反应工程设计参考

1第1章课程设计任务书一、设计项目年产4080吨乙酸乙酯反应器的设计二、设计条件1、生产规模：4080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2%计算4、乙酸的转化率：38%三、反应条件乙酸乙酯酯化反应的化学式为：CH3COOH+C2H5OH=====CH3COOC2H5+H2OABRS反应在等温下进行，反应温度为100℃，以少量浓硫酸为催化剂，硫酸量为总物料量的1%，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。其反应速率方程为：rR=k1(CACB－CRCS/K)100℃时，k1=4.76×4-10L/(mol·min)，平衡常数K=2.92。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）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。26、设计计算说明书内容3第2章乙酸乙酯的生产方案选择目前，乙酸乙酯的工业生产方法主要有乙酸/乙醇酯化法、乙醛缩合法、乙醇脱氢法和乙酸/乙烯加成4种。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采用乙醛缩合法、乙醇脱氢法和乙酸/乙烯加成法，其中新建装置多采用乙酸/乙烯加成法，我国的乙酸乙酯则主要采用乙酸酯化法进行生产[1]。2.1乙酸酯化法酯化法是常用的乙酸乙酯生产方法。酯化法是在催化剂(通常为浓硫酸)存在的条件下，由乙酸和乙醇发生酯化反应而得乙酸乙酯，然后再经过精制得到最终产品乙酸乙酯【2】。该法工艺技术成熟，原料供应充足，生产工艺简单，投资少，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;但存在反应温度高，乙酸利用率低，易发生副反应，产品处理困难，催化剂对设备腐蚀性强，废液污染环境以及生产成本高等缺点。现正逐渐进行改进或被其他先进工艺所取代。2.2乙醛缩合法乙醛缩合制乙酸乙酯工艺是在催化剂乙醇铝的存在下，乙醛氧化缩合生成乙酸乙醋。5233HCOOCCHCHO2CH乙醇铝会在反应过程中被破坏，因此为使反应连续进行，须配备足够的催化剂来维持反应的进行；在低温反应条件下，乙酸乙酯的收率可达98%。乙醛缩合法具有反应条件温和、原料消耗少、工艺简单、设备腐蚀小等特点，因而此工艺在生产成本方面具有突出优势，同时又有较好的环境效益，发达国家多采用这种工艺。此种工艺受原料的限制较大，适合于乙醛原料来源广泛的地区。42.3乙醇脱氢歧化法乙醇脱氢法采用催化剂使乙醇脱氢，生成粗乙酸乙酯，再进人分离工段回收未反应的乙醇，并除去丁醇等杂质，得到成品。在生产乙酸乙酯的同时副产氢气。252352HHCOOCCHOHH2C该法反应特点是反应温和，反应条件变化弹性很大，工艺简单，容易操作，同时由于避免使用醋酸和硫酸，对设备的腐蚀小，且不会产生大量的含酸废水，对环境污染小【3】。但国内该技术不成熟，尚无大规模装置运行。2.4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[4]。此工艺的优点是乙酸乙酯具有较高的产率(90%)与选择性(95%)，而且由于直接利用丰富的乙烯原料，因而能降低生产成本。但该工艺必须建设在乙烯装置附近，我国尚无采用此工艺的乙酸乙酯生产装置。表1-1是几种生产工艺的对比。表1-1乙酸乙酯生产的四种工艺对比工艺方法优点缺点乙酸酯化法工艺技术成熟，原料供应充足，生产工艺简单，投资少，催化作用不受塔内温度限制，反应机理清楚，容易实现最优控制反应温度高，设备腐蚀性大，乙酸利用率低，产品纯度低，后处理过程复杂，废液污染环境；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，国外工艺成熟受原料的限制较大、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，工艺不成熟乙醇脱氢歧化法反应温和，反应条件变化弹性很大，工但国内该技术不成熟，尚无大5艺简单，容易操作，对设备的腐蚀小，环境污染小规模装置运行。乙烯加成法反应有较高的选择性和转化率，能降低生产成本必须建设在乙烯装置附近，我国尚无采用此工艺的乙酸乙酯生产装置2.5确定工艺方案及流程根据以上分析，乙醛缩合法和乙醇脱氢歧化法在国内技术还不成熟，因此不采用这两种工艺。从产量分析，生产任务要求是4080吨，产量不是太大，乙烯、乙酸直接合成法有利于大规模生产，而且该法对设备要求很高，设备造价高，对比酯化法其投资费用更高【4】，因此不采用该工艺。而酯化法工艺技术成熟，为我国的主要生产路线，生产工艺简单，投资少，综合考虑本设计选择采用酯化法生产乙酸乙酯。6第3章工艺设计计算3.1设计依据《乙酸乙酯生产设计任务书》3.2设计方案生产乙酸乙酯既可以采用间歇式生产，也可以采用连续式生产。本次设计将根据生产规模和已知条件进行计算，对两种设计方案进行比较，得出合理的工艺设计流程，并设计出合适的反应釜。