化工工艺设计-500吨乙酰柠檬酸三丁酯

1、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年元月目 录第一章 工艺设计基础 1.1 设计任务 1.2 原辅材料性质及技术规格 1.3 产品的性质及技术规格 1.4 危险性物料的主要物性 1.5 原辅材料的消耗定额第二章 工艺说明 2.1 生产方法、工艺技术路线及工艺特点2.1.1 生产方法2.1.2 工艺技术路线的确定 2.2 生产流程简述第三章 工艺计算与主要设备选型3.1 物料衡算3.1.1 计算的基准数据3.1.2 计算基准3.1.3 各单元物料衡算 3.2 热量衡算3.2.1 计算的基准数据3.2.2 物料衡算 3

2、.3 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）第一章 工艺设计基础1.1 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98.5%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

3、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：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

4、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"

5、;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

6、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"。1.2 原辅材料性质及技术规格 1.2.1柠檬酸的性质：柠檬酸，分子式C6H8O7，分子量192.14，为无臭白色粉末，相对密度1.6650（25），熔点153，沸点175，易溶于水。 1.2.2正丁醇的性质：正丁醇，分子式C4H10O，分子量74.12，无色透明液体，具有特殊气味，相对密度0.8098（25），粘度：2.95mPa.s(20），沸点117.25，20时在水中的溶解度7.7%（重量），水在正丁醇中的的溶解度20.1%（重量）。与乙醇乙醚及其他多种有机溶剂混溶。 1.2.3硫

7、酸的性质：分子式H2SO4，分子量98.078，透明无色无臭液体，密度1.8305 g/cm³（25）熔点10.371 ，沸点337 ，折射率1.41827，与水任意比互溶。 1.2.4醋酸酐的性质：分子式C4H6O3，分子量102.09，无色透明液体。相对密度1.08（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/T9855-20082正丁醇98%气相色谱法GB/T6027-19983浓硫酸98%GB/T534-20144醋酸酐98%气相色谱法GB/T10668-20001.3 产品性质及

8、技术规格乙酰柠檬酸三丁酯的性质：分子式C20H34O8，分子量402.48，无色、无味的油状液体，沸点343(0.101MPa)，挥发速度0.000009g/cm2·h(105)，水解速度0.1%(100，6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1乙酰柠檬酸三丁酯98.5%质谱法HG/T4616-20141.4 危险性物料的主要物性危险性物料的主要物性序号物料名称相对分子质量熔点（）沸点（）燃点（）空气的爆炸极限国家标准备注上限%下限%1正丁醇74

9、.12-88.9117.2536511.251.45GB/T6027-19982硫酸98.07810.371337GB/T534-20143醋酸酐102.09-7313940010.32.0GB/T10668-20001.5 原材料的消耗定额原材料的消耗定额及消耗量序号名称规格单位消耗定额消耗量备注每小时每年1柠檬酸90%kg/t566.212正丁醇98%kg/t616.853浓硫酸98%kg/t3.964醋酸酐98%kg/t248.22第二章 工艺说明2.1生产方法、工艺技术路线及工艺特点2.1.1 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,这是因为使用硫酸为催

10、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。2.1.2 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：2.2生产流程说明工艺流程简述

11、: 柠檬酸与正丁醇按1:6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0.7%）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。 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1:1.5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

12、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： 采用间歇操作生产方式

13、,以8小时为一周期，使用原料量：314.56kg柠檬酸、668.65正丁醇、2.2kg浓硫酸、224.54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0.5%,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

14、,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3.1 物料衡算3.1.1 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。3.1.2 计算基础数据1. 酯化工段1) 原料表3-1 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= 1:6浓硫酸加入量为柠檬酸的0.7%（质量分数）。20时，正丁醇在水中的溶解度7.7%（重量），水在正丁醇中

15、的溶解度20.1%（重量）。2) 操作参数表3-2 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：99.5%TBC收率：99.5%2. 脱醇工段1) 脱醇塔操作参数表3-3 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99.5%2) 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7.7%（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

16、）质量分数为0.5%，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 = 1:1.5浓硫酸加入量为TBC的0.3%（质量分数）。2) 操作参数表3-4 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：99%ATBC收率：99%4. 脱酸工段1) 脱酸塔操作参数表3-5 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99.5%2) 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

17、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96.05%。3.1.3 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500×103÷(300×3)=555.56kg产品中纯ATBC的质量555.56×98.5%=547.22kgb.后处理工段547.22÷96.05%=569.73kgc.脱酸工段根据脱醇的假设，A

