年产1000吨丙烯酸乙酯生产设计讲解

1、南华大学化学化工学院毕业设计前言丙烯酸乙酯 (ethyl acrylate),又名败酯酸乙酯，分子式 CH2=CHCOOCH2 CH3，无色有刺激性气味的液体，具有催泪性 ,味酸 ,在标准状态下容易聚合 , 在热、光和过氧化物的条件下加快它的聚合，分子量 100.12，凝固点 -75， 沸点 99.4 ，相对密度 0.9405(20/4 ) ，折射率 1.404 ，闪点 15，难溶 于水, 能溶于醇和醚。丙烯酸乙酯的实际使用是将其制成聚合物或共聚物， 丙烯酸乙酯的聚合 物能做皮革的防裂剂或涂料的基液 , 丙烯酸乙酯与 5%氯乙基乙烯基醚的共 聚物是一种耐油 ,耐热性能良好的合成橡胶。在某些情况

2、下它可代替丁氰橡 胶；丙烯酸乙酯与乙烯的共聚物是一种热融性粘合剂 , 丙烯酸乙酯可做防护 涂料，油漆、粘合剂和纸张渍剂的原料。丙烯酸酯橡胶(简称 ACM )是以丙烯酸酯为主单体经共聚而得的弹性 体，其主链为饱和碳链，侧基为极性酯基。由于特殊结构赋予其许多优异的 特点，如耐热、耐老化、耐油、耐臭氧、抗紫外线等，力学性能和加工性能 优于氟橡胶和硅橡胶，其耐热、耐老化性和耐油性优于丁腈橡胶。 ACM 被 广泛应用于各种高温、 耐油环境中， 成为近年来汽车工业着重开发推广的一 种密封材料，特别是用于汽车的耐高温油封、曲轴、阀杆、汽缸垫、液压输 油管等，目前国内需求几乎全部依赖进口。ACM 的共聚单体可

3、分为主单体、低温耐油单体和硫化点单体等三类单 体。常用的主单体有丙烯酸甲酯、 丙烯酸乙酯、 丙烯酸丁酯和丙烯酸 -2-乙基 己酯等；随着侧酯基碳数增加，耐寒度增加，但是耐油性变差，为了保持 ACM 良好耐油性，并改善其低温性能，便合成一些带有极性基的低温耐油 单体。1、目前国内生产和消费的情况：尽管丙烯酸乙酯溶剂表面涂料增长速度较慢 ,但用于汽车表漆等溶剂表 面涂料却增长较快。 丙烯酸乙酯乳胶表面涂料今后将显适度增长的趋势。 丙烯酸乙酯目前在国内的产量大约 3 万吨 /年.生产厂家主要有北京东方化工 厂,吉林化学工业公司 ,上海浦东开发区高桥石化公司。2、丙烯酸乙酯几种生产工艺的比较丙烯酸乙酯

4、在历史上曾经经历过几种不同的生产方法,较早的有 Reppe法,氰乙醇法 , 后来还出现了乙烯酮法 ,丙烯氧化法等。其中第 1 页(共 46 页)南华大学化学化工学院毕业设计（1）Reppe 法:以乙炔,一氧化碳及水为原料 ,反应温度 150, 反应压力为1.52-3.04Mpa 。用羟基镍做催化剂 ,进行液相反应生产，化学反应过程如下：CHCH + CO + CH3H2OHCH2 =CHCOOC2 CH3由于在较高的温度 ,压力下,反应进行相当缓慢 ,且羟基镍 （沸点43）分解和挥 发严重。乙炔会分解以及乙炔与丙烯酸 （ 酯） 极易发生聚合引起危险等原因 , 对生产极不利。（2）氰乙醇法：其法

5、是最早工业化生产丙烯酸及其酯类的方法，由于反 应过程中聚合物的生成不可避免，因此收率较低，仅为6070%，成本高；且氰化物剧毒，严重污染环境，采用此技术的生产装置已于 50 年代全部关 闭。（3）乙烯酮法：乙烯酮法产品纯度高收率也较高，副产物和未反应的物 料能多次使用，适用于连续生产，反应条件也比较简单。但原料是乙酸或丙 酮，价格相对于丙烯来说较贵，而且 -丙内酯已被公认为一种致癌物质。（4）丙烯氧化法：近年来，通过不断改进催化剂的性能和工艺过程，优 点更加明显，因此该技术问世以来，快速发展到世界各国，目前新建丙烯酸 酯的生产装置一般采用丙烯酸直接氧化技术。现国内生产对丙烯酸乙酯的需求量的不断

6、增长， 生产能力虽然能勉强满 足实际生产的需要， 但所得产品的收率与国外相比差距很大， 副产品数量大。 所以我们要不断完善现在有的商场工艺，提高产品质量，扩大生产规模，也 可考虑采用先进生产技术新建新的丙烯酸乙酯生产装置， 这样不仅可以满足 国内对丙烯酸乙酯的需求， 而且也有助于推动我国涂料， 油漆等行业的发展。本设计采用以丙烯酸和乙醇为原料， 以浓硫酸为催化剂， 甲苯为反应介 质，在温度为 100-110，压力为常压的反应条件下合成丙烯酸乙酯的工艺 路线。在此基础上确定了酯化反应釜，并通过物料衡算和能量衡算，确定了 反应釜及辅助设备的工艺尺寸以及经济效益的评价。 此外还对工艺流程进行 了初步

