化工工艺设计-500吨乙酰柠檬酸三丁酯

0北京化工大学化学工程学院设计说明书题目年产500吨乙酰柠檬酸三丁酯工艺设计学生班级学号指导教师2016年元月1目录第一章工艺设计基础11设计任务12原辅材料性质及技术规格13产品的性质及技术规格14危险性物料的主要物性15原辅材料的消耗定额第二章工艺说明21生产方法、工艺技术路线及工艺特点211生产方法212工艺技术路线的确定22生产流程简述第三章工艺计算与主要设备选型31物料衡算311计算的基准数据312计算基准313各单元物料衡算32热量衡算321计算的基准数据322物料衡算33酯化过程相关设备的计算及选型4附图带控制点的工艺流程图（PID）2第一章工艺设计基础11设计任务设计项目年产500吨乙酰柠檬酸三丁酯生产工艺设计产品规格纯度为985的乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）生产能力年产500吨ATBC；考虑到设备检修，年开工时间300天；采用五班三倒制，每班工作8H。产品主要用途（合成乙酰柠檬三丁酯的意义）作为一种优良的无毒增塑剂，用于食品包装、儿童玩具、医疗用品及其它生活用品。此外，还可用作医药制品助剂，金属涂层，卫生用品中的除臭剂、香料和食品添加剂，色谱分析固定相等，应用前景十分广泛。拟采用的聚合工艺拟采用柠檬酸与正丁醇酯化反应生成柠檬酸三丁酯（TBC），酯化反应物经脱醇后再与醋酸酐进行乙酰化反应，然后，乙酰化反应物经过脱酸处理得到粗ATBC溶液，最后，再经过中和、水洗、干燥和脱色等后处理步骤得到满足要求的ATBC产品。流程图如下、ATBC、ATBCTBC、98、98、3图1乙酰柠檬酸三丁酯的合成工艺流程图主要设计任务ATBC生产工艺由反应工段（图1虚线框图部分）和后处理工段两大部分组成，本设计大作业的主要设计任务为酯化、脱醇、乙酰化及脱酸四个部分工艺流程，后处理工段不做考查，具体任务如下1酯化、脱醇、乙酰化和脱酸等工段的物料衡算；2酯化、脱醇、乙酰化和脱酸等工段的热量衡算；3设备计算和选型；4设计出反应工段带仪表及控制点的工艺流程图由于本设计为假定设计，所以设计任务中其他项目如厂区或厂址、主要技术经济指标、原料供应来源以及燃料种类、水电汽的主要来源，与其他工业企业的关系，建厂期限、设计单位、设计进度及设计阶段的规定等均从略。由于本设计为假定设计，所以设计任务中其他项目如厂区或厂址、主要技术经济指标、原料供应来源以及燃料种类、水电汽的主要来源，与其他工业企业的关系，建厂期限、设计单位、设计进度及设计阶段的规定等均从略。柠檬酸酯类可作为聚合物如聚氯乙烯，聚乙烯，聚苯乙烯，聚异丁烯，聚氨脂等,共聚物如异丁烯一异戊二烯共聚物,丁二烯一苯乙烯共聚物等及各种纤维树脂如硝基纤维素,乙基纤维素,醋酸纤维素等的增塑剂“与其它类型增塑剂相比,它具有相溶性好,挥发性小,抽出率和粘度低,且耐热性,耐寒性,耐旋光性,耐水性优良等特点,其最大优点是无毒,无臭,无锈变作用“例如,作为户VC增塑剂时,用普通方法混合,产品具有良好的透明度和低温性,其它各种性能均比DOP增塑剂有明显改进,因此,它是一类用于食品包装,儿童玩具,医疗用品及其它生活用品的优良无毒增塑剂“美国食品与医药管理局FDA认为乙酞柠檬酸三丁酷是最安全的增塑剂之一“早在70年代ATCB就广泛应用于医疗器械上,如聚氯乙烯血液袋输液管等,后来又常用作制造缓解药片的增塑剂“柠檬酸酷除用作各种树脂的助剂外,还可用作医药制品助剂,金属涂层,卫生用品中的除臭剂香料和食品添加剂,色谱分析固定相等,应用前景十分广泛“。412原辅材料性质及技术规格121柠檬酸的性质柠檬酸，分子式C6H8O7，分子量19214，为无臭白色粉末，相对密度16650（25），熔点153，沸点175，易溶于水。122正丁醇的性质正丁醇，分子式C4H10O，分子量7412，无色透明液体，具有特殊气味，相对密度08098（25），粘度295MPAS20），沸点11725，20时在水中的溶解度77（重量），水在正丁醇中的的溶解度201（重量）。与乙醇乙醚及其他多种有机溶剂混溶。123硫酸的性质分子式H2SO4，分子量98078，透明无色无臭液体，密度18305G/CM（25）熔点10371，沸点337，折射率141827，与水任意比互溶。124醋酸酐的性质分子式C4H6O3，分子量10209，无色透明液体。相对密度108（25），熔点73。沸点139。溶于乙醇、乙醚、苯。原材料技术规格序号名称规格质量分数分析方法国家标准备注1柠檬酸90液相色谱法GB/T985520082正丁醇98气相色谱法GB/T602719983浓硫酸98GB/T53420144醋酸酐98气相色谱法GB/T10668200013产品性质及技术规格乙酰柠檬酸三丁酯的性质分子式C20H34O8，分子量40248，无色、无味的油状液体，沸点3430101MPA，挥发速度0000009G/CM2H105，水解速度01100，6小时，溶于多数有机溶剂，不溶于水。与聚氯乙烯、聚苯乙烯、氯乙烯醋酸乙烯共聚物、硝酸纤维素、乙茎纤维素、聚乙烯醇缩丁醛等树脂相容。