年產(chǎn)220噸乙酰檸檬酸三丁酯工藝設(shè)計(jì)

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Discusses the nature and function of nontoxic plasticizer: has the strong solubility, oil resistance, good light fastness. Acetyl tributyl citrate esters less toxic than tributyl citrate esters, can do food additives. It and most of the cellulose, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate and chlorinated rubber has the good compatibility, mainly used as plasticizer of cellulose resin and vinyl resin. In addition, because of its strong resistance to mildew, making it in coating process can be and have the effect of plasticizer and mildew resistance meter. Based on the technology of calculate and determine the reasonable process for synthesis of ATBC, according to the operation link to carry on the material balance, heat balance, the equipment selection through calculation results. Equipment selection by calculation to determine the alcohol tower, acid stripping tower and drying tower process parameters. By determining the process parameters using CAD software to make the flow chart of control points, workshop layout, equipment structure. Keywords acetyl tributyl citrate, Process design, material balance, heat balance 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 乙酰檸檬酸三丁酯簡(jiǎn)介 1 1.1.1 增塑劑 1 1.1.2 新型增塑劑——乙酰檸檬酸三丁酯 2 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 3 1.2.1 乙酰檸檬酸三丁酯的研究現(xiàn)狀 3 1.3 反應(yīng)原理 4 1.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容 5 第2章 工藝流程的確定 6 2.1 流程敘述 6 2.2 工藝參數(shù) 6 2.3 本章小結(jié) 7 第3章 物料衡算 8 3.1 物料總衡算 8 3.1.1 各操作單元每班所得ATBC的質(zhì)量 8 3.1.2 由TBC質(zhì)量計(jì)算脫醇過(guò)程及酯化過(guò)程所生成TBC質(zhì)量 8 3.2 單元操作物料衡算 9 3.2.1 酯化過(guò)程 9 3.2.2 脫醇過(guò)程 9 3.2.3 乙?；^(guò)程 10 3.2.4 去酸化過(guò)程 10 3.2.5 中和過(guò)程 11 3.2.6 水洗脫堿過(guò)程 11 3.2.7 干燥過(guò)程 12 3.3 總物料平衡表 12 3.4 本章小結(jié) 13 第4章 熱量衡算 14 4.1 物性數(shù)據(jù) 14 4.2 酯化釜 14 4.3 酯化釜第一冷凝器 16 4.4 酯化釜第二冷凝器 17 4.5 脫醇釜 18 4.6 脫醇塔頂冷凝器 19 4.7 乙酰化反應(yīng)釜 19 4.8 乙?；磻?yīng)釜冷凝器 20 4.9 脫酸塔釜 21 4.10 脫酸酐塔頂冷凝器 22 4.11 熱量衡算結(jié)果匯總表 23 4.12 本章小結(jié) 23 第5章 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 24 5.1 正丁醇原料貯槽 24 5.2 酯化釜 24 5.3 酯化釜第一冷凝器 24 5.4 酯化釜第二冷凝器 25 5.5 酯化回流罐 25 5.6 正丁醇輸送泵 25 5.7 廢水貯罐 25 5.8 脫醇塔 26 5.9 脫醇塔頂冷凝器 31 5.10 乙?；?31 5.11 脫醇塔泵 32 5.12 脫醇回流罐 32 5.13 正丁醇回收罐 32 5.14 醋酸酐貯罐 33 5.15 醋酸酐泵 33 5.16 脫酸塔 33 5.17 脫酸冷凝器 37 5.18 成品計(jì)量罐 37 5.19 成品貯罐 37 5.20 本章小結(jié) 37 結(jié)論 39 致謝 40 參考文獻(xiàn) 41 附錄A 43 附錄B 48 附錄C 55 IV 第1章 緒論 1.1 乙酰檸檬酸三丁酯簡(jiǎn)介 ATBC無(wú)毒增塑劑，耐光和熱可以用作食品包裝在乳制品、飲料瓶子,海豹和醫(yī)療設(shè)備、玩具、無(wú)毒PVC膜,單瓶做的食物、纖維涂料、聚乙烯醇縮醛,聚醋酸乙烯酯，聚苯乙烯，聚偏二氯乙烯穩(wěn)定劑，增塑劑。 1.1.1 增塑劑 凡能和樹脂均勻混合，混合時(shí)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但能降低物料的玻璃化溫度和塑料成型加工時(shí)的熔體粘度，且本身保持不變，或雖起化學(xué)變化，但能長(zhǎng)期保留在塑料制品中并能改變樹脂的某些物理性質(zhì)。具有這些性能的液體有機(jī)化合物或低熔點(diǎn)的固體，均稱做增塑劑。 增塑劑的主要作用是減弱樹脂分子間的次價(jià)鍵（即范德華力），增加樹脂分子鍵的移動(dòng)性，降低樹脂分子鏈的結(jié)晶性，增加樹脂的可塑性。 