化工工艺设计500吨乙酰柠檬酸三丁酯教学内容.docx
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化工工艺设计500吨乙酰柠檬酸三丁酯教学内容
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
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℃),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H2SO4,分子量98.078,透明无色无臭液体,密度1.8305g/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/T9855-2008
2
正丁醇
98%
气相色谱法
GB/T6027-1998
3
浓硫酸
98%
GB/T534-2014
4
醋酸酐
98%
气相色谱法
GB/T10668-2000
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/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
1
乙酰柠檬酸三丁酯
98.5%
质谱法
HG/T4616-2014
1.4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
74.12
-88.9
117.25
365
11.25
1.45
GB/T6027-1998
2
硫酸
98.078
10.371
337
GB/T534-2014
3
醋酸酐
102.09
-73
139
400
10.3
2.0
GB/T10668-2000
1.5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/t
566.21
2
正丁醇
98%
kg/t
616.85
3
浓硫酸
98%
kg/t
3.96
4
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:
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。
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(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Ⅰ:
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Ⅱ混合经生化处理排放。
废水Ⅱ:
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Ⅰ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)
8h
3)反应数据
柠檬酸转化率:
99.5%
TBC收率:
99.5%
2.脱醇工段
4)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%
5)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
6)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)。
7)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
8)反应数据
TBC转化率:
99%
ATBC收率:
99%
4.脱酸工段
9)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%
10)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
6.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。
11)计算ATBC质量
a.每一个班产质量
500×103÷(300×3)=555.56kg
产品中纯ATBC的质量
555.56×98.5%=547.22kg
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
12)计算TBC质量。
a.乙酰化工段
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360.443÷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
2.各操作单元物料衡算
13)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:
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:
329.29kg
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%
进料
1
90%柠檬酸
314.54
283.09
2
98%正丁醇
668.65
601.79
3
98%硫酸
2.20
1.98
4
进料合计
985.39
886.85
出
料
釜内出料
5
柠檬酸
1.42
1.28
6
正丁醇
329.39
296.45
7
硫酸
2.16
1.94
8
水
124.11
111.7
9
TBC
525.80
473.22
10
杂质
2.63
2.37
分离水相
11
正丁醇
3.52
3.17
12
水
42.16
37.94
13
出料合计
985.41
886.87
14)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xkg,7.7%的正丁醇恒沸物有ykg,
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%
进塔物料
1
柠檬酸
1.42
1.28
2
正丁醇
325.75
293.18
3
硫酸
2.16
1.94
4
水
81.95
73.76
5
TBC
525.81
470.86
6
杂质
2.63
2.38
7
进料合计
939.72
845.75
出
塔物料
塔釜物料
8
柠檬酸
1.42
1.27
9
硫酸
2.16
1.94
10
TBC
523.18
470.86
11
杂质
2.63
2.37
12
塔釜合计
529.39
476.45
塔顶物料
13
98%正丁醇
325.96
293.36
14
7.7%恒沸物
81.72
73.55
15
TBC
2.63
2.37
16
塔顶合计
410.31
369.28
15)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:
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%
进料
1
柠檬酸
1.42
1.28
2
98%醋酸酐
224.54
202.09
3
硫酸
2.16
1.94
4
TBC
523.18
470.86
5
杂质
2.63
2.37
6
进料合计
753.93
678.54
出
塔物料
塔釜物料
7
柠檬酸
1.42
1.28
8
硫酸
2.16
1.94
9
TBC
5.23
4.71
10
杂质
8.41
7.57
11
醋酸酐
90.78
81.70
12
醋酸和水
73.35
66.02
13
ATBC
572.59
515.33
14
塔釜合计
753.94
678.55
16)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xkg,另一部分回收的醋酸为ykg。
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%
进料
1
柠檬酸
1.42
功能性手工艺品。
不同的玉石具有不同的功效,比如石榴石可以促进血液循环,改善风湿和关节炎;白水晶则可以增强记忆力;茶晶能够帮助镇定情绪,缓解失眠、头昏等症状。
顾客可以根据自己的需要和喜好自行搭配,每一件都独一无二、与众不同。
1.28
(3)优惠多
2.www。
cer。
net/artide/2003082213089728。
shtml。
2
2、你大部分的零用钱用于何处?
硫酸
因此不难看出,自制饰品在校园里也大有市场所在。
对于那些走在流行前端的女生来说,〝捕捉〞新事物便〝捕捉〞到了时尚与个性。
2.16
1.94
(四)DIY手工艺品的“个性化”3
TBC
大学生个性化消费增多是一种趋势。
当前社会、经济飞速发展,各种新的消费品不断增多,流行文化时尚飞速变化,处于校园与社会两者之间的大学生肯定会受影响。
目前在大学校园,电脑、手机、CD、MP3、录音笔被称为大学生的“五件武器”。
除了实用,这也是一种表明自己生活优越的炫耀性的东西。
现下很大一部分大学生中的“负债消费”表现的典型的超前享乐和及时行乐——其消费项目多半是用于奢侈浪费的非必要生活消耗。
如举办生日宴会、打网球、保龄球、上舞厅跳舞、进夜总会唱“卡拉OK”等。
“负债消费”使很多学生耽于物欲,发展严重者轻则引起经济纠纷,动武斗殴,影响同窗
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