年產(chǎn)200噸醋酸異丁酯的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

1、一 前言乙酸異丁酯（isobutyl acetate），又名醋酸異丁酯，分子式為ch3cooch2ch（ch3）2，相對(duì)分子量為116.16，凝固點(diǎn)為-98.9 ，沸點(diǎn)為118 ，相對(duì)密度為0.87120 ，折射率為1.390119 ，難溶于水，能溶于醇和醚，可溶解多種樹脂及有機(jī)物，是醋酸丁酯的四種異構(gòu)體之一，它與其它異構(gòu)體的性能在大多數(shù)情況下都相似。是我國(guó)gb2760-86規(guī)定允許使用的食用香料，也是一種很重要的有機(jī)化工原料，主要用于制藥、香料、涂料、油漆、制革、樹脂工業(yè)中，也可用做硝化纖維及漆類的溶劑。近來乙酸正丁酯供應(yīng)緊張，因此乙酸異丁酯用做溶劑的用量大幅度增加。因此，開發(fā)研究生產(chǎn)乙酸異

2、丁酯的生產(chǎn)工藝有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.1乙酸異丁酯的用途和市場(chǎng)前景分析1.1.1作香料乙酸異丁酯存在于貽貝、熟香蕉、烘山芋、蘋果汁香精等物質(zhì)中，是這些物質(zhì)的致香組分之一，因此，可用作果實(shí)味香精。1.1.2作溶劑乙酸異丁酯對(duì)許多物質(zhì)具有良好溶解性。工業(yè)上它可用作制造硝基纖維素漆、丙烯酸漆、聚氨酯漆等的溶劑，這些漆類可用作飛機(jī)機(jī)翼涂料、人造皮革涂料、汽車涂料等，也可用于賽璐珞制品、銅板紙、漆皮等的制造。它還可用作印刷油墨中的揮發(fā)性溶劑和感光材料的快干劑。1.1.3用于醫(yī)藥乙酸異丁酯由于其揮發(fā)度適中，具有良好的皮膚滲透性，可用作藥物吸收促進(jìn)組分。1.1.4作反應(yīng)介質(zhì)組分乙酸異丁酯和其它兩種常用的乙酸

3、丁酯一樣，可作為反應(yīng)介質(zhì)，如用于合成三烷基胺氧化物，n,n二丙烯基乙二膠等。1.1.5作萃取劑組分乙酸異丁酯可用作萃取劑組分，用作共沸蒸餾溶劑組分和部分取代以往采用甲苯、二甲苯和甲基異丁基酮等作為溶劑的場(chǎng)合，如萃取分離乙醇丙醇、丙烯酸等物質(zhì)。1.1.6市場(chǎng)前景分析最近幾年，由于全球范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求日趨嚴(yán)格，人們趨向于減少甲苯、二甲苯、酮類等溶劑的用量，其發(fā)展方向是開發(fā)和利用樹酯涂料和用醋酸酯類等含氧溶劑取代揮發(fā)性涂料配方中的芳烴和酮類，而由價(jià)格低廉的異丁醇生產(chǎn)乙酸異丁酯正可滿足這一趨勢(shì)。對(duì)于乙酸異丁酯的市場(chǎng)情況，由于影響因素很多，很難估計(jì)。據(jù)業(yè)內(nèi)人士推測(cè)，乙酸異丁酯用于涂料的需求量可達(dá)3

4、000t/a，印墨中的應(yīng)用量大約20004000t/a，取代甲基異丁基酮（mibk）的用量可達(dá)5000t/a。乙酸異丁酯可良好地取代甲苯（甲苯111，乙酸異丁酯118，沸點(diǎn)最接近），如果我國(guó)對(duì)甲苯作溶劑予以限制，其用量將較大。此外，乙酸異丁酯還可在醫(yī)藥工業(yè)中占有一定的用量。因此，在幾個(gè)較大的應(yīng)用范圍內(nèi)，我國(guó)乙酸異丁酯的市場(chǎng)潛力可達(dá)1萬t/a以上。目前國(guó)內(nèi)只有少量工業(yè)用乙酸異丁酯的生產(chǎn)、使用廠家，全球乙酸異丁酯溶劑的應(yīng)用已被其它溶劑取代多年，而且，在進(jìn)出口貿(mào)易也很少。因此，乙酸異丁酯的市場(chǎng)完全需要開拓，其在溶劑方面的應(yīng)用，可以從替代其它溶劑的應(yīng)用以及特殊領(lǐng)域?qū)Ｓ靡宜岙惗□煞矫鎭黹_拓市場(chǎng)。由于我

5、國(guó)可能存在一定規(guī)模的乙酸異丁酯市場(chǎng)，因此，提出如下建議：開發(fā)乙酸異丁酯的應(yīng)用 ，由于各涂料廠、油墨廠對(duì)溶劑配方存在偏愛，雖然乙酸異丁酯的市場(chǎng)潛力較大，但市場(chǎng)情況不很明朗，有待于開拓市場(chǎng)?？紤]到乙酸異丁酯在國(guó)內(nèi)作涂料溶劑已被其它溶劑取代30多年，推向市場(chǎng)需用戶調(diào)改配方，而各涂料生產(chǎn)廠的偏愛不同，并非所有可用的廠家都愿意改變配方，因此，需要進(jìn)行用于涂料溶劑的研究開發(fā)；對(duì)其它應(yīng)用，也需要開展應(yīng)用開發(fā)。1.2合成乙酸異丁酯的催化劑1.2.1硫酸和其它無機(jī)酸合成乙酸異丁酯的傳統(tǒng)催化劑是以硫酸為代表的無機(jī)酸催化劑，硫酸催化酯化是現(xiàn)代生產(chǎn)乙酸異丁酯的最常用的方法，但硫酸的脫水、酯化、氧化作用而造成酯化反應(yīng)中