按照化學(xué)結(jié)構(gòu)分類，增塑劑可以分為以下幾類： 脂肪族二元酸酯 ①苯甲酸酯（系有苯甲酸和一些二元醇、三元醇、季戊四醇等經(jīng)酯化的產(chǎn)品） ②檸檬酸酯（主要品種是檸檬酸與C4～C8單元醇的酯化產(chǎn)品和乙?；孽；a(chǎn)品） ③環(huán)氧化合物 ④氯化烴化合物 ⑤磷酸酯（分磷酸脂肪醇酯、磷酸苯酚酯、磷酸混合酯和含氯磷酸酯） 鄰苯二甲酸酯 ⑥苯多羧酸酯 ⑦石油酯（主要是烷基磺酸苯酯） ⑧聚酯 ⑨其他（不包括常用的或用量較小的品種，如一些芳香烴化合物、間或?qū)Ρ蕉姿狨?、硬脂酸酯、磺酰胺類以及多元醇的脂肪酸酯）? 增塑劑的選擇原則： ①和樹脂有良好的相容性 ②與聚氯乙烯樹脂有較好的增塑效率 ③揮發(fā)性低 ④耐寒型好 ⑤耐熱性好 ⑥耐水、耐油、耐有機(jī)溶劑的抽出 ⑦不遷移 ⑧無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)色、無(wú)毒 ⑨耐霉菌好 ⑩具有阻燃性或難燃性 1.1.2 新型增塑劑——乙酰檸檬酸三丁酯 乙酰檸檬酸三丁酯[1][2]，化學(xué)名2-乙?；?丙烷-1，2，3-三羥酸丁酯(Acetyl tributyl citrate)，國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)稱ATBC，這是無(wú)色無(wú)味油狀液體，無(wú)毒，溶于許多有機(jī)溶劑，不溶于水，高度耐水解，甚至在沸水中煮6 h只水解0.1%，分子式C20H34O8，M402.5，d25c1.046 n1.4408(25.5℃)、粘度25℃ 42.7mPas，凝固點(diǎn)－80℃ ，閃點(diǎn)(開口)221℃ ，BP173℃，大鼠口服LD50＞30 mL/kg體量、貓口服LD50＞50 mL/kg體重、于25℃ 水中溶解度≤0.2 g/L，市場(chǎng)質(zhì)量指標(biāo)為：外觀為透明液無(wú)雜質(zhì)，色度pt-co＜40、ATBC含量＞99.5%，d(相對(duì)密度)1.043、酸度(以檸檬酸計(jì))＜0.020 mgKOH/g、FP(開口)221℃ ，nD201.4434、水＜0.05%。 因?yàn)锳TBC為無(wú)色無(wú)味無(wú)毒又可降解，可溶于多種有機(jī)溶劑而不溶于水及不水解，尤在沸水中煮6 h亦難水解，與硝基纖維、乙基纖維、氯化橡膠相溶、與醋酸纖維微溶，可作耐熱耐光食品包裝于乳制品、飲料瓶、瓶制食品的密封圈及醫(yī)療機(jī)械、玩具、無(wú)毒PVC膜、片材、纖維涂料、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇縮乙醛、聚苯乙烯等的增塑劑、聚偏二氯乙烯的穩(wěn)定劑。 乙烯基樹脂及其共聚物被增塑后具極好的低溫柔軟性、熱穩(wěn)定性、不變色、不揮發(fā)、不泛黃，甚適作熱封口材料，與金屬有極好的粘合力。用于乙烯基膠乳時(shí)可作乳化劑加入膠乳中，也可在市售的予增塑的膠乳中直接加入。 ATBC于70年代已廣泛用于醫(yī)療機(jī)械上，又如用作PVC血漿袋、輸液管等，今又作緩解薄片的增塑劑。當(dāng)前廣泛用于美、英、德、日、荷蘭、意大利、新西蘭等數(shù)十個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家，由它替代了原用的毒性鄰苯二酸酯類。 ATBC可為生物可降解塑料，它可由聚乳酸酯90份、ATBC10份，防粘劑SiO2含量99%，粒徑7 nm 1份，滑爽粉C17～C12脂肪族酰胺1份組成。ATBC亦可制成熱收縮拉伸膜，是用上述配方制成0.13 mm薄膜。當(dāng)ATBC與平均分子量137000的聚乳酸酯成可降解塑料。 ATBC可作潤(rùn)滑劑，它可使馬口鐵壓延時(shí)所得容器表面光滑美觀。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 1.2.1 乙酰檸檬酸三丁酯的研究現(xiàn)狀 乙酰檸檬酸三丁酯的合成[3][4] [5]分為檸檬酸與正丁醇酯化反應(yīng)生成檸檬酸三丁酯及檸檬酸三丁酯乙酰化反應(yīng)兩部分，而酯化反應(yīng)是整個(gè)工藝的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)主要集中在酯化反應(yīng)新催化劑的開發(fā)上，尋找高活性，高選擇性，制備工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，對(duì)環(huán)境友好的新型催化劑成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究。 1.2.1.1 磺酸催化劑 對(duì)甲苯磺酸(PTSA)是一種強(qiáng)有機(jī)酸，其催化活性高、用量少，不易引起副反應(yīng)，產(chǎn)品色澤好，對(duì)設(shè)備的腐蝕性和環(huán)境的污染都較小，是一種研究較多的催化劑。丁斌等[6]采用共?；セê铣梢阴幟仕崛□?ATBC)。乙?；^(guò)程副產(chǎn)乙酸正丁酯，原料利用高，目的產(chǎn)物經(jīng)活性炭脫色，反應(yīng)產(chǎn)率98%以上，效果較好。謝文磊等[7]以對(duì)甲苯磺酸、吡啶為催化劑，采用兩步法合成了檸檬酸三丁酯(TBC)、ATBC。在優(yōu)化條件下，TBC反應(yīng)產(chǎn)率95%，ATBC反應(yīng)產(chǎn)率94.2%。馬華憲等[8]采用對(duì)甲苯磺酸、乙酸和鈦酸四乙酯的混合物(7:2:l)為催化劑合成TBC、ATBC，其中ATBC反應(yīng)產(chǎn)率達(dá)95%，產(chǎn)品純度超過(guò)98%。氨基磺酸性質(zhì)穩(wěn)定、安全易得、使用方便，可循環(huán)重復(fù)使用，有一定的開發(fā)前景。 1.2.1.2 固體超強(qiáng)酸催化劑 固體超強(qiáng)酸是指酸性比100%硫酸更強(qiáng)的固體酸，其酸的酸性可達(dá)100%硫酸的1萬(wàn)倍以上。與傳統(tǒng)催化劑相比，固體超強(qiáng)酸具有以下優(yōu)點(diǎn)：①催化效率高，使用量小，副產(chǎn)物少；②可在高溫下重復(fù)使用，催化劑與產(chǎn)物易于分離；③表面酸性強(qiáng)，且對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕性，不污染環(huán)境。郭錫坤等[9]對(duì)SO42-/ZrO2、SO42-/TiO2型固體超強(qiáng)酸的制備、結(jié)構(gòu)表征及酸度測(cè)定進(jìn)行了較全面的研究，進(jìn)而得出制備固體超強(qiáng)酸的最優(yōu)工藝條件和用于TBC合成的工藝參數(shù)。