乙酸乙酯的反应器设计流程模板.doc

摘 要
乙酸乙酯是一类关键有机溶剂和有机化工基础原料，其用途很广泛，现在中国采取传统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。所以经过对乙酸乙酯理化性质，社会用途和需求和中国外发展现实状况进行研究调查和乙酸乙酯在试验室制法和工业生产各方面对比以后，为此对乙醇和乙酸缩合进行了乙酸乙酯合成工艺课程设计。本选题为年产量为年产5017吨乙酸乙酯反应器设计 。对工业生产中物料衡算，热量衡算和合成工艺设备等方面为间歇釜式反应器工业设计提供较为详尽数据和图纸。本选题为年产量为年产5017吨乙酸乙酯反应器设计 。
关键字：乙酸；乙醇；乙酸乙酯；合成工艺；间歇式反应器

Abstract
Ethyl 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 5,017 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 reactor 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 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第一章 前 言 8
1.1 乙酸乙酯概述 8
1.1.1 乙酸乙酯介绍 8
1.1.2 乙酸乙酯用途 8
1.1 乙酸乙酯产能和市场需求 9
1.2.1 世界乙酸乙酯产能和消费情况 9
1.2.2 中国乙酸乙酯产能和消费情况 9
第二章 工艺步骤比较 12
2.1 本课题设计内容和要求 12
2.1.1 设计要求 12
2.1.2 具体设计内容 12
2.2 设计方案确实定 12
2.2.1反应原理 12
第三章 工艺设计方案 14
3.1原料路线确定标准和依据 14
3.1.1乙醇乙酸酯化法 14
3.1.2乙醛缩正当 14
3.1.3乙烯加成法 15
3.1.4乙醇脱氢法 15
第四章 工艺设计计算 17
4.1 设计依据 17
4.2设计方案 17
4.3设计条件 17
4.4反应条件 17
4.5工艺计算及方案选择 17
4.5.1反应器操作有间歇操作和连续操作 17
4.5.2间歇反应釜进料 18
4.5.3 流量计算 18
4.5.4 反应体积及反应时间计算 19
4.6连续性反应釜进料计算 20
4.6.1流量计算 20
4.6.2反应体积及反应时间计算 21
4.6.3设备和工艺步骤图 23
第五章 热量衡算 24
5.1热量衡算总式 24
5.2每摩尔多种物值在不一样条件下值 24
5.3多种气象物质参数以下表 25
5.4每摩尔物质在80℃下焓值 25
5.5总能量衡算 26
5.6 换热设计 27
5.7 水蒸气用量 27
第六章 设备设计和选型 28
6.1反应釜体及夹套设计计算 28
6.1.1 筒体和封头几何参数确实定 28
6.1.2 筒体和封头型式 28
6.1.3筒体和封头直径 28
6.1.4 确定筒体高度H 28
6.1.5 夹套直径、高度确实定 29
6.2釜体及夹套厚度计算 29
6.2.1设备材料 29
6.3 设备壁厚计算 29
6.3.1 釜体筒体壁厚计算 29
6.3.2 内压设计计算 29
6.3.3 外压设计计算 30
6.3.4 釜体封头壁厚计算 30
6.3.5 夹套筒体壁厚设计计算 31
6.3.6 夹套封头壁厚设计和选择 31
6.3.7 反应釜设计参数 31
6.4搅拌器设计 32
6.4.1 搅拌器形式选择 32
6.4.2 搅拌器转速n： 32
6.4.3 传动功率P： 32
6.4.4 电机功率 32
6.4.5 减速器选择 32
6.4.6 电动机选择 32
6.5搅拌轴直径设计计算 33
6.5.1 搅拌轴材料： 33
6.5.2 搅拌轴强度计算 33
6.5.3 搅拌轴刚度计算 33
6.6.夹套式反应釜隶属装置确实定 33
6.6.2 反应釜总重 33
6.7 人孔C 33
6.8接管及其法兰选择 34
6.8.1 水蒸气进口管： 34
6.8.2 冷却水出口管： 34
6.8.3 进料管 34
第七章 总 结 36
参考文件 37
致 谢 38

