酯化法生产柠檬酸三丁酯的工艺设计

酯化法生产柠檬酸三丁酯的工艺设计 化学化工学院 《化工过程与工艺设计》 设计题目 酯化法生产柠檬酸三丁酯的工艺设计 学生姓名 秦金彪 班级、学号 1001100617 指导教师姓名 周浩力 设计时间 2013年 6月 27日--2013年 7月 5日 课程设计成绩(五级分制): 设计说明书、计算书及设计图纸质量，70% 独立工作能力、综合能力及设计过程表现，20% 设计答辩及回答问题情况，10% 设计最终成绩(百分制) 指导教师签字 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 目录 第1章引言 ....................................................................................................... 1 1.1催化酯化法生产TBC概述 ................................................................. 1 1.2与传统增塑剂相比，TBC的优点 ...................................................... 2 第2章设计说明书 ........................................................................................... 2 2.1柠檬酸性质 ......................................................................................... 2 2.2正丁醇性质 ......................................................................................... 3 2.3柠檬酸三丁酯性质 .............................................................................. 3 2.4柠檬酸三丁酯应用 .............................................................................. 5 2.5柠檬酸三丁酯的设计依据 .................................................................. 6 2.6基本工艺过程...................................................................................... 7 第3章设计计算书 ........................................................................................... 8 3.1基础数据 ............................................................................................. 8 3.2物料衡算 ............................................................................................. 9 3.2.1酯化过程 ................................................................................... 9 3.2.2脱醇过程 .................................................................................. 11 3.2.3水洗过程 ..................................................................................12 3.2.4干燥过程 ..................................................................................13 3.2.5脱色过程 ..................................................................................13 3.2.6总物料平衡 ..............................................................................14 3.3热量衡算 ............................................................................................14 3.3.1所用常数 ..................................................................................14 3.3.2酯化釜......................................................................................15 3.3.3酯化釜第一冷凝器 ..................................................................18 3.3.4酯化釜第二冷凝器 ..................................................................18 3.3.5脱醇釜......................................................................................19 3.3.6脱醇塔顶冷凝器 ......................................................................20 3.4设备选择 ............................................................................................21 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 3.4.1正丁醇原料贮槽 ......................................................................21 3.4.3酯化釜......................................................................................22 3.4.4酯化釜第一冷凝器 ..................................................................22 3.4.5酯化釜第二冷凝器 ..................................................................22 3.4.6酯化回流罐 ..............................................................................22 3.4.7正丁醇输送泵 ..........................................................................22 3.4.8废水贮罐 ..................................................................................22 3.4.9脱醇塔......................................................................................23 3.4.10脱醇塔顶冷凝器 ....................................................................29 3.4.11 TBC计量罐 ...........................................................................29 3.4.12脱醇塔泵 ................................................................................29 3.4.13脱醇冷凝器 ............................................................................30 3.4.14脱醇回流罐 ............................................................................30 