毕业设计说明书(同名1353).doc

本 科 毕 业 设 计 (论 文)400吨/年乙酰柠檬酸三丁酯生产工艺设计Process design of 400 t/a acetyl tributyl citrate production 学 院： 化学工程学院 专业班级： 化学工程与工艺 化工051 学生姓名： 学 号： 050511106 指导教师： 许前会（副教授） 2009年 6 月毕业设计（论文）中文摘要400吨/年乙酰柠檬酸三丁酯生产工艺设计摘 要：对年产400吨无毒增塑剂乙酰柠檬酸三丁酯生产进行了工艺设计。概述了乙酰柠檬酸三丁酯的性质、用途和发展前景；在综合比较各种工艺的基础上，确定了以柠檬酸、正丁醇、醋酸酐为原料，以氨基磺酸和大孔强酸性阳离子交换树脂为催化剂生产乙酰柠檬酸三丁酯的工艺流程。依据工艺设计的程序，按操作单元进行物料衡算，确定了每个操作单元进出物料量。对工艺中涉及到的换热系统均进行了热量衡算，确定了各换热器的换热面积和加热蒸气、冷却水、冷冻水的消耗量。结合物料衡算、热量衡算和工艺设计要求，设计了主要设备，计算了脱醇塔、脱酸塔，对辅助设备进行选型。最后进行了工程投资与效益分析。关键词：乙酰柠檬酸三丁酯；工艺设计；物料衡算；热量衡算毕业设计（论文）外文摘要Process design of 400 t/a acetyl tributyl citrate production Abstract: It was designed that 400t/a innocuous elasticizer acetyl tri-n-butyl citrate production line.The dissertation introduced the property and use of acetyl tri-n-butyl citrate,forecasted its applied foreground.Compared the various processes,the process of synthesizing acetyl tri-n-butyl citrate was defined,using citric acid,n-butyl alcohol and aceticanhydride as raw material and amino-acid and great hole strong acid cation exchange resin as catalyst. According to the process of technological design,the material-balance calculation were introduced for each unit.The heat-balances were also calculated,the heat-exchange area for each heat exchanger,the consumptions of the steam and cooling streams were gotten. According to the material balance,the the thermal balance and the design require,main equipments were designed, the deacidify tower were determined, auxiliary equipment were selected . At last, it conducted the construction invest and benefit analysis.Keywords: acetyl tributyl citrate; process design; material balance; heat balance目 录1 绪论11.1 乙酰柠檬酸三丁酯综述11.2 国内外发展情况31.3 反应原理41.4 本设计内容说明52 工艺流程的确定52.1 流程叙述52.2 工艺参数63 物料衡算73.1 总物料衡算73.2 单元操作物料衡算93.3 总物料平衡表154 热量衡算154.1 物性数据154.2 酯化釜164.3 酯化釜第一冷凝器194.4 酯化釜第二冷凝器194.5 脱醇釜204.6 脱醇塔顶冷凝器214.7 乙酰化釜224.8 乙酰化釜冷凝器234.9 脱酸塔釜244.10 脱酸酐塔顶冷凝器254.11 热量衡算结果汇总265 设备设计与选型266 三废处理417 经济概算427.1 生产装置投资427.2 产品成本估算427.3 经济效益分析43结论44致谢45参考文献46淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 49 页 共 47 页1 绪论1.1 乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）综述 乙酰柠檬酸三丁酯是一种无毒增塑剂，可用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。