年產220噸乙酰檸檬酸三丁酯工藝設計

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 設計任務書 學生姓名： 學號： 學 院： 專業： 任務起止時間： 設計題目： 年產220噸乙酰檸檬酸三丁酯工藝設計 研究目的與意義： 乙酰檸檬酸三丁酯是一種重要的增塑劑產品，具有低毒高效的特點，廣泛應用于多種塑料產品的生產過程。其生產過程分為兩步，即酯化和乙酰化過程。本項目在文獻報道的基礎上，擬對年產220噸乙酰檸檬酸三丁酯的工藝過程進行設計。要求分別對酯化和乙?；^程進行完備的物料衡算、能量衡算，并進行設備的選型，繪制出簡要的帶有控制點的工藝流程圖和設備結構圖。 研究內容： 1、 工藝路線的確定； 2、主要設備的物料衡算和能量衡算；3、設備的選型和分析；4、流程圖和設備結構圖的繪制。 工作內容及時間安排： 1、查閱國內外相關文獻，對所查文獻進行文獻綜述，寫出綜述報告，翻譯1~2篇英文文獻(3.2~3.27)； 2、根據所查文獻，確定工藝路線； 3、開展具體設計工作、繪制圖紙(3.28~5.29)； 4、對設計工作進行總結，撰寫畢業論文(5.30~6.19)； 5、答辯。 資料： (1) 工業催化，2004，12(3)，22-25； (2) 石油化工，2011，40(2)，171-174； (3) 化工進展，2002，21(8)，576-578； (4) 日用化學工業，2005，35(4)，242-255； (5) 非金屬礦，2005，28(5)，14-16。 指導教師意見： 同 意 簽名： 年 月 日 系主任意見： 簽名： 年 月 日 教務處制表 年產220噸乙酰檸檬酸三丁酯工藝設計 摘 要 因為乙酰檸檬酸三丁酯是由檸檬酸，正丁醇，乙酸酐為原料合成，通過氨基磺酸為催化劑，這次設計的任務是設計年產220噸的無毒增塑劑的工藝設計。探討了無毒增塑劑的性質和作用：具有溶解性強，耐油性，耐光性好。乙酰檸檬酸三丁酯較之檸檬酸三丁酯的毒性更小，可以做食品添加劑。它與大多數纖維素，聚氯乙烯，聚醋酸乙烯酯及氯化橡膠等有良好的相容性，主要用作纖維素樹脂和乙烯基樹脂的增塑劑。另外，由于它的強抗霉性，使得它在涂料生產過程中可兼起到內增塑劑和抗霉計的作用。 本文通過工藝計算確定了合成ATBC的合理工藝過程，根據操作環節進行物料衡算，熱量衡算，在通過計算結果確定設備的選型。通過計算設備的選型來確定脫醇塔，脫酸塔還有干燥塔的工藝參數。通過確定工藝參數用CAD軟件做出了控制點的流程圖，廠房布置圖，設備結構圖。 關鍵詞 乙酰檸檬酸三丁酯；物料衡算；設備選型；工藝選擇 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 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 乙酰檸檬酸三丁酯簡介 1 1.1.1 增塑劑 1 1.1.2 新型增塑劑——乙酰檸檬酸三丁酯 2 1.2 國內外發展情況 3 1.2.1 乙酰檸檬酸三丁酯的研究現狀 3 1.3 反應原理 4 1.4 設計內容 5 第2章 工藝流程的確定 6 2.1 流程敘述 6 2.2 工藝參數 6 2.3 本章小結 7 第3章 物料衡算 8 3.1 物料總衡算 8 3.1.1 各操作單元每班所得ATBC的質量 8 3.1.2 由TBC質量計算脫醇過程及酯化過程所生成TBC質量 8 3.2 單元操作物料衡算 9 3.2.1 酯化過程 9 3.2.2 脫醇過程 9 3.2.3 乙?；^程 10 3.2.4 去酸化過程 10 3.2.5 中和過程 11 3.2.6 水洗脫堿過程 11 3.2.7 干燥過程 12 3.3 總物料平衡表 12 3.4 本章小結 13 第4章 熱量衡算 14 4.1 物性數據 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 脫醇釜 18 4.6 脫醇塔頂冷凝器 19 4.7 乙酰化反應釜 19 4.8 乙?；磻淠?20 4.9 脫酸塔釜 21 4.10 脫酸酐塔頂冷凝器 22 4.11 熱量衡算結果匯總表 23 4.12 本章小結 23 第5章 設備設計與選型 24 5.1 正丁醇原料貯槽 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 正丁醇輸送泵 25 5.7 廢水貯罐 25 5.8 脫醇塔 26 5.9 脫醇塔頂冷凝器 31 5.10 乙酰化釜 31 5.11 脫醇塔泵 32 5.12 脫醇回流罐 32 5.13 正丁醇回收罐 32 5.14 醋酸酐貯罐 33 5.15 醋酸酐泵 33 5.16 脫酸塔 33 5.17 脫酸冷凝器 37 5.18 成品計量罐 37 5.19 成品貯罐 37 5.20 本章小結 37 結論 39 致謝 40 參考文獻 41 附錄A 43 附錄B 48 附錄C 55 IV 第1章 緒論 1.1 乙酰檸檬酸三丁酯簡介 ATBC無毒增塑劑，耐光和熱可以用作食品包裝在乳制品、飲料瓶子,海豹和醫療設備、玩具、無毒PVC膜,單瓶做的食物、纖維涂料、聚乙烯醇縮醛,聚醋酸乙烯酯，聚苯乙烯，聚偏二氯乙烯穩定劑，增塑劑。 