6、一系列副反應(yīng)，從而給產(chǎn)物的精制帶來一定困難，產(chǎn)率在一定程度上受到影響，一般酯化收率不超過85%。此外，設(shè)備腐蝕、環(huán)境污染等問題也較嚴(yán)重。1.2.2相轉(zhuǎn)移催化劑以季銨鹽為代表的相轉(zhuǎn)移催化合成乙酸異丁酯近來發(fā)展迅速，催化效率高，催化劑用量少，操作方便，反應(yīng)時(shí)間短，條件溫和和不污染環(huán)境，是一種很有利用價(jià)值的合成方法。1.2.3雜多酸及其鹽雜多酸催化劑是近來酯化領(lǐng)域中研究得最多的催化劑。雜多酸是一類含有氧橋的多核配合物，兼有酸性和氧化性，具有類似分子篩的籠狀結(jié)構(gòu)特征，在做酯化反應(yīng)催化劑時(shí)，具有活性高、不腐蝕設(shè)備、減少污染等顯著優(yōu)點(diǎn)。用雜多酸催化酯化，克服了濃硫酸法的很多缺點(diǎn)，無廢酸排放，工藝流程簡(jiǎn)單，

7、可降低生產(chǎn)成本，酯化反應(yīng)溫度低，反應(yīng)時(shí)間短，催化劑用量少，可較好的回收使用，所得酯外觀為無色透明液體，質(zhì)量好，產(chǎn)率高，是合成乙酸異丁酯的優(yōu)良催化劑，有著很好的應(yīng)用前景。1.2.4無機(jī)鹽大多數(shù)無機(jī)鹽對(duì)乙酸異丁酯都有比較好的催化活性，具有明顯的工業(yè)價(jià)值，現(xiàn)在研究得較多的無機(jī)鹽催化劑是三氯化鐵和氯化銅，它們?cè)诖呋铣梢宜岙惗□ブ芯〉昧溯^好的結(jié)果。三氯化鐵做催化劑酯化轉(zhuǎn)化率高，催化活性穩(wěn)定，使用10次以后，酯化轉(zhuǎn)化率還保持在90%以上，氯化銅的催化活性也較高，酯的轉(zhuǎn)化率隨氯化銅的使用次數(shù)增加有逐步增高的趨勢(shì)，最后轉(zhuǎn)化率可在90%以上。合成乙酸異丁酯的其它催化劑還有硫酸鐵銨、氨基磺酸、稀土金屬氧化物、

8、無機(jī)鹽、離子交換樹脂、分子篩等。1.3目前乙酸異丁酯的生產(chǎn)方法及合成工藝路線的選擇1.3.1硫酸做催化劑間歇生產(chǎn)乙酸異丁酯在目前，大多數(shù)中小企業(yè)采用的間歇生產(chǎn)方式，其工藝流程圖如圖1.1：乙 酸異丁醇產(chǎn)品酯 化中和和蒸 餾洗 滌精 餾98%的硫酸15%的na2co3圖1.1 硫酸做催化劑間歇生產(chǎn)乙酸異丁酯生產(chǎn)工藝框圖雖然該法工藝比較成熟，有著設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但是使用濃硫酸做催化劑存在許多缺點(diǎn)：酯化時(shí)間長(zhǎng)，反應(yīng)是間歇的，難以大批量生產(chǎn)；硫酸對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，三廢處理難，設(shè)備費(fèi)用高；硫酸選擇性差，具有強(qiáng)氧化性并能導(dǎo)致磺化，炭化或聚合等副反應(yīng)，留下一定的酯化殘液，后處理困難；生產(chǎn)工藝繁雜，產(chǎn)

9、品損失多。1.3.2硫酸做催化劑連續(xù)生產(chǎn)乙酸異丁酯隨著工藝的改進(jìn)，現(xiàn)在大多數(shù)的生產(chǎn)企業(yè)的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)開始采用硫酸連續(xù)生產(chǎn)乙酸異丁酯，該工藝流程圖如圖1.2所示。該反應(yīng)的反應(yīng)釜用搪瓷材料，乙酸和異丁醇按一定的比例進(jìn)料，在催化劑作用下在反應(yīng)釜中反應(yīng)，并不斷給反應(yīng)釜加熱，產(chǎn)生的氣體通過精餾塔精餾，利用水和乙酸異丁酯帶出乙酸異丁酯，塔頂?shù)臍怏w經(jīng)過冷凝器。冷凝后部分液體做回流液，部分進(jìn)入分相器，在分相器下層的廢水直接排放掉，上層為粗酯，因?yàn)樗岬臐舛群艿祝芍苯舆M(jìn)入精餾塔后從塔底精制后從塔底得到合格的乙酸異丁酯產(chǎn)品，塔頂出料返回至反應(yīng)釜參與反應(yīng)。圖1.2 硫酸做催化劑連續(xù)生產(chǎn)乙酸異丁酯生產(chǎn)工藝流程圖1.

