三醋酸甘油酯设计--冷凝器的设计解读

宝鸡文理学院化学化工系宝鸡文理学院化学化工系 毕业设计毕业设计 题目: 年产 1000 吨的三醋酸甘油酯 工艺设计 冷凝器的设计 学生姓名学生姓名窦晓龙（3） 指导教师指导教师 陈虎魁(教授) 班班 级级2007 级化学工程与工艺（1）班 专专 业业化学工程与工艺 学学 院院宝鸡文理学院 2011 年 5 月 25 日 1 目目 录录 摘 要.1 1 ABSTRACTABSTRACT.2 2 1 1 概述概述.3 3 1.1 三醋酸甘油脂的性能及应用.3 1.1.1 基本概况.3 1.1.2 物理性质.4 1.1.3 用途.4 1.1.4 技术指标.4 1.1.5 包装与贮存.4 1.1.6 国内外市场需求.5 1.2 三醋酸甘油脂的几种生产工艺.5 1.2.1 以甘油为原料.5 1.2.2 以丙烯为原料.5 1.2.3 硫酸催化法.5 1.2.4 固体超强酸催化合成三醋酸甘油酯.6 1.2.5 总结.6 2.2. 冷凝器设计方案的确定冷凝器设计方案的确定.7 7 3.3. 换热器的工艺计算换热器的工艺计算.8 8 3.1 确定物性数据.8 3.2 试算和初选冷凝器规格.9 3.2.1 计算混合蒸汽热负荷和冷却水用量.9 3.2.2 计算两流体的平均温度差.9 3.2.3 估算传热面积.10 3.3 选择冷凝器类型规格.10 3.4 核算压强降.11 3.4.1 管程压强降.11 3.4.2 壳程压强降.12 3.5 核算总传热系数.13 3.5.1 管程对流传热系数.13 3.5.2 壳程对流传热系数.13 3.5.3 污垢热阻.13 3.5.4 总传热系数.14 4 4 冷凝器构尺寸和设计计算结果冷凝器构尺寸和设计计算结果.1414 结束语结束语.1616 参考文献参考文献.1717 谢谢 辞辞.1818 1 年产 1 10 00 00 0 吨的三醋酸甘油酯 工艺设计 第一冷凝器的设计 窦晓龙 (宝鸡文理学院 化学化工系 ,陕西 宝鸡 ) 摘摘 要要：三醋酸甘油脂是一种重要的有机合成中间体，已广泛地应用于增塑剂、染料、化装 品、医药等行业。本文综述了三醋酸甘油脂的性质、用途、合成工艺的基本方法、市场供 需情况及发展前景，并主要介绍了年产1000吨三醋酸甘油脂生产工艺流程中，用于醋酸和 甘油酯化的冷凝器的设计。本设计根据反应的特性的特性及冷凝器的选择标准，根据物料 衡算和热量衡算，对冷凝器工艺尺寸进行了计算，所选用的冷凝器规格是：公称直径 325mm、公称面积 3.6m2、管数 32、管长 1.5m；采用浮头 式换热器 ，管束的排列方式采 用排列弓形折流挡板正方形斜转45。并对换热器进行了流力学和热力学的核算.结果表明 所设计的换热器符合要求。 关键词：关键词：醋酸；甘油；工艺设计 ；冷凝器。1 交稿日期： 2011-05-30 指导教师：陈虎魁 作者简介：窦晓龙（1987-） ，男，陕西宝鸡人，化学化工系2011 届毕业生 2 The year produces 500 tons three acetic acid glycerin the car of the fat craft Design-the technological design of condenser Dou xiaolong Abstract:Three acetic acid glycerin the fat be a kind of important organic synthesize in the center a body, already broadly applied in increase a Su, dyestuff and masquerade professions, such as article and medicine.etc.This text overview three acetic acid glycerin the property, use of the fat, synthesize the basic method, circumstance and development foreground of the market supply and demand of craft, and mainly introduced a year to produce 500 tons three acetic acid glycerin the fat produce craft process in, used for the design of reactor that acetic acid and glycerin