7、的优化，同时也兼顾了环保方面的要求。达到了设计任务的要求。第 2 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计二 设计任务1 设计项目：年产 1000 吨的丙烯酸乙酯的生产车间设计2 产品名称：丙烯酸乙酯3 原料规格：丙烯酸 95%（ wt）乙醇 95%（ wt）4 产品规格：纯度 99.5%5 生产方法：丙烯酸在甲苯为反应介质以浓硫酸为催化剂的作用下与乙醇发生酯化反应，生成丙烯酸乙酯。采用间歇操作，反应方程式：催化剂CH2=CHCOOH + CH3CH2OHCH2=COOCH2CH3 +H2O6 反应工艺参数：1）反应温度： 1102）反应压力： 0.1Mpa3）原料配比：醇：酸 =1：

8、1.8（摩尔比）4）反应转化率： 96%（限量物） 选择性： 97%5）反应时间： 4h6）催化剂：浓硫酸7）年生产时间： 330 天，每天三班8）年生产能力：折算为 100%丙烯酸乙酯 1000 吨/年第 3 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计三 设计指导思想和设计原则1 指导思想 ：通过毕业设计使化工专业的学生初步地掌握工艺设计的一般程序和方法， 受到化工设计的训练，使其具有一定的化工设计能力，对今后不论从事生产、 基建、还是从事科研或管理工作都有十分重要的意义， 对化工过程有更深地了 解。2 设计原则 ：包括各专业、各方面的设计原则，如工艺路线的选择，设备的选型和材质 选用，

9、自控水平等原则。 一般来说，总的设计原则是安全性、 经济性、环保性、 方便易行等。四 生产方式的选择化工生产的操作可分为全间歇，半间歇，连续，半连续四种由于本设计 仅为1000吨的小型设计，采用间歇操作比较有利丙烯酸乙酯生产能力根据设计任务规定为年产 100丙烯酸乙酯 1000吨 /年，取年工作日为 330天，每天生产三班，则每班生产能力为 1010kg/d。这样的 规模采用间歇操作是比较合理的。生产控制参数及具体操作 :原料配比丙烯酸：甲苯：乙醇：催化剂；阻聚剂 =1： 2.1053：1.8：0.1053酯化温度、压力和酯化时间生产过程酯化温度： 起始温度 27终止温度 110压力： 0.1

10、Mpa酯化时间： 4h酯化的具体操作将乙醇、丙烯酸、甲苯、阻聚剂、催化剂按比例（见工艺流程方框图）加入第 4 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计酯化反应器中，开始搅拌，用夹套蒸气加热，使温度缓慢匀速上升，酯化 4 小时，并不断蒸出水及恒沸物，经冷凝器冷凝后进入分离器，上层油层返回 酯化反应器，下层水层弃去。 将所得反应物转入贮槽内， 将所得反应物冷却， 将贮槽内反应液转至中和洗涤器，用浓度为 20的碳酸钠液中和至 PH值为 7.0，搅拌半小时，静置分层后分取，粗酯再用 20 30水洗涤。水洗后在 蒸馏器中在减压条件下，蒸馏回收未反应的甲苯、醇，用直接蒸去低沸物， 得到粗制酯， 粗酯

11、用占总物料 0.01的脱色剂脱色。 过滤得丙烯酸乙酯成品。 整个流程为酯化、中和、水洗、蒸馏、脱色。流程简图如下：图 4.1， 生产流程简图第 5 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计五 初步物料衡算一）所用原料及产品的基本物性数据表表 5.1 原料及产品的基本物性数据名称密度（kg/m3）分子量比热容 j/（g·）熔点沸点乙醇78946109.7925134.74110-17978.9丙烯酸乙酯780.3100195.9725110222.85-7299.4丙烯酸10457225156.2825110165.11413.5141.甲苯923.492155.35251101

12、86.89-95110.8二）初步物料衡算：根据设计任务，丙烯酸乙酯的年生产能力为 1000吨/ 年（折算 100）。 开工因子 =生产装置每年开工时间 /年自然时间。为充分利用设备，开工因子 应取得较大，接近 1，但是有不可能等于 1，因为还要考虑到设备的检修以及 开停车等情况。开工因子一般取为 0.90.95 ，全年 365天，则年生产 300 330天。因此除去季保养、月保养、修理、放假等总计 35天，则年工作日为： 365-35 =330天每天分为三班，每班的操作时间（ min）大致分配如下：表 5.2 时间表工序名称预热反应冷却中和水洗蒸馏脱色过滤时间（min）20240403030

13、9030以此作为物料衡算的基准三）质量守恒定律质量守恒定律是 “进入一个系统的全部物料量必等于离开这个系统的全部物 料量，再加上过程中损失量和在系统中积累量。 ”依据质量守恒定律，对研 究系统作物料衡算，可用下式表示：G进= G出+ G损+G积第 6 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计式中G进 输入物料量总和；G出离开物料量总和；G损总的损失量；G积 系统中积累量。四）进入酯化器的物料衡算分批操作（间歇操作）的设备，当终点时，物料全部排除则系统内物料积累 量为零。在此情况下，上式可写成： G进= G出+ G损1 进料量对间歇生产可确定计算基准为公斤 /班，则需计算每班产量及原料投料