10、3.3固體酸做催化劑連續(xù)生產(chǎn)乙酸異丁酯連續(xù)反應(yīng)精餾技術(shù)是現(xiàn)在生產(chǎn)乙酸異丁酯最新生產(chǎn)方法。乙酸和異丁醇按一定比例加入配料槽，混合均勻，經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入預(yù)熱器中及反應(yīng)精餾系統(tǒng)，在反應(yīng)精餾塔內(nèi)由于催化填料的作用，乙酸和異丁醇邊反應(yīng)邊分離，最后從系統(tǒng)的頂部分離出反應(yīng)生成的廢水1，而在底部得到含乙酸異丁酯96-97%的粗酯。圖1.3是連續(xù)反應(yīng)精餾技術(shù)生產(chǎn)乙酸異丁酯生產(chǎn)工藝流程圖。 成品配料槽預(yù)熱器反應(yīng)精餾塔冷卻中和精制廢水2純堿廢水1乙酸 異丁醇圖1.3連續(xù)反應(yīng)精餾技術(shù)生產(chǎn)乙酸異丁酯生產(chǎn)工藝流程圖1.3.4合成工藝路線的選擇工藝路線的選擇要考慮多方面的因素，如技術(shù)上的可行性、經(jīng)濟(jì)上的合理性、原料的純度

11、和來源、公用工程中的水源及電力供應(yīng)、環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)和國(guó)家有關(guān)的政策及法規(guī)等。 1） 原料的選擇在乙酸異丁酯的生產(chǎn)中，從開始到現(xiàn)在有幾種原料可用于生產(chǎn)。其中利用冰醋酸和異丁醇直接酯化法是應(yīng)用得最廣的方法，也是目前普遍使用的方法，其化學(xué)反應(yīng)方程為（ch3）2ch2oh+ch3coohch3cooch2ch（ch3）2；其次是異丁醇與乙酰氯反應(yīng)生成酯，其化學(xué)反應(yīng)方程為（ch3）2ch2oh+ch3coclch3cooch2ch（ch3）2+hcl；再次醋酸酐和異丁醇在酸或堿催化劑存在下反應(yīng)生成酯，也少量用于工業(yè)生產(chǎn)中，化學(xué)反應(yīng)方程為（ch3）2ch2oh+（c2h3o）2o ch3cooch2c

12、h（ch3）2。后兩種方法中的乙酰氯和醋酸酐的?；阅鼙缺姿岫家?，但它們都要由冰醋酸生產(chǎn)，市場(chǎng)價(jià)格比冰醋酸貴，考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，選擇冰醋酸和異丁醇直接酯化法生產(chǎn)。2） 催化劑的選擇合成乙酸異丁酯的傳統(tǒng)催化劑是以硫酸為代表的無機(jī)酸催化劑，硫酸催化酯化是現(xiàn)代生產(chǎn)乙酸異丁酯的最常用的方法，但硫酸的脫水、酯化、氧化作用而造成酯化反應(yīng)中一系列副反應(yīng)，從而給產(chǎn)物的精制帶來一定困難，產(chǎn)率在一定程度上受到影響，一般酯化收率不超過85%。此外，設(shè)備腐蝕、環(huán)境污染等問題也較嚴(yán)重。而雜多酸及其鹽在做酯化反應(yīng)催化劑時(shí)，具有活性高、不腐蝕設(shè)備、減少污染等顯著優(yōu)點(diǎn)。用雜多酸催化酯化，克服了濃硫酸法的很多缺點(diǎn)，無廢酸

13、排放，工藝流程簡(jiǎn)單，可降低生產(chǎn)成本，酯化反應(yīng)溫度低，反應(yīng)時(shí)間短，催化劑用量少，可較好的回收使用，所得酯外觀為無色透明液體，質(zhì)量好，產(chǎn)率高，是合成乙酸異丁酯的優(yōu)良催化劑，有著很好的應(yīng)用前景。因此，在本設(shè)計(jì)中選擇固載雜多酸鹽tisiw12o40/tio2作多相催化劑。3） 生產(chǎn)的操作的選擇生產(chǎn)的操作可分為間歇，半間歇，連續(xù)三種。間歇操作廣泛應(yīng)用于液相反應(yīng)、液-固相反應(yīng)和氣-液相反應(yīng)，由于這種操作用于非生產(chǎn)性的操作時(shí)間長(zhǎng)（即進(jìn)料、放料、清釜和物料加熱的時(shí)間），產(chǎn)物的損失也較大，主要應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、批量小的產(chǎn)物如藥品和精細(xì)化工產(chǎn)品等的生產(chǎn)。半間歇操作主要應(yīng)用于要控制反應(yīng)速率來控制反應(yīng)的熱效應(yīng)，以提高

14、產(chǎn)物收率的生產(chǎn)中。連續(xù)操作主要應(yīng)用大型的工業(yè)生產(chǎn)中，如合成氨工業(yè)和石化工業(yè)等。由于本設(shè)計(jì)僅為200噸的小型精細(xì)化工產(chǎn)品設(shè)計(jì)，采用間歇操作比較有利。圖1.4是雜多酸鹽tisiw12o40/tio做催化劑間歇生產(chǎn)乙酸異丁酯生產(chǎn)工藝流程方框圖。乙 酸異丁醇酯 化過濾和蒸 餾中和水洗精 餾產(chǎn)品5%的na2co3圖 1.4 tisiw12o40/tio做催化劑間歇生產(chǎn)乙酸異丁酯生產(chǎn)工藝流程方框圖二 設(shè)計(jì)任務(wù)1 設(shè)計(jì)項(xiàng)目：年產(chǎn)200噸的乙酸異丁酯的生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)2 產(chǎn)品名稱：乙酸異丁酯3 原料規(guī)格：冰乙酸 98%（wt） 異丁醇 98%（wt）4 產(chǎn)品規(guī)格：執(zhí)行 q/jyb005-1999 表2.1 產(chǎn)品規(guī)