1.1.1 增塑劑 凡能和樹脂均勻混合，混合時不發生化學反應，但能降低物料的玻璃化溫度和塑料成型加工時的熔體粘度，且本身保持不變，或雖起化學變化，但能長期保留在塑料制品中并能改變樹脂的某些物理性質。具有這些性能的液體有機化合物或低熔點的固體，均稱做增塑劑。 增塑劑的主要作用是減弱樹脂分子間的次價鍵（即范德華力），增加樹脂分子鍵的移動性，降低樹脂分子鏈的結晶性，增加樹脂的可塑性。 按照化學結構分類，增塑劑可以分為以下幾類： 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、季戊四醇等經酯化的產品） ②檸檬酸酯（主要品種是檸檬酸與C4～C8單元醇的酯化產品和乙?；孽；a品） ③環氧化合物 ④氯化烴化合物 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） 鄰苯二甲酸酯 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較小的品種，如一些芳香烴化合物、間或對苯二甲酸酯、硬脂酸酯、磺酰胺類以及多元醇的脂肪酸酯）。 增塑劑的選擇原則： ①和樹脂有良好的相容性 ②與聚氯乙烯樹脂有較好的增塑效率 ③揮發性低 ④耐寒型好 ⑤耐熱性好 ⑥耐水、耐油、耐有機溶劑的抽出 ⑦不遷移 ⑧無味、無臭、無色、無毒 ⑨耐霉菌好 ⑩具有阻燃性或難燃性 1.1.2 新型增塑劑——乙酰檸檬酸三丁酯 乙酰檸檬酸三丁酯[1][2]，化學名2-乙?；?丙烷-1，2，3-三羥酸丁酯(Acetyl tributyl citrate)，國內簡稱ATBC，這是無色無味油狀液體，無毒，溶于許多有機溶劑，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，凝固點－80℃ ，閃點(開口)221℃ ，BP173℃，大鼠口服LD50＞30 mL/kg體量、貓口服LD50＞50 mL/kg體重、于25℃ 水中溶解度≤0.2 g/L，市場質量指標為：外觀為透明液無雜質，色度pt-co＜40、ATBC含量＞99.5%，d(相對密度)1.043、酸度(以檸檬酸計)＜0.020 mgKOH/g、FP(開口)221℃ ，nD201.4434、水＜0.05%。 因為ATBC為無色無味無毒又可降解，可溶于多種有機溶劑而不溶于水及不水解，尤在沸水中煮6 h亦難水解，與硝基纖維、乙基纖維、氯化橡膠相溶、與醋酸纖維微溶，可作耐熱耐光食品包裝于乳制品、飲料瓶、瓶制食品的密封圈及醫療機械、玩具、無毒PVC膜、片材、纖維涂料、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇縮乙醛、聚苯乙烯等的增塑劑、聚偏二氯乙烯的穩定劑。 乙烯基樹脂及其共聚物被增塑后具極好的低溫柔軟性、熱穩定性、不變色、不揮發、不泛黃，甚適作熱封口材料，與金屬有極好的粘合力。用于乙烯基膠乳時可作乳化劑加入膠乳中，也可在市售的予增塑的膠乳中直接加入。 ATBC于70年代已廣泛用于醫療機械上，又如用作PVC血漿袋、輸液管等，今又作緩解薄片的增塑劑。當前廣泛用于美、英、德、日、荷蘭、意大利、新西蘭等數十個發達國家，由它替代了原用的毒性鄰苯二酸酯類。 ATBC可為生物可降解塑料，它可由聚乳酸酯90份、ATBC10份，防粘劑SiO2含量99%，粒徑7 nm 1份，滑爽粉C17～C12脂肪族酰胺1份組成。ATBC亦可制成熱收縮拉伸膜，是用上述配方制成0.13 mm薄膜。當ATBC與平均分子量137000的聚乳酸酯成可降解塑料。 ATBC可作潤滑劑，它可使馬口鐵壓延時所得容器表面光滑美觀。 1.2 國內外發展情況 1.2.1 乙酰檸檬酸三丁酯的研究現狀 乙酰檸檬酸三丁酯的合成[3][4] [5]分為檸檬酸與正丁醇酯化反應生成檸檬酸三丁酯及檸檬酸三丁酯乙?；磻獌刹糠?，而酯化反應是整個工藝的關鍵。目前國內外研究熱點主要集中在酯化反應新催化劑的開發上，尋找高活性，高選擇性，制備工藝簡單，經濟實用，對環境友好的新型催化劑成為國內外學者的研究。 1.2.1.1 磺酸催化劑 對甲苯磺酸(PTSA)是一種強有機酸，其催化活性高、用量少，不易引起副反應，產品色澤好，對設備的腐蝕性和環境的污染都較小，是一種研究較多的催化劑。丁斌等[6]采用共?；セê铣梢阴幟仕崛□?ATBC)。乙?；^程副產乙酸正丁酯，原料利用高，目的產物經活性炭脫色，反應產率98%以上，效果較好。謝文磊等[7]以對甲苯磺酸、吡啶為催化劑，采用兩步法合成了檸檬酸三丁酯(TBC)、ATBC。在優化條件下，TBC反應產率95%，ATBC反應產率94.2%。馬華憲等[8]采用對甲苯磺酸、乙酸和鈦酸四乙酯的混合物(7:2:l)為催化劑合成TBC、ATBC，其中ATBC反應產率達95%，產品純度超過98%。