【導(dǎo)讀】摘要：對(duì)年產(chǎn)400噸無(wú)毒增塑劑乙酰檸檬酸三丁酯生產(chǎn)進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)。了乙酰檸檬酸三丁酯的性質(zhì)、用途和發(fā)展前景；在綜合比較各種工藝的基礎(chǔ)上，樹(shù)脂為催化劑生產(chǎn)乙酰檸檬酸三丁酯的工藝流程。單元進(jìn)行物料衡算，確定了每個(gè)操作單元進(jìn)出物料量。對(duì)工藝中涉及到的換熱系。結(jié)合物料衡算、熱量衡算和工藝設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了主要設(shè)備，計(jì)算了。脫醇塔、脫酸塔，對(duì)輔助設(shè)備進(jìn)行選型。最后進(jìn)行了工程投資與效益分析。

　　

【正文】 料由室溫（ 25℃ ）在 1小時(shí)內(nèi)升至 85℃ ，然后在 85℃ 下反應(yīng) 2h，反應(yīng)過(guò)程有 50%的醋 酸汽化。 ③ 第一階段：升溫吸熱 溫度由 25℃ 升至 85℃ ，平均溫度 55℃ 。 Q1=△ t∑Cpini 1 2 4 8 . 0 93 6 0（ 6 8 7 . 6 7 4 + 1 3 5 . 4 8 1 7 6 4 . 8 56 0 )= 2 4 3 9 2 0 k J / hQ 1 = ( 8 5 － 2 5 ) 加上 5%熱損失，取 Q1=256116kJ/h ④ 反應(yīng)吸熱 Q2＇ =∑△ Hini Q 2 ＇ = 2 5 3 2 8 7 6 4 . 8 56 0 + 6 9 3 2 9 1 2 4 8 . 0 93 6 0 = 4 0 1 7 9 2 k J 5 0 % 加上 5%熱損失， Q2＇ =421882kJ 以每小時(shí)計(jì) Q2=210941kJ/h ⑤ 乙?；獋鳠崦娣e估算 Q取最大值 Q1=256116kJ/h l n△ t m = ( 1 5 0 － 2 5 ) － ( 1 5 0 － 8 5 )1 5 0 － 2 51 5 0 － 8 5= 9 1 . 7 5 ℃ A = 2 5 6 1 1 68 9 5 . 3 7 6 9 1 . 7 5 = 3 . 1 2 m 2 取 A＇ === 淮海工學(xué)院 二 〇〇 九屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁(yè) 共 47 頁(yè) ⑥ 加熱所需蒸汽量 Q=Q1+Q2＇ =256116+210941=467057kJ/h W = Q△ H = 4 6 7 0 5 73 8 1 6 9 1 8 = 2 2 0 . 2 6 k g / h 蒸汽最大流量由 Q1計(jì)算，則 W 1 = Q 1△ H = 2 5 6 1 1 63 8 1 6 9 1 8 = 1 2 0 . 7 8 k g / h 乙酰化釜冷凝器 ① 物料量 有 50%的醋酸汽化，即： = 每小時(shí)汽化量，即： ② 傳熱面積估算 Q=KA△ tm 冷卻水由 25℃ 升至 35℃ ，物料由 85℃ 降至 40℃ ，平均溫度 ℃ 。 l n△ t m = ( 8 5 － 3 5 ) － ( 4 0 － 2 5 )8 5 － 3 54 0 － 2 5= 2 9 . 0 7 ℃ Q=n△ H+nCp△ t Q = 2 5 3 2 8 1 5 2 9 . 7 26 0 + 1 5 2 9 . 7 26 0 1 3 5 . 4 8 1 ( 8 5 － 4 0 )= 8 0 1 1 8 2 k J / h 加上 5%熱損失， Q=841241kJ/h A = 8 4 1 2 4 11 4 6 4 . 4 2 9 . 0 7 = 1 9 . 7 6 m 2 取 A＇ === ③ 冷卻水最大流量 W = 8 4 1 2 4 17 5 . 3 1 2 ( 3 5 － 2 5 ) = 1 1 1 7 . 0 0 k m o l / h = 2 0 1 0 6 k g / h 脫酸塔釜 ① 物料量 醋酸： 淮海工學(xué)院 二 〇〇 九屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁(yè) 共 47 頁(yè) 醋酸酐： 其余按乙酰檸檬酸三丁酯（ ATBC）計(jì)算為： 1523kg 設(shè)升溫時(shí)間為 1小時(shí)，操作時(shí)間為 4小時(shí)，回流比 R=，則上升氣體中： 醋酸酐為： 醋酸為： 脫醋酸為減壓操作，絕壓 2666Pa，醋酸酐的沸點(diǎn)為 47℃ ，醋酸的沸點(diǎn)為 29℃ ，取平均值 38℃ 作為計(jì)算 依據(jù)。 ② 升溫假設(shè) 物料由室溫（ 25℃ ）在 1小時(shí)內(nèi)升溫至 38℃ ，然后在 38℃ 下，脫除全部的醋酸酐和醋酸。 ③ 升溫過(guò)程吸熱 Q=△ t∑Cpini 2 0 7 . 6 06 0（ 1 3 3 . 8 8 8 + 1 3 5 . 4 8 1 2 8 2 . 3 41 0 2 )= 4 8 1 3 0 k J / hQ = ( 3 8 － 2 5 ) + 7 1 1 . 2 8 1 5 2 34 0 2 加上 5%熱損失，取 Q1=50537kJ/h ④ 汽化過(guò)程吸熱 Q2=∑△ Hini Q 2 = 4 5 6 0 6 1 7 6 . 4 61 0 2 + 1 2 9 . 7 56 0 2 6 6 9 4= 1 3 6 6 2 4 k J / h 加上 5%熱損失， Q2=143455kJ/h ⑤ 換熱面積估算 Q取最大熱量 143455kJ/h，則 △ t = ( 1 5 0 － 2 5 ) ( 1 5 0 － 3 8 )2 = 1 1 8 . 5 ℃＋ A = QK △ t = 1 4 3 4 5 58 9 5 . 3 7 6 1 1 8 . 5 = 1 . 3 5 m 2 取 A＇ === ⑥ 蒸汽量計(jì)算 Q=Q1+4Q2=50537+4143455=624357kJ 淮海工學(xué)院 二 〇〇 九屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁(yè) 共 47 頁(yè) W = Q△ H = 6 2 4 3 5 73 8 1 6 9 1 8 = 2 9 4 . 4 4 k g / h 蒸汽最大流量由 Q2計(jì)算，則 W 1 = Q 2△ H = 1 4 3 4 5 53 8 1 6 9 1 8 = 6 7 . 6 5 k g / h 脫酸酐塔頂冷凝器 ① 上升氣體中 醋酸酐： 醋酸： 冷凍水由 0℃ 升 至 10℃ ；物料由 38℃ 降至 12℃ ，平均溫度 26℃ 。 ② 換熱面積估算 Q = ∑ n i (△ H i+ C p i△ t) （ 4 5 6 0 6 + 1 9 6 . 6 4 8 2 6 )= 1 5 2 9 9 7 k J / hQ = + 1 2 9 . 7 56 01 7 6 . 4 61 0 2 （ 2 6 6 9 4 + 1 3 3 . 8 8 8 2 6 ) 加上 5%熱損失，取 Q=160647kJ/h l n△ t m = ( 3 8 － 1 0 ) － ( 1 2 － 0 )3 8 － 1 01 2 － 0= 1 8 . 8 8 ℃ A = QK △ t = 1 6 0 6 4 71 4 6 4 . 4 1 8 . 8 8 = 5 . 8 1 m 2 取 A＇ === ③冷凍水最大流量 W = QC p △ t = 1 6 0 6 4 77 5 . 3 1 2 1 0 = 2 1 3 . 3 1 k m o l / h = 3 8 3 9 . 5 8 k g / h 熱量衡算結(jié)果匯總 熱量衡算結(jié)果匯總見(jiàn)表 11。 表 11 熱量衡算結(jié)果匯總表 淮海工學(xué)院 二 〇〇 九屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 26 頁(yè) 共 47 頁(yè) 換 熱 過(guò) 程 換 熱 面 積 （ m2） 蒸 汽 最 大 流 量 （ k g / h ） 冷 卻 水 最 大 流 量 （ k g / h ）酯 化 釜酯 化 釜 第 一 冷 凝 器酯 化 釜 第 二 冷 凝 器5 . 1 21 5 . 0 11 . 1 71 7 7 . 4 81 2 8 . 5 21 2 0 . 7 86 7 . 6 56 1 9 25 1 7 . 3 3脫 醇 塔脫 醇 塔 頂 冷 凝 器乙 酰 化 釜1 . 2 21 3 . 2 53 . 5 97 6 2 4 ( 冷 凍 水 )2 0 1 0 63 8 3 9 . 5 8 ( 冷 凍 水 )乙 酰 化 冷 凝 器脫 酸 塔 塔 釜脫 酸 塔 頂 冷 凝 器2 2 . 7 21 . 5 56 . 6 8 5 設(shè)備 設(shè)計(jì)與選型 ① 正丁醇原料貯槽 需加入 98%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）正丁醇 ，水和正丁醇的密度分別為，則物料平均密度可由下式求得： 1ρ =∑ wiρi 式中： wi—— 質(zhì)量分?jǐn)?shù)； ρi—— 密度， kg/m3。 正丁醇原料貯槽以貯存 5天的量為準(zhǔn)，裝料系數(shù)取 ，則正丁醇原料貯槽容積為 5/（ ） = 由文獻(xiàn) [23]查得，選擇公稱容積為 5 m3的立式平底平蓋正丁醇貯罐 2個(gè)。 ② 酯化釜 進(jìn)入酯化釜總物料為 ，固液混合物的密度取 1000 kg/m3，則進(jìn)入酯化釜物料的總體積為： 2 0 4 0 .9 61 0 0 0 = 2 .0 4 1 m 3 裝料系數(shù)取 ，則需要酯化釜的容積為 2 .0 4 10 .7 5 = 2 .7 2 m 3 淮海工學(xué)院 二 〇〇 九屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 27 頁(yè) 共 47 頁(yè) 由文獻(xiàn) [23]查得選擇規(guī)格為 3000L的搪玻璃 K型反應(yīng)罐。對(duì)應(yīng)的傳熱面積為，與計(jì) 算結(jié)果 ，滿足工藝要求。 ③ 酯化釜第一冷凝器 由熱量衡算知，酯化釜第一冷凝器所需傳熱面積為 。 由文獻(xiàn) [23]查得，選擇換熱面積 16m2的列管式固定管板換熱器。 ④ 酯化釜第二冷凝器 由熱量衡算知，酯化釜第二冷凝器所需傳熱面積為 m2。 由文獻(xiàn) [23]查得，選擇換熱面積 2 m2的列管式固定管板換熱器。 ⑤ 酯化回流罐 酯化液最大流量： 正丁醇： ： 平均密度 ρ = 按貯存 1小時(shí)的量計(jì)，裝料系數(shù)取 ，所需回流罐容積為 1 3 9 . 4 8 + 1 0 2 . 6 78 8 0 . 9 9 10 . 7 5 = 0 . 3 7 m 3 由文獻(xiàn) [23]查得，選擇公稱容積 。 ⑥ 正丁醇輸送泵 正丁醇輸送量 ，輸送正丁醇的體積為 ， 10分鐘將該物料送入正丁醇計(jì)量罐，流量 60/10=泵安裝在廠房底層，酯化計(jì)量罐進(jìn)料口在平面上方，考慮到能量損失，由文獻(xiàn) [23]查得，選 IS50— 32— 125型 單級(jí)單吸離心泵。 泵為動(dòng)設(shè)備，需選擇 2臺(tái)，一開(kāi)一備。 ⑦ 廢水貯罐 酯化釜回收含正丁醇 %的溶液中，正丁醇 ，水 。 脫醇塔回收含正丁醇 %的溶液 ，其中正丁醇 ，水 。 平均密度 ρ = 以貯存 5天的廢水為基準(zhǔn)，裝料系數(shù)取 ，所需廢水貯罐體積為 3 0 0 .4 49 8 0 .8 5 10 .8 = 1 .9 1 m 3 由文獻(xiàn) [23]查得，選擇體積為 2m3的立式平底平蓋容器系列廢水貯罐 。 ⑧ 脫醇塔 進(jìn)入脫醇塔物料如下： 檸檬酸 淮海工學(xué)院 二 〇〇 九屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 28 頁(yè) 共 47 頁(yè) 正丁醇 氨基磺酸 水 檸檬酸三丁酯 雜質(zhì) 合計(jì) 密度近似取為 1000 kg/m3，裝料系數(shù)取 ，則脫醇塔釜體積為： 1 9 8 0 .8 21 0 0 0 10 .7 5 = 2 .6 4 m 3 因物料具有腐蝕性，由文獻(xiàn) [23]，塔釜選搪玻璃系列公稱容積為 3000L的蒸餾罐。塔釜對(duì)應(yīng)的傳熱面積為 ，與計(jì)算結(jié)果 ，滿足工藝要求。 理論塔板數(shù)的確定 TBC的沸點(diǎn)如下： 170℃ （ ， 1mmHg） 225℃ （ ,5mmHg） 233℃ （ ， 22mmHg） 純液體的飽和蒸汽壓可由安托因方程 lnp = A－ BT+C 式中： p—— 在溫度 T下的蒸汽壓， mmHg； T—— 溫度， K。 把上述三組 TBC沸點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓的數(shù)據(jù)代入方程中，得 ln 1 = A － B4 4 3 .1 5 + Cln 5 = A － B4 9 8 .1 5 + Cln 2 2 = A － B5 0 6 .1 5 + C 由上述三式，得 A=－ ， B=， C=－ 當(dāng) P=2666Pa（ 20mmHg）時(shí)， l n 2 0 = － 4 3 . 3 9 3T － 5 1 7 . 9 7－ 0 . 5 8 0 0 解得， T=，即 t=℃ 由文獻(xiàn) [24]查得， 2666 Pa（ 20mmHg）時(shí)，正丁醇的沸點(diǎn)為 t=℃ 該溫度下 TBC的飽和蒸汽壓可由 TBC得安托因 方程解得，飽和蒸汽壓PTBC=。 由文獻(xiàn) [24]查得正丁醇的安托因常數(shù)為 A=， B=， C=－ ?；春９W(xué)院 二 〇〇 九屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 29 頁(yè) 共 47 頁(yè) 當(dāng) T=，由安托因方程解得正丁醇的飽和蒸汽壓 P正丁醇 =14629mmHg。 2666Pa下塔頂及塔釜正丁醇和檸檬酸三丁酯的飽和蒸汽壓及相對(duì)揮發(fā)度列于表 12。 表 12 塔頂、塔釜正丁醇和 TBC的飽和蒸汽壓及相對(duì)揮發(fā)度 溫 度 （ K ） P 正 丁 醇 （ m m H g ） P T B C （ m m H g ） 相 對(duì) 揮 發(fā) 度 α3 1 4 . 6 55 0 5 . 8 32 01 4 6 2 9