年产5000t乙酸乙酯釜式反应器设计

反应工程课程设计1前言反应工程课程设计是《化工设备机械基础》和《反应工程》课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是学生体察工程实际问题复杂性，学习初次尝试反应釜机械设计。化工设计不同于平时的作业，在设计中需要同学独立自主的解决所遇到的问题、自己做出决策，根据老师给定的设计要求自己选择方案、查取数据、进行过程和设备的设计计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的比较分析，择优选定最理想的方案和合理的设计。反应工程是培养学生设计能力的重要实践教学环节。在教师指导下，通过裸程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决生产实际问题的能力。因此，当学生首次完成该课程设计后，应达到一下几个目的：1、熟练掌握查阅文献资料、收集相关数据、正确选择公式，当缺乏必要的数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场进行实际查定。2、在兼顾技术先进性、可行性、经济合理的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全可行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。3、准确而迅速的进行过程计算及主要设备的工艺设计计算及选型。4、用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图表来表达自己的设计思想和计算结果。化工设备机械基础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。反应工程课程设计21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+H2OABRS1、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。生产时间：连续生产8000小时/年，间隙生产6000小时/年。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=4.76×4-10L/(mol·min),平衡常数K=2.92。乙酸的转化率XA=0.39，反应器的填充系数f=0.8，为此反应设计一个反应器。2工艺设计2.1原料的处理量按间歇生产计算根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时的乙酸用量为（物料损耗5%）Q=4690X103/(88X6000X0.39X0.95)=23.975kmol/h所以单位时间处理量为Q1Q1=(23.975X60X4.35)/1020=6.135m3/h硫酸用量为总流量的1%Q0=Q1/0.99=6.197m3/h原料液起始浓度CA0=23.975/6.197=3.869mol/L乙醇和水的起始浓度CB0=3.869x60x2/46=10.093mol/L反应工程课程设计3CS0=3.869x60x1.35/18=17.411mol/L将速率方程变成转化率的函数)1(0AAAXccAABBXccc00AARXcc0AASSXccc002021)(AAAAccXbXakr其中a==2.609b=-(1++)=-5.15c=1-1/K=0.6575=4.8475反应时间AfXAAAAcXbXadXckt02011aXacbbaXacbbacbckAfAfA2)4(2)4(ln4122201=1/(4.74x10-4x3.869x4.8475)xln(((-5.15+4.8475)x0.39+2x2.609)/(-5.15-4.8475)x0.39+2x2.609)=152.12min反应体积Vr=Q0(t0+t)=6.197x(152.12/60+0.5)=18.81m3实际体积V=Vr/f=18.81/0.8=23.513m3按连续生产计算反应工程课程设计4根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时的乙酸用量为Q=4690x103/(0.95x88x8000x0.39)=17.981kmol/h原料组成A：B:S=1:2:1.35所以单位时间处理量为Q1Q1=17.981x60x4.35/1020=4.601m3/h硫酸用量为总流量的1%，所以Q0=Q1/0.99=4.647m3/h原料液起始浓度CA0=17.981/4.647=3.868mol/L乙醇和水的起始浓度CB0==10.091mol/LCS0==17.406mol/L将速率方程变成转化率的函数)1(0AAAXccAABBXccc00AARXcc0AASSXccc002021)(AAAAccXbXakra==2.61b=-(1++)=-5.15c=1-1/K=0.6575434.46575.061.24)15.5(422acb反应体积Vr=反应工程课程设计5=5.658×10-3mol/(Lmin)3.=0.339kmol/(m3h)Vr=设计方案比较(1)乙醇脱氢法采用铜基催化剂使乙醇脱氢生成粗乙酸乙酯，经高低压蒸馏除去共沸物，得到纯度为99.8%以上乙酸乙酯。2CH3CH2OH→CH3COOCH2CH3+H2(2)乙烯加成法在以附载在二氧化硅等载体上的杂多酸金属盐或杂多酸为催化剂的存在下，乙烯气相水合后与气化乙酸直接酯化生成乙酸乙酯。CH2CH2+CH3COOH⇌CH3COOCH2CH3该反应乙酸的单程转化率为66%，以乙烯计乙酸乙酯的选择性为94%。Rhone-Poulenc、昭和电工和BP等跨国公司都开发了该生产工艺。