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：（1） 脂肪族二元酸酯（2） 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）（3） 柠檬酸酯（主要品种是柠檬酸与C4C8单元醇的酯化产品和乙酰化的酰化产品）（4） 环氧化合物（5） 氯化烃化合物（6） 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）（7） 邻苯二甲酸酯（8） 苯多羧酸酯（9） 石油酯（主要是烷基磺酸苯酯）（10） 聚酯（11） 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（11） 电绝缘性能良好（12） 耐污染、耐化学试剂侵蚀（13） 容易获得、价格低廉。1.1.2 新型增塑剂乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）12乙酰柠檬酸三丁酯，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LD5030 mL/kg体量、猫口服LD5050 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-co40、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%。结构式如下：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C17C12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34 5乙酰柠檬酸三丁酯的合成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方向。 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%，ATCB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。 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：催化效率高，使用量小，副产物少；可在高温下重复使用，催化剂与产物易于分离；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。 树脂催化剂树脂催化剂合成羧酸酯具有以下优点：产品色泽好；产物与催化剂易分离，后处理方便；不腐蚀设备，无三废产生；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。 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-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。 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与相应比例的正丁醇、催化剂氨基磺酸混合后在一定温度下发生酯化反应，不断除去反应生成的水，待收集的水分不再增加时，蒸出未反应的醇，经中和、洗涤、减压蒸馏得TBC，TBC在催化剂的作用下和乙酸酐反应得到ATBC的粗品，反应完后蒸出未反应完的乙酸酐及反应生成的乙酸，经中和、洗涤、减压蒸馏得到成品ATBC。反应方程式：1.4 本设计内容说明本课题对年产400吨无毒增塑剂乙酰柠檬酸三丁酯项目进行工艺设计。设计中，参考国内外同类工业生产的工艺现状，将生产过程分为酯化、脱醇、乙酰化、脱酸、中和及分离、水洗及分离、干燥等7个操作单元，通过进行物料衡算，确定每个操作单元进出物料量，同时为热量衡算、设备选择奠定基础。对该工艺中所涉及到的各换热过程如酯化、脱醇、乙酰化、脱酸等操作单元的加热釜、冷凝器等设备均进行热量衡算，确定各换热器的传热面积、加热过程所用加热蒸气量和最大加热蒸气量、冷却过程冷却水消耗量和最大消耗量，为各换热设备的选择和公用工程中涉及到的加热蒸气、冷却水的供应提供了依据。