乙酰柠檬酸三丁酯的生产设计说明书.doc

乙酰柠檬酸三丁酯的生产设计说明书1 引言1.1 乙酰柠檬酸三丁酯概述乙酰柠檬酸三丁酯，其英文名称是Acetyl Tri-n-Butyl Citrate，简称ATBC，分子式为C20H34O8，分子量402.48乙酰柠檬酸三丁酯在常温常压下是无色透明的液体，在常温下密度为1.046g/cm3熔点是-80℃[1]当压力为101324.72Pa时，沸点为343℃，当压力为133.3Pa时，沸点为173℃折射率1.4408，闪点204℃[2]不溶于水但与多数有机溶剂相溶，与多种纤维素、氯化橡胶等相溶此外，还能与乙酸丁酯纤维素、乙酸纤维素部分相溶[3]乙酰柠檬酸三丁酯具有很多优良的性质，其最大的优点是无毒，安全性较高因此，乙酰柠檬酸三丁酯作为首选增塑剂被应用于制造儿童玩具、食品的包装、医疗用品之中美国食品与医药管理局（FDA）认为在所有的增塑剂中，乙酰柠檬酸三丁酯是最安全的[4]1.2 设计依据 因为本设计是假定的设计，所以在实际的生活中不会使用那么设计书上标注的其他设计任务，例如计算的依据，经济效益，建设厂房时地理位置的选择，原料的供应其次还有燃料的种类，水、电、气的来源等都不会考虑。

2. 乙酰柠檬酸三丁酯生产流程叙述 首先进行的是酯化反应，向反应釜中投入一定摩尔比的正丁醇和柠檬酸，加入氨基磺酸作为催化剂由于受到反应物正丁醇的影响，反应温度只能控制在110℃～160℃，并且在该温度下反应2.5小时直到酯化合格为止[5]酯化反应后，将反应产物TBC转入脱醇塔中，进行减压蒸馏用脱醇冷凝器给脱醇塔内的正丁醇蒸汽降温后，一部分正丁醇回流到酯化反应釜中继续参与反应，其余的正丁醇溶液进入回收罐循环使用脱醇后的TBC与乙酸酐按1：1.8的摩尔比加入到酰化反应釜中然后再将低压蒸汽通入酰化釜夹套内，直到反应釜的温度上升至85℃，并将反应控制在该温度下进行将产生的气体通过乙酰化冷凝器降温后回流到反应釜继续进行反应，乙酸酐则被分离出来进入到回收罐酰化反应后的物料进入脱酸塔，经过精馏操作分离出的乙酸酐可循环使用[6]经过检测，脱酸后的物料因为仍含有某些酸性物质，所以物料还会呈现酸性，这就需要加入某些碱性物质把剩余的酸性物质中和掉本设计所用的碱性物质是质量分数为4%的NaCO3，并将中和后的物料送入静置釜内，以除去物料中含有的大量水分和生成少量的盐[7]为了得到纯度较高的产物，将反应过程生成的盐除去，把经过中和反应后的物料转入水洗塔，用物料1.2倍的水分三次洗涤。

将水洗后的物料送入静置釜，把其中的盐水和废水处理后，再次送入水洗釜水洗进行水洗，反复洗涤三次，最后将ATBC转入干燥塔以除去剩余的少量水分便可得到成品ATBC合成乙酰柠檬酸三丁酯的工艺流程如图1所示：图1 乙酰柠檬酸三丁酯的生产工艺流程图3 物料衡算和能量衡算3.1 工艺参数年产200吨乙酰柠檬酸三丁酯，年工作日为330天，以一天的生产量为基准，乙酰柠檬酸三丁酯的质量分数为98%3.1.1酯化过程 原料：柠檬酸质量分数92% 正丁醇质量分数98% 为了将柠檬酸的转化率提高，采用正丁醇过量的方法取原料配比[8]为： n（柠檬酸）：n（正丁醇）=1:4 氨基磺酸的加入量是柠檬酸质量的5% 反应时间：2.5小时 反应温度：110℃～160℃ 柠檬酸的转化率：96% 柠檬酸三丁酯收率：95﹪3.1.2 脱醇过程 正丁醇出料质量分数：≥98﹪ 塔釜正丁醇质量分数：≤1﹪ 压力：2666pa（绝对压力） 柠檬酸三丁酯收率：96﹪3.1.3 乙酰化过程 醋酸酐质量分数98﹪ 原料配比：n(柠檬酸三丁酯):n（醋酸酐）=1:1.8 反应温度：85℃ 反应时间：2小时 柠檬酸三丁酯的转化率：96% 乙酰柠檬酸三丁酯的收率：96%3.1.4 脱酸过程 轻组分出料质量分数≥98﹪ 塔釜残液质量分数≤1﹪ 塔内压力：2666pa（绝对压力） 乙酰柠檬酸三丁酯的收率：96%3.1.5 中和及分离过程 乙酰柠檬酸三丁酯的收率：95% 质量分数为4%NaCO3的加入量按残余酸计算，消耗碱的理论量的5倍。