氨基磺酸性質穩定、安全易得、使用方便，可循環重復使用，有一定的開發前景。 1.2.1.2 固體超強酸催化劑 固體超強酸是指酸性比100%硫酸更強的固體酸，其酸的酸性可達100%硫酸的1萬倍以上。與傳統催化劑相比，固體超強酸具有以下優點：①催化效率高，使用量小，副產物少；②可在高溫下重復使用，催化劑與產物易于分離；③表面酸性強，且對設備無腐蝕性，不污染環境。郭錫坤等[9]對SO42-/ZrO2、SO42-/TiO2型固體超強酸的制備、結構表征及酸度測定進行了較全面的研究，進而得出制備固體超強酸的最優工藝條件和用于TBC合成的工藝參數。艾仕云等[10]自制固體超強酸SO42-/TiO2催化合成TBC，酯化率大于98%。熊國宣等[11]自制SO42-/ZrO2- TiO2復合固體超強酸，優化條件下酯化率92%。SO42-/MxOy型固體超強酸盡管有較高催化活性，但在反應過程中，固體超強酸表面會沉積一種焦，焦的形成阻礙了活性中心與反的接觸，降低了催化劑的活性，因此有待于進一步開發研究。 1.2.1.3 樹脂催化劑 樹脂催化劑合成羧酸酯具有以下優點：①產品色澤好；②產物與催化劑易分離，后處理方便；③不腐蝕設備，無三廢產生；④樹脂再生后可重復利用等。許文苑等[12]以D001型樹脂固載AlCl3催化合成TBC、ATBC，TBC酯化產率96.27%，ATBC乙?；a率95.12%，催化劑可重復使用6次，應用前景看好。 1.2.1.4 雜多酸催化劑 雜多酸是由不同的含氧酸縮合而制得的含氧多元酸的總稱，是以雜原子P5+，P3+，Ge4+，B3+，As5+，Si4+為中心原子，以WO3，MoO3，V2O5等為配體的一類化合物，是強度均勻的質子酸，其活性較硫酸高，且不腐蝕設備，具有很好的穩定性，對環境污染較小，是一類有發展前景的綠色催化劑。王煒[13]、吳茂祥等[14]分別以鎢磷酸，硅鎢酸均相反應合成TBC，優化條件下酯化率97%以上。左陽芳[15]以活性γ-Al2O3微球負載雜多酸，非均相反應合成TBC，催化劑重復使用5次，檸檬酸轉化率仍高于91%，該催化劑易于產物分離，催化活性高，反應溫度低，重復使用次數多，工業化前景較好。吳茂祥[16]以活性炭固載雜多酸合成TBC，催化劑重復使用5次，酯化率達96.3%以上，生產成本降低。但雜多酸類催化劑用于檸檬酸酷類的生產仍需在降低使用成本，提高穩定性上進一步完善與提高。 1.2.1.5 其它催化劑 楊輝瓊等[17]以硫酸氫鉀催化合成TBC，以吡啶催化合成ATBC，在優化條件下，催化劑重復使用5次后酯化率仍在94%，乙酰化率93.3%。周文富等[18]以三氯化鈦為催化劑合成TBC，TBC收率達98%，產品質量好。李芳良等[19]將微波技術引酯化反應體系，使用功率為360W的微波輻射反應體系20min，TBC轉化率在90%以上，微波技術的應用使催化反應時間大大縮短。毛立新等[20]以改性鈦基固體酸為催化劑合成TBC，優化條件下檸檬酸的酯化率達99.2%。但這些合成方法在未來工業上的應用仍有一定距離。 1.3 反應原理 適量的檸檬酸和相應比例的正丁醇，后一種氨基酸混合催化劑在酯化反應溫度,反應是形成的水不斷刪除，不增加水收集,未反應的酒精蒸餾掉，洗后,真空蒸餾，TBC在催化劑的作用，乙酸酐給ATBC原油，不蒸反應完成后的反應乙酸酐和醋酸的反應，中和、清洗、真空蒸餾ATBC完成。 反應方程式： 1.4 設計內容 1.確定年產220噸的乙酰檸檬酸三丁酯的合理生產工藝，繪制工藝流程框圖。 2.完成年產220噸的乙酰檸檬酸三丁酯的全部工藝計算，根據工藝計算確定生產設備的工藝尺寸。 3.完成標準設備的設備選型，非標準設備的設計，并繪制主要設備施工圖。 4.完成生產車間的管道儀表工藝流程設計，帶控制點的工藝流程圖。 第2章 工藝流程的確定 2.1 流程敘述 在反應開始之前，加入物料正丁醇和檸檬酸，按照4:1的配料比進入酯化反應釜V101，然后向反應釜V101中加入催化劑（氨基磺酸）加入的量為檸檬酸的4%，反應釜中進行酯化反應。為了保證反應熱的溫度保持在110℃-160℃,需要像反應釜中通入水蒸汽進保護套內，使酯化反應反應2.5小時。 酯化完成后的物料進入精餾塔V102，在V102中進行減壓蒸餾。反應物正丁醇蒸汽經過V201脫醇冷凝器降溫，然后進行回流進入V111，其中含量為98%的正丁醇進入V106回流罐，循環使用。從V102中出來的檸檬酸三丁酯和乙酸酐的比例為1:1.8加入到V103的乙酰化釜中。在V103中通入低壓蒸汽對反應釜進行加熱，加熱到85℃，并在85℃的條件下進行酰化反應。產生的氣相進入到V301中進行酯化回流，從V103中分離的乙酸酐進入到V302中。經過?；磻蟮奈锪贤ㄟ^V104進行精餾操作，從中出來的乙酸酐進行循環使用。 經過V104后的物料中會含有少量的酸性物質和催化劑，物料會出酸性，物料從V104中進入到V105中和反應釜中，在反應釜中加入質量分數為4%的碳酸鈉溶液，用來中和V105中的酸性物質，V105中會分離出水，剩余物料進入V106中，然后用物料量1.2倍的水沖洗，操作完成后的物料送入靜置釜，分理處雜質后，在進行水洗，重復三次。