结合对各个单元所进行的物料衡算和热量衡算，根据各操作单元所涉及的物料性质，对该工艺中所涉及到的设备进行了选择，其中的定型设备根据化工工艺设计手册进行选择，非定型设备如蒸馏塔则根据进入蒸馏物料量进行必要计算，确定各塔所需理论板数，根据所选填料特性确定所需填料层高度，最终确定各设备的材质和规格。2 工艺流程的确定2.1 流程叙述2122柠檬酸与正丁醇按摩尔比1:4的配比进入酯化反应釜，加入氨基磺酸(加入量为柠檬酸的4%)做催化剂进行酯化反应，反应釜夹套内通入水蒸气将反应物料加热到110160反应2.5小时至酯化合格。酯化合格后的物料转入脱醇塔，进行减压精馏，正丁醇蒸气经脱醇冷凝器降温后，部分回流，其余含98%正丁醇的溶液进入丁醇回收罐循环使用。脱醇后的柠檬酸三丁酯与质量分数为98%的醋酸酐按摩尔比划1:1.8的比例分别加入酰化釜中，在酰化釜夹套通入低压蒸气，加热到85，并控制反应温度在85左右进行乙酰化反应。产生的气相经乙酰化冷凝器降温后回流到乙酰化釜，分离出的醋酸酐进入醋酸酐回收罐。酰化后的物料通过脱酸塔进行精馏操作，分离出的醋酸酐循环使用。经过脱酸后的物料中仍含有少量的醋酸酐、醋酸以及氨基磺酸，使物料呈酸性，在中和釜内加入w（碳酸钠)=4%的溶液中和残余的酸性物质，并将中和后的物料送至静置釜内以除去大量的水及生成的盐(ATBC在水中溶解度极小)。为尽可能除去中和生成的盐，将中和后的物料送入水洗釜，用物料量1.2倍的水分三次洗涤，水洗后的物料送入水洗静置釜，分离出废水和盐分后，再次进入水洗釜水洗，反复三次，随后将ATCB送入干燥塔脱去残余的微量水分，即可得成品ATCB。合成乙酰柠檬酸三丁酯的工艺流程框图如图1所示。图1 乙酰柠檬酸三丁酯的合成工艺流程框图本设计工艺与传统生产方法相比，具有下列优点：该工艺选用催化活性高的氨基磺酸和大孔强酸性阳离子交换树脂，使酯化率以及酰化率都很高，而且这两种催化剂重复使用后催化活性依然很高。乙酰柠檬酸三丁酯的传统生产工艺是将精制的柠檬酸三丁酯作为乙酰化的原料，经乙酰化反应而制得，该工艺路线与传统工艺路线相比缩短了工艺路线，省去了脱醇前的碱洗、水洗等工序，减少了设备投资和加工费用。该工艺与传统工艺相比，采用纯度较低的柠檬酸三丁酯作为乙酰化的原料，乙酰化过程不需再添加催化剂，即可生产出合格产品，降低了生产成本。该工艺省去了脱醇前的碱洗、水洗等工序，减少的柠檬酸三丁酯的损失，提高了乙酰柠檬酸三丁酯的收率，降低了原料的消耗，并减少了废水的排放，降低了废水处理的难度。2.2 工艺参数年产量400吨ATBC，年工作日300天。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：110160反应时间：2.5h柠檬酸转化率：98.2%柠檬酸三丁酯收率：98.2%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%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：2hTBC转化率：99.8%ATBC收率：99.8%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%中和及分离过程(碱洗及分离过程)ATBC收率：98%质量分数为4%Na2C03的加入量为按残余酸计算消耗碱的理论量的5倍水洗及分离过程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4h4.5h干燥(脱水过程)ATBC收率：99.5%3 物料衡算计算基准：天3.1 总物料衡算据物料衡算，由各单元收率得产品ATCB量 干燥过程 水洗及分离过程 中和及分离过程 脱酸过程 乙酰化过程 3.1.1 各操作单元每班所得ATBC的质量乙酰化过程如图2所示。图2 乙酰化过程简图乙酰化反应如下： 由乙酰柠檬酸三丁酯的质量经物料衡算得，理论上消耗柠檬酸三丁酯1245.59kg，理论上消耗醋酸酐352.92kg，理论上生成醋酸207.60kg。实际需加入纯柠檬酸三丁酯1248.09kg，加入醋酸酐635.26kg。3.1.2 由TBC质量计算脱醇过程及酯化过程所生成TBC质量脱醇过程醋化过程生成TCB质量 3.2 单元操作物料衡算3.2.1 酯化过程酯化过程如图3所示。图3 酯化过程简图酯化反应如下：由柠檬酸三丁酯的质量经物料衡算得，理论上消耗柠檬酸690.28kg，消耗正丁醇798.13kg，生成水194.14kg。实际需加入90%柠檬酸781.04kg，加入98%正丁醇1228.68kg，加入氨基磺酸31.24kg。酯化反应后剩余柠檬酸12.65kg，正丁醇405.98kg，水296.82kg，氨基磺酸31.24kg，杂质23.3kg。酯化釜物料平衡见表1。表1 酯化釜物料平衡表水在正丁醇中的溶解度为20.1%（质量%，水），正丁醇在水中溶解度为7.7%（质量%），最终未反应的正丁醇与水分为两部分。