产品技术规格序号名称规格分析方法国家标准备注51乙酰柠檬酸三丁酯985质谱法HG/T4616201414危险性物料的主要物性危险性物料的主要物性空气的爆炸极限序号物料名称相对分子质量熔点（）沸点（）燃点（）上限下限国家标准备注1正丁醇7412889117253651125145GB/T602719982硫酸9807810371337GB/T53420143醋酸酐102097313940010320GB/T10668200015原材料的消耗定额原材料的消耗定额及消耗量消耗量序号名称规格单位消耗定额每小时每年备注1柠檬酸90KG/T566212正丁醇98KG/T616853浓硫酸98KG/T3964醋酸酐98KG/T24822第二章工艺说明21生产方法、工艺技术路线及工艺特点211生产方法目前工业化生产ATBC所用方法主要是以浓硫酸为催化剂的合成方法,这是因6为使用硫酸为催化剂制备的反应过程为均相反应,不存在传质影响,因此催化活性高,即醋化过程中柠檬酸转化率高,产品的综合成本较其它催化剂都低,且工艺成熟,操作方便,虽然以浓硫酸为催化剂合成存在诸如腐蚀等缺点,但基于上述优势,目前仍广泛应用于合成工艺中。所以本设计以硫酸作为ATBC合成首选催化剂,同时兼顾未来新型固体酸催化剂的使用。212工艺技术路线的确定以浓硫酸为催化剂，合成ATBC的生产过程含有两步化学反应A）在酯化釜中，柠檬酸和正丁醇进行酯化反应，生成柠檬酸三丁酯（TBC），反应方程式如下B）在乙酰化釜中，TBC和醋酸酐进行乙酰化反应，生成ATBC，反应方程式如下HOCCOOC4H9CH3CO2OCH3COOCH2COOC4H9CH2COOC4H9CCOOC4H9CH2COOC4H9CH2COOC4H9CH3COOH3604431020894024816005ATBC、TBC22生产流程说明工艺流程简述柠檬酸与正丁醇按16摩尔比的配比进入酯化反应釜,加入浓硫酸（加入量为柠檬酸的07）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120反应4小时至酯化合格。7酯化合格后的物料转入脱醇塔,在绝压2666PA下进行减压精馏,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酷与质量分数为98的醋酸配按摩尔比115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。酯化后的物料通过脱酸塔在绝压下2666PA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、醋酸以及浓硫酸,使物料呈酸性,在中和釜内加入（碳酸钠）5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12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,随后将送入干燥塔脱去残余的微量水分,干燥后的产品经脱色釜用活性炭脱去其中大部分杂质后,经过滤机除去活性炭,即可得成品ATBC。生产流程示意图如下、ATBC、ATBCTBC、98、98、8采用间歇操作生产方式,以8小时为一周期，使用原料量31456KG柠檬酸、66865正丁醇、22KG浓硫酸、22454醋酸酐。在酯化釜、乙酰化釜后增加分别一个储罐以方便装置的正常运行。其中脱酸塔脱除的醋酸可以回收制出醋酸酐以便当做乙酰化原料。三废处理废水吨产品排放量160KG年排放量80T,其中含正丁醇2。对该部分废水须经汽提回收其中的大部分正丁醇后与废水混合经生化处理排放。废水吨产品排放量6T年排放量3000T。其中含醋酸钠5,硫酸钠1,柠檬酸钠1,柠檬酸三丁酯05,乙酰柠檬酸三丁酯1,经回收其中的有机物后与废水混合经生化处理后排放。废渣吨产品排放量约100KG年排放量50T,其中含柠檬酸三丁酯10,乙酰柠檬酸三丁酯20,其余为活性炭。第三章工艺计算及主要设备设计31物料衡算311计算基准年开工时间300天，生产采用间歇式反应，每批次物料总用时为8小时（包括反应时间与辅助操作时间），采用五班三倒制，物料衡算单位取KG/批。物料衡算中，产物在不同工段的转移中，所产生的损失均记为杂质。9312计算基础数据1酯化工段1原料表31酯化釜原料一览表项目质量分数柠檬酸90正丁醇98硫酸98原料摩尔配比柠檬酸正丁醇16浓硫酸加入量为柠檬酸的07（质量分数）。20时，正丁醇在水中的溶解度77（重量），水在正丁醇中的溶解度201（重量）。2操作参数表32酯化釜操作参数一览表项目指标反应温度120处理时间（总）8H3反应数据柠檬酸转化率995TBC收率9952脱醇工段1脱醇塔操作参数表33脱醇塔参数一览表项目质量分数正丁醇出料质量分数98塔釜正丁醇质量分数1压力（绝压）2666PATBC收率995102脱醇操作计算用假设A硫酸、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77（质量）的恒沸混合物，另一部分为含水2（质量）的正丁醇。B脱醇塔釜杂质（相对于塔釜物料）质量分数为05，3乙酰化工段1原料醋酸酐原料纯度98（质量分数）原料摩尔配比TBC醋酸酐115浓硫酸加入量为TBC的03（质量分数）。