胶粘剂占领，国内也呈现这种趋势。近年来，东北、华北和华中等内地的鞋厂也开始使用，并有不断扩大的势头。另外，聚氨酯胶在建筑、高速公路、飞机跑道嵌缝材料、高层建筑玻璃密封材料等方面的应用也在不断增长。涂料 醋酸乙酯主要用于高档溶剂型涂料，如聚氨酯涂料、环氧树脂涂料、丙烯酸酯涂料、乙烯基涂料等。我国的醋酸酯涂料是20世纪90年代以后才迅速发展起来的，不仅增长速度快，并且在涂料总产量中所占的比例也不断上升。2000年聚氨酯涂料产量达到8.2万t（固含量以上），已经成为国内重要的涂料品种。此外，环氧树脂涂料、丙烯酸酯等涂料也消费一些醋酸乙酯，但与发达国家相比，国内醋酸乙酯在涂料方面的应用还比较落后。从发达国家的消费情况来看，醋酸乙酯在涂料中作为溶剂应用已经相当广泛，如美国市场醋酸乙酯在涂料中的消耗占60%以上，而我国仅占18%。近年来，我国涂料行业迅猛发展，许多国外著名的涂料生产商采取独资或合资的方式在我国建厂生产高档涂料。随着我国经济高速发展，尤其是建筑和汽车业快速发展，对高档涂料需求日益增加，将极大促进对醋酸乙酯的需求。1.2国、内外产业状况1.2.2国外生产状况及发展动向近年来， 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，2006 年生产能力增加到222.0 万吨，2008 年生产能力增加到约300.0 万吨，同比增长约15.4%。其中北美地区的生产能力为26.6 万吨/年，约占世界乙酸乙酯总生产能力的8.89%； 中南美地区的生产能力为12.0 万吨/年，约占总生产能力的4.0%；西欧地区的生产能力为35.0 万吨/年， 约占总生产能力的11.7%，亚太地区的生产能力为215.4 万吨/年，约占总生产能力的71.8%； 世界其他国家和地区的生产能力为11.0 万吨/年，约占总生产能力的3.7%。2010年醋酸乙酯的产能分布见图1.11。图1.1 2010年世界醋酸乙酯产能分布目前， 世界乙酸乙酯的总消费量约为200.0 万吨，消费主要集中在西欧、美国和亚洲地区，其中亚洲地区的消费又主要集中在日本、中国及东南亚国家。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， 其中美国的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50。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。预计到2012 年全世界醋酸乙酯的总需求量将达到约250.0 万吨。1.2.2 国内生产状况及发展动向近年来， 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。2003 年生产能力只有54.0 万吨，2006 年增加到90.0 万吨，2008 年进一步增加到约150.0 万吨，2003-2008 年产能的年均增长率达到约10.8%。主要的生产厂家有江苏索普（集团）公司（生产能力为20.0 万吨/年）、山东金沂蒙集团公司（生产能力为18.0 万吨/年）、广东江门谦信化工发展公司（生产能力为10.0 万吨/年）、上海吴泾化工有限公司（生产能力为20.0 万吨/年）、扬子江乙酰化工有限公司（生产能力为10.0万/年）、江西南昌赣江溶剂厂（生产能力为8.0 万吨/年）、广东顺德集团公司（生产能力为4.5 万吨/年）、天津冠达集团公司（生产能力为3.5 万吨/年）、上海石油化工公司（生产能力为2.1 万吨/年）、上海试剂有限公司（生产能力为2.0 万吨/年）、成都有机化工厂（生产能力为2.0 万吨/年）、浙江建德建业有机化工有限公司（生产能力为1.2 万吨/年）、江苏三木集团公司（生产能力为1.0 万吨/年）、河北石家庄新宇三阳实业有限公司(1.5 万吨/年)、山东海化股份有限公司(生产能力为10.0 万吨/年)、江阴百川化学工业有限公司(生产能力为3.0 万吨/年)、吉林燃料乙醇有限公司(生产能力为5.0 万吨/年)以及河南孟州华兴公司(生产能力为3.0 万吨/年)等。其中采用乙醇脱氢法的生产能力约占总生产能力的12.0%， 采用乙醛缩合法的约占1.4%， 采用醋酸酯化法的占86.6%。江苏索普（集团）公司是目前我国最大的醋酸乙酯生产企业，生产能力为20.0 万吨/年，约占国内总生产能力的13.3%， 与醋酸产品实现了上下游一体化， 产品竞争力较强，80%的醋酸乙酯用于出口。今后几年，我国仍有多套新建或扩建乙酸乙酯装置将建成投产， 主要包括江苏金茂源生物化工有限责任公司拟建的10 万吨/年装置， 广西崇左市凯源酒业化工有限公司拟建的8.0 万吨/年生产装置，兖矿集团拟建的10 万吨/年生产装置， 广西新燊石油化工有限公司的一期10 万吨/年生产装置等， 预计到2012 年， 我国乙酸乙酯的总生产能力将达到约195.0 万吨。