年产220吨乙酰柠檬酸三丁酯工艺设计

喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 年产220吨乙酰柠檬酸三丁酯工艺设计 摘 要 因为乙酰柠檬酸三丁酯是由柠檬酸，正丁醇，乙酸酐为原料合成，通过氨基磺酸为催化剂，这次设计的任务是设计年产220吨的无毒增塑剂的工艺设计。探讨了无毒增塑剂的性质和作用：具有溶解性强，耐油性，耐光性好。乙酰柠檬酸三丁酯较之柠檬酸三丁酯的毒性更小，可以做食品添加剂。它与大多数纤维素，聚氯乙烯，聚醋酸乙烯酯及氯化橡胶等有良好的相容性，主要用作纤维素树脂和乙烯基树脂的增塑剂。另外，由于它的强抗霉性，使得它在涂料生产过程中可兼起到内增塑剂和抗霉计的作用。 本文通过工艺计算确定了合成ATBC的合理工艺过程，根据操作环节进行物料衡算，热量衡算，在通过计算结果确定设备的选型。通过计算设备的选型来确定脱醇塔，脱酸塔还有干燥塔的工艺参数。通过确定工艺参数用CAD软件做出了控制点的流程图，厂房布置图，设备结构图。 关键词 乙酰柠檬酸三丁酯；物料衡算；设备选型；工艺选择 I Process design is to produce 220 tons of acetyl tributyl citrate ATBC Abstract As acetyl tributyl citrate esters are made of citric acid and n-butyl alcohol and acetic anhydride as raw materials synthesis, through the amino sulfonic acid as catalyst, the task of design is a design capacity of 220 tons of technology design of non-toxic plasticizer. Discusses the nature and function of nontoxic plasticizer: has the strong solubility, oil resistance, good light fastness. Acetyl tributyl citrate esters less toxic than tributyl citrate esters, can do food additives. It and most of the cellulose, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate and chlorinated rubber has the good compatibility, mainly used as plasticizer of cellulose resin and vinyl resin. In addition, because of its strong resistance to mildew, making it in coating process can be and have the effect of plasticizer and mildew resistance meter. Based on the technology of calculate and determine the reasonable process for synthesis of ATBC, according to the operation link to carry on the material balance, heat balance, the equipment selection through calculation results. Equipment selection by calculation to determine the alcohol tower, acid stripping tower and drying tower process parameters. By determining the process parameters using CAD software to make the flow chart of control points, workshop layout, equipment structure. Keywords acetyl tributyl citrate, Process design, material balance, heat balance 目 录 摘要 I Abstract II 第1章 绪论 1 1.1 乙酰柠檬酸三丁酯简介 1 1.1.1 增塑剂 1 1.1.2 新型增塑剂——乙酰柠檬酸三丁酯 2 1.2 国内外发展情况 3 1.2.1 乙酰柠檬酸三丁酯的研究现状 3 1.3 反应原理 4 1.4 设计内容 5 第2章 工艺流程的确定 6 2.1 流程叙述 6 2.2 工艺参数 6 2.3 本章小结 7 第3章 物料衡算 8 3.1 物料总衡算 8 3.1.1 各操作单元每班所得ATBC的质量 8 3.1.2 由TBC质量计算脱醇过程及酯化过程所生成TBC质量 8 3.2 单元操作物料衡算 9 3.2.1 酯化过程 9 3.2.2 脱醇过程 9 