3.4.15丁醇回收罐 ............................................................................30 3.4.16水洗釜 ....................................................................................30 3.4.17水洗静置罐 ............................................................................30 3.4.18水洗泵 ....................................................................................30 3.4.19干燥塔 ....................................................................................30 3.4.20干燥冷凝器 ............................................................................31 3.4.21箱式过滤机 ............................................................................31 3.4.22成品计量罐 ............................................................................31 3.4.23成品泵 ....................................................................................31 3.4.24成品贮罐 ................................................................................31 3.4.25干燥塔受槽 ............................................................................31 3.5主要仪表选择.....................................................................................32 3.5.1酯化釜压力表的选择 ..............................................................32 3.5.2脱醇塔、干燥塔压力表的选择 ...............................................32 3.5.3温度表的选择 ..........................................................................32 3.6工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 设计说明 .............................................................................33 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 3.7平面布置设计说明 .............................................................................33 3.8安全生产与环境保护 .........................................................................34 3.8.1安全生产 ..................................................................................34 3.8.2废物处理 ..................................................................................34 第4章投资与效益分析 ...................................................................................35 4.1 原料价格 ...........................................................................................35 4.2产品价格 ............................................................................................35 4.3 效益分析 ...........................................................................................35 第5章小结 ......................................................................................................36 5.1设计体会 ............................................................................................36 参考文献: .................................................................................................37 附录1 设备一览表 ..............................................................................38 附录2 工艺流程图 ..............................................................................39 附录3 设备平面布置图, 立面布置图 ................................................39 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 第1章引言 近年来，随着人们环保及安全意识的加强，一些国家相继出台了有关增塑剂的相关法规。由于邻苯二甲酸双酯(DEHP)的结构中含有苯环可致癌，在我国制定的相应法规中，限制邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸二辛酯(DOP) [1]在食品包装材料中的使用，而推荐使用柠檬酸三丁酯(TBC)。美国食品和药物管理局(FDA)也已批准TBC等柠檬酸酯类无毒增塑剂作为食品包装、医疗用具、儿童玩具等塑料增塑剂。日本劳动者 267 号《食品添加剂规定 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 》同样 PVC树脂，日本《食品卫生法施行规则》25 条也规定玩具原材料不得用含DEHP的 [2]第一款也有此规定。因此，柠檬酸三丁酯成为了目前工业上一种重要的增塑剂，被广泛地应用于食品包装、医疗用具、儿童玩具和个人卫生用品等领域。另外，我国年消耗PVC8400 千吨，为世界上最大消费国，年产增塑剂800 千吨中多为 [3]邻苯二甲酸双(DEHP)。欧盟是中国最大玩具出口国，占中国出口玩具的20,，产值 180 亿元，且以年 40,速度上升。此外，我国是柠檬酸生产大国，作为主要生产柠檬酸的企业，安徽丰原集团研究和生产柠檬酸三丁酯无毒增塑剂，对于拓宽柠檬酸的应用领域也具有重要的价值。因此，我们应大力开发柠檬酸三丁酯这种高经济效益、高环保效益及社会效益的朝阳产品以满足国内外需求。 传统的TBC生产工艺一般是由柠檬酸和正丁醇在浓硫酸为催化剂的作用下酯化合成而得。它存在以下几个缺点:(1)生产周期长，转化率低。由于硫酸脱 [4]水、酯化和氧化作用，副产物多，这给反应产物的精制及回收均带来困难;(2)反应产物的后处理要经过碱中和、水洗，以除去作为催化剂的硫酸，致使工艺复 [5][6]杂，产生三废，产品流失;(3)硫酸还严重腐蚀设备，增加生产成本。为此，迫切需要对柠檬酸三丁酯的传统工艺进行革新，并努力探索、研究出一种新的、无污染、对设备无腐蚀、催化效率高的催化剂来满足生产需要。本课题的研究就是为了降低柠檬酸三丁酯的生产成本，研究一种更有效的催化剂，并进一步提高柠檬酸三丁酯的酯化率、收率及质量，以满足国内外市场对柠檬酸三丁酯的多方面需求，同时使反应的副产物减少，并把对环境的污染降到最低。 我们希望，采用新工艺生产柠檬酸三丁酯，降低生产成本，将有利于国内。 