1、 银川能源学院 化学反应工程 题目： 年产 5800吨乙酸乙酯反应器的设计 学生姓名 学 号 指导教师 院 系 专 业 年 级 成绩 I 目 录 前 言 . 1 摘 要 . 1 Abstract . 2 1. 课程设计任务书 . 3 1.1 设计项目 . 3 1.2 设计条件 . 3 1.3 反应条件 . 3 1.4 设计要求 . 3 2. 背景介绍 . 4 2.1. 乙酸乙酯的性质与用途 . 4 2.1.1. 理 化特性 . 4 2.1.2. 主要用途 . 4 2.2. 国内外产业状况 . 5 2.2.1. 国外生产状况 . 5 2.2.2. 国内生产状况 . 5 3. 工艺设计方案 . 6
2、 3.1. 设计条件及任务 . 6 3.1.1. 设计条件 . 6 3.1.2. 设计任务 . 6 3.2. 原料路线确定的原则和依据 . 6 3.3. 物料计算及方案选择 . 7 3.3.1. 间歇进料的计算 . 8 3.3.2. 连续 进料的计算 . 9 3.1. 设计方案的选择 . 11 3.2. 工艺流程图 . 11 4. 热量衡算 . 12 4.1. 热量衡算总式 . 12 4.2. 每摩尔各种物值在不同条件下的 ,pmc 值 . 12 4.3. 各种 气相 物质的参数 . 13 4.4. 每摩尔物质在 80下的焓值 . 13 4.5. 总能量衡算 . 14 5. 反应釜釜体设计 .
3、 15 5.1. 反应器的直径和高度 . 15 5.2. 设备的壁厚计算 . 16 5.2.1. 釜体筒体壁厚计算 . 16 5.2.2. 釜体封头壁厚计算 . 17 5.2.3. 夹套筒体壁厚设计计算 . 18 5.2.4. 夹套封头壁厚设计与选择 . 18 5.2.5. 反应釜设计参数 . 18 II 6. 搅拌器设计 . 19 6.1. 搅拌器的形式选择 . 19 6.1.1. 传动功率 P： . 19 6.1.2. 电机功率 . 19 6.1.3. 减速器的选择 . 19 6.2. 搅拌轴直径的设计计算 . 19 6.2.1. 搅拌轴强度计算 . 19 6.2.2. 搅拌轴刚度计算 .
4、 19 6.3. 夹套式反应釜附属装置的确定 . 20 6.3.1. 支座的选定：（以下参考书 3） . 20 6.3.2. 因发应釜需外加保温，故选 B 型悬挂式支座 . 20 6.3.3. 反应釜总重 . 20 6.4. 人孔 C： . 20 6.5. 接管及其法兰选择 . 20 6.5.1. 乙酸进料管 . 20 6.5.2. 乙醇进料管 . 21 6.5.3. 浓硫酸进料管 . 21 6.5.4. 出料管： . 21 7. 总结 心得 . 23 8. 致 谢 . 23 参考文献 . 23 1 前 言 此次课程设计，是结合化学反应工程这门课程的内容及特点所进行的一次模拟设计。它结合实际进
5、行计算，对我们理解理论知识有很大的帮助。同时，通过做课程设计，我们不仅熟练了所给课题的设计计算，而且通过分析课题、查阅资料、方案比较等一系列相关运作，让我们对工艺设计有了初步的设计基础。 酯化反应是有机工业中较成熟的一个工艺。尽管现在研制出不同的催化剂合成新工艺，但设计以硫酸作为催化剂的传统工 艺是很有必要的。 酯化反应器设计的基本要求是满足传质和传热要求。因此需要设计搅拌器。另外，反应器要有足够的机械强度，抗腐蚀能力；结构要合理，便于制造、安装和检修；经济上要合理，设备全寿命期的总投资要少。 夹套式反应釜具有以下特点： 1、温度容易控制。 2、浓度容易控制。 3、传质和传热良好。 4、设备使
6、用寿命长。 乙酸乙酯简介： 无色澄清液体，有强烈的醚似的气味，清灵、微带果香的酒香，易扩散，不持久。分子量 88.11，沸点 77.2 ，微溶于水，溶于醇、醚等多数有机溶剂 。 通过给定设计的主要工艺参数和条件，综合系统地应用 化工理论及化工计算知识，完成对反应釜的工艺设计和设备设计。 化学反应工程 课程设计是一项很繁琐的设计工作，而且在设计中除了要考虑经济因素外，环保也是一项不得不考虑的问题。除此之外，还要考虑诸多的政策、法规，因此在课程设计中要有耐心，注意多专业、多学科的综合和相互协调。 摘 要 本 设计对国内外的发展现状的调查，市场需求量的分析以及各种乙酸乙酯合成法的比较进行了简要的综合
7、考虑。分别对连续釜式反应器和间歇式反应器的体积计算，综合其他因素，得出最佳的反应器 间歇釜式反应器。本选题 为年产量 5800 吨 的间歇釜式反应器的设计 ，反应转化率为 60%， 通过物料衡算、热量衡算，反应器体积为 353.10 m 、换热量为 3102.7 。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高 1690mm，直径 1600mm；夹套的特征尺寸为高 1200mm，内径为 1800mm。搅拌器的形式为圆盘式搅拌器，搅拌轴直径40mm， 电功率 1.44KW。在此基础上绘制了 整体工艺的工艺流程图。 关键字： 合成工艺； 间歇 釜式反应器 ; 热量衡算 ; 壁厚设计 2 Abstract
8、This design investigation of the development status of the domestic and international market demand, comparative analysis and a variety of ethyl acetate synthesis were considered briefly. The continuous stirred tank reactor and a batch reactor volume calculatio n, combined with other factors, the re
9、action - stirred batch reactor best. The batch reactor for 5800 T a year is to be designed， the reaction conversion rate is 60%.Through the material, heat balance reactor volume, heat transfer. Equipment design results show that the characteristic dimensions for high reactor is 1690mm, diameter is 1
10、600mm. The mixer for disk paddle type mixer, feature size jacket for diameter and length of stirring shaft is 1200mm , diameter is 1800mm.The stirring shaft diameter 40mm,electric power 1.44 KW. Based on the condition of equipment drawing. This design for batch reactor industrial design provides a d
