乙酸乙酯反应器设计.docx
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乙酸乙酯反应器设计
青海大学
《化工过程设备设计Ⅱ》
设计说明书
设计题目：
年产2.76×103t乙酸乙酯反应器设计
班级：
2013级化工2班
姓名：
邬天贵
学号：
前言
乙酸乙酯，又称醋酸乙酯，分子式C4H8O2。
它是一种无色透明易挥发的可燃性液体，呈强烈清凉菠萝香气和葡萄酒香味。
乙酸乙酯能很好的溶于乙醇、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分解成乙酸和乙醇。
水能使其缓慢分解而呈酸性。
乙酸乙酯与水和乙醇都能形成二元共沸混合物，与水形成的共沸物沸点为70.4℃，其中含水量为6.1%（质量分数）。
与乙醇形成的共沸物沸点为71.8℃。
还与7.8%的水和9.0%的乙醇形成三元共沸物，其沸点为70.2℃。
乙酸乙酯应用最广泛的脂肪酸酯之一，具有优良的溶解性能，是一种较好的工业溶剂，已经被广泛应用于醋酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶、乙醛纤维树脂、合成橡胶等的生产，也可用于生产复印机用液体硝基纤维墨水，在纺织工业中用作清洗剂，在食品工业中用作特殊改性酒精的香味萃取剂，在香料工业中是最重要的香味添加剂，可作为调香剂的组分，乙酸乙酯也可用作黏合剂的溶剂，油漆的稀释剂以及作为制造药物、染料等的原料。
目前，国内外市场需求不断增加。
在人类不断注重环保的今天，在涂料油墨生产中采用高档溶剂是大势所趋。
作为高档溶剂，乙酸乙酯在国内外的应用在持续稳定的增长，在建筑、汽车等行业的迅速发展，也会带动对乙酸乙酯类溶剂的需求。
工业生产技术
目前全球乙酸乙酯工业生产方法主要有醋酸酯化法、乙醛缩合法、乙醇脱氢法和乙烯加成法等。
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后三种方法，其中新建装置多采用乙烯加成法。
本设计采用醋酸酯化法。
醋酸酯化法
在硫酸催化剂作用下，醋酸和乙醇直接酯化生成乙酸乙酯。
该工艺方法技术成熟，投资少，操作简单，但缺点是生产成本高、硫酸对设备腐蚀性强、副反应多、产品处理困难、环境污染严重。
目前我国大多数企业仍采用醋酸酯化法生产乙酸乙酯。
一、工艺设计·························································1
1.1原料液的处理量···············································1
1.2原料液的起始浓度···············································1
1.3反应时间与反应体积············································1
二、物料衡算·························································2
三、热量衡算·························································3
3.1标准反应热···················································3
3.2热量衡算·······················································3
3.3换热计算·····················································5
四、反应釜釜体设计··················································5
4.1反应器的直径与高度·············································5
4.2筒体的壁厚·····················································7
4.3反应釜封头厚度·················································8
五、反应釜夹套设计···················································8
5.1夹套DN、PN的确定··············································8
5.2夹套筒体的壁厚················································9
5.3夹套筒体的高度················································10
5.4夹套的封头····················································10
5.5换热面积校核··················································10
六、反应釜釜体及夹套压力试验········································10
6.1釜体的水压试验················································11
6.2夹套的液压试验···············································11
七、搅拌器··························································12
7.1搅拌桨的尺寸与安装位置········································13
7.2搅拌功率的计算················································14
7.3搅拌轴直径设计················································15
八、反应釜附件的选型与尺寸设计······································17
8.1原料液进料管··················································17
8.2人孔与手孔····················································17
8.3支座··························································17
8.4传动装置······················································17
8.5机架··························································18
9、设计结果一览表·················································18
10、设计心得·······················································20
参考文献·······················································21
一、工艺设计
1.1原料液的处理量
根据乙酸乙酯的产量可计算出每小时乙酸用量为
Q=
=11.285kmol/h
由于原料液的组分质量比为1:
2:
1.35
所以单位时间处理量为
Q0=
=2.888m3/h
1.2原料液的起始浓度
CA0=
=3.908mol/L
有质量比可得乙醇和水的起始浓度
CB0=
=10.195mol/L
CS0=
=17.586mol/L
1.3反应时间与反应体积
将速率方程转换成转化率的函数
CA=CA0（1-XA）CB=CB0-CA0XACR=CA0XACS=CS0+CA0XA
RA=k1（a+bXA+cXA2）CA02=k1[
XA2-（1+
+
）XA+
]CA02
由上式可得
a=
=2.609
b=-（1+
+
）=-5.15
c=
=0.658
所以：
?
