【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 .............................................. 30 致 謝 ........................................................................................................................ 31 武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙 共 31 頁(yè)，第 頁(yè) VII 武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙 共 31 頁(yè)，第 頁(yè) 1 第 1 章 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 一、設(shè)計(jì)項(xiàng)目 年產(chǎn) 5005 噸乙酸乙酯的反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)條件 生產(chǎn)規(guī)模：（ 5000+學(xué) 號(hào)） 噸 /年 生產(chǎn)時(shí)間：連續(xù)生產(chǎn) 8000 小時(shí) /年，間隙生產(chǎn) 6000 小時(shí) /年 物料損耗：按 5%計(jì)算 乙酸的轉(zhuǎn)化率：（ 50+學(xué) 號(hào)） %（ 1— 10 號(hào)）；（ 40+學(xué) 號(hào)） %（ 11— 20 號(hào)） （ 30+學(xué) 號(hào)） %（ 21— 30 號(hào)）；（ 20+學(xué) 號(hào)） %（ 31— 40 號(hào)） （ 10+學(xué) 號(hào)） %（ 41— 50 號(hào)） 三、反應(yīng)條件 反應(yīng)在等溫下進(jìn)行，反應(yīng)溫度為 80℃，以少量濃硫酸為催化劑，硫酸量為總物料量的 1%，當(dāng)乙醇過(guò)量時(shí)，其動(dòng)力學(xué)方程為： rA=kCA2。 A為乙酸，建議采用配比為乙酸：丁醇 =1： 5（摩爾比），反應(yīng)物料密度為 ㎏ /l，反應(yīng)速度常數(shù) k為 （ ） 四、設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)方案 比較 對(duì) 所有的設(shè)計(jì)方案 進(jìn)行 比較，最后確定本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案 。 反應(yīng)部分的流程設(shè)計(jì)（畫(huà)出反應(yīng)部分的流程圖） 反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 生產(chǎn)線數(shù) ，反應(yīng)器個(gè)數(shù)，單個(gè)反應(yīng)器體積 。 攪拌器的設(shè)計(jì) 對(duì)攪拌器進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)計(jì)算 。 畫(huà)出反應(yīng)器的裝配圖 圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表。 設(shè)計(jì) 計(jì)算 說(shuō)明書(shū)內(nèi)容 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)； 武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙 共 31 頁(yè)，第 頁(yè) 2 目錄； 前言（對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的理化性能，國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況，應(yīng)用價(jià)值及其前景等方面進(jìn)行介紹） 設(shè)計(jì)方案 比較 ； (合成工藝介紹，通過(guò)分析各種工藝優(yōu)缺點(diǎn)，得到本設(shè)計(jì)選用的合成工藝流程 ) 工藝 流程圖 設(shè)計(jì)； 反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 攪拌器的設(shè)計(jì) ； 車間設(shè)備布置設(shè)計(jì) ；（主要設(shè)備的布置） 環(huán)境保護(hù)； 設(shè)備裝配圖； 設(shè)計(jì) 總結(jié) ； 參考 資料。 繪制 主要設(shè)備的 裝配 圖。 用 A1圖紙繪 制主要設(shè)備裝 配圖（圖面應(yīng)包括設(shè)備主視圖、局部視圖等，并配備明細(xì)表、管口表、技術(shù)性能表、技術(shù)要求等），要求采用 CAD制圖。 指導(dǎo)老師：薛永萍，劉陽(yáng) 2021 年 12 月 23 日 武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙 共 31 頁(yè)，第 頁(yè) 3 第 2 章 概 述 此次課程設(shè)計(jì)，是結(jié)合《化學(xué)反應(yīng)工程》這門課程的內(nèi)容及特點(diǎn)所進(jìn)行的一次模擬設(shè)計(jì)。它結(jié)合實(shí)際進(jìn)行計(jì)算，對(duì)我們理解理論知識(shí)有很大的幫助。