艾仕云等[10]自制固體超強(qiáng)酸SO42-/TiO2催化合成TBC，酯化率大于98%。熊國(guó)宣等[11]自制SO42-/ZrO2- TiO2復(fù)合固體超強(qiáng)酸，優(yōu)化條件下酯化率92%。SO42-/MxOy型固體超強(qiáng)酸盡管有較高催化活性，但在反應(yīng)過(guò)程中，固體超強(qiáng)酸表面會(huì)沉積一種焦，焦的形成阻礙了活性中心與反的接觸，降低了催化劑的活性，因此有待于進(jìn)一步開發(fā)研究。 1.2.1.3 樹脂催化劑 樹脂催化劑合成羧酸酯具有以下優(yōu)點(diǎn)：①產(chǎn)品色澤好；②產(chǎn)物與催化劑易分離，后處理方便；③不腐蝕設(shè)備，無(wú)三廢產(chǎn)生；④樹脂再生后可重復(fù)利用等。許文苑等[12]以D001型樹脂固載AlCl3催化合成TBC、ATBC，TBC酯化產(chǎn)率96.27%，ATBC乙?；a(chǎn)率95.12%，催化劑可重復(fù)使用6次，應(yīng)用前景看好。 1.2.1.4 雜多酸催化劑 雜多酸是由不同的含氧酸縮合而制得的含氧多元酸的總稱，是以雜原子P5+，P3+，Ge4+，B3+，As5+，Si4+為中心原子，以WO3，MoO3，V2O5等為配體的一類化合物，是強(qiáng)度均勻的質(zhì)子酸，其活性較硫酸高，且不腐蝕設(shè)備，具有很好的穩(wěn)定性，對(duì)環(huán)境污染較小，是一類有發(fā)展前景的綠色催化劑。王煒[13]、吳茂祥等[14]分別以鎢磷酸，硅鎢酸均相反應(yīng)合成TBC，優(yōu)化條件下酯化率97%以上。左陽(yáng)芳[15]以活性γ-Al2O3微球負(fù)載雜多酸，非均相反應(yīng)合成TBC，催化劑重復(fù)使用5次，檸檬酸轉(zhuǎn)化率仍高于91%，該催化劑易于產(chǎn)物分離，催化活性高，反應(yīng)溫度低，重復(fù)使用次數(shù)多，工業(yè)化前景較好。吳茂祥[16]以活性炭固載雜多酸合成TBC，催化劑重復(fù)使用5次，酯化率達(dá)96.3%以上，生產(chǎn)成本降低。但雜多酸類催化劑用于檸檬酸酷類的生產(chǎn)仍需在降低使用成本，提高穩(wěn)定性上進(jìn)一步完善與提高。 1.2.1.5 其它催化劑 楊輝瓊等[17]以硫酸氫鉀催化合成TBC，以吡啶催化合成ATBC，在優(yōu)化條件下，催化劑重復(fù)使用5次后酯化率仍在94%，乙?；?3.3%。周文富等[18]以三氯化鈦為催化劑合成TBC，TBC收率達(dá)98%，產(chǎn)品質(zhì)量好。李芳良等[19]將微波技術(shù)引酯化反應(yīng)體系，使用功率為360W的微波輻射反應(yīng)體系20min，TBC轉(zhuǎn)化率在90%以上，微波技術(shù)的應(yīng)用使催化反應(yīng)時(shí)間大大縮短。毛立新等[20]以改性鈦基固體酸為催化劑合成TBC，優(yōu)化條件下檸檬酸的酯化率達(dá)99.2%。但這些合成方法在未來(lái)工業(yè)上的應(yīng)用仍有一定距離。 1.3 反應(yīng)原理 適量的檸檬酸和相應(yīng)比例的正丁醇，后一種氨基酸混合催化劑在酯化反應(yīng)溫度,反應(yīng)是形成的水不斷刪除，不增加水收集,未反應(yīng)的酒精蒸餾掉，洗后,真空蒸餾，TBC在催化劑的作用，乙酸酐給ATBC原油，不蒸反應(yīng)完成后的反應(yīng)乙酸酐和醋酸的反應(yīng)，中和、清洗、真空蒸餾ATBC完成。 反應(yīng)方程式： 1.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.確定年產(chǎn)220噸的乙酰檸檬酸三丁酯的合理生產(chǎn)工藝，繪制工藝流程框圖。 2.完成年產(chǎn)220噸的乙酰檸檬酸三丁酯的全部工藝計(jì)算，根據(jù)工藝計(jì)算確定生產(chǎn)設(shè)備的工藝尺寸。 3.完成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的設(shè)備選型，非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的設(shè)計(jì)，并繪制主要設(shè)備施工圖。 4.完成生產(chǎn)車間的管道儀表工藝流程設(shè)計(jì)，帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。 第2章 工藝流程的確定 2.1 流程敘述 在反應(yīng)開始之前，加入物料正丁醇和檸檬酸，按照4:1的配料比進(jìn)入酯化反應(yīng)釜V101，然后向反應(yīng)釜V101中加入催化劑（氨基磺酸）加入的量為檸檬酸的4%，反應(yīng)釜中進(jìn)行酯化反應(yīng)。為了保證反應(yīng)熱的溫度保持在110℃-160℃,需要像反應(yīng)釜中通入水蒸汽進(jìn)保護(hù)套內(nèi)，使酯化反應(yīng)反應(yīng)2.5小時(shí)。 酯化完成后的物料進(jìn)入精餾塔V102，在V102中進(jìn)行減壓蒸餾。反應(yīng)物正丁醇蒸汽經(jīng)過(guò)V201脫醇冷凝器降溫，然后進(jìn)行回流進(jìn)入V111，其中含量為98%的正丁醇進(jìn)入V106回流罐，循環(huán)使用。從V102中出來(lái)的檸檬酸三丁酯和乙酸酐的比例為1:1.8加入到V103的乙?；?。在V103中通入低壓蒸汽對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行加熱，加熱到85℃，并在85℃的條件下進(jìn)行酰化反應(yīng)。產(chǎn)生的氣相進(jìn)入到V301中進(jìn)行酯化回流，從V103中分離的乙酸酐進(jìn)入到V302中。經(jīng)過(guò)?；磻?yīng)后的物料通過(guò)V104進(jìn)行精餾操作，從中出來(lái)的乙酸酐進(jìn)行循環(huán)使用。 經(jīng)過(guò)V104后的物料中會(huì)含有少量的酸性物質(zhì)和催化劑，物料會(huì)出酸性，物料從V104中進(jìn)入到V105中和反應(yīng)釜中，在反應(yīng)釜中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的碳酸鈉溶液，用來(lái)中和V105中的酸性物質(zhì)，V105中會(huì)分離出水，剩余物料進(jìn)入V106中，然后用物料量1.2倍的水沖洗，操作完成后的物料送入靜置釜，分理處雜質(zhì)后，在進(jìn)行水洗，重復(fù)三次。