1.1催化酯化法生产TBC概述 柠檬酸和过量正丁醇在催化剂和脱色剂存在下发生酯化反应，生成柠檬酸三1 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 正丁酯和水，经分水器分离过量醇和水，中和，再经减压和汽提进一步脱醇，达到闪点指标，脱色，过滤脱去机械杂质，计量、包装，即为成品TBC。在这其中酯化反应是整个工艺的关键。酯化反应催化剂一般都是具有强酸性的物质，如强质子酸、超强酸、杂多酸等，筛选出适合催化剂用于该酯化反应。 目前国内外研究热点主要集中在酯化反应新催化剂的开发上，寻找高活性，高选择性，制备工艺简单，经济实用，对环境友好的新型催化剂成为国内外学者的研究方向。 1.2与传统增塑剂相比，TBC的优点 柠檬酸三丁酯是一种绿色环保的新型增塑剂，已成为传统增塑剂邻苯二甲酸二辛酯(DOP)的绿色替代品，受到了人们广泛关注。其主要特点在于:(1)无毒无味、绿色环保;(2)耐光、耐热、稳定性好、经久耐用;(3)与聚合物及树脂的相容性极好。可广泛用于食品包装、医疗器具、儿童玩具以及个人卫生等各种橡塑制品。 第2章设计说明书 2.1柠檬酸性质 [7]柠檬酸是一种重要的有机酸,又名枸杞酸，无色晶体，常含一分子结晶水，无臭，有很强的酸味，易溶于水。其钙盐在冷水中比热水中易溶解，此性质常用来鉴定和分离柠檬酸。结晶时控制适宜的温度可获得无水柠檬酸。在工业，食品业，化妆业等具有极多的用途。结构式如下: 英文名称:Citric Acid ，化学名称:2-羟基丙烷-1,2,3-三羧酸，CAS:77-92-9，分子式:C6 H8O7，分子量:192.14，白色结晶粉末，无臭，熔点(?):153?，沸点(?)(175?分解) ，相对密度(水=1):1.6650 ，闪点(?):100。 溶解性:溶于水、乙醇、丙酮，不溶于乙醚、苯，微溶于氯仿。水溶液显酸性。物理性质:在室温下，柠檬酸为无色半透明晶体或白色颗粒或白色结晶性粉2 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 末，无臭、味极酸，在潮湿的空气中微有潮解性。它可以以无水合物或者一水合物的形式存在:柠檬酸从热水中结晶时，生成无水合物;在冷水中结晶则生成一水合物。加热到78 ?时一水合物会分解得到无水合物。在15摄氏度时，柠檬酸也可在无水乙醇中溶解。柠檬酸结晶形态因结晶条件不同而不同，有无水柠檬酸C6H8O7也有含结晶水的柠檬酸2C6H8O7.H2O、C6H8O7.H2O或C6H8O7.2H2O。化学性质:从结构上讲柠檬酸是一种三羧酸类化合物，并因此而与其他羧酸有相似的物理和化学性质。加热至175 ?时它会分解产生二氧化碳和水，剩余一些白色晶体。柠檬酸是一种较强的有机酸，有3个H+可以电离; 加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。 2.2正丁醇性质 [8]中文别名 酪醇; 丙原醇; 丁醇，分子式: C4H10O;CH3(CH2)3OH ，CAS编号:71-36-3，分子量: 74.12，熔 点: -88.9?，沸点:117.25，相对密度: d(20,4)=0.8098，蒸汽压: 0.82kPa/25?，微溶于水，溶于乙醇、醚等多数有机溶剂，无色透明液体，具有特殊气味。 正丁醇主要用于制造邻苯二甲酸、脂肪族二元酸及磷酸的正丁酯类增塑剂，它们广泛用于各种塑料和橡胶制品中，也是有机合成中制丁醛、丁酸、丁胺和乳酸丁酯等的原料。还是油脂、药物(如抗生素、激素和维生素)和香料的萃取剂，醇酸树脂涂料的添加剂等，又可用作有机染料和印刷油墨的溶剂，脱蜡剂。储存注意事项:正丁醇应储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源，防止阳光直射，包装密封，储区应备有合适的材料收容泄漏物。 2.3柠檬酸三丁酯性质 柠檬酸三(正)丁酯，又名枸杞酸三正丁酯。CA登录号为77-94-1，CA索引名为:1,2,3-propnaetriebaroxylicaeid,2-hydroxy-tributylester，常见的英文名字有tributyl citrate; tri-n-butyl citrate; citric acid, tributyl ester; 2-hydroxy-1,2,3-propanetri.ca rboxylic acid tributyl ester; butyl citrate，商品名有citroflex 4; citroflex C 4;NS C 8491，一般简写为TBC。分子式C18H32O7,分子量360.45。结构式如图I.1: 3 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 图I.1TBC结构式 Fig. I.1 Structure of TBC TBC外观是水白色到浅黄色味很淡的液体。具体物理性质参数如下:沸点225 ?(0.67 kPa), 170 ?(0.13 kPa)，计算值389.8?( 0.1 kPa )，熔点-20 .0C，相 25 25 对密度1.042( d)，折射率1.4431( n), 闪点182 ?(开口)，黏度0.0319 Pa?S，25D 溶解度<0.002%( 25?，水)。具有一般酯的化学性质，但较稳定，150 ?，加热1h只有0. I%的柠檬酸游离出来，在苛性碱的存在下能发生水解。与甲醇、冰乙 [9]酸、丙酮、四氯化碳及蓖麻油、矿物油、亚麻油相混融。 邻苯二甲酸酯类是最常用的增塑剂，因其能够改善产品性能且价格低廉而广泛使用。但是，自从20世纪70年代在人体组织内和尸检时检出有邻苯二甲酸酯存在以来，人们对增塑剂的安全问题日益关注。动物试验表明，有些增塑剂能使啮齿动物引发肿瘤、乃至死亡。植物实验表明，用邻苯二甲酸二丁酯(DBP)处理过的种籽扎根无力、根上浮，而且DBP浓度越大，根上浮越严重。蔬菜叶喷洒含DBP的乳液后，老叶萎蔫、新叶逐渐变黄褪白。2005年欧盟部长理事会议通过法案，禁止在儿童玩具中使用六种增塑剂:邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)、邻苯二甲酸二辛酯( DEHP ) ,邻苯二甲酸二异壬酯( DINP )、邻苯二甲酸二异癸酯( DIDP ) ,邻苯二甲酸二正辛酯( DNOP )。 为了保持产品性能不变，寻找合适且安全的增塑剂替代品是各厂一家面临的任务。美国食品与药品管理局(FDA)受美国联邦法规委托制定了生产食品及包装材料时允许使用的物质，规定了可直接使用的和间接使用的增塑剂，其中包括:环氧大豆油、利用碳氢化合物氢解还原生产的合成甘油;三醋酸甘油酯、柠檬酸三乙酯(TEC)、柠檬酸三丁酯、乙酰柠檬酸三乙酯(ATEC)、乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)。 4 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 [10]国外研究者对柠檬酸酯类毒性的研究表明，TBC的毒性比TEC的毒性要低，高剂量喂饲有腹泻。用含有5%和10%的TBC饲料喂养大鼠6周，含有5%的对生长无影响，主要脏器未见影响;含有10%的轻度抑制生长，主要脏器未见影响。研究得到急性毒性参数:TBC小鼠腹腔LD50(半数致死剂量)2900mg/kg，大鼠经口急性LD50 31 mg/kg; ATBC大鼠经口LD50> 30 ml/kg，小鼠经口LD50> 25 ml/kg}猫经口 LD50 > 50 ml/kg。另外，柠檬酸酯类水解的速度取决于其浓度，在低浓度时很快，由于人类暴露于这些增塑剂的实际水平远远低于一般研究采用的浓度，所以在体内条件下这些酯完全有可能迅速、彻底地水解，从而危害甚微。 2.4柠檬酸三丁酯应用 柠檬酸三丁酯是一种无毒无味的“绿色”环保塑料增塑剂，应用广泛，是由柠檬酸和正丁醇酯化反应的产物。主要有以下用途: (1)塑料增塑剂:在PVC塑料中常用DEHP增塑剂，但因结构中含有苯环，且挥发性、迁移性及毒性都很大，发达国家已禁止使用含苯的酯类增塑剂而推广使用柠檬酸三丁酯。它耐寒，又耐光、耐水、又耐热，熔封时热稳定性好且不变色，安全、经久耐用，适合食品、医疗物品包装，血浆袋及一次性注射输液管等。TBC对PUC、PP、纤维素树脂都可增塑，而且其相容性好，在乙基纤维膜中用 [11]量可达 40,，大膜塑料中用量为 10,以下。TBC与其他无毒增塑剂共用可提高制品硬度，尤其对软的纤维醚更为适用。TBC具无毒又抗菌作用，不滋生细菌，还具有阻燃性，所以它在乙烯基树脂中用量很大。能用于薄膜，还作饮料管、食品瓶密封圈、医疗机械、医院内围墙、家庭、饭店、宾馆及公共场所等壁板、天花板、食堂灶间、卫生间等更需此种灭菌阻燃增塑剂，交通工具含国防航空器、战船、战车的车箱内塑料制品也须用此增塑剂，因为DEHP用于车箱内易挥发污染空气并引起肺炎、心血管病及中风与癌症，而且其污染空气后随雨水降落，进而污染地下水。据报道，我国于2003年制造汽车4400千辆，比上年增长 75,，预计2010年汽车业的PVC塑料中需TBC45 千吨。TBC于玩具塑料中用量也甚大，我国是世界上最大的塑料玩具制造国并出口171国家，世界75,玩具为中国制造，中国塑料玩具制造厂有 8000多个，有工人3000多千，2002年国内玩具产值达 100亿元，且产量以年 40,上升，PVC玩具有气球、救生圈、户外休闲充气玩具等。