隨后ATCB送入V107中進行干燥脫水，就可以得到乙酰檸檬酸三丁酯。 2.2 工藝參數 年產量220噸ATBC，年工作日300天。 ①酯化過程： 原料：檸檬酸質量分數90% 正丁醇質量分數98% 為了提高檸檬酸轉化率，采用正丁醇過量的方法，原料配比： n（檸檬酸）：n（正丁醇）=1:4 催化劑氨基磺酸加入量為檸檬酸量的4%(質量分數)，恒沸物水中含醇7.7%（質量分數)，醇中含水20.1%(質量分數)。 反應溫度：110℃～160℃ 反應時間：2.5h 檸檬酸轉化率：98.2% 檸檬酸三丁酯收率：98.2% ②脫醇過程： 正丁醇出料質量分數:：≥98% 塔釜正丁醇質量分數：≤1% 檸檬酸三丁酯收率：98.2% ③乙?；^程： 醋酸酐質量分數：98% 原料配比n（檸檬酸三丁酯）：n（醋酸酐）=1:1.8 反應溫度：85℃ 反應時間：2h TBC轉化率：99.8% ATBC收率：99.8% ④脫酸過程： 輕組分出料質量分數：≥98% 塔釜殘液質量分數：≤1% ATBC收率：99.5% ⑤中和及分離過程(堿洗及分離過程)： ATBC收率：98% 質量分數為4%Na2CO3的加入量為按殘余酸計算消耗堿的理論量的5倍 ⑥水洗及分離過程： ATBC收率：99.0% 水的加入量和物料量的質量比為1.2:1，洗三次，每次用時4h～4.5h ⑦干燥(脫水過程)： ATBC收率：99.5% 2.3 本章小結 本章確定了工藝流程，以及工藝的過程。通過查閱文獻確定工藝參數，確定了進料量。 第3章 物料衡算 3.1 物料總衡算 3.1.1 各操作單元每班所得ATBC的質量 計算標準：天 據物料衡算，由各單元收率得 A.產品乙酰檸檬酸三丁酯量： B.干燥（脫水）過程： C.分離和水洗過程： D.分離和中和過程： E.脫酸過程： F.乙?；^程： 反應方程式： 理論上消耗醋酸酐203.91kg，理論上消耗TBC719.68kg，理論上生成醋酸119.95kg。實際需加入醋酸酐367.04kg，純TBC721.12kg。 3.1.2 由TBC質量計算脫醇過程及酯化過程所生成TBC質量 ①脫醇過程： ②醋化過程生成TCB質量： 3.2 單元操作物料衡算 3.2.1 酯化過程 酯化反應如下： 理論上用掉檸檬酸384.60kg，用掉正丁醇444.70kg，產生水108.17kg。實際上需要填料98%正丁醇684.59kg，填料90%檸檬酸436.05kg，填料氨基磺酸21.12kg。反應后還剩檸檬酸7.85kg，正丁醇217.13kg，水124.07kg，氨基磺酸21.12kg，雜質37.25kg。 酯化反應釜平衡物料見表3-1。 表3-1 酯化反應釜平衡物料表 酯化反應前 酯化反應后 反應物 反應物重量，kg 反應物 反應物，kg 所占比例，% 90%檸檬酸 436.05 檸檬酸 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 雜質 37.25 3.25 合計 1141.76 合計 1141.76 100 水溶性正丁醇是20.1%(wt %的水),正丁醇水中溶解度為7.7%(重量%),最后未反應的正丁醇和水分為兩部分。物料平衡,正丁醇的酯化反應和分離回流罐2.37kg,11.37kg,丁醇酯化反應器材料214.76kg、113.33kg。 3.2.2 脫醇過程 假設脫下醇，氨基磺酸，檸檬酸不能從頂部蒸，正丁醇和水可以完全被蒸出從塔的頂部，塔蒸出的正丁醇和水被分成兩部分。 一部分是由含共沸混合物的7.7％（質量％）的水和正丁醇正丁醇的，另一部分是對正丁醇2％（質量％）的含水。由物料平衡，塔回收的98％正丁醇219.07kg，實際消耗正丁醇231.5kg。 脫醇塔物料平衡見表3-2。 表3-2 脫醇塔物料平衡表 進塔反應物 出塔反應物 塔釜反應物 塔頂反應物 反應物 重量，kg 反應物名稱 重量，kg 百分比，% 反應物名稱 重量，kg 百分比，% 檸檬酸 7.85 檸檬酸 7.85 1 98%檸檬酸 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 雜質 37.25 4.73 TBC 734.34 雜質 37.25 合計 1141.76 合計 787.34 100 合計 354.42 100 3.2.3 乙?；^程 大孔強酸性陽離子交換樹脂加入量5%(質量%，相對于TBC)，催化劑需要量： 添加98%乙酸酐374.53kg,后剩余乙酸酐乙?；磻?70.62公斤,剩余材料TBC1.44kg 物料平衡乙?；^程見下表3-3。 表3-3 物料平衡乙酰化反應 進釜反應物物料 出釜反應物物料 反應物物料名稱 重量，kg 反應物物料名稱 重量，kg 百分比例，% 檸檬酸 7.85 檸檬酸 7.85 0.66 催化劑 36.06 催化劑 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 雜質 37.25 雜質 38.81 3.29 乙酸 119.95 10.15 合計 1181.53 合計 1181.53 100 3.2.4 去酸化過程 脫酸過程反應物料平衡見表3-4。 