第一章 前 言
1.1 乙酸乙酯概述
1.1.1 乙酸乙酯介绍
乙酸乙酯(EA)，又名醋酸乙酯，英文名称：Ethyl acetate。分子式为：C2H8O4。它是一个无色透明含有流动性而且是易挥发可燃性液体[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。乙酸乙酯和水和乙醇皆能形成二元共沸混合物，和水形成共沸混合物沸点为70.4℃，其中含水量为6.1%(质量分数)。和乙醇形成共沸混合物沸点为71.8℃。还和7.8%水和9.0%乙醇形成三元共沸混合物，其沸点为70.2℃。下表为乙酸乙酯部分物化参数。
表1.1 乙酸乙酯物化参数[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 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
室温下分子偶极距
6.555×10-30

1.1.2 乙酸乙酯用途
乙酸乙酯是关键精细化工原料。它是一个含有优异溶解性能和快干性能溶剂，已广泛应用于化工、医药、纺织、染料、橡胶、涂料、油墨、胶粘剂生产中，或作为原料、或作为工艺溶剂、萃取剂、稀释剂等等；因为它含有天然水果香味，所以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、人造珍珠等生产；作为提取剂 用于医药、有机酸产品生产等；另外还可用作生产菠萝、香蕉、草莓等水果香精和威士忌、奶油等香料原料。
国外乙酸乙酯消费结构和中国有所不一样，美国和欧洲国家乙酸乙酯最大应用领域是涂料，其中美国涂料方面消费量约占总消费量60%,欧洲在涂料行业消费量约占总消费量50%。日本关键应用在涂料，油墨方面，分别约占总消费量40%和30%。而中国关键应用于涂料，粘合剂和制药领域[3]。
1.1 乙酸乙酯产能和市场需求
1.2.1 世界乙酸乙酯产能和消费情况
现在乙酸乙酯生产和消费关键集中在西欧，美国和亚洲地域，其中亚洲地域生产和消费又关键集中在日本，中国及东南亚国家[4]。多年来，世界乙酸乙酯生产能力不停增加。全球乙酸乙酯生产能力只有125.0万吨/年,生产能力增加到222.0万吨/年，~生产能力年均增加率高达12.2%。其中英国BP化学企业是现在世界上最大乙酸乙酯生产厂家，生产能力为22.0万吨/年，约占世界总生产能力9.91%。其次是中国江苏索普集团企业，生产能力为20.0万吨/年，约占9.01%。表1.2为国外乙酸乙酯生产情况。
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。即使这种改变还在继续，但乙酸乙酯市场仍然保持连续增加。东南亚地域开始成为全球最关键乙酸乙酯产地和消费地。大部分投资于乙酸乙酯资金开始将目标投向乙酸乙酯需求量增加快速亚洲和中国。
1.2.2 中国乙酸乙酯产能和消费情况
（1）生产现实状况
中国乙酸乙酯生产始于20世纪50年代，多年来，伴随中国化学工业和医药工业快速发展，乙酸乙酯生产发展很快。生产能力已经从37.0万吨/年增加到约90.0万吨/年。现在，中国乙酸乙酯生产厂家有20多家，生产企业关键集中在华南和华东地域。其中中国最大乙酸乙酯生产企业江苏索普集团产能达成20.0万吨/年，约占中国总生产能力22.2%，和乙酸产品实现了上下游一体化，产品竞争力较强，80%乙酸乙酯用于出口；其次是山东金沂蒙集团企业，生产能力为16.0万吨/年，约占中国总生产能力13.3%，关键原料乙酸、乙醇均能自给，产品竞争能力也较强。现在中国大型乙酸乙酯企业均采取酯化法技术。
表1.2 国外乙酸乙酯关键生产情况
生产厂家
地址
生产能力(万吨/年)
美国塞拉尼斯企业
德克萨斯州潘帕
6.0
美国伊斯曼化学企业
德克萨斯州朗维尤
6.1
美国Solution企业
马萨诸塞
2.5
巴西罗地亚企业
帕利尼涯
10.0
默西哥塞拉尼斯企业
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乙醇化学企业
多姆斯乔
3.5
瑞典联合碳化物企业
斯德哥尔摩
3.0
日本昭和电工企业
南阳
15.0
日本千叶企业
市原
4.7
日本协和发酵企业
四日市
4.0
印度LAXMI有机工业企业
马哈德
3.5
印度JUBILANT有机合成企业
加劳拉尼蜡
3.2
韩国三星/BP企业
蔚山
7.0
韩国国际酯类企业
蔚山
7.5
新加坡塞拉尼斯企业
裕廊岛
6.0
印度昭和酯类企业
梅拉克
6.0
南非萨索尔企业
赛库达
5.0
伴随生产能力不停增加，中国乙酸乙酯产量也不停增加[5]。中国乙酸乙酯产量只有17.9万吨，深入增加到63.0万吨，比增加约22.19%，~产量平均增加率高达15.09%，截止到10月底，中国乙酸乙酯生产能力达成约150.0万吨/年。
表1.3 中国乙酸乙酯关键生产情况[ 6]
企业名称
产能 (万吨/年)
江苏索普集团
20.0
山东金沂蒙集团企业
18.0
广东江门谦信化工发展企业
10.0
广东顺德冠集团企业气体溶剂
10.0
上海吴泾化工
20.0
扬子江乙酰化工
10.0
江西南昌赣江溶剂厂
8.0
广东顺德集团企业
4.5
天津冠达集团企业
3.5
上海石油化工企业
2.1
上海试剂
2.0
成全部有机化工厂
2.0
浙江建德建业有机化工
1.2
江苏三木集团企业
1.0
山东海化股份
10.0
（2）消费现实状况、进出口情况及发展前景[7]
伴随生产能力不停增加，中国乙酸乙酯产量也不停增加。尽管受到金融危机影响，不过因为新增产能发挥作用，产能仍达成约95.0万吨/年，同比增加约33.8%。表1.4为中国多年来乙酸乙酯供需关系。
表1.4 中国多年来乙酸乙酯供需关系（单位：万吨/年）
年份
产量
进口量
出口量
表观消费量