2操作参数表34乙酰化釜操作参数一览表项目指标反应温度85反应时间4H辅助操作时间4H3反应数据TBC转化率99ATBC收率994脱酸工段1脱酸塔操作参数表35脱酸塔参数一览表项目质量分数轻组分出料质量分数98塔釜残液质量分数1压力（绝压）2666PAATBC收率995112脱醇操作计算用假设A醋酸、杂质可全部从塔顶分离出来，而TCB、ATCB、柠檬酸、硫酸则全部留在塔釜。B塔釜物料中，醋酸酐占1（质量分数）；C塔顶物料分为两部分一部分为含醋酸2的醋酸酐（进入回收罐循环使用），其余均为醋酸。5后处理工段后处理工段ATBC总收率为9605。313物料衡算1计算各单元ATBC与TBC的生成量结合化工企业生产特点，选择一个班产（8小时）为计算基准。1计算ATBC质量A每一个班产质量500103300355556KG产品中纯ATBC的质量5555698554722KGB后处理工段54722960556973KGC脱酸工段根据脱醇的假设，ATBC收率为100。而脱酸收率为995，因此ATBC质量5697399557259KGD乙酰化工段572599957837KG2计算TBC质量。A乙酰化工段12根据乙酰化反应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的质量为3604434024815783751795KG，同理可计算理论上消耗醋酸酐14670KG，理论生成醋酸8229KG。因此实际需加入柠檬酸三丁酯517959952318KG，按照投入摩尔比可得实际加入醋酸酐22005KG。B脱醇过程5231899552581KGC酯化过程生成TBC质量5258199552845KG2各操作单元物料衡算1酯化过程酯化过程物料衡算简图如下、90、98、98、TBC、图31酯化过程物料衡算图酯化反应化学方程式如下HOCCOOC4H9CH3CO2OCH3COOCH2COOC4H9CH2COOC4H9CCOOC4H9CH2COOC4H9CH2COOC4H9CH3COOH3604431020894024816005ATBC、TBC13HOCCOOH3C4H9OHHOCH2COOHCH2COOHCCOOC4H9CH2COOC4H9CH2COOC4H93H2O192122374122223636044331801554045H2SO4、TBC、由衡算式可得理论消耗柠檬酸质量5284536044319212228167KG理论消耗正丁醇质量528453604433741232600KG理论生成水质量52845360443540457924KG则实际需要加入90柠檬酸质量2816709959031454KG实际需要加入98正丁醇质量281671921226099574129866865KG浓硫酸质量3145407220KG酯化反应后剩余柠檬酸质量28167099510995142KG正丁醇质量32929KG硫酸质量216KG杂质质量263KG水12411KG关于回流罐分相的计算设釜液中正丁醇XKG，回流罐水YKG，有方程组X77Y32929，Y201X12411，解的X32575KG,Y4216KG酯化釜物料平衡表如下表36酯化釜物料平衡表序号组分质量（KG/批）T/AW190柠檬酸3145428309298正丁醇6686560179398硫酸220198进料4进料合计9853988685出釜内5柠檬酸142128146正丁醇32939296457硫酸2161948水1241111179TBC5258047322出料10杂质26323711正丁醇352317分离水相12水42163794料13出料合计98541886872脱醇过程根据假设已知硫酸、柠檬酸不会从塔顶蒸出；设脱醇塔釜杂质（相对于塔釜物料）质量分数为05，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77（质量）的恒沸混合物，另一部分为含水2（质量）的正丁醇。1）对于塔釜物料，有柠檬酸142KG；硫酸216KG；TBC52581099552318KG杂质142216523180005263KG2）对于塔顶物料，由物料衡算假设98的正丁醇有XKG，77的正丁醇恒沸物有YKG，正丁醇098X0077Y32575水002X0923Y8175解方程得X32596KG，Y8172KG脱醇塔物料平衡表如下表37脱醇物料平衡表序号组分质量（KG/批）T/AW1柠檬酸1421282正丁醇32575293183硫酸2161944水819573765TBC52581470866杂质263238进塔物料7进料合计93972845758柠檬酸1421279硫酸21619410TBC5231847086出塔物料塔釜物料11杂质2632371512塔釜合计52939476451398正丁醇32596293361477恒沸物8172735515TBC263237塔顶物料16塔顶合计41031369283乙酰化过程乙酰化过程如图33所示乙酰化反应方程如下HOCCOOC4H9CH3CO2OCH3COOCH2COOC4H9CH2COOC4H9CCOOC4H9CH2COOC4H9CH2COOC4H9CH3COOH3604431020894024816005ATBC、TBC浓硫酸加入量为TBC的03（质量分数），则浓硫酸的需要量为523180003157KG，由于已有硫酸216KG，满足要求不需要补加硫酸。