18、TBC收率为100%。而脱酸收率为99.5%，因此ATBC质量569.73÷99.5%=572.59kgd.乙酰化工段572.59÷99%=578.37kg2) 计算TBC质量。a.乙酰化工段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360.443÷402.481×578.37=517.95kg，同理可计算理论上消耗醋酸酐146.70kg，理论生成醋酸82.29kg。因此实际需加入柠檬酸三丁酯517.95÷99%=523.18kg，按照投入摩尔比可得实际加入醋酸酐220.05kg。b.脱醇过程523.18

19、÷99.5%=525.81kgc.酯化过程生成TBC质量525.81÷99.5%=528.45kg2. 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：图3.1 酯化过程物料衡算图酯化反应化学方程式如下：由衡算式可得：理论消耗柠檬酸质量：528.45÷360.443×192.122=281.67kg理论消耗正丁醇质量：528.45÷360.443×3×74.12=326.00kg理论生成水质量：528.45÷360.443×54.045=79.24kg则：实际需要加入90%柠檬酸质量：281.6

20、7÷0.995÷90%=314.54kg 实际需要加入98%正丁醇质量：281.67÷192.122×6÷0.995×74.12÷98%=668.65kg浓硫酸质量：314.54×0.7%=2.20kg酯化反应后剩余：柠檬酸质量：281.67÷0.995×(1-0.995)=1.42kg正丁醇质量：329.29 kg 硫酸质量：2.16kg 杂质质量：2.63kg 水：124.11kg 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：X+7.7%×Y=329.29

21、，Y+20.1%×X=124.11，解的X=325.75kg,Y=42.16kg.酯化釜物料平衡表如下：表3-6 酯化釜物料平衡表序号组分质量（kg/批）t/aw%进料190%柠檬酸314.54283.09298%正丁醇668.65601.79398%硫酸2.201.984进料合计985.39886.85出料釜内出料5柠檬酸1.421.286正丁醇329.39296.457硫酸2.161.948水124.11111.79TBC525.80473.2210杂质2.632.37分离水相11正丁醇3.523.1712水42.1637.9413出料合计985.41886.872) 脱醇过程根

22、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0.5%，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。1）对于塔釜物料，有：柠檬酸：1.42kg；硫酸：2.16kg；TBC：525.81×0.995=523.18kg杂质：(1.42+2.16+523.18) ×0.005=2.63kg2） 对于塔顶物料，由物料衡算：假设98%的正丁醇有x kg，7.7%的正丁醇恒沸物有y kg，正丁醇：0.98x×0.077y=3

23、25.75水： 0.02x×0.923y=81.75 解方程得：x=325.96kg，y=81.72kg脱醇塔物料平衡表如下：表3-7脱醇物料平衡表序号组分质量（kg/批）t/aw%进塔物料1柠檬酸1.421.282正丁醇325.75293.183硫酸2.161.944水81.9573.765TBC525.81470.866杂质2.632.387进料合计939.72845.75出塔物料塔釜物料8柠檬酸1.421.279硫酸2.161.9410TBC523.18470.8611杂质2.632.3712塔釜合计529.39476.45塔顶物料1398%正丁醇325.96293.36147

24、.7%恒沸物81.7273.5515TBC2.632.3716塔顶合计410.31369.283) 乙酰化过程乙酰化过程如图3.3所示 乙酰化反应方程如下： 浓硫酸加入量为TBC的0.3%（质量分数），则浓硫酸的需要量为：523.18×0.003=1.57kg，由于已有硫酸2.16kg，满足要求不需要补加硫酸。并且由3.1.3已经算出所需98%醋酸酐质量为220.05/0.98=224.54kg，反应后得到ATBC为572.59kg。根据质量守恒定律，理论所需TBC质量为360.443÷402.481×572.59/0.99=517.95kg，生成醋酸和水的质量为

25、73.35kg。乙酰化反应后，出料的柠檬酸、硫酸的质量不变。TBC残余质量：517.95÷0.99×(1-0.99)=5.23kg同理算出剩余醋酸酐：90.78kg生成杂质物料衡算：753.94-1.42-2.16-5.23-73.35-90.78=5.78kg总杂质：5.78+2.63=8.41kg乙酰釜物料平衡表如下：表3-8乙酰物料平衡表序号组分质量（kg/批）t/aw%进料1柠檬酸1.421.28298%醋酸酐224.54202.093硫酸2.161.944TBC523.18470.865杂质2.632.376进料合计753.93678.54出塔物料塔釜物料7柠檬酸