2004年我国塑料制革(人造革)产量为780千吨，制品有5 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 PVC的衣服、运输工具、家庭、办公室、饭店、宾馆、公共候车室等人造革沙发、家具、皮鞋、凉鞋、服装、车防雨帆布、军用品等。2004年我国计划生产PVC4500千吨，消耗 8500千吨，为世界最大PVC消费国，用TBC增塑剂的塑料制品容易降解，由此看来，TBC用在增塑剂上的比例很大。 (2)有机合成的中间体:TBC与醋酐可合成乙酰柠檬酸三丁酯，其性质更为优异，用途更广，是无毒无味的“绿色”塑料增塑剂，也作聚偏聚氯乙烯稳定剂、薄膜与金属粘合的改良剂，其粘合物长时间浸泡于水中粘合力仍很强。 (3)作硝化纤维溶剂:改善硝化纤维抗紫外线能力，并与多种香料的溶剂互溶。 (4)洗涤助剂:它是控制水质污染的替代品，可增强洗涤剂的去污能力。 (5)化妆品:作化妆品的添加剂、乳化剂，对受伤皮肤起治疗及营养作用，又可阻止紫外线对皮肤角质层的水份挥发，保护皮肤具滋润性及生理弹性。 (6)作润滑油及极压抗摩剂、聚氧乙烯树脂的平滑剂。 (7)烟草工业:烟丝中加TBC后可使香烟燃烧时生成的HCN毒气被TBC吸收，从而减少对吸烟者的毒害，TBC可使烟卷保持韧性而不被折断。 (8)其他:作含蛋白质类液体的泡沫去除剂、鞋袜去臭剂、纸张加香助剂、橡胶工业加工防焦剂。 总之，TBC为无毒无味的“绿色”环保塑料增塑剂，广泛用于食品及医药仪器包装、化妆品、日用品、玩具、军用品等，又是化工中间体。20世纪 80年代，美国、苏联等国研究开发开始，至今已有较大进展，我国现在年产3000吨，国内潜在市场近年有l50千吨需求，另外它可出口创汇。我国为世界最大的柠檬酸生产国及出口国，国内生产厂有 80多家，年产 400千吨中80,出口;丁醇有吉化公司，北京化工四厂、大庆石化、齐鲁石化等生产，2005年扬子,巴斯夫 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 将生产 135千吨，到时丁醇国内供需可达到平衡状态。复合催化剂为廉价易购品。生产过程操作简易，无腐蚀与污染，是先进的节能清洁环保型生产工艺，产品成本低、质量好、收率高。因此研制柠檬酸三丁酯，对于拓宽柠檬酸的深加工领域，为塑料工业提供新型增塑剂无疑具有重要的现实意义。 2.5柠檬酸三丁酯的设计依据 依据1991年8月24日河南省石油化学工业厅《无毒增塑剂柠檬酸三丁6 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 酯合成研究》(91)豫石化鉴字004号项目的鉴定,采用该研究成果,并参考国内外同类产品生产方法进行工艺设计。 2.6基本工艺过程 柠檬酸与正丁醇按摩尔比1:6的配比进入酯化反应釜，加入强酸性离子交换树脂(D001，加入量为柠檬酸的5%)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。合成柠檬酸三丁酯的工艺流程图1.2所示: 柠檬酸 离子交换树脂 水 正丁醇、水恒沸物 酯化 ‘’‘’‘ 脱醇 水洗及分离 正丁醇 水 正丁醇 水 产品 脱色 干燥 活性炭 图1.2柠檬酸三丁酯的合成工艺流程框图 Fig1.2 The synthesis of tributyl citrate ester process flow diagram 7 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 第3章设计计算书 3.1基础数据 ?酯化过程 年产量800吨TBC,质量分数98.5%,年工作日320天。 酯化过程: 原料:柠檬酸质量分数90% 正丁醇质量分数98% 为了提高柠檬酸转化率，采用正丁醇过量的方法，原料配比: n(正丁醇)=1:6 n(柠檬酸): 催化剂离子交换树脂加入量为柠檬酸量的5%(质量分数)，恒沸物水中含醇 7.7%(质量分数)，醇中含水20.1%(质量分数)。 反应温度:120? 反应时间:每批物料处理时间8h 柠檬酸转化率:98.5% 柠檬酸三丁酯收率:98.5% ?脱醇过程: 正丁醇出料质量分数:98% 塔釜正丁醇质量分数:1.1% 压力:2666Pa(绝对压力) 柠檬酸三丁酯收率:98.5% ?水洗及分离过程 TBC收率:99.4, 水的加入量和物料量的质量比为1.2:1，洗三次，每次用时4h ?干燥(脱水过程) TBC收率99.4% 操作压力2666Pa 每批物料处理时间8h ?脱色过程 活性炭加入量为物料量的8% (质量分数) 8 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 脱色温度60? 每批物料处理时间为8h 过滤机每5天出一次滤饼 TBC收率:99.6, 3.2物料衡算 结合化工企业生产特点,选择一个班产(8小时)为计算基准" 由TBC质量计算脱醇过程及酯化过程所生成TBC质量 各操作单元每班所得TBC的质量 产品TBC的量 800×1000,(320×3)=833.33kg 产品中纯TBC的量 833.33×98.5%=820.83kg 脱色及过滤过程 820.83/0.994=825.78kg 干燥过程 825.78/0.994=830.76kg 水洗及分离过程 830.76/0.996=834.11kg 脱醇过程TBC的量 834.11/0.985=846.81 酯化过程柠檬酸的质量 360.44?192.14=458.28kg 846.81?0.985? 酯化过程正丁醇的实际用量为: 458.28?3?74.12/192.14=530.36kg 但是总共加入量为458.28?6?74.12/192.14=1036.72kg 3.2.1酯化过程 各操作单元物料平衡 9 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 TBC 柠檬酸 水 正丁醇 酯化 正丁醇 HSO 24 杂质 酯化反应如下: 由柠檬酸三丁酯的质量经物料衡算得，理论上消耗柠檬酸458.28kg，消耗正 丁醇530.36kg，生成水108.72kg。实际需加入90,柠檬酸509.28kg，加入98, 正丁醇1082.37kg，加入强酸性离子交换树脂19.34kg。酯化反应后剩余柠檬酸 6.87kg，正丁醇552.01kg，水180.56kg，离子交换树脂18.51kg(每生产一吨产 品消耗一公斤催化剂)，杂质1.126kg。 酯化釜物料平衡表 酯化反应前 酯化反应后 物料名称 物料质量(kg) 物料名称 物料质量(kg) 90%柠檬酸 509.28 柠檬酸 6.87 98%正丁醇 1082.37 正丁醇 552.01 离子交换树脂 19.34 离子 交换树脂 18.51 柠檬酸三丁酯 846.81 水 180.56 杂质 6.23 合计 1610.99 合计 1610.99 水在正丁醇中的溶解度为20(1,(质量,，水)，正丁醇在水中溶解度为7(7, 10 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 (质量,)，最终未反应的正丁醇与水分为两部分。通过物料衡算得，从酯化回流罐中分离出正丁醇6.07kg，水58.83kg，出酯化釜物料中正丁醇545.94kg，水121.73kg。 3.2.2脱醇过程 脱醇过程如图2-4所示。 假设脱醇时，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。经物料衡算得，塔顶回收质量分数为98%的正丁醇545.94kg，7.7%正丁醇恒沸物183.79kg。 11 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 脱醇塔物料平衡表 进塔物料 出塔物料 塔釜物料 塔顶物料 物料名称 物料质量物料名称 物料质量物料名称 物料质量(kg) (kg) (kg) 6.87 6.87 545.94 柠檬酸 柠檬酸 98%正丁 醇 552.01 TBC 834.11 183.79 正丁醇 7.7%恒沸 物正丁醇 180.56 6.23 TBC 15.54 水 杂质 TBC 846.81 6.23 杂质 1592.48 847.21 745.27 合计 合计 合计 3.2.3水洗过程 计算依据:水的加入量和物料量的质量比为1.2:1的水洗三次，柠檬酸三丁酯收率99(4,。每次洗涤用水量338.88kg，每班洗涤水用量1016.65kg，进入洗涤水中柠檬酸含量为6.87kg。水洗后进入油相中水量为3,(质量,，以TBC计)，则进入油相水量为25.023kg。 水洗釜物料平衡见表。 水洗釜物料平衡表 进水洗釜物料 出水洗釜物料 水相 油相 名称 物料质量 名称 物料质量 物料 物料质量 TBC 834.11 水 991.63 TBC 829.11 水 1016.65 TBC 5.01 水 25.023 杂质 6.23 柠檬酸 6.87 杂质 6.23 柠檬酸 6.87 合计 1863.86 合计 1003.51 合计 860.35 12 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 3.2.4干燥过程 计算依据:柠檬酸三丁酯收率99.4%。 干燥过程随水带出TBC4.98kg，设干燥产品中含水量0.2%(质量%，以TBC 计)，进入产品中水量为1.42kg，蒸发掉水分20.02kg。 