化学反应工程课程设计--年产5014吨乙酸乙酯的反应器的设计.doc

武昌理工学院 课程设计说明书生命科学学院 所属课程 制药反应工程 设计题目 年产5014吨乙酸乙酯的反应器的设计 专业 制药工程 班级 制药1101 学生姓名 徐霏 设计组别 指导教师 刘阳 武昌理工学院生命科学学院印制武昌理工学院 生命科学学院课程设计用纸 11级制药工程制药反应工程课程设计任务书一、设计项目年产x吨乙酸乙酯的反应器的设计 二、设计条件1、 生产规模：（5000+学号） 吨/年2、 生产时间：连续生产8000小时/年，间隙生产6000小时/年3、 物料损耗：按5%计算4、 乙酸的转化率：（50+学号）%（110号）；（40+学号）%（1120号）（30+学号）%（2130号）；（20+学号）%（3140号）（10+学号）%（4150号）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日摘要摘要中间需空连个字符间距。本摘要完全没有参考价值 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5014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5014吨乙酸乙酯的反应器的设计 。摘要重写，主要写出为什么做本次设计，即课题的背景意义。再者就是采用什么手段，如何做并得到了什么样的设计结果（主要设备尺寸为多少）。关键字：乙酸；乙醇；乙酸乙酯；合成工艺；间歇式反应器关键词需黑体，但后面内容不需要加黑的Abstract根据中文重写Ethyl空两格 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. 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 acid were synthesis of ethyl curriculum design. The topic for the annual production of 5,014 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 industrial design. The topic for the annual production of 5,014 tons annual output of ethyl reactor design.Key words:Acetic acid; Ethanol; Ethyl acetate; Synthesis process; Batch reactor目 录目录里不要课程名称和任务书，以及指导老师评语的。目录主要是针对全文的一个说明，方便参考11级制药工程制药反应工程I课程设计任务书I摘要IIIAbstractIV第一章 前言41.1乙酸乙酯的理化性质41.2乙酸乙酯的用途41.3乙酸乙酯的国内外生产现状41.3.1 国外情况41.3.2 国内情况4第二章 乙酸乙酯制备工艺的比较42.1实验室制法42.2工业乙酸乙酯的合成工艺4第三章 工艺流程图设计4第四章 工艺设计计算44.1 设计依据44.2设计方案44.3设计条件44.4反应条件44.5工艺计算及方案选择44.5.1反应器的的操作有间歇操作和连续操作44.5.2间歇反应釜进料44.5.3 流量的计算44.5.4 反应体积及反应时间计算44.6连续性反应釜进料的计算44.6.1流量的计算44.6.2反应体积及反应时间计算4第五章 热量衡算45.1热量衡算总式45.2每摩尔各种物值在不同条件下的值45.3各种气象物质的参数如下表45.4每摩尔物质在80下的焓值45.5总能量衡算45.6 换热设计45.7 水蒸气的用量46.1反应釜体及夹套的设计计算46.1.1 筒体和封头的几何参数的确定46.1.2 筒体和封头的型式4选择圆筒体，椭圆形封头。46.1.3筒体和封头的直径46.1.4 确定筒体高度H46.1.5 夹套直径、高度的确定46.2釜体及夹套厚度的计算46.2.1设备材料46.3 设备的壁厚计算46.3.1 釜体筒体壁厚计算46.3.2 内压设计计算46.3.3 外压设计计算46.3.4 釜体封头壁厚计算46.3.5 夹套筒体壁厚设计计算46.3.6 夹套封头壁厚设计与选择46.3.7 反应釜设计参数46.4搅拌器设计46.4.1 搅拌器的形式选择46.4.2 搅拌器转速n：46.4.3 传动功率P：46.4.4 电机功率46.4.5 减速器的选择46.4.6 电动机的选择46.5搅拌轴直径的设计计算46.5.1 搅拌轴材料：46.5.2 搅拌轴强度计算46.5.3 搅拌轴刚度计算46.6.夹套式反应釜附属装置的确定46.6.1选型46.6.2 反应釜总重46.7 人孔C46.8接管及其法兰选择46.8.1 水蒸气进口管：46.8.2 冷却水出口管：46.8.3 进料管4第七章 结论与建议47.1结论47.2建议4参考文献4致 谢4指导教师评语4VII共 38 页，第 页第一章 前言1.1乙酸乙酯的理化性质 醋酸乙酯 ethyl acetate 简写 EA。又名乙酸乙酯，简称乙酯，分子式CH3COOC2H5，分子量88.1，无色透明液体，具有挥发性，有水果香味。熔点-83.6沸点 7.06，相对密度 0.902（20），蒸汽压（20）9.7kPa，气化热366.5J/g，比热容1.92J/（g. ），爆炸极限2.1311.4（体积）。