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。2003 年我国乙酸乙酯的产量只有34.2 万吨，2006 年增加到63.0 万吨，2008 年尽管受到世界金融危机的影响，但是由于2007 年新增的产能发挥作用，产量仍达到约约95.0 万吨，同比增长约33.8%。目前国内大型醋酸乙酯企业均采用酯化法技术，主要生产厂家情况见表1.12。表1.1 2010年醋酸乙酯主要生产厂家情况生产厂家名称地址生产能力(万吨/年)美国塞拉尼斯公司得克萨斯州潘帕6.0美国伊斯曼化学公司得克萨斯州朗 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墨西哥塞拉尼斯公司卡格来吉拉9.2英国BP化学公司赫尔22.0西班牙Ercros公司塔拉戈纳6.0瑞典Sweask乙醇化学公司多姆斯乔3.5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韩国国际酯类公司蔚山7.5新加坡塞拉尼斯公司裕廊岛6.0表1.2 我国醋酸乙酯主要生产企业情况企 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16.0广东江门谦信化工发展公司10.0广东顺德顺冠集团公司气体溶剂有限公司3.0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3.0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目前，国内一些大型甲醇羰基合成醋酸企业或者具有乙醇装置的企业正在配套建设或拟建乙酸乙酯生产装置，主要有山东海化股份有限公司拟采用Davy公司技术，新建10.0万吨/年生产装置(近期已经建成投产)，吉林燃料乙醇有限公司拟建5.0万吨/年生产装置，吉安生物化工公司拟建10.0万吨/年生产装置，广西新火石化公司拟建30.0万吨/年装置，第一期10.0万吨/年已经于2007年4月13日开工。上海吴泾化工有限公司拟将现有生产能力扩建到15万吨/年，长春天裕生物工程公司将建5.0万吨/年生产装置，预计到2010年，我国乙酸乙酯的总生产能力将超过120.0万吨/年。随着生产能力的不断增加，我国醋酸乙酯的产量也不断增加。2001年我国醋酸乙酯的产量只有17.9万吨，2006年进一步增加到63.0万吨，比2005年增长约22.19%，2001-2006年产量的年均增长率高达15.09%。1.3 产品的市场需求预测1.3.1 进出口情况2005 年以前， 我国是乙酸乙酯的净进口国，从2005 以后，随着我国乙酸乙酯生产能力和产量的大量增加， 由净进口国转变为净出口国，2006 年我国乙酸乙酯的净出口量为10.0 万吨，约占国内总产量的15.87%。2008 年净出口量达到18.28 万吨，同比增长41.27%。近两年，我国乙酸乙酯的进口量逐年减少，2006 年进口量为0.96 万吨，2008 年下降到0.11 万吨，同比下降约85.52%。2009 年上半年进口量为0.03 万吨，同比减少约57.14%。与此相反，我国醋酸乙酯的出口量却在逐年增加。2006 年出口量超过10.0 万吨， 达到10.94 万吨，2008 年尽管受到全球金融危机的影响，但出口量仍高达18.39 万吨，同比增长34.23%。2009 年上半年出口量为8.73 万吨，同比增长0.23%。2010年我国醋酸乙酯出口到30多个国家和地区，其中对亚洲国家的出口量约占总出口量的93%，其中对韩国的出口量为3.23万吨，约占总出口量的29.6%，其次是中国台湾，出口量为1.89万吨，约占总出口量的17.2%；再次是日本，出口量为1.66万吨，约占总出口量的15.1%。我国醋酸乙酯出口主要集中在江苏、山东和广东3省，2006年出口量分别为6.1万吨、2.1万吨和1.53万吨，合计出口量占出口总量的88.78%，其他省份出口量仅为1.21万吨。主要出口企业有江苏索普、山东金沂蒙、广东江门谦信化工发展公司等大型醋酸乙酯生产企业。2003年以前，我国醋酸乙酯的进口价格变化不大，基本上维持在520-550美元/吨，2004年以后进口价格开始上涨，2004年价格为653.2美元/吨，2006年上涨到841.4美元/吨，比2005年上涨7.60%。出口价格近几年也不断上涨。2003年出口价格为573.8美元/吨，2004年上涨到757.3美元/吨，2006年上涨到798.6美元/吨。2008年进一步上涨到905.7美元/吨。我国醋酸乙酯的进出口情况以及2009年的出口情况分别见表1.3和表1.4。