14、量。 本工艺设计以两个反应釜并联来完成生产任务， 以每班生成目的产物为基准计 算， 反应式如下：CH2=CHCOOH + CH 3CH2OH CH2COOCH2CH3 +H2O原料规格：丙烯酸 95% 乙醇 95% 每班生产丙烯酸乙酯： 1010 kg 丙烯酸: 甲苯: 乙醇=1:2.1053:1.8 每班理论投料（纯） kg 乙醇 836.28 丙烯酸 727.2 催化剂 85.4 阻聚剂 31.2 每班实际投料 乙醇 880.29丙烯酸 765.47第 7 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计催化剂 85.8阻聚剂 31.842 酯化过程计算设转化率为 96% 选择性为 97%

15、以丙烯酸计酯化物丙烯酸乙酯 =1010kg表5. 3 进出酯化器的物料衡算表（公斤 /班）输入物料输出物料序 号物料名称组成%数量kg物料名称组成%数量 kg1乙醇95880.29丙烯酸乙酯10102丙烯酸95765.47乙醇324.873甲苯99938.59甲苯938.595阻聚剂9831.84阻聚剂31.846浓硫酸85.8丙烯酸29.097浓硫酸85.8水181.8合 计2701.99合计2701.99第 8 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计六 设备设计和热量计算（一）设备设计计算6.1.1 反应釜（酯化器）釜体及夹套设计计算：6.1.1.1 确定筒体和封头： 经综合考虑，

16、选圆柱形筒体，椭圆形封头。确定筒体和封头直径用两个反应器并联来完成生产， 计算其中一个。 首先计算加入酯化器物料的 总体积，计算份额最多的主要进料，其他的物料可忽略不计；再计算反应后 体积变化，其中丙烯酸、甲苯和乙醇为主要成分，通过计算它们的体积来决 定容积大小。表 6.1 进料中三种主要成分的质量，体积物质质量（ kg ）密度(kg/m3)体积 (m3)丙烯酸363.610450.348甲苯469.298670.5413乙醇418.147890.533Vp取2.0m3。取 0.8，故设VP=0.53+0.5413+0.348=1.4193 m又因投料后体积略有增大，还有其他进料的估算，故操作

17、容积设备容积V与操作容积 Vp的关系为Vp=V，因反应状态平稳，33备容积V=V p/=2. 0 /0.8=2.5 m3 取2.6 m3反应物料液 -液相型，查得知 H1/D1=11.3，因容器体积属中小型，故选取H1/D1=1.2。D1 由下式计算：D1=3 4 2.6 =1.403m1.2反应釜内径 D1 的估算值应圆整到公称直径DN 系列，根据查表取 D1=1400mm。封头取相同直径，其直径高度 h2 查表初选 h2=50mm。6.1.1.2 确定筒高 Ht当 DN=1400mm，h2=0mm 时，查得椭圆形封头的容积 V 封 =0.436m，查得第 9 页（共 46 页）南华大学化学

18、化工学院毕业设计1m高的的容积=1.690查得筒体 1m高的容积 V1=1.327，按式 Ht=（V-V封）3/ V1=（2.6-0.436）/V1m=1.82 m.取 V1=1.7 m3，于是 H1/D1=1.6/1.31.26.1.2 确定夹套夹套直径查得： D2= D1+100=1400+100=1500mm，夹套封头也采用椭圆形并与夹 套筒体去相同直径。确定夹套高度按式 H2 （ V封 ）/V1 即 H2（0.8×2.6-0.436）/1.327m=1.3m ， 取 H 2 =1.3m6.1.3 校核传热面积（能达到的传热面积）查得封头表面积 F 封=4.09m2 ，则实际总

19、传热面积F 釜=F 筒+F 封=4.09 1.3+1.99=7.31m 26.1.4 釜体及夹套的强度计算选择设备材料 确定设备压力 由已知建设并分析工艺要求， 选用 OCr19Ni9 高合金钢板，在100150下的许用力为 t= 148 MPa 夹套的筒体和封头既受内压的作用。内压设计压力P=0.1MPa，设计外压的取法是考虑操作过程出现的最大压力差，所以取 P=1.5MPa为外设计压。6.1.4.2 夹套的筒体和封头壁厚计算 夹套筒体壁厚 Sd式中 P=1.5MPa； D2=1500mm； =115MPa为焊缝系数， 由于采用单面焊的对接焊缝， 在焊接过程中沿焊缝根部全长 有紧贴基本金属的

20、垫板。 100%无损探伤，查得 =0.9壁厚附加量 C由钢板负偏差（或钢管负偏差） C1 和腐蚀裕量 C2 两部分组成， 即第 10 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计根据钢板规格取 d =12mm夹套封头壁厚 = 11.9其中： P，D1， ，同上式，由于封头裕量 C3-0.5mmC=C1+C2+C3=0.8+0+0.5=1.3mm按钢板规格取 =12mm。工程上筒体和封头往往取同厚，这样焊得牢固。按承受的筒体和夹套壁厚计算按承受 0.1MPa的内压设计 d 2 0.1 1400 0.8 1.48 1.52 115 0.9 1.1设计外压为 1.5MPa设简体的计算厚度 S0=1