能与氯仿、醇、丙酮及醚等混溶,微溶于水。纯净的乙酸乙酯是无色透明具有刺激性气味的液体，是一种用途广泛的精细化工产品，具有优异的溶解性、快干性，用途广泛，是一种非常重要的有机化工原料和极好的工业溶剂，被广泛用于醋酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶、乙烯树脂、乙酸纤维树酯、合成橡胶、涂料及油漆等的生产过程中。其主要用途有：作为工业溶剂，用于涂料、粘合剂、乙基纤维素、人造革、油毡着色剂、人造纤维等产品中；作为粘合剂，用于印刷油墨、人造珍珠的生产；作为提取剂，用于医药、有机酸等产品的生产；作为香料原料，用于菠萝、香蕉、草莓等水果香精和威士忌、奶油等香料的主要原料。我们所说的陈酒很好喝，就是因为酒中含有乙酸乙酯。乙酸乙酯具有果香味。因为酒中含有少量乙酸，和乙醇进行反应生成乙酸乙酯。因为这是个可逆反应，所以要具有长时间，才会积累导致陈酒香气的乙酸乙酯。危险特性：易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物。遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与氧化剂接触会猛烈反应。在火场中，受热的容器有爆炸危险。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。 表1-1-11-1 乙酸乙酯的物化参数三线表中线条的粗细度是一样的熔点()-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6.55510-30燃烧（分解）产物：一氧化碳、二氧化碳。 现场应急监测方法：气体检测管法 实验室监测方法： 无泵型采样气相色谱法(WS/T155-1999，作业场所空气） 应急处理处置方法：一、泄漏应急处理 迅速撤离泄漏污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿消防防护服。尽可能切断泄漏源，防止进入下水道、排洪沟等限制性空间。小量泄漏：用活性炭或其它惰性材料吸收。也可以用大量水冲洗，洗水稀释后放入废水系统。大量泄漏：构筑围堤或挖坑收容；用泡沫覆盖，降低蒸气灾害。用防爆泵转移至槽车或专用收集器内，回收或运至废物处理场所处置。1.2乙酸乙酯的用途其主要用途有：作为工业溶剂，用于涂料、粘合剂、乙基纤维素、人造革、油毡着色剂、人造纤维等产品中；作为粘合剂，用于印刷油墨、人造珍珠的生产；作为提取剂，用于医药、有机酸等产品的生产；作为香料原料，用于菠萝、香蕉、草莓等水果香精和威士忌、奶油等香料的主要原料。用作溶剂，及用于染料和一些医药中间体的合成。是食用香精中用量较大的合成香料之一，大量用于调配香蕉、梨、桃、菠萝、葡萄等香型食用香精。是硝酸纤维素、乙基纤维素、乙酸纤维素和氯丁橡胶的快干溶剂，也是工业上使用的低毒性溶剂。还可用作纺织工业的清洗剂和天然香料的萃取剂，也是制药工业和有机合成的重要原料。1.3乙酸乙酯的国内外生产现状1.3.1 国外情况 国外发达国家工业生产乙酸乙酯主要采用乙醇醋酸直接酯化法和乙醛缩合法。美国乙酸乙酯近几年生产量都在 50 万 t 以上, 是世界上乙酸乙酯贸易量最大的国家。由于美国产业结构的特点, 可获得廉价的乙醇( 乙醇价格为我国的 1/ 2 1用/ 3) 和醋酸(基本上采用 OXO 法生产即甲醇低羰基合成法),因而美国只有一套由 Eastman 公司以乙醛为原料生产乙酸乙酯的装置, 其生产方法还是乙醇醋酸的直接酯化法, 主要是以浓硫酸为催化剂的反应精馏法。日本近几年乙酸乙酯产量在 30 万 t 左右, 欧洲的产量在 25万 t 左右。由于日本和欧洲有大量的乙烯法乙醛资源可利用, 因此大都采用乙醛缩合法合成乙酸乙酯。非洲的乙酸乙酯生产主要集中在南非,其中萨索尔(Sasol) 化学工业公司乙酸乙酯的产量是全非洲第一, 是第一家采用英国 Kvaerner 工程公司开发的乙醇脱氢法生产乙酸乙酯的工厂。表1-3-1 1-2表头只出现一级标题代号 2010年醋酸乙酯主要生产厂家情况三线表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印尼昭和酯类公司梅拉克6.0南非萨索尔公司赛库达5.01.3.2 国内情况 我国的乙酸乙酯生产一直沿用传统的乙醇和醋酸直接酯化法工艺, ，1995 1996 年的鼎盛时期多达上百家。 事实上，近几年随着我国乙酸乙酯产能的不断扩大，企业在满足国内市场的同时也在积极开拓海外市场。2005年，我国乙酸乙酯还是净进口国，进口量为5万吨。2006年，我国已由乙酸乙酯净进口国转变为净出口国，净出口量达10万吨。2008年我国乙酸乙酯出口量继续增加，达18.3万吨。相信今后我国质优价廉的乙酸乙酯产品将会更多地打入国际市场，占据更大的市场份额。年产能在3万10万吨的企业有7家，分别为：江西南昌赣江溶剂厂（年产能8万吨）、吉林燃料乙醇公司（年产能5万吨）、广东顺德集团（年产能5万吨）、河南焦作金玉龙公司（年产能4万吨）、天津冠达公司（年产能4万吨）、江苏江阴百川化学工业公司（年产能3万吨）、河南孟州华兴公司（年产能3万吨）等。