表1.3 近年来我国醋酸乙酯的进出口情况 年份进口量(万吨)进口单价(美元/吨)出口量(万吨)出口单价(美元/吨)20004.42538.80.33532.220015.35538.70.46531.820024.58530.91.09600.220034.27552.61.19573.820043.46653.22.07757.320054.64782.01.88805.320060.96841.410.94798.6表1.4 2009年我国醋酸乙酯的出口国家情况 国家/地区出口量(万吨)所占比例(%)出口金额(万美元)韩国3.2429.572545.57中国台湾1.8917.241466.28日本1.6615.151378.08新加坡1.4913.591138.08菲律宾0.716.46538.64阿拉伯联合酋长国0.403.68320.63越南0.383.43306.14泰国0.373.35300.20其他国家和地区0.827.51743.18合 计10.94100.008736.801.3.2 消费现状及发展前景近年来，随着我国经济的快速增长，涂料、油墨、粘合剂等产品需求大幅提升，从而拉动醋酸乙酯的消费稳步增长。1997年我国醋酸乙酯的表观消费量只有10.50万吨，2001年增加到22.79万吨，2006年进一步增加到53.02万吨，比2005年增长约5.91%，2007年增加到580.6万吨，2009年进一步增加到821.1万吨，同比增长约5.91%，2004-2009年表观消费量的年均增长率约为13.71%，近年来我国醋酸乙酯的供需情况见表1.53。表1.5近年来我国醋酸乙酯的供需情况 单位：万吨/年年份生产能力产量进口量出口量表观消费量200354.034.24.271.1937.28200467.041.83.462.0743.19200580.047.34.641.8850.06200690.063.00.9610.9453.022007109.071.00.7613.7058.062008150.095.00.1118.3976.722009150.0105.00.0622.9582.11目前，国内醋酸乙酯主要消费地区集中在华东、中南、华北、东北地区，产品主要用于生产涂料、制药和粘合剂，2008年我国醋酸乙酯消费结构为：制药行业对乙酸乙酯的需求量约占总需求量的30.0%，涂料约占35.0%，粘合剂约占20.0%，油墨约占10.0%，其他产品约占5.0%。预计到2012年，我国乙酸乙酯的总需求量将达到约90.0万吨，供大于求，届时消费结构将有所变化，其中在制药和粘合剂行业消费的比例将会有所下降，随着新型高档涂料的不断发展，预计涂料行业对醋酸乙酯的需求量将会有较大幅度的增加；随着电子、通讯行业的发展，油墨方面的需求量也将有所上升。另外，随着醋酸乙酯新用途的不断开发，将会使醋酸乙酯在其他方面用量的比例也有一定的增加。第二章 工艺设计计算2.1 设计依据乙酸乙酯生产设计任务书2.2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。2.3 工艺计算及方案选择2.3.1 间歇釜进料的计算流量的计算乙酸乙酯的产量:化学反应方程式：乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为F酯=kmol/h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，乙酸的转化率为59%,物料损失以5%计， 则乙酸的进料量 FA0=kmol/h 乙醇的流量:乙酸与乙醇的摩尔配比为1：5，则乙醇的进料量为F乙醇=517.30=86.5kmol/h总物料量流量:F= FA0+F乙醇=17.3+ 86.5=103.8 kmol/h硫酸的流量:总物料的质量流量如下计算，W总=FAMA+F乙醇M乙醇+W硫酸=因硫酸为总流量的1%，则W硫酸=4594.950.01=45.95kg/h，即可算其物质的量流量F硫酸=45.95/98=0.47kmol/h表2.1 物料进料量表名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h17.3086.50.47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）当反应温度为80，催化剂为硫酸时，反应速率常数 k=0.9m3/(kmol.h)因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85kg/L当乙酸转化率为59%时，由间歇釜反应有： 根据经验取非生产时间，则反应体积因装料系数为0.75，故实际体积 要求每釜体积小于5m3则间歇釜需2个，每釜体积V=4.14 m3圆整，取实际体积。