化工工艺设计-500吨乙酰柠檬酸三丁酯(35页).doc

-化工工艺设计-500吨乙酰柠檬酸三丁酯-第 34 页北京化工大学 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 3.3 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"。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(20，20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·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365GB/T6027-19982硫酸337GB/T534-20143醋酸酐-73139400GB/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/t2正丁醇98%kg/t3浓硫酸98%kg/t4醋酸酐98%kg/t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：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,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,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）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 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500×103÷(300×产品中纯ATBC的质量根据脱醇的假设，ATBC收率为100%。而脱酸收率为99.5%，因此ATBC质量÷992) 计算TBC质量。根据乙酰化反应÷×÷99%=523.18kg，按照投入摩尔比可得实际加入醋酸酐220.05kg。÷99.5%=522. 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：÷×理论消耗正丁醇质量：÷×3×理论生成水质量：÷×则：实际需要加入90%柠檬酸质量：28÷÷ 实际需要加入98%正丁醇质量：÷×6÷×÷浓硫酸质量：×酯化反应后剩余：柠檬酸质量：÷×正丁醇质量：329.29 kg 硫酸质量： 杂质质量： 水： 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/aw%进料190%柠檬酸298%正丁醇398%硫酸4进料合计出料釜内出料5柠檬酸6正丁醇7硫酸68水9TBC10杂质分离水相11正丁醇12水13出料合计2) 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；杂质：(1.42+2.16+523.18) ×2） 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，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2正丁醇3硫酸4水5TBC6杂质7进料合计出塔物料塔釜物料8柠檬酸9硫酸10TBC11杂质12塔釜合计5塔顶物料1398%正丁醇147.7%恒沸物15TBC16塔顶合计3) 乙酰化过程 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：×÷×572.59/0.99=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。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298%醋酸酐3硫酸4TBC5杂质6进料合计出塔物料塔釜物料7柠檬酸88硫酸9TBC10杂质11醋酸酐12醋酸和水13ATBC14塔釜合计4) 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：因此综上两个工段，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/aw%进料1柠檬酸2硫酸3TBC4杂质5醋酸6醋酸酐7ATBC8合计出塔物料塔釜物料9柠檬酸810硫酸11TBC12杂质13醋酸酐14ATBC315塔釜合计塔顶物料12醋酸13杂质14醋酸酐12塔顶合计5) 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/aw%进料190%柠檬酸298%正丁醇398%浓硫酸498%醋酸酐5水6进料合计出料8正丁醇9TBC10醋酸11醋酸酐12水13ATBC14杂质15塔釜合计3.2 热量衡算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%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20253175852) 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3051208382669445606425020885253284543341158150381693. 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）完全蒸发，上升气相中含正丁醇70%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2正丁醇63其他（以水计）1）. 升温假设物料由室温（20）在1h内升温至，物料所含水在1h（）完全蒸发。然后在下反应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，平均温度取。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)××÷×÷×44.87/18.016)=177315KJ/班解得Q1=kJ/h，加上5%的热损失即Q1×0.05=88658kj/班，得Q1=kJ/班。3）. 第二阶段：蒸发吸热kg的水全部汽化，以共沸物组成正丁醇质量分数57.6%÷（）×0.576 =kg。 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Q1×Q2=kJ/班。4）. 第三阶段：反应过程吸热（4小时）kg/班，假设生成水完全汽化，上升气相中含70%kg/班。 Q3=Hini+Q反应热Q3=2+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=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=kJ/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、出口温差。t1=130。C，t2。C, 。C所以：2 安全量6）. 