隨后ATCB送入V107中進(jìn)行干燥脫水，就可以得到乙酰檸檬酸三丁酯。 2.2 工藝參數(shù) 年產(chǎn)量220噸ATBC，年工作日300天。 ①酯化過(guò)程： 原料：檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)90% 正丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)98% 為了提高檸檬酸轉(zhuǎn)化率，采用正丁醇過(guò)量的方法，原料配比： n（檸檬酸）：n（正丁醇）=1:4 催化劑氨基磺酸加入量為檸檬酸量的4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，恒沸物水中含醇7.7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù))，醇中含水20.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。 反應(yīng)溫度：110℃～160℃ 反應(yīng)時(shí)間：2.5h 檸檬酸轉(zhuǎn)化率：98.2% 檸檬酸三丁酯收率：98.2% ②脫醇過(guò)程： 正丁醇出料質(zhì)量分?jǐn)?shù):：≥98% 塔釜正丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)：≤1% 檸檬酸三丁酯收率：98.2% ③乙?；^(guò)程： 醋酸酐質(zhì)量分?jǐn)?shù)：98% 原料配比n（檸檬酸三丁酯）：n（醋酸酐）=1:1.8 反應(yīng)溫度：85℃ 反應(yīng)時(shí)間：2h TBC轉(zhuǎn)化率：99.8% ATBC收率：99.8% ④脫酸過(guò)程： 輕組分出料質(zhì)量分?jǐn)?shù)：≥98% 塔釜?dú)堃嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)：≤1% ATBC收率：99.5% ⑤中和及分離過(guò)程(堿洗及分離過(guò)程)： ATBC收率：98% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%Na2CO3的加入量為按殘余酸計(jì)算消耗堿的理論量的5倍 ⑥水洗及分離過(guò)程： ATBC收率：99.0% 水的加入量和物料量的質(zhì)量比為1.2:1，洗三次，每次用時(shí)4h～4.5h ⑦干燥(脫水過(guò)程)： ATBC收率：99.5% 2.3 本章小結(jié) 本章確定了工藝流程，以及工藝的過(guò)程。通過(guò)查閱文獻(xiàn)確定工藝參數(shù)，確定了進(jìn)料量。 第3章 物料衡算 3.1 物料總衡算 3.1.1 各操作單元每班所得ATBC的質(zhì)量 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：天 據(jù)物料衡算，由各單元收率得 A.產(chǎn)品乙酰檸檬酸三丁酯量： B.干燥（脫水）過(guò)程： C.分離和水洗過(guò)程： D.分離和中和過(guò)程： E.脫酸過(guò)程： F.乙?；^(guò)程： 反應(yīng)方程式： 理論上消耗醋酸酐203.91kg，理論上消耗TBC719.68kg，理論上生成醋酸119.95kg。實(shí)際需加入醋酸酐367.04kg，純TBC721.12kg。 3.1.2 由TBC質(zhì)量計(jì)算脫醇過(guò)程及酯化過(guò)程所生成TBC質(zhì)量 ①脫醇過(guò)程： ②醋化過(guò)程生成TCB質(zhì)量： 3.2 單元操作物料衡算 3.2.1 酯化過(guò)程 酯化反應(yīng)如下： 理論上用掉檸檬酸384.60kg，用掉正丁醇444.70kg，產(chǎn)生水108.17kg。實(shí)際上需要填料98%正丁醇684.59kg，填料90%檸檬酸436.05kg，填料氨基磺酸21.12kg。反應(yīng)后還剩檸檬酸7.85kg，正丁醇217.13kg，水124.07kg，氨基磺酸21.12kg，雜質(zhì)37.25kg。 酯化反應(yīng)釜平衡物料見(jiàn)表3-1。 表3-1 酯化反應(yīng)釜平衡物料表 酯化反應(yīng)前 酯化反應(yīng)后 反應(yīng)物 反應(yīng)物重量，kg 反應(yīng)物 反應(yīng)物，kg 所占比例，% 90%檸檬酸 436.05 檸檬酸 7.85 0.69 98%正丁醇 684.59 正丁醇 217.13 19.02 氨基磺酸 21.12 氨基磺酸 21.12 1.85 TBC 734.34 64.32 水 124.07 10.87 雜質(zhì) 37.25 3.25 合計(jì) 1141.76 合計(jì) 1141.76 100 水溶性正丁醇是20.1%(wt %的水),正丁醇水中溶解度為7.7%(重量%),最后未反應(yīng)的正丁醇和水分為兩部分。物料平衡,正丁醇的酯化反應(yīng)和分離回流罐2.37kg,11.37kg,丁醇酯化反應(yīng)器材料214.76kg、113.33kg。 3.2.2 脫醇過(guò)程 假設(shè)脫下醇，氨基磺酸，檸檬酸不能從頂部蒸，正丁醇和水可以完全被蒸出從塔的頂部，塔蒸出的正丁醇和水被分成兩部分。 一部分是由含共沸混合物的7.7％（質(zhì)量％）的水和正丁醇正丁醇的，另一部分是對(duì)正丁醇2％（質(zhì)量％）的含水。由物料平衡，塔回收的98％正丁醇219.07kg，實(shí)際消耗正丁醇231.5kg。 脫醇塔物料平衡見(jiàn)表3-2。 表3-2 脫醇塔物料平衡表 進(jìn)塔反應(yīng)物 出塔反應(yīng)物 塔釜反應(yīng)物 塔頂反應(yīng)物 反應(yīng)物 重量，kg 反應(yīng)物名稱 重量，kg 百分比，% 反應(yīng)物名稱 重量，kg 百分比，% 檸檬酸 7.85 檸檬酸 7.85 1 98%檸檬酸 219.07 61.81 正丁醇 217.13 氨基磺酸 21.12 2.68 7.7%正丁醇恒沸物 122.13 34.46 氨基磺酸 21.12 TBC 721.12 71.59 TBC 13.22 3.73 水 124.07 雜質(zhì) 37.25 4.73 TBC 734.34 雜質(zhì) 37.25 合計(jì) 1141.76 合計(jì) 787.34 100 合計(jì) 354.42 100 3.2.3 乙?；^(guò)程 大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂加入量5%(質(zhì)量%，相對(duì)于TBC)，催化劑需要量： 添加98%乙酸酐374.53kg,后剩余乙酸酐乙?