化工工艺设计-500吨乙酰柠檬酸三丁酯

1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2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）3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：酯化釜脱醇塔乙酰化釜脱酸塔脱色机干燥系统中和釜水洗釜正丁醇、水恒沸物醋酸ATBC碳酸钠溶液活性炭产品ATBCTBC废水工艺水柠檬酸、正丁醇、硫酸一级冷凝器二级冷凝器酯化回流罐（水相）（醇相）水+醇98%正丁醇冷凝器98%醋酸酐4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。51.2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/T9855-20082正丁醇98%气相色谱法GB/T6027-19983浓硫酸98%GB/T534-20144醋酸酐98%气相色谱法GB/T10668-20001.3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/T4616-201461.4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74.12-88.9117.2536511.251.45GB/T6027-19982硫酸98.07810.371337GB/T534-20143醋酸酐102.09-7313940010.32.0GB/T10668-20001.5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/t566.212正丁醇98%kg/t616.853浓硫酸98%kg/t3.964醋酸酐98%kg/t248.22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7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：+HOCCOOC4H9(CH3CO)2OCH3COOCH2COOC4H9CH2COOC4H9CCOOC4H9CH2COOC4H9CH2COOC4H9CH3COOH+360.443102.089402.48160.05ATBC醋酸酐醋酸TBC2.2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。8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：酯化釜脱醇塔乙酰化釜脱酸塔脱色机干燥系统中和釜水洗釜正丁醇、水恒沸物醋酸ATBC碳酸钠溶液活性炭产品ATBCTBC废水工艺水柠檬酸、正丁醇、硫酸一级冷凝器二级冷凝器酯化回流罐（水相）（醇相）水+醇98%正丁醇冷凝器98%醋酸酐9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10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）8h3)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）2666PaTBC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。11B.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4h3)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）2666PaATBC收率99.5%2)脱醇操作计算用假设A.醋酸、