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=Q12. 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/h）1正丁醇2水假设全部冷凝，冷却水温度由25升至40，物料由降至30，平均温度，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×÷74.12+41158×÷×÷×÷18.016)×(92.6-30)=161567kJ/h; ，加上5%的热损失，得Q= 169645kJ/h。，则换热面积 A=5.73 m2，加上系数得A=6.59 m23）. 冷却水最大流量：Q=WCPt；所以：W=Q÷CP÷3. 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÷74.12×173.720×20%×(30-10)=8995kJ/h,加上5%的热损失，Q=9444kj/h tm=14.43。C所以：3）冷冻水最大流量4. 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，÷4=101.93kg/h。其余按TBC计算取回流比为1.5，则×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。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) ×÷ ×669.440+407÷ ×4）第二阶段：汽化过程吸热由公式(3-2)5)换热面积估算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226)蒸汽计算升温完成后，需要4小时进行汽化阶段，总换热量所需蒸汽用量，由公式(3-7)同理，最大蒸汽量由Q2计算可得：5. 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。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)加上5%热损失，取Q=202033kJ/h因此换热面积可由式(3-5)求得2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÷×6. 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×÷×÷×135.481)=97473kJ/h加上5%的热损失。Q=102346kJ/h4）反应吸热Q2÷×25328×50%+69329×÷÷×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：22,6）加热所需的蒸汽量：Q=Q1+Q=102346+433687=536033kJ/h;7）蒸汽最大的流量有Q1计算：则：7. 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：÷3=38.46kg/h,3）传热面积估算：Q=KATTm=(85-30)-(40-25)÷ln(55÷15)=30.79所以：J/h所以2，所以A×2，4）冷却水最大流量：8. 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。÷4×2.5=45.84kg/h;÷4×2.5=56.74kg/h;3）升温过程Q=(38-20)×÷×÷×÷×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)，5）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)2加上系数得，A=1.15A=0.51 m2所需蒸汽量计算Q总所需蒸汽用量：由Q2计算最大蒸汽量，则9. 脱酸酐塔顶冷凝器1）操作条件上升气体组成、气速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Q=45.84÷102.089×(45606+196.648×25)+56.74÷60.05×(26694+133.888×25)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2加上系数得，A=1.15×A=2.23 m23）冷却水最大流量10. 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-酯化釜第一冷凝器-酯化釜第二冷凝器-脱醇塔釜-脱醇塔顶冷凝器-4833乙酰化釜-乙酰化冷凝器-脱酸塔釜-脱酸塔顶冷凝器-12883.3 主要设备的计算和选型3.3.1 酯化釜进入酯化釜中物料为985.41kg，物料密度取1000kg/m3÷3÷3,22比较，满足要求。3.3.2 脱醇塔1）塔釜体积表3-16进入脱醇塔的物料：项目质量柠檬酸正丁醇硫酸水柠檬酸三丁酯杂质合计计算塔釜容积时，物料密度取1000kg/m3，装填系数取0.75，则脱醇塔釜体积为：÷1000÷2,又由于物料具有腐蚀性，有文献【1】22相比较，满足要求。2）理论塔板的确定TBC的沸点如下：170，1 mmHg)225，5 mmHg)233，22 mmHg)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ln1=A-B/(443.15+C)ln5=A-B/(498.15+C)ln22=A-B/(506.15+C)由上述三式，得A=-0.5800，B=43.393，C=-517.97。当P=2666Pa (20mmHg)时，由式(3-13)可得：解得，T=K，即t=2666Pa (20mmHg)时，正丁醇的沸点。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PTBC=0.6931 mmHg。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，。当T=K时，由式(3-13)，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3-19。表3-19 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201462920平均相对挥发度取几何平均值因此可求得kg；将其余物料看作TBC，则TBCkg。则进脱醇塔正丁醇物质的量分数为xF=0.7884。kg，TBCkg，则正丁醇物质的量分数为xD=0.9987。kg，TBCkg，则正丁醇物质的量分数为xW=0.024。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。由回流比为，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R=1.5，XD及相平衡方程 x=y/(145.29-144.29y)取87开始，交替使用操作线方程与相平衡方程，计算结果见表3-20。表3-20 脱醇塔进料组成气相组成y液相组成xy1x1y2x2y