15、格及標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目品名指 標(biāo)分析方法酯含量 % 99.3gb/t12717酸 度 % 0.004gb/t12717水 份 % 0.10gb 6283密 度 g/cm30.878-0.883gb 4472蒸發(fā)殘?jiān)?% 0.002gb 6324.2色 澤（鉑 - 鈷）10gb 31435 生產(chǎn)方法：冰乙酸與異丁醇在固體雜多酸鹽（tisiw12o40/tio2）催化劑作用下以環(huán)己烷為帶水劑進(jìn)行酯化反應(yīng)，生成乙酸異丁酯。采用間歇操作，反應(yīng)方程式：(ch3）2ch2oh+ch3coohch3cooch2ch（ch3）26 反應(yīng)工藝參數(shù)：1）反應(yīng)溫度：962）反應(yīng)壓力：0.1mpa3）原料配比：醇：酸=1.2：

16、1.0（摩爾比）4）反應(yīng)轉(zhuǎn)化率：97%（限量物） 選擇性：97%5）反應(yīng)時(shí)間：1h6）催化劑：tisiw12o40/tio27）年生產(chǎn)時(shí)間：330天，每天三班8）年生產(chǎn)能力：折算為100%乙酸異丁酯200噸/年三 生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝流程3.1生產(chǎn)方式的選擇化工生產(chǎn)的操作可分為間歇，半間歇，連續(xù)，半連續(xù)四種。由于本設(shè)計(jì)僅為200噸的小型設(shè)計(jì)，采用間歇操作比較有利。乙酸異丁酯生產(chǎn)能力根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)定為年產(chǎn)100乙酸異丁酯200噸/年，取年工作日為330天,則 每天生產(chǎn)能力為606kg。這樣的規(guī)模采用間歇操作是比較合理的。3.2催化劑的選擇合成乙酸異丁酯的傳統(tǒng)催化劑是以硫酸為代表的無機(jī)酸催化劑，硫酸

17、催化酯化是現(xiàn)代生產(chǎn)乙酸異丁酯的最常用的方法，但硫酸的脫水、酯化、氧化作用而造成酯化反應(yīng)中一系列副反應(yīng)，從而給產(chǎn)物的精制帶來一定困難，產(chǎn)率在一定程度上受到影響，一般酯化收率不超過85%。此外，設(shè)備腐蝕、環(huán)境污染等問題也較嚴(yán)重。而雜多酸及其鹽在做酯化反應(yīng)催化劑時(shí)，具有活性高、不腐蝕設(shè)備、減少污染等顯著優(yōu)點(diǎn)。用雜多酸催化酯化，克服了濃硫酸法的很多缺點(diǎn)，無廢酸排放，工藝流程簡(jiǎn)單，可降低生產(chǎn)成本，酯化反應(yīng)溫度低，反應(yīng)時(shí)間短，催化劑用量少，可較好的回收使用，所得酯外觀為無色透明液體，質(zhì)量好，產(chǎn)率高，是合成乙酸異丁酯的優(yōu)良催化劑，有著很好的應(yīng)用前景。因此，在本設(shè)計(jì)中選擇固載雜多酸鹽tisiw12o40/ti

18、o2作多相催化劑。3.3生產(chǎn)工藝參數(shù)及工藝流程3.3.1生產(chǎn)工藝參數(shù)原料配比（質(zhì)量比）： 乙酸：異丁醇：環(huán)己烷：催化劑 =40.3:59.7:20.9:1生產(chǎn)過程酯化溫度： 起始溫度 20 終止溫度 96壓力：0.1 酯化時(shí)間：13.3.2生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖油層異丁醇貯槽乙 酸 貯 槽環(huán) 己 烷 貯 槽酯 化 器過 濾 減 壓 蒸 餾中和洗滌脫水器蒸 餾催 化 劑na2co3或h2ozhe 分 離 器工業(yè)原料（溶劑等）精品（醫(yī)藥香料原料）廢水處理1催 化 劑廢水處理2環(huán)己烷、異丁醇圖3.1 雜多酸鹽做催化劑間歇生產(chǎn)乙酸異丁酯的生產(chǎn)工藝流程圖3.3.3工藝流程的描述將乙酸、異丁醇、環(huán)己烷、催化劑按

19、比例（見工藝流程方框圖）加入酯化反應(yīng)器中，開始攪拌，用夾套蒸氣加熱，使溫度緩慢勻速上升，酯化1小時(shí)，并不斷蒸出水及恒沸物，經(jīng)冷凝器冷凝后進(jìn)入分離器，上層油層返回酯化反應(yīng)器，下層水層棄去。將所得反應(yīng)物轉(zhuǎn)入貯槽內(nèi)，將所得反應(yīng)物冷卻，將貯槽內(nèi)反應(yīng)液過濾后轉(zhuǎn)至中和洗滌器，用濃度為5的碳酸鈉液中和至ph值為7.0，攪拌半小時(shí)，靜置分層后分取，粗酯再用2030水洗滌，得到初品。水洗后經(jīng)脫水，進(jìn)行減壓蒸餾，精制得酯。整個(gè)流程為酯化、過濾、常壓蒸餾、中和、水洗、脫水、減壓蒸餾。四 物料衡算4.1初步物料衡算表4.1 原料及產(chǎn)品的基本物性數(shù)據(jù)名稱相對(duì)分子量密度/20（kg/m3）比熱容j/（g）熔點(diǎn)沸點(diǎn)乙酸60