30.7
4.58
1.09
34.19

34.2
4.27
1.19
37.28

41.8
3.46
2.07
43.19

47.3
4.64
1.88
50.06

63.0
0.96
10.94
53.02

71.0
0.76
13.70
58.06

95.0
0.11
18.39
76.72
(1-6月)

0.03
8.73

另外，伴随乙酸乙酯新用途不停开发，将会使乙酸乙酯在其它方面用量百分比也有一定增加。

第二章 工艺步骤比较
2.1 本课题设计内容和要求
2.1.1 设计要求
乙酸乙酯是一个关键基础有机化工原料，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、也是最关键酯化产品。研究并设计其生产工艺含有很关键意义。
2.1.2 具体设计内容
（1）查阅文件，了解该产品性质、性能、合成、应用等。选择合理生产原料和制备工艺，采取优异生产设备和控制手段，编制开题汇报(工艺步骤方框图、开题汇报)；
（2）依据原料、产品和生产规模，绘制工艺步骤草图，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工艺计算和设备选型，并列出设备一览表；
（4）绘制主体设备图；
（5）绘制带控制点工艺步骤图；
（6）进行生产车间部署设计(生产车间平面部署图和立面部署图)；
（7）进行技术分析、经济效益分析、安全评价和环境保护评价。
2.2 设计方案确实定
现在在世界范围内，上述四种工艺全部已经投入运行，但在中国投入运行只有酯化法、乙醛缩正当、乙醇脱氢法，乙酸/乙烯加成法在中国还不够成熟。酯化法中新研究出催化剂造价过高，乙醇脱氢法适合在乙醇产量高地域或是价格廉价地域较适宜，日本全部乙酸乙酯全部是采取乙醛缩正当,而且综合上面概述中多个工艺对比。
2.2.1反应原理
乙醛缩正当制乙酸乙酯可分为三个阶段：催化剂制备、乙醛缩合反应、催化剂脱除和精馏提纯。
（1）乙醛缩合反应
反应在两个串联反应器中进行，第一个是釜式反应器，第二个也是采取釜式反应器。反应方程式为：