21、2mm，由此决定 L/D0，D0/S0 之值；D0筒体外径， D0=DN+2S0=（1400+2×12） mm=1424mmL 简 体 高 度， L=H2+h/3=1400+ （ 325+12 ） /3mm=1521mm， 则 L/D0=1521/1324=1.07 ，D0/S0=1424/12=118.7。查得 A=0.0012，B=120MP，a 则许用外压 P=BS0/D0=120×12/1324=1.09MPa<1.5MPa，因此壁厚 12mm不 满足外压特定要求，需增大壁厚重新计算。现再设 S0=16mm，则 D0=1332mm， L=1414mm，L/ D

22、0=1.06 ，D0/S 0=83.25 ，查得 A=0.0019，B=130MP，a 则许用外 压P= BS0/D0，1.56MPa>1.5MPa。可见 S0=16mm满足 1.5MPa外压稳定要求。 考虑壁厚附加量 C=0.8mm，简单壁厚 S=S0+C=16+0.8=16.8 圆整到钢板规格， S 取 18mm。考虑到封头与筒体的焊缝方便取封头与筒体等壁厚 =18mm6.1.4.3 水压试验校核确定试验水压 Pt ，据表得：釜体水压取 Pt=P+0.1=0.1+0.1=0.2MPaPt=1.15P /t =0.129MP夹套水压取 Pt=1.5+0.1=1.6MPa 试验温度（ 2

23、0 ）下的材料许用应力， MPa第 11 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计t 试验温度（ 20）下的材料许用应力， MPa两者取较大值，故 Pt=0.2MPa。压力试验时，由于容器承受的压力 Pt 高于 设计压力 P，所以必要时需进行强度校核。液压试验时要求满足的强度条件釜体和夹套筒体的许用应力： t=Pt （D1+e）/2 e0.9 s釜体和夹套封头的许用应力： t=Pt （D1+0.5e）/2 e0.9 st 釜筒=0.2 ×（ 1400+18） / （2×18×0.9）=8.75MPat 夹筒=1.6（1500+12）/ （2×12&

24、#215;0.9）=112MPat 釜封=0.2 ×（ 1300+0.5×18）/ （2×18×0.9 ） =8.70MPat 夹封=1.6（1400+12）/ （2×12×0.9）=104.58MPa查表得 OC r19Ni9 不锈钢的屈服限 s=148，则 0.9 s=148×0.9=123.2MPa， 由此可知 t 釜筒、t 夹筒、t 釜封、 t 夹封都小于 0.9 s，故安全。计算结果如下所示表 6.2 筒体，封头壁厚釜体夹套筒体壁厚18mm12mm封头壁厚18mm12mm6.1.5 支座的选择因反应釜需外加保温，故

25、选 B 型悬挂式支座。反应釜质量 W=W1+W2+W3+W4式中 W1釜体和夹套筒体总重查表知：DN=1400m，mS=18mm的一米高筒体重 q1=591Kg：DN=1500m，mS=12mm 的一米高封头 q2=468Kg，第 12 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计故 W1=q1× H1+q2× H2） Kg=1731Kg；W2 釜体和夹套的封头总重。查表得， DN=1400m。mS=18mm的一米高筒节重 q1=321Kg， DN=1500m，mS=12mm的一米高封头重 q2=251Kg，故 W2=926KgW3料液重，按水压试验时充满水汁，查附表 H

26、-1、 H-2 知 DN=1300mm封 头容积 Vh=0.436，一米高筒体容积 V1=1.327m3故 W3=VpW4保温层 +附件重，入孔重 100Kg，其它接管和保温层按 150Kg 计，故 W4=100+150=250KgW=W1+W2+W3+W4=5431.6Kg 按两个支座承载计，每个支座承载 2711.1Kg，查表 选支座， JB1165-816.1.6 搅拌器选形：因为料液是粘度较高的流体， 搅拌主要是使反应的物料充分混合， 在经济的 操作范围内， 不可能获得高度湍流而只能在层流状态下流动， 此时的混合机理主 要依赖于充分的总体流动， 同时希望在浆叶端部造成高剪切口， 借剪切

27、区分割液 体，达到预期的宏观混合， 而高粘度流体中， 搅拌器所提供的机械能会因巨大的 粘性阻力而很快被消耗不仅湍流动程序随出口距离急剧下降， 还有总体流动的范 围也大大的缩小， 又底部封头为椭圆型， 所以选用低转速、 大叶片的筐式搅拌器。 这种搅拌器的转速半径与容器的内径基本相同。间隙很低，端部切向速度为 0.5 1.5m/s ，它只在浆叶外缘与容器内壁之间产生较强剪切作用、搅拌的范围 大，并可以防止器壁沉积现象，一般搅拌器的直径 d与釜体内径 D之比为 dD 为 0.9/0.98 ，转速 n 一般为 1100r/min, 适合高粘度 <105cp 的 液体的搅拌， 因此一般不用挡板。由