并且由313已经算出所需98醋酸酐质量为22005/09822454KG，反应后得到ATBC为57259KG。根据质量守恒定律，理论所需TBC质量为36044340248157259/09951795KG，生成醋酸和水的质量为7335KG。乙酰化反应后，出料的柠檬酸、硫酸的质量不变。TBC残余质量517950991099523KG同理算出剩余醋酸酐9078KG生成杂质物料衡算7539414221652373359078578KG总杂质578263841KG乙酰釜物料平衡表如下表38乙酰物料平衡表序号组分质量（KG/批）T/AW1柠檬酸142128298醋酸酐22454202093硫酸2161944TBC5231847086进料5杂质263237166进料合计75393678547柠檬酸1421288硫酸2161949TBC52347110杂质84175711醋酸酐9078817012醋酸和水7335660213ATBC5725951533出塔物料塔釜物料14塔釜合计75394678554脱酸过程根据操作条件可假设醋酸、杂质可全部从塔顶分离出来，而TCB、ATCB、柠檬酸、硫酸则全部留在塔釜。已知进塔物料，柠檬酸142KG，硫酸216KG，TBC523KG，醋酸酐9078KG，醋酸7335KG，ATBC57259KG和杂质841KG。设塔釜物料中，醋酸酐占1（质量分数）；则根据物料衡算，柠檬酸，硫酸和TBC质量保持不变，ATBC前面部分以计算为56973KG。塔釜杂质估算为5为286KG，因此塔釜醋酸酐质量为587KG，塔顶带出醋酸酐为90785878491KG。塔顶物料分为两部分一部分为含醋酸2的醋酸酐（进入回收罐循环使用），其余均为醋酸。根据此假设利用物料衡算，设一部分的醋酸为XKG，另一部分回收的醋酸为YKG。可列出以下方程098X8491002XY7335解得X8664KG，Y7162KG因此综上两个工段，每班消耗的98醋酸酐为22454866413790KG每班回收的醋酸为7162KG脱酸塔物料平衡表如下表39脱酸物料平衡表序号组分质量（KG/批）T/AW1柠檬酸1421282硫酸216194进料3TBC523471174杂质8417575醋酸733566026醋酸酐907881707ATBC57259515338合计75394678559柠檬酸14212810硫酸21619411TBC52347112杂质28625713醋酸酐58752814ATBC5697351275塔釜物料15塔釜合计587275285412醋酸7335660213杂质84175714醋酸酐86647798出塔物料塔顶物料12塔顶合计16840151565反应工段总物料平衡以一班为计算基准。则物料平衡总表见下表。表310反应工段物料平衡总表序号组分质量（KG/批）T/AW190柠檬酸31454283086298正丁醇66866601794398浓硫酸220198498醋酸酐224542020865水131311181808进料6进料合计13412512071278正丁醇329292963619TBC523470710醋酸73356601511醋酸酐84917641912水26751240756113ATBC56972512754314杂质112710143出料15塔釜合计13412812071551832热量衡算321计算的基础数据1传热相关数据不锈钢的传热系数2不锈钢146KJ/HMK搪玻璃的传热系数搪玻璃89537搪玻璃导热系数2/搪玻璃壁厚B热损失取5传热面积安全系数取115反应热数据酯化反应乙酰化反应782KJ/MOL693H2计算用物质的恒压热容CP及汽化潜热H1恒压热容CP值表311各物质不同温度恒压热容表（）J/MOLK温度柠檬酸正丁醇TBCATBC醋酸酐醋酸水2017372075312251799127112819664813388831180330525191593674461199686563376561922806945442008326133765619329620376175196648851374342汽化潜热H值表312不同物质的汽化潜热H值（）J/MOL温度正丁醇水醋酸醋酸酐305120838266944560619425020885253289264543341158150381693操作条件1酯化釜物料中除去柠檬酸和正丁醇外，其他均记为水。物料由室温（20）在1H内升温至926，物料所含水在1H内（926）完全蒸发，上升气相中含正丁醇70。然后在926下反应4H。加热介质采用150的蒸汽。2酯化釜冷凝器第一冷凝器假设全部冷凝，冷却水温度由25升至40，物料由926降至30，换热器材质为不锈钢。第二冷凝器假设经一级冷凝后仍有20的正丁醇未被冷凝，用0的水进行二级冷凝。水由0升至10，物料由30降至10，换热器材质为不锈钢。