ester turn.This design according to respond of the choice of the characteristic and reaction Fu of characteristic standard, calculate according to the material Heng with calories Heng calculate, carried on a calculation towards responding a Fu craft size, choose to use of the reaction Fu be the intermittent type with 1500 Ls to respond Fu.With make first step of three acetic acid glycerin fat, for carry on a next move refined but do foundation. Keyword:Acetic acid;Glycerin;Technological design; condenser 3 1 概述 1.1 三醋酸甘油脂的性能及应用 1.1.1 基本概况（见下表） 产品名称三醋酸甘油酯 中文别名三乙酸甘油酯; 甘油三乙酸酯; 三醋精 英文名称 Glycerol Triacetate 分子式 C9H14O6 结构式 CH3COOCH2CH(CH3COO)CH2(CH3COO) 分子量218.20 （根据 IUPAC1995 年提供的五位有效数字原子量 性状 无色透明油状液体，微有苦味，无毒，微溶于水，溶与多种 有机溶剂，具有一般酯类的通性，沸点 258（0.101mpa）， 闪点 140143。溶剂化作用强，可赋予制品良好的柔韧性。 用途 三醋酸甘油酯(铸造级)：本品主要用于铸造工业中自硬钠水玻 璃砂造型固化剂，另可用作增塑剂等。 三醋酸甘油酯(食品级)：本品主要用于卷烟嘴棒增塑剂，还可 用作赛璐珞、照相软片、防腐剂等的溶剂，另可用作增塑剂、 香料固定剂等 项目三醋酸甘油酯(铸 造级) 三醋酸甘油酯(食品级) 外观无色透明油状粘稠 液体 无色无臭油状粘稠液体 色泽30#20# 三醋酸甘油酯含 量 98.0%99.5% 酸度%(以 As HAC 计) 0.10.02 水 份(wt,%)0.10.05 折光指数(25 /D) 1.4301.4351.4301.435 相对密度 (25/25) 1.4301.4351.1541.160 灰 份(wt,%)0.020.02 重金属(以 Pb 计)10ppm10ppm 技术 指标 砷(As)3ppm 4 1.1.2 物理性质 三醋酸甘油酯是无色无嗅的油状液体，相对密度为 1.161（） ，熔点为- 20 4 d 78，沸点 258-260，闪点为 138。折射率为 1.4301。与乙醇，乙醚，苯， 氯仿等多数有机溶剂混溶。溶与丙酮，不溶于矿物油，稍溶于水。25 时在水中 溶解度为 5.9g/mol. 无毒，无刺激性，接触皮肤不会引起过敏。 1.1.3 用途 三醋酸甘油酯用做纤维素和乙烯基聚合物，共聚物的增塑剂。主要用于增 塑醋酸纤维，它对醋酸纤维素、硝基纤维素、乙基纤维素的相溶性好 ，并具有 良好的胶凝作用和生理惰性 ，特别适用于做香烟过滤嘴二醋酸纤维素的胶凝剂。 其作用是将醋酸纤维素部分溶解并使之不规则结合 ，产生网络结构 ，从而提 高过滤效果，做卷烟过滤嘴，可提供良好的弹性，透气性和合适的硬度；在制 药生产中用做溶剂和携带剂；在香料调香中用做溶剂和定香剂；还用作在塑料 和其他不吸收表面上印刷用的油墨的组分。并应用于化妆品、铸造、医药、染 料等行业。 1.1.4 技术指标 一般厂家的生产技术指标： 外 观清澈透明油状液体 色 泽(Pt-Co)30# 含 量，%99.0 水份(wt),%0.15 酸度(以 HAc 计),%0.02 相对密度(25/25)1.1561.164 砷含量(As)3ppm 重金属(以 Pb 计)10ppm 5 1.1.5 包装与贮存 净含量 200 公斤/桶,白铁或涂塑铁桶。运输和贮存应防火、防日光曝晒. 冻及防漏,在阴凉干燥、通风的仓库内密封。 1.1.6 国内外市场需求 三醋酸甘油酯是重要的精细化工原料，有着良好的发展前景，广泛用于卷 烟、铸造、香料等行业，是照相软片、防腐剂等溶剂，是二醋酸纤维素的最好 增塑剂，特别在卷烟、铸造行业有长足的发展，国内的生产量远远不能满足国 内外市场需求。由于国内外生物柴油能源的兴起，副产原料甘油大幅度下降， 原料醋酸国内装置已达 150 万吨，给生产三醋酸甘油酯的原料供应带来前所未 有的商机。