表1-3-2 1-3我国乙酸乙酯的主要生产厂家、生产能力及工艺路线三线表生产厂家生产能力 万吨/年 四川扬子江乙酰化工公司 山东金沂蒙集团公司 江西澉江溶液厂上海石化股份有限公司 上海试剂有限公司 成都有机化工厂 贵州有机化工厂建德有机化工厂湖州有机化工厂 云南溶剂厂 广东顺德市气体溶剂厂 广东中山市中糖有机化工公司80804020202020101010101010乙酸酯化法乙酸酯化法乙醇脱氢法乙酸酯化法乙醛缩合化法乙酸酯化法乙酸酯化法乙酸酯化法乙酸酯化法乙酸酯化法乙酸酯化法乙酸酯化法乙酸酯化法第二章 乙酸乙酯制备工艺的比较2.1实验室制法化学方程式：用公式编辑器中的可逆符号乙酸乙酯的制取：先加乙醇，再加浓硫酸（加入碎瓷片以防暴沸），最后加乙酸然后加热（可以控制实验）。（1）酯化反应是一个可逆反应。为了提高酯的产量，必须尽量使反应向有利于生成酯的方向进行。一般是使反应物酸和醇中的一种过量。在工业生产中，究竟使哪种过量为好，一般视原料是否易得、价格是否便宜以及是否容易回收等具体情况而定。在实验室里一般采用乙醇过量的办法。乙醇的质量分数要高，如能用无水乙醇代替质量分数为95%的乙醇效果会更好。催化作用使用的浓硫酸量很少，一般只要使硫酸的质量达到乙醇质量的3%就可完成催化作用，但为了能除去反应中生成的水，应使浓硫酸的用量再稍多一些。 （2）：制备乙酸乙酯时反应温度不宜过高，要迅速升温至170左右，温度在140时会产生乙醚和亚硫酸或乙烯等杂质。液体加热至沸腾后，应改用小火加热。事先可在试管中加入几片碎瓷片，以防止液体暴沸。 （3）导气管不要伸到Na2CO3溶液中去，防止由于加热不均匀，造成Na2CO3溶液倒吸入加热反应物的试管中。 1) 浓硫酸既作催化剂，又做吸水剂。 此处最好用数学中的等2) Na2CO3溶液的作用是：饱和碳酸钠溶液的作用是冷凝酯蒸气，减小酯在水中的溶解度（利于分层），除出混合在乙酸乙酯中的乙酸，溶解混合在乙酸乙酯中的乙醇。Na2CO3能跟挥发出的乙酸反应，生成没有气味的乙酸钠，便于闻到乙酸乙酯的香味。 3) 为有利于乙酸乙酯的生成，可采取以下措施： 1 制备乙酸乙酯时，反应温度不宜过高。 2 最好使用冰醋酸和无水乙醇。同时采用乙醇过量的办法。 3 起催化作用的浓硫酸的用量很小，但为了除去反应中生成的水，浓硫酸的用量要稍多于乙醇的用量。4 使用无机盐Na2CO3溶液吸收挥发出的乙酸。 4.1.4用Na2CO3不能用碱（NaOH）的原因。三级标题需顶格，且加黑，自己修改后面的 虽然也能吸收乙酸和乙醇，但是碱会催化乙酸乙酯彻底水解，导致实验失败。 4.1.5乙稀与醋酸直接酯化生产醋酸乙酯用磷酸盐作催化剂. 4.1.6乙醛缩合法：以烷基铝为催化剂将乙醛进行缩合反应生产醋酸乙酯国外工业生产大多采用此工艺。2.2工业乙酸乙酯的合成工艺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，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。（1）乙醇乙酸酯化法反应式：可逆反应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。（2）乙醛缩合法反应式： 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，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）乙烯加成法反应式：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。（4）乙醇脱氢法反应式：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。 表2-2-2-1四种工艺对比表同前修改粗细度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，工艺不成熟第三章 工艺流程图设计此节内容放在比较了连续和间歇反应，得到采用的工艺，应没有确定方案，哪里的工艺流程图呢？加一句话，本设计选用了什么合成手段，改工艺流程图见图？所示：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：5014吨/年生产时间：间歇生产6000小时/年，连续生产8000小时/年,物料消耗：按5%计算乙酸的转变化率：54%4.4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=1：5（摩尔比），反应物料密度为，反应速度常数k为。4.5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2) 热量平衡3) 动量平衡 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：年产量为间歇生产6000小时/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：同前乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为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=0.54,物料损失以5%计， 则乙酸的进料量（即为） 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 总物料量流量： 4） 硫酸的流量 总物料的质量流量如下计算， 因硫酸为总流量的1%，则 即可算其物质的量流量 表3-5-1 物料进料量表 同前，三线表 .