26、1.421.288硫酸2.161.949TBC5.234.7110杂质8.417.5711醋酸酐90.7881.7012醋酸和水73.3566.0213ATBC572.59515.3314塔釜合计753.94678.554) 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1.42kg，硫酸2.16kg，TBC5.23kg，醋酸酐90.78kg，醋酸73.35kg，ATBC572.59kg和杂质8.41kg。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

27、算为569.73kg。塔釜杂质估算为5%为2.86kg，因此塔釜醋酸酐质量为5.87kg，塔顶带出醋酸酐为90.78-5.87=84.91kg。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x kg，另一部分回收的醋酸为y kg。可列出以下方程：0.98x=84.910.02x+y=73.35 解得x=86.64kg，y=71.62kg因此综上两个工段，每班消耗的98%醋酸酐为224.54-86.64=137.90kg 每班回收的醋酸为71.62kg脱酸塔物料平衡表如下：表3-9脱酸物料平衡表序号组分质量（kg/批）

28、t/aw%进料1柠檬酸1.421.282硫酸2.161.943TBC5.234.714杂质8.417.575醋酸73.3566.026醋酸酐90.7881.707ATBC572.59515.338合计753.94678.55出塔物料塔釜物料9柠檬酸1.421.2810硫酸2.161.9411TBC5.234.7112杂质2.862.5713醋酸酐5.875.2814ATBC569.73512.7515塔釜合计587.27528.54塔顶物料12醋酸73.3566.0213杂质8.417.5714醋酸酐86.6477.9812塔顶合计168.40151.565) 反应工段总物料平衡以一班为计算基

29、准。则物料平衡总表见下表。表3-10反应工段物料平衡总表序号组分质量（kg/批）t/aw%进料190%柠檬酸314.54283.086298%正丁醇668.66601.794398%浓硫酸2.201.98498%醋酸酐224.54202.0865水131.31118.18086进料合计1341.251207.127出料8正丁醇329.29296.3619TBC5.234.70710醋酸73.3566.01511醋酸酐84.9176.41912水267.51240.756113ATBC569.72512.754314杂质11.2710.14315塔釜合计1341.281207.1553.2 热量

30、衡算3.2.1 计算的基础数据1. 传热相关数据不锈钢的传热系数 搪玻璃的传热系数搪玻璃导热系数搪玻璃壁厚热损失取5%传热面积安全系数取1.15反应热数据：2. 计算用物质的恒压热容Cp及汽化潜热H1) 恒压热容Cp值表3-11各物质不同温度恒压热容表（）温度柠檬酸正丁醇TBCATBC醋酸酐醋酸水20173.72075.31225179.912711.28196.648133.88831180.33052.5191.593674.461199.68656.3376.56192.280694.544200.83261.3376.56193.296203.76175196.64885137.434

31、2) 汽化潜热H值表3-12 不同物质的汽化潜热H值（）温度正丁醇水醋酸醋酸酐30512083826694456064250208852532892.64543341158150381693. 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92.6，物料所含水在1h内（92.6）完全蒸发，上升气相中含正丁醇70%。然后在92.6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92.6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

32、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1.5，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1.5。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。6) 乙酰化釜冷凝器上升气体全部为醋酸，冷凝过程中，冷却水

33、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1.5，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。3.2.2 热量衡算1. 酯化釜表3-13酯化釜升温物料序号组分质量（kg/批）1柠檬酸283.102正丁醇655.283其他（以水计）44.871）. 升

34、温假设物料由室温（20）在1h内升温至92.6，物料所含水在1h（92.6）完全蒸发。然后在92.6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92.6，平均温度取56.3。Då 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，molQ1=(92.6-20)×(376.56×283.10÷192.122+192.280×655.28÷74.12+75.312×44.87/18.