干燥塔物料平衡表 进干燥塔物料 出干燥塔物料 蒸发物料 塔顶产品 名称 物料质量 名称 物料质量 名称 物料质量 TBC 829.11 TBC 4.98 TBC 824.13 水 25.02 水 23.37 水 1.65 杂质 6.23 杂质 6.23 合计 860.36 合计 28.35 合计 832.01 3.2.5脱色过程 计算依据:乙酰柠檬酸三丁酯收率99(6,。 脱色釜内加入活性炭的质量为进料量的8,，则加入脱色釜内活性炭 66.56kg， 可循环使用。脱色后进入活性炭中的水为1.65 kg,脱色后进入活性炭中的柠 檬酸三丁酯3.30kg。过滤后得产品柠檬酸三丁酯820.83kg。废渣滤饼77.74kg， 其中:活性炭66.56kg，柠檬酸三丁酯3.30kg，其他杂质:7.88kg。 13 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 3.2.6总物料平衡 物料平衡总表 进料 出料 物料名称 物料质量(kg) 物料名称 物料质量(kg) 90%柠檬酸 509.28 TBC 820.83 98%正丁醇 1082.37 98%正丁醇 545.94 离子交换树脂 19.34 7.7%正丁醇恒沸物 183.79 水 180.56 水 209.38 活性炭 66.56 活性炭 66.56 柠檬酸 6.87 离子交换树脂 18.51 杂质 6.23 合计 1858.11 合计 1858.11 3.3热量衡算 3.3.1所用常数 ?k不锈钢=1464.4kJ/(h?m2??) 不锈钢的传热系数; k搪玻璃=895.376kJ/(h?m2??) 搪玻璃的传热系数; λ=3.556kJ/(h?m2??) 搪玻璃导热系数; b=1.5mm 搪玻璃壁厚; 热损失取5%; 设计传热面积/计算传热面积=1.15; 反应热数据: ΔH酯化反应=77.822 kJ/mol。 ?计算所用物质的恒压热容Cp及汽化潜热ΔH值; 热量衡算中所用物料在不同温度下的恒压热容Cp值见表3-5，不同物质的 汽化潜热见表3-6: 14 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 表3-5不同物料在不同温度下的Cp值 J/(mol??) TBC 温度(?) 柠檬酸 正丁醇 水 备注 20 173.720 75.312 其他温度下 25 179.912 的C值也 p31 180.330 近似取 52.5 191.593 674.461 75.312 56.3 376.56 192.280 694.544 61.3 376.56 193.296 75 196.648 85 表3-6不同物质的汽化潜热ΔH值 J/mol 温度(?) 正丁醇 水 30 51208 38 42 50208 85 92.6 45433 41158 150 38169 3.3.2酯化釜 ?每釜物料 柠檬酸:509.28kg 正丁醇:1082.37kg; 其他(以水计):19.34kg。 ?升温假设 物料由室温(20?)在1h内升至92.6?，物料所含水在1h(92.6?)完全蒸发。然后在92.6?反应4h。用150?的蒸汽加热。 ?第一阶段:升温吸热 温度由20?升至92.6?，平均温度取56.3?。 15 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 (3-1) 式中: Δt——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，mol。 Q1=(92.6-20)*(376.56*509.28/192.124+192.280*1082.37/74.12+75.312*19.34/ 18.016)=282187.558 kJ/h 7039.535 kJ/h。 加上5%的热损失，取Q1=29 ?第二阶段:蒸发吸热 物料中19.34kg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 19.34/(1-0.576)-19.34=26.27 kg 则: (3-2) 式中: ΔHi——对应物质的汽化热，kJ/mol。 Q2=45433*26.27/74.12+41158*19.34/18.016=60285.21 kg/h 加上5%的热损失，取Q2=63458.22kJ/h。 ?第三阶段:反应过程吸热(4小时) 反应生成水180.56kg/班，假设生成水完全汽化，上升气相中含70%的正丁 醇，即正丁醇552.01kg/班。 (3-3) Q3=45433*552.01/74.12+41158*19.34/18.016+ 77822*509.28/192.124=588835.40 kJ 加上5%的热损失，取Q3’=619826.74kJ; 以每小时计，Q3=77478.34kJ/h。 16 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 ?酯化釜传热面积估算(材质为搪瓷) ( 3-4) 式中: k——搪瓷的传热系数，kJ/(h?m??); (3-5) Q取Q1、Q2、Q3中的最大值，即: Q= 297039.535kJ/h。 平均温差的Δt计算: (3-6) 式中: Δt——平均温差，?; Δt1、Δt2——分别换热器进、出口温差。 由式(3-6)得， Δt=88.81?; 由式(3-5)得， A=297039.535/(88.81*895.376)=3.73 m2 取A’=1.15A=4.30 m2 ?酯化釜加热所需蒸汽量 Q=Q1+Q2+Q3’ =297039.535+63458.22+619826.74=980324.50kJ; W=980324.50/38169*18.016=462.72 kg 蒸汽最大流量由Q1计算，则: W=297039.535/38169*18.016=140.20 kg/h 17 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 3.3.3酯化釜第一冷凝器 ?上升气体的最大流量在酯化反应的蒸发阶段，即: 正丁醇:26.27kg 水:19.34kg 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。 ?换热器面积计算: 由式(3-6)得， Δtm=20.23?。 Q=ΔHi ni + ?Cpi ni Δt (3-7) Q=69634.98 kJ/h 加上5%热损失, Q=73299.98 kJ/h 则由式(3-5),得 A=2.47 m2 取A′=1.15A=1.15x2.47=2.85 m2 ?冷却水最大流量 Q =WCp?t (3-8) 式中: W---冷却水用量， kg/h W=73299.98/[75.312*(40-25)]=64.89 kmol/h = 1169.06 kg/h 3.3.4酯化釜第二冷凝器 ?假设经第一冷凝器后仍有20,的正丁醇未被冷凝,用0?的水进行冷凝。 水由0?升至10?,物料由30?降至10?,平均温度20?。 ?传热面积估算 Q = n ?H +n Cp ?t (3-9) Q=51280*26.27/74.12*0.2+26.27/74.12*173.720*0.2*20 =3881.27 kJ/h 加上5%的热损失，取Q=4085.55 kJ/h Δtm=14.43? 18 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 由式(3-5)得: A=0.193m2 A′=1.15A=0.222m2 ?冷冻水最大流量 由式(3-8)得 W=4085.55/(75.312*10)=5.425kmol/h =97.734kg/h 3.3.5脱醇釜 ?物料量 脱醇以4小时计，将水和正丁醇全部按正丁醇计算，则正丁醇量为732.57kg, 平均每小时为183.14kg/h，取回流比为1.5，则上升汽量为正丁醇的2.5倍，即 183.14*2.5=457.85kg/h 其余按柠檬酸三丁酯计算为:859.91kg 脱醇为减压操作，绝压2666Pa，正丁醇沸点42?。 ?升温假设 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， 平均温度31?。 ?升温过程吸热 由式(3-1)得 Q1=(42-20)*(859.91/360.436*669.440+732.57/74.12*180.330) =74347.24kJ/h 加上5%的热损失，取Q1=78260.25kJ/h ?气化过程吸热 Q 2=n ?H =457.85/74.12*50208=310142.10kJ/h ?换热面积估算: (3-10) 式中: b----搪玻璃壁厚，m; k----搪玻璃传热系数。 19 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 Q取最大热量310142.10kJ/h，由式(3-10)得， A=(310142.10*1.5)/[3.556*(150-42)*103]=1.21m2 A′=1.15A=1.39m2 ?蒸汽计算 Q = Q1 +4Q2 =1318828.65kJ W =Q,?H =622.50kg 最大蒸汽量由Q2 计算 W 1=Q2,?H =146.39kg/h 3.3.6脱醇塔顶冷凝器 ?上升气量正丁醇457.85kg/h 冷冻水由0?升至10?，物料由42?降至10?，平均温度26? 。 ?换热面积估算 由式(3-9)，得 Q=457.85/74.12*50208+457.85/74.12*179.912*32 =345705.066kJ/h 加上5%的热损失，取Q=363900.07kJ/h Δtm=18.91? 