；磻?yīng)170.62公斤,剩余材料TBC1.44kg 物料平衡乙?；^(guò)程見(jiàn)下表3-3。 表3-3 物料平衡乙?；磻?yīng) 進(jìn)釜反應(yīng)物物料 出釜反應(yīng)物物料 反應(yīng)物物料名稱 重量，kg 反應(yīng)物物料名稱 重量，kg 百分比例，% 檸檬酸 7.85 檸檬酸 7.85 0.66 催化劑 36.06 催化劑 57.18 4.84 醋酸酐 367.04 醋酸酐 163.13 13.81 氨基磺酸 21.12 ATBC 793.17 67.13 TBC 712.21 TBC 1.44 0.12 雜質(zhì) 37.25 雜質(zhì) 38.81 3.29 乙酸 119.95 10.15 合計(jì) 1181.53 合計(jì) 1181.53 100 3.2.4 去酸化過(guò)程 脫酸過(guò)程反應(yīng)物料平衡見(jiàn)表3-4。 表3-4 脫酸塔反應(yīng)物料平衡表 反應(yīng)進(jìn)塔物料 反應(yīng)出塔物料 塔釜物料 塔頂物料 物料 質(zhì)量，kg 物料 質(zhì)量，kg 比例，% 物料 質(zhì)量，kg 比例，% 檸檬酸 7.85 檸檬酸 7.85 0.90 乙酸 119.95 38.30 ATBC 793.17 催化劑 57.18 6.55 乙酸酐 154.45 49.31 催化劑 57.18 TBC 1.44 0.17 雜質(zhì) 38.81 12.49 乙酸酐 163.13 雜志 5.23 0.60 TBC 1.44 ATBC 793.17 90.80 雜質(zhì) 38.81 乙酸酐 8.68 0.98 乙酸 119.95 合計(jì) 1181.53 合計(jì) 873.55 100 合計(jì) 313.21 100 設(shè)塔釜中乙酸酐的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，隨著塔釜中出料被帶出的乙酸酐8.68kg，會(huì)隨著塔頂帶出乙酸酐154.45kg。在脫酸過(guò)程中塔頂物料分為兩部分，一部分為含醋酸的2%醋酸酐，另一部分為醋酸，其中回收98%的醋酸酐157.60kg，實(shí)際上每班需消耗98%醋酸酐213.2kg，回收醋酸117.55kg。 3.2.5 中和過(guò)程 中和反應(yīng)過(guò)程中物料重量平衡見(jiàn)下表3-5。 表3-5 中和反應(yīng)釜物料重量平衡表 進(jìn)入中和釜反應(yīng)物料 中和釜反應(yīng)物料出口 水相 油相 反應(yīng)物料 質(zhì)量，kg 反應(yīng)物料 質(zhì)量，kg 比例，% 反應(yīng)物料 質(zhì)量，kg 比例，% 檸檬酸 7.85 碳酸鈉 91.03 2.70 ATBC 777.31 94.21 ATBC 793.17 氨基磺酸鈉 25.69 0.76 TBC 1.44 0.18 氨基磺酸 21.12 檸檬酸鈉 11.66 0.35 雜質(zhì) 5.23 0.61 乙酸酐 8.68 水 3205.19 95.07 水 24.79 3.00 TBC 1.44 ATBC 15.86 0.47 碳酸鈉 16.53 2.00 雜質(zhì) 5.23 乙酸鈉 12.62 0.37 水 3226.8 二氧化碳 9.18 0.27 碳酸鈉 134.45 合計(jì) 4198.74 合計(jì) 3371.23 100 合計(jì) 825.07 100 3.2.6 水洗脫堿過(guò)程 水洗后碳酸鈉完全進(jìn)入水相，即進(jìn)入水相碳酸鈉16.53kg，水洗后進(jìn)入油相中水量為3%（質(zhì)量%，以ATBC計(jì)），則進(jìn)入油相水量為24.01kg。所以油相中ATBC的量為769.53kg。 水洗釜物料平衡見(jiàn)表3-6。 表3-6 水洗釜物料平衡表 進(jìn)水洗釜物料 出水洗釜物料 水相 油相 物料 質(zhì)量，kg 物料 質(zhì)量，kg 比例，% 物料 質(zhì)量，kg 比例，% ATBC 777.31 碳酸鈉 16.53 0.33 ATBC 769.53 96.17 TBC 1.44 ATBC 7.78 0.16 TBC 1.44 0.18 碳酸鈉 16.53 水 4945.5 99.51 雜質(zhì) 5.23 0.65 水 4969.51 水 24.01 3.00 雜質(zhì) 5.23 合計(jì) 5770.02 合計(jì) 4969.81 100 合計(jì) 800.21 100 3.2.7 干燥過(guò)程 計(jì)算依據(jù)：乙酰檸檬酸三丁酯收率99.5%。 干燥過(guò)程隨水帶出ATBC3.85kg： 設(shè)干燥產(chǎn)品中含水量0.2%（質(zhì)量%，以ATBC計(jì)），進(jìn)入產(chǎn)品中水量為2.68kg，蒸發(fā)掉水分37.52kg。塔內(nèi)的產(chǎn)品ATBC質(zhì)量為765.68kg。 干燥過(guò)程物料平衡見(jiàn)表3-7。 表3-7 干燥塔物料平衡表 進(jìn)干燥塔物料 出干燥塔物料 蒸發(fā)物料 塔內(nèi)產(chǎn)品 物料 質(zhì)量，kg 物料 質(zhì)量，kg 比例，% 物料 質(zhì)量，kg 比例，% ATBC 769.53 ATBC 3.85 14.65 ATBC 765.68 98.93 TBC 1.44 水 22.43 85.34 TBC 1.44 0.19 水 24.01 雜質(zhì) 5.23 0.68 雜質(zhì) 5.23 水 1.58 0.20 合計(jì) 800.21 合計(jì) 26.28 100 合計(jì) 773.93 100 3.3 總物料平衡表 表3-8物料平衡總表 反應(yīng)進(jìn)料 反應(yīng)出料 反應(yīng)物料名稱 質(zhì)量，kg 物料名稱 質(zhì)量，kg 90%檸檬酸 436.05 檸檬酸鈉 11.66 98%正丁醇 684.59 正丁醇 217.13 催化劑 57.18 氨基磺酸鈉 25.69 98%乙酸酐 374.53 TBC 28.25 水 8172.3 水 8301.13 碳酸鈉 134.45 雜質(zhì) 38.81 乙酸鈉 12.62 ATBC 793.17 二氧化碳 12.62 碳酸鈉 107.56 催化劑 36.06 乙酸酐 154.45 乙酸 119.95 合計(jì) 9859.1 合計(jì) 9859.1 3.4 本章小結(jié) 本章根據(jù)定的生產(chǎn)流程及年生產(chǎn)量進(jìn)行了該生產(chǎn)流程的全部物料衡算，為下面的設(shè)備設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 第4章 熱量衡算 4.1 物性數(shù)據(jù) 查得不銹鋼的傳熱系數(shù)為 查得搪玻璃的傳熱系數(shù)為 搪玻璃的壁厚為 換熱損失為 1.