35、016)=177315KJ/班解得Q1=177970.5kJ/h，加上5%的热损失即Q1×0.05=88658kj/班，得Q1=186180.8kJ/班。3）. 第二阶段：蒸发吸热物料中44.87kg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44.87÷（1-0.576）×0.576 =60.96kg。 则：Q2=HiniDå式中：H对应物质的汽化热，kJ/mol。可得Q2=45433×63.89÷74.12+41158×44.87÷18.016=141669kJ/班，加上5%的热损失，即

36、Q1×0.05=7083.5得Q2=148752.4kJ/班。4）. 第三阶段：反应过程吸热（4小时）反应生成水79.24kg/班，假设生成水完全汽化，上升气相中含70%的正丁醇，即184.89kg/班。 Q3=Hini+Q反应热Q3=45433×184.89÷74.12+41158×44.87÷18.016+77822×283.10÷192.122+283.10÷192.122×1000×77.822=442915kJ解得Q3=450121kJ/班，加上5%的热损失,即Q3×0.05

37、=22506kj，得Q3=472627kJ/班。以每小时计，吸收热量Q3=472627÷4=107490.4 kJ/h。5）. 酯化釜传热面积估算（搪瓷釜）根据传热量计算公式：Q =K×A× t = × × D 式中：K搪瓷的传热系数，2 kJ/(h m )×× 可得换热面积计算公式如下：A=Q÷K÷t其中，Q取Q1、Q2、Q3中的最大值，即Q=Q1=186869.1kJ/h。平均温差t计算公式如下：tm=(t1-t2)÷In（t1÷t2) 式中：t平均温差，；t1、t2换热器进、出口

38、温差。t1=130。C，t2=57.4。C, tm=88.81。C所以：A=186869÷895.376÷88.81=2.35m2 安全量A，=A×1.15=2.70m26）. 酯化釜加热所需蒸汽量蒸汽用量由下式计算: W=Q÷H总换热量为Q总=Q1+Q2+Q3= 764895kJ。则蒸汽用量:W=Q总/H×18.015=764895÷38169×18.015=361.04.由Q1计算蒸汽最大流量 Wmax=Q1÷H×18.015=88.20kg/h2. 酯化釜第一冷凝器1） . 物料量表3-14上升气体

39、最大流量表序号组分质量（kg/h）1正丁醇60.962水44.87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。2）. 换热器面积计算换热量计算公式如下：Q=Hini+tCpiniQ=(45433×60.96÷74.12+41158×44.87÷18.016)+(193.296×60.96÷74.12+75.312×44.87÷18.016)×(92.6-30)=161567kJ/h; ，加上5%的热损失，得Q= 169645kJ/h。tm=20.2

40、3，则换热面积 A=5.73 m2，加上系数1.15得A=6.59 m23）. 冷却水最大流量：Q=WCPt；所以：W=Q÷CP÷t=169645÷75.312÷(40-25)=150.17kmol/h=2705.5kg/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：Q=n×H+n×CP×tQ=51208×60.96÷74.12×20%+60.96÷74.

41、12×173.720×20%×(30-10)=8995kJ/h,加上5%的热损失，Q=9444kj/h tm=14.43。C所以：A=9444÷1464.4÷14.43=0.45m2，A=1.15×0.45=0.52m23）冷冻水最大流量W=9444÷75.312÷(10-0)=12.54kmol/h=225.92kg/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325.75+81.95=407.70kg，平均每小时进料速率为407.70÷4=101.93kg/

42、h。其余按TBC计算质量为1.42+2.16+2.63+525.81=532.02kg取回流比为1.5，则上升气量为正丁醇的V=(R+1)=2.5倍，即有101.93×2.5=254.83kg/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(3-6)平均温度为tm=(32-10)/ln(32/10)=18.91。3）第一阶段：升温过程吸热同酯化釜升温过程计算公式(3-1)Q1=(42-20) 

43、5;(532.02÷360.443 ×669.440+407÷74.12 ×180.330)=43560.38kJ/h加上5%热损失，取Q1=45738.4kJ/h4）第二阶段：汽化过程吸热由公式(3-2)Q2=254.83÷74.12 ×50208=172618.8kJ/h加上5%热损失，取Q2=181249.7kJ/h5)换热面积估算 其中b=1.5mm搪玻璃壁厚搪玻璃的传热系数Q2取最大热量181249.7kJ/h，根据上述公式(3-11)可得A=181249.7×1.5/(3.556×27.31×

44、1000)=4.04m2A=1.15A=1.15×4.04=4.65m26)蒸汽计算升温完成后，需要4小时进行汽化阶段，总换热量Q=Q1+4Q2=45738.4+4×181249.7=770737.3kJ所需蒸汽用量，由公式(3-7)W=Q/H=770737.3÷38169×18.016=363.79kg同理，最大蒸汽量由Q2计算可得：W1= Q2/H=181249.7÷38169×18.016=85.55kg/h5. 脱醇塔顶冷凝器1)上升气量已知正丁醇254.83kg/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