表3-4 脫酸塔反應物料平衡表 反應進塔物料 反應出塔物料 塔釜物料 塔頂物料 物料 質量，kg 物料 質量，kg 比例，% 物料 質量，kg 比例，% 檸檬酸 7.85 檸檬酸 7.85 0.90 乙酸 119.95 38.30 ATBC 793.17 催化劑 57.18 6.55 乙酸酐 154.45 49.31 催化劑 57.18 TBC 1.44 0.17 雜質 38.81 12.49 乙酸酐 163.13 雜志 5.23 0.60 TBC 1.44 ATBC 793.17 90.80 雜質 38.81 乙酸酐 8.68 0.98 乙酸 119.95 合計 1181.53 合計 873.55 100 合計 313.21 100 設塔釜中乙酸酐的質量分數為1%，隨著塔釜中出料被帶出的乙酸酐8.68kg，會隨著塔頂帶出乙酸酐154.45kg。在脫酸過程中塔頂物料分為兩部分，一部分為含醋酸的2%醋酸酐，另一部分為醋酸，其中回收98%的醋酸酐157.60kg，實際上每班需消耗98%醋酸酐213.2kg，回收醋酸117.55kg。 3.2.5 中和過程 中和反應過程中物料重量平衡見下表3-5。 表3-5 中和反應釜物料重量平衡表 進入中和釜反應物料 中和釜反應物料出口 水相 油相 反應物料 質量，kg 反應物料 質量，kg 比例，% 反應物料 質量，kg 比例，% 檸檬酸 7.85 碳酸鈉 91.03 2.70 ATBC 777.31 94.21 ATBC 793.17 氨基磺酸鈉 25.69 0.76 TBC 1.44 0.18 氨基磺酸 21.12 檸檬酸鈉 11.66 0.35 雜質 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 碳酸鈉 16.53 2.00 雜質 5.23 乙酸鈉 12.62 0.37 水 3226.8 二氧化碳 9.18 0.27 碳酸鈉 134.45 合計 4198.74 合計 3371.23 100 合計 825.07 100 3.2.6 水洗脫堿過程 水洗后碳酸鈉完全進入水相，即進入水相碳酸鈉16.53kg，水洗后進入油相中水量為3%（質量%，以ATBC計），則進入油相水量為24.01kg。所以油相中ATBC的量為769.53kg。 水洗釜物料平衡見表3-6。 表3-6 水洗釜物料平衡表 進水洗釜物料 出水洗釜物料 水相 油相 物料 質量，kg 物料 質量，kg 比例，% 物料 質量，kg 比例，% ATBC 777.31 碳酸鈉 16.53 0.33 ATBC 769.53 96.17 TBC 1.44 ATBC 7.78 0.16 TBC 1.44 0.18 碳酸鈉 16.53 水 4945.5 99.51 雜質 5.23 0.65 水 4969.51 水 24.01 3.00 雜質 5.23 合計 5770.02 合計 4969.81 100 合計 800.21 100 3.2.7 干燥過程 計算依據：乙酰檸檬酸三丁酯收率99.5%。 干燥過程隨水帶出ATBC3.85kg： 設干燥產品中含水量0.2%（質量%，以ATBC計），進入產品中水量為2.68kg，蒸發掉水分37.52kg。塔內的產品ATBC質量為765.68kg。 干燥過程物料平衡見表3-7。 表3-7 干燥塔物料平衡表 進干燥塔物料 出干燥塔物料 蒸發物料 塔內產品 物料 質量，kg 物料 質量，kg 比例，% 物料 質量，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 雜質 5.23 0.68 雜質 5.23 水 1.58 0.20 合計 800.21 合計 26.28 100 合計 773.93 100 3.3 總物料平衡表 表3-8物料平衡總表 反應進料 反應出料 反應物料名稱 質量，kg 物料名稱 質量，kg 90%檸檬酸 436.05 檸檬酸鈉 11.66 98%正丁醇 684.59 正丁醇 217.13 催化劑 57.18 氨基磺酸鈉 25.69 98%乙酸酐 374.53 TBC 28.25 水 8172.3 水 8301.13 碳酸鈉 134.45 雜質 38.81 乙酸鈉 12.62 ATBC 793.17 二氧化碳 12.62 碳酸鈉 107.56 催化劑 36.06 乙酸酐 154.45 乙酸 119.95 合計 9859.1 合計 9859.1 3.4 本章小結 本章根據定的生產流程及年生產量進行了該生產流程的全部物料衡算，為下面的設備設計提供依據。 第4章 熱量衡算 4.1 物性數據 查得不銹鋼的傳熱系數為 查得搪玻璃的傳熱系數為 搪玻璃的壁厚為 換熱損失為 1.計算傳熱面積/設計傳熱面積=0.87 查訊酯化反應的反應熱為 乙?；磻姆磻獰釣? 2.