1、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3.3
2、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
3、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
4、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
5、,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
6、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“。41.2 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
7、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/cm（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
8、-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/cm2h(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51 乙酰柠檬酸三丁酯98.5% 质谱法 HG/T4616-2
9、0141.4 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 74.12 -88.9 117.25 365 11.25 1.45 GB/T6027-19982 硫酸 98.078 10.371 337 GB/T534-20143 醋酸酐 102.09 -73 139 400 10.3 2.0 GB/T10668-20001.5 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 90% kg/t 566.212 正丁醇 98% kg/t 61
10、6.853 浓硫酸 98% kg/t 3.964 醋酸酐 98% kg/t 248.22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。2.1.2 工艺技术路线的确定
11、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：+HOC COOC4H9 (CH3CO)2O CH3COOCH2COOC4H9CH2COOC4H9 C COOC4H9CH2COOC4H9CH2COOC4H9 CH3COOH+360.443 102.089 402.481 60.05ATBC、 、TBC2.2 生产流程说明工艺流程简述: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
12、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。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 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塔在绝压下 2666Pa 进行精馏操作,分离出的醋酸酐循环
13、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：、 、 、 、 、 、 、ATBC、ATBCTBC、+、98%、9
14、8%、8采用间歇操作生产方式,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
15、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。93.1.2 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
16、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%102) 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
17、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）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
18、（绝压） 2666PaATBC 收率 99.5%112) 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 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500103(3003)=555.56kg产品中纯 ATBC 的质
19、量555.5698.5%=547.22kgb.后处理工段547.2296.05%=569.73kgc.脱酸工段根据脱醇的假设，ATBC 收率为 100%。而脱酸收率为 99.5%，因此 ATBC 质量569.7399.5%=572.59kgd.乙酰化工段572.5999%=578.37kg2) 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360.443402.481578.37=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 517.9599%=
20、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523.1899.5%=525.81kgc.酯化过程生成 TBC 质量525.8199.5%=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：、90%、98%、98%、 、+、 TBC、图 3.1 酯化过程物料衡算图酯化反应化学方程式如下：+HOC COOC4H9 (CH3CO)2O CH3COOCH2COOC4H9CH2COOC4H9 C COOC4H9CH2COOC4H9CH2COOC4H9 CH3COOH+360.443 102.089 402.481 60.05ATBC、
21、、TBC13HOC COOH 3 C4H9OH HOCH2COOHCH2COOH+ C COOC4H9CH2COOC4H9CH2COOC4H9 3 H2O+192.122 374.12=222.36 360.443 318.015=54.045H2SO4、 、 TBC 、由衡算式可得：理论消耗柠檬酸质量：528.45360.443192.122=281.67kg理论消耗正丁醇质量：528.45360.443374.12=326.00kg理论生成水质量：528.45360.44354.045=79.24kg则：实际需要加入 90%柠檬酸质量：281.670.99590%=314.54kg 实际需
22、要加入 98%正丁醇质量：281.67192.12260.99574.1298%=668.65kg浓硫酸质量：314.540.7%=2.20kg酯化反应后剩余：柠檬酸质量：281.670.995(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，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/a
23、 w%1 90%柠檬酸 314.54 283.092 98%正丁醇 668.65 601.793 98%硫酸 2.20 1.98进料4 进料合计 985.39 886.85出 釜内 5 柠檬酸 1.42 1.28146 正丁醇 329.39 296.457 硫酸 2.16 1.948 水 124.11 111.79 TBC 525.80 473.22出料10 杂质 2.63 2.3711 正丁醇 3.52 3.17分离水相 12 水 42.16 37.94料13 出料合计 985.41 886.872) 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
24、 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： 525.810.995=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：0.98x0.077y=325.75水： 0.02x0.923y=81.75 解方程得：x=325.96kg，y=81.72kg脱
25、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/a w%1 柠檬酸 1.42 1.282 正丁醇 325.75 293.183 硫酸 2.16 1.944 水 81.95 73.765 TBC 525.81 470.866 杂质 2.63 2.38进塔物料7 进料合计 939.72 845.758 柠檬酸 1.42 1.279 硫酸 2.16 1.9410 TBC 523.18 470.86出塔物料塔釜物料11 杂质 2.63 2.371512 塔釜合计 529.39 476.4513 98%正丁醇 325.96 293.3614 7.7%恒沸物 81.72 7
26、3.5515 TBC 2.63 2.37塔顶物料16 塔顶合计 410.31 369.283) 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：+HOC COOC4H9 (CH3CO)2O CH3COOCH2COOC4H9CH2COOC4H9 C COOC4H9CH2COOC4H9CH2COOC4H9 CH3COOH+360.443 102.089 402.481 60.05ATBC、 、TBC浓硫酸加入量为 TBC 的 0.3%（质量分数），则浓硫酸的需要量为：523.180.003=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
27、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360.443402.481572.59/0.99=517.95kg，生成醋酸和水的质量为 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：517.950.99(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
28、量（kg/批） t/a w%1 柠檬酸 1.42 1.282 98%醋酸酐 224.54 202.093 硫酸 2.16 1.944 TBC 523.18 470.86进料5 杂质 2.63 2.37166 进料合计 753.93 678.547 柠檬酸 1.42 1.288 硫酸 2.16 1.949 TBC 5.23 4.7110 杂质 8.41 7.5711 醋酸酐 90.78 81.7012 醋酸和水 73.35 66.0213 ATBC 572.59 515.33出塔物料塔釜物料14 塔釜合计 753.94 678.554) 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，
29、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
30、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） t/a w%1 柠檬酸 1.42 1.282 硫酸 2.16 1.94进料3 TBC 5.23 4.71174 杂质 8.41 7.575 醋酸 73.35 66.026 醋酸酐 90.78 81.707 ATBC 572.59 515.