計(jì)算傳熱面積/設(shè)計(jì)傳熱面積=0.87 查訊酯化反應(yīng)的反應(yīng)熱為 乙酰化反應(yīng)的反應(yīng)熱為 2.計(jì)算物質(zhì)的熱容和焓變值 在計(jì)算物料衡算中不同溫度下的恒壓熱熔的熱量數(shù)值見(jiàn)表4-1。 表4-1 不同物料在不同溫度下的恒壓熱熔值 攝氏度 檸檬酸 正丁醇 TBC ATBC 醋酸酐 醋酸 H2O 說(shuō)明 20.1 173.27 75.31 除了最后一個(gè)溫度水的Cp值都取75.31 24.9 179.92 711.29 196.64 133.889 33.6 180.34 55.1 191.60 674.45 199.685 58.7 376.54 192.27 695.55 200.833 61.4 376.57 193.29 203.760 75.1 196.66 84.9 137.44 表4-2 不同溫度下不同物質(zhì)的焓變值 溫度，℃ C4H10O H2O C2H4O2 C4H6O3 30.1 51210 38.2 26690 45608 41.8 50210 84.9 25330 92.7 45430 41160 150.2 38170 4.2 酯化釜 1.加入每釜的物料量： 加入檸檬酸=392.45kg；加入正丁醇=670.90kg 其它=55.97kg 2.物料溫度變化： 物料在溫度為通過(guò)加熱1小時(shí)，溫度升至92.6℃。物料中含有的水經(jīng)過(guò)加熱一小時(shí)（92.6℃）被完全蒸發(fā)，然后反應(yīng)2.5小時(shí)在92.6℃下，通過(guò)150℃的水蒸汽加熱。 3.反應(yīng)開始階段：加熱升溫和吸熱 反應(yīng)溫度經(jīng)水蒸汽加熱由25℃升高到92.6℃，反應(yīng)的平均溫度取58.8℃。 式中： 反應(yīng)中會(huì)有5%的熱損失，取 4.反應(yīng)中間階段：加熱蒸發(fā)和吸熱 反應(yīng)過(guò)程中物料中的水55.97kg全部汽化，在共沸物組成中正丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以57.65%計(jì)算，正丁醇汽化量為 則： 式中： △Hi——對(duì)應(yīng)物質(zhì)的汽化熱，kJ/mol； 反應(yīng)中會(huì)有5%的熱損失，取。 5.反應(yīng)最后階段：反應(yīng)過(guò)程吸熱（2.5小時(shí)） 反應(yīng)過(guò)程會(huì)生成水108.17kg，假設(shè)生成水完全汽化，上升氣相中含70%的正丁醇，即252.40kg。 反應(yīng)過(guò)程中會(huì)有5%的熱損失，取 . 以每小時(shí)計(jì)， 6.估算對(duì)反應(yīng)釜的傳熱面積（材質(zhì)為搪瓷）： 式中： K——搪瓷的傳熱系數(shù)，kJ/(h·m2·℃)； 上式中的Q取Q1，Q2，Q3中的最大值 即： Q=195479.5KJ/h 平均溫差的△t計(jì)算： 式中： △t——平均溫差，℃； 取 7.加熱酯化釜所需的蒸汽量： kJ 蒸汽流量由Q1計(jì)算，則： 4.3 酯化釜第一冷凝器 蒸發(fā)階段是上升氣體在酯化反應(yīng)中的最大流量，即： 正丁醇：76.04kg/h 水：55.97kg/h 假設(shè)反應(yīng)物料全部冷凝，冷卻水的溫度由25℃升至40℃ 物料由92.6℃降至30℃，平均溫度61.3℃，采用不銹鋼為換熱器的成分。 計(jì)算的換熱面積為： 加上5%熱損失， 取 冷卻水在一定時(shí)間內(nèi)的最大流動(dòng)量： 式中： W——冷卻水流量，kg/h。 4.4 酯化釜第二冷凝器 1.假設(shè)正丁醇經(jīng)過(guò)第一冷凝器會(huì)有80%的物料被冷凝，會(huì)有20%未被冷凝，正丁醇用0℃的鹽水進(jìn)行冷凝。水由0℃升至10℃，物料由30℃降至10℃，平均溫度20℃。 2.傳熱面積估算： 再加上5%的換熱損失，取Q=11829.44kJ 取 3.冷卻水在一定時(shí)間內(nèi)的最大流動(dòng)量： 4.5 脫醇釜 1.加入反應(yīng)物的量： 脫醇的過(guò)程時(shí)間為4個(gè)小時(shí)，加入的物料全部按照正丁醇計(jì)算，所以加入的物料量為341.2kg，所以平均每小時(shí)加入物料為341.2/4=85.3kg/h，取反應(yīng)回流比R=1.5，則上升的氣量是加入物料正丁醇的的2.5倍，即85.3×2.5=213.25kg/h 剩下加入的物料按照檸檬酸三丁酯的量為：800.56kg/h 該反應(yīng)是減壓操作，絕對(duì)壓力為2666pa，反應(yīng)物料中正丁醇的沸點(diǎn)為42℃。 2.假設(shè)升溫和升溫吸熱 反應(yīng)物料由室溫（25℃）在1小時(shí)內(nèi)升至42℃，然后在42℃下脫除全部正丁醇，平均溫度33.5℃。 再加上5%的換熱損失，取Q1=36634.00kJ 3.再汽化過(guò)程中的吸熱： 4.對(duì)換熱面積的估算： 式中： 最大熱量的Q=144687.24kJ/h 5.加熱蒸汽量的計(jì)算： 反應(yīng)過(guò)程中最大蒸汽流量由Q2計(jì)算： 4.6 脫醇塔頂冷凝器 1.上升氣量：正丁醇217.13kg/h 冷卻水的溫度由0℃升到10℃，物料的溫度由42℃降至10℃，脫醇的平均溫度26℃。 2.估算反應(yīng)過(guò)程的換熱面積： 再加上5%的換熱損失，取Q=172855.20kJ 取 3.最大流量的冷凍水： 4.7 乙?；磻?yīng)釜 1.反應(yīng)物進(jìn)料量： TBC:712.21kg 剩下的按醋酸計(jì)算：469.32kg 2.升溫假設(shè) 物料由室溫（25℃）在1小時(shí)內(nèi)加熱升溫升至85℃，然后在85℃下反應(yīng)2h，反應(yīng)過(guò)程會(huì)有50%的醋酸汽化。 3.反應(yīng)開始階段：升溫吸熱 反應(yīng)釜溫度由25℃升至85℃，反應(yīng)釜中平均溫度55℃。 再加上5%的換熱損失，取Q1=152854.73kJ 4.吸熱反應(yīng)： 再加上5%的換熱損失，Q2＇=248648.01kJ 以平均反應(yīng)時(shí)間/h計(jì)，Q2=124324kJ 5.