3脱醇塔釜脱醇以4小时计，其中将水和正丁醇全部按正丁醇计算，其余按TBC计算。取回流比为15，脱醇为减压操作，绝压2666PA，此条件下正丁醇沸点42。物料由室温（20）在1小时内升至42，然后在42下脱除全部正丁醇。4脱醇塔顶冷凝器上升气体全部按正丁醇计算，回流比15。冷凝过程中，冷却水温度由0升至10，物料由42降至10。5乙酰化釜物料中除TBC外，其余全部记为醋酸。物料由室温（20）在1H内升温至85，然后在85下反应3H，反应过程有50的醋酸汽化。206乙酰化釜冷凝器上升气体全部为醋酸，冷凝过程中，冷却水由25升至30，物料由85降至40。7脱酸塔釜物料中除醋酸及醋酸酐外，其余均按ATBC计算。操作时间为4H，回流比取15，脱酸塔为减压操作，绝压2666PA，此条件下醋酸酐沸点为47，醋酸的沸点为29，取其平均值38作为计算依据。设升温时间为1H，物料由20在1H内升温至38，然后在38下，脱除全部的醋酸酐和醋酸。8脱酸塔顶冷凝器物料中上升气体只有醋酸和醋酸酐。冷凝过程中，冷却水温度由0升至10，物料由38降至12，平均温度25。322热量衡算1酯化釜表313酯化釜升温物料序号组分质量（KG/批）1柠檬酸283102正丁醇655283其他（以水计）44871）升温假设物料由室温（20）在1H内升温至926，物料所含水在1H（926）完全蒸发。然后在926下反应4H，其间生成的水完全汽化，上升气相中含正丁醇70。加热介质采用150的蒸汽。2）第一阶段升温吸热温度由20升至926，平均温度取563。Q1TCPINI式中21T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，MOLQ1926203765628310192122192280655287412753124487J/班解得Q11779705KJ/H，加上5的热损失即Q100588658KJ/班，得Q11861808KJ/班。3）第二阶段蒸发吸热物料中4487KG的水全部汽化，以共沸物组成正丁醇质量分数576计，正丁醇汽化量为4487（10576）05766096KG。则Q2HINI式中H对应物质的汽化热，KJ/MOL。可得Q2454336389741241158448718016141669KJ/班，加上5的热损失，即Q100570835得Q21487524KJ/班。4）第三阶段反应过程吸热（4小时）反应生成水7924KG/班，假设生成水完全汽化，上升气相中含70的正丁醇，即18489KG/班。Q3HINIQ反应热Q34543318489741241158448718016778222831019212228310192122100077822442915KJ解得Q3450121KJ/班，加上5的热损失,即Q300522506KJ，得Q3472627KJ/班。以每小时计，吸收热量Q347262741074904KJ/H。5）酯化釜传热面积估算（搪瓷釜）根据传热量计算公式QKAT、式中K搪瓷的传热系数，2KJ/HM、可得换热面积计算公式如下AQKT22其中，Q取Q1、Q2、Q3中的最大值，即QQ11868691KJ/H。平均温差T计算公式如下TMT1T2IN（T1T2式中T平均温差，；T1、T2换热器进、出口温差。T1130。C，T2574。C,TM8881。C所以A1868698953768881235M2安全量A，A115270M26）酯化釜加热所需蒸汽量蒸汽用量由下式计算WQH总换热量为Q总Q1Q2Q3764895KJ。则蒸汽用量WQ总/H18015764895381691801536104由Q1计算蒸汽最大流量WMAXQ1H180158820KG/H2酯化釜第一冷凝器1）物料量表314上升气体最大流量表序号组分质量（KG/H）1正丁醇60962水4487假设全部冷凝，冷却水温度由25升至40，物料由926降至30，平均温度613，换热器材质为不锈钢。2）换热器面积计算换热量计算公式如下QHINITCPINIQ454336096741241158448718016193296609674127531244871801692630161567KJ/H，加上5的热损失，得Q169645KJ/H。TM2023，则换热面积A573M2，加上系数115得A659M23）冷却水最大流量23QWCPT；所以WQCPT16964575312402515017KMOL/H27055KG/H3酯化釜第二冷凝器1）操作条件假设经一级冷凝后仍有20的正丁醇未被冷凝，用0的水进行二级冷凝。水由0升至10，物料由30降至10，换热器材质为不锈钢。2）传热面积估算QNHNCPTQ512086096741220609674121737202030108995KJ/H,加上5的热损失，Q9444KJ/HTM1443。C所以A9444146441443045M2，A115045052M23）冷冻水最大流量W9444753121001254KMOL/H22592KG/H4脱醇塔釜1）物料量脱醇以4小时计，其中将水和正丁醇全部按正丁醇计算，则正丁醇量为32575819540770KG，平均每小时进料速率为40770410193KG/H。