这么做好处是，在第一个反应器之中，反应猛烈放出大量热量，采取釜式反应器搅拌均匀，易于把热量移出，相对于管式来说，温度易于控制，即使转化率情况有所降低，但反应可控性、安全性提升；第二个也采取釜式反应器，是考虑到反应进行到以后，放热量已经不多，而且造价低。图2.2为缩合工序步骤简图。

图2.2 缩合工序步骤简图
（2）催化剂脱除
我们经过加水方法破坏掉催化剂，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，残液再经过一个分离器深入分离出氢氧化铝，液体部分能够再返回蒸发器。

图2.3 蒸发工序步骤简图
（3）精馏提纯
能够采取三塔模式，三塔均是常压操作，一塔脱乙醛；二塔脱出乙醇，脱出乙醇用作生产催化剂；第三塔，塔上得到产品，塔下出重组分。同时还能够设计一个小塔，用来分离第三塔得到重组分，有效地分离较纯副产物乙缩醛，产出乙缩醛，做到了副产品有效利用。
第三章 工艺设计方案
3.1原料路线确定标准和依据
乙酸乙酯合成路线关键有四种，即乙醇乙酸酯化法（其中包含了乙酸乙醇直接酯化法和反应精馏法），乙醛缩正当，乙醇脱氢法，乙烯和乙酸直接加成法。应该说，乙醇乙酸酯化法在乙酸乙酯合成中仍然占有相当大百分比，尤其是在美国等国家，在中国多数企业也仍然采取乙酸酯化法；德国、日本等国有多套乙醛直接缩合生成乙酸乙酯装置；乙醇脱氢法和乙烯和乙酸直接加成法在其中所占百分比较小，技术有待成熟。下面简单介绍四种方法优势和缺点[9]。
3.1.1乙醇乙酸酯化法
反应式：
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，常见工艺是用浓硫酸作催化剂均相催化反应精馏，该工艺是现在中国广泛采取生产工艺，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，所以在全塔内全部能进行催化反应[11]。催化作用不受塔内温度限制，反应机理清楚，轻易实现最优控制，这些优点能够使反应精馏生产装置大型化。用浓硫酸作催化剂，也有其不可克服缺点，即硫酸严重腐蚀设备，其强氧化性引发磺化、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。另一个酯化工艺是催化精馏法，它采取固体酸作催化剂，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，含有产物纯度高，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替换硫酸，催化剂在反应液中很快失去活性。催化精馏法不轻易实现工业化和大型化困难，在于催化精馏属非均相催化反应精馏过程，机理较复杂，现在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设计方法。
3.1.2乙醛缩正当
反应式：
乙醛缩正当是由两分子乙醛经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0~10oC。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，取得纯度99.8%以上乙酸乙酯产品。乙醛缩正当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；缺点是受原料起源限制，仅适宜于乙醛资源丰富地域，催化剂乙醇铝无法回收，最终经过加水生成氢氧化铝排放，对环境有一定污染。
乙醛缩正当在欧洲和日本是生产乙酸乙酯主流生产方法，在中国工业性生产厂极少。乙醛贮存运输不方便，通常全部是自产自用，所以乙醛缩正当乙酸乙酯生产装置全部是建在有乙醛生产厂内。在冰醋酸价格高地方，该法有很强竞争优势。该法在国外已经大型化，在中国还有催化剂和工程上问题没处理，有待突破。该法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：
伴随化学化工产业快速发展，炼油技术不停提升，乙烯已经成为一个丰富原料。因为乙烯和乙酸直接加成反应生产乙酸乙酯利用丰富乙烯原料，原料利用合理，起源广泛，价格低廉，生产成本较低，且对合成乙酸乙酯含有较高产率和选择性，既是一个原子经济型反应，又是一个环境友好型反应。缺点是此催化体系对设备腐蚀严重，投资成本高。该工艺采取催化剂关键有液体无机酸和有机磺酸类、分子筛类和杂多酸类催化剂。同时该工艺依靠于石化工业，需要有大量乙烯资源，只能在乙烯和乙酸资源相对比较丰富而廉价地域才能够考虑。石油价格不停上涨，造成该工艺劣势愈加凸现，在中国这么本身石油储量及产量不高需要大量进口石油国家，假如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：
以乙醇为原料生产乙酸乙酯，传统工艺必需经过乙醇氧化脱氢为乙醛、乙醛氧化成乙酸、乙酸和乙醇酯化3个工段才能完成。乙醇脱氢法则只用乙醇一个原料，经过单一催化剂脱氢后直接得到乙酸乙酯，所以，这种方法也简称一步法，以区分于传统三工段工艺。乙醇脱氢法总反应实际上也是经过3个步骤完成。具体反应机理有两种，一个是“脱氢歧化酯化”机理，另一个是“半缩醛”机理，即三个步骤分别为乙醇脱氢为乙醛、乙醇和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，并取得了国家专利。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研究，现在还在进行工业试验，取得了不小进展。英国Kvaerner工程企业于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。
该工艺关键问题在于催化剂，依据反应历程，产物中有中间产物乙醛和乙酸，另外还有副产物乙烯、丙酮、丁酮、2-丁醇等。因为氢气对平衡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，步骤较复杂，关键副产物必需分离。
脱氢法反应特点是：反应温和，多种反应条件改变弹性很大，工艺简单，轻易操作。
脱氢法优点：
（1）生产成本低，在没有甲醇法乙酸生产地域，价格优势很大；
（2）每吨乙酯副产氢气509m3，适适用于氢气有用场所；
（3）基础无腐蚀和三废排放，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，即使能够达成国家标准，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，所以只适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，还未成熟。

