化工工艺设计-500吨乙酰柠檬酸三丁酯

化工工艺设计-500吨乙酰柠檬酸三丁酯 北京化工大学 化学工程学院 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 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 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: 酯一级冷凝器(水相)化 回 流冷凝器二级冷凝器罐 正丁醇、水+醇(醇相)水恒沸物醋酸柠檬酸、正 丁醇、硫酸 酯化釜脱醇塔乙酰化釜脱酸塔TBC 98%正丁醇98%醋酸酐 工艺水 ATBC脱色机干燥系统水洗釜中和釜 产品 ATBC废水碳酸钠溶液活性炭 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 儿童玩具,医疗用品及其它生活用品的优良无毒增塑剂"美国食品与医用于食品包装, 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"。 4 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CHO，分子量192.14，为无臭白色粉末，687 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CHO，分子量74.12，无色透明液体，具410 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硫酸的性质:分子式HSO分子量98.078，透明无色无臭液体，密度1.8305 ，24 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CHO分子量102.09，无色透明液体。相对密度，463 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(质量分分析方法 国家 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 备注 数) 柠檬酸 液相色谱法 1 90% GB/T9855-200 8 正丁醇 气相色谱法 2 98% GB/T6027-199 8 浓硫酸 3 98% GB/T534-2014 醋酸酐 气相色谱法 4 98% GB/T10668-20 00 1.3 产品性质及技术规格 乙酰柠檬酸三丁酯的性质:分子式CHO，分子量402.48，无色、无味的油状20348 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 乙酰柠檬酸三质谱法 1 98.5% HG/T4616-20 丁酯 14 5 1.4 危险性物料的主要物性 危险性物料的主要物性 序号 相对分熔点沸点燃点空气的爆炸极国家标准 备注 物 料子质量 (?) (?) (?) 限 名 称上限% 下 限% 正丁醇 1 74.12 -88.9 117.25 365 11.25 1.45 GB/T6027- 1998 硫酸 2 98.078 10.371 337 GB/T534-2 014 醋酸酐 3 102.09 -73 139 400 10.3 2.0 GB/T1066 8-2000 1.5 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 备注 每小时 每年 柠檬酸 1 90% kg/t 566.21 正丁醇 2 98% kg/t 616.85 浓硫酸 3 98% kg/t 3.96 醋酸酐 4 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 6 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: CHCOOCHCHCOOCH249249 HHCOOCCOOCHOCCOOCCHCOOHCH(CHCO)O+49+493332 CHCOOCHCHCOOCH249249 360.443102.08960.05402.481 TBCATBC醋酸酐醋酸 2.2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。 7 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ω=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，碳酸钠， 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: 酯一级冷凝器(水相)化 回 流冷凝器二级冷凝器罐 正丁醇、水+醇(醇相)水恒沸物醋酸柠檬酸、正 丁醇、硫酸 酯化釜脱醇塔乙酰化釜脱酸塔TBC 98%正丁醇98%醋酸酐 工艺水 ATBC脱色机干燥系统水洗釜中和釜 产品 ATBC废水碳酸钠溶液活性炭 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 9 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) 8h 3) 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) 2666Pa TBC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。 