計算物質的熱容和焓變值 在計算物料衡算中不同溫度下的恒壓熱熔的熱量數值見表4-1。 表4-1 不同物料在不同溫度下的恒壓熱熔值 攝氏度 檸檬酸 正丁醇 TBC ATBC 醋酸酐 醋酸 H2O 說明 20.1 173.27 75.31 除了最后一個溫度水的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 不同溫度下不同物質的焓變值 溫度，℃ 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： 加入檸檬酸=392.45kg；加入正丁醇=670.90kg 其它=55.97kg 2.物料溫度變化： 物料在溫度為通過加熱1小時，溫度升至92.6℃。物料中含有的水經過加熱一小時（92.6℃）被完全蒸發，然后反應2.5小時在92.6℃下，通過150℃的水蒸汽加熱。 3.反應開始階段：加熱升溫和吸熱 反應溫度經水蒸汽加熱由25℃升高到92.6℃，反應的平均溫度取58.8℃。 式中： 反應中會有5%的熱損失，取 4.反應中間階段：加熱蒸發和吸熱 反應過程中物料中的水55.97kg全部汽化，在共沸物組成中正丁醇的質量分數以57.65%計算，正丁醇汽化量為 則： 式中： △Hi——對應物質的汽化熱，kJ/mol； 反應中會有5%的熱損失，取。 5.反應最后階段：反應過程吸熱（2.5小時） 反應過程會生成水108.17kg，假設生成水完全汽化，上升氣相中含70%的正丁醇，即252.40kg。 反應過程中會有5%的熱損失，取 . 以每小時計， 6.估算對反應釜的傳熱面積（材質為搪瓷）： 式中： K——搪瓷的傳熱系數，kJ/(h·m2·℃)； 上式中的Q取Q1，Q2，Q3中的最大值 即： Q=195479.5KJ/h 平均溫差的△t計算： 式中： △t——平均溫差，℃； 取 7.加熱酯化釜所需的蒸汽量： kJ 蒸汽流量由Q1計算，則： 4.3 酯化釜第一冷凝器 蒸發階段是上升氣體在酯化反應中的最大流量，即： 正丁醇：76.04kg/h 水：55.97kg/h 假設反應物料全部冷凝，冷卻水的溫度由25℃升至40℃ 物料由92.6℃降至30℃，平均溫度61.3℃，采用不銹鋼為換熱器的成分。 計算的換熱面積為： 加上5%熱損失， 取 冷卻水在一定時間內的最大流動量： 式中： W——冷卻水流量，kg/h。 4.4 酯化釜第二冷凝器 1.假設正丁醇經過第一冷凝器會有80%的物料被冷凝，會有20%未被冷凝，正丁醇用0℃的鹽水進行冷凝。水由0℃升至10℃，物料由30℃降至10℃，平均溫度20℃。 2.傳熱面積估算： 再加上5%的換熱損失，取Q=11829.44kJ 取 3.冷卻水在一定時間內的最大流動量： 4.5 脫醇釜 1.加入反應物的量： 脫醇的過程時間為4個小時，加入的物料全部按照正丁醇計算，所以加入的物料量為341.2kg，所以平均每小時加入物料為341.2/4=85.3kg/h，取反應回流比R=1.5，則上升的氣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檸檬酸三丁酯的量為：800.56kg/h 該反應是減壓操作，絕對壓力為2666pa，反應物料中正丁醇的沸點為42℃。 2.假設升溫和升溫吸熱 反應物料由室溫（25℃）在1小時內升至42℃，然后在42℃下脫除全部正丁醇，平均溫度33.5℃。 再加上5%的換熱損失，取Q1=36634.00kJ 3.再汽化過程中的吸熱： 4.對換熱面積的估算： 式中： 最大熱量的Q=144687.24kJ/h 5.加熱蒸汽量的計算： 反應過程中最大蒸汽流量由Q2計算： 4.6 脫醇塔頂冷凝器 1.上升氣量：正丁醇217.13kg/h 冷卻水的溫度由0℃升到10℃，物料的溫度由42℃降至10℃，脫醇的平均溫度26℃。 2.估算反應過程的換熱面積： 再加上5%的換熱損失，取Q=172855.20kJ 取 3.最大流量的冷凍水： 4.7 乙?；磻? 1.反應物進料量： TBC:712.21kg 剩下的按醋酸計算：469.32kg 2.升溫假設 物料由室溫（25℃）在1小時內加熱升溫升至85℃，然后在85℃下反應2h，反應過程會有50%的醋酸汽化。 3.反應開始階段：升溫吸熱 反應釜溫度由25℃升至85℃，反應釜中平均溫度55℃。 再加上5%的換熱損失，取Q1=152854.73kJ 4.吸熱反應： 再加上5%的換熱損失，Q2＇=248648.01kJ 以平均反應時間/h計，Q2=124324kJ 5.乙酰化釜傳熱面積估算： Q取最大值Q1=152854.73kJ 取 6.反應過程中升高溫度所需蒸汽量： 最大流量的蒸汽由Q1計算，則 4.8 乙?；磻淠? 1.反應物進料量： 反應中有50%的乙酸汽化，即：469.32×0.5=234.66kg 每小時汽化量，即：234.66/0.25=938.64kg/h 2.估算傳熱面積： ： 反應過程中冷卻的溫度水由25℃加熱升至35℃，而反應物料的溫度由85℃降至40℃，反應物料的平均溫度62.5℃。 