由式(3-5)得: A=363900.07/(1464.4*18.91)=13.14m2 A′=1.15A=15.11m2 ?冷冻水最大流量 由式(3-8)得 W=363900.07/(75.312*10)=483.19kmol/h =8705.15kg/h 3.3.7热量衡算结果汇总 热量衡算汇总表3-7 20 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 换热过程 换热面积蒸汽最大流量冷却水最大流量(kg/h) 2(m) (kg/h) 4.30 140.20 酯化釜 2.85 1169.06 酯化釜第一冷凝器 0.222 97.734 酯化釜第二冷凝器 1.39 146.39 脱醇塔 *15.11 8705.15 脱醇塔顶冷凝器 注:*代表冷冻水最大流量。 3.4设备选择 3.4.1正丁醇原料贮槽 每班需加入98%(质量分数)正丁醇1082.37kg，水和正丁醇的密度分别为998.2kg/m,和810.9 kg/m?，则物料平均密度可由下式求得: 1/,ρ=?(wi/pi) (3-11) 式中: wi-----质量分数; ρi-----密度，kg/耐 ,ρ=813.95kg/m, 正丁醇原料贮槽以贮存5天的量为准，装料系数取0.85，则正丁醇原料贮槽容积为: (1082.37/813.95)*5*3/0.85=23.47m3 [12]由文献查得，选择公称容积分别为10m,和16m,的立式平底锥盖正丁醇贮罐各一个。 3.4.2正丁醇计量罐 每班消耗正丁醇1082.37kg，以装一班的量为准，装料系数取0.8，所需正丁醇计量罐容积为: 1082.37/(813.95*0.8)=1.66m3 [12]由文献查得，选择90?无折边锥形底平盖容积系列，公称容积2m,。 21 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 3.4.3酯化釜 进入酯化釜总物料为1610.99kg，固液混合物的密度取为1000kg/m,，则进 入酯化釜物料的总体积为:1.61m3 装料系数取0.75，则需要酯化釜的容积为 1.61/0.75=2.15m3 [12]由文献查得选择规格为2500L的搪玻璃K型反应罐。 3.4.4酯化釜第一冷凝器 由热量衡算知，酯化釜第一冷凝器所需传热面积为2.85m3。 12]献[查得选择换热面积4的列管式固定管板换热器。 由文 3.4.5酯化釜第二冷凝器 由热量衡算知，酯化釜第二冷凝器所需面积为0.222。 [12]由文献查得选择换热面积2的列管式固定管板换热器。 3.4.6酯化回流罐 酯化液最大流量: 正丁醇:95.44kg/h 水:61.45kg/h 平均密度=881.17kg/m, 按贮存1小时的量计，装料系数取0.75，所需回流罐容积为 (95.44+61.45)/(881.17*0.75)=0.24m3 [12]由文献查得，选择公称容积0.3m,无折边锥形底平盖容器系列。 3.4.7正丁醇输送泵 正丁醇输送量1082.37kg，输送正丁醇的体积为1.33m3，10分钟将该物料送 入正丁醇计量罐，流量 1.33/(10/60)=7.98m3 泵安装在厂房底层，酯化计量罐进料口在8.1m平面上方，考虑到能量损失， [12]由文献查得，选IS50-32-125型单级单吸离心泵。 泵为动设备，需选择2台，一开一备。 3.4.8废水贮罐 酯化釜回收含正丁醇7.7%的溶液中，正丁醇6.07kg/班，水58.83kg/班，脱 醇塔回收含正丁醇7.7%的溶液183.79 kg/班，其中正丁醇14.15kg/班，水169.64 22 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 kg/班。平均密度=980.8 kg/m,;以贮存5天的废水为基准，装料系数取0.8，所 需废水贮罐体积为:(6.07+58.83+183.79)/(980.8*0.8)*5*3=4.75m3 [12]由文献查得，选择体积为6m,的立式平底锥盖容器系列废水贮罐。 3.4.9脱醇塔 进入脱醇塔物料如下: 柠檬酸 6.87kg 正丁醇 552.01kg 水 180.56kg 柠檬酸三丁酯 846.81kg 杂质 6.23kg 合计: 1592.48kg 密度近似取为1000，装料系数取0.75，则脱醇塔釜体积为: 31592.48/(1000*0.75)=2.12m [12]因物料具有腐蚀性，由文献查得，塔釜选搪玻璃系列公称容积为3000L 的蒸馏罐，塔釜对应的传热面积是9.3。满足工艺要求。 理论塔板数的确定 TBC的沸点如下: 170?(133.32Pa，1mmHg) 225?(666.61Pa，5mmHg) 233?(2933.09Pa，22mmHg) 纯液体的饱和蒸汽压可由安托因方程 ?p=A-B/(T+C) (3-12) 式中:p一在温度T下的蒸汽压，mmHg; T一温度，K。 把上述三组TBC沸点与对应的饱和蒸汽压的数据带入方程(3-12)中，得 ?1=A-B/(170+273.15+C) ?5=A-B/(225+273.15+C) ?22=A-B/(233+273.15+C) 由上述三式，得A=-0.5800，B=43.393，C=-517.97。 当P=2666Pa(20mmHg)时， 23 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 ?20=-0.5800-43.393/(T-517.97) 解得，T=505.83K，即t=232.68?。 [13]由文献查得，2666Pa(20mmHg)时，正丁醇的沸点为t=41.5? 该温度下TBC的饱和蒸汽压可由TBC的安托因方程解得，饱和蒸汽压 P=0.6931mmHg。 TBC [13]由文献查得，正丁醇的安托因常数为A=17.2160，B=3137.02，C=-94.43。 当T=505.83K时，由式(3-12)，解得正丁醇的饱和蒸汽压P=14629mmHg。 正丁醇 2666Pa下塔顶及塔釜正丁醇和柠檬酸三丁酯的饱和蒸汽压及相对挥发度列于下表3-8: 表3-8 塔顶、塔釜正丁醇和TBC的饱和蒸汽压及相对挥发度 mmHg P温度K PmmHg 相对挥发度 正丁醇TBC 314.65 20 0.6931 28.86 505.83 14629 20 731.46 用几何平均值计算平均相对挥发度: ,α=?(αα) (3-13) 12 则，,α=145.29; 由脱醇塔物料衡算知，若将水和正丁醇看做正丁醇，则正丁醇的量为732.57kg;将其余物料看做柠檬酸三丁酯，则柠檬酸三丁酯的量为859.91kg。则进脱醇塔正丁醇物质的量分数为X=0.8079。 F 塔顶物料为正丁醇732.57kg，TBC15.54kg，则正丁醇物质的量分数为X=0.9792。 D 将塔釜杂质看做正丁醇，则塔釜物料为正丁醇6.23kg，TBC834.11kg，则正丁醇物质的量分数为X=0.03555。 W 采用逐板计算法计算所需理论塔板数。 由相平衡方程， y =αx/[1+(α-1)x] (3-14) 式中: y—气相组成，物质的量分数; x一液相组成，物质的量分数; 24 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 α—相对挥发度。 由3.3.5知回流比为1.5，则操作线方程为: y =(R*x+X)/(R+1) (3-15) D 式中: R一回流比; X一塔顶易挥发组分组成。 D 计算自塔顶X=0.9792开始，交替使用操作线方程 D y =0.6x+0.39168 及相平衡方程 x =y/(145.29-144.29y) 依次计算，结果见下表3-9: 表3-9 操作终态时理论板数计算 气相组成y 液相组成x y1=0.9792 x1=0.2447 y2=0.5385 x2=0.00797 y3=0.39646 x3=0.004501 由此可知，需2块理论塔板。塔釜相当于一块理论版，实际需要1块理论板 即可。 填料的选择 [14]由文献得，选择不锈钢制拉西环填料，填料规格15×0.5mm，采用乱堆方 式。 泛点气速的计算 首先确定下式: ,L1/4 1/8 G()()(3-16) G,L 式中: L一液相流量，kg/h; G一气相流量，kg/h; γ一气相密度，kg/m,; G 25 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 γ一液相密度，kg/m,。 L 气相密度按正丁醇密度考虑，由下式: pMγ= (3-17) G RT 式中: P一绝对压力，Pa; M一摩尔质量，kg/mol; R—理想气体常数，8.314J/(mol•K); T—绝对温度，K，按塔顶温度计算。 气相密度=0.07554kg/m,; 液相密度按正丁醇考虑，则=810.9kg/m,。 由3.3.5知，L=183.14kg/h，G=457.85kg/h，代入式(3-16)，得 ,L1/4 1/8 G()()=0.25 G,L [14]相应的，可由文献查得，为0.34 2w,a0.16 FG则( ) μ=0.34 L3g,,L 式中: W一泛点空塔气速，m/s; F 2g一重力加速度，9.8m/s; a-1-1一干填料因子，m，对所选填料，为460m; 3, μ一液体粘度，cp。 L 液体粘度按塔顶和塔釜平均温度计算，平均温度T=(314.65+505.83) /2=410.24K下，正丁醇的粘度可由文献查得，μ=0.27cp。 