28、搅拌器标准直径系列，取搅拌器直径 d=1140mm。6.1.7 计算搅拌器的转速：第 13 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计从理论上只要搅拌液体的上升速度等于或大于固体的沉降速度就可以是颗 粒悬浮，因此搅拌器的转速在“粒子悬浮临界转速”以上，以保持全部颗粒离开 釜底。粒子悬浮临界转速可采用下面的公式进行计算：nc= (dt/d) a· g0.45 ( s-L) 0.450.1ds0.2(100R)0.13/d 10.85L0.55式中：ds 固体颗粒直径 m,s固体颗粒密度 kg/m3,L液体密度 kg/m3 ，液体 粘度 pa·s，d 搅拌直径 m，d1搅拌

29、釜内径 m，g 重力加速度 m/s ，R固体对液体 的重量比。 和 a是与叶轮形式和安装位置有关的系数。 一般取12，a近似 取 1.4 ， ds=1.75 ×104m(80100，取 80 目，颗粒直径最大 )，s=1.721×1033 3 2 kg/m3， L=1233.43 kg/m3， =12.46Mpa·s，d=1.14m, dt=1.2m, g=9.81m/s 2,R=90.40÷3263.66=0.0277, 取 2，a 取 1.4 ，将上面已知数据带入上式得： nc=0.2261r/s=13.6r/min, 转速向上取为 n=15r/mi

30、n=0.25r/s 。则浆叶端部线速度 u=nd=0.25×3.14 ×1.14=0.895m/s. 搅拌雷诺数Rcs=nd2/ =0.25 ×1242.99 ×1.14 2÷ 12.46 × 10-3=3.3 × 104. 查图得：功率数KN=0.40 。所以搅拌功率 N=KNn3d5=0.40×1242.99×0.25 3×1.14 5=15.00kW。6.1.8 搅拌轴的直径计算：考虑到温度以及强酸腐蚀，搅拌轴材料选用不锈钢Cr18Ni9Ti, 圆钢冷拉，GB905-82，直径一般在 82

31、50mm，查得其 =15 25Mpa.搅拌器由于摩檫损 耗功率不大，直接用电动机功率来计算轴径： N 电=6kw， N 电为电动机的功率， n=90， K=15Mpa 。搅拌轴直径 d36.5×( N 电/n K)1/3=50.62mm.考虑到开链键、钻孔、轴径要 适当加大，为了选用标准机械密封件，并和减速机轴径一致，搅拌轴直径取 700mm。6.1.9 密封形式选择：选择机械密封，它的功耗小、泄露低、密封性能可靠，使用寿命长。本设备采用单端面，小弹簧，平衡形，其标准号为 204DgMKT-6010HG21571-95。6.1.10 计算电机功率：因为采用机械密封，齿轮传动，假定摩檫

32、功率约占搅拌功率的5%，传动机构效率为 90%，则电机功率： N 电= NN/=14.95×1.05 ÷90%=17.44kW。第 14 页(共 46 页)南华大学化学化工学院毕业设计6.1.11 电动机和减速机选型：反应釜的电动机大部分与减速度即配用， 只有在搅拌转速很高的时候， 才会 有电动机不经减速而直接驱动搅拌轴。 因此，电动机的选取一般应与减速机的选 用配合考虑。在很多场合中， 电动机与减速机疫病配套供应， 设计时可根据选定 的减速机配套的电动机。 已知搅拌轴转速 n=15r/min, 电动机使用功率 N 电=18kW， 由此选择电动机，减速器形式：电动机（三相异

33、步电动机 YB 型，急隔暴型异步 电动机，额定功率 6kw，同步转速 1500r/min. ）；减速机（谐波减速机，额定功 率 6kw，同步转速 1380r/min, 立式，功称减速比为 90 ，标准号为 XB145-10）。6.1.12 机座与连轴器的选择：由于反应釜传来的轴向力不大，故采用不带支撑的机座，其标准号为J-A-60 。连轴器功称直径 Dg为 60mm，夹壳式，其标准号为 HG5-213-65。（二）热量衡算按能量守恒定律，在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡， 在实际中对传热设备的热量衡算可由下式表示：Q1+ Q2+Q3=Q4+Q5+Q6式中： Q1 所处理得物料带

34、入设备总的热量 KJQ2加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加 入热量为 “+”，冷却剂吸收热量为 “-”）KJQ3过程的热效率，（符号规定过程放热为 “+”，过程吸热为 “-”，注 意Q与热焓符号相反，即 Q=H。如过程放热则 H为“-”，则 Q为“+”）KJ；Q4反映终了时物料的焓（输出反应器的物料焓）Q5 设备各部件所消耗的热量 KJQ6 设备向四周散失的热量，又称热损失 KJ热量衡算的时间基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以每日或每 批处理物料基准。（计算传热面积的热负荷，必须以每小时做基准，而该时 间必须是稳定传热时间）热量衡算温度基准，一般规定以 25。第 15

35、页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计热量衡算式中各项计算从（ 1 1）式中可得：Q2= Q4+Q5+Q6- Q1-Q3 式中右端各项可用以下计算方法。1 Q1和 Q4计算Q=miciTi（T2） mi反应物体系中组分 I的质量 Kg； ci 组分i在0T时平均比热容 KJ/（Kg ·）；Q1=（m乙醇c乙醇 +m丙c丙+c甲m甲）×27=（418.14×106.45+363.6 ×156.68+469.29 ×153.02） ×27=4678846 kJQ4=c酯m酯 +c乙醇 m乙醇 +c甲m甲） × 110=5