=
=4.434
则：
t=
=143.8min
所以：
VR=Q0（t+t0）=
=9.328m3
实际体积Vt=
=
=15.547m3（对于沸腾或鼓泡的液体物料，f可取0.4~0.6《化学反应工程》）
二、物料衡算
乙酸每小时进料量为11.285kmol/h，根据乙酸的转化率和反应物的初始质量比计算出各物料的进料和出料量。
进料：
乙醇：
Q0=
=29.439kmol/h
乙酸乙酯：
Q0=0kmol/h
水：
Q0=
=50.783kmol/h
出料：
乙酸：
Q=11.285-11.285×0.386=6.929kmol/h
乙醇：
Q=29.439-11.285×0.386=25.083kmol/h
乙酸乙酯：
Q=11.285×0.386=4.356kmol/h
水：
Q=50.783+11.285×0.386=55.139kmol/h
列表如下：
物料
进料kmol/h
出料kmol/h
乙酸
11.285
6.929
乙醇
29.439
25.083
乙酸乙酯
0
4.356
水
50.783
55.139
三、热量衡算
3.1标准反应热
以第一基准为计算基准
反应方程式：
CH3COOH+C2H5OH→CH3COOC2H5+H2O
?
H=
+
输出niHi-
输入niHi
各物质的?
Hf0及?
HV（蒸发焓）查得如下：
（由《化工工艺设计手册》第四版上册查得）
乙酸：
?
Hf0=-487.0KJ/mol
乙醇：
?
Hf0=-277.6KJ/mol?
HV=39.33KJ/mol
乙酸乙酯：
?
Hf0=-463.3KJ/mol?
HV=32.24KJ/mol
水：
?
Hf0=-285.9KJ/mol?
HV=40.63KJ/mol
?
Hr0=
输出μi?
Hf0-
输入μi?
Hf0
=-（463.3+285.9）+（487.0+277.6）=15.4KJ/mol
3.2热量衡算
从《化工工艺设计手册》第四版上册查出各组分在各温度段的CP值，经拟合呈线性关系，所以可用内插法求得各物质在反应温度段下的平均CP值。
拟合结果如下：
乙酸：
y=0.1015X+131.25k2=0.9961
得CP=137.803J/（mol·k）
乙醇：
y液=0.4845X+98.9k2=0.9942
得CP液=124.678J/（mol·k）
y气=0.1558X+61.593k2=0.9998
得CP气=75.390J/（mol·k）
乙酸乙酯：
y液=0.225X+164.8k2=0.9681
得CP液=177.038J/（mol·k）
y气=0.272X+104.12k2=0.9995
得CP气=128.028J/（mol·k）
水：
y=0.0002X2-0.0136X+75.453k2=0.9968
得CP=75.672J/（mol·k）
因为进料温度为25℃，所以
输入niHi=0，将上述CP值带入计算各组分输出焓值。
乙酸：
?
H1=n
液dt=7.161×104KJ/h
乙醇：
?
H2=n[
液dt+?
HV+
气dt]=1.194×106KJ/h
乙酸乙酯：
?
H3=n[
液dt+?
HV+
气dt]=1.934×105KJ/h
水：
?
H4=n（
液dt+?
HV）=2.553×106KJ/h
输出niHi=4.012×106KJ/h
?
H总=4.356×15.4×103+4.012×106-0=4.079×106KJ/h
?
H总>0，所以外界应向系统提供能量。
3.3换热计算
换热采用夹套加热，设夹套内的过热水蒸气由130℃降到110℃。
温差为20℃，忽略热损失，则计算水蒸气的用量如下：
水蒸气的比热容CP0：
Cp0=a+（b×10-2）T+（c×10-5）T2+（d×10-9）T3
其中a=7.7，b=0.0459，c=0.252，d=-0.859（由《化工计算》查得）
T1=130℃，T2=110℃，T=
=120℃
计算得Cp0=7.7+0.180+0.389-0.052=8.217cal/（mol·k）
由Q=m0Cp0（T1-T2）得
m0=
=
=1.068×105kg/h
四、反应釜釜体设计
4.1反应器的直径和高度
在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的高径比（H/Di）以确定罐体的直径和高度。
选择罐体高径比主要考虑以下两方面因素：
1、高径比对搅拌功率的影响：
在转速不变的情况下，PαDi3，其中搅拌功率P随釜体直径Di的增大，而增加很多，减小高径比只能无畏的消耗一些搅拌功率。
因此一般情况下，高径比应选择大一些。
2、高径比对传热的影响：
当容积一定时，H/Di越大，越有利于传热。
高径比的确定通常采用经验值
种类
罐体物料类型
H/Di
一般搅拌釜
液—固或液—液相物料气—液相物料
1~1.31~2
发酵罐类
气—液相物料
1.7~2.5
假设高径比
=1.3先忽略罐底容积
Vt≈
Di2H≈
Di3
15.547=
Di3×1.3
Di=2.48m
取标准Di=2.5m=2500mm
标准椭球形封头设计参数
由《化工制图》查得
公称直径mm
总深度mm
直边高度mm
内表面积m2
容积m3
2500
665
40
7.089
2.242
筒体的高度
H=
=2.711m=2710mm
釜体高径比的复核
=
=
=1.1
所以，该设计满足要求。
4.2筒体壁厚的设计
110℃下反应器内各物质的饱和蒸气压《化工热力学》
物质
水
乙酸
乙醇
乙酸乙酯
饱和蒸气压MPa
0.143
0.08
0.316
0.272
该反应釜的操作压力必须满足乙醇的饱和蒸气压，所以取操作压力P=0.4MPa，则取设计压力PC=1.1P=0.44MPa。
反应釜操作温度为100℃，设计温度取130℃。
反应釜体材料选用Q345R。
查《化工设备机械基础》得该材料在130℃时的许用应力[σ]t=189MPa。
焊缝系数取φ=1.0（双面对接焊，100%无损探伤），腐蚀裕量C2=2mm。
（取自《化工设备机械基础》）
4.2.2筒体的壁厚
计算厚度
δ=
=
=2.9134mm
因为δ=2.9134?