乙?；獋鳠崦娣e估算： Q取最大值Q1=152854.73kJ 取 6.反應(yīng)過(guò)程中升高溫度所需蒸汽量： 最大流量的蒸汽由Q1計(jì)算，則 4.8 乙?；磻?yīng)釜冷凝器 1.反應(yīng)物進(jìn)料量： 反應(yīng)中有50%的乙酸汽化，即：469.32×0.5=234.66kg 每小時(shí)汽化量，即：234.66/0.25=938.64kg/h 2.估算傳熱面積： ： 反應(yīng)過(guò)程中冷卻的溫度水由25℃加熱升至35℃，而反應(yīng)物料的溫度由85℃降至40℃，反應(yīng)物料的平均溫度62.5℃。 再加上5%的換熱損失，Q=517747.98kJ 取 3.最大流量的冷卻水： 4.9 脫酸塔釜 1.反應(yīng)物進(jìn)料量： 乙酸：119.95kg； 乙酸酐：163.13kg 剩下的物料按照乙酰檸檬酸三丁酯（ATBC）為：898.45kg： 設(shè)加熱升溫的時(shí)間為1個(gè)小時(shí)，操作反應(yīng)時(shí)間為4個(gè)小時(shí)，回流比取R=1.5，則蒸發(fā)氣體中： 乙酸酐為：163.13×2.5/4=101.96kg/h 乙酸為：119.95×2.5/4=74.97kg/h 脫酸反應(yīng)為減壓操作，絕壓2666Pa，乙酸酐酐的沸點(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.反應(yīng)過(guò)程的升溫的假設(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.反應(yīng)升溫過(guò)程吸熱計(jì)算： 再加上5%的換熱損失，取Q1=28381.28kJ 4.對(duì)反應(yīng)汽化過(guò)程吸熱計(jì)算： 再加上5%的換熱損失，Q2=83097.13kJ 5.對(duì)反應(yīng)釜換熱面積的估算： Q取最大熱量83097.13kJ/h，則 取 6.對(duì)反應(yīng)釜蒸汽量的計(jì)算： 對(duì)反應(yīng)釜蒸汽最大流量由Q2計(jì)算，則： 4.10 脫酸酐塔頂冷凝器 1.在反應(yīng)過(guò)程被蒸發(fā)的氣體： 乙酸酐：101.96kg/h 乙酸：74.97kg/h 反應(yīng)過(guò)程中冷凍水的溫度由0℃升至10℃；物料過(guò)程中的溫度由38℃降至12℃，平均溫度26℃。 2.冷凝器換熱面積估算 再加上5%的換熱損失，取Q=93055.51kJ 取 3.反應(yīng)過(guò)程中冷凍水最大流量 4.11 熱量衡算結(jié)果匯總表 熱量衡算結(jié)果匯總見(jiàn)表4-3。 表4-3 熱量衡算結(jié)果匯總表 換熱反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)器 換熱反應(yīng)面積，m2 加熱蒸汽最大流量，kg/h 冷卻水最大流量，kg/h 酯化反應(yīng)釜 2.875 92.19 酯化反應(yīng)釜第一冷凝器 7.935 3254.70 酯化反應(yīng)釜第二冷凝器 0.644 282.73 脫醇塔 0.650 68.23 脫醇塔頂冷凝器 7.176 4131.34（冷凍水） 乙?；? 2.139 72.08 乙?；淠? 13.69 12374.46 脫酸塔塔釜 0.897 39.19 脫酸塔頂冷凝器 4.37 2224.08（冷凍水） 4.12 本章小結(jié) 本章根據(jù)定的生產(chǎn)流程及年生產(chǎn)量進(jìn)行了該生產(chǎn)流程中反應(yīng)設(shè)備熱量衡算，為下面的設(shè)備設(shè)計(jì)提供依據(jù) 第5章 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 5.1 正丁醇原料貯槽 設(shè)計(jì)壓力為p=2.5kgf/cm2（25×10-2Mpa）100%無(wú)損探傷貯罐。 原料中加入正丁醇的量為684.59kg，通過(guò)查閱可得水的密度為998.2kg/m3和正丁醇的的密度為810.9kg/m3，則物料的平均密度為： 上式中： ——物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)； ——密度，kg/m3； 計(jì)算得原料的貯槽，裝料系數(shù)取0.85，則計(jì)算的容積為4.95m3。 通過(guò)查閱文獻(xiàn)可得，選擇公稱容積為5m3的立式儲(chǔ)罐兩個(gè)。 貯罐的結(jié)構(gòu)尺寸為：公稱直徑DS=1200mm，壁厚S=5mm，焊縫系數(shù)ψ=1.0，允許腐蝕裕度為1.5mm，貯罐重量=935kg。 5.2 酯化釜 加入反應(yīng)釜的總物料為2040.9kg，反應(yīng)物的密度為1000kg/m3，所以加入反應(yīng)釜的總體積為： 計(jì)算反應(yīng)釜的容積：裝料系數(shù)為0.75 所以查閱文獻(xiàn)可得選用規(guī)格為K3000L型的搪玻璃反應(yīng)罐。反應(yīng)罐的主要參數(shù)表：傳熱面積為8.61m2，公稱直徑D=1600mm，貯罐重量為=3470kg。 5.3 酯化釜第一冷凝器 通過(guò)計(jì)算可知，冷凝器在反應(yīng)過(guò)程中的傳熱面積為15.02m2。 所以，通過(guò)查閱文獻(xiàn)得知，選擇換熱面積為16m2的列管式固定管板冷凝器。其外徑為400mm，有效長(zhǎng)度為2000mm。 5.4 酯化釜第二冷凝器 通過(guò)計(jì)算可知，冷凝器在反應(yīng)過(guò)程中的傳熱面積為1.18m2。 所以，通過(guò)查閱文獻(xiàn)可得，選擇換熱面積為2m2的列管式固定管板冷凝器。其外徑為219mm，有效長(zhǎng)度為1500mm。 5.5 酯化回流罐 由物料衡算和熱量衡算可知：正丁醇的最大流量為：139.48kg/h，水的最大流量為：102.67kg/h。 平均密度為：ρ=880.99kg/m3。 計(jì)算回流罐的容積： 裝料系數(shù)取0.75，貯存時(shí)間按1小時(shí)計(jì)。 所以查閱文獻(xiàn)得，選擇公稱容積0.5m3無(wú)折邊錐形容器系列。 回流罐的工藝參數(shù)：V=0.5m3,，公稱直徑D=600mm，壁厚S=5mm，長(zhǎng)度L=1600mm，焊縫系數(shù)ψ=1.0，貯罐重量M=230kg。 