宜兴凯欣化工有限公司目前拥有 6000 吨前装置，2006 年该产品出 口 1000 吨，有良好的市场网络及技术支撑。由于国内外市场需求量很大，在陈 家港化工集中区新上年产 9000 吨三醋酸甘油酯、醋酸正丙酯生产项目。目前， 国内外有好多大型企业在生产此类产品，如国内的上海经纬化学有限公司，云 南省玉溪市溶剂厂有限公司，宜欣市天源化工有限公司，南京广源化工有限公 司，南京海蓝化工厂等。 1.2 三醋酸甘油脂的几种生产工艺 1.2.1 以甘油为原料 以对甲苯磺酸作催化剂，由醋酸和甘油直接进行酯化反应，用甲苯除 水以促进平衡向酯化反应的方向移动；反应结束后经作处理，蒸馏而得产 品。 1.2.2 以丙烯为原料 由丙烯与醋酸直接反应，用铅和三氧化二铝作催化剂。在丙烯易得的 地区，采用该法有一定的优点。 1.2.3 硫酸催化法 先将甘油预热到 5060 摄氏度，然后加入醋酸、浓硫酸、苯；加热脱水 6 完全后回收乙酸乙酯；再加入醋酐，继续加热酯化反应 4 小时；然后冷却， 用 5%的碳酸钠中和 PH=7，分去水层得粗油，用氯化钙干燥，再经减压蒸 馏，收集 128131（933Pa）馏分，即得三醋酸甘油酯成品。 1.2.4 固体超强酸催化合成三醋酸甘油酯 在装有分水器、温度计和回流冷凝管的三口瓶中，加入一定量的冰醋酸、 丙三醇、带水剂和催化剂，加热回流水分，至几乎没水分为止。用饱和 Na2CO3 洗涤至中性，再用饱和食盐水洗。然后先在常压下蒸馏出带水剂， 再在减压下蒸馏，收集沸点 178180 摄氏度/0.9331.2kPa 的馏分，即得到 三醋酸甘油酯。 1.2.5 总结 综合以上方法，我们采用的方法如下： 用浓硫酸做催化剂（用量为原料的 0.5%） ，乙酸乙酯做带水剂，用量为 90kg，醋酸和甘油的用量比为 4：1（摩尔比） 。先将原料预热到 60 摄氏度左右， 然后进入酯化器，反应温度为 140 摄氏度，出反应器时温度为 120 摄氏度，用 冷凝器冷凝从反应器出来的混合蒸气，再用分水器分出带水剂及少量醋酸并将 它们回流到反应器，将水分走。待反应完全后，将塔底的产物过滤脱色，再放 入减压精馏塔，待完全分离完后，即得三醋酸甘油酯。反应需 6 小时，辅助时 间为 2 小时。本设计采用传统生产工艺用浓硫酸做催化剂，冰醋酸和丙三醇反 应合成。虽然，以甘油、醋酸、浓硫酸为原料经过酯化制得三醋酸甘油酯这一 工艺路线有很多缺陷，但是它还是目前比较成熟的工艺方法。 所以本文工艺设 计所选择的方法也是以甘油、醋酸、浓硫酸为原料经过酯化制备 反应方程式： 223233335 3()3()HOCH CHOHCH OHCH CO OCH COOHCH COO C H 22323335 33()HOCH CHOHCH OHCH COOHH OCH COO C H 酯化反应完全后混合物用碳酸钠中和。酯化反应是一个典型的可逆反应。三醋 酸甘油酯的生产主要依靠如何优化反应而提高生产效率。常有以下方法： 7 （1）将反应原料中任何一种过量，使平衡尽量向右移动。 （2）将反应中生成的水或酯及时从系统中除去，促使酯化反应完全。生产中 常以过量的醇做溶剂与水形成共沸作用，且这种共沸溶剂可以在生产过程中循 环使用. 在本生产中，由于甘油价格较贵，考虑到生产成本，采用醋酸过量。以浓 硫酸做催化剂，乙酸乙酯做带水剂，来促进酯化反应完全。由于甘油的结果特 征，其中伯仲位羟基酯化能力不同，若单用酰化能力较弱的冰乙酸，其仲位羟 基难以彻底酯化，反应时间长，酯化率低，加入一定量的乙酸酐，可显著提高 酯化率，缩短反应时间。反应工艺流程图如下： 酯化 - 中和 - 水洗 - 脱色 - 过滤 精馏 2. 冷凝器设计方案的确定 冷凝器是将工艺蒸汽冷凝为液体的设备，在冷凝过程中将热量传递给循环 水等冷却剂，是在各行业中广泛应用的热量交换设备，冷凝器是有相变的换热 器。列管式冷凝器主要有固定管板式、浮头式、U 型管式和填料函式；又有卧 式与立式两种类型，其中卧式壳程冷凝和立式管程冷凝是最常用的。本设计中 用循环水将精馏出的蒸气冷凝下来的过程应选用浮头式换热器。 本设计中物料经过精馏以后，分阶段采出馏头和产品。本设计中进冷凝器 的物料为 120的混合蒸汽，出冷凝器的物料为 60的混合液体，此过程既有 相变热又有潜热。冷凝剂用水，采用逆流法计算，入口温度为 25，出口温度 为 35。根据两种流体的性质和设计规定，可得热流体走管程，冷流体走壳程。 