10 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 4h 3) 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) 2666Pa ATBC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)， 11 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 3500×10?(300×3)=555.56kg 产品中纯ATBC的质量 98.5%=547.22kg 555.56× b.后处理工段 547.22?96.05%=569.73kg c.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 569.73?99.5%=572.59kg d.乙酰化工段 572.59?99%=578.37kg 2) 计算TBC质量。 a.乙酰化工段 根据乙酰化反应 12 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?99.5%=525.81kg c.酯化过程生成TBC质量 525.81?99.5%=528.45kg CHCOOCHCHCOOCH249249 HHCOOCCOOCHOCCOOCCHCOOHCH(CHCO)O+49+493332 CHCOOCHCHCOOCH249249 360.443102.08960.05402.481 TBCATBC醋酸酐醋酸2. 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: 酯一级冷凝器化(水相) 回 流 二级冷凝器罐 水+醇(醇相)90%柠檬酸TBC、柠檬酸 98%正丁醇正丁醇、水酯化釜98%硫酸硫酸、杂质 图3.1 酯化过程物料衡算图 酯化反应化学方程式如下: 13 CHCOOCHCOOHCH2492 SOH24HCOOCHOHHOCCOOH3 CHOC3 HO49++492 CHCOOCHCHCOOH2492 192.122360.4433×74.12=222.363×18.015=54.045 柠檬酸正丁醇TBC水 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:281.67?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，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 w% 90%柠檬酸 1 314.54 283.09 98%正丁醇 2 668.65 601.79 进料 98%硫酸 3 2.20 1.98 进料合计 4 985.39 886.85 出 釜内柠檬酸 5 1.42 1.28 14 出料 正丁醇 6 329.39 296.45 硫酸 7 2.16 1.94 料 水 8 124.11 111.7 9 TBC 525.80 473.22 杂质 10 2.63 2.37 分离正丁醇 11 3.52 3.17 水相 水 12 42.16 37.94 出料合计 13 985.41 886.87 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; TBC:525.81×0.995=523.18kg 杂质:(1.42+2.16+523.18) ×0.005=2.63kg 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， 正丁醇:0.98x×0.077y=325.75 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/a w% 柠檬酸 1 1.42 1.28 正丁醇 2 325.75 293.18 硫酸 3 2.16 1.94 进塔物料 水 4 81.95 73.76 5 TBC 525.81 470.86 杂质 6 2.63 2.38 进料合计 7 939.72 845.75 柠檬酸 8 1.42 1.27 出 硫酸 塔塔釜9 2.16 1.94 物物料 10 TBC 523.18 470.86 料 杂质 11 2.63 2.37 15 塔釜合计 12 529.39 476.45 98%正丁醇 13 325.96 293.36 7.7%恒沸物 塔顶14 81.72 73.55 物料 15 TBC 2.63 2.37 塔顶合计 16 410.31 369.28 3) 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: CHCOOCHCHCOOCH249249 HHCOOCCOOCHOCCOOCCHCOOHCH(CHCO)O+49+493332 CHCOOCHCHCOOCH249249 360.443102.08960.05402.481 TBCATBC醋酸酐醋酸 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/a w% 柠檬酸 1 1.42 1.28 98%醋酸酐 2 224.54 202.09 进料 硫酸 3 2.16 1.94 4 TBC 523.18 470.86 杂质 5 2.63 2.37 16 进料合计 6 753.93 