20、.0510491.33520 1.4169016.7118.1異丁醇74.128031.74720 2.13790-108108.4乙酸異丁酯116.168712.23020 2.41590-98.9118.0環(huán)己烷84.167791.53.520 1.856906.581.4根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，乙酸異丁酯的年生產(chǎn)能力為200噸/年（折算100）。開工因子=生產(chǎn)裝置每年開工時(shí)間/年自然時(shí)間。為充分利用設(shè)備，開工因子應(yīng)取得較大，接近1，但是有不可能等于1，因?yàn)檫€要考慮到設(shè)備的檢修以及開停車等情況。開工因子一般取為0.90.95，全年365天，則年生產(chǎn)300330天。因此除去季保養(yǎng)、月保養(yǎng)、修理、放假等

21、總計(jì)35天，則年工作日為：365-35 =330天每天分為三班，每班的操作時(shí)間（min）大致分配如下：表4.2 時(shí)間表工序名 稱進(jìn)料預(yù)熱反應(yīng)過濾常壓蒸餾中和水洗脫水減壓蒸餾時(shí)間（min）20306030906090每年以330天計(jì)算。則每班產(chǎn)量（折算為100%的乙酸異丁酯）為202公斤，以此作為物料衡算的基準(zhǔn)。4.2進(jìn)出酯化器的物料衡算物料衡算的依據(jù)是質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒定律是“進(jìn)入一個(gè)系統(tǒng)的全部物料量必等于離開這個(gè)系統(tǒng)的全部物料量，再加上過程中損失量和在系統(tǒng)中積累量?！币罁?jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)研究系統(tǒng)作物料衡算，可用下式表示：g進(jìn)=g出+ g損+g積式中 g進(jìn)輸入物料量總和； g出離開物料量總

22、和； g損總的損失量； g積系統(tǒng)中積累量。分批操作（間歇操作）的設(shè)備，當(dāng)終點(diǎn)時(shí)，物料全部排除則系統(tǒng)內(nèi)物料積累量為零。在此情況下，上式可寫成：g進(jìn)= g出+ g損4.2.1進(jìn)料量 對(duì)間歇生產(chǎn)可確定計(jì)算基準(zhǔn)為公斤/班，需計(jì)算每次產(chǎn)量及原料投料量。以每次生成目的產(chǎn)物為基準(zhǔn)計(jì)算， 反應(yīng)式如下： （ch3）2ch2oh+ch3coohch3cooch2ch（ch3）2+ h2o表 4.3原料規(guī)格及來源原料及規(guī)格乙酸98%異丁醇98%環(huán)己烷98%催化劑來源工業(yè)原料工業(yè)原料工業(yè)原料自制或購(gòu)買成品每班生產(chǎn)乙酸異丁酯：原料配比（質(zhì)量比）： 乙酸：異丁醇：環(huán)己烷：催化劑 =40.3:59.7:20.9:1每班理論

23、投料（純）乙 酸 : 異丁醇 : 環(huán)己烷 : 催化劑 : 每班實(shí)際投料(考慮原料純度和轉(zhuǎn)化率)乙 酸 : 異丁醇 : 環(huán)己烷 : 54.16 催化劑 : 2.59 4.2.2酯化后各物料計(jì)算生產(chǎn)過程中異丁醇是過量的，以乙酸計(jì)的轉(zhuǎn)化率為97%，選擇性為97%。酯化物乙酸異丁酯質(zhì)量 m=202kg。則每班輸出物料： 乙酸異丁酯： 202kg 乙 酸（純）： 異丁醇（純）： 環(huán) 己 烷：54.161 水： 酯化反應(yīng)釜的物料橫算結(jié)果如表4.4。表4.4 進(jìn)出酯化器的物料衡算表（公斤/班）輸入物料輸出物料序號(hào)物料名稱組成%數(shù)量kg物料名稱備注數(shù)量kg1乙 酸98109.86乙 酸不含雜質(zhì)2異丁醇9816

24、2.70異丁醇不含雜質(zhì)30.443環(huán)己烷9854.16環(huán)己烷不含雜質(zhì)54.164催化劑2.59催化劑2.595水31.36乙酸異丁酯2027雜質(zhì)和副產(chǎn)物5.596合計(jì)330.41合 計(jì)330.414.3蒸餾塔的物料衡算乙酸的沸點(diǎn)為118.1，乙酸異丁酯沸點(diǎn)為118，異丁醇為108.4，環(huán)己烷的沸點(diǎn)為81.4，進(jìn)入間歇精餾塔的異丁醇和環(huán)己烷大部分將氣化進(jìn)入餾出液，返回反應(yīng)釜。釜液經(jīng)中和水洗后部分作為工業(yè)原料，部分經(jīng)過減壓蒸餾精制。設(shè)餾出液中乙酸異丁酯（含少量乙酸）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02，釜液中環(huán)己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01，異丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02，則對(duì)難揮發(fā)組分進(jìn)行物料衡算有 式中f進(jìn)料總質(zhì)量，f=

25、202+55.26+30.44+3.224=2d餾出液總質(zhì)量；w釜液總質(zhì)量；xf進(jìn)料中難揮發(fā)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；xd餾出液中難揮發(fā)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；xw釜液中難揮發(fā)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。即有解得 d=81.02kg w=209.90kg蒸餾塔的物料衡算結(jié)果如表4.5。表4.5 進(jìn)出蒸餾塔的物料衡算表（公斤/班）輸入物料輸出物料序號(hào)物料名稱組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))數(shù)量kg餾出液d釜液w數(shù)量kg組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))數(shù)量kg組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))1異丁酯202200.404 2乙 酸3.22403.1983異丁醇30.4426204.1984環(huán)己烷55.2653102.1511209.91合 計(jì)290.92290.924.4中和

