釜式反应器设计说明书123Word格式.docx
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2003年，江门谦信化工发展有限公司将产能从1.5万
吨/年扩至3.5万吨/年。
近2-3年内，国内新增醋酸乙酯年产能力达31万吨。
虽然我国醋酸乙酯市场仍有潜力，但由于扩能速度太快，近两年已出现开工率不足的
现象。
据了解，2002年国内装置平均开工率约77%，预计2003年平均开工率将为66%。
目
前市场已经饱和，产品价格呈走软趋势，利润已渐微薄。
而在建和拟建醋酸乙酯项目尚有
20万吨/年产能。
如果这些项目到2005年如期投产，我国醋酸乙酯供应将平衡有余。
随着
国内新增能力陆续投产，近两年我国醋酸乙酯进口量有所下降。
2001年进口5.35万吨，
2002年进口4.8万吨，2003年上半年进口2.45万吨。
醋酸乙酯制备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。
用醋酸和乙醇酯化制醋酸乙酯是开发较早，工艺成熟，且为目前主要采用的方法。
反
应在酸催化剂（如硫酸）存在下进行液相酯化，分为间歇法和连续法。
间歇法使用釜式反
应器，连续法则用塔式反应器。
因酯化是可逆反应，为提高酯的产率，要采用过量的乙醇，
使醋酸完全反应。
粗醋酸乙酯经中和、蒸馏后，可得纯度98％以上的产品，收率按醋酸计
为99％。
近年来，随着我国化学工业的发展和国民经济的迅速增长，醋酸乙酯的发展也较为迅
速。
1.2设备介绍——釜式反应器
釜式反应器是化工生产中常用的典型设备之一，其用途是实现化学反应过程。
在釜式
反应器中物质发生了质的变化，生成新的物质而得到需要的中间产物或最终产品。
它可用
来完成磺化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程。
广泛应用于医药、农药、染料、
油漆、橡胶等生产行业。
这种设备主要是供液体和液体原料、液体和固体原料以及液体和
气体原料之间进行化学反应。
一般来说，釜式反应器在化工生产中具有较大的灵活性、操作弹性大，在相同的设备
中能进行多品种的生产，故常用于产量较少，品种较多的产品生产。
在化工生产中，釜式反应器因原料的物态（气体、液体、固体）、反应条件（温度、
压力、浓度以及物质是静止的还是流动的）和反应的热效应（吸热反应、放热反应）的不
同，则有多种多样的类型及结构，但它们都具有以下几点共同特点：
（1）在釜式反应器内完成化学反应过程，并伴有搅拌、换热、传动装置，从而使原
-2-
料在最佳反应条件下进行反应。
（2）高温、高压操作。
由于化学反应均需在一定压力、温度下进行，对温度和压力
均有一定的要求，所以釜式反应器的操作压力和温度变化范围都很大。
（3）间歇操作。
大多数釜式
反应器都需进行装料、取样、卸
料、清洗等操作。
在化工生产中对产品的质
量、种类的要求不断提高，釜式
反应器也需不断改进和发展。
大
容积化可减少批次之间的质量误
差，从而提高产品的质量标准；
开发新型的搅拌器，以复合型的
搅拌器代替老式的单一型搅拌
器；
向自动化、连续化方向发展，
目前用计算机控制生产，提高产
品质量、提高效率、改变生产环
境，以及消除环境污染已成为时
代发展的趋势和目标。
为完成各种各样的化学反应
过程，根据需要釜式反应器的材
质及结构虽有所不同，但其基本
结构却是相同的。
主要包括釜体、
传动、传热、搅拌装置、工艺接
管及密封装置等几个部分。
1.2-1釜体结构
图1-1搅拌反应器典型结构
1-电动机；
2-减速机；
3-机架；
4-人孔；
5-密封装置；
6-
釜体部分是化工原料反应的
进料口；
7-上封头；
8-筒体；
9-联轴器；
10-搅拌器；
11-
空间，是釜式反应器的主要部分。
夹套；
12-载热介质出口；
13-挡板；
14-螺旋导流板；
15-由筒体及上、下封头组成。
上、
轴向流搅拌器；
16-径向流搅拌器；
17-气体分布器；
18-下
下封头常用的有三种基本形状：
封头；
19-出料口；
20-载热介质进口；
21-气体出口
-3-
椭圆形、锥形、平板形。
根据化学反应的不同釜体需要适用于不同的压力情况。
而大多数
化学反应都需要一定的压力，椭圆形封头较其他两种封头更耐压，所以椭圆形封头在釜式
反应器中应用得最广泛。