3.3工艺计算及方案选择3.3.1原料处理量88g/mol=)HCOOCM(CH46g/mol=OH)HM(C60g/mol=COOH)M(CH523523根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时的乙酸用量①间歇釜：/h20.750kmol0.02)(10.38600088104080F3②连续釜：kmol/h562.510.02)(10.38800088104080F3由于原料液中乙酸：乙醇：水=1：2:1.35∴kg39.499.035.121原料液中含有1kg乙酸，由此可求单位时间内的原料液量为①间歇釜：7/hm358.5102039.460750.20Q30②连续釜：/hm019.4102039.460562.15Q303.3.2原料液的起始浓度①间歇釜：mol/L872.3358.5750.20cA0②连续釜：mol/L872.3019.4562.15cA0通过乙酸的初始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为mol/L101.1046260872.3cB0mol/L424.171835.160872.3cS0将速率方程变换成转化率的函数)1(0AAAXccAABBXccc00AARXcc0AASSXccc003.3.3反应时间和反应体积对于间歇釜，假设每批装料、卸料及清洗时间等辅助操作时间为1h，求反应釜的实际体积V，代入速率方程，整理后得2021)(AAAAccXbXakr其中：609.2872.3101.1000ABcca149.5)92.2872.3424.17872.3101.101().1(0000KccccbASAB86575.092.21111kc433.46575.0609.24)149.5(422acb反应时间AfXAAAAcXbXadXckt02011aXacbbaXacbbacbckAfAfA2)4(2)4(ln4122201609.2238.0)433.4149.5(609.2238.0)433.4149.5(ln433.4872.31076.414min9.13957684.194592.4ln433.4872.31076.414则所需反应体积为：300851.17)1609.139(358.5)(mttQVr通常反应器的装填系数η可取0.6~0.85.如果物料在反应过程中产生泡沫或沸腾状态，通常装填系数应取较低值，一般为0.6~0.7；若反应状态平稳，可取0.8~0.85（物料黏度大时，可取最大值）。本设计综合考虑反应物和生成物的物性参数，物料反应平稳，取装料系数η为0.8。则反应器的实际体积为3314.228.0851.17mfVVr考虑到反应釜不宜过大，选用三个间歇釜单釜的体积为3438.73314.22m对于连续釜(1)单釜乙酸的转化速率可由题给出的反应速率方程求得，将其变换为转化率的函数有)/K]Xc)(cXc(c)Xc)(cXc[(ckrAA0S0AA0R0AA0B0AA0A01A上述已算得Q0=4.019m3/h,cA0=3.872mol/L,cBO=10.101mol/h,cS0=17.424mol/h,cBO=0mol/L。且9k1=4.76×10-4L/(mol·min),K=2.92.代入化简3210)69.475.3662.18(AAAXXr将初始组成及反应速率常数k1及平衡常数K代入上式得h)/(m0.3199kmolmin)mol/(L105.322r33A可算得所需反应体积为3AAA00r18.485m0.31990.383.8724.019rXcQV反应器的实际反应体积为：3106.238.0485.18mfVVr（2）两个等体积釜串联操作两釜的物料衡算式分别为)(11001AAAArXXcQV,)()(212002AAAAArXXXcQV因Vr1=Vr2,由上式两式可得，)(X)(XXXXA2AA1AA1A2A1A与XA的关系以求出为32AAAAA10)4.69X36.75X(18.62r)(XXA2=0.38，代入得min)mol/(L105.33210)0.384.690.3836.75(18.62)(X3321AA∴332.569.475.3662.1838.021111AAAAXXXX求得，XA1=0.2465将有关数据代入第一个釜的物料衡算式得1033494.610332.5)2465.038.0(872.360/019.4mVr又因Vr1=Vr2=6.494m3,固所需的总反应体积为12.988m3因为反应平稳，取装料系数η为0.8，故单釜的实际体积为3118.88.0494.6m空时h48.139.4494.63.3.4设计方案的选择经上述计算可知,间歇釜进料需要3个7.438m3的反应釜,而连续性进料需2个4.0m3反应釜。两个连续釜串联的总体积比间歇釜小得多，节省成本。根据间歇性和连续性反应的特征比较，间歇进料需3条生产线，连续进料只需1条生产线。这样，间歇生产的检测控制等装备就比连续性生产成本高。且因为间歇生产所耗费的人力物力远大于连续生产，所以该课题选择连续生产要比间歇生产优越许多。故而，本次设计将根据一条两釜串联的的连续性生产线进行，并以此设计其设备和工艺流程图。3.4乙酸乙酯的工艺流程图根据设计方案由CAD做出其反应流程图如下3-4：11图3-4反应流程图12第四章热量核算4.1物料衡算(1)根据乙酸的每小时进料量,再根据它的转化率和反应物的初始质量比算出各物质的进料和出料量，则可以算出各组分的进料量，乙酸：/h15.562kmolFA0乙醇：/h40.597kmol4626015.562FB0乙酸乙酯：0kmol/hFR0水：kmol/h029.071835.16015.562FS0本工艺设计采用两个连续釜串联生产，其中XA1=0.2465,XA2=0.38（2）第一个反应釜的各组分的出料量乙酸：/h11.726kmol0.2465)(115.562)X(1FFA1A0A1乙醇：/h36.761kmol0.246515.562-40.597XFFFA1A0B0B1乙酸乙酯：kmol/h836.30.246515.562XFFA1A0R1水：kmol/h865.370.246515.562029.07XFFFA1A0S0S1（3）第二个反应釜各组分的出料量乙酸：kmol/h648.9)38.0(115.56