同時(shí)，通過(guò)做課程設(shè)計(jì) ，我們不僅熟練了所給課題的設(shè)計(jì)計(jì)算，而且通過(guò)分析課題、查閱資料、方案比較等一系列相關(guān)運(yùn)作，讓我們對(duì)工藝設(shè)計(jì)有了初步的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中解決所遇難題，對(duì)我們養(yǎng)成獨(dú)立思考、態(tài)度嚴(yán)整的工作作風(fēng)有極大的幫助，并為我們以后從事這個(gè)行業(yè)做好鋪墊。 酯化反應(yīng)是有機(jī)工業(yè)中較成熟的一個(gè)工藝。盡管現(xiàn)在研制出不同的催化劑合成新工藝，但設(shè)計(jì)以硫酸作為催化劑的傳統(tǒng)工藝是很有必要的。 酯化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本要求是滿足傳質(zhì)和傳熱要求。因此需要設(shè)計(jì)攪拌器。另外，反應(yīng)器要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，抗腐蝕能力；結(jié)構(gòu)要合理，便于制造、安裝和檢修；經(jīng)濟(jì)上 要合理，設(shè)備全壽命期的總投資要少。 夾套式反應(yīng)釜具有以下特點(diǎn)： 溫度容易控制。 濃度容易控制。 傳質(zhì)和傳熱良好。 設(shè)備使用壽命長(zhǎng)。 產(chǎn)品 乙酸乙酯簡(jiǎn)介： 無(wú)色澄清液體，有強(qiáng)烈的醚似的氣味，清靈、微帶果香的酒香，易擴(kuò)散，不持久。乙酸乙酯分子量 ，沸點(diǎn)： ℃ ，微溶于水，溶于醇、醚等多數(shù)有機(jī)溶劑 .通過(guò)給定設(shè)計(jì)的主要工藝參數(shù)和條件，綜合系統(tǒng)地應(yīng)用化工理論及化工計(jì)算知識(shí)，完成對(duì)反應(yīng)釜的工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)。 武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙 共 31 頁(yè)，第 頁(yè) 4 第 3 章 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)依據(jù) 《乙酸乙酯 生產(chǎn)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)》 . 設(shè) 計(jì)方案 對(duì)于乙酸乙酯的生產(chǎn)既可以采用間歇式生產(chǎn)，也可以采用連續(xù)式生產(chǎn)。本次設(shè)計(jì)將根據(jù)自己的生產(chǎn)規(guī)模計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，得出合理的工藝設(shè)計(jì)流程。 工藝計(jì)算及方案選擇 間歇釜進(jìn)料 乙酸乙酯的產(chǎn)量 化學(xué)反應(yīng)方程式： OHCHCO O CHCHOHCHCHCO O HCH 2323233 ??? ??? 濃硫酸 乙酸乙酯的相對(duì)分子質(zhì)量為 88，所以要求的生產(chǎn)流量為 F酯 =3500 5 10 = 9. 482?hkmol/ 乙酸的流量 乙酸采用工業(yè)二級(jí)品（含量 98%），乙酸與 乙酸乙酯的物質(zhì)的量比為 1:1，乙酸的轉(zhuǎn)化率60?x%,物料損失以 5%計(jì)， 則乙酸的進(jìn)料量 FA0=9. 48 = 18. 50. 95 ??hkmol/ 武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙 共 31 頁(yè)，第 頁(yè) 5 乙醇的流量 乙醇與乙酸的摩爾配比為 5： 1，則乙醇的進(jìn)料量為 F乙醇 =5 = kmol/h 總物料量流量： F= FA0+F乙醇 =+= kmol/h 硫酸的流量：總物料的質(zhì)量流量如下計(jì)算， W 總 =FAMA+F 乙 M 乙 +W 硫酸 =18. 5 60 +92. 5 46 = 541 9. 2 k /0. 99 gh?? 因硫酸為總流量的 1%，則 W 硫酸 =?=hkg/，即可算其物質(zhì)的量流量 F 硫酸 =hkmol/ 表 1 物料進(jìn)料量表 . 名稱 乙酸 丁醇 濃硫酸 流量 kmol/h 反應(yīng)體積及反應(yīng)時(shí)間計(jì)算 當(dāng)乙醇過(guò)量時(shí)，可視為對(duì)乙酸濃度為二級(jí)的反應(yīng)，其反應(yīng)速率方程2AA kcr??（ A為乙酸） 當(dāng)反應(yīng)溫度為 80℃，催化劑為硫酸時(shí)，反應(yīng)速率常數(shù)k=? ?min/ ?kmolL=() 因?yàn)橐掖即蟠筮^(guò)量，反應(yīng)混合物密度視為恒定，等于 1 0 0 , ??? ??Ac 當(dāng)乙酸轉(zhuǎn)化率 x=55%，由間歇釜反應(yīng)有： ) 1( 1)011(121)( ?????????? ??? AcAckcAcAo Ac AdckcAcAo Ar Adct 武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙 共 31 頁(yè)，第 頁(yè) 6 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取非生產(chǎn)時(shí)間ht ??，則反應(yīng)體積 3,00 )( )( mttcFVAAR ?????? 