上封头与筒体联接有两种方法：
一种是上封头与筒体直接焊死结
成一个整体；
另一种形式是考虑拆卸方便用法兰联接以便于维护检修。
在上封头开有各种
工艺接管孔、人孔、手孔、试镜及支座等部分。
釜式反应器的结构见图1-1。
筒体规格与化工工艺要求有关，筒体
的高度与筒体直径有一定的比例。
这主要
是受到搅拌器大小的影响。
釜式反应器筒
体的直径增加将使搅拌器的直径也随之增
大，而搅拌器的功率与搅拌器直径的五次
方成正比，因此对于同容积的釜式反应器
其直径不宜太大，但对于某些特定的化学
反应，如在发酵釜式反应器中则需保持一
定的液体高度，从而使通入的空气能与发
酵液体充分接触，故筒体高度又不宜过矮。
釜式反应器的H筒/D内值如表1-1所示，筒
体直径及高度见图1-2。
图1-2筒体直径及高度
表1-1釜式反应器的H筒/D
内值
种类釜内物料类型H筒/D内
液-固相或液-液相物料1-1.3一般釜式反应器
气-液相物料1-2
发酵反应器1.7-2.5
釜体一般由钢板焊成，也有用铸铁制造的，或是采用合金钢或复合钢板。
为解决生产
中的腐蚀问题，常选用各种耐腐蚀材料，例如：
搪瓷、玻璃、橡胶等耐腐蚀材料作防腐衬
里，而以价格较为低廉的钢材作为外层。
对于有一定卫生要求的产品采用全搪或玻璃制作
釜体及搅拌、传热装置，这类设备多用于不需较高压力条件的反应，如在医药品、食品添
加剂的生产上广泛使用，从而避免铁离子对产品的污染，保护了产品质量。
反应釜大多数是密封的，因为其中的化学反应物料可能是易燃、易爆或有毒，也可能
要保持一定的操作温度、压力（或真空）等。
有时由于反应过程的允许，它也可设计成敞
-4-
开的。
1.2-2换热装置
化学反应过程常伴有放热和吸热反应，而且常常需要先加热促使反应的进行，一旦反
应开始往往又需要冷却，并不断调节温度维持反应条件，直到反应完毕后，又需散热。
因
此釜式反应器常备有加热或冷却装置，以维持最佳的工艺条件，取得最好的反应效果。
对于有热效应的反应，在容器的内部或外部装有加热或冷却装置，例如：
电热器，列
管、蛇管换热器、夹套等。
最常用的是夹套及蛇管换热装置。
釜式反应器的加热或冷却有多种方式：
（1）夹套换热器
（2）蛇管换热器
（3）夹套内加传热挡板
（4）回流冷凝法
（5）料浆循环法
1.2-3搅拌装置
化学反应过程的种种化学变化，是以参加反应的物质是否充分混合为前提的。
搅拌可
以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散、从而达到均匀混合，也可以加速传热和
传质过程。
搅拌装置分机械搅拌和气流搅拌两种。
绝大多数釜式反应器采用机械搅拌。
搅拌器一
般有以下几种形式：
（1）浆式搅拌器
浆式搅拌器结构较简单如图1-3所示，其浆叶一般以扁钢制造，铸造浆叶很少用，小
型浆叶常将其焊在轮廓上，形成一个整体，然后用键止动螺钉将轮廓连接在搅拌轴上。
图1-3桨式搅拌器
-5-
浆式搅拌器在釜式反应器的搅拌装置中广泛用在促进传热、可溶性固体的混合与溶解
以及需在慢速搅拌的情况下，如搅拌被混合的液体及带有固体颗粒的液体都有较好的效
果。
在釜体内的料液比较高的情况下，为了将物料搅拌均匀，常装有几层浆叶，相邻二层
搅拌叶常交叉成90°
安装。
（2）框式及锚式搅拌器
框式搅拌器可视为浆式的变形。
框式、锚式与搅拌轴的连接方式也与浆式类似，即浆
叶与搅拌轴连接的一端制成半圆状的轴环，然后两侧浆叶的两个半圆环用螺栓栓在搅拌轴
上夹紧，同时用穿轴螺栓固定浆叶与搅拌轴。
（3）涡轮式搅拌器
涡轮式与浆式相比，浆叶数量较多，浆叶种类亦较多，浆的转速高，结构也复杂。
浆
都是用毂键与止动螺钉连接于搅拌轴上，同时在搅拌轴的底部用拧入轴端的螺栓或轴端螺
母挡住轮毂。
（4）推进式搅拌器
推进式搅拌器常为整体铸造，加工方便，搅拌器采用轴套以平键和紧定螺钉与轴连接。
推进式搅拌器搅拌时能使物料在釜式反应器内循环流动，剪切作用小，上下翻腾效果好。
有的反应需要有更大的液流速度和液体循环时间，应安装导流筒。
（5）其他搅拌器
除前面介绍的几种最常见的搅拌器外，尚有许多结构不同的特殊搅拌器，如螺带式、
圆筒式及行星式等。
1.2-4传动装置
为了使搅拌装置转动，需要有动力和传动装置。
电动机和减速机支承在机架上，机架
下面是固定在封头上的底座。
1.3-5轴封结构