通过物料衡算得，从酯化回流罐中分离出正丁醇4.30kg，水55.84kg，出酯化釜物料中正丁醇401.68kg，水240.98kg。3.2.2 脱醇过程脱醇过程如图4所示。图4 脱醇过程简图假设脱醇时，氨基磺酸、柠檬酸不会从塔顶蒸出，水和正丁醇均可从塔顶全部蒸出，塔顶蒸出的水和正丁醇分为两部分，一部分为水与正丁醇组成的含正丁醇7.7%（质量%）的恒沸混合物，另一部分为含水2%（质量%）的正丁醇。经物料衡算得，塔顶回收质量分数为98%正丁醇402.36kg，实际一班需消耗正丁醇433.38kg。脱醇塔物料平衡见表2。表2 脱醇塔物料平衡表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)，催化剂需要量加入98%醋酸酐648.22kg，乙酰化反应后剩余醋酸酐282.34kg，物料中残余TBC2.5kg，生成杂质2.78kg。出酰化釜时柠檬酸、催化剂量不变。乙酰化过程物料平衡见表3。表3 乙酰化反应物料平衡3.2.4 脱酸过程脱酸过程中，醋酸、杂质可全部从塔顶分离出来，而TBC、ATBC、柠檬酸、催化剂则全部留在塔釜。设塔釜中醋酸酐质量分数为1%，则随塔釜出料带出醋酸酐14.66kg，塔顶带出醋酸酐267.68kg。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273.14kg，实际上每班需消耗98%醋酸酐437.02kg，回收醋酸202.70kg。脱酸过程物料平衡见表4。表4 脱酸塔物料平衡表3.2.5 中和过程进入中和釜的酸性物料有:氨基磺酸31.24kg，醋酸酐14.66kg，柠檬酸12.65kg。由物料衡算知，酸性物质理论上消耗碳酸钠42.78kg，则实际上需加入碳酸钠213.90kg，加入水5133.60kg。中和后剩余碳酸钠171.12kg，中和反应后水的质量为5138.28kg，生成二氧化碳17.76kg，中和过程进入碳酸钠溶液中ATBC质量为27.62kg，中和后TBC全部进入到ATBC中，即油相中TBC为2.5kg。设ATBC中碳酸钠质量分数为2% （质量%，以ATBC计），水的质量分数为3%（质量%，以ATBC计），则ATBC油相中碳酸钠27.07kg，水40.61kg。水相中碳酸钠144.05kg，水5097.67kg。中和过程物料平衡见表5。表5 中和釜物料平衡表3.2.6 水洗过程计算依据:用质量比1:1.2的水洗三次，乙酰柠檬酸三丁酯收率99.0%。每次洗涤用水量1859.90kg，三次洗涤水用量5579.70kg，进入洗涤水中ATBC质量为13.54kg。水洗后碳酸钠完全进入水相，即进入水相碳酸钠27.07kg，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40.20kg。水洗釜物料平衡见表6。表6 水洗釜物料平衡表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ATBC6.70kg，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。干燥过程物料平衡见表7。表7 干燥塔物料平衡表3.3 总物料平衡表表8 物料平衡总表4 热量衡算4.1 物性数据25 不锈钢的传热系数 搪玻璃的传热系数 搪玻璃的导热系数b=1.5mm 搪玻璃的壁厚热损失取5%设计传热面积/计算传热面积=1.15反应热数据： 计算所用物质的恒压热容Cp及汽化潜热H值热量衡算中所用物料在不同温度下的恒压热容Cp值见表9，不同物质的汽化潜热见表10。表9 不同物料在不同温度下的Cp值 J/(mol)表10 不同物质的汽化潜热H值 J/mol4.2 酯化釜每釜物料柠檬酸：702.94kg 正丁醇：1204.11kg其他（以水计）：102.67kg升温假设物料由室温（25）在1h内升至92.6，物料所含水在1h（92.6）完全蒸发，然后在92.6下反应2.5h，用150的蒸汽加热。第一阶段：升温吸热温度由25升至92.6，平均温度取58.8。Q1=tCpini式中：t温度差，；Cpi对应物质的恒压热容，J/(mol)；ni对应物质的物质的量，mol。加上5%热损失，取Q1=350424kJ/mol。第二阶段：蒸发吸热物料中102.67kg的水全部汽化，以共沸物组成正丁醇质量分数57.6%计，正丁醇汽化量为则：Q2=Hini式中：Hi对应物质的汽化热，kJ/mol；加上5%热损失，取Q2=336414kJ/h。第三阶段：反应过程吸热（2.5小时）反应生成水194.14kg，假设生成水完全汽化，上升气相中含70%的正丁醇，即452.99kg。