5.6 正丁醇輸送泵 正丁醇輸送量1228.68kg，輸送正丁醇的體積為1228.68/813.95=1.510 m3，10分鐘將該物料送入正丁醇計(jì)量罐，流量1.510×60/10=9.06m3/h 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)，一開一備。 5.7 廢水貯罐 有物料衡算可知：酯化釜中回收的物料為：正丁醇4.30kg，水55.48kg。 脫醇塔中回收的物料為：正丁醇18.50kg，水221.8kg。 平均密度： 計(jì)算貯罐體積： 貯存的物料以廢水為基準(zhǔn)，時(shí)間是五天。裝料系數(shù)取0.8。 通過(guò)查閱文獻(xiàn)得，選擇體積為2m3的立式平底平蓋容器系列貯罐。 貯罐的工藝參數(shù)：全容積V=2m3，公稱直徑D=900mm，壁厚S=5mm，長(zhǎng)度L=2800mm， 焊縫系數(shù)ψ=1.0，貯罐重量M=500kg。 5.8 脫醇塔 密度近似取為1000 kg/m3，裝料系數(shù)取0.75，則脫醇塔釜體積為： 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8.67m2，與計(jì)算結(jié)果1.22m2比較，滿足工藝要求。 理論塔板數(shù)的確定 TBC的沸點(diǎn)如下： 170℃（133.32Pa，1mmHg） 225℃（666.61Pa,5mmHg） 233℃（2933.09Pa，22mmHg） 純液體的飽和蒸汽壓可由安托因方程 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 由上述三式，得A=－0.5800，B=43.393，C=－517.97 當(dāng)P=2666Pa（20mmHg）時(shí)， 解得，T=505.83K，即t=232.68℃ 由文獻(xiàn)[24]查得，2666 Pa（20mmHg）時(shí)，正丁醇的沸點(diǎn)為t=41.5℃ 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=0.6931mmHg。 由文獻(xiàn)[24]查得正丁醇的安托因常數(shù)為A=17.2160，B=3137.02，C=－94.43。當(dāng)T=505.83K時(shí)，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5-1。 表5-1 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，mmHg PTBC，mmHg， 相對(duì)揮發(fā)度α 314.65 20 0.6931 28.86 505.83 14629 20 731.46 用幾何平均值計(jì)算相對(duì)揮發(fā)度 則 由脫醇塔物料衡算知，若將水和正丁醇看作正丁醇，則正丁醇的量為642.66kg；將其余物料看作檸檬酸三丁酯，則檸檬酸三丁酯的量為1338.16kg。則進(jìn)脫醇塔正丁醇物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)xF=0.3244 塔頂物料為正丁醇642.66kg，TBC為22.88kg，則正丁醇物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為xw=0.018 采用逐板計(jì)算法計(jì)算所需理論塔板數(shù)。 由相平衡方程 式中： y——?dú)庀嘟M成，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)； x——液相組成，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)； α——相對(duì)揮發(fā)度。 回流比R=1.5，則操作線方程為 式中： R——回流比； xD——塔頂易揮發(fā)組分組成。 計(jì)算自塔頂xD=0.9656開始，交替使用操作線方程 y=0.6x+0.38624 及相平衡方程： 依次計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5-2。 表5-2 操作終態(tài)時(shí)理論板數(shù)計(jì)算 氣相組成y 液相組成x y1=0.9656 x1=0.1619 y2=0.48338 x2=0.0064 由此可知，需2塊理論板數(shù)。塔釜相當(dāng)于一塊理論板，實(shí)際需要1塊理論板即可。 泛點(diǎn)氣速的計(jì)算： 首先確定下式： 式中： L——液相流量，kg/h； G——?dú)庀嗔髁?，kg/h； γG——?dú)庀嗝芏?，kg/m3； γL——液相密度，kg/m3。 氣相密度按正丁醇密度考慮，由下式： 式中： p——絕對(duì)壓力，Pa； M——摩爾質(zhì)量，kg/mol； R——理想氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K) T——絕對(duì)溫度，K，按塔頂溫度計(jì)算。 氣相密度： 液相密度按正丁醇考慮，則γL=810.9 kg/m3 L=241.005kg/h，G=401.68kg/h，代入上式得： 相應(yīng)的wF2aγGμL0.16/(gε3γL)可由文獻(xiàn)[25]查得，為0.34 則： 式中： wF——泛點(diǎn)空塔氣速，m/s； g——重力加速度，9.81m/s2； a/ε3——干填料因子，m-1，對(duì)所選填料，a/ε3=460 m-1； μL——液體粘度，cp。 液體粘度按塔頂和塔釜平均溫度計(jì)算，平均溫度T=（314.65+505.83）/2=410.24K下，正丁醇的粘度可由文獻(xiàn)[25]查得，μ=0.27cp 故空塔泛速： 選擇操作氣速 操作氣速可按下式選擇 w=（0.6～0.8）wF 式中： w——操作氣速，m/s。 則操作氣速為 w=0.6 wF=0.6×9.80=5.88m/s 塔徑的計(jì)算 塔徑可由下式計(jì)算： 式中： DT——塔徑，m； V——?dú)庀嗔髁浚琺3/h； 氣相流量可由下式計(jì)算： 式中： m——?dú)庀嗔髁浚琺3/h。 m=401.68kg/h，則氣相流量為 塔徑為 圓整后取蒸餾塔塔徑600mm。 塔內(nèi)實(shí)際流速為 壓降計(jì)算： 由文獻(xiàn)[25]，可以確定下列參數(shù) 式中： L——液相流量，kg/h； G——?dú)庀嗔髁?，kg/h； μL——液體粘度，cp； W——空塔氣速，m/s； γG——?dú)庀嗝芏?，kg/m3； γL——液相密度，kg/m3； g——重力加速度，9.81m/s2； φ——填料因子，m-1，對(duì)于所選填料，φ=600 m-1； ψ——液相密度校正系數(shù)，即水的密度與液相的密度之比； 由上式得