再加上5%的換熱損失，Q=517747.98kJ 取 3.最大流量的冷卻水： 4.9 脫酸塔釜 1.反應物進料量： 乙酸：119.95kg； 乙酸酐：163.13kg 剩下的物料按照乙酰檸檬酸三丁酯（ATBC）為：898.45kg： 設加熱升溫的時間為1個小時，操作反應時間為4個小時，回流比取R=1.5，則蒸發氣體中： 乙酸酐為：163.13×2.5/4=101.96kg/h 乙酸為：119.95×2.5/4=74.97kg/h 脫酸反應為減壓操作，絕壓2666Pa，乙酸酐酐的沸點為47℃，醋酸的沸點為29℃，取平均值38℃作為計算依據。 2.反應過程的升溫的假設 物料由室溫（25℃）在1小時內升溫至38℃，然后在38℃下，脫除全部的醋酸酐和醋酸。 3.反應升溫過程吸熱計算： 再加上5%的換熱損失，取Q1=28381.28kJ 4.對反應汽化過程吸熱計算： 再加上5%的換熱損失，Q2=83097.13kJ 5.對反應釜換熱面積的估算： Q取最大熱量83097.13kJ/h，則 取 6.對反應釜蒸汽量的計算： 對反應釜蒸汽最大流量由Q2計算，則： 4.10 脫酸酐塔頂冷凝器 1.在反應過程被蒸發的氣體： 乙酸酐：101.96kg/h 乙酸：74.97kg/h 反應過程中冷凍水的溫度由0℃升至10℃；物料過程中的溫度由38℃降至12℃，平均溫度26℃。 2.冷凝器換熱面積估算 再加上5%的換熱損失，取Q=93055.51kJ 取 3.反應過程中冷凍水最大流量 4.11 熱量衡算結果匯總表 熱量衡算結果匯總見表4-3。 表4-3 熱量衡算結果匯總表 換熱反應過程反應器 換熱反應面積，m2 加熱蒸汽最大流量，kg/h 冷卻水最大流量，kg/h 酯化反應釜 2.875 92.19 酯化反應釜第一冷凝器 7.935 3254.70 酯化反應釜第二冷凝器 0.644 282.73 脫醇塔 0.650 68.23 脫醇塔頂冷凝器 7.176 4131.34（冷凍水） 乙?；? 2.139 72.08 乙?；淠? 13.69 12374.46 脫酸塔塔釜 0.897 39.19 脫酸塔頂冷凝器 4.37 2224.08（冷凍水） 4.12 本章小結 本章根據定的生產流程及年生產量進行了該生產流程中反應設備熱量衡算，為下面的設備設計提供依據 第5章 設備設計與選型 5.1 正丁醇原料貯槽 設計壓力為p=2.5kgf/cm2（25×10-2Mpa）100%無損探傷貯罐。 原料中加入正丁醇的量為684.59kg，通過查閱可得水的密度為998.2kg/m3和正丁醇的的密度為810.9kg/m3，則物料的平均密度為： 上式中： ——物料的質量分數； ——密度，kg/m3； 計算得原料的貯槽，裝料系數取0.85，則計算的容積為4.95m3。 通過查閱文獻可得，選擇公稱容積為5m3的立式儲罐兩個。 貯罐的結構尺寸為：公稱直徑DS=1200mm，壁厚S=5mm，焊縫系數ψ=1.0，允許腐蝕裕度為1.5mm，貯罐重量=935kg。 5.2 酯化釜 加入反應釜的總物料為2040.9kg，反應物的密度為1000kg/m3，所以加入反應釜的總體積為： 計算反應釜的容積：裝料系數為0.75 所以查閱文獻可得選用規格為K3000L型的搪玻璃反應罐。反應罐的主要參數表：傳熱面積為8.61m2，公稱直徑D=1600mm，貯罐重量為=3470kg。 5.3 酯化釜第一冷凝器 通過計算可知，冷凝器在反應過程中的傳熱面積為15.02m2。 所以，通過查閱文獻得知，選擇換熱面積為16m2的列管式固定管板冷凝器。其外徑為400mm，有效長度為2000mm。 5.4 酯化釜第二冷凝器 通過計算可知，冷凝器在反應過程中的傳熱面積為1.18m2。 所以，通過查閱文獻可得，選擇換熱面積為2m2的列管式固定管板冷凝器。其外徑為219mm，有效長度為1500mm。 5.5 酯化回流罐 由物料衡算和熱量衡算可知：正丁醇的最大流量為：139.48kg/h，水的最大流量為：102.67kg/h。 平均密度為：ρ=880.99kg/m3。 計算回流罐的容積： 裝料系數取0.75，貯存時間按1小時計。 所以查閱文獻得，選擇公稱容積0.5m3無折邊錐形容器系列。 回流罐的工藝參數：V=0.5m3,，公稱直徑D=600mm，壁厚S=5mm，長度L=1600mm，焊縫系數ψ=1.0，貯罐重量M=230kg。 5.6 正丁醇輸送泵 正丁醇輸送量1228.68kg，輸送正丁醇的體積為1228.68/813.95=1.510 m3，10分鐘將該物料送入正丁醇計量罐，流量1.510×60/10=9.06m3/h 泵安裝在廠房底層，酯化計量罐進料口在平面上方，考慮到能量損失，由文獻[23]查得，選IS50—32—125型單級單吸離心泵。 泵為動設備，需選擇2臺，一開一備。 5.7 廢水貯罐 有物料衡算可知：酯化釜中回收的物料為：正丁醇4.30kg，水55.48kg。 脫醇塔中回收的物料為：正丁醇18.50kg，水221.8kg。 平均密度： 計算貯罐體積： 貯存的物料以廢水為基準，時間是五天。