表 3 进入换热器的热料组成 8 物料名称成分质量分数/%蒸汽流量/kg/h 醋酸 乙酸乙酯 43.68 22.04 44.6 22.5 硫酸 水 0.62 33.66 0.63 34.37 表 3 进入冷凝器的冷却水物性参数 密度/kg/m3 比热容 /kj/(kg*k) 1p c 黏度/Pa*s 导热系数 /w/(m*k) 冷却水9944.1870.72710-30.626 3. 换热器的工艺计算 3.1 确定物性数据 定性温度：对于一般气体的粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的 平均值，故管程混合气的定性温度为：T=(20+60)/2=90 壳程冷却水的定性温度为：t=(30+40)/2=35 根据定性温度，分别取管程和壳程流体的有关物性数据。对混合气体来说， 最可靠的物性数据是实测值。若不具备条件，则应分别查取混合物各组分的有 关物性数据，然后按相应的加和方法求出混合气体的物性数据。 如下表： 物质醋酸水乙酸乙酯 混合物的平均 参数 平均定压比热容 1p c /kj/(kg*k) 2.244.301.96 2.86 9 黏度 /uPa*s0.845110-313.9920.44110-312.651 导热系数 /w/(m*k) 0.0.0.0.02279 相对密度 /kg/m3相对蒸气密度 (空气=1)： 3.1142 2.5481 相对蒸气密度 (空气=1)： 3.0423 2.8741 相变热/kj/kg 406 2246.8 393.9 3.2 试算和初选冷凝器规格 热流体温度变化 120（混合蒸汽）60(混合液体) 冷却水温度变化 3040 3.2.1 计算混合蒸汽热负荷和冷却水用量 混合蒸汽从 120冷却到 120混合液体的相变热： Q1=m r=44.6406+22.5393.9+34.372246.8=1.042105 kj/h 混合液体从 120冷却到 60混合液体的潜热 :Q2=Wct =102.1(2.2443.68%+22.04%2.31+33.66%4.18) (120-60) =1.78104 kj/h 所以总的热量为：Q=Q1+Q2=1.22105 kj/h=3.39104w 冷却水用量为：Wc=kg/h =2918.66 kg/h Q c t 4.18 10 10 3.2.2 计算两流体的平均温度差 暂按单壳程、多管程进行计算。逆流时平均温度差 tm=50.98 t2 -t1 lnt2/t1 （120 - 40） - （60 - 30） ln（120 - 40）/（60 - 30） 而：P=(t2-t1)/(T1-t1)=(40-30)/(120-30)=0.11 R=(T1-T2)/(t1-t2)=(120-60)/(40-30)=6 由表可查得，则壳程选单壳程可行。0.94 t tm50.98=47.920.94 t 3.2.3 估算传热面积 根据冷流体和热流体的具体情况，参考换热器的传热系数的大致范围 假设总传热系数 K为： 200W/(m2) 则传热面积为：S=3.6m2 Q K tm 33900 200 47.9 由于 Tm-tm=(120+60)/2-(40+30)/2=5550， 因此需考虑热补偿。据此，由换热器系列标准中选定型换热器。 则本次设计换热器的实际传热面积为： S0=ndL=323.140.025（1.5-0.1）=3.51 m2 故该过程的总传热系数为：K0=201.6W/(m2) Q S0tm 33900 3.51 47.92 3.3 选择冷凝器类型规格 F F3 32 25 5- -2 2. .5 5- -3 3. .8 8型型换换热热器器 有有关关参参数数 ： 表7 选定冷凝器的性能参数 参数名称参数参数名称参数 11 公称直径/mm 公称压强/MPa 公称面积/m2 管程数 中心排管数 管程流通面/m2 325 2.5 3.8 2 5 0.005 管子尺寸/mm 管长/m 管子总数 管子排列方式 管心距/mm 202.5 1.5 32 正方形斜转45 32 其他附件： 1封头 根据选取的冷凝器型号确定封头选用圆形。 2防冲挡板 因为壳程介质为蒸汽，应设置防冲挡板，以防止气体直接冲击传热管， 产生冲蚀。 3接管 壳程流体进出口接管：取管内液体流速为 40m/s,则接管内径为： 44 0.012 0.02 3.14 40 V Dm u 3.4 核算压强降 3.4.1 管程压强降 12 () itsp PPP FN N 其中 1.5, t F 2, p N 1 s N 管程流通面积：Ai=/4di2n/Np=3.14/40.02232/2=0.005 m2 12 管程流速为： ui=1.97m/s Vs Ai 102.1/2.8741 3600 0.005 管程雷诺数：Re=diui/=0.021.972.8745/(12.65110-6)=8951（湍流） 对于碳钢管，取 糙度，由-Re关系图中查 0.1 0.1,0.007 15 i mm d 得： 所以： 0.034 p1= =0.0341.5/0.022.87451.972/2=14.22Pa L D ui2 2 p2= 3= 3=16.7Pa ui2 2 2.8745 1.972 2 则pi=p1 + p2 =30.92Pa 所以，管程流动阻力在允许范围之内。 