678.54 柠檬酸 7 1.42 1.28 硫酸 8 2.16 1.94 9 TBC 5.23 4.71 出 杂质 塔塔釜10 8.41 7.57 物物料 醋酸酐 11 90.78 81.70 料 醋酸和水 12 73.35 66.02 13 ATBC 572.59 515.33 塔釜合计 14 753.94 678.55 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: 0.98x=84.91 0.02x+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% 柠檬酸 1 1.42 1.28 硫酸 2 2.16 1.94 3 TBC 5.23 4.71 进料 杂质 4 8.41 7.57 醋酸 5 73.35 66.02 醋酸酐 6 90.78 81.70 17 7 ATBC 572.59 515.33 合计 8 753.94 678.55 柠檬酸 9 1.42 1.28 硫酸 10 2.16 1.94 11 TBC 5.23 4.71 塔釜杂质 12 2.86 2.57 物料 出 醋酸酐 13 5.87 5.28 塔14 ATBC 569.73 512.75 物塔釜合计 15 587.27 528.54 料 醋酸 12 73.35 66.02 杂质 塔顶13 8.41 7.57 物料 醋酸酐 14 86.64 77.98 塔顶合计 12 168.40 151.56 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/a w% 90%柠檬酸 1 314.54 283.086 98%正丁醇 2 668.66 601.794 98%浓硫酸 3 2.20 1.98 进料 98%醋酸酐 4 224.54 202.086 水 5 131.31 118.1808 进料合计 6 1341.25 1207.127 正丁醇 8 329.29 296.361 9 TBC 5.23 4.707 醋酸 10 73.35 66.015 醋酸酐 11 84.91 76.419 出料 水 12 267.51 240.7561 13 ATBC 569.72 512.7543 杂质 14 11.27 10.143 塔釜合计 15 1341.28 1207.155 18 3.2 热量衡算 3.2.1 计算的基础数据 1. 传热相关数据 2 不锈钢的传热系数 K=1464.4 kJ/(hm,,?)不锈钢 2 搪玻璃的传热系数 =895.376 kJ/(hm,,?)K搪玻璃 2,=3.556 kJ/(hm,,?) 搪玻璃导热系数 b=1.5 mm 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: ,H=77.822 kJ/mol酯化反应 ,=69.329 kJ/molH乙酰化反应 2. 计算用物质的恒压热容Cp及汽化潜热ΔH 1) 恒压热容Cp值 J/molK,表3-11各物质不同温度恒压热容表() TBC ATBC 温度 柠檬酸 正丁醇 醋酸酐 醋酸 水 20 173.720 75.312 25 179.912 711.28 196.648 133.888 31 180.330 52.5 191.593 674.461 199.686 56.3 376.56 192.280 694.544 200.832 61.3 376.56 193.296 203.761 75 196.648 85 137.434 2) 汽化潜热ΔH值 J/mol表3-12 不同物质的汽化潜热ΔH值() 温度 正丁醇 水 醋酸 醋酸酐 30 51208 38 26694 45606 19 42 50208 85 25328 92.6 45433 41158 150 38169 3. 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。 20 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 283.10 2 正丁醇 655.28 3 其他(以水计) 44.87 1). 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?。 Q=?t?Cpini 1 式中: 21 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)×(376.56×283.10?192.122+192.280×655.28?74.12+75.312×44.87/18.016)=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=??Hini 式中:ΔH——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Q1×0.05=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?1 92.122×1000×77.822=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 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 : Q =K×A×? 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=Q?K??t 其中，Q取Q1、Q2、Q3中的最大值，即Q=Q1=186869.1kJ/h。 