3.2.3 乙酰化过程 10 3.2.4 去酸化过程 10 3.2.5 中和过程 11 3.2.6 水洗脱碱过程 11 3.2.7 干燥过程 12 3.3 总物料平衡表 12 3.4 本章小结 13 第4章 热量衡算 14 4.1 物性数据 14 4.2 酯化釜 14 4.3 酯化釜第一冷凝器 16 4.4 酯化釜第二冷凝器 17 4.5 脱醇釜 18 4.6 脱醇塔顶冷凝器 19 4.7 乙酰化反应釜 19 4.8 乙酰化反应釜冷凝器 20 4.9 脱酸塔釜 21 4.10 脱酸酐塔顶冷凝器 22 4.11 热量衡算结果汇总表 23 4.12 本章小结 23 第5章 设备设计与选型 24 5.1 正丁醇原料贮槽 24 5.2 酯化釜 24 5.3 酯化釜第一冷凝器 24 5.4 酯化釜第二冷凝器 25 5.5 酯化回流罐 25 5.6 正丁醇输送泵 25 5.7 废水贮罐 25 5.8 脱醇塔 26 5.9 脱醇塔顶冷凝器 31 5.10 乙酰化釜 31 5.11 脱醇塔泵 32 5.12 脱醇回流罐 32 5.13 正丁醇回收罐 32 5.14 醋酸酐贮罐 33 5.15 醋酸酐泵 33 5.16 脱酸塔 33 5.17 脱酸冷凝器 37 5.18 成品计量罐 37 5.19 成品贮罐 37 5.20 本章小结 37 结论 39 致谢 40 参考文献 41 附录A 43 附录B 48 附录C 55 IV 第1章 绪论 1.1 乙酰柠檬酸三丁酯简介 ATBC无毒增塑剂，耐光和热可以用作食品包装在乳制品、饮料瓶子,海豹和医疗设备、玩具、无毒PVC膜,单瓶做的食物、纤维涂料、聚乙烯醇缩醛,聚醋酸乙烯酯，聚苯乙烯，聚偏二氯乙烯稳定剂，增塑剂。 1.1.1 增塑剂 凡能和树脂均匀混合，混合时不发生化学反应，但能降低物料的玻璃化温度和塑料成型加工时的熔体粘度，且本身保持不变，或虽起化学变化，但能长期保留在塑料制品中并能改变树脂的某些物理性质。具有这些性能的液体有机化合物或低熔点的固体，均称做增塑剂。 增塑剂的主要作用是减弱树脂分子间的次价键（即范德华力），增加树脂分子键的移动性，降低树脂分子链的结晶性，增加树脂的可塑性。 按照化学结构分类，增塑剂可以分为以下几类： 脂肪族二元酸酯 ①苯甲酸酯（系有苯甲酸和一些二元醇、三元醇、季戊四醇等经酯化的产品） ②柠檬酸酯（主要品种是柠檬酸与C4～C8单元醇的酯化产品和乙酰化的酰化产品） ③环氧化合物 ④氯化烃化合物 ⑤磷酸酯（分磷酸脂肪醇酯、磷酸苯酚酯、磷酸混合酯和含氯磷酸酯） 邻苯二甲酸酯 ⑥苯多羧酸酯 ⑦石油酯（主要是烷基磺酸苯酯） ⑧聚酯 ⑨其他（不包括常用的或用量较小的品种，如一些芳香烃化合物、间或对苯二甲酸酯、硬脂酸酯、磺酰胺类以及多元醇的脂肪酸酯）。 增塑剂的选择原则： ①和树脂有良好的相容性 ②与聚氯乙烯树脂有较好的增塑效率 ③挥发性低 ④耐寒型好 ⑤耐热性好 ⑥耐水、耐油、耐有机溶剂的抽出 ⑦不迁移 ⑧无味、无臭、无色、无毒 ⑨耐霉菌好 ⑩具有阻燃性或难燃性 1.1.2 新型增塑剂——乙酰柠檬酸三丁酯 乙酰柠檬酸三丁酯[1][2]，化学名2-乙酰基-丙烷-1，2，3-三羟酸丁酯(Acetyl tributyl citrate)，国内简称ATBC，这是无色无味油状液体，无毒，溶于许多有机溶剂，不溶于水，高度耐水解，甚至在沸水中煮6 h只水解0.1%，分子式C20H34O8，M402.5，d25c1.046 n1.4408(25.5℃)、粘度25℃ 42.7mPas，凝固点－80℃ ，闪点(开口)221℃ ，BP173℃，大鼠口服LD50＞30 mL/kg体量、猫口服LD50＞50 mL/kg体重、于25℃ 水中溶解度≤0.2 g/L，市场质量指标为：外观为透明液无杂质，色度pt-co＜40、ATBC含量＞99.5%，d(相对密度)1.043、酸度(以柠檬酸计)＜0.020 mgKOH/g、FP(开口)221℃ ，nD201.4434、水＜0.05%。 因为ATBC为无色无味无毒又可降解，可溶于多种有机溶剂而不溶于水及不水解，尤在沸水中煮6 h亦难水解，与硝基纤维、乙基纤维、氯化橡胶相溶、与醋酸纤维微溶，可作耐热耐光食品包装于乳制品、饮料瓶、瓶制食品的密封圈及医疗机械、玩具、无毒PVC膜、片材、纤维涂料、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩乙醛、聚苯乙烯等的增塑剂、聚偏二氯乙烯的稳定剂。 乙烯基树脂及其共聚物被增塑后具极好的低温柔软性、热稳定性、不变色、不挥发、不泛黄，甚适作热封口材料，与金属有极好的粘合力。用于乙烯基胶乳时可作乳化剂加入胶乳中，也可在市售的予增塑的胶乳中直接加入。 ATBC于70年代已广泛用于医疗机械上，又如用作PVC血浆袋、输液管等，今又作缓解薄片的增塑剂。当前广泛用于美、英、德、日、荷兰、意大利、新西兰等数十个发达国家，由它替代了原用的毒性邻苯二酸酯类。 ATBC可为生物可降解塑料，它可由聚乳酸酯90份、ATBC10份，防粘剂SiO2含量99%，粒径7 nm 1份，滑爽粉C17～C12脂肪族酰胺1份组成。ATBC亦可制成热收缩拉伸膜，是用上述配方制成0.13 mm薄膜。当ATBC与平均分子量137000的聚乳酸酯成可降解塑料。 ATBC可作润滑剂，它可使马口铁压延时所得容器表面光滑美观。 