名称乙酸乙醇浓硫酸流量18.994.50.574.5.4 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）当反应温度为80，催化剂为硫酸时，反应速率常数因为乙醇大大过量，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： 当乙酸转化率x=0.54，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=4.28 m3圆整，取实际体积。 4.6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 乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为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=0.54,物料损失以5%计， 则乙酸的进料量（即为） 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 总物料量流量： 5） 硫酸的流量 总物料的质量流量如下计算， 因硫酸为总流量的1%，则 即可算其物质的量流量名称乙酸乙醇浓硫酸流量14.170.60.42 表4-6-1 物料进料量表 同前 .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（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，乙酸的初始浓度：乙醇的初始浓度：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 2）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=2.140.75=2.85。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，则水的用量为这些公式最好采用左对齐5 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 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 Dg=1600 mm ，ho= 40 mm 时，由附表123可查得椭圆形封头的容积为 V封 =0.617 m 查得筒体1米高的容积V1米=2.014 m3 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 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： 式中为装料系数， = 0.75 ，代入上式： 取：H2 = 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：6.3 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筒体的设计厚度： 式中：d 圆筒设计厚度，mm ；Di 圆筒内径 ，mm ；P 内压设计压力， ； 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： 。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 ；Do/ 之值：Do筒体外径，Do = Di + 2d =1600 +27 =1614 mm；L 筒体计算长度，L = H2 +h = 1400+400 =1533 mm （h为封头的曲面高度），则：L/Do = 0.95，Do/ = 230由图10-152查得A = 0.00045，由图10-172差得 ，则许用外压为： 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，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: P = 0.2MPa, Di = 1600mm, = 0.8,t = 113Mpa, C = 0.6+2 = 2.6mm代入数据：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PPT ，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： 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 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/mm16001800公称压力PN/MPa0.20.25高度/mm16801200筒体壁厚/mm106封头壁厚/mm1066.4搅拌器设计6.4.1 搅拌器的形式选择 根据工作条件，由于物料的黏度不大，考虑到物料的流动、搅拌目的及转速要求，选择搅拌器的形式为：双叶螺旋桨式，桨叶直径为800 mm。6.4.2 搅拌器转速n：根据相关的工艺经验数据，选择6.4.3 传动功率P：搅拌的雷诺数Re 则：（KT可查取表3-91）6.4.4 电机功率本设计中考虑传动效率为