26、器的物料衡算以一批物料為衡算基準(zhǔn)，進(jìn)入中和器的反應(yīng)物主要為乙酸3.198kg，乙酸異丁酯200.404kg。中和主要為除去產(chǎn)品中的少量乙酸：2ch3cooh+na2co3 2ch3coona+ h2o +co2理論上需要純碳酸鈉；中和時(shí)是使用5%的碳酸鈉溶液，為了中和完全，需要加入過量的溶液，但又不能過量太多，增加水洗困難，故取為實(shí)際用量的1.1倍。則需要5%的碳酸鈉水溶液。中和器的物料衡算結(jié)果如表4.6。 表4.6 進(jìn)出中和器的物料衡算表（公斤/班）輸入物料輸出物料序號(hào)物料名稱數(shù)量kg物料名稱數(shù)量kg1乙 酸3.198乙 酸00242異丁酯200.404異丁醇200.43雜 質(zhì)6.098環(huán)己

27、烷5.8645%的碳酸鈉水溶液62.19乙酸鈉水溶液65.606合 計(jì)271.89合 計(jì)271.89五 設(shè)備選型與設(shè)計(jì)5.1反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)與計(jì)算5.1.1反應(yīng)釜（酯化器）釜體整體結(jié)構(gòu)選擇化學(xué)反應(yīng)器是將反應(yīng)物通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的裝置，是化工及相關(guān)工業(yè)的核心設(shè)備。由于化學(xué)反應(yīng)繁多，性質(zhì)各異，化學(xué)反應(yīng)器的構(gòu)型及尺寸相差甚遠(yuǎn)，如窯爐、釜、塔、混合器、回轉(zhuǎn)爐反應(yīng)管等都能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，但各種工藝尺寸完全不同，經(jīng)過前人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可根據(jù)反應(yīng)相態(tài)和反應(yīng)器形式之間的關(guān)系選擇反應(yīng)器。反應(yīng)相態(tài)和反應(yīng)器形式之間的關(guān)系如表5.1。表5.1 反應(yīng)相態(tài)和反應(yīng)器形式氣相液相氣固氣液氣液固液液液固固固固定床移動(dòng)床流化床攪拌釜

28、鼓泡塔火焰反應(yīng)器板式塔轉(zhuǎn)窯注：為實(shí)用；為較少使用。從上表可以看出，液固反應(yīng)一般可以選擇固定床和攪拌釜，但固定床一般用在連續(xù)反應(yīng)中，而間歇反應(yīng)多選擇反應(yīng)釜。因此，本設(shè)計(jì)選用反應(yīng)釜做反應(yīng)器。攪拌反應(yīng)釜是一種應(yīng)用廣泛的反應(yīng)設(shè)備，普遍使用于液-液、液-固和氣-液相反應(yīng)，它的基本特點(diǎn)是借助于攪拌槳葉充分混合釜內(nèi)流體，盡量使釜內(nèi)各點(diǎn)濃度和溫度均勻，使用范圍廣，容積從1l至200m3或更大，壓力從真空到300mpa，溫度從零下幾十度至上百度。其基本結(jié)構(gòu)如圖6.1。 1上封頭；2釜體；3下封頭；4人孔；5軸 圖5-1 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)圖5.1.2反應(yīng)釜（酯化器）釜體設(shè)計(jì)1）釜體容積計(jì)算算加入酯化器物料的總體積，計(jì)算

29、份額最多的主要進(jìn)料，其他的物料體積可忽略不計(jì)；再計(jì)算反應(yīng)后體積變化，其中乙酸、異丁醇和環(huán)己烷為主要成分，通過計(jì)算它們的體積來決定容積大小。2)釜體長(zhǎng)徑比的確定從文獻(xiàn)2可得一般攪拌反應(yīng)釜長(zhǎng)徑比關(guān)系如下表。表5.2 幾種攪拌反應(yīng)釜釜體h/dt值種類釜體的物料類型h/dt一般攪拌反應(yīng)釜液-固或液-液相物料 11.3 氣-液相物料 12發(fā)酵罐類 1.72.5 此設(shè)計(jì)為液-固相反應(yīng)，考慮到釜體直徑的增大，攪拌器的功率增加很多；容積一定時(shí)，長(zhǎng)徑比愈大，則釜體盛料部分表面積愈大，夾套的傳熱面積愈大。同時(shí)，長(zhǎng)徑比愈大，有利于提高傳熱效果。因此，選擇長(zhǎng)徑比h/dt=1.2。3)釜體直徑和高度的計(jì)算 為便于計(jì)算，

30、先忽略封頭的容積，此時(shí) 反應(yīng)釜內(nèi)徑di的估算值圓整到公稱直徑dn系列，取di=800mm。dn=700mm，h2=25mm時(shí)，查表7-3得橢圓型封頭容積v=0.0796m3則 因?yàn)?h/d=1.16，滿足要求。4)釜體壁厚的確定由文獻(xiàn)2查得 式中 圓筒的計(jì)算厚度，它的含義是為安全承受壓強(qiáng)為p的介質(zhì)圓筒所需要的最小理論計(jì)算璧厚，mm； 圓筒的內(nèi)徑； 鋼板在設(shè)計(jì)壓力下的許用應(yīng)力，mpa； 焊縫系數(shù)其值小于或等于1。 由已知建設(shè)并分析工藝要求，選用1cr18ni9ti高合金鋼板，在200 下的許用壓力為=130mpa，反應(yīng)釜的工作壓力為0.1mpa，外壓為0.534 mpa，為安全起見，取設(shè)計(jì)壓力為