45、度18.91。2)换热面积估算同4中脱醇釜的热量算法相同，根据公式(3-2)Q =254.83÷74.12×50208+254.83÷74.12×179.912×(42-32)=192412.4kJ/h加上5%热损失，取Q=202033kJ/h因此换热面积可由式(3-5)求得A=202033÷(1464.4×18.9)=7.30m2取A=1.15A=1.15×7.30=8.40 m23)冷冻水最大流量由公式(3-9)W= Q/H=202033÷(75.312×10)=263.26kmol/h=4

46、833kg/h6. 乙酰化釜1）物料量：柠檬酸三丁酯：523.18kg，其余按醋酸计算：230.75kg.2）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52.5度,Q=65×(523.18÷360.443×674.461+230.75÷60.05×135.481)=97473kJ/h加上5%的热损失。Q=102346kJ/h4）反应吸热Q2=230.75÷60.05×25328&#

47、215;50%+69329×523.18÷360.443+230.75÷60.05×1000×69.329=413035kJ/h;加上5%的热损失，Q2=433687kJ/h,以每小时计,Q2=108422kJ/h;5）乙酰化釜传热面积计算：Q取最大值Q1=102346kJ/h,tm=93.78.C,所以：A=102346÷895.376÷93.78=1.21m2,A=1.15×1.21=1.39m2,6）加热所需的蒸汽量：Q=Q1+Q=102346+433687=536033kJ/h;W=Q/H=536033&#

48、247;38169×18.016=253.01kg/h7）蒸汽最大的流量有Q1计算：则：W1=Q1/H=102346÷38169×18.016=48.31kg/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230.75×50%=115.38kg反应的3小时：所以115.38÷3=38.46kg/h,3）传热面积估算：Q=KATTm=(85-30)-(40-25)÷ln(55÷15)=30.79所以：Q=38.46&#

49、247;60.05×25328+38.46÷60.05×135.481×45=20126.4kJ/h加上5%的热损失，Q=21123.8kJ/h所以A=21123.8÷1464.4÷30.79=0.47m2，所以A=1.15×0.47=0.54m2，4）冷却水最大流量：W=21123.8÷75.312÷5=56.1kmol/h=1010.6kg/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1.5，脱酸塔为减压操作，绝压2666Pa，此条件下醋酸酐沸点

50、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：90.78kg，醋酸酐：73.35kg，其余按乙酰柠檬酸三丁酯计算为，589.81kg。在上升的气体中：醋酸酐为：73.35÷4×2.5=45.84kg/h;醋酸为：90.78÷4×2.5=56.74kg/h;3）升温过程Q=(38-20)×(90.78÷60.05×133.888+73.35÷102.088×196.648+589.81÷

51、402.472×711.28)=24949kJ/h,加上5%的热损失，Q1=26196kJ/h4）汽化过程吸热根据公式(3-2)，Q2=45606×45.84÷102.089+26694×56.74÷60.05=45700.61kg/h根据热损失5%， Q2取47985.64kg/h5）换热面积估算Q取最大热量Q2=47985.64kg/h，而由公式(3-6)，求得平均温差tm=(130-112)÷ln(130÷112)=120.78，则换热面积由式(3-5)A=47985.64÷(120.78×895.

52、376)=0.44m2加上系数得，A=1.15A=0.51 m2所需蒸汽量计算Q总=Q1+4Q2=26195.94+4×47985.64=218138.5kJ所需蒸汽用量：W=218138.5÷38169×18.015=102.96kg由Q2计算最大蒸汽量，则W1=47985.64÷38169×18.015=22.65kg/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： 45.84kg/h醋酸： 56.74kg/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

53、算Q=45.84÷102.089×(45606+196.648×25)+56.74÷60.05×(26694+133.888×25)=51071.39kJ/h加上5%热损失，取得Q=53624.96kJ/h平均温差按照公式(3-6)可求得tm=(28-12)÷ln(28÷12)=18.88，则换热面积A=53624.96÷(1464.4×18.88)=1.94m2加上系数得，A=1.15×A=2.23 m23）冷却水最大流量W=53624.96÷(75.312×10)=71.20kmol/h=1288kg/h10. 热量衡算结果汇总热量衡算结果汇总见表3-14。表3-13 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2.7088.20-酯化釜第一冷凝器6.59-2705.5酯化釜第二冷凝器0.52-225.92脱醇塔釜4.6585.55-脱醇塔顶冷凝器8.40-4833乙酰化釜1.3948.31-乙酰化冷凝器0.54-1010.6脱酸塔釜0.5122.65-脱酸塔顶冷凝器2.23-1