故空塔泛速 W=9.80m/s F 选择操作气速 操作气速可按下式选择: W=(0.6~0.8)W(3-18) F 式中: 26 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 W一操作气速，m/s; 则操作气速为 W=0.6?9.80=5.88m/s。 塔径的计算 塔径可由下式计算: VD= (3-19) T3600*0.785w 式中: D一塔径，m; T V一气相流量，m,/h; 气相流量可由下式计算: mRTV= (3-20) pM 式中: m一气相流量，m,/h。 由3.3.5知，m=457.85kg/h，则气相流量为 V=7902.70 m,/h 由式(3-19)，塔径为 D=0.690m T 圆整后，取蒸馏塔塔径700mm。 塔内实际流速为 2w =7902.70/(3600*0.785*0.7)=5.71m/s 压降计算 [14]由文献，可以确定下列参数 ,L1/2G() (3-21) G,L 2w,,,0.2G ()μ (3-22) Lg,L 式中: 27 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 L一液相流量，kg/h; G一气相流量，kg/h; μ一液体粘度，cp; L w一空塔气速，m/s; γ一气相密度，kg/m,; G γ一液相密度，kg/m,; L g一重力加速度，9.81m/s2; -1 Φ一填料因子，m，对于所选填料，Φ=600; Ψ一液相密度校正系数，即水的密度与液相密度之比， Ψ=γ/γ=1000/810.9=1.233 水L 由式(3-21)，得 ,L1/2-3G()=3.86*10 G,L 由式(3-22)得， 2w,,,0.2G ()μ=0.176 Lg,L [14]由文献，可以查出填料层压降Δp=145mmHO/m填料，压降过大。 2按填料塔设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ，要求真空塔压降Δp?8mmHO填料。现取Δ2 p=5mmHO/m填料，反算空塔气速。 2 2w,,,,L1/2-3GG由()=3.86*10及Δp=5mmHO/m填料，通过文献，得 ()2gG,,LL 0.2μ=0.012。 L 代入数据，求得: w=1.49m/s。 所需塔径为 D=1.370m T 圆整后，取塔径为1400mm。 [14]由文献查得，精馏塔等板高度可由Granville法计算，经验 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 如下: H.E.T.P.=340d*m(G/L) (3-23)Pmm 28 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 式中: H.E.T.P.一等板高度，m; d一拉西环直径，m; p m一平衡曲线的平均斜率(将各板处的斜率平均之); G，L一气相及液相的流量kmol/h。 mm 平衡曲线的斜率可由表3-10所计算参数计算。 m=0.267 1 m=0.409 2 平均斜率m =0.338 气相及液相流量以仍用3.3.5所得结果，将所对应参数代入式(3-23)得， H.E.T.P.=340*0.015*0.338*457.85/183.14=4.31 实际需要填料层高度为2?4.31=8.62m。 将填料分成4层，每层高度2.155m。 3.4.10脱醇塔顶冷凝器 2由热量衡算知，脱醇塔冷凝器所需换热面积15.11m。 [12]2由文献，选择换热面积16 m的列管式固定管板换热器。 3.4.11 TBC计量罐 脱醇塔釜物料为:柠檬酸6.87kg，TBC834.11kg，杂质6.23kg 3平均密度=1045.2kg/m。 以储存1天量计，装料系数取0.8，所需储罐体积: 3847.21/(1045.2*0.8)*3=3.04m 因物料具有腐蚀性，由文献，选择90?无折边锥形底平盖不锈钢容器，公 3称容积4m储罐。 3.4.12脱醇塔泵 脱醇塔出来总物料量为745.27kg，密度近似取为1000kg/m3，设10分钟输 送完毕，则脱醇塔泵流量为 3745.27/1000*6=4.47m/h [12]由文献，选IS50-32-125型单级单吸离心泵。 泵为动设备，需选择2台，一开一备。 29 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 3.4.13脱醇冷凝器 2由热量衡算知，脱醇塔顶冷凝器传热面积为15.11m。 [12]2由文献，选择换热面积16 m的列管式固定管板换热器。 3.4.14脱醇回流罐 3脱醇回流罐仅起回流液贮存作用，选择0.2m贮罐。 [12]3由文献，选择公称容积0.2 m无折边锥形底平盖容器系列。 3.4.15丁醇回收罐 脱醇塔顶蒸出98%正丁醇545.94kg/班，以储存1天的量为准，装料系数取 0.8，则所丁醇回收罐体积为 3545.94/(813.95*0.8)*3=2.52 m [12]由文献，选择体积为3的立式平底锥盖容器系列贮罐。 3.4.16水洗釜 每次洗涤物料量为1863.86kg，密度取为1000kg/，装料系数取0.8，则水洗 釜体积为 31863.86/(1000*0.8)*3=2.33 m [12]由文献，选用公称容积2500L搪玻璃K型反应罐系列。 3.4.17水洗静置罐 3物料体积与水洗釜一样，均为2.33 m。 [12]3由文献，选用公称容积2.5 m，90?无折边锥形底平盖容器系列。 每班洗三次，为使操作能够交替实现，选2个水洗静置釜。 3.4.18水洗泵 15分钟内将水洗塔釜物料输送完毕，则水洗泵流量为: 31863.86/1000 *4=7.46 m/h [12]由文献，选IS50-32-125型单级单吸离心泵。 泵为动设备，需选择2台，一开一备。 3.4.19干燥塔 进入干燥塔物料860.36kg，密度取1000kg/m3，装料系数取0.8，则所需干 燥塔塔釜体积为: 30 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 3860.36/(1000*0.8)=1.08m [12]由文献，选公称容积为1500L的搪玻璃蒸馏釜。 3.4.20干燥冷凝器 干燥过程放热量较少，换热面积较小。 [12]2由文献，选择换热面积5m的列管式固定管板换热器。 3.4.21箱式过滤机 ，两天出一次滤饼，活性炭密度为440kg/则活每班加入活性炭质量66.56kg 性炭体积为: 366.56*3*2/440=0.91 m [12]由文献，选择XMZ160-1000/50型压滤机。 3.4.22成品计量罐 3每班产品TBC质量820.23kg，密度取1041.8kg/ m，装料系数0.8，则成品 计量罐体积为 3820.23/(1041.8*0.8)=0.98 m [12]3由文献，选择公称1 m立式平底平盖容器系列。 3.4.23成品泵 产品户TBC在10分钟内输送完毕，则成品泵的流量为: 3820.23/1041.8*6=4.72 m/h [12]由文献，选IS50-32-125型单级单吸离心泵。 泵为动设备，需选择2台，一开一备。 3.4.24成品贮罐 以贮存20天的量为准，装料系数取0.8，则成品贮罐体积为: 3820.23/(1041.8*0.8)*20=19.68 m 3为使贮存方便及销售方便，由文献，选择公称容积为10 m立式平底平盖贮 罐两个。 3.4.25干燥塔受槽 3干燥塔受槽仅起接受干燥出来水分的作用。选择0.2 m贮罐。 [12]3由文献，选择公称容积0.2 m无折边锥形底平盖容器系列。 将上述各设备的选择结果汇总，见附表一。 31 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 3.5主要仪表选择 3.5.1酯化釜压力表的选择 酯化过程均在常压下操作，现按操作压力110-150kPa考虑，则量程选择如下: 1P?110kPa 3 1P?150kPa 3 则量程范围为225kPa?P?330kPa。 可以选择的压力变送器为JYB-KO-F-Z-VG，该变送器采用扩散硅芯片，长期稳定性好，可法兰连接，可配数字显示器做现场或远距离输出指示，功耗低，延迟误差小，重复性好，体积小。技术参数精度为??0.5%，量程117kPa?p?690kPa，输出信号1~5V，供电电压24VDC。压力表选择BT107N型单显调节仪表，该表线性电压1~5V，该表具有压力报警输出功能。 3.5.2脱醇塔、干燥塔压力表的选择 脱醇、干燥所需压力均为2666Pa(绝压)。可以选择的压力变送器为JYB-KO-F-Z-VA，该变送器采用扩散硅芯片，长期稳定性好，可法兰连接，可配数字显示器做现场或远距离输出指示，功耗低，延迟误差小，重复性好，体积小。输出信号1~5V，供电电压24VDC。压力表选择BT107N型单显调节仪表，该表线性电压1~5V。 对应压力表个字母代表的含义如下: JYB一产品序列号; K一扩散硅传感器; O一不防爆; F一法兰连接，不带显示; V一电压输出; G一表压; A一绝压。 3.5.3温度表的选择 酯化釜、脱醇等过程所涉及的物料均有腐蚀性，所测量的温度不太高，为满32 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 足工艺要求，均可选择K型热电偶，配置2310型温度表，温度0~300?