1.2 国内外发展情况 1.2.1 乙酰柠檬酸三丁酯的研究现状 乙酰柠檬酸三丁酯的合成[3][4] [5]分为柠檬酸与正丁醇酯化反应生成柠檬酸三丁酯及柠檬酸三丁酯乙酰化反应两部分，而酯化反应是整个工艺的关键。目前国内外研究热点主要集中在酯化反应新催化剂的开发上，寻找高活性，高选择性，制备工艺简单，经济实用，对环境友好的新型催化剂成为国内外学者的研究。 1.2.1.1 磺酸催化剂 对甲苯磺酸(PTSA)是一种强有机酸，其催化活性高、用量少，不易引起副反应，产品色泽好，对设备的腐蚀性和环境的污染都较小，是一种研究较多的催化剂。丁斌等[6]采用共酰化——酯化法合成乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)。乙酰化过程副产乙酸正丁酯，原料利用高，目的产物经活性炭脱色，反应产率98%以上，效果较好。谢文磊等[7]以对甲苯磺酸、吡啶为催化剂，采用两步法合成了柠檬酸三丁酯(TBC)、ATBC。在优化条件下，TBC反应产率95%，ATBC反应产率94.2%。马华宪等[8]采用对甲苯磺酸、乙酸和钛酸四乙酯的混合物(7:2:l)为催化剂合成TBC、ATBC，其中ATBC反应产率达95%，产品纯度超过98%。氨基磺酸性质稳定、安全易得、使用方便，可循环重复使用，有一定的开发前景。 1.2.1.2 固体超强酸催化剂 固体超强酸是指酸性比100%硫酸更强的固体酸，其酸的酸性可达100%硫酸的1万倍以上。与传统催化剂相比，固体超强酸具有以下优点：①催化效率高，使用量小，副产物少；②可在高温下重复使用，催化剂与产物易于分离；③表面酸性强，且对设备无腐蚀性，不污染环境。郭锡坤等[9]对SO42-/ZrO2、SO42-/TiO2型固体超强酸的制备、结构表征及酸度测定进行了较全面的研究，进而得出制备固体超强酸的最优工艺条件和用于TBC合成的工艺参数。艾仕云等[10]自制固体超强酸SO42-/TiO2催化合成TBC，酯化率大于98%。熊国宣等[11]自制SO42-/ZrO2- TiO2复合固体超强酸，优化条件下酯化率92%。SO42-/MxOy型固体超强酸尽管有较高催化活性，但在反应过程中，固体超强酸表面会沉积一种焦，焦的形成阻碍了活性中心与反的接触，降低了催化剂的活性，因此有待于进一步开发研究。 1.2.1.3 树脂催化剂 树脂催化剂合成羧酸酯具有以下优点：①产品色泽好；②产物与催化剂易分离，后处理方便；③不腐蚀设备，无三废产生；④树脂再生后可重复利用等。许文苑等[12]以D001型树脂固载AlCl3催化合成TBC、ATBC，TBC酯化产率96.27%，ATBC乙酰化产率95.12%，催化剂可重复使用6次，应用前景看好。 1.2.1.4 杂多酸催化剂 杂多酸是由不同的含氧酸缩合而制得的含氧多元酸的总称，是以杂原子P5+，P3+，Ge4+，B3+，As5+，Si4+为中心原子，以WO3，MoO3，V2O5等为配体的一类化合物，是强度均匀的质子酸，其活性较硫酸高，且不腐蚀设备，具有很好的稳定性，对环境污染较小，是一类有发展前景的绿色催化剂。王炜[13]、吴茂祥等[14]分别以钨磷酸，硅钨酸均相反应合成TBC，优化条件下酯化率97%以上。左阳芳[15]以活性γ-Al2O3微球负载杂多酸，非均相反应合成TBC，催化剂重复使用5次，柠檬酸转化率仍高于91%，该催化剂易于产物分离，催化活性高，反应温度低，重复使用次数多，工业化前景较好。吴茂祥[16]以活性炭固载杂多酸合成TBC，催化剂重复使用5次，酯化率达96.3%以上，生产成本降低。但杂多酸类催化剂用于柠檬酸酷类的生产仍需在降低使用成本，提高稳定性上进一步完善与提高。 1.2.1.5 其它催化剂 杨辉琼等[17]以硫酸氢钾催化合成TBC，以吡啶催化合成ATBC，在优化条件下，催化剂重复使用5次后酯化率仍在94%，乙酰化率93.3%。周文富等[18]以三氯化钛为催化剂合成TBC，TBC收率达98%，产品质量好。李芳良等[19]将微波技术引酯化反应体系，使用功率为360W的微波辐射反应体系20min，TBC转化率在90%以上，微波技术的应用使催化反应时间大大缩短。毛立新等[20]以改性钛基固体酸为催化剂合成TBC，优化条件下柠檬酸的酯化率达99.2%。但这些合成方法在未来工业上的应用仍有一定距离。 1.3 反应原理 适量的柠檬酸和相应比例的正丁醇，后一种氨基酸混合催化剂在酯化反应温度,反应是形成的水不断删除，不增加水收集,未反应的酒精蒸馏掉，洗后,真空蒸馏，TBC在催化剂的作用，乙酸酐给ATBC原油，不蒸反应完成后的反应乙酸酐和醋酸的反应，中和、清洗、真空蒸馏ATBC完成。 反应方程式： 1.4 设计内容 1.确定年产220吨的乙酰柠檬酸三丁酯的合理生产工艺，绘制工艺流程框图。 2.完成年产220吨的乙酰柠檬酸三丁酯的全部工艺计算，根据工艺计算确定生产设备的工艺尺寸。 3.完成标准设备的设备选型，非标准设备的设计，并绘制主要设备施工图。 4.完成生产车间的管道仪表工艺流程设计，带控制点的工艺流程图。 第2章 工艺流程的确定 2.1 流程叙述 在反应开始之前，加入物料正丁醇和柠檬酸，按照4:1的配料比进入酯化反应釜V101，然后向反应釜V101中加入催化剂（氨基磺酸）加入的量为柠檬酸的4%，反应釜中进行酯化反应。为了保证反应热的温度保持在110℃-160℃,需要像反应釜中通入水蒸汽进保护套内，使酯化反应反应2.5小时。 酯化完成后的物料进入精馏塔V102，在V102中进行减压蒸馏。