36、05× 207.195+469.29 × 168.29+162.44 ×131） ×110=22537335 KJ间歇过程中， Q5较小，可忽略不计。2 Q 6 的计算： 设备向四周散失的热量 Q6可按下式计算：Q6= A × （ TW-T ） × 10-3 = 7.31×13.25 × （110- 27） × 4× 3600× 10-3 KJ=1157640.84KJ2A设备散热面积（ m2）；TW设备外表面温度（） ；T 环境介质温度（）；操作过程持续时间（ s）；2 对流传热系数

37、 W/（m2· ）当空气做自然对流，散热层表面温度为 50350时，3 过程热效应 Q3的计算：过程热效应可分为两类： 一类是化学过程热效应即化学反应热效应； 另一类是第 16 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计物理过程热效应。物料经化学变化过程，除化学反应热效应外，往往伴随着物 料状态变化热效应，但本工艺流程中物理过程热效应较低，可忽略不计，故过 程热效应可由下式计算：Q3= Qr= （1000× 505/462.54 ×16362）=17863990KJQr 化学反应热效应 KJQp 物理过程热效应 KJ（忽略不计）Qr可通过标准化学反应热计算：Q

38、r=1000GA/MA ×QrQr=2988+3344×6 （5190+246×6）=-16362 GA参与化学反应的 A物质量 Kg； MAA物质的分子量。 反应体系中各物质标准焓为： KJ/mol 乙 醇 2988 丙烯酸 33444 热负荷 Q2 计算：Q2=（Q4+Q6）-（Q1+Q3）=1152121 KJ对于整个反应釜系统而言 :表 6.3 进出反应釜的热量系统吸收的能量（ KJ）系统放出的能量（ KJ）2369497523694975Q1Q2Q3Q4Q5Q646788641152121178639902253733501157640从手册查得：半烟煤

39、热量为 29200KJ/Kg则酯化器所需煤量： 378.45kg第 17 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计七 经济效益核算及其他一）生产班制本工艺采用间歇操作，每日三班。劳动定员配置参照国家有关企业劳动 定员标准进行编制。生产班岗按工艺要求需要配置，管理人员、技术人员、 销售人员、按设计的组织结构设置。共定员 12人，其中工人 9人，经理一人，技术人员两人。销售人员 10人， 管理人员一人， 工人工资及附加费按 10000元/ 人确定， 一年要付给员工的费 用为45万。投资估算建设估算为 200万元，其中：固定资产 100万，无形资产 40万， 递延资产15万，预备费用 45万。

40、（二） 财务评价表 7.1 原料和产品价格主要原料产品价格（元/ 吨）丙烯酸乙醇煤丙烯酸乙酯11000120040025000表7.2 成 本 费 用 表费用 项目直 接 材 料生产 工人 工资制造 费用管理 费用销 售 费 用财 务 费 用资金（万 元）6209.61805.4202第 18 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计产品销售收入： 1400 万元成本费用： 837万元毛收入： 563 万元利税： 185.79万元投产一年后盈利： 377.21 万元（三）“三废”处理1 废水： 生产过程中的废水主要是来自酯化反应中生成的水，经多次中和 后含有纳盐等杂质的废碱液， 洗涤粗酯

41、用的水。 治理的方法首先是从工艺上 减少废水排放量。 废水先用活性污泥处理 14 天以后再采用药剂破乳， 混凝、 絮凝、沉淀等工艺， 然后通过溶气罐所释放放出的大量微细气泡的附着与托 附作用，使破乳后油或其它杂质的絮凝体迅速上浮， 与水分离， 再经过过滤， 吸附等工艺，使污水能得到更深度处理，从而进行回收利用或排放。典型工 艺流程如下：污水调节池反应池沉淀池气浮池过滤柱吸附罐 处理水排放采用蒸汽加热浮选法， 利用蒸汽加热破坏油类在水中的乳化体系， 利用蒸汽 加热时产生的微小气泡上升的浮力将油浮选出来。 浮选出来的油通过调节溢 流堰板将油收集到油箱中， 下部净化过的脱脂液回到脱脂槽。 经该装置处

42、理 过的脱脂液，油水分离效率达到 80%-90%,脱脂槽中含油在 10g/L 以下，从 而保证了生产的正常进行。其流程为： 脱脂液除油器油收油桶清液脱脂槽2 废气 ：因含有一些低沸组分而带有异味，采用填料式废气洗涤器用水洗 涤出异味再排出。3 废渣 ：如吸附有酯的脱色剂、固体杂质等，采用焚烧的办法处理。（四）设备及水电气1 设备第 19 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计年产 1000 吨丙烯酸乙酯，需要原料罐一个回收醇罐一个酯化器两个 , 中和器一个水洗罐一个冷凝器 2 个脱色罐一个压滤机 2 台压缩空机一台 W5 真空泵 2 台， 45、51、76 及相应的阀门一批，作为料管、