22 平均温差Δt计算公式如下: ?tm=(?t1-?t2)?In(?t1??t2) 式中:Δt——平均温差，?;Δt1、Δt2——换热器进、出口温差。 。。。?t1=130C，Δt2=57.4C, ?tm=88.81C 2所以:A=186869?895.376?88.81=2.35m 安全量A，=A×1.15=2.70m2 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 W=Q??H×18.015=88.20kg/h max1 2. 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 60.96 2 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+?t?Cpini Q=(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=20.23?，则换热面积 A=5.73 m2，加上系数1.15得A=6.59 m2 3). 冷却水最大流量: Q=WCP?t; 23 所以:W=Q?CP??t=169645?75.312?(40-25)=150.17kmol/h=2705.5kg/h 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×?t Q=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:A=9444?1464.4?14.43=0.45m2，A’=1.15×0.45=0.52m2 3)冷冻水最大流量 W=9444?75.312?(10-0)=12.54kmol/h=225.92kg/h 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，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/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?。 ?)在1小时内升至42?，然后在42?下脱除全部正丁醇。 物料由室温(20 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=(32-10)/ln(32/10)=18.91?。 m 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) ×(532.02?360.443 ×669.440+407?74.12 ×180.330)=43560.38kJ/h 24 加上5%热损失，取Q1=45738.4kJ/h 4)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/h 5)换热面积估算 其中b=1.5mm 搪玻璃壁厚 2 搪玻璃的传热系数 =895.376 kJ/(hm,,?)K搪玻璃 Q2取最大热量181249.7kJ/h，根据上述公式(3-11)可得 2 A=181249.7×1.5/(3.556×27.31×1000)=4.04m 2A’=1.15A=1.15×4.04=4.65m 6)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/h 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?。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) Q =254.83?74.12×50208+254.83?74.12×179.912×(42-32)=192412.4kJ/h 25 加上5%热损失，取Q=202033kJ/h 因此换热面积可由式(3-5)求得 2 A=202033?(1464.4×18.9)=7.30m 2取A’=1.15A=1.15×7.30=8.40 m 3)冷冻水最大流量 由公式(3-9) W= Q/?H=202033?(75.312×10)=263.26kmol/h=4833kg/h 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。 ?)在1h内升温至85?，然后在85?下反应3h，反应过程有物料由室温(20 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/h 4)反应吸热 Q2’=230.75?60.05×25328×50%+69329×523.18?360.443+230.75?60.05×1000×69.3 29=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, 22所以:A=102346?895.376?93.78=1.21m,A’=1.15×1.21=1.39m, 6)加热所需的蒸汽量: Q=Q1+Q’=102346+433687=536033kJ/h; W=Q/?H=536033?38169×18.016=253.01kg/h 7)蒸汽最大的流量有Q1计算: 则: 26 W1=Q1/?H=102346?38169×18.016=48.31kg/h 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: 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=KA?T ?Tm=((85-30))-(40-25))?ln(55?15)=30.79? 