其余按TBC计算质量为1422162635258153202KG取回流比为15，则上升气量为正丁醇的VR125倍，即有101932525483KG/H脱醇为减压操作，绝压2666PA，此条件下正丁醇沸点42。物料由室温（20）在1小时内升至42，然后在42下脱除全部正丁醇。2）升温假设物料由室温20在1小时内升至42下脱出全部正丁醇，冷凝器冷水温差10，热物料温差32，根据公式36平均温度为TM3210/LN32/101891。3）第一阶段升温过程吸热同酯化釜升温过程计算公式3124Q142205320236044366944040774121803304356038KJ/H加上5热损失，取Q1457384KJ/H4）第二阶段汽化过程吸热由公式32Q2254837412502081726188KJ/H加上5热损失，取Q21812497KJ/H5换热面积估算其中B15MM搪玻璃壁厚搪玻璃的传热系数2搪玻璃895376KJ/HMKQ2取最大热量1812497KJ/H，根据上述公式311可得A181249715/355627311000404M2A115A115404465M26蒸汽计算升温完成后，需要4小时进行汽化阶段，总换热量QQ14Q2457384418124977707373KJ所需蒸汽用量，由公式37WQ/H7707373381691801636379KG同理，最大蒸汽量由Q2计算可得W1Q2/H181249738169180168555KG/H5脱醇塔顶冷凝器1上升气量已知正丁醇25483KG/H，冷冻水由0升至10，物料由42下降到10。上面已求得平均温度1891。2换热面积估算同4中脱醇釜的热量算法相同，根据公式3225Q2548374125020825483741217991242321924124KJ/H加上5热损失，取Q202033KJ/H因此换热面积可由式35求得A20203314644189730M2取A115A115730840M23冷冻水最大流量由公式39WQ/H202033753121026326KMOL/H4833KG/H6乙酰化釜1）物料量柠檬酸三丁酯52318KG，其余按醋酸计算23075KG2）操作条件物料中除TBC外，其余全部记为醋酸。物料由室温（20）在1H内升温至85，然后在85下反应3H，反应过程有50的醋酸汽化。3）第一阶段升温吸热温度有20度升致85度，平均温度525度,Q655231836044367446123075600513548197473KJ/H加上5的热损失。Q102346KJ/H4）反应吸热Q223075600525328506932952318360443230756005100069329413035KJ/H加上5的热损失，Q2433687KJ/H,以每小时计,Q2108422KJ/H5）乙酰化釜传热面积计算Q取最大值Q1102346KJ/H,TM9378C,所以A1023468953769378121M2,A115121139M2,6）加热所需的蒸汽量QQ1Q102346433687536033KJ/HWQ/H536033381691801625301KG/H7）蒸汽最大的流量有Q1计算26则W1Q1/H10234638169180164831KG/H7乙酰化釜冷凝器1）操作条件上升气体全部为醋酸，冷凝过程中，冷却水由25升至30，物料由85降至40。2）物料量反应过程有50的醋酸蒸发，所以230755011538KG反应的3小时所以1153833846KG/H,3）传热面积估算QKATTM85304025LN55153079所以Q38466005253283846600513548145201264KJ/H加上5的热损失，Q211238KJ/H所以A211238146443079047M2，所以A115047054M2，4）冷却水最大流量W211238753125561KMOL/H10106KG/H8脱酸塔釜1）操作条件物料中除醋酸及醋酸酐外，其余均按ATBC计算。操作时间为4H，回流比取15，脱酸塔为减压操作，绝压2666PA，此条件下醋酸酐沸点为47，醋酸的沸点为29，取其平均值38作为计算依据。设升温时间为1H，物料由20在1H内升温至38，然后在38下，脱除全部的醋酸酐和醋酸。2物料量醋酸9078KG，醋酸酐7335KG，其余按乙酰柠檬酸三丁酯计算为，58981KG。在上升的气体中醋酸酐为73354254584KG/H27醋酸为90784255674KG/H3）升温过程Q3820907860051338887335102088196648589814024727112824949KJ/H,加上5的热损失，Q126196KJ/H4）汽化过程吸热根据公式32，Q245606458410208926694567460054570061KG/H根据热损失5，Q2取4798564KG/H5）换热面积估算Q取最大热量Q24798564KG/H，而由公式36，求得平均温差TM130112L则换热面积由式35A479856412078895376044M2加上系数得，A115A051M2所需蒸汽量计算Q总Q14Q22619594447985642181385KJ所需蒸汽用量W2181385381691801510296KG由Q2计算最大蒸汽量，则W1479856438169180152265KG/H9脱酸酐塔顶冷凝器1）操作条件上升气体组成、气速醋酸酐4584KG/H醋酸5674KG/H物料中上升气体只有醋酸和醋酸酐。