年产7200t乙酸乙酯的工艺设计
摘要：本选题为年产量为年产6×10T的间歇釜式反应器的设计。通过物料衡算、热量衡算，反应器体积为31.31m、换热量为5.5?10KJ/h。设备设计结果表明，反应器的特征尺寸为高3320mm，直径3200mm；夹套的特征尺寸为高2550mm，内径为3400mm。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。在此基础上绘制了设备条件图。本设计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。
关键字：间歇釜式反应器; 物料衡算; 热量衡算; 壁厚设计;
主要符号一览表
v——封头的体积
363
V——反应釜的体积 t——反应时间
PT——水压试验压力
cA0——反应物A的起始浓度
Dj——夹套的内径
cB0——反应物的B起始浓度
Q——乙酸的用量
Q0——单位时间的处理量
cS0——反应物S的起始浓度
f——反应器的填充系数
Di——反应釜的内径
H——反应器筒体的高度
h2——封头的高度
P——操作压力 Pc——设计压力 φ——取焊缝系数
t
[σ]——钢板的许用应力 C1——钢板的负偏差 C2——钢板的腐蚀裕量 S——筒壁的计算厚度
Sd——筒壁的设计厚度 Sn——筒壁的名义厚度
Hj——反应器夹套筒体的高度
I
年产6××10 3T乙酸乙酯设计说明书
第1章 设计任务及条件
1.1设计任务及条件
乙酸乙酯酯化反应的化学式为：
CH3COOH+C2H5OH=====CH3COOC2H5+H2O A B R S
原料中反应组分的质量比为：A：B：S=1：2：1.35，反应液的密度为1020Kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h，每天计24h每年300d每年生产7200h。反应在100℃下等温操作，其反应速率方程如下
rR=k1(CACB－CRCS/K) [1]
100℃时，k1=4.76×10-6L/(mol·min),平衡常数K=2.92。乙酸的转化率XA=0.4，反应器的填充系数f=0.8，为此反应设计一个反应器。
2.1原料的处理量
根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时的乙酸用量为
6?103?103Q??23.675kmol/L
88?300?24?0.4由于原料液的组成为
1+2+1.35=4.35Kg
单位时间的处理量
Q0?23.675?60?4.35?6.06m3/h
10202.2原料液起始浓度
cA0?23.675?3.908mol/L 6.06乙醇和水的起始浓度
cB0?cS03.908?60?2?10.2mol/L
463.908?60?1.35??17.59mol/L
18
将速率方程变换成转化率的函数
cA?cA0(1?XA) cR?cA0XA
cB?cB0?cA0XA cS?cS0?cA0XA
- 1 -
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22rA?k1(a?bXA?cXA)cA0
其中：a?cA010.2??2.61 cB03.908b??(1?cB0c?cS0)??(1?10.2.908?17.593.908?2.92)??5.15 A0cA0.K3c?1?1k?1?12.92?0.6575 b2?4ac?(?5.15)2?4?2.61?0.6575?4.434
2.3反应时间
t?1XAfdXAk1cA0?0a?bX2 A?cXA?1k2ln(b?b2?4ac)XAf?2a(b?b2?4ac
1cA0b?4ac)XAf?2a?1(?5.15?4.434)?0.44.76?10?4?3.908?4.434ln?2?2.61(?5.15?4.434)?0.4?2?2.61?188min2.4反应体积
Vt?t1883r?Q0(0)?6.06?(60?1)?25.048m
反应器的实际体积
V?Vrf?25.0480.8?31.31m3
第3章 热量核算
3.1工艺流程
反应釜的简单工艺流程图
2
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3.2物料衡算
根据乙酸的每小时进料量为23.675kmol/h，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： 物质 乙酸 乙醇 乙酸乙酯 水 进料kmol/h 23.675 36.30 0 81.68 出料kmol/h 14.21 26.83 9.47 90.15 3.3能量衡算 3.3.1热量衡算总式
Q1?Q2?Q3?Q4
式中：Q1进入反应器无聊的能量，KJ
Q2：化学反应热，KJ
Q3：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，KJ Q4：离开反应器物料的热量，KJ
3
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3.3.2每摩尔各种物值在不同条件下的cp,m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：
cp,m?A?BT?CT2?DT3[2]
各种液相物质的热容参数如下表[3]：
液相物质的热容参数 物质 乙醇 乙酸 乙酸乙酯 水 A -67.4442 65.98 155.94 50.8111 B×103 18.4252 1.469 2.3697 2.12938 C×103 -7.29726 0.15 -1.9976 -0.630974 D×103 1.05224 — 0.4592 0.0648311 由于乙醇和乙酸乙酯的沸点为78.5℃和77.2℃，所以： (1) 乙醇的cp,m值
cp,m?l,351.5K??A?BT?CT2?DT3
??67.4442?18.4252?10?1?351.5?7.29726?10?3?351.52?1.05224?10?5?351.53 ??67.4442?647.64578?901.5929?456.9733
?135.5820J?mol?1?K?1
同理：
(2) 乙酸乙酯的cp,m值
cp,m?l,350.2K??A?BT?CT2?DT3
?155.94?2.3697?10?1?350.2?1.9976?10?3?350.22?0.4592?10?5?350.23 ?155.94?82.9395?244.9857?197.2197
?191.1135J?mol?1?K?1
(3) 水的cp,m值
cp,m?H2O,l,373K??A?BT?CT2?DT3
?50.8111?2.12938?10?1?373?0.630974?10?3?3732?0.0648311?10?5?3733 ?50.8111?79.442659?87.78678?33.64418
?76.111J?mol?1?K?1
(3) 乙酸的cp,m值
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