31、0.8mpa。查表6-4，采用單面焊的對(duì)接焊接，在焊接過程中沿焊縫根部全長(zhǎng)有緊貼基本金屬的墊板的焊接接頭型式，做全部無損探傷，取=0.9。表5.3 焊縫系數(shù)焊接接頭型式（結(jié)構(gòu)）焊縫系數(shù)全部無損探傷局部無損探傷不作無損探傷面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透對(duì)接焊接1.00.850.70單面焊的對(duì)接焊接，在焊接過程中沿焊縫根部全長(zhǎng)有緊貼基本金屬的墊板0.900.800.65單面焊的對(duì)接焊接，無墊板0.700.60故反應(yīng)釜的計(jì)算厚度 反應(yīng)釜的名義算厚度n=+c1+c2試中c1為鋼板負(fù)偏差，mm；c2為腐蝕裕量，mm。取 c2=1mm，查表6-6可得c1=0.5mm。 故n=4.24mm。圓整后取1cr18n

32、i9ti高合金鋼板厚度為n=5mm。故圓筒外徑為810mm。表5.4 鋼板厚度與負(fù)偏差的關(guān)系（根據(jù)gb709-65）鋼板厚度（mm）2.83.03.23.53.84.04.45.567負(fù)偏差（mm）0.220.250.30.50.65)釜體下封頭的設(shè)計(jì)考慮到乙酸的腐蝕性，下封頭也選擇1cr18ni9ti高合金鋼板，設(shè)計(jì)壓力為0.8mpa，在設(shè)計(jì)溫度200下的許用壓力，采用單面焊的對(duì)接焊接，在焊接過程中沿焊縫根部全長(zhǎng)有緊貼基本金屬的墊板的焊接接頭型式，做全部無損探傷，查表6.5，取=0.9。則下封頭壁厚可于下試計(jì)算。 即取c2=1mm，查表可得c1=0.5mm，故。圓整到公稱直徑dn系列，取=5

33、mm。6)釜體上封頭的設(shè)計(jì)考慮上封頭和溶液較少接觸、腐蝕性小和經(jīng)濟(jì)性，上封頭選擇q235-a普通碳鋼，在設(shè)計(jì)溫度200下的許用壓力，采用單面焊的對(duì)接焊接，在焊接過程中沿焊縫根部全長(zhǎng)有緊貼基本金屬的墊板的焊接接頭型式，做全部無損探傷，查表6.5，取=0.9。由于上封頭暴露在空氣中，內(nèi)外壓強(qiáng)基本想同，可取設(shè)計(jì)壓力p=0.5mpa，則上封頭壁厚可于下試計(jì)算。 即取c2=1mm，查表可得c1=0.3mm，故。圓整到公稱直徑dn系列，取=4mm。5.1.3夾套傳熱及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）夾套選擇及設(shè)計(jì)攪拌反應(yīng)釜最常用的傳熱方式為夾套傳熱和蛇管傳熱。在釜體外側(cè)以焊接或法蘭連接的方法裝設(shè)各種形狀的夾套，使其與釜體外

34、表面形成密閉的空間，在此空間內(nèi)通入載熱流體，以加熱或冷卻物料，維持物料的溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)稱為夾套。綜合考慮，本設(shè)計(jì)反應(yīng)釜采用整體夾套結(jié)構(gòu)類型，夾套封頭也采用橢圓形并與夾套筒體用相同直徑。2）確定夾套直徑查表5.5，夾套內(nèi)徑查得：d2= d1+100=800+100=900mm。表5.5 夾套直徑dj與筒體直徑di的關(guān)系di500600700180020003000djdi+50di+100di+2003）確定夾套高度夾套高度hi主要于傳熱面積f決定，一般不低于液面的高度，以保證充分的傳熱。可按下試計(jì)算： 即，取h=0.8m。已知裝料體積vp=0.3788m3，則裝料的高度h=,即計(jì)

35、算的夾套高度滿足要求。4）夾套材料的選擇和厚度計(jì)算夾套內(nèi)水蒸汽的腐蝕性小，又考慮經(jīng)濟(jì)性，可選擇價(jià)廉的碳素鋼（使用溫度為-19475）q235-a，在設(shè)計(jì)溫度200下，許用力為105mpa，查表6.5，采用單面焊的對(duì)接焊接，在焊接過程中沿焊縫根部全長(zhǎng)有緊貼基本金屬的墊板的焊接接頭型式，做全部無損探傷，取=0.9，夾套內(nèi)水蒸汽壓力為p=0.534mpa。故夾套壁厚 反應(yīng)釜的名義算厚度n=+c1+c2取 c2=1mm，查表可得c1=0.3mm。 故n=3.55mm。圓整后取q235-a碳素鋼厚度為n=4mm。故夾套外徑為908mm。5）夾套水壓實(shí)驗(yàn)校核在容器試壓合格后，將夾套焊接在圓筒上，進(jìn)行水壓實(shí)

36、驗(yàn)，試壓時(shí)由于實(shí)驗(yàn)壓力高出設(shè)計(jì)壓力或容器的最高允許使用壓力，所以試壓時(shí)器壁的使用壓力應(yīng)高于材料在設(shè)計(jì)壓力下的許用應(yīng)力，但規(guī)定不得超過實(shí)驗(yàn)溫度下材料屈服極限的90%，即必須滿足。 試中pt為試驗(yàn)水壓pt，可由下試計(jì)算得：pt= 溫度（20）下的材料許用應(yīng)力，mpa試驗(yàn)溫度（t）下的材料許用應(yīng)力，mpa兩者取較大值，故pt=0.668mpa。則q235-a碳鋼在實(shí)驗(yàn)溫度下的屈服極限s=235mpa，故0.9s=可知水壓實(shí)驗(yàn)校核表明設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求。 表5.6 筒體，封頭壁厚釜體夾套筒體壁厚5mm4mm上封頭壁厚4mm4mm下封頭壁厚5mm5.2冷卻水1) 溫度 供水溫度為常溫，回水溫度為進(jìn)水溫度+