冷凝过程中，冷却水温度由0升至10，物料由38降至12，平均温度25。2）换热面积估算Q45841020894560619664825567460052669413388825285107139KJ/H加上5热损失，取得Q5362496KJ/H平均温差按照公式36可求得TM2812LN28121888，则换热面积A5362496146441888194M2加上系数得，A115A223M23）冷却水最大流量W536249675312107120KMOL/H1288KG/H10热量衡算结果汇总热量衡算结果汇总见表314。表313热量衡算结果汇总表换热过程换热面积（M2）蒸汽最大流量KG/H冷却水最大流量KG/H酯化釜2708820酯化釜第一冷凝器65927055酯化釜第二冷凝器05222592脱醇塔釜4658555脱醇塔顶冷凝器8404833乙酰化釜1394831乙酰化冷凝器05410106脱酸塔釜0512265脱酸塔顶冷凝器223128833主要设备的计算和选型331酯化釜进入酯化釜中物料为98541KG，物料密度取1000KG/M3，那么物料的总体积为9854110000985M3，装料系数去075，则需要酯化釜的容积为0985075131M3,由文献查的，选择规格为1500L的搪玻璃K型反应罐。传热面积为534M2，与计算的270M2比较，满足要求。29332脱醇塔1）塔釜体积表316进入脱醇塔的物料项目质量柠檬酸142正丁醇32575硫酸216水8195柠檬酸三丁酯52580杂质263合计93971计算塔釜容积时，物料密度取1000KG/M3，装填系数取075，则脱醇塔釜体积为939711000075125M2,又由于物料具有腐蚀性，有文献【1】查的，塔釜选搪玻璃系列公称容积为1500L的蒸馏罐。塔釜的传热面积为534M2,与计算的465M2相比较，满足要求。2）理论塔板的确定TBC的沸点如下17013332PA，1MMHG22566661PA，5MMHG233293309PA，22MMHG纯液体的饱和蒸汽压可由安托因方程计算式中P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LN1AB/44315CLN5AB/49815CLN22AB/50615C由上述三式，得A05800，B43393，C51797。30当P2666PA20MMHG时，由式313可得解得，T50583K，即T232682666PA20MMHG时，正丁醇的沸点T415。该温度下TCB的饱和蒸汽压可由TCB的安托因方程解得，饱和蒸汽压PTBC06931MMHG。由文献石油化工基础数据手册，查得正丁醇的安托因常数为A172160，B313702，C9443。当T50583K时，由式313，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TBC的饱和蒸气压及相对挥发度列于表319。表319塔顶、塔釜正丁醇和TBC的饱和蒸汽压及相对挥发度温度/KP正丁醇/MMHGPTBC/MMHG相对挥发度314652006931288650583146292073146平均相对挥发度取几何平均值因此可求得14529由脱醇塔物料衡算表318知，若将水和正丁醇看作正丁醇，则正丁醇的量为40770KG；将其余物料看作TBC，则TBC的量为52301KG。则进脱醇塔正丁醇物质的量分数为XF07884。塔顶物料为正丁醇40768KG，TBC263KG，则正丁醇物质的量分数为XD09987。将塔釜杂质看作正丁醇，则塔釜物料为正丁醇266KG，TBC52675KG，则正丁醇物质的量分数为XW0024。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。31由回流比为15，操作线方程为式中R回流比；XD塔顶易挥发组分组成。因此，带入R15，XD09987Y06X039948及相平衡方程XY/1452914429Y取Y109987开始，交替使用操作线方程与相平衡方程，计算结果见表320。表320脱醇塔进料组成气相组成Y液相组成XY109987X108410Y209041X200609Y304360X300053由此可知，需3块理论塔板。塔釜相当于1块理论塔板，实际需要2块塔板即可。A填料的选择选择不锈钢制拉西环填料，填料规格1505MM，采用乱堆方式。B泛点气速的计算泛点气速的计算采取“BAINHOUGEN关联式法”（详细介绍参考化工工艺设计手册，P480），BAINHOUGEN关联式如下式中WF泛点空塔气速，M/S；G重力加速度，981M/S2；A/3干填料因子，M1，对所选填料，A/3460M1；G气相密度，KG/M3；L液相密度，KG/M3；L液体粘度，CP；32A常数，取00142（脱酸塔与此相同）；L液相流量，KG/H；G气相流量，KG/H。