裝料系數取0.8。 通過查閱文獻得，選擇體積為2m3的立式平底平蓋容器系列貯罐。 貯罐的工藝參數：全容積V=2m3，公稱直徑D=900mm，壁厚S=5mm，長度L=2800mm， 焊縫系數ψ=1.0，貯罐重量M=500kg。 5.8 脫醇塔 密度近似取為1000 kg/m3，裝料系數取0.75，則脫醇塔釜體積為： 因物料具有腐蝕性，由文獻[23]，塔釜選搪玻璃系列公稱容積為3000L的蒸餾罐。塔釜對應的傳熱面積為8.67m2，與計算結果1.22m2比較，滿足工藝要求。 理論塔板數的確定 TBC的沸點如下： 170℃（133.32Pa，1mmHg） 225℃（666.61Pa,5mmHg） 233℃（2933.09Pa，22mmHg） 純液體的飽和蒸汽壓可由安托因方程 式中：p——在溫度T下的蒸汽壓，mmHg； T——溫度，K。 把上述三組TBC沸點與對應的飽和蒸汽壓的數據代入方程中，得 由上述三式，得A=－0.5800，B=43.393，C=－517.97 當P=2666Pa（20mmHg）時， 解得，T=505.83K，即t=232.68℃ 由文獻[24]查得，2666 Pa（20mmHg）時，正丁醇的沸點為t=41.5℃ 該溫度下TBC的飽和蒸汽壓可由TBC得安托因方程解得，飽和蒸汽壓PTBC=0.6931mmHg。 由文獻[24]查得正丁醇的安托因常數為A=17.2160，B=3137.02，C=－94.43。當T=505.83K時，由安托因方程解得正丁醇的飽和蒸汽壓P正丁醇=14629mmHg。 2666Pa下塔頂及塔釜正丁醇和檸檬酸三丁酯的飽和蒸汽壓及相對揮發度列于表5-1。 表5-1 塔頂、塔釜正丁醇和TBC的飽和蒸汽壓及相對揮發度 溫度，K P正丁醇，mmHg PTBC，mmHg， 相對揮發度α 314.65 20 0.6931 28.86 505.83 14629 20 731.46 用幾何平均值計算相對揮發度 則 由脫醇塔物料衡算知，若將水和正丁醇看作正丁醇，則正丁醇的量為642.66kg；將其余物料看作檸檬酸三丁酯，則檸檬酸三丁酯的量為1338.16kg。則進脫醇塔正丁醇物質的量分數xF=0.3244 塔頂物料為正丁醇642.66kg，TBC為22.88kg，則正丁醇物質的量分數為xw=0.018 采用逐板計算法計算所需理論塔板數。 由相平衡方程 式中： y——氣相組成，物質的量分數； x——液相組成，物質的量分數； α——相對揮發度。 回流比R=1.5，則操作線方程為 式中： R——回流比； xD——塔頂易揮發組分組成。 計算自塔頂xD=0.9656開始，交替使用操作線方程 y=0.6x+0.38624 及相平衡方程： 依次計算，結果見表5-2。 表5-2 操作終態時理論板數計算 氣相組成y 液相組成x y1=0.9656 x1=0.1619 y2=0.48338 x2=0.0064 由此可知，需2塊理論板數。塔釜相當于一塊理論板，實際需要1塊理論板即可。 泛點氣速的計算： 首先確定下式： 式中： L——液相流量，kg/h； G——氣相流量，kg/h； γG——氣相密度，kg/m3； γL——液相密度，kg/m3。 氣相密度按正丁醇密度考慮，由下式： 式中： p——絕對壓力，Pa； M——摩爾質量，kg/mol； R——理想氣體常數，8.314J/(mol·K) T——絕對溫度，K，按塔頂溫度計算。 氣相密度： 液相密度按正丁醇考慮，則γL=810.9 kg/m3 L=241.005kg/h，G=401.68kg/h，代入上式得： 相應的wF2aγGμL0.16/(gε3γL)可由文獻[25]查得，為0.34 則： 式中： wF——泛點空塔氣速，m/s； g——重力加速度，9.81m/s2； a/ε3——干填料因子，m-1，對所選填料，a/ε3=460 m-1； μL——液體粘度，cp。 液體粘度按塔頂和塔釜平均溫度計算，平均溫度T=（314.65+505.83）/2=410.24K下，正丁醇的粘度可由文獻[25]查得，μ=0.27cp 故空塔泛速： 選擇操作氣速 操作氣速可按下式選擇 w=（0.6～0.8）wF 式中： w——操作氣速，m/s。 則操作氣速為 w=0.6 wF=0.6×9.80=5.88m/s 塔徑的計算 塔徑可由下式計算： 式中： DT——塔徑，m； V——氣相流量，m3/h； 氣相流量可由下式計算： 式中： m——氣相流量，m3/h。 m=401.68kg/h，則氣相流量為 塔徑為 圓整后取蒸餾塔塔徑600mm。 塔內實際流速為 壓降計算： 由文獻[25]，可以確定下列參數 式中： L——液相流量，kg/h； G——氣相流量，kg/h； μL——液體粘度，cp； W——空塔氣速，m/s； γG——氣相密度，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，對于所選填料，φ=600 m-1； ψ——液相密度校正系數，即水的密度與液相的密度之比； 由上式得