2.3.2 连续性进料的计算流量的计算乙酸乙酯的产量:化学反应方程式：乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为F酯=乙酸的流量:乙酸采用工业二级品（含量98%），乙酸与乙酸丁酯的物质的量比为1:1，乙酸的转化率为59%,物料损失以5%计， 则乙酸的进料量 FA0 =kmol/h 乙醇的流量:乙酸与乙醇的摩尔配比为1：5，则乙醇的进料量为总物料量流量:F=硫酸的流量:总物料的质量流量如下计算，W总=FAMA+F乙醇M乙醇+W硫酸=因硫酸为总流量的1%，则W硫酸=3819.80.01=38.20kg/h，即可算其物质的量流量F硫酸=38.20/98=0.39kmol/h表2.2物料进料量表名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h13.0465.20.39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）当反应温度为80，催化剂为硫酸时，反应速率常数k=15.00因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85。因硫酸少量，忽略其影响， 对于连续式生产，若采用两釜串联，系统为定态流动，且对恒容系统，不变，不变 若采用两釜等温操作，则代数解得 所以 装料系数为0.75，故实际体积V=1.910.75=2.55。故采用一条的生产线生产即可，即两釜串联，反应器的体积V5反应时间:连续性反应时间 2.3.3 设计方案的选择经上述计算可知,间歇釜进料需要4.5m3反应釜1个,而连续性进料需2个2.5m3反应釜。根据间歇性和连续性反应特征比较，间歇进料需2条生产线，连续性需1条生产线。虽然，间歇生产的检测控制等装备就比连续性生产成本高，所耗费的人力物力大于连续生产，但该课题年产量少，选择间歇生产比连续生产要优越许多。故而，本次设计将根据两釜串联的的间歇性生产线进行，并以此设计其设备和工艺流程图。（工艺流程图见图纸）表2.3 物料物性参数 4 名称密度（80oC）熔点/oC沸点/oC黏度/mPa.s百分含量乙酸1.04516.71180.4598%乙醇0.810-114.178.30.5298%乙酸乙酯0.894-83.677.20.2598% 表2.4 乙酸规格质量5 项目一级二级外观 铂钴30号，透明液体无悬浮物KMnO4试验/min 5.0乙酸含量/%99.098.0甲酸含量/%0.150.35乙醛含量/%0.050.10蒸发残渣/%0.020.03重金属(以Pb计)/%0.00020.0005铁含量/%0.00020.00052.4 物料衡算根据乙酸的每小时进料量为17.3kmolh在根据它的转化率和反应物的初始质量比算出各种物质的进料和出料量，具体结果如下表2.5：物质进料出料乙酸17.307.093乙醇86.577.0乙酸乙酯09.5水09.52.5 热量衡算：进入反应器物料的能量， ：化学反应热，：供给或移走的热量，有外界向系统供热为正，有系统向外界移去热量为负，：离开反应器物料的热量，2.5.1每摩尔各种物质在不同条件下的值对于气象物质，它的气相热容与温度的函数由下面这个公式计算：各种液相物质的热容参数如下:表2.6液相物质的热容参数6物质AB102C104D106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点为78.5和77.2，所以：（1）乙醇的值（2）乙酸乙酯的值（3）水的值2.5.2各种气相物质的参数表2.7 气相物质的热容参数物质AB103C105D108乙醇4.3960.6285.546-7.024乙酸乙酯10.228-14.94813.033-15.736（1）乙醇的值（2）乙酸乙酯的值2.5.2每摩尔物质在80下的焓值（1）每摩尔水的焓值同理：（2）每摩尔的乙醇的焓值（3）每摩尔乙酸的焓值（4）每摩尔乙酸乙酯的焓值2.5.3 总能量衡算（1）的计算（2）的计算（3）的计算因为： 即：求得：=-3083.0360，故应是系统向外界放热。2.6换热设计换热采用冷却水降温，设夹套内的冷却水由110降到130，温差20。冷却水的用量忽略热损失，则水的用量为5第三章 反应釜釜体设计3.1反应器的直径和高度在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的高径比（H/Di），以确定罐体的直径和高度。选择罐体高径比主要考虑以下两方面因数：1、 高径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，（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，减小高径比只能无谓地消耗一些搅拌功率。因此一般情况下，高径比应选择大一些。2、 高径比对传热的影响：当容积一定时，H/Di越高，越有利于传热。