所以:Q=38.46?60.05×25328+38.46?60.05×135.481×45=20126.4kJ/h 加上5%的热损失，Q=21123.8kJ/h 22所以A=21123.8?1464.4?30.79=0.47m，所以A’=1.15×0.47=0.54m， )冷却水最大流量: 4 W=21123.8?75.312?5=56.1kmol/h=1010.6kg/h 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?， 作为计算依据。 取其平均值38? 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 27 Q=(38-20)×(90.78?60.05×133.888+73.35?102.088×196.648+589.81?402.472×711.2 8)=24949kJ/h,加上5%的热损失，Q1=26196kJ/h 4)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/h 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) 2A=47985.64?(120.78×895.376)=0.44m 2加上系数得，A’=1.15A=0.51 m 所需蒸汽量计算 Q=Q1+4Q2=26195.94+4×47985.64=218138.5kJ 总 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/h 脱酸酐塔顶冷凝器 9. 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 28 ?tm=(28-12)?ln(28?12)=18.88?，则换热面积 2A=53624.96?(1464.4×18.88)=1.94m 2加上系数得，A’=1.15×A=2.23 m 3)冷却水最大流量 W=53624.96?(75.312×10)=71.20kmol/h=1288kg/h 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 换热面积 蒸汽最大流量 冷却水最大流量 换热过程 2(m) (kg/h) (kg/h) 酯化釜 2.70 88.20 --- 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 4.65 85.55 --- 脱醇塔顶冷凝器 8.40 --- 4833 乙酰化釜 1.39 48.31 --- 乙酰化冷凝器 0.54 --- 1010.6 脱酸塔釜 0.51 22.65 --- 脱酸塔顶冷凝器 2.23 --- 1288 3.3 主要设备的计算和选型 3.3.1 酯化釜 3进入酯化釜中物料为985.41kg，物料密度取1000kg/m，那么物料的总体积为: 33985.41?1000=0.985m，装料系数去0.75，则需要酯化釜的容积为:0.985?0.75=1.31m, 2由文献查的，选择规格为1500L的搪玻璃K型反应罐。传热面积为5.34m，与计算 2的2.70m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 1.42 29 正丁醇 325.75 硫酸 2.16 水 81.95 柠檬酸三丁酯 525.80 杂质 2.63 合计 939.71 3计算塔釜容积时，物料密度取1000kg/m，装填系数取0.75，则脱醇塔釜体积为: 2939.71?1000?0.75=1.25m, 【】1又由于物料具有腐蚀性，有文献查的，塔釜选搪玻璃系列公称容积为1500L的蒸 22馏罐。塔釜的传热面积为5.34m,与计算的4.65m相比较，满足要求。 2)理论塔板的确定 TBC的沸点如下: 170?(133.32Pa，1 mmHg) 225?(666.61Pa，5 mmHg) 233?(2933.09Pa，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=505.83K，即t=232.68? 2666Pa (20mmHg)时，正丁醇的沸点t=41.5?。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P=0.6931 mmHg。 TBC 30 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A=17.2160，B=3137.02，C=-94.43。当T=505.83K时， 由式(3-13)，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/K P/mmHg 相对挥发度α 正丁醇P/mmHg TBC 314.65 20 0.6931 28.86 505.83 14629 20 731.46 平均相对挥发度取几何平均值 因此可求得α=145.29 由脱醇塔物料衡算表(3-18)知，若将水和正丁醇看作正丁醇，则正丁醇的量为407.70kg;将其余物料看作TBC，则TBC的量为523.01kg。则进脱醇塔正丁醇物质的量分数为x=0.7884。 