反应物正丁醇蒸汽经过V201脱醇冷凝器降温，然后进行回流进入V111，其中含量为98%的正丁醇进入V106回流罐，循环使用。从V102中出来的柠檬酸三丁酯和乙酸酐的比例为1:1.8加入到V103的乙酰化釜中。在V103中通入低压蒸汽对反应釜进行加热，加热到85℃，并在85℃的条件下进行酰化反应。产生的气相进入到V301中进行酯化回流，从V103中分离的乙酸酐进入到V302中。经过酰化反应后的物料通过V104进行精馏操作，从中出来的乙酸酐进行循环使用。 经过V104后的物料中会含有少量的酸性物质和催化剂，物料会出酸性，物料从V104中进入到V105中和反应釜中，在反应釜中加入质量分数为4%的碳酸钠溶液，用来中和V105中的酸性物质，V105中会分离出水，剩余物料进入V106中，然后用物料量1.2倍的水冲洗，操作完成后的物料送入静置釜，分理处杂质后，在进行水洗，重复三次。随后ATCB送入V107中进行干燥脱水，就可以得到乙酰柠檬酸三丁酯。 2.2 工艺参数 年产量220吨ATBC，年工作日300天。 ①酯化过程： 原料：柠檬酸质量分数90% 正丁醇质量分数98% 为了提高柠檬酸转化率，采用正丁醇过量的方法，原料配比： n（柠檬酸）：n（正丁醇）=1:4 催化剂氨基磺酸加入量为柠檬酸量的4%(质量分数)，恒沸物水中含醇7.7%（质量分数)，醇中含水20.1%(质量分数)。 反应温度：110℃～160℃ 反应时间：2.5h 柠檬酸转化率：98.2% 柠檬酸三丁酯收率：98.2% ②脱醇过程： 正丁醇出料质量分数:：≥98% 塔釜正丁醇质量分数：≤1% 柠檬酸三丁酯收率：98.2% ③乙酰化过程： 醋酸酐质量分数：98% 原料配比n（柠檬酸三丁酯）：n（醋酸酐）=1:1.8 反应温度：85℃ 反应时间：2h TBC转化率：99.8% ATBC收率：99.8% ④脱酸过程： 轻组分出料质量分数：≥98% 塔釜残液质量分数：≤1% ATBC收率：99.5% ⑤中和及分离过程(碱洗及分离过程)： ATBC收率：98% 质量分数为4%Na2CO3的加入量为按残余酸计算消耗碱的理论量的5倍 ⑥水洗及分离过程： ATBC收率：99.0% 水的加入量和物料量的质量比为1.2:1，洗三次，每次用时4h～4.5h ⑦干燥(脱水过程)： ATBC收率：99.5% 2.3 本章小结 本章确定了工艺流程，以及工艺的过程。通过查阅文献确定工艺参数，确定了进料量。 第3章 物料衡算 3.1 物料总衡算 3.1.1 各操作单元每班所得ATBC的质量 计算标准：天 据物料衡算，由各单元收率得 A.产品乙酰柠檬酸三丁酯量： B.干燥（脱水）过程： C.分离和水洗过程： D.分离和中和过程： E.脱酸过程： F.乙酰化过程： 反应方程式： 理论上消耗醋酸酐203.91kg，理论上消耗TBC719.68kg，理论上生成醋酸119.95kg。实际需加入醋酸酐367.04kg，纯TBC721.12kg。 3.1.2 由TBC质量计算脱醇过程及酯化过程所生成TBC质量 ①脱醇过程： ②醋化过程生成TCB质量： 3.2 单元操作物料衡算 3.2.1 酯化过程 酯化反应如下： 理论上用掉柠檬酸384.60kg，用掉正丁醇444.70kg，产生水108.17kg。实际上需要填料98%正丁醇684.59kg，填料90%柠檬酸436.05kg，填料氨基磺酸21.12kg。反应后还剩柠檬酸7.85kg，正丁醇217.13kg，水124.07kg，氨基磺酸21.12kg，杂质37.25kg。 酯化反应釜平衡物料见表3-1。 表3-1 酯化反应釜平衡物料表 酯化反应前 酯化反应后 反应物 反应物重量，kg 反应物 反应物，kg 所占比例，% 90%柠檬酸 436.05 柠檬酸 7.85 0.69 98%正丁醇 684.59 正丁醇 217.13 19.02 氨基磺酸 21.12 氨基磺酸 21.12 1.85 TBC 734.34 64.32 水 124.07 10.87 杂质 37.25 3.25 合计 1141.76 合计 1141.76 100 水溶性正丁醇是20.1%(wt %的水),正丁醇水中溶解度为7.7%(重量%),最后未反应的正丁醇和水分为两部分。物料平衡,正丁醇的酯化反应和分离回流罐2.37kg,11.37kg,丁醇酯化反应器材料214.76kg、113.33kg。 3.2.2 脱醇过程 假设脱下醇，氨基磺酸，柠檬酸不能从顶部蒸，正丁醇和水可以完全被蒸出从塔的顶部，塔蒸出的正丁醇和水被分成两部分。 一部分是由含共沸混合物的7.7％（质量％）的水和正丁醇正丁醇的，另一部分是对正丁醇2％（质量％）的含水。由物料平衡，塔回收的98％正丁醇219.07kg，实际消耗正丁醇231.5kg。 脱醇塔物料平衡见表3-2。 表3-2 脱醇塔物料平衡表 进塔反应物 出塔反应物 塔釜反应物 塔顶反应物 反应物 重量，kg 反应物名称 重量，kg 百分比，% 反应物名称 重量，kg 百分比，% 柠檬酸 7.85 柠檬酸 7.85 1 98%柠檬酸 219.07 61.81 正丁醇 217.13 氨基磺酸 21.12 2.68 7.7%正丁醇恒沸物 122.13 34.46 氨基磺酸 21.12 TBC 721.12 71.59 TBC 13.22 3.73 水 124.07 杂质 37.25 4.73 TBC 734.34 杂质 37.25 合计 1141.76 合计 787.34 100 合计 354.42 100 3.2.3 乙酰化过程 大孔强酸性阳离子交换树脂加入量5%(质量%，相对于TBC)，催化剂需要量： 添加98%乙酸酐374.53kg,后剩余乙酸酐乙酰化反应170.62公斤,剩余材料TBC1.44kg 物料平衡乙酰化过程见下表3-3。 