表3.1 高径比的确定通常才用经验值表7种类罐体物料类型H/Di一般搅拌釜液固或液液相物料11.3气液相物料12发酵罐类气液相物料1.72.5假定高径比为H/Di=1.3，先忽略罐底容积7取标准表3.2 用标准椭球型封头参数8公称直径（mm）曲面高度（mm）直边高度（mm）内表面积（m2）容积（m3）1600400402.974.61查得椭圆形封头的容积为 V封 =0.617 m 筒体的高度釜体高径比的复核 满足要求3.2筒体壁厚的设计3.2.1设计参数的确定表3.3 反应器内各物质的饱和蒸汽压9物质水乙酸乙醇乙酸乙酯饱和蒸汽压（MPa）0.1430.080.3160.272该反应釜的操作压力必须满足乙醇的饱和蒸汽压所以去操作压力P=0.4MPa，该反应器的设计压力：Pc=1.1P=1.10.4MPa=0.44MPa该反应釜的操作温度为80，设计温度为100。由此选用16MnR卷制16MnR材料在100是的许用应力t=170MPa焊缝系数的确定取焊缝系数=1.0（双面对接焊，100无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm3.2.2筒体的壁厚计算厚度10式中：S 圆筒厚度，mm ；Di 圆筒内径 ，mm ；C2 腐蚀裕量，取 2 mm ；Pc 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）；t材料许用应力：100 = 113 MPa 。钢板负偏差设计厚度名义厚度 按钢制容器的制造取壁厚3.3釜体封头厚计算厚度钢板负偏差设计厚度名义厚度 圆整取按钢制容器的制造取壁厚考虑到封头的大端与筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取筒体壁厚与封头的壁厚一致，即S筒=第四章 反应釜夹套的设计4.1夹套DN、PN的确定4.1.1夹套的DN由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可知：4.1.2夹套的PN由设备设计条件可知，夹套内介质的工作压力为常压，取PN=0.25MPa，由于压力不高所以夹套的材料选用Q235B卷制Q235B材料在100是的许用应力t=113MPa焊缝系数的确定取焊缝系数=1.0（双面对接焊，100无损探伤）腐蚀裕量C2=2mm4.2夹套筒体的壁厚计算厚度钢板负偏差设计厚度名义厚度 圆整取按钢制容中DN=1800mm的壁厚最小不的小于6mm所以取4.3夹套筒体的高度 圆整取4.4夹套的封头4.4.1封头的厚度夹套的下封头选标准椭球封头，内径与筒体（）相同。夹套的上封头选带折边形的封头，且半锥角。计算厚度钢板负偏差设计厚度名义厚度按钢制容中DN=1700mm的壁厚最小不的小于8mm所以取带折边锥形封头的壁厚：考虑到封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取夹套筒体壁厚与封头的壁厚一致，即S筒=4.5传热面积校核由于反应釜内进行的反应是放热反应，产生的热量不仅能够维持反应的不短进行，且会引起反应釜内的温度升高。为防止反应釜内温度过高，在反应釜的上方设置了冷凝器进行换热，因此不需要进行传热面积的校核。如果反应釜内进行的是吸热反应，则需进行传热面积的校核。第五章 反应釜釜体及夹套的压力试验5.1釜体的水压试验水压试验压力的确定：水压试验的强度校核：16MnR的屈服极限由所以水压强度足够压力表的量程、水温：压力表的最大量程：P表=2=20.55=1.1或1.5PT P表4PT 即0.825MPa P表2.2 水温：5 水压试验的操作过程：操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.55，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.44，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。5.2夹套的液压试验水压试验压力的确定：且不的小于（p+0.1）=0.35MPa所以取水压试验的强度校核：Q235B的屈服极限由所以水压强度足够压力表的量程、水温：压力表的最大量程：P表=2=20.35=0.7或1.5PT P表4PT 即0.525MPa P表1.4水温：5 水压试验的操作过程：操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.35，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.275，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。第六章 搅拌器的选型搅拌设备规模、操作条件及液体性质覆盖面非常广泛，选型时考虑的因素很多，但主要考虑的因素是介质的黏度、搅拌过程的目的和搅拌器能造成的流动形态。