37、10度。2) 壓力 回水壓力：對(duì)于循環(huán)冷卻水要求回水能直接流到冷卻塔塔頂，不另設(shè)接力泵，因此回水壓力設(shè)為0.3mpa。供水壓力：考慮到回水壓力加上熱交換阻力和管道系統(tǒng)阻力，因此取0.5mpa。3) 污垢系數(shù)：根據(jù)水質(zhì)處理費(fèi)用和熱交換費(fèi)用決定污垢系數(shù)為0.000385（m2.h.）/k.j。六 結(jié)論乙酸異丁酯是一種僅次于乙酸正丁酯的重要的乙酸丁酯類化合物；是重要的有機(jī)化工溶劑和精細(xì)化工原料；廣泛用于香料、制藥、涂料等行業(yè)。1. 本工藝采用固載雜多酸鹽tisiw12o40/tio2做催化劑，以環(huán)己烷為帶水劑，在tisiw12o40/tio2的催化作用下，乙酸與異丁醇發(fā)生酯化反應(yīng)生成乙酸異丁酯。這種

38、生產(chǎn)工藝具有反應(yīng)溫度低、反應(yīng)速度快、催化劑用量少、催化劑重復(fù)利用率高、反應(yīng)選擇性高、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，這種生產(chǎn)工藝在最佳生產(chǎn)條件下都要明顯好于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外其他間歇生產(chǎn)工藝。2.采用間歇式生產(chǎn)工藝，設(shè)備簡(jiǎn)單，改變生產(chǎn)品種容易，本工藝經(jīng)過酯化、過濾、蒸餾、中和、水洗、脫水、減壓蒸餾等處理過程制得成品乙酸異丁酯。財(cái)務(wù)估價(jià)顯示：項(xiàng)目建成達(dá)產(chǎn)后，總投資1000萬元，每年贏利273.53萬元，投資回收期為3.7年。由此可看出本工藝的投資收益高，經(jīng)濟(jì)效率好。3.本工藝因采用tisiw12o40/tio2做催化劑，與以往的硫酸催化劑相比，有很大的優(yōu)點(diǎn)，腐蝕性小，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)，產(chǎn)品中含酸量少，中和水洗

39、徹底，產(chǎn)品顏色淺，不要脫色處理，“三廢”排量少，克服了以往方法的“三廢”污染：a.廢氣只有鍋爐煙氣經(jīng)二級(jí)除塵，一級(jí)堿洗洗除so2,含塵濃度可降至50mg/nm3以下，達(dá)到鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（gb13271-2001）中的一類區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。b.廢水來自反應(yīng)裝置的母液和洗滌廢水、車間生活費(fèi)水、地面沖洗水?dāng)M先合并排至污水處理站，進(jìn)行中和處理，處理后的廢水ph在6.57.0間，可達(dá)標(biāo)排放。 c.廢渣也只是鍋爐排爐渣，可用于燒結(jié)磚或鋪路等，是較好的基建材料。本工藝產(chǎn)生的鍋爐排爐渣與鍋爐房原有爐渣，可一并出售給磚廠，變廢為寶。綜上所述，本設(shè)計(jì)是可行的，并且很有建設(shè)價(jià)值。七 感想在此課程設(shè)計(jì)過程中首先要感謝韓

40、路長(zhǎng)老師，在這次課程設(shè)計(jì)中給予我們的指導(dǎo)，由于是初次做化工生產(chǎn)工藝課程設(shè)計(jì)，所以，再設(shè)計(jì)整個(gè)過程中難免遇到這樣那樣的難題不知該如何處理，幸好有韓老師耐心教誨，給予我們及時(shí)必要的指導(dǎo)，在此向韓老師表最誠(chéng)摯的感謝！ 課程設(shè)計(jì)不同于書本理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，有些問題是實(shí)際實(shí)踐過程中的，無法用理論推導(dǎo)得到，因此不免過程中有很多困難，但通過與同學(xué)的交流和探討，查閱文獻(xiàn)資料，查閱互聯(lián)網(wǎng)以及在韓老師的指導(dǎo)幫助下，問題都得到很好的解決。這讓我深深意識(shí)到自己知識(shí)體系的漏洞，自己知識(shí)體系的不足，但同時(shí)也深刻體會(huì)到同學(xué)間的團(tuán)結(jié)互助的精神。 通過此次課程設(shè)計(jì)，使我查閱文獻(xiàn)的能力和對(duì)數(shù)據(jù)的選擇判斷能力得到了很好的鍛煉，同時(shí)我

41、也意識(shí)到自己應(yīng)該把所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中來。同時(shí)在設(shè)計(jì)中同學(xué)之間的相互幫助，相互交流，認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加深，對(duì)設(shè)計(jì)中遇到的問題進(jìn)行討論，使彼此的設(shè)計(jì)更加完善，對(duì)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)更加深刻。在此再次感謝我各位親愛的同學(xué)們。 同時(shí)還要感謝教師管理科的老師給我們提供教室，以及湘潭大學(xué)圖書館向我們提供工具書和參考書，在此特別予以感謝。 由于首次做設(shè)計(jì)，過程中難免疏忽與錯(cuò)誤，感謝有關(guān)老師同學(xué)能及時(shí)給予指出。參考文獻(xiàn)1 余新武，楊水金，鄭小寧，余慧群.tisiw12o40/tio2催化合成乙酸異丁酯j,現(xiàn)代化工，1999，19（7）：2729.2 董大勤編，化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（第四版）m，北京：化學(xué)工業(yè)出版社,200

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