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/MO1；R理想气体常数，8314J/MOLK；T绝对温度，K，按塔顶温度计算。计算得气相密度G26667412103/8314/31465007554KG/M3液相密度按正丁醇考虑，则L8109KG/M3由物料及热量衡算知，L152895KG/H，G25483KG/H。液体粘度按塔顶和塔釜平均温度计算，平均温度T3146550583/241024K下，正丁醇的粘度可由文献化学工程手册查得，027CP将上述数据代入式313，可得空塔泛速为WF1006M/SC选择操作气速操作气速可按下式选择W0608WF则操作气速为W06WF061006603M/S。D塔径的计算塔径可由下式计算式中DT塔径，M；33V气相流量，M3/H；W操作气速，M/S气相流量可由下式计算M气相流量，KG/H。由物料和热量衡算可知，M25483KG/H，则气相流量VMRT/PM25483831431465/2666741210333736M3/H，所以DT33736/36000785588050451M。圆整后，取蒸馏塔塔径500MM。则塔内实际流速为W33736/360007850505478M/S。E压降计算填料层压降P由ECKERT关联图查取（详细介绍参考化工工艺设计手册，P481），关联图横纵坐标分别如下式中填料因子，M1，对所选填料，600M1；液相密度校正系数，即水的密度与液相密度之比，1000/81091233。经计算得152895/25483007554/810905579110321LG47826001233/981007554/8109027020123502GWLF通过查ECKERT关联图，得填料层压降P98MMH2O/M填料，压降过大。按填料塔设计规范，要求真空塔压降P8MMH2O/M填料。现取P5MMH2O/M填料，反算空塔气速。34由5791103及P5MMH2O/M填料，查表得21LG0012202GWLF代入数据，求得W149M/S，所需塔径DT33736/3600/0785/149050895M，圆整后，去塔径为900MM。F等板高度计算精馏塔等板高度可由GRNVAIILE法计算，经验公式如下式中HETP等板高度，M；DP拉西环直径，M；M平衡曲线的平均斜率（将各板处的斜率取平均）；GM，LM一一气相及液相的流量，KMOL/H。平衡曲线的斜率可由表320所计算参数计算M10998709041/0841000609012M20904104360/0060900053142平均斜率M05012142077所以等板高度HETP340001542725483/152895655M。则实际需要填料层高度为2655131M，将填料分为8层，每层高度165M。333乙酰化釜进入乙酰化釜物料如下柠檬酸142KG硫酸142KGTBC52317KG98醋酸22454KG杂质264KG合计75395KG物料密度取1000KG/M3，装料系数去08，所以所需乙酰化釜体积为V75395/1000/08094M3。35物料具有腐蚀性，由文献【1】查的，选择公称容积1000L搪玻璃K型反应罐。计算所需的传热面积为139M3，而所选的釜换热面积为454M2，满足要求。334脱酸塔1塔釜容积计入脱酸塔的物料柠檬酸142KG，硫酸216KG，TBC523KG，杂质841KG，醋酸7335KG,醋酸酐9078KG，ATBC57259KG。合计75394KG。物料密度取1000KG/M3，装料系数取08，则需脱酸塔釜体积75394/1000/080942M3。乙酰化液有腐蚀性，脱酸塔釜选用搪玻璃系列。有文献1查的，选择公称容积1000L的搪玻璃蒸馏釜，其传热面积为534M2，计算结果为051M2，满足要求。1）理论塔板的确定ATBC的沸点如下17313332PA，1MMHG343101325PA，760MMHG由安托因方程计算操作压力下ATBC的沸点，在没有C值情况下，估算C18019TB18019616159907把上述ATBC沸点与对应的饱和蒸汽压的数据代入式313中，得LN14615907L70BA由上述式，得A2791，B1521575，当P2666PA20MMHG时，ATBC的沸点由式313可得解得，T51565K，即T23850该温度下ATBC的饱和蒸汽压可由安托因方程解得，反代回公式中得到PATBC2334104醋酸酐的安托因方程直接取为328756LN1691PT362666PA20MMHG时，醋酸酐的沸点T32041K，T4726。该温度下醋酸酐的饱和蒸汽压可由安托因方程解得，饱和蒸汽压P醋酸酐709576MMHG。2666PA下塔顶及塔釜醋酸酐和ATBC的饱和蒸气压及相对挥发度列于表322。表322塔顶、塔釜醋酸酐和ATBC的饱和蒸汽压及相对挥发度温度/KP正丁醇/MMHGPTBC/MMHG相对挥发度3204120000023348569051165709576203548平均相对挥发度取几何平均值因此可求得5514由脱