表3-3 物料平衡乙酰化反应 进釜反应物物料 出釜反应物物料 反应物物料名称 重量，kg 反应物物料名称 重量，kg 百分比例，% 柠檬酸 7.85 柠檬酸 7.85 0.66 催化剂 36.06 催化剂 57.18 4.84 醋酸酐 367.04 醋酸酐 163.13 13.81 氨基磺酸 21.12 ATBC 793.17 67.13 TBC 712.21 TBC 1.44 0.12 杂质 37.25 杂质 38.81 3.29 乙酸 119.95 10.15 合计 1181.53 合计 1181.53 100 3.2.4 去酸化过程 脱酸过程反应物料平衡见表3-4。 表3-4 脱酸塔反应物料平衡表 反应进塔物料 反应出塔物料 塔釜物料 塔顶物料 物料 质量，kg 物料 质量，kg 比例，% 物料 质量，kg 比例，% 柠檬酸 7.85 柠檬酸 7.85 0.90 乙酸 119.95 38.30 ATBC 793.17 催化剂 57.18 6.55 乙酸酐 154.45 49.31 催化剂 57.18 TBC 1.44 0.17 杂质 38.81 12.49 乙酸酐 163.13 杂志 5.23 0.60 TBC 1.44 ATBC 793.17 90.80 杂质 38.81 乙酸酐 8.68 0.98 乙酸 119.95 合计 1181.53 合计 873.55 100 合计 313.21 100 设塔釜中乙酸酐的质量分数为1%，随着塔釜中出料被带出的乙酸酐8.68kg，会随着塔顶带出乙酸酐154.45kg。在脱酸过程中塔顶物料分为两部分，一部分为含醋酸的2%醋酸酐，另一部分为醋酸，其中回收98%的醋酸酐157.60kg，实际上每班需消耗98%醋酸酐213.2kg，回收醋酸117.55kg。 3.2.5 中和过程 中和反应过程中物料重量平衡见下表3-5。 表3-5 中和反应釜物料重量平衡表 进入中和釜反应物料 中和釜反应物料出口 水相 油相 反应物料 质量，kg 反应物料 质量，kg 比例，% 反应物料 质量，kg 比例，% 柠檬酸 7.85 碳酸钠 91.03 2.70 ATBC 777.31 94.21 ATBC 793.17 氨基磺酸钠 25.69 0.76 TBC 1.44 0.18 氨基磺酸 21.12 柠檬酸钠 11.66 0.35 杂质 5.23 0.61 乙酸酐 8.68 水 3205.19 95.07 水 24.79 3.00 TBC 1.44 ATBC 15.86 0.47 碳酸钠 16.53 2.00 杂质 5.23 乙酸钠 12.62 0.37 水 3226.8 二氧化碳 9.18 0.27 碳酸钠 134.45 合计 4198.74 合计 3371.23 100 合计 825.07 100 3.2.6 水洗脱碱过程 水洗后碳酸钠完全进入水相，即进入水相碳酸钠16.53kg，水洗后进入油相中水量为3%（质量%，以ATBC计），则进入油相水量为24.01kg。所以油相中ATBC的量为769.53kg。 水洗釜物料平衡见表3-6。 表3-6 水洗釜物料平衡表 进水洗釜物料 出水洗釜物料 水相 油相 物料 质量，kg 物料 质量，kg 比例，% 物料 质量，kg 比例，% ATBC 777.31 碳酸钠 16.53 0.33 ATBC 769.53 96.17 TBC 1.44 ATBC 7.78 0.16 TBC 1.44 0.18 碳酸钠 16.53 水 4945.5 99.51 杂质 5.23 0.65 水 4969.51 水 24.01 3.00 杂质 5.23 合计 5770.02 合计 4969.81 100 合计 800.21 100 3.2.7 干燥过程 计算依据：乙酰柠檬酸三丁酯收率99.5%。 干燥过程随水带出ATBC3.85kg： 设干燥产品中含水量0.2%（质量%，以ATBC计），进入产品中水量为2.68kg，蒸发掉水分37.52kg。塔内的产品ATBC质量为765.68kg。 干燥过程物料平衡见表3-7。 表3-7 干燥塔物料平衡表 进干燥塔物料 出干燥塔物料 蒸发物料 塔内产品 物料 质量，kg 物料 质量，kg 比例，% 物料 质量，kg 比例，% ATBC 769.53 ATBC 3.85 14.65 ATBC 765.68 98.93 TBC 1.44 水 22.43 85.34 TBC 1.44 0.19 水 24.01 杂质 5.23 0.68 杂质 5.23 水 1.58 0.20 合计 800.21 合计 26.28 100 合计 773.93 100 3.3 总物料平衡表 表3-8物料平衡总表 反应进料 反应出料 反应物料名称 质量，kg 物料名称 质量，kg 90%柠檬酸 436.05 柠檬酸钠 11.66 98%正丁醇 684.59 正丁醇 217.13 催化剂 57.18 氨基磺酸钠 25.69 98%乙酸酐 374.53 TBC 28.25 水 8172.3 水 8301.13 碳酸钠 134.45 杂质 38.81 乙酸钠 12.62 ATBC 793.17 二氧化碳 12.62 碳酸钠 107.56 催化剂 36.06 乙酸酐 154.45 乙酸 119.95 合计 9859.1 合计 9859.1 3.4 本章小结 本章根据定的生产流程及年生产量进行了该生产流程的全部物料衡算，为下面的设备设计提供依据。 