由于搅拌轴是转动的，而反应釜的封头是静止的，在搅拌轴伸出封头处必须进行密封，
以阻止釜内介质向外泄漏，或阻止空气漏入真空釜内，这种密封称为动密封。
反应釜上的
动密封通常有填料密封和机械密封两种。
除了上述五部分主要结构外，还有各种接管、人孔、手孔及支座等附件。
1.4设计的意义和目的
1.3-1设计的意义
醋酸乙酯是一种重要的绿色有机溶剂，广泛应用于做涂料（油漆和瓷漆）、油墨和粘合
-6-
剂配方中的活性溶剂。
尤其是在现代社会，随着经济、文化的发展和人们生活水平的提高，
醋酸乙酯生产能力的增长也非常快速，为满足人们对醋酸乙酯的需要量，提高醋酸乙酯生
产的生产能力，这主要要从酯化反应器上着手。
本设计主要就是针对用于生产醋酸乙酯的
酯化反应器的设计，设计酯化器的主体结构及其附件。
1.3-2设计的目的
1、培养对本学科知识的系统化理解和综合应用能力。
2、培养理论联系实际的设计思路，训练用设备设计的有关理论分析和解决工程实际
问题的能力。
3、学习通过制定设计方案，合理选择设备的材料，正确计算设备的尺寸，确保设备
的工作能力和承受外压及外界因素的影响的能力。
4、培养使用设计资料的能力，以及使用经验数据进行经验估算和处理数据的能力。
-7-
二物料衡算
1.2物料衡算的意义
依据质量守恒定律，将设备或生产过程作为研究系统，对其进出口处进行定量计算，
称之为物料衡算。
物料衡算可分为操作型及设计型计算。
操作型计算是指对已建立的工厂、车间或单元
操作及设备等进行计算，可得到转化率、收率、原材料消耗定额等重要生产指标，以便判
断控制日常生产正常化及为改进生产提供优化方向，另一方面可以算出三废生成量，对实
行三废治理提供可靠依据。
在对原有车间进行扩大生产时，进行物料衡算，可判断生产能
力平衡状况，找出薄弱环节加以研究改进。
而设计型计算是指对建立一个新的工厂、车间或单元操作及设备进行物料衡算，这是
设计计算的第一步，也是整个设计的基础，在此基础上进行能量横算、设备工艺计算，则
可确定设备选型、工艺尺寸、台数以及公用工程所需水、电、汽、冷冻、真空及压缩空气
等需要量。
1.3初步的物料衡算
1.5-1确定生产任务
年产1500吨醋酸乙酯。
取年工作日为320天，则昼夜（24小时）的生产能力为：
1500000/320=4687.5kg/day
则每小时的生产能力为：
1.4/24=195.3kg/h
2.2-2酯化反应器
（1）进入酯化器的物料衡算
H2SO4
CH3COOH+C2H5OH=========CH3COO2CH5+H2O
60468818
Xy195.3z
原料规格：
醋酸质量浓度为100%，乙醇质量浓度为95%，浓H2SO4质量浓度为93%。
-8-
反应前：
6088
a、100%的醋酸量：
xkgh
132.2/x195.3
4688
b、100%的乙醇量：
ykgh
97.85/y195.3
1.685
则95%的乙醇量：
103.25kg/h
95%
其中水含量：
103.2597.855.4kg/h
c、浓H2SO4的量：
5.8kg/h
其中：
H2SO4的量有：
5.80.935.4kg/h
H2O量有：
5.80.070.4kg/h
反应后：
取xA=64%
88
a、醋酸乙酯生产量：
125.0kg/h
1.50.64
60
b、醋酸剩余量：
132.20.3647.95kg/h
c、乙醇剩余量：
97.850.3636.8kg/h
1888
d、反应生产水量：
zkgh
2.3/z125
总水量：
25.65.431.0kg/h
进出酯化器的物料衡算汇总表：
表2－1进出酯化器的物料衡算表
加入流出
序
号
物料名称组分%
数量
kg/h
合计
序号物料名称组分%
1醋酸100%132.21醋酸乙酯50.7%125
2
乙
醇
103.252水12.6%31.0
乙醇
95%246.653乙醇14.9%36.8
5.4
水4醋酸19.4%47.95
246.65
3浓H2SO493%5.85浓硫酸2.4%5.8
-9-
（2）塔I、塔II、沉降器和塔III的物料衡算
因酯化反应在酯化器中的转化率为64%，剩余部分在塔I中反应完全，生成醋酸乙酯
总量为：
195.3kg/h
18*195.3
生成水的量为：
5.445.3kg/h
浓硫酸H2SO4的量为：
5.8kg/h
工艺计算：
原料：
纯组分的乙酸95%乙醇乙酸乙酯
工艺流程图
V:
｛A:
70%X+y+zX:
三组分100%AcOH:
132.2kg/h
E:
20%Z:
{E:
83%;
A:
{E83%;
W8%;
A9%}
95%EtOH:
103.25kg/h
W:
10%}9%;
8%}
浓硫酸：
5.8kg/hY:
双组分
{E94%;
W6%}
混合器
塔塔塔
沉降反应器
I
1.7kg/h
100
%
系统III
系统I
II
水
系统II
X+y+1
1.6
{E94%
;
A2%;
III
50.7%
12.6%
R{RW:
水
14.9%W{E8%;
W成品:
195.3kg/h
RA:
EtoH}
U:
水+浓硫酸88%;
A4%}
a、对系统I的物料衡算：
2.4wuz
即：
uzw246.65（2-1）
b、系统I的EtOAC衡算：
-10-
1.507246.650.08w00.83z
0.08w0.83z195.3（2-2）
c、系统I的EtOH衡算：
1.80.04w00.09z36.8
0.09z0.04w0（2-3）
d、系统II的总物料衡算：
zxyxywxy195.3
xy2zw195.3（2-4）
e、系统II的EtOAC衡算：
1.7x0.94y0.83z（xy195.3）0.940.08w
0.11x0.83z0.08w183.6（2-5）
解上列五元一次联立方程式：
由③式，得：
z0.44w（2-6）
将（2-6）式代入（2-2）式，得：
0.08w0.830.44w195.3
∴w684.78kg/h
将w684.78kg/h代入（2-6）式，得：
z301.3kg/h
将z、w代入（2-1）式，得：
u246.65zw246.65301.3684.78
2.5kg/h
将z、w代入（2-4）式，得：
xy195.3w2z195.3684.782301.3
103.26kg/h（2-7）
将z、w代入（2-5）式，得：
0.11x0.83301.30.08684.78183.6
∴x106.35kg/h
将x代入（2-7）式，得：
y171.13kg/h
又∵v中含有20%EtoAc，而EtoAc195.3kg/h
5.5
∴vkg/h
246.66976.5
f、系统III的总物料衡算：
R246.65vu
-11-
∴Rvu246.65
976.5630.13246.651359.98kg/h
g、系统IIIH2O的衡算：
31.0R（4425.6）uv10%
W
R630.13976.50.131.0（45.325.6）
1.9kg/h
h、系统III的EtoH衡算：
36.8Rv70%36.8
A
RAv70%
1.8570%
2.6kg/h
计算结果汇总：
表2－2进出塔I的物料衡算表
加入支出
序号物料名称组分%数量kg/h
来自酯化
塔I塔顶
1246.651976.5
反应器馏出液
①CH3COO2CH550.7%125.0①CH3COO2CH520%195.3
②H2O12.6%31.0②H2O10%97.65
③C2H5OH14.9%36.8③C2H5OH70%683.55
④CH3COOH19.4%47.95
⑤浓H2SO42.4%5.8
来自塔II
21359.982塔I塔底630.13
的塔底残
液残液
①H2O677.18①H2O624.33
②C2H5OH683.55②浓H2SO45.8
合计1606.63合计1606.63
-12-
三酯化反应器的设备设计
1.4搅拌容器的容积计算
在确定搅拌容器的容积时，应考虑物料在容器内充装的比例即装料系数，其值通常可
取0.6～0.85。
如果物料在反应过程中产生泡沫或呈沸腾状态，取0.6～0.7；
如果物料在
反应中比较平稳，可取0.8～0.85。
工艺设计给定的容积，对立式搅拌器通常是指筒体和下封头两部分之和；
对卧式搅拌
器则指筒体和左右两封头之和。
根据使用经验，搅拌容器中筒体的高经比可按表1－1选
取。
查文献[1]，得：
3
＝
1049kg/m
醋酸，
789kg/m
乙醇，
浓
H
2SO1831kg/m
4
由前面物料衡算可知，酯化反应器内总体积流量为：
Q0QQQ
123
1.10
1049
1.925
789
2.7
1831
103.270.136240.003160.2664m/h
取反应的操作空时为：
12h，由文献[2]得公式：
Vr
Q
Vr3
则：
Vr
升级会员 