δmin=3mm，δmin-δ?
C1
所以取δ=3mm
设计厚度
δd=δ+C2=3+2=5mm
钢板负偏差C1=0.3mm（取自《化工设备机械基础》）
名义厚度
δn=δd+C1+?
=5+0.3+?
=6mm
有效厚度
δe=δn-C2-C1=3.7mm
4.3釜体封头厚度
计算厚度
δ=
=
=2.9117mm
因为δ=2.9117?
δmin=3mm，δmin-δ?
C1
所以取δ=3mm
设计厚度
δd=δ+C2=3+2=5mm
钢板负偏差C1=0.3mm（取自《化工设备机械基础》）
名义厚度
δn=δd+C1+?
=5+0.3+?
=6mm
5、反应釜夹套设计
夹套是在釜体的外侧用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与釜体外壁形成密闭的空间，在此空间内通入加热或冷却的介质，可加热或冷却反应釜内的物料。
夹套的主要结构形式有整体夹套、半圆管夹套、和蜂窝夹套等，其适应的温度和压力不同。
本设计采用整体夹套中的U型夹套。
5.1夹套DN、PN的确定
夹套直径与筒体直径之间的关系
Di/mm
700~1800
2000~3000
3000~4000
4000~5000
Dj/mm
Di+100
Di+200
Di+300
Di+400
由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可得：
Dj=Di+200=2500+200=2700mm
有设计条件可知夹套内介质的工作压力为常压，故可取PN=0.25MPa，由于PN?
1.6MPa，所以可以选用Q235B为夹套的制作材料。
查《化工设备机械基础》得该材料在130℃时的许用应力[σ]t=110MPa，取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100%无损探伤），腐蚀裕量C2=2mm。
5.2夹套筒体的壁厚
计算厚度
δ=
=
=3.0717mm
设计厚度
δd=δ+C2=3.0717+2=5.0717mm
钢板负偏差C1=0.3mm（取自《化工设备机械基础》）
名义厚度
δn=δd+C1+?
=5.0717+0.3+?
=6mm
有效厚度
δe=δn-C1-C2=6-0.3-2=3.7mm
5.3夹套筒体的高度
Hj=
=
=1.44m=1440mm
5.4夹套的封头
封头的厚度
夹套的下封头选用标准椭球形封头，内径与筒体相同。
夹套上封头选带折边形的封头，且半锥角α=45°。
计算厚度
δ=
=
=3.0699mm
设计厚度
δd=δ+C2=3.0699+2=5.0699mm
钢板负偏差C1=0.3mm（取自《化工设备机械基础》）
名义厚度
δn=δd+C1+?
=5.0699+0.3+?
=6mm
带折边锥形封头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，所以取封头的壁厚与夹套筒体壁厚一致δn=6mm
5.5传热面积校核
釜体下封头的内表面积FK=7.089m2，筒体高度H=2710mm，筒体内经Di=2500mm，筒体内表面积F0=21.274m2。
总的换热面积F总=7.089+21.274=28.363m2
六、反应釜釜体及夹套压力试验
6.1釜体的水压试验
PT=1.25Pc
=1.25×0.44×1=0.55MPa
σT=
=
=185.54MPa
查《化工设备机械基础》得Q345R的屈服极限σs=345MPa
0.9φσs=0.9×1.0×345=310.5MPa
因为σT=185.54MPa?