Q3=Hini 加上5%热损失，取Q3=837684kJ以每小时计，Q3=335073kJ/h酯化釜传热面积估算（材质为搪瓷）Q=KAt式中：K搪瓷的传热系数，kJ/(hm2)；Q取Q1、Q2、Q3中的最大值，即Q=350424kJ/h。平均温差的t计算式中：t平均温差，；t1、t2分别为换热器进、出口温差。取A=1.15A=1.154.50=5.12m2酯化釜加热所需蒸汽量Q总=Q1+Q2+Q3=350424+336414+837684=1524522kJ蒸汽流量由Q1计算，则4.3 酯化釜第一冷凝器上升气体的最大流量在酯化反应的蒸发阶段，即正丁醇：139.48kg/h 水：102.67kg/h假设全部冷凝冷却水温度由25升至40物料由92.6降至30，平均温度61.3，换热器材质为不锈钢。 换热器面积计算Q=Hini+Cpinit加上5%热损失，Q=388598kJ/h取A=1.15A=1.1513.12=15.01m2 冷却水最大流量Q=WCpt式中：W冷却水流量，kg/h。4.4 酯化釜第二冷凝器假设经第一冷凝器后仍有20%的正丁醇未被冷凝，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。传热面积估算Q=nH+nCpt加上5%热损失，取Q=21645kJ/h取A=1.15A=1.151.02=1.17m2冷却水最大流量4.5 脱醇釜物料量脱醇以4小时计，将水和正丁醇全部按正丁醇计算，则正丁醇质量为642.66kg，平均每小时642.66/4=160.67kg/h，取回流比R=1.5，则上升汽量为正丁醇的2.5倍，即160.672.5=401.68kg/h其余按柠檬酸三丁酯计算为：1338.16kg脱醇为减压操作，绝压2666Pa，正丁醇沸点42。升温假设物料由室温（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。升温过程吸热Q1=tCpini加上5%热损失，取Q1=70244kJ/h汽化过程吸热换热面积估算式中：b搪玻璃壁厚，m；搪玻璃传热系数。Q取最大热量272534kJ/hA=1.15A=1.151.06=1.22m2蒸汽计算Q=Q1+4Q2=70244+4272534=1160380kJ最大蒸汽流量由Q2计算4.6 脱醇塔顶冷凝器上升气量 正丁醇401.68kg/h冷冻水由0升至10，物料由42降至10，平均温度26。换热面积估算Q=nH+nCpt加上5%热损失，取Q=318974kJ/h取A=1.15A=1.1511.52=13.25m2冷冻水最大流量4.7 乙酰化釜物料量柠檬酸三丁酯：1248.09kg其余按醋酸计算为：764.85kg升温假设物料由室温（25）在1小时内升至85，然后在85下反应2h，反应过程有50%的醋酸汽化。第一阶段：升温吸热温度由25升至85，平均温度55。Q1=tCpini加上5%热损失，取Q1=256116kJ/h反应吸热Q2=Hini 加上5%热损失，Q2=421882kJ以每小时计Q2=210941kJ/h乙酰化釜传热面积估算Q取最大值Q1=256116kJ/h取A=1.15A=1.153.12=3.59m2加热所需蒸汽量Q=Q1+Q2=256116+210941=467057kJ/h蒸汽最大流量由Q1计算，则4.8 乙酰化釜冷凝器物料量有50%的醋酸汽化，即：764.850.5=382.43kg每小时汽化量，即：382.43/0.25=1529.72kg/h传热面积估算Q=KAtm冷却水由25升至35，物料由85降至40，平均温度62.5。Q=nH+nCpt加上5%热损失，Q=841241kJ/h取A=1.15A=1.1519.76=22.72m2冷却水最大流量4.9 脱酸塔釜物料量醋酸：207.60kg醋酸酐：282.334kg其余按乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）计算为：1523kg设升温时间为1小时，操作时间为4小时，回流比R=1.5，则上升气体中：醋酸酐为：282.342.5/4=176.46kg/h醋酸为：207.602.5/4=129.75kg/h脱醋酸为减压操作，绝压2666Pa，醋酸酐的沸点为47，醋酸的沸点为29，取平均值38作为计算依据。升温假设物料由室温（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。升温过程吸热Q=tCpini 加上5%热损失，取Q1=50537kJ/h汽化过程吸热Q2=Hini加上5%热损失，Q2=143455kJ/h换热面积估算Q取最大热量143455kJ/h，则取A=1.15A=1.151.35=1.55m2蒸汽量计算Q=Q1+4Q2=50537+4143455=624357kJ蒸汽最大流量由Q2计算，则4.10 脱酸酐塔顶冷凝器上升气体中醋酸酐：176.46kg/h醋酸：129.75kg/h冷冻水由0升至10；物料由38降至12，平均温度26。