43、真空管、 蒸汽管和水管： 100150 吨风冷水塔 2 个，作为冷却水循环使用装置 100 伏安变电装置一套。2 电 :对输入的动力电源的要求：采用单回路，电压为 380 伏，频率为 50 赫 兹，允许波动范围为± 2%。电器设备对电源的要求：1) 对于电动机，使用 280 伏交流电。2) 正常照明用 220/380 伏交流电，事故照明用 220 伏直流电。3) 电气部分控制、信号及继点保护用 220 伏直流电。4) 仪表电源 100伏和 24 伏。3 冷却水 :1) 温度 供水温度为常温，回水温度为进水温度 +10 度。2) 压力 回水压力：对于循环冷却水要求回水能直接流到冷却塔塔

44、顶，不另 设接力泵，因此回水压力设为 0.3MPa。供水压力：考虑到回水压力加上热 交换阻力和管道系统阻力，因此取 0.5MPa。3) 污垢系数：根据水质处理费用和热交换费用决定污垢系数为 0.000385 (m2.h. ) /k.j 。加热蒸汽根据项目生产属甲级防火，注意跑，冒，漏，滴现象发生，在生产 区内动火要先做准备工作，作好安全防护工作。酸、碱乃腐蚀物，操作时要 有防护面具，慎重烧伤等事故发生。(五) 注意事项1 反应釜1) 反应釜一般用耳架支持在建筑物台大梁上。对于大型、重量大的或震动 大的设备，要用支架直接支持在地面或楼面上。第 20 页(共 46 页)南华大学化学化工学院毕业设计

45、2）两台以上相同的反应釜应尽可能的排成一直线。反应器之间的距离，根 据设备大小， 附属设备和管道具体情况而定。 管道阀门应尽可能集中布置 在反应器一侧 ，以便于操作 。3）有搅拌器的反应器，其上部应安装起吊设备以便于安装和检修。小型的 反应器如不设起吊设备， 则必须设置吊钩， 以便临时设置起吊设备。 设备 顶端与建筑物间必须留出足够的高度以便于抽出搅拌器。4）楼板布置的反应器，要设置出料阀门操作台；反应物黏度大，或含有固 体物料的反应器，要考虑疏通堵塞和管道清洗问题。5）应釜底部出口离地面高度： 物料从底部出料口自流进离心机， 要有 11.5 米的距离；底部不设出料口，有人通过时，底部离基准面

46、最小距离为 1.8 米，搅拌器安装在设备底部时，设备必不可少应留出抽取搅拌轴的空间， 净空高度不小于搅拌轴的长度。6）易爆的反应器，特别是反应激烈、易出事故的反应器，布置时要考虑足 够的安全措施。2 换热器1）多台换热气器，通常是按流程成组安装，多组换热器应排列成行，并使 管箱管口处于同一垂直面上，既便于配管和节约清管检修用地，又保持整齐 美观。2）热器与换热器， 换热器与其它设备之间至少要留出 1m的水平距离， 位置受 限时，最少也不得少于 0.6m。3）定管板式换热器的周围要留有清除污垢的空地。 （浮头式换热器更要考虑 抽出管束的位置）4）换热器的布置高度要满足工艺配管的要求，并适当的留有

47、余地。5）换热器重叠布置，相互支承，但最多不宜超过三层。3 储罐1）立式储罐布置时，按罐外壁取齐，卧式储罐按封头切线取齐。2）在室外布置易挥发液体储罐时，应设置喷淋冷却设备。3）进出料接管，仪表应尽量集中于一侧，另一侧共通道与检修用。4）储罐与储罐之间的距离，除应遵守“建筑设计防火规定” TJ16-74（试行）第 21 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计中的有关规定外，在没有阀门或仪表时，容器之间的通道应不小于750mm，有阀门或仪表时，应保证前述操作通道净宽不小于 1m，在有限长度内，均匀 布置多 个储罐时， 如果保证前述间距有困难，则可把两个储罐作为一组紧靠在 一起布置，缩小其

48、间距而加大与另一组或一个储罐的间距，以便于操作、安 装与检修。 易燃，可燃液体储罐周围应按规定设置放火堤。储存腐蚀性物料灌区的地 平应作防腐处理。 立式储罐的安装高度，应根据管道和输送泵的净正吸入压头要求决定。卧 式储罐安装高度按上述条件确定外，对多台不同大小的储罐，其底部适宜布 置在同一高度上。 立式储罐的入孔，若置于罐侧，其离地高度应不大于800mm，若置于罐顶应设检修平台。多个储罐设联合检修平台，单只储罐设置上下爬梯。 有搅拌器的储罐，必要时需要设置能安装修理搅拌器的起吊措施。4泵1）小型车间生产用的泵多数安装在抽吸设备附近。大中型车间用的泵，数 量较多的，有可能集中布的，应集中布置。2

49、）中布置时应泵应排成一条直线。 泵的头部应集中于一侧， 也可背靠背的排 成两排，驱动设备应面向通道。3）泵与泵之间的距离应视泵的大小而定，一般不适宜小于 0.7 米，双排泵之 间的间距不适宜小于 2 米，泵与墙距至少为 1.2 米，以利通行。4）应该布置在高出地面 150mm 的基础上。多台泵应置于同一基础上，且基 础必须有坡度，以便泄露物流出。基础四周应考虑排液沟及冲洗用的排水 沟。（六）结论1 丙烯酸乙酯是具有良好经济效益的精细工产品， 是现代工业中最常见的一 种涂料剂，用途广泛，市场需求较大，有良好的生产背景。2 本工艺采用在催化剂和阻聚剂的作用下，乙醇与丙烯酸（简称AA ）经直接酯化合