F 塔顶物料为正丁醇407.68kg，TBC2.63kg，则正丁醇物质的量分数为x=0.9987。 D 将塔釜杂质看作正丁醇，则塔釜物料为正丁醇2.66kg，TBC526.75kg，则正丁醇物质的量分数为x=0.024。 W 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; α——相对挥发度。 由回流比为1.5，操作线方程为 式中: R——回流比; X——塔顶易挥发组分组成。 D 31 因此，带入R=1.5，X=0.9987 D y=0.6x+0.39948 及相平衡方程 x=y/(145.29-144.29y) 取y1= 0.9987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x y=0.9987 x=0.8410 11 y=0.9041 x=0.0609 22 y=0.4360 x=0.0053 33 由此可知，需3块理论塔板。塔釜相当于1块理论塔板，实际需要2块塔板即可。 a. 填料的选择 选择不锈钢制拉西环填料，填料规格15×0.5mm，采用乱堆方式。 b. 泛点气速的计算 泛点气速的计算采取“Bain-Hougen关联式法”(详细介绍参考《化工工艺设计手 册》，P480)，Bain-Hougen关联式如下: 式中: w——泛点空塔气速，m/s; F g——重力加速度，9.81 m/s2; 33-1a/ε——干填料因子，m-1，对所选填料，a/ε=460 m; γ——气相密度，kg/m3; G γ——液相密度，kg/m3; L μ——液体粘度，cP; L A——常数，取0.0142(脱酸塔与此相同); L——液相流量，kg/h; G——气相流量，kg/h。 气相密度按正丁醇密度考虑，由下式 32 式中: P——绝对压力，Pa; M——摩尔质量，kg/mo1; R——理想气体常数，8.314 J/(mol?K); T——绝对温度，K，按塔顶温度计算。 计算得气相密度 3γ=2666*74.12*10^-3/8.314/314.65=0.07554kg/m G 3液相密度按正丁醇考虑，则γ=810.9 kg/m L 由物料及热量衡算知，L=152.895kg/h，G=254.83kg/h。 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《化学工程手册》查得，μ=0.27cP 将上述数据代入式3-13，可得空塔泛速为 w =10.06m/s F c. 选择操作气速 操作气速可按下式选择 w=(0.6~0.8)w F则操作气速为 w=0.6 w =0.6*10.06=6.03m/s。 F d. 塔径的计算 塔径可由下式计算: 式中: D——塔径，m; T 3V——气相流量，m/h; w——操作气速，m/s 气相流量可由下式计算: m——气相流量，kg/h。 33 由物料和热量衡算可知，m=254.83kg/h，则气相流量 -33V=mRT/pM=254.83*8.314*314.65/(2666*74.12*10)=3373.6m/h， 所以 0.5D=(3373.6/(3600*0.785*5.88)) =0.451m。 T 圆整后，取蒸馏塔塔径500mm。 则塔内实际流速为w=3373.6/(3600*0.785*0.5*0.5)=4.78m/s。 e. 压降计算 填料层压降ΔP由Eckert关联图查取(详细介绍参考《化工工艺设计手册》，P481)，关联图横纵坐标分别如下: 式中: -1-1φ——填料因子，m，对所选填料，φ=600 m; ψ——液相密度校正系数，即水的密度与液相密度之比，ψ=1000/810.9=1.233。经计算得: 12,,,L 0.5-3G,,=152.895/254.83*(0.07554/810.9)=5.791*10 ,,G,L,, 2,,w,,,,,0.220.2GF,,,,=4.78*600*1.233/9.81*(0.07554/810.9)*0.27=0.1235 L,,g,L,, 通过查Eckert关联图，得填料层压降ΔP=98mmH2O/m填料，压降过大。 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?8 mmH2O/m填料。现取ΔP=5mmH2O/m 填料，反算空塔气速。 12,,,L-3G,,由=5.791*10及ΔP=5mmH2O/m填料，查表得 ,,G,L,, 2,,w,,,,,0.2GF,,,,=0.012 L,,g,L,, 代入数据， 求得w=1.49m/s， 34 0.5所需塔径D=(3373.6/3600/0.785/1.49)=0.895m， T 圆整后，去塔径为900mm。 f. 等板高度计算 精馏塔等板高度可由Grnvaiile法计算，经验公式如下: 式中: H.E.T.P.——等板高度，m; d—拉西环直径，m; p m——平衡曲线的平均斜率(将各板处的斜率取平均); G，L一一气相及液相的流量，kmol/h。 MM 平衡曲线的斜率可由表3-20所计算参数计算: m=(0.9987-0.9041)/(0.8410-0.0609)=0.12 1 m= (0.9041-0.4360)/(0.0609-0.0053)=1.42 平均斜率m=0.5*(0.12+1.42)=0.77 2 所以等板高度H.E.T.P.=340*0.015*4.27*254.83/152.895=6.55m。 则实际需要填料层高度为2*6.55=13.1m， 将填料分为8层，每层高度1.65m。 