传统的醋酸酯化法工艺在国外被逐步淘汰,而大规模生产装置主要采用乙醛缩合法、乙醇脱氢法和醋酸/乙烯加成法,其中新建装置多采用醋酸/乙烯加成法。我国醋酸乙酯则主要采用醋酸酯化法进行生产。综上所述：鉴于我国在乙酸乙酯的合成技术与国际水平相比相对落后，运用乙醛缩合法、乙烯加成法、乙醛缩合法等方法合成乙酸乙酯的技术还不是很成熟，而且本次设计的年产量不是很大，转化率只有37%，要求不是很高。所以，选用酯化法合成工艺即可满足设计要求，也符合我国国情。(3)乙醛缩合法在催化剂乙醇铝的存在下，两个分子的乙醛自动氧化和缩合，重排形成一分子的乙酸乙酯。2CH3CHO→CH3COOCH2CH3该方法20世纪70年代在欧美、日本等地已形成了大规模的生产装置，在生产本和环境保护等方面都有着明显的优势。通过间歇式和连续式的对比，间歇生产的反应体积18.81m3，连续的反应体积为20.17m3还有处理量也不是很大，生产量也不是很大所以选间歇式比较合算，并以此设计反应工程课程设计6工艺流程及设备。物料衡算根据乙酸的每小时进料量为23.975kmol/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：3.3能量衡算3.3.1热量衡算总式1234QQQQ式中：1Q进入反应器无聊的能量，KJ2Q：化学反应热，KJ反应工程课程设计73Q：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，KJ4Q：离开反应器物料的热量，KJ3.3.2每摩尔各种物值在不同条件下的,pmc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：  23,pmcABTCTDT[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AB×102/KC×104/K2D×106/K3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778.3℃和77.1℃，所以：(1)乙醇的,pmc值23,,351.5pmlKcABTCTDT=59.342+36.358×102×351.5-12.164×104×351.52+1.8030×106×351.53=59.342+127.798-150.289+78.302=115.1531KmolJ(2)乙酸乙酯的,pmc值23,,350.2pmlKcABTCTDT=155.94+2.3697×102×350.2-1.9976×104×350.22+0.4592×106×350.23=155.94+8.297-24.499+19.713反应工程课程设计8=159.4511KmolJ(3)水的,pmc值223,,,373pmHOlKcABTCTDT=92.053-3.9953×102×373-2.1103×104×3732+0.53469×106×3733=92.053-14.902-29.360+27.748=75.5391KmolJ(3)乙酸的,pmc值23,,373pmlKcABTCTDT=-18.944+109.71×102×373-28.921×104×3732+2.9275×106×373365.9855.087521.09380=139.82231KmolJ3.3.3各种气象物质的参数如下表气相物质的热容参数[4]物质AB×103C×103D×103乙醇4.3960.6285.546-7.024乙酸乙酯10.228-14.94813.033-15.736(1)乙醇的,pmc值RETDTCTBTAC432mpk373g，。=4.396+0.628×103×351.5+5.546×105×351.52-7.024×108×351.53+2.685×1011×351.54=(4.396+0.234+7.716-3.645+0.520)8.314=76.6631KmolJ反应工程课程设计9(2)乙酸乙酯的,pmc值RETDTCTBTAC432mpk373g，。=(10.228-5.576+18.133-8.166+1.161)8.314=131.1951KmolJ3.3.4每摩尔物质在100℃下的焓值(1)每摩尔水的焓值23733r2,,,37329875.5391037329840.688vapmmHOpmHOlKHcdTH146.353KJmol(3)每摩尔的乙醇的焓值351.5373r32,32,,351.5,32,,373298351.5vapmmCHCHOHpmCHCHOHlCpmCHCHOHlCHcdTHcdT33115.15310351.529838.74476.66310373351.56.16138.7441.648146.555KJmol(4)每摩尔乙酸的焓值3733r3,3,,373298139.822310373298mCHCOOHpmCHCOOHlCHcdT110.487KJmol(5)每摩尔乙酸乙酯的焓值350.2373r323,323,,350.2,323,,373298350.2vapmmCHCOOOCHCHpmCHCOOOCHCHlCpmCHCOOOCHCHlCHcdTHcdT33159.45110350.229830.539131.19510373350.28.32330.5392.991反应工程课程设计10141.853KJmol3.3.5总能量衡算（1）1Q的计算13r20r32r23r3232nnnnCHCOOHHCHCHOHCHECOOCHCHmmCHCOOHmHOmCHCHOHQHHHH333313.1521010.48759.1841046.35334.3101046.55501043.5948137925.02743355159730204478