50、成丙烯酸乙酯，生产技术先进（产物颜色较浅，产品质量好，而且 可以多次套用），虽然采用酸性催化剂且需减压进行，但反应快，成本较低，第 22 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计产品质量较好， 只要注意环境保护， 该工艺还是实用的。 此套生产工艺流程， 操作和设备都较简单，产品转化率较高，且收效甚快，适合中小型乡镇企业 选用，该工艺已在国内被大规模应用 ，是一套比较成熟的工艺。该工艺的 产品表面光泽悦目，产品质量好，回收醇品质好。3 采用间歇式生产工艺，设备简单，改变生产品种容易，本工艺经过酯化、 中和，脱醇、脱色等处理过程值得成品。财务估价显示：项目建成达产后， 总投资 800 万，每

51、年赢利 377万元，投资回收期为 4 年。由此可看出工艺的 投资收益高，经济效率好。4 本工艺因中和水洗彻底， 加之采用零腐蚀的高合金钢才， 设备被腐蚀的可 能性极小，克服了以往方法 的“三废”污染。 A 废气只有锅炉烟气经二级 除尘，一级碱洗洗除 SO2 含尘浓度可降至 50mg/Nm3 以下，达到锅炉大气污 染物排放标准(GB1327-2001)中一类区标准； B 废水来自反应装置的母液 和洗涤废水、趁件生活废水、地面冲洗水拟先合并排至污水处理站，进行中 和处理，处理后的废水 PH在 6.5-7.0 间，可达标排放； C 废渣也只是锅炉 排炉渣，可用于烧结砖或铺路等，是较好的基建材料。本工

52、艺产生的锅炉排 炉渣与锅炉房原由炉渣，可一并出售给砖厂，变废为宝。综上所述，本设计是可行的，并且很有建设价值。第 23 页(共 46 页)南华大学化学化工学院毕业设计八 主要参考书目1 黄家明 .特种橡胶在我国橡胶制品中的应用与发展J. 橡胶工业， 2000，47(2)：9495。2 吴弛，陈朝晖，罗东山等 .二段硫化对聚丙烯酸酯橡胶结构与性能影响 J.橡胶工业， 1997，44(5)： 579。3 Varshney S K,Teyssie P. Anionic polymerization of acrylicmono -mersJ .Macromolecules，1991,24:4997。

53、4 夏正宇,付志峰等 .丙烯酸酯类热塑弹性体 J.合成橡胶工业， 2003，26(3)： 129135。5 郑诗建，王聚渊，马恩弟 .丙烯酸橡胶与 PVC 共混体系特性研究 J. 特种橡 胶制品， 2000，21(2)： 8。6 刘玉强.丙烯酸酯橡胶的共混改性 J.橡胶工业， 2001，48(3)：1771807 唐坤明 .聚丙烯酸橡胶 /氯醚橡胶共混物性能研究 J.橡胶工业，1998，45(4)： 209。8 张军，徐秀宝.氟橡胶 /丙烯酸酯橡胶共混改性性能 J.合成橡胶工业，1999， 22(1)：30。 9 吴化阁 .关于汽车胶的可靠性能评价 J. 世界橡胶工业， 2003，31(3)：

54、46 52。10 Coran A Y, Patei R P, Williams D. Rubber-Thermoplastic compositionJ. Rubber Chem Technol,1992,55:11。611 塚田 和男.2001 年低 调 推移J,(日 )化 学经济 2002;(3 月临时增 刊)57-58.。12 Aldrich Calalog. Handbook of Eine Chtrnicds (1988-1989)26,061-4, 6894。.13 蔡纪宁、张秋翔编，化工设备机械基础设计指导书 ，化学工业出版社， 2000。14 刁玉玮、王立业编， 化工设备机械基

55、础 (第四版)，大连理工大学出版社，2000。第 24 页(共 46 页)南华大学化学化工学院毕业设计15 农药第 41卷第 6 期（ 2002），19-20。16 杨志才主编，化工生产中的间歇过程、原理、工艺及设备 ，化学工业出 版社， 2001。17 杨春晖、郭亚军主编， 精细化工过程与设备 ，哈尔滨工业大学出版社， 2000。18 时钧、汪家鼎、余国琼、陈敏恒主编， 化学工程手册（第二版），化学工 业出版社， 1996。19 渠川瑾编，反应釜，高等教育出版社， 1992。第 25 页（共 46 页）南华大学化学化工学院毕业设计致谢首先，本工作是在我的导师肖志海老师的亲切关怀下完成的，从课题 的选定到工艺合成路线、 设备以及附属设备的工艺尺寸和选型的确定， 肖老 师都予以悉心的指导。 一个学期来， 肖老师在学业和生活上都给予我极大的 关怀与帮助，他渊博的知识、严谨的科研精神、宽容平和的性格都令我