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，所以在全塔内全部能进行催化反应。催化作用不受塔内温度限制，反应机理清楚，轻易实现最优控制
设备腐蚀性大，浓硫酸易引发磺化、炭化和聚合等副反应，产品纯度低，后处理过程复杂，三废量大
乙醛缩正当
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，中国也取得重大进展
必需在乙醛起源广泛区，催化剂处理上存在一定污染
乙醇脱氢法
原料利用上也较为经济，能够副产氢气，没有腐蚀性
催化剂选择性较差，分离工段塔多，所以能耗比传统工艺还高，工艺不成熟
乙烯乙酸加成法
反应有较高选择性和转化率
适合乙烯起源广地域，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
对于乙酸乙酯生产既能够采取间歇式生产，也能够采取连续式生产。此次设计将依据自己生产规模计算，对设计方案进行比较，得出合理工艺设计步骤。
4.3设计条件
生产规模：5017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
乙酸转改变率：57%
4.4反应条件
反应在等温下进行，反应温度为80℃，以少许浓硫酸为催化剂，硫酸量为总物料量1%，当乙醇过量时，其动力学方程为： 。A为乙酸，提议采取配比为乙酸：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反应器操作有间歇操作和连续操作
反应器设计基于“三传一反”。“三传”指质量、热量和动量传输，其质量平衡，热量平衡和动量平衡能够分别表述以下：
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，依据质量守恒，对反应物进行衡算：

年产量为间歇生产6000小时/年，二十四小时生产制，十二个月250个工作日。
4.5.3 流量计算
1）乙酸乙酯产量
化学反应方程式：

乙酸乙酯相对分子质量为88，所以要求生产流量为

2）乙酸流量
乙酸采取工业二级品（含量98%），乙酸和乙酸乙酯物质量比为1:1，乙酸转化率x=0.57,物料损失以5%计， 则乙酸进料量（即为）

3）乙醇流量
乙醇和乙酸摩尔配比为5：1，则乙醇进料量为

总物料量流量：

4） 硫酸流量
总物料质量流量以下计算，

因硫酸为总流量1%，则

即可算其物质量流量

表3-5-1 物料进料量表
名称
乙酸
乙醇
浓硫酸
流量
17.9
89.5
0.53

4.5.4 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,则乙酸初始浓度为：
当乙酸转化率x=0.57，由间歇釜反应有：

