反应工程设计参考(2)

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

M(CH3COOH)=60g/mol M(C2H5OH)=46g/mol M(CH3COOC2H5)=88g/mol 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：

4080?103F??20.750kmol/h

88?6000?0.38?(1?0.02)②连续釜：

4080?103F??15.562kmol/h

88?8000?0.38?(1?0.02)由于原料液中乙酸：乙醇：水=1：2:1.35

∴

1?2?1.35?4.39kg 原料液中含有1kg乙酸，由此可求单位时间内的原料液量为

0.99①间歇釜：

6

Q0?20.750?60?4.39?5.358m3/h

102015.562?60?4.39?4.019m3/h

1020②连续釜：

Q0?3.3.2原料液的起始浓度 ①间歇釜：

cA0?20.750?3.872mol/L

5.35815.562?3.872mol/L

4.019②连续釜：

cA0?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

cB0?cS03.872?60?2?10.101mol/L

463.872?60?1.35??17.424mol/L

18将速率方程变换成转化率的函数

cA?cA0(1?XA) cR?cA0XA

cB?cB0?cA0XA cS?cS0?cA0XA

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，

22代入速率方程，整理后得 rA?k1(a?bXA?cXA)cA0

其中：a?cB010.101??2.609 cA03.872b??(1?cB0c10.10117.424?S0)??(1??)??5.149 cA0cA0.K3.8723.872?2.927

c?1?11?1??0.6575 k2.92b2?4ac?(?5.149)2?4?2.609?0.6575?4.433 1反应时间 t?k1cA0?1k1cA0b?4ac2?XAf0dXA 2a?bXA?cXA

ln(b?b2?4ac)XAf?2a(b?b?4ac)XAf?2a2??4.76?10?44.76?10?41(?5.149?4.433)?0.38?2?2.609ln (?5.149?4.433)?0.38?2?2.609?3.872?4.43314.94592ln?139.9min 1.57684?3.872?4.433139.9?1)?17.851m3 60则所需反应体积为：

Vr?Q0(t?t0)?5.358?(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

V?Vr17.851??22.314m3 f0.8考虑到反应釜不宜过大，选用三个间歇釜 单釜的体积为 22.314?7.438m3 3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

rA?k1[(cA0?cA0XA)(cB0?cA0XA)?(cR0?cA0XA)(cS0?cA0XA)/K] 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

8

k1=4.76×10-4L/(mol·min),K=2.92.

代入化简 rA?(18.62?36.75XA?4.69XA)?10?3 将初始组成及反应速率常数k1及平衡常数K代入上式得

2rA?5.322?10?3mol/(L?min) 3 ?0.3199kmol/(m?h)可算得所需反应体积为

Vr?Q0cA0XA4.019?3.872?0.38??18.485m3 rA0.3199反应器的实际反应体积为：

V?Vr18.485??23.106m3 f0.8（2）两个等体积釜串联操作 两釜的物料衡算式分别为

Vr1?Q0cA0XA1Qc(X?XA1) ,Vr2?0A0A2

??A(XA1)??A(XA2)因Vr1=Vr2,由上式两式可得，

XA1?(X)?AA1

XA2?XA1?A(XA2)?A与XA的关系以求出为

??A(XA)?rA?(18.62?36.75XA?4.69XA)?10?3

2XA2=0.38，代入得

??A(XA1)?(18.62?36.75?0.38?4.69?0.382)?10?3?5.332?10?3mol/(L?min)∴

XA10.38?XA118.62?36.75XA1?4.69XA1?

5.3322求得，XA1=0.2465

将有关数据代入第一个釜的物料衡算式得

9

Vr?4.019/60?3.872?(0.38?0.2465)?6.494m3 ?35.332?10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 空时 ??6.494?8.118m3 0.86.494?1.48h 4.393.3.4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4.0

m3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：

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