31、338 合计 753.94 678.559 柠檬酸 1.42 1.2810 硫酸 2.16 1.9411 TBC 5.23 4.7112 杂质 2.86 2.5713 醋酸酐 5.87 5.2814 ATBC 569.73 512.75塔釜物料15 塔釜合计 587.27 528.5412 醋酸 73.35 66.0213 杂质 8.41 7.5714 醋酸酐 86.64 77.98出塔物料塔顶物料12 塔顶合计 168.40 151.565) 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 3-10 反应工段物料平衡总表序号 组分 质量（kg/批） t/a w%1 90%柠檬酸
32、 314.54 283.0862 98%正丁醇 668.66 601.7943 98%浓硫酸 2.20 1.984 98%醋酸酐 224.54 202.0865 水 131.31 118.1808进料6 进料合计 1341.25 1207.1278 正丁醇 329.29 296.3619 TBC 5.23 4.70710 醋酸 73.35 66.01511 醋酸酐 84.91 76.41912 水 267.51 240.756113 ATBC 569.72 512.754314 杂质 11.27 10.143出料15 塔釜合计 1341.28 1207.155183.2 热量衡算3.2.1 计
33、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 =146. kJ/(hm )K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 1.15反应热数据： 酯 化 反 应乙 酰 化 反 应 =7.82 kJ/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 3-11 各物质不同温度恒压热容表（ ）J/molK温度 柠檬酸 正丁醇 TBC ATBC 醋酸酐 醋酸 水20 173.720 75.31225 179.912 711.28 196.648 133.88831 180.33052.
34、5 191.593 674.461 199.68656.3 376.56 192.280 694.544 200.83261.3 376.56 193.296 203.76175 196.64885 137.4342) 汽化潜热 H 值表 3-12 不同物质的汽化潜热 H 值（ ）J/mol温度 正丁醇 水 醋酸 醋酸酐30 5120838 26694 456061942 5020885 2532892.6 45433 41158150 381693. 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
35、）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
36、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。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
37、。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 15
38、0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。 Q1=tCpini 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，molQ1=(92.6-20)(376.56283.10192.122+192.280655.2874.12+75.31244.87/18.016)=177315KJ/班解得 Q1=177970.5kJ/h，加上 5%的热损失即 Q10.05=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，
39、正丁醇汽化量为 44.87（1-0.576）0.576 =60.96kg 。则：Q2=Hini式中：H 对应物质的汽化热，kJ/mol。可得 Q2=4543363.8974.12+4115844.8718.016=141669kJ/班，加上 5%的热损失，即 Q10.05=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=45433184.8974.12+4115844.8718.016+77822283.101
40、92.122+283.10192.122100077.822=442915kJ解得 Q3=450121kJ/班，加上 5%的热损失,即 Q30.05=22506kj，得 Q3=472627kJ/班。以每小时计，吸收热量 Q3=4726274=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 =KA t 、 、 、 、 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=QK t22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（ t1t2)
41、式中：t 平均温差，；t1 、t2换热器进、出口温差。t1=130 。 C，t2=57.4 。 C, tm=88.81 。 C所以：A=186869895.37688.81=2.35m 2安全量 A，=A1.15=2.70m26）. 酯化釜加热所需蒸汽量蒸汽用量由下式计算: W=QH总换热量为 Q 总=Q1+Q2+Q3= 764895kJ。则蒸汽用量:W=Q 总/ H18.015=7648953816918.015=361.04.由 Q1 计算蒸汽最大流量 Wmax=Q1H18.015=88.20kg/h2. 酯化釜第一冷凝器1）. 物料量表 3-14 上升气体最大流量表序号 组分 质量（kg
42、/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=(4543360.9674.12+4115844.8718.016)+(193.29660.9674.12+75.31244.8718.016)(92.6-30)=161567kJ/h; ，加上 5%的热损失，得 Q= 169645kJ/h。tm=20.23 ，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：23Q=
43、WCPt；所以：W=QCPt=16964575.312(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=nH+nCPtQ=5120860.9674.1220%+60.9674.12173.72020%(30-10)=8995kJ/h,加上 5%的热损失，Q=9444kj/h tm=14.43 。C所以：A=94441464.414.43=0.45m2，A=1.150.45=0.52m23）冷冻水
44、最大流量W=944475.312(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 407.704=101.93kg/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101.932.5=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
45、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t m=(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)24Q1=(42-20) (532.02360.443 669.440+40774.12 180.330)=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=254.8374.12 50208=172618.8kJ/h加上 5%热损失，取 Q2=181
46、249.7kJ/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2搪 玻 璃 =895.376 kJ/(hm )KQ2 取最大热量 181249.7kJ/h，根据上述公式(3-11)可得A=181249.71.5/(3.55627.311000)=4.04m2A=1.15A=1.154.04=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+4181249.7=770737.3kJ所需蒸汽用量，由公式(3-7)W=Q/H=770737.33816918.016=363.79kg同理，最大蒸汽量由 Q2 计算可得：W1=
47、Q2/H=181249.73816918.016=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)25Q =254.8374.1250208+254.8374.12179.912(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(1464.418.9)=7.30m2取 A=1.15A=1.157.30=8.40 m23)冷冻水最大
48、流量由公式(3-9)W= Q/H=202033(75.31210)=263.26kmol/h=4833kg/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(523.18360.443674.461+230.7560.05135.481)=97473kJ/h加上 5%的热损失。Q=102346kJ/h4）反应吸热Q2=