0.9φσs=310.5MPa
所以水压强度足够
在保持釜体表面干燥的情况下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.55MPa，保证不低于30min，然后将压力缓慢降至0.44MPa，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄漏和明显的残留变形。
若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。
若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。
水压试验合格后再做气压实验。
6.2夹套的液压试验
PT=1.25Pc
=1.25×0.25×1=0.31MPa
因为0.31MPa?
P+0.1=0.35MPa，所以应取PT=0.35MPa
σT=
=
=127.53MPa
查《化工设备机械基础》得Q235B的屈服极限σs=235MPa
0.9φσs=0.9×1.0×235=211.5MPa
因为σT=127.53MPa?
0.9φσs=211.5MPa
所以水压强度足够
在保持夹套表面干燥的情况下，首先用水将夹套内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.35MPa，保证不低于30min，然后将压力缓慢降至0.25MPa，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄漏和明显的残留变形。
若质量合格，缓慢降压将夹套内的水排净，用压缩空气吹干夹套。
若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。
水压试验合格后再做气压实验。
七、搅拌器
在反应釜中，为增快反应速率，强化传质或传热效果以及加强混合等作用，常装有搅拌装置，搅拌装置通常包括搅拌器和搅拌轴。
搅拌轴由电动机通过联轴直接带动或经过减速机减速后间接带动。
搅拌设备规模、操作条件及液体性质覆盖面非常广泛，选型时考虑的因素主要有两方面。
一是介质的黏度，一是搅拌过程的目的和搅拌器能造成的流动形态。
根据浆叶的结构，常用的搅拌器有：
浆式、框式、锚式、涡轮式、推进式等。
因为该搅拌器主要是为了实现物料的均相混合，所以，推进式、浆式、涡轮式等都可以选择。
本次设计选用涡轮式搅拌器。
7.1搅拌桨的尺寸与安装位置
搅拌桨的叶轮直径与反应釜的筒体直径比一般为0.2~0.5，一般取为0.33，所以叶轮的直径
d=0.33Di=0.33×2500=825mm，取d=850mm
由《压力容器与过程设备》一书可查得：
叶轮直径d：
叶轮叶长度l：
叶轮叶片宽度W=20:
5:
4
叶轮距槽底的安装高度h1=0.7~1.6d
则由上述数据可计算：
叶轮的叶长度
l=0.25d=212.5mm，取l=220mm
叶轮的叶片宽度
W=0.2d=170mm
叶轮距槽底的安装高度
h1=1.0d=850mm
挡板数目设计为6个，垂直安装在槽壁上并从槽壁延伸至液面上，挡板宽度一般可取容器直径的0.1倍
Wb=0.1Di=250mm
桨叶数设计为6片，叶端速度设计为4.0m/s（中度搅拌），则搅拌器的转速为：
n=
=
=1.50r/s
为了消除可能出现的打旋现象，强化传质和传热，安装6片宽度为0.25m的挡板，全挡板的条件判断如下：
（
）1.2nb=0.379?
0.35
所以，符合全挡板条件
7.2搅拌功率的计算
由《化工原理》第三版上册计算方法计算。
由《化工原理》第二版上册查得各物质的黏度计算公式
μ=ATB
lgμ=A+B/（C-T）
物料
A
B
C
乙醇
-5.5972
-846.95
-24.124
乙酸
1.2106×106
-3.6612
——
乙酸乙酯
-4.8721
-452.07
-3.4748
各物料的黏度计算结果如下
μ乙醇=0.343mPa/s
μ乙酸=0.465mPa/s
μ乙酸乙酯=0.213mPa/s
μ水=0.2838mPa/s（直接可查得）
对于非缔合液体混合物的黏度，可采用下式计算：
lgμm=
Xilgμi
反应之前:
lgμm1=
lg0.465+
lg0.343+
lg0.2838
=-0.0410-0.1495-0.3036=-0.4941
μm1=0.321mPa/s
反应之后：
lgμm2=
lg0.465+
lg0.343+
lg0.2838+
lg0.213
=-0.0252-0.1274-0.3332-0.0320=-0.5178
μm2=0.304mPa/s
平均黏度
μm=（μm1+μm2）/2=0.3125mPa/s
雷诺准数
Re=
=
=3.537×106
由于Re很大，处于湍流区，所以应该安装挡板以消除打旋现象。
由《压力容器与过程设备》查得，当Re=3.537×106时，NP=6.0
则，搅拌功率为：
P=NPρn3d5=9.16KW≈10KW
7.3搅拌轴直径的设计
搅拌轴材料一般是经过轧制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢，对于直径较小的轴，可用圆钢制造。
本设计中轴不是很大，所以可以选用圆钢制造的轴。
奥氏体型不锈耐酸钢有较高的抗晶间腐蚀能力，对一些有机酸和无机酸具有良好的耐腐蚀性能。
本设计中的物料中有乙酸，因此搅拌轴的材料选用奥氏体型不锈耐酸钢1Cr
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