3.3.3 乙酰化釜 进入乙酰化釜物料如下: 柠檬酸:1.42kg 硫酸:1.42kg TBC:523.17kg 98%醋酸:224.54kg 杂质:2.64kg 合计753.95kg 3物料密度取1000kg/m，装料系数去0.8，所以所需乙酰化釜体积为: 3V=753.95/1000/0.8=0.94m。 【】1 物料具有腐蚀性，由文献查的，选择公称容积1000L搪玻璃K型反应罐。计 32算所需的传热面积为1.39m，而所选的釜换热面积为4.54m，满足要求。 3.3.4 脱酸塔 1(塔釜容积 计入脱酸塔的物料:柠檬酸1.42kg，硫酸2.16kg，TBC 5.23kg，杂质8.41kg， 醋酸:73.35kg,醋酸酐:90.78kg，ATBC 572.59kg。合计753.94kg。 35 3 物料密度取1000kg/m，装料系数取0.8，则: 3 需脱酸塔釜体积:753.94/1000/0.8=0.942m。 [1] 乙酰化液有腐蚀性，脱酸塔釜选用搪玻璃系列。有文献查的，选择公称容积 221000L的搪玻璃蒸馏釜，其传热面积为5.34m，计算结果为:0.51m，满足要求。 1)理论塔板的确定 ATBC的沸点如下: 173? (133.32Pa，1 mmHg) 343? (101325Pa，760 mmHg) 由安托因方程计算操作压力下ATBC的沸点，在没有C值情况下，估算C= -18+0.19T= -18+0.19×616.15=99.07 b 把上述ATBC沸点与对应的饱和蒸汽压的数据代入式(3-13)中，得 ,Bln1,,A,,446.1599.07， ,B,ln760,,A,616.1599.07,， 由上述式，得A=27.91，B=15215.75， 当P=2666Pa (20mmHg)时，ATBC的沸点由式(3-13)可得: 解得，T=515.65K，即t=238.50?该温度下ATBC的饱和蒸汽压可由安托因方程 -4解得，反代回公式中得到P=2.334*10 ATBC 醋酸酐的安托因方程直接取为 3287.56p,,ln16.3982 ,75.11T 666Pa (20mmHg)时，醋酸酐的沸点T=320.41K，t=47.26?。该温度下醋酸酐的2 饱和蒸汽压可由安托因方程解得， 饱和蒸汽压P=7095.76 mmHg。 醋酸酐 2666Pa下塔顶及塔釜醋酸酐和ATBC的饱和蒸气压及相对挥发度列于表3-22。 表3-22 塔顶、塔釜醋酸酐和ATBC的饱和蒸汽压及相对挥发度 温度/K P/mmHg 相对挥发度α 正丁醇P/mmHg TBC 320.41 20 0.0002334 85690 511.65 7095.76 20 354.8 36 平均相对挥发度取几何平均值 因此可求得α=5514 由脱酸塔物料衡算表(3-21)知，若将醋酸和醋酸酐看作醋酸酐，则醋酸酐的量为164.13kg;将其余物料看作ATBC，则ATBC的量为589.81kg。则对应的醋酸酐和ATBC的物质的量分数分别为0.5233和0.4767。 塔顶物料为醋酸酐158.26kg，ATBC8.43kg，则对应的醋酸酐和ATBC的物质的量分数分别为0.9866和0.0134。 塔釜物料为醋酸酐5.87kg，ATBC581.38kg，则对应的醋酸酐和ATBC的物质的量分数分别为0.0383和0.9617。 采用逐板计算法计算所需理论塔板数。 由相平衡方程，塔顶采用全凝器，取y=0.999 1 式中: y——气相组成，物质的量分数; x——液相组成，物质的量分数; α——相对挥发度。 由回流比为1.5，操作线方程为 式中: R——回流比; X——塔顶易挥发组分组成。 D 因此，带入R=1.5，X=0.9999，可得精馏段操作线方程 D y=0.6x+0.3996 及相平衡方程 x=y/(145.29-144.29y) 取y= 0.999开始，交替使用操作线方程与相平衡方程，计算结果见表3-22。 1 表3-22 脱酸塔进料组成 气相组成y 液相组成x 37 y=0.999 x=0.873 11 y=0.923 x=0.0766 22 y=0.446 x=0.0055 33 由此可知，需3块理论塔板即可完成分离任务。塔釜相当于1块理论塔板，实际需要2块塔板即可。 2)填料的选择 选择不锈钢制拉西环填料，填料规格15×0.5mm，采用乱堆方式。 3)泛点气速的计算 泛点气速的计算采取同样公式进行计算处理， 气相密度与液相密度均按醋酸计算，: -333气相密度γ=2666*60.05*10/8.314/320.41=0.060kg/m 液相密度γ=1049.2 kg/m G L 由物料及热量衡算知，L=61.53kg/h，G=102.55kg/h，带入式(3-17) 液体粘度按塔顶和塔釜平均温度计算，平均温度T=(320.41+511.65)/2=416.03K 下，醋酸的粘度可由文献《化学工程手册》查得，μ=0.29cP 将上述数据代入式(3-13)， 可得空塔泛速为 0.160.5w =(0.35*9.81/460*1049.2/0.060*1/0.29)=12.60m/s F 4)选择操作气速 操作气速可按式(3-16)选择，则操作气速为 w=0.6 w =0.6*12.60=7.56m/s。 F 5)塔径的计算 塔径可由式(3-17)和气相流量计算公式(3-18)联立计算: 由物料和热量衡算可知，m=254.83kg/h，则气相流量 -33V=mRT/pM=102.55*8.314*320.41/(2666*60.05*10)=1706.3m/h， 0.5D=(1706.3/(3600*0.785*12.06)) =0.224m。 