第4章 热量衡算 4.1 物性数据 查得不锈钢的传热系数为 查得搪玻璃的传热系数为 搪玻璃的壁厚为 换热损失为 1.计算传热面积/设计传热面积=0.87 查讯酯化反应的反应热为 乙酰化反应的反应热为 2.计算物质的热容和焓变值 在计算物料衡算中不同温度下的恒压热熔的热量数值见表4-1。 表4-1 不同物料在不同温度下的恒压热熔值 摄氏度 柠檬酸 正丁醇 TBC ATBC 醋酸酐 醋酸 H2O 说明 20.1 173.27 75.31 除了最后一个温度水的Cp值都取75.31 24.9 179.92 711.29 196.64 133.889 33.6 180.34 55.1 191.60 674.45 199.685 58.7 376.54 192.27 695.55 200.833 61.4 376.57 193.29 203.760 75.1 196.66 84.9 137.44 表4-2 不同温度下不同物质的焓变值 温度，℃ C4H10O H2O C2H4O2 C4H6O3 30.1 51210 38.2 26690 45608 41.8 50210 84.9 25330 92.7 45430 41160 150.2 38170 4.2 酯化釜 1.加入每釜的物料量： 加入柠檬酸=392.45kg；加入正丁醇=670.90kg 其它=55.97kg 2.物料温度变化： 物料在温度为通过加热1小时，温度升至92.6℃。物料中含有的水经过加热一小时（92.6℃）被完全蒸发，然后反应2.5小时在92.6℃下，通过150℃的水蒸汽加热。 3.反应开始阶段：加热升温和吸热 反应温度经水蒸汽加热由25℃升高到92.6℃，反应的平均温度取58.8℃。 式中： 反应中会有5%的热损失，取 4.反应中间阶段：加热蒸发和吸热 反应过程中物料中的水55.97kg全部汽化，在共沸物组成中正丁醇的质量分数以57.65%计算，正丁醇汽化量为 则： 式中： △Hi——对应物质的汽化热，kJ/mol； 反应中会有5%的热损失，取。 5.反应最后阶段：反应过程吸热（2.5小时） 反应过程会生成水108.17kg，假设生成水完全汽化，上升气相中含70%的正丁醇，即252.40kg。 反应过程中会有5%的热损失，取 . 以每小时计， 6.估算对反应釜的传热面积（材质为搪瓷）： 式中： K——搪瓷的传热系数，kJ/(h·m2·℃)； 上式中的Q取Q1，Q2，Q3中的最大值 即： Q=195479.5KJ/h 平均温差的△t计算： 式中： △t——平均温差，℃； 取 7.加热酯化釜所需的蒸汽量： kJ 蒸汽流量由Q1计算，则： 4.3 酯化釜第一冷凝器 蒸发阶段是上升气体在酯化反应中的最大流量，即： 正丁醇：76.04kg/h 水：55.97kg/h 假设反应物料全部冷凝，冷却水的温度由25℃升至40℃ 物料由92.6℃降至30℃，平均温度61.3℃，采用不锈钢为换热器的成分。 计算的换热面积为： 加上5%热损失， 取 冷却水在一定时间内的最大流动量： 式中： W——冷却水流量，kg/h。 4.4 酯化釜第二冷凝器 1.假设正丁醇经过第一冷凝器会有80%的物料被冷凝，会有20%未被冷凝，正丁醇用0℃的盐水进行冷凝。水由0℃升至10℃，物料由30℃降至10℃，平均温度20℃。 2.传热面积估算： 再加上5%的换热损失，取Q=11829.44kJ 取 3.冷却水在一定时间内的最大流动量： 4.5 脱醇釜 1.加入反应物的量： 脱醇的过程时间为4个小时，加入的物料全部按照正丁醇计算，所以加入的物料量为341.2kg，所以平均每小时加入物料为341.2/4=85.3kg/h，取反应回流比R=1.5，则上升的气量是加入物料正丁醇的的2.5倍，即85.3×2.5=213.25kg/h 剩下加入的物料按照柠檬酸三丁酯的量为：800.56kg/h 该反应是减压操作，绝对压力为2666pa，反应物料中正丁醇的沸点为42℃。 2.假设升温和升温吸热 反应物料由室温（25℃）在1小时内升至42℃，然后在42℃下脱除全部正丁醇，平均温度33.5℃。 再加上5%的换热损失，取Q1=36634.00kJ 3.再汽化过程中的吸热： 4.对换热面积的估算： 式中： 最大热量的Q=144687.24kJ/h 5.加热蒸汽量的计算： 反应过程中最大蒸汽流量由Q2计算： 4.6 脱醇塔顶冷凝器 1.上升气量：正丁醇217.13kg/h 冷却水的温度由0℃升到10℃，物料的温度由42℃降至10℃，脱醇的平均温度26℃。 2.估算反应过程的换热面积： 再加上5%的换热损失，取Q=172855.20kJ 取 3.最大流量的冷冻水： 4.7 乙酰化反应釜 1.反应物进料量： TBC:712.21kg 剩下的按醋酸计算：469.32kg 2.升温假设 物料由室温（25℃）在1小时内加热升温升至85℃，然后在85℃下反应2h，反应过程会有50%的醋酸汽化。 3.反应开始阶段：升温吸热 反应釜温度由25℃升至85℃，反应釜中平均温度55℃。 再加上5%的换热损失，取Q1=152854.73kJ 4.