因裝料系數(shù)為 ，故實(shí)際體積 mV R ?? 要求每釜體積小于 5m3 則間歇釜需 2個(gè)，每釜體積 V= m3圓整，取實(shí)際體積 ?V 。 連續(xù)性進(jìn)料的計(jì)算 乙酸乙酯的產(chǎn)量 化學(xué)反應(yīng)方程式： OHCHCO O CHCHOHCHCHCO O HCH 2323233 ??? ??? 濃硫酸 乙酸乙酯的相對(duì)分子質(zhì)量為 88，所以要求的生產(chǎn)流量為 F酯 = hkm ol / 107800 3 ?? ? 乙酸的流量 乙酸采用工業(yè)二級(jí)品（含量 98%），乙酸與乙酸丁酯的物質(zhì)的量比為 1:1，乙酸的轉(zhuǎn)化率60?x%,物料損失以 5%計(jì)， 則乙酸的進(jìn)料量 FA0 = ???hkmol/ 乙醇的流量 乙醇與乙酸的摩爾配比為 5： 1，則丁醇的進(jìn)料量為 hkm o lF / ???乙醇 總物料量流量 ： F= hk m o lFF A / ???? 乙醇 硫酸的流量 ：總物料的質(zhì)量流量如下計(jì)算， W 總 =FAMA+F 乙 M 乙 +W 硫酸 = hkg / ???? 武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙 共 31 頁(yè)，第 頁(yè) 7 因硫酸為總流量的 1%，則 W 硫酸 =?=hkg/，即可算其物質(zhì)的量流量 F 硫酸 =hkmol/ 表 2 物料進(jìn)料量表 . 名稱 乙酸 乙醇 濃硫酸 流量 kmol/h 反應(yīng)體積及反應(yīng)時(shí)間計(jì)算 當(dāng)乙醇過(guò)量時(shí)，可視為對(duì)乙酸濃度為二級(jí)的反應(yīng)，其反應(yīng)速率方程2AA kcr??（ A為乙酸） 當(dāng)反應(yīng)溫度為 80℃，催化劑為硫酸時(shí)，反應(yīng)速率常數(shù) k=15? ?min/ ?kmolL 因?yàn)橐掖即蟠筮^(guò)量，反應(yīng)混合物密度視為恒定，等于 3/cmg。因硫酸少量，忽略其影響， 1 0 0 , ??? ??Ac 對(duì)于連續(xù)式生產(chǎn)，若采用兩釜串聯(lián)，系統(tǒng)為定態(tài)流動(dòng)，且對(duì)恒容系統(tǒng)，0?不變， 0?? ii V不變 22121101 )()(AAAAAA rccVrccV ??????? ?? 2222121110AAAAAA ck ccck cc ??? 若采用 兩釜等溫操作，則 21k? 代數(shù)解得 31 kmol/?Ac 所以 32210100 )()( mkcc ccFVAAAAA ??? ????? 裝料系數(shù)為 ，故實(shí)際體積 V=?=3m。 故采用一條的生產(chǎn)線生產(chǎn)即可，即兩釜串聯(lián)， 反應(yīng)器的體積 V33， 武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙 共 31 頁(yè)，第 頁(yè) 8 反應(yīng)時(shí)間 ： 連續(xù)性反應(yīng)時(shí)間 hr ccvV A AA )( 210 ?? ??? ???? 設(shè)計(jì)方案的選擇 經(jīng)上述計(jì)算可知 ,間歇釜進(jìn)料需要 2個(gè) ,而連續(xù)性進(jìn)料需 2個(gè) 3m3反應(yīng)釜。根據(jù)間歇性和連續(xù)性反應(yīng)特征比較，間歇進(jìn)料需 2條生產(chǎn)線，連續(xù)性需 1條生產(chǎn)線。雖然，間歇生產(chǎn)的檢測(cè)控制等裝備就比連續(xù)性生產(chǎn)成本高，所耗費(fèi)的人力物力大于連續(xù)生產(chǎn)，但該課題年產(chǎn)量少，選擇間歇生產(chǎn)比連續(xù)生產(chǎn)要優(yōu)越許多。故而，本次設(shè)計(jì)將根據(jù)兩釜串聯(lián)的的間歇性生產(chǎn)線進(jìn)行，并以此設(shè)計(jì)其設(shè)備和工藝流程圖。 附： 表 3. 物料物性參數(shù) [1] 名稱 密度3/mg（ 100oC） 熔點(diǎn) /oC 沸點(diǎn) /oC 黏度 / 百分含量 乙酸 118 98% 乙醇 98% 乙酸乙酯 98% 表 規(guī)格質(zhì)量 [1]： GB162879 一級(jí) 二級(jí) 外觀 ≤ 鉑鈷 30 號(hào)，透明液體無(wú)懸浮物 KMnO4試驗(yàn) /min ≥ —— 乙酸含量 /% 甲酸含量 /% 乙醛含量 /% 蒸發(fā)殘?jiān)?/% 重金屬 (以 Pb 計(jì) )/% 鐵含量 /% 武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙 共 31 頁(yè)，第 頁(yè) 9 第 4 章 熱量核算 工藝流程 反應(yīng)釜的簡(jiǎn)單工藝流程圖 物料衡算 根據(jù)乙酸的每小時(shí)進(jìn)料量為 /kmol h，在根據(jù)它的轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)物的初始質(zhì)量比算出各種物質(zhì)的進(jìn)料和出料量，具體結(jié)果如下表： 物質(zhì) 進(jìn)料 /kmol h 出料 /kmol h 乙酸 乙醇 乙 酸乙酯 0 水 能量衡算 熱量衡算總式 1 2 3 4Q Q Q Q? ? ? 式中： 1Q 進(jìn)入反應(yīng)器無(wú)用的能量， KJ 武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院