T 圆整后，取蒸馏塔塔径300mm。 则塔内实际流速为w=1706.3/(3600*0.785*0.3*0.3)=6.71m/s。 6)压降计算 填料层压降ΔP由Eckert关联图查取(详细介绍参考《化工工艺设计手册》，P481)， 关联图横纵坐标分别如下: 计算得: 38 12,,,L 0.5-3G,,=61.53/102.55*(0.060/1049.2)=4.54*10 ,,G,L,, 2,,w,,,,,0.220.2GF,,=6.71*600*0.953/9.81*(0.060/1049.2)*0.29=0.1173 ,,L,,g,L,, 通过查Eckert关联图，得填料层压降ΔP=98mmH2O/m填料，压降过大。 按填料塔设计规范，要求真空塔压降ΔP?8 mmH2O/m填料。现取ΔP=8mmH2O/m填料，反算空塔气速。 12,,,L-3G,,由=4.54*10及ΔP=8mmH2O/m填料，查表得 ,,G,L,, 2,,w,,,,,0.2GF,,,,=0.009 L,,g,L,, 代入数据， 求得w=2.32m/s， 0.5所需塔径D=(1706.3/3600/0.785/2.32)=0.260m，圆整后，去塔径为300mm。 T 7)等板高度计算 精馏塔等板高度可由(3-21)，平衡曲线的斜率可由表3-22所计算参数计算: m=(0.999-0.923)/(0.873-0.0766)=0.09 1 m= (0.923-0.446)/(0.0766-0.0055)=1.18 平均斜率m=0.5*(0.12+1.42)=0.64 2 所以等板高度H.E.T.P.=340*0.015*4.27*254.83/152.895=5.42m。 则实际需要填料层高度为2*5.42=10.84m，将填料分为8层，每层高度1.36m。 第四章 自动控制 4.1设备的自控 (1)脱醇塔、脱酸塔的自控 温度控制:改变塔顶冷凝液的回流量是控制塔顶温度的常用方法。再沸器的温度一般可以通过调节加热剂的流量来控制。 压力控制:改变不凝性气体抽吸量是控制本工艺减压精馏塔压力的常用 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，此外，也可在真空泵的吸入管道上设置一吸入管，改变吸入支管的阀门开度可调节 39 吸入的空气或惰性气体量，从而达到控制全塔压力的目的。 流量控制:在塔的入口、回流管道上安装FRC控制器 液位控制:在塔底出口管道与精馏塔间安装LIC控制器 (2)酯化釜、酰化釜的自控 温度控制:最常用的方法是改变冷却剂的流量以控制反应温度，针对釜式反应器 温度滞后比较严重的特点，可采用串接温度控制方案 进料流量控制:对每一股原料均设置一个单回路控制系统，这样既可使各股原料 的净料量保持稳定，又可使各原料之间配比符合要求。 4.2安全自控设计 4.2 安全自控设计 4.2.1报警器 1)具有闪光信号的报警系统: 当过程参数发生越限时，检出装置检测到这个信号并将它送到信号报警系统，报警系统发出声音报警信号，同时给出闪光或旋光信号。操作人员得知后按下消音按钮，声音消失，信号灯变为平光指示。当过程参数回到安全范围之内时，灯光熄灭。红色灯光表示越限报警或紧急状态;黄色灯光表示预报警;绿色灯光表示运作设备或过程变量正常。 2)不闪光信号的报警系统: 当过程参数发生越限时，检出装置检测到这个信号并将它送到信号报警系统，报警系统发出声音报警信号，同时给出不闪动的光信号。操作人员得知后按下消音按钮，声音消失，信号灯仍然保持亮的状态。当过程参数回到安全范围之内时，灯光熄灭。 3)能区别第一事故原因的信号报警系统: 生产过程中有时会在生产设备上设置几个不同的生产过程参数报警，当生产不正常时，为了便于事故原因分析，区分原发性故障即第一原因事故，就必须设计一个能区分第一事故原因的信号报警系统。可区分第一事故原因的信号报警 系统也可分为两种，即闪光信号报警系统和不闪光信号报警系统。闪光信号报警系统以闪光方式显示第一事故原因的报警信号;不闪光的信号报警系统通常以黄色表示报警，以红色表示第一事故原因的报警。 40 附图 带控制点的流程图(PID)见附图 参考文献 1. 郑丹星.流体与过程热力学[M].第二版.北京:化学工业出版社,2010年5月 2. 陆振东. 化工工艺设计手册[J]. 第二版. 北京: 化学工业出版社, 1996年6月 3. 国家医药局上海医药设计院编.化工工艺设计手册(上下册)[M].化学工业出版社,1994年12月 4. 天津大学物理化学教研室编.物理化学(上下册)[M].高等教育出版社,1992年5月 5. 时钧.化学工程手册(上下)(第二版)[M].化学工业出版社,2002年1月 6. 刘力，王建国.乙酰柠檬酸三丁酯的研制与应用[J].增塑剂,2013,(2):29-35 7. 王建新精细有机合成[M],北京中国轻工业出版社,2000 8. 许文苑，熊国宣，马建国，固体超强酸催化合成乙酰柠檬酸三丁酯[J]。华东地质学院学报， 1999，22(1):63-67 9. 杨辉琼，姚勇，黄爱英，无毒增塑剂乙酰柠檬酸三丁脂的合成研究[J]湘潭机电高等专科学校 学报，1999，(5):31-36 10. 李芳良，李月珍，郑小英，微波场中柠檬酸三丁脂的快速合成[J]广西名族学院学报，2002，8 (2):75-77 11. 丁斌，韩运华，宋培文，柠檬酸三丁脂乙酰柠檬酸三丁脂合成工艺研究[J]塑料工业,2003 12. 夏军，乙酰柠檬酸三丁酯生产工艺研究及中试设计[学位论文]2008 41