吸热反应： 再加上5%的换热损失，Q2＇=248648.01kJ 以平均反应时间/h计，Q2=124324kJ 5.乙酰化釜传热面积估算： Q取最大值Q1=152854.73kJ 取 6.反应过程中升高温度所需蒸汽量： 最大流量的蒸汽由Q1计算，则 4.8 乙酰化反应釜冷凝器 1.反应物进料量： 反应中有50%的乙酸汽化，即：469.32×0.5=234.66kg 每小时汽化量，即：234.66/0.25=938.64kg/h 2.估算传热面积： ： 反应过程中冷却的温度水由25℃加热升至35℃，而反应物料的温度由85℃降至40℃，反应物料的平均温度62.5℃。 再加上5%的换热损失，Q=517747.98kJ 取 3.最大流量的冷却水： 4.9 脱酸塔釜 1.反应物进料量： 乙酸：119.95kg； 乙酸酐：163.13kg 剩下的物料按照乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）为：898.45kg： 设加热升温的时间为1个小时，操作反应时间为4个小时，回流比取R=1.5，则蒸发气体中： 乙酸酐为：163.13×2.5/4=101.96kg/h 乙酸为：119.95×2.5/4=74.97kg/h 脱酸反应为减压操作，绝压2666Pa，乙酸酐酐的沸点为47℃，醋酸的沸点为29℃，取平均值38℃作为计算依据。 2.反应过程的升温的假设 物料由室温（25℃）在1小时内升温至38℃，然后在38℃下，脱除全部的醋酸酐和醋酸。 3.反应升温过程吸热计算： 再加上5%的换热损失，取Q1=28381.28kJ 4.对反应汽化过程吸热计算： 再加上5%的换热损失，Q2=83097.13kJ 5.对反应釜换热面积的估算： Q取最大热量83097.13kJ/h，则 取 6.对反应釜蒸汽量的计算： 对反应釜蒸汽最大流量由Q2计算，则： 4.10 脱酸酐塔顶冷凝器 1.在反应过程被蒸发的气体： 乙酸酐：101.96kg/h 乙酸：74.97kg/h 反应过程中冷冻水的温度由0℃升至10℃；物料过程中的温度由38℃降至12℃，平均温度26℃。 2.冷凝器换热面积估算 再加上5%的换热损失，取Q=93055.51kJ 取 3.反应过程中冷冻水最大流量 4.11 热量衡算结果汇总表 热量衡算结果汇总见表4-3。 表4-3 热量衡算结果汇总表 换热反应过程反应器 换热反应面积，m2 加热蒸汽最大流量，kg/h 冷却水最大流量，kg/h 酯化反应釜 2.875 92.19 酯化反应釜第一冷凝器 7.935 3254.70 酯化反应釜第二冷凝器 0.644 282.73 脱醇塔 0.650 68.23 脱醇塔顶冷凝器 7.176 4131.34（冷冻水） 乙酰化釜 2.139 72.08 乙酰化冷凝器 13.69 12374.46 脱酸塔塔釜 0.897 39.19 脱酸塔顶冷凝器 4.37 2224.08（冷冻水） 4.12 本章小结 本章根据定的生产流程及年生产量进行了该生产流程中反应设备热量衡算，为下面的设备设计提供依据 第5章 设备设计与选型 5.1 正丁醇原料贮槽 设计压力为p=2.5kgf/cm2（25×10-2Mpa）100%无损探伤贮罐。 原料中加入正丁醇的量为684.59kg，通过查阅可得水的密度为998.2kg/m3和正丁醇的的密度为810.9kg/m3，则物料的平均密度为： 上式中： ——物料的质量分数； ——密度，kg/m3； 计算得原料的贮槽，装料系数取0.85，则计算的容积为4.95m3。 通过查阅文献可得，选择公称容积为5m3的立式储罐两个。 贮罐的结构尺寸为：公称直径DS=1200mm，壁厚S=5mm，焊缝系数ψ=1.0，允许腐蚀裕度为1.5mm，贮罐重量=935kg。 5.2 酯化釜 加入反应釜的总物料为2040.9kg，反应物的密度为1000kg/m3，所以加入反应釜的总体积为： 计算反应釜的容积：装料系数为0.75 所以查阅文献可得选用规格为K3000L型的搪玻璃反应罐。反应罐的主要参数表：传热面积为8.61m2，公称直径D=1600mm，贮罐重量为=3470kg。 5.3 酯化釜第一冷凝器 通过计算可知，冷凝器在反应过程中的传热面积为15.02m2。 所以，通过查阅文献得知，选择换热面积为16m2的列管式固定管板冷凝器。其外径为400mm，有效长度为2000mm。 5.4 酯化釜第二冷凝器 通过计算可知，冷凝器在反应过程中的传热面积为1.18m2。 所以，通过查阅文献可得，选择换热面积为2m2的列管式固定管板冷凝器。其外径为219mm，有效长度为1500mm。 5.5 酯化回流罐 由物料衡算和热量衡算可知：正丁醇的最大流量为：139.48kg/h，水的最大流量为：102.67kg/h。 平均密度为：ρ=880.99kg/m3。 计算回流罐的容积： 装料系数取0.75，贮存时间按1小时计。 所以查阅文献得，选择公称容积0.5m3无折边锥形容器系列。 回流罐的工艺参数：V=0.5m3,，公称直径D=600mm，壁厚S=5mm，长度L=1600mm，焊缝系数ψ=1.0，贮罐重量M=230kg。 5.6 正丁醇输送泵 正丁醇输送量1228.68kg，输送正丁醇的体积为1228.68/813.95=1.510 m3，10分钟将该物料送入正丁醇计量罐，流量1.510×60/10=9.06m3/h 泵安装在厂房底层，酯化计量罐进料口在平面上方，考虑到能量损失，由文献[23]查得，选IS50—32—125型单级单吸离心泵。 