3.1.6 水洗及分离过程 乙酰柠檬酸三丁酯的收率：98% 水的加入量为物料量的1.2倍，分三次洗涤，每次用时4.5小时3.1.7 干燥（脱水过程） 乙酰柠檬酸三丁酯的收率：96%3.2 物料衡算3.2.1 总物料衡算 根据物料衡算由各单元收率得 （1）产品ATBC的量 200㎏ 纯ATBC的质量为：606.06×98%=593.94㎏ （2）干燥过程 ㎏ （3）水洗及分离过程 ㎏ （4）中和及分离过程 ㎏ （5）脱酸过程 444㎏ (6)乙酰化过程 ㎏3.2.2 乙酰化过程物料衡算 乙酰化过程如图2所示图2 酰化过程简图乙酰化反应化学方程式如下：根据化学方程式，通过对ATBC的质量做物料衡算得：理论上消耗TBC的质量为：㎏消耗乙酸酐的质量为：㎏生成乙酸的质量为：kg实际上需加入纯的TBC的质量为kg加入乙酸酐的质量为1.79102=342.338kg3.2.3 由TBC质量计算脱醇过程及酯化过程所生成的柠檬酸三丁酯的质量 （1）脱醇过程 ㎏ （2）酯化过程生成柠檬酸三丁酯的质量 ㎏3.3 各操作单元物料衡算3.3.1 酯化过程 酯化过程如图3所示图3 酯化过程简图酯化反应的化学方程式如下： 根据化学方程式，由于柠檬酸三丁酯（TBC)的质量是已知的，所以通过物料衡算可以得出：在理论上柠檬酸的消耗量为kg，正丁醇的消耗量为 3kg,生成水的量为×3×18=109.2525kg。

质量分数为92%的柠檬酸实际需要加入的量为kg由3.1.1可知，酯化反应加入柠檬酸和正定醇的定量比是 n(柠檬酸)：n（正丁醇）=1:4 实际需加入质量分数为98%的正丁醇的量为kg，酯化反应结束后，柠檬酸剩余的量为kg， 正丁醇的量为kg, 水的量439.821×0.08+691.895×0.02+109.2525=158.276kg， 氨基磺酸的量为21.99kg，杂质的量为kg酯化反应釜的物料平衡见表1 表1 酯化反应釜物料平衡表酯化反应前酯化反应后物料名称物料质量（kg）物料名称物料质量（kg）92%柠檬酸439.821柠檬酸16.18598%正丁醇691.895正丁醇228.91氨基磺酸21.99氨基磺酸21.99TBC699.22水158.276杂质29.13合计1153.71合计1153.713.3.2 脱醇过程脱醇过程如图4所示 图4 脱醇过程简图 酯化反应结束后，对反应产物TBC进行脱醇假设柠檬酸、氨基磺酸都不会随着正丁醇从塔顶蒸出设塔釜杂质为塔釜物料质量的0.5%，水和正丁醇都可以从塔顶全部蒸出。

将塔顶蒸出来的水和正丁醇分为两部分，一部分为含正丁醇7.7%(质量%)的水，另一部分为含水2%（质量%）的正丁醇由物料衡算得，设蒸出的水含醇的量x，蒸出的醇中含水y即 解得 则塔顶回收质量分数为98%的正丁醇的质量为220.485㎏实际每天需要消耗正丁醇kg塔顶质量分数为7.7%正丁醇恒沸物的质量166.701脱醇塔物料平衡见表2表2 脱醇塔物料平衡表进塔物料 出塔物料塔釜物料 塔顶物料物料名称物料质量（kg）物料名称物料质量（kg）物料名称物料质量（kg）柠檬酸16.185柠檬酸16.18598%正丁醇220.485正丁醇228.91氨基磺酸21.997.7%正丁醇恒沸物166.703氨基磺酸21.99TBC671.25TBC27.97水158.276杂质29.13TBC699.22杂质29.13合计1153.71合计738.555合计415.1563.3.3 乙酰化过程 乙酰化过程所用的催化剂是大孔强酸性阳离子交换树脂，加入量是TBC质量的5%，由表2可知，柠檬酸三丁酯的质量为671.25㎏，则乙酰化过程需要加入的催化剂的量是：㎏ 由3.1.1可知，n（柠檬酸）：n（醋酸酐）=1:1.8 ㎏质量分数为97%的乙酸酐的加入量为㎏由3.3.2知：TBC的转化率为96%，则反应实际消耗TBC的量为671.250.96=644.4㎏理论上消耗乙酸酐的质量为×102=182.58㎏生成乙酸的质量为60=107.4㎏乙酰化的反应后剩余乙酸酐3530.97-182.58=159.83㎏物料中残余的TBC为671.25×4%=57.913㎏杂质的质量为×402×0.04=28.783㎏出酰化釜时，催化剂和柠檬酸的量不变ATBC的质量为×402×0.04=28.783㎏杂质的质量为29.13+×4%=57.913㎏物料在乙酰化反应过程的物料平衡见表3表3 乙酰化反应过程物料平衡表进釜物料出釜物料物料名称物料质量（kg）物料名称物料质量（kg）柠檬酸16.185柠檬酸16.185催化剂33.563催化剂55.553醋酸酐342.41醋酸酐159.83氨基磺酸21.99ATBC690.797TBC671.25TBC26.85杂质29.13杂质57.913乙酸107.4合计1114.528合计1114.5283.3.4 脱酸过程乙酰化产物ATBC要通过脱酸塔进行脱酸，其中的杂质、乙酸均可全部从塔顶分离出来，其余的物质则会留在塔釜。

由3.1.4可知，设塔釜中乙酸酐的质量分数为1%，塔釜中乙酸酐的质量为x,则 解得 ㎏则塔釜在出料时带出的乙酸酐质量为7.974㎏，随塔顶蒸汽带出的乙酸酐质量为151.856㎏将塔顶物料分为两部分，一部分是含乙酸3%的乙酸酐，另一部分是乙酸，其中回收97%的乙酸酐质量为156.553㎏，实际上每天需要消耗97%的乙酸酐的质量为196.447，回收乙酸102.7㎏脱酸过程物料平衡见表4表4 脱酸塔物料平衡表进塔物料出塔物料塔釜物料塔顶物料物料名称。