乙酸乙酯的工艺设计的研究

1乙酸乙酯的工艺设计的研究聂凯斌（环境与化学工程学院应用化学ys1310202011）摘要：此次工艺设计，是模拟化工厂生产乙酸乙酯所进行的一次模拟设计。通过对其反应的动力学研究，结合反应时间，假设条件，由间歇式生产和连续式生产特征对选择适当的反应器进行一个对比，选择出适合该反应的生产方式及反应器。同时，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。在设计过程中解决所遇难题，对我们养成独立思考、态度严整的工作作风有极大的帮助，并为我们以后从事这个行业做好铺垫。关键词：乙酸乙酯，间歇式生产，连续式生产0引言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。产品乙酸乙酯有以下性质：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。1工艺设计条件1.1设计条件生产规模：2000吨/年生产时间：连续生产8000小时/年，间隙生产6000小时/年物料损耗：按5%计算乙酸的转化率：60%1.2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%，当乙醇过量时，其动力学方程为：-rA=kCA2。A为乙酸，采用配比为乙酸：丁醇=1：5（摩尔比），反应物料密度为0.85㎏/l，反应速度常数k为15.00/（kmol.min）。22工艺计算及方案选择2.1间歇式进料2.1.1流量的计算①乙酸乙酯的产量化学反应方程式：OHCHCOOCHCHOHCHCHCOOHCH2323233浓硫酸乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为）（酯Kmol/h8.14600088107800F3②乙酸的流量乙酸采用工业二级品（含量98%），乙酸与乙酸乙酯的物质的量比为1:1，乙酸的转化率：60x%,物料损失以5%计，则乙酸的进料量：）（Kmol/h4.2698.095.06.08.14FA0③乙醇的流量乙醇与乙酸的摩尔配比为5：1，则乙醇的进料量为）（乙醇kmol/h13226.45F④总物料量流量）（乙醇kmol/h158.413226.4FFFA0⑤硫酸的流量总物料的质量流量如下计算：）（硫酸乙乙总Kg/h3.773399.046132604.26WMFMFWAA因硫酸为总流量的1%，则）（Kg/h77.33=0.017733.3=W硫酸即可算其物质的量流量：）（Kmol/h0.789=77.33/98=F硫酸表1物料进料量表.名称乙酸丁醇浓硫酸流量kmol/h26.41320.7892.1.2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的反应，其反应速率方程：2AAkcr（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=15.00L/(kmol*min)=0.9m3/(kmol*h)3因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85kg/LCA0=0.85×1000/（5×46+60）=2.93当乙酸转化率x=60%，由间歇釜反应有：h57.0)93.214.093.21(9.01)11(11)(02AAcAcAoAAcAcAoAAcckcdckrdct根据经验取非生产时间ht5.0，则反应体积：3,0064.9)5.057.0(93.24.26)(mttcFVAAR因装料系数为0.75，故实际体积：385.1275.064.9mVR要求每釜体积小于5m3则间歇釜需3个，每釜体积V=4.28m3圆整，取实际体积V=4.5m3。2.2连续性进料的计算2.2.1流量的计算①乙酸乙酯的产量化学反应方程式：OHCHCOOCHCHOHCHCHCOOHCH2323233浓硫酸乙酸乙酯的相对分子质量为88，所以要求的生产流量为：）（酯Kmol/h07.11800088107800F3②乙酸的流量乙酸采用工业二级品（含量98%），乙酸与乙酸丁酯的物质的量比为1:1，乙酸的转化率：x=60%,物料损失以5%计，则乙酸的进料量：）（Kmol/h83.1998.095.06.007.11FA0③乙醇的流量乙醇与乙酸的摩尔配比为5：1，则丁醇的进料量为：hkmolF/17.99583.19乙醇④总物料量流量：hkmolFFA/11917.9983.19F0乙醇⑤硫酸的流量：总物料的质量流量如下计算：W总=FAMA+F乙M乙+W硫酸=hkg/9.580999.04617.996083.19因硫酸为总流量的1%，则W硫酸=5809.90.01=58.09hkg/4即可算其物质的量流量F硫酸=58.09/98=0.59hkmol/表2物料进料量表名称乙酸乙醇浓硫酸流量kmol/h19.8399.170.592.2.2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的反应，其反应速率方程2AAkcr（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=15L/（Kmol*min），因为乙醇大大过量，反应混合物密度视为恒定，等于0.85g/ml。因硫酸少量，忽略其影响。CA，0=0.85×1000/（5×46+60）=2.93对于连续式生产，若采用两釜串联，系统为定态流动，且对恒容系统，V0不变，0iiV不变22121101)()(AAAAAArccVrccV2222121110AAAAAAckccckcc若采用两釜等温操作，则k1=k2代数解得CA1=1.73kmol/m332210100015.373.19.093.2)73.193.2(83.19)(mkccccFVAAAAA装料系数为0.75，故实际体积V=3.0150.75=4.02m3。故采用一条的生产线生产即可，即两釜串联，反应器的体积V5m3，2.2.3反应时间：连续性反应时间hrccvVAAA45.073.19.073.193.2)(2103.设计方案的选择经上述计算可知,间歇釜进料需要4.5m3反应釜3个,而连续性进料需2个4m3反应釜。根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。虽然，间歇生产的检测控制等装备就比连续性生产成本高，所耗费的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许多。故而，本次设计将根据两釜串联的的间歇性生产线进行。5参考文献：[1]郭锴，唐小恒，周绪美．《化学反应工程》．第二版．化学工业出版社，2011[2]程振民，朱开宏，袁渭康．《高等反应工程教程》．华东理工大学出版社，2010[3]姚玉英主编．《化工原理》．修订版.天津科学技术出版社，2006[4]齐峻,曾义红,胡永康,张和进.10万吨/年乙酸乙酯新型成套技术的开发与应用[J].上海化工.2006(05)[5]万志强.乙酸乙酯的生产技术及市场分析[J].化工科技市场.2005(12)[6]吴如春,闫瑞一,谢涛,蓝平,廖安平.单塔连续制备乙酸乙酯工艺研究[J].化学世界.2005(06)[7]张丽琴,吴云龙,曾义红.乙酸乙酯反应精馏生产工艺模拟研究[J].上海化工.2006(10)