依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连续性反应釜进料计算
输入量=输出量+反应消耗量+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组成、温度等状态完全相同。
出口物料多种状态和反应釜中对应状态相同
4.6.1流量计算

乙酸乙酯相对分子质量为88，所以要求生产流量为

2）乙酸流量
乙酸采取工业二级品（含量98%），乙酸和乙酸乙酯物质量比为1:1，乙酸转化率x=0.57,物料损失以5%计， 则乙酸进料量（即为）

3）乙醇流量
乙醇和乙酸摩尔配比为5：1，则乙醇进料量为

总物料量流量：

5） 硫酸流量
总物料质量流量以下计算，

因硫酸为总流量1%，则

即可算其物质量流量

名称
乙酸
乙醇
浓硫酸
流量
13.4
67.1
0.40
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。因硫酸少许，忽略其影响，
乙酸初始浓度：

乙醇初始浓度：

对于连续式生产
1）若采取两釜串联，系统为定态流动，且对恒容系统，不变，不变

2）若采取两釜等温操作，则
代数解得
所以
装料系数为0.75，故实际体积V=1.770.75=2.36。
故采取一条生产线生产即可，即两釜串联，反应器体积V<5，
反应时间：连续性反应时间

4.6.3设备和工艺步骤图
经上述计算可知,间歇釜进料需要4.5m3反应釜2个,而连续性进料需1个4m3反应釜。依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。即使，间歇生产检测控制等装备就比连续性生产成本高，所花费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很多。故而，此次设计将依据两釜串联间歇性生产线进行，并以此设计其设备和工艺步骤图

第五章 热量衡算
5.1热量衡算总式

式中：进入反应器物料能量，
：化学反应热，
：供给或移走热量，有外界向系统供热为正，有系统向外界移去热量为负，
：离开反应器物料热量，
5.2每摩尔多种物值在不一样条件下值
对于气象物质，它气相热容和温度函数由下面这个公式计算：

多种液相物质热容参数以下表[3]：
表头液相物质热容参数同前
物质
A
B×102
C×104
D×106
乙醇
59.342
36.358
-12.164
1.8030
乙酸
-18.944
109.71
-28.921
2.9275
乙酸乙酯
155.94
2.3697
-1.9976
0.4592
水
92.053
-3.9953
-2.1103
0.53469
因为乙醇和乙酸乙酯沸点为78.5℃和77.2℃，所以：
(1) 乙醇值

同理可得：
(2) 乙酸乙酯值

(3) 水值

(3) 乙酸值

5.3多种气象物质参数以下表
5-3-1 气相物质热容参数同前
物质
A
B×103
C×105
D×108
乙醇
乙酸乙酯
4.396
10.228
0.628
-14.948
5.546
13.033
-7.024
-15.736
(1) 乙醇值

(2) 乙酸乙酯值

5.4每摩尔物质在80℃下焓值
(1) 每摩尔水焓值

同理：
(3) 每摩尔乙醇焓值

(4) 每摩尔乙酸焓值

(5) 每摩尔乙酸乙酯焓值

5.5总能量衡算
表5-2 各组分进料量同前，全部表格全部要统一修改好
物质
进料
出料
乙酸
17.9
7.7
乙醇
89.5
79.3
乙酸乙酯
0
9.5
水
0
9.5

（1）计算

（2）计算

（3）计算

因为：

所以：

>0，故应是外界向系统供热。

5.6 换热设计
换热采取夹套加热，设夹套内过热水蒸气由130℃降到110℃，温差为20℃。

5.7 水蒸气用量
忽略热损失，则水用量为

[5]

第六章 设备设计和选型
6.1反应釜体及夹套设计计算
6.1.1 筒体和封头几何参数确实定
设备图

6.1.2 筒体和封头型式
选择圆筒体，椭圆形封头。
6.1.3筒体和封头直径
反应物料为液夜相类型，由表H/Di=1.0~1.4 考虑容器不是很大，故可取H/Di=1.1
由式