同一搅拌操作可以用多种不同构型的搅拌设备来完成，但不同的实施方案所需的设备投资和功率消耗是不同的，甚至会由成倍的差别。为了经济高效地达到搅拌的目的，必须对搅拌设备作合理的选择。根据介质黏度由小到大，各种搅拌器的选用顺序是推进式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式。根据搅拌目的选择搅拌器的类型：均相液体的混合宜选推进式，器循环量大、耗能低。制乳浊液、悬浮液或固体溶解宜选涡轮式，其循环量大和剪切强。气体吸收用圆盘涡轮式最适宜，其流量大、剪切强、气体平稳分散。对结晶过程，小晶粒选涡轮式，大晶粒选桨叶式为宜。根据以上本反应釜选用圆盘式搅拌器。6.1搅拌桨的尺寸及安装位置叶轮直径与反应釜的直径比一般为0.2 0.510，一般取0.33，所以叶轮的直径， 叶轮据槽底的安装高度；叶轮的叶片宽度， 叶轮的叶长度， 液体的深度；挡板的数目为4，垂直安装在槽壁上并从槽壁地延伸液面上，挡板宽度桨叶数为6，根据放大规则，叶端速度设为4.3m/s,则搅拌转速为：，取6.2搅拌功率的计算采用永田进治公式进行计算：13由于数值很大，处于湍流区，因此，应该安装挡板，一小车打旋现象。功率计算需要知到临界雷诺数，用代替进行搅拌功率计算。可以查文献11上湍流一层流大的转折点得出。知：所以功率： 取146.3搅拌轴的的初步计算6.3.1搅拌轴直径的设计（1）电机的功率14 ，搅拌轴的转速90，根据文献12取用材料为1Cr18Ni9Ti ， 40，剪切弹性模量8.1104，许用单位扭转角1/m。由得：=利用截面法得： =（）由 得：=搅拌轴为实心轴，则：= 57.05mm 取60mm（2）搅拌轴刚度的校核：由刚度校核必须满足： ，即：所以搅拌轴的直径取60mm满足条件。6.3.2搅拌抽临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速=90200，故不作临界转速校核计算。6.3.3联轴器的型式及尺寸的设计由于选用摆线针齿行星减速机，所以联轴器的型式选用立式夹壳联轴节（D型）。标记为：40 HG 2157095。6.4夹套式反应釜附属装置的确定6.4.1 人孔C选用长圆型回转盖快开人孔 人孔PN0.6，400300 JB 579-79-16.4.2 接管及其法兰选择水蒸气进口管：1084，L=200mm，10号钢法兰：PN0.6 DN100 HG 20592-97冷却水出口管：573.5，L=150 mm，无缝钢管法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-97进料管： 乙酸进料管 管径根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=150mm法兰：PN0.25 DN25 HG 20592-97乙醇醇进料管 管径 根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=200mm法兰：PN0.25 DN50 HG 20592-97浓硫酸进料管 管径 根据管子规格圆整选用的无缝钢管，L=100mm法兰：PN0.25 DN10 HG 20592-97出料管：出料总质量流量因密度，则体积流量为 因进料黏度低，选取管道中流速则管径根据规格选取573.5的无缝钢管。法兰：PN0.6 DN50 HG 20592-97温度计接管：452.5，L=100mm，无缝钢管法兰：PN0.25 DN40 HG 20592-97不凝气体排出管：323.5，L=100 mm，无缝钢管法兰：PN0.6 DN25 HG 20592-97压料管：573.5，L=200 mm，无缝钢管法兰：PN0.25 DN50 HG 20592-97压料管套管：1084，L=200 mm，10号钢法兰：PN0.25 DN100 HG 20592-97第七章 车间设备布置设计7.1 车间布置设计概述车间布置设计是完成设备工艺设计和初步设计工艺流程之后的设计内容。车间布置设计是对车间建筑物等设施配置的安排做出合理的布局。车间布置设计开始，设计进入各专业间共同协作阶段，工艺专业在此阶段除工艺设计本身外，还需要了解和考虑总图、土建、设备、仪表、电气、供排水等专业及机械、安装、操作等各方面的要求。上述非工艺专业也提出了对车间布置的要求。车间布置设计的主要工作是设备的布置，重点协作伙伴是建筑专业。设备布置的任务是决定工艺设备的空间位置，决定设备的露天与否，决定车间生产部分的通道。确定管道、电气仪表 管 线及采暖通风管道的走向和位置。7.2 车间布置的基本原则和要求合理的生产车间布置应做到：经济合理，节约投资，操作和安装检修方便安全，设备排列简洁、紧凑、整齐、美观。要做到上述各点必须充分与正确地利用有关的国家标准与设计规范，特别是人们已积累的经验。7.2.1车间布置的基本原则车间布置设计的原则有以下几点：（