3.4.2 壳程压强降 其中 ，1.0,1 ss FN 2 10 (1) 2 o cB u PFf n N 管子为正方形斜转45排列，则 0.4,1,1.0 ss FF nc=1.19=1.19=7 n32 0.228 5.0Re oo f 2 1 (1) 2 o ocB u PFf n N 取折流挡板间距为： h=0.15m NB=L/h 1 = 1.5/0.15 1 = 9 壳程流通面积为：A0=h（D ncdo）=0.15(0.32570.025) =0.0225 壳程流速为：u0=Vs/A0=2918.66/(2.54810.0253600 )=12.73m/s 12 () oss PPPF N 13 壳程雷诺数：Re0=d0u0/=0.02512.732.5481/(13.99210-6)=57957500 f0=5.0Re0-0.228 =0.41 所以，P1 =0.40.417(9+1) 2.548112.732/2=2342Pa P2 =NB(3.52h/D) ui2/2=9 (3.52 0.15/0.325) 2.87451.972/2=129.4Pa P0=P1+P2=2471.4Pa 综上所述，管程和管壳压强降都能在允许范围之内。 3.5 核算总传热系数 3.5.1 管程对流传热系数 应用迪特斯和贝尔特关联式计算管程的对流传热系数。 Re=8951（湍流） Pr=cp/=2.8710312.65110-6 / 0.02279=1.59 a0=0.023(/di)Rei0.8Pri0.4 =0.0230.02279/0.02(8951)0.8(1.59)0.4 =45.8W/(m2) 3.5.2 壳程对流传热系数 由 1 0.550.14 3 0.36()()() p eo o ew c d u d 取冷凝器列之管中心距 t=32mm。则流体通过管间最大截面积为 A=hD（1d0/t）=0.150.325(1-0.025/0.032)=0.01066 m2 流体流经管间的流速为： u0=Vs/A0=2918.66/(9940.0253600 )=0.033m/s de=0.027m 4(t2/4 d02) d0 4(0.0322/4 0.0252) 0.025 14 Re0=d0u0/=0.0270.033994/(0.72710-3)=1205 Pr=cp/=4.1871030.72710-3/0.626=4.9 壳程中水被加热，取。 0.14 ()=1 w 所以， 1 0.550.14 3 0.36()()() p eo o ew c d u d =0.36(1205)0.55(4.9)1/31=701.3 W/(m2) 0.626 0.027 3.5.3 污垢热阻 参考附录，管内外侧污垢热阻分别取为： Rsi=0.0002m2/W Rso=0.00017 m2/W 3.5.4 总传热系数 由于管壁热阻 太小可忽略 ，总传热系数 K0为 K0= 1 1/a0 + Rso + Rsid0/di + d0/(aidi) = 1 1/701.3 + 0.00017 + 0.0002 25/20 + 25/(45.8 20) =234.25 W/(m2) 由前面的计算可知，选用该型号冷凝器时的总传热系数为 201.6W/(m2) 在规定的流动条件下，计算的 K0为 234.25 W/(m2)，故所选的冷凝器 15 是合适的。 其安全系数为： 100%=16.2% 234.25 - 201.6 201.6 4 冷凝器构尺寸和设计计算结果 表 8 冷凝器的主要结构尺寸 参数尺寸 形式浮头式 传热面积3.6 管程流通面积/m20.005 管径/mm 252.5 管长/mm150 管数/根32 管程数2 壳程数1 管心距/mm32 管子排列正方形斜转45 折流挡板数14 材质碳钢 表 9 冷凝器的主要计算结果 主要计算结果管程壳程 流速/（m/s）1.97 12.73 表面传热系数/W/(m2.K) 45.8 701.3 总传热系数W/(m2)66.254 16 安全系数/%16.2 17 结束语 本文主要介绍了选用 Mo