11、etailed data and drawings. Key words: synthesis process;batch reactor, Heat balance, Thick wall design3 1. 课程设计任务书 1.1 设计项目 年产 5800 吨乙酸乙酯的反应器的设计 1.2 设计条件 1、 生产规模： 5800 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： 60% 1.3 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
12、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/（ kmol.min） 1.4 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） 3、反应器的工艺设计计算 物料衡算，热量衡算，生产线数，反应器个数， 反应器体积，反应器基本尺寸 。 4、 设计 计算 说明书内容 封皮（采用化工原理课程设计模版，格式排版要求同化工原理课程设计要求） 设计任务书； 目录； 设计方案 比较 ； 工艺
13、流程图 设计； 反应器的设计 设计 总结 ； 4 2. 背景介绍 2.1. 乙酸乙酯的性质与用途 2.1.1. 理 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。 2.1.2. 主要用途 乙酸乙酯是应用最广泛的脂
14、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。 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，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。化学原料药依然是我国医药商品出口的
15、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。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
16、，东北、华北和华中等内地的5 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 。 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 乙 酸乙酯在涂料方面的应用还比较落后。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
17、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。 2.2. 国内外产业状况 2.2.1. 国外生产状况 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
18、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%。 2.2.2. 国内生产状况 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%。 2005 年以前，我国是乙酸乙酯的净进口国，从 2005 年 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
19、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6 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%。 2
20、009年上半年出口量为 8.73 万吨 ， 同比增长 0.23%。 3. 工艺设计方案 3.1. 设计条件及任务 3.1.1. 设计条件 1、 生产规模： 5800 吨 /年 2、 生产时间：连续生产 8000 小时 /年 ,间歇生产 6000 小时 /年 3、 物料消耗：按 5%计算 4、 乙酸的转变化率： 60% 3.1.2. 设计任务 乙酸乙酯酯化反应的化学式为： OHCHC O O C HCHOHCHCHC O O HCH 2323233 催化剂为浓硫酸，硫酸量为总物料量的 1%，乙醇过量，其动力学方程为： 2r AA kc 。 其中， 乙酸：乙醇 = 1： 5（摩尔比），反应物料密度
21、为 0.85 L/kg ，反应速度常数 k=15.00L/（ kmol min） 。 3.2. 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 乙醛缩合法、乙酸酯化法、乙烯加成法和乙醇脱氢法。传统的乙酸酯化法工艺在国外被逐步淘汰，而大规模生产装置主要是乙醛缩合法和乙醇脱氢法，在乙醛原料较丰富的地区乙醛缩合法装置得到了广泛的应用。乙醇脱氧法是近年开发的新工艺，在乙醇丰富且低成本的地区得到了推广。最新的乙酸乙酯生产方法是乙烯加成法。 （ 1）乙酸酯化法 乙醇乙酸酯化法 是 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，常用的催化剂是浓硫酸 。 该工艺是目前国内广 泛采用的生产工艺
22、，浓硫酸有酸性强、吸水性强、性能稳定、价廉等优点 。 用浓硫酸作催化剂，也有其不可克7 服的缺点，即硫酸 对 设备 的 严重腐蚀 。 （ 2）乙醛缩合法 乙醛缩合法是由两分子乙醛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 0100 。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 。因 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。 （ 3）乙烯加成法 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
23、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。 （ 4）乙醇脱氢法 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：生产成本低，每吨乙酯副产氢气 509m3，适用于氢气有用场合；基本无腐蚀和三废排放。脱氢法缺点：产品质量不如酯化法，只适用于大规模连续生产；技术较复杂，尚未成熟。 3.3. 物料计算及方案选择 表 1 物料物性参数 物料 密度（ 80） 熔点 /oC 沸点 /oC 黏度 /mPa.s 百分含量 乙酸 1.045 16.7 118 0.45 98% 乙醇 0.810 -114.1 78.3 0.52 98% 乙酸乙酯 0.894 -83.6 77.2 0.25 98% 表 2 乙酸规格质量 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 /% 99.0 98.0 甲酸含量 /% 0.15 0.35 乙醛含量 /% 0.05 0.10 蒸发残渣 /% 0.02 0.03