，精确到1?，该热电偶可以在氧化性和中性介质中使用，热电势大，精度高，线性好，造价低。 对干燥过程，因物料无腐蚀性，可对选择铜电阻测温表，以减少仪表投资。 3.6工艺流程设计说明 在工艺流程设计时，结合所输送物料性质、温度、压力，对管道材质进行选择，对无腐蚀性物料，选择普通无缝钢管，而对醋酸酐等腐蚀性较强的物料，则选择铝管，对其余有腐蚀性的物料选择不锈钢管。根据所输送物料的最大流量，按液体流速1~3m/s 选择了管道的规格。对加热蒸气管线、冷冻水管线、蒸馏釜及蒸馏塔节、酯化釜均采取保温措施，以减少热量或冷量的损耗。 而在选择阀门时，考虑与管路的配套使用，按管道规格选择相应规格的阀门，结合各管路所输送物料性质，选择阀门材质，根据各阀门在工艺中所起的作用进行选择合适的阀门，对加热蒸气选择疏水阀以排除冷凝水。 在考虑工艺流程布置时，尽可能按各设备相对位置进行布置，如蒸馏塔冷凝器及回流均布置在较高位置;依靠自身重力流回到塔内而减少输送动力消耗。对不同设备的相对大小在工艺流程图上也尽可能得以体现。 对工艺中所涉及到的物料线均在工艺流程图上得以注明，其中主物料线以粗实线表示，一般物料以细实线表示，以示区别。工艺中所涉及到的放气口、排液管均在流程设计中加以注明。所涉及的各控制仪表在流程图的相应位置也加以标注。 对该工艺中涉及到的公用工程如冷却水、加热蒸气等在流程设计时也得以考虑，并在流程图中予以体现。 带控制点的工艺图见附图二。 3.7平面布置设计说明 在进行平面布置时，将泵集中布置在一层基础上，减轻对其余楼层的振动。板框式压滤机、各种大型贮罐也布置在一层，减轻楼层的负荷;在进行蒸馏分离时，采用了真空精馏，此时用到真空泵，将真空泵统一布置在真空泵房，周围进行隔离，减轻噪声污染，反应釜用罐耳悬挂在楼板的设备预留孔中，三楼平面主要设计了回流罐、换热器等设备，减少人员来回上下操作的麻烦。对用量较大的33 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 物料如正丁醇等储罐和产品TBC 布置在便于运输的主要通道旁，使这些物料容易进出。若未来改用固体酸催化剂，只需在酯化出料位置设置一固液分离装置即可满足工艺要求。 在平面布置时除考虑生产用房的布置外，还兼顾了辅助用房和生活用房的布置设计，如控制室、配电室、更衣室、分析室均布置在厂房内，使操作控制、原料及产品分析和生活方便。 平面布置图见附图三。 3.8安全生产与环境保护 3.8.1安全生产 原料正丁醇有一定毒性，且易挥发并易燃，应密闭低温储存，操作过程中避免进入口中。硫酸有很强腐蚀性，应避免与人体接触，并配备必要的劳保用品，储存时应采取可靠的措施防止泄漏。醋酸酐具有很强的挥发性和腐蚀性，对人体有较强毒性，在贮存和使用过程中为避免发生泄漏、爆炸事故，应注意密闭，并配备必需的劳动防护用品。在整个工艺设计中，涉及到易燃、易爆物质的各个设备，均安装阻火器，防止明火进入设备内部，产生爆炸。 3.8.2废物处理 该产品在生产过程中三废情况如下，经简单处理可达排放标准。 废水:酯化釜回收含正丁醇7.7%的溶液中，正丁醇6.07kg/班，水58.83kg/班;脱醇塔回收含正丁醇7.7%的溶液183.79kg/班。 废渣:剩余活性炭为:66.56kg/班，杂质为6.23kg/班。 34 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 第4章投资与效益分析 4.1 原料价格 柠檬酸价格: 4500.00 元/吨 左右 一水柠檬酸 工业级 含量?99.5% 正丁醇价格: 7500.00元/吨 左右 正丁醇 工业级 含量?99.9% 4.2产品价格 柠檬酸三丁酯价格: 15000.00元/吨 左右 4.3 效益分析 理论上的年销售收入:15000×800=1200万/年 原料成本223.36+392.11=615.47 万/年 原料成本约占60%左右 所以总成本在 1025.78 万/年 年销售利润: 1200,1025.78=174.22万/年 项目总投资概算:260万 投资回收期: 260/174.22=1.49年 这个工艺还是有投资价值的。 35 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 第5章小结 5.1设计体会 经过三个星期的辛勤劳动，化工专业课程设计终于结束了，虽然有些疲惫，但心里还是很兴奋，充满自豪感，这次课程设计对我们是一次宝贵的经历，虽然在之前做过化工原理和化工设备的课程设计，但这次对我们也是一个不小的挑战。 我们这次做的是酯化法生产柠檬酸三丁酯的工艺设计，在周浩力老师的指导下，我们初步了解了柠檬酸三丁酯的生产工艺流程。在第一周，我们奔赴图书馆，在维普、上查到关于柠檬酸三丁酯的生产工艺介绍，了解了TBC的发展前景、国内的生产发展现状和最新的生产工艺介绍。在第二周，我们进行物料衡算，热量衡算和设备选型，在这里必须得感谢宿舍大家的通力合作，在大家的激烈争吵中，我感觉我对专业知识的理解更深刻了，理论只有在实践后才能更理解的更透彻。在第三周，我们主要处理工艺流程图和厂区布置图，由于不大用CAD，感觉又生疏了许多，感谢各位大神的技术支持和周老师的技术指导。 总的来说，这次的课程设计我们付出很多，收获也很多。通过这次课程设计我们培养了严谨细致的工作态度，掌握了很多分析问题、解决问题的方法。通过查阅文献，选用设计计算公式，搜集数据，分析工艺参数和结构尺寸的相互影响，更深的了解化工设计的要求，而且能更熟练的使用word。 这次课程设计我们再一次体会到了理论与实际的差距，那一个个看似简单知识，应用到现实中要经过很多假设和核算，理论与实际不是一步之遥，但要做好实际工作，一定离不开扎实的理论基础。 36 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 参考文献: [1]李成尊, 徐江丽等. 对甲苯磺酸催化合成柠檬酸三丁醋[J]. 山东化工, 2002(1):9-10. [2]沙耀武, 申亮等. 微波辐射对甲苯磺酸催化合成柠檬酸三丁醋[J]. 湖南化工, 2000, 30 (3):18-19. [3]黄红生, 陆建辉, 顾建荣. 活性炭固载对甲苯磺酸催化合成柠檬酸三丁醋[J]. 塑料助剂, 2004, 45 (3):10-12. [4]毛立新, 陈献桃. 氨基磺酸均相催化合成柠檬酸三丁醋[J]. 湖南理工学院学报(自然科学版), 2005, 18(2): 36-38. [5]乐治平, 卢维奇, 杨发福. 无毒增塑剂柠檬酸三丁醋催化合成研究[J]. 南昌大学学报(理科版), 1997, 21 (1):75-77. [6]秦正龙, 朱平. 柠檬酸三正丁醋的合成研究[J]. 现代化工, 1998, 18(8):47. [7]黄红生, 陆建辉, 顾建荣. 活性炭固载对甲苯磺酸催化合成柠檬酸三丁酯[J]. 聚合物与助剂, 2005 (4): 7-9. [8]杨浩, 王建红, 柠檬酸与正丁醇合成柠檬酸三丁酯的热力学分析[J]. 石油化工, 2011, 2(40). [9]魏文德. 有机化工原料人全[M]. 北京:化学工业出版社, 1999. [10]刘力, 王建国. 乙酞柠檬酸三丁酯的研制与应用[J], 增塑剂, 2003 (20) :29-35. [11]张复兴. 固体酸SnCl?5H0/C催化合成柠檬酸三丁醋[J]. 化学试剂, 2000, 22 (3):189. 42 [12]国家医药管理局上海医药设计院编. 化工工艺设计手册, 化学工业出版社, 1986年10月第1版. [13]化学工程手册(1). 化学工业出版社, 1989年10月第1版. [14]化学工程手册(3). 化学工业出版社, 1989年10月第1版. 37 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 附录1 设备一览表 序号 位号 设备名称 规格 材质 数量 3 1 V101 16m1 正丁醇贮罐 碳钢 3 2 V102 10m1 正丁醇贮罐 碳钢 3 3 V103 2m1 正丁醇计量罐 碳钢 3 4 V104 0.3m1 酯化回流罐 碳钢 3 5 V105 6m1 废水贮罐 碳钢 3 6 V106 4m1 TBC计量罐 不锈钢 3 7 V107 0.2m1 脱醇回流罐 不锈钢 3 8 V108 3m1 正丁醇回收罐 碳钢 3 9 V109 2.5m2 水洗静置罐 碳钢 3 10 V110 1m1 成品计量罐 碳钢 3 11 V111 10m1 成品贮罐 碳钢 3 12 V112 10m1 成品贮罐 碳钢 3 13 V113 0.2m1 干燥塔受槽 碳钢 314 7.98m/h 2 P0101a，b 正丁醇输送泵 315 4.47m/h 2 P0102a，b 脱醇塔泵 316 7.46m/h 2 P0103a，b 水洗泵 317 4.72m/h 2 P0104a，b 成品泵 18 R0101 2500L 1 酯化釜 搪玻璃 19 R0102 2500L 1 水洗釜 搪玻璃 2 20 E101 4m1 酯化1冷凝器 碳钢 2 21 E102 2m1 酯化2冷凝器 碳钢 2 22 E103 16m1 脱醇塔冷凝器 碳钢 2 23 E104 5m1 干燥冷凝器 不锈钢 24 T101 3000L 1 脱醇塔 搪玻璃 3 25 T102 1.5m1 干燥塔 搪玻璃 2 26 X101 160m1 箱式过滤机 铸铁 38 酯化法合成柠檬酸三丁酯设计 附录2 工艺流程图 附录3 设备平面布置图, 立面布置图 39