换热面积估算加上5%热损失，取Q=160647kJ/h取A=1.15A=1.155.81=6.68m2冷冻水最大流量4.11 热量衡算结果汇总热量衡算结果汇总见表11。表11 热量衡算结果汇总表5 设备设计与选型正丁醇原料贮槽需加入98%（质量分数）正丁醇1228.68kg，水和正丁醇的密度分别为998.2kg/m3和810.9kg/m3，则物料平均密度可由下式求得：式中：wi质量分数；i密度，kg/m3。正丁醇原料贮槽以贮存5天的量为准，装料系数取0.85，则正丁醇原料贮槽容积为1228.685/（813.950.85）=8.9m3由文献23查得，选择公称容积为5 m3的立式平底平盖正丁醇贮罐2个。酯化釜进入酯化釜总物料为2040.96kg，固液混合物的密度取1000 kg/m3，则进入酯化釜物料的总体积为：装料系数取0.75，则需要酯化釜的容积为由文献23查得选择规格为3000L的搪玻璃K型反应罐。对应的传热面积为8.67m2，与计算结果5.12m2比较，满足工艺要求。酯化釜第一冷凝器由热量衡算知，酯化釜第一冷凝器所需传热面积为15.01m2。由文献23查得，选择换热面积16m2的列管式固定管板换热器。酯化釜第二冷凝器由热量衡算知，酯化釜第二冷凝器所需传热面积为1.17 m2。由文献23查得，选择换热面积2 m2的列管式固定管板换热器。酯化回流罐酯化液最大流量： 正丁醇：139.48kg/h 水：102.67kg/h平均密度按贮存1小时的量计，装料系数取0.75，所需回流罐容积为由文献23查得，选择公称容积0.5m3无折边锥形底平盖容器系列。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1.51060/10=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IS5032125型单级单吸离心泵。泵为动设备，需选择2台，一开一备。废水贮罐酯化釜回收含正丁醇7.7%的溶液中，正丁醇4.30kg，水55.84kg。脱醇塔回收含正丁醇7.7%的溶液240.3kg，其中正丁醇18.50kg，水221.8kg。平均密度以贮存5天的废水为基准，装料系数取0.8，所需废水贮罐体积为由文献23查得，选择体积为2m3的立式平底平盖容器系列废水贮罐。脱醇塔进入脱醇塔物料如下：柠檬酸 12.65kg正丁醇 401.68kg氨基磺酸 31.24kg水 240.98kg柠檬酸三丁酯 1270.97kg杂质 23.3kg合计 1980.82kg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12。表12 塔顶、塔釜正丁醇和TBC的饱和蒸汽压及相对挥发度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；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13。表13 操作终态时理论板数计算由此可知，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； G气相密度，kg/m3； L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/(molK) 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L=810.9 kg/m3L=241.005kg/h，G=401.68kg/h，代入上式得相应的wF2aGL0.16/(g3L)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/3干填料因子，m-1，对所选填料，a/3=460 m-1；L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，=0.27cp故空塔泛速选择操作气速操作气速可按下式选择w=（0.60.8）wF式中： w操作气速，m/s。则操作气速为w=0.6 wF=0.69.80=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；L液体粘度，cp；W空塔气速，m/s；G气相密度，kg/m3；L液相密度，kg/m3；g重力加速度，9.81m/s2；填料因子，m-1，对于所选填料，=600 m-1；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：则由文献25，可以查出填料层压降