反应釜内径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12[3] 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12[3]可查得椭圆形封头容积为 V封 =0.617 m
查得筒体1米高容积V1米=2.014 m3

取 H = 1680 mm 则 H/Di = 1680/1600≈1.1 选择椭圆封头，其公称直径为1600mm，曲面高度为400mm，直边高度为40mm，容积为0.617 m3
6.1.5 夹套直径、高度确实定
依据筒体内径标准，经计算查取，选择DN=1800夹套。夹套封头也采取椭圆形并和夹套筒体取相同直径 。
夹套高度H2：

式中η为装料系数，η = 0.75 ，
代入上式：

取：H2 = 1200 mm 。
6.2釜体及夹套厚度计算
6.2.1设备材料
依据设备工作条件，可选择Q235—A作为釜体及夹套材料，由附表6[2]查得所选材料许用应力为：

6.3 设备壁厚计算
6.3.1 釜体筒体壁厚计算
6.3.2 内压设计计算
依据工作条件，可选择P=0.2MPa为设计内压。
依据式（10-12）[2]筒体设计厚度：

式中：
δd—— 圆筒设计厚度，mm ；
Di —— 圆筒内径 ，mm ；
P —— 内压设计压力， ；
Φ —— 焊接接头系数，考虑到夹套焊接取0.8（表10-9[2]）；
C2 —— 腐蚀裕量，取 2 mm ；
[σ]t——材料许用应力： 。
考虑到钢板负偏差，初选C1 = 0.6 mm （表10-10[1]）。
所以，内压计算筒体壁厚：3.8 + 0.6 = 4.4mm
6.3.3 外压设计计算
按承受0.25MPa 外压设计
设筒体设计壁厚 δ = 7 mm ，并决定L/Do ；Do/δ 之值：
Do——筒体外径，Do = Di + 2δd =1600 +2×7 =1614 mm；
L ——筒体计算长度，L = H2 +h = 1400+×400 =1533 mm （h为封头曲面高度），则：
L/Do = ≈ 0.95，Do/δ = ≈ 230
由图10-15[2]查得A = 0.00045，由图10-17[2]差得 ，则许用外压为：

可见，δ = 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 δn = δ + C = 7 +2.6 = 9.6 mm ，圆整到标准钢板规格，δn 取 10 mm 。
综合外压和内压设计计算，釜体筒体壁厚为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, Φ = 0.8,[σ]t = 113Mpa, C = 0.6+2 = 2.6mm
代入数据：

因为釜体筒体S筒釜= 10mm，考虑到封头和筒体焊接方便，取封头和筒体厚
S封头= 10mm
经采取图解法外压校核，因为[P]﹥PT ，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
依据式（10-12）[2] 筒体设计厚度：

考虑到钢板负偏差，初选C1 = 0.6 mm
故夹套筒体厚度为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 夹套封头壁厚设计和选择

圆整到规格钢板厚度，S封夹 = 6mm，和夹套筒体壁厚相同，这么便于焊接。经校核，设备稳定安全符合要求。
据附表12[2]可查取到夹套封头尺寸：
公称直径：1800mm，曲面高度：450mm，直边高度：40mm
6.3.7 反应釜设计参数
表4 夹套反应釜相关参数
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
6

6.4搅拌器设计
6.4.1 搅拌器形式选择
依据工作条件，因为物料黏度不大，考虑到物料流动、搅拌目标及转速要求，选择搅拌器形式为：双叶螺旋桨式，桨叶直径为800 mm。
6.4.2 搅拌器转速n：
依据相关工艺经验数据，选择
6.4.3 传动功率P：
搅拌雷诺数Re

则：

（KT可查取表3-9[1]）
6.4.4 电机功率
本设计中考虑传动效率为90%，则：

6.4.5 减速器选择
依据以上计算，并查取文件，选择BLD1.5-2-29Q型减速器，其出轴转速为100rpm，适用。
6.4.6 电动机选择
选择电动机型号为