泵为动设备，需选择2台，一开一备。 5.7 废水贮罐 有物料衡算可知：酯化釜中回收的物料为：正丁醇4.30kg，水55.48kg。 脱醇塔中回收的物料为：正丁醇18.50kg，水221.8kg。 平均密度： 计算贮罐体积： 贮存的物料以废水为基准，时间是五天。装料系数取0.8。 通过查阅文献得，选择体积为2m3的立式平底平盖容器系列贮罐。 贮罐的工艺参数：全容积V=2m3，公称直径D=900mm，壁厚S=5mm，长度L=2800mm， 焊缝系数ψ=1.0，贮罐重量M=500kg。 5.8 脱醇塔 密度近似取为1000 kg/m3，装料系数取0.75，则脱醇塔釜体积为： 因物料具有腐蚀性，由文献[23]，塔釜选搪玻璃系列公称容积为3000L的蒸馏罐。塔釜对应的传热面积为8.67m2，与计算结果1.22m2比较，满足工艺要求。 理论塔板数的确定 TBC的沸点如下： 170℃（133.32Pa，1mmHg） 225℃（666.61Pa,5mmHg） 233℃（2933.09Pa，22mmHg） 纯液体的饱和蒸汽压可由安托因方程 式中：p——在温度T下的蒸汽压，mmHg； T——温度，K。 把上述三组TBC沸点与对应的饱和蒸汽压的数据代入方程中，得 由上述三式，得A=－0.5800，B=43.393，C=－517.97 当P=2666Pa（20mmHg）时， 解得，T=505.83K，即t=232.68℃ 由文献[24]查得，2666 Pa（20mmHg）时，正丁醇的沸点为t=41.5℃ 该温度下TBC的饱和蒸汽压可由TBC得安托因方程解得，饱和蒸汽压PTBC=0.6931mmHg。 由文献[24]查得正丁醇的安托因常数为A=17.2160，B=3137.02，C=－94.43。当T=505.83K时，由安托因方程解得正丁醇的饱和蒸汽压P正丁醇=14629mmHg。 2666Pa下塔顶及塔釜正丁醇和柠檬酸三丁酯的饱和蒸汽压及相对挥发度列于表5-1。 表5-1 塔顶、塔釜正丁醇和TBC的饱和蒸汽压及相对挥发度 温度，K P正丁醇，mmHg PTBC，mmHg， 相对挥发度α 314.65 20 0.6931 28.86 505.83 14629 20 731.46 用几何平均值计算相对挥发度 则 由脱醇塔物料衡算知，若将水和正丁醇看作正丁醇，则正丁醇的量为642.66kg；将其余物料看作柠檬酸三丁酯，则柠檬酸三丁酯的量为1338.16kg。则进脱醇塔正丁醇物质的量分数xF=0.3244 塔顶物料为正丁醇642.66kg，TBC为22.88kg，则正丁醇物质的量分数为xw=0.018 采用逐板计算法计算所需理论塔板数。 由相平衡方程 式中： y——气相组成，物质的量分数； x——液相组成，物质的量分数； α——相对挥发度。 回流比R=1.5，则操作线方程为 式中： R——回流比； xD——塔顶易挥发组分组成。 计算自塔顶xD=0.9656开始，交替使用操作线方程 y=0.6x+0.38624 及相平衡方程： 依次计算，结果见表5-2。 表5-2 操作终态时理论板数计算 气相组成y 液相组成x y1=0.9656 x1=0.1619 y2=0.48338 x2=0.0064 由此可知，需2块理论板数。塔釜相当于一块理论板，实际需要1块理论板即可。 泛点气速的计算： 首先确定下式： 式中： L——液相流量，kg/h； G——气相流量，kg/h； γG——气相密度，kg/m3； γL——液相密度，kg/m3。 气相密度按正丁醇密度考虑，由下式： 式中： p——绝对压力，Pa； M——摩尔质量，kg/mol； R——理想气体常数，8.314J/(mol·K) T——绝对温度，K，按塔顶温度计算。 气相密度： 液相密度按正丁醇考虑，则γL=810.9 kg/m3 L=241.005kg/h，G=401.68kg/h，代入上式得： 相应的wF2aγGμL0.16/(gε3γL)可由文献[25]查得，为0.34 则： 式中： wF——泛点空塔气速，m/s； g——重力加速度，9.81m/s2； a/ε3——干填料因子，m-1，对所选填料，a/ε3=460 m-1； μL——液体粘度，cp。 液体粘度按塔顶和塔釜平均温度计算，平均温度T=（314.65+505.83）/2=410.24K下，正丁醇的粘度可由文献[25]查得，μ=0.27cp 故空塔泛速： 选择操作气速 操作气速可按下式选择 w=（0.6～0.8）wF 式中： w——操作气速，m/s。 则操作气速为 w=0.6 wF=0.6×9.80=5.88m/s 塔径的计算 塔径可由下式计算： 式中： DT——塔径，m； V——气相流量，m3/h； 气相流量可由下式计算： 式中： m——气相流量，m3/h。 m=401.68kg/h，则气相流量为 塔径为 圆整后取蒸馏塔塔径600mm。 塔内实际流速为 压降计算： 由文献[25]，可以确定下列参数 式中： L——液相流量，kg/h； G——气相流量，kg/h； μL——液体粘度，cp； W——空塔气速，m/s； γG——气相密度，kg/m3； γL——液相密度，kg/m3； g——重力加速度，9.81m/s2； φ——填料因子，m-1，对于所选填料，φ=600 m-1； ψ——液相密度校正系数，即水的密度与液相的密度之比； 由上式得