化工类课程设计

题目：年产600吨醋酸丁酯工艺设计

摘要：醋酸丁酯是一种常见的挥发性有机物, 是化工、制药、制革、香料等行业广泛

采用的原料, 也可用作塑料、喷漆、硝化棉、人造皮革等的溶剂, 并作为萃取剂及分析试剂广泛应用于化学和制药工业。醋酸丁酯在以醋酸为原料合成醋酸乙烯、醋酸纤维素和醋酸酯等工业过程中均产生大量的不同浓度的醋酸水溶液, 从环保和经济效益廉方面都需要对醋酸进行回收。由于醋酸和水的相对挥发度不大, 醋酸/水体系的分离问题一直是受到人们重视的分离难题。

以工业醋酸、工业正丁醇为原料，硫酸为催化剂，以间歇法600吨/年生产符合国标质量要求的醋酸丁酯，主要是工艺设计。

说明书应包括的内容:产品及原料标准；工艺流程概述；工艺流程图。主要内容为酯化工序工艺设计，即酯化的物料衡算、酯化釜容积的确定、酯化塔塔径、塔高、填料型的设计以及冷凝（冷却）热负荷计算等。

绪言

本设计依其任务，采用间歇操作的酯化反应，以硫酸作催化剂，经中和、精馏来生产符合国标GB3729-83的醋酸丁酯。

采用的酯化釜容积为1500L ，质地为搪瓷，配料参数为:醋酸420L ，丁醇677.49L ，硫酸3㎏。

酯化塔采用搪瓷填料塔，填料为矩鞍形(规格25×33），塔径400㎜，塔高8.7m 。按照设计任务要求，对回收、中和、精馏、作了简要叙述。设计附图纸2张。

─、工业醋酸丁酯生产概述

醋酸丁酯分试剂和工业品两种（以下简称丁酯）而工业丁酯的生产在全国有以下单位：西安平逸工贸有限公司、陕西宏信化工有限责任公司、洋县生物化工有限责任公司、陕西宝鸡宝玉化工有限公司、陕西彩虹三产公司、陕西彩虹光电材料总公司。

连续法的特点：连续精馏过程处理量大、质量稳定、便于自动化控制，工业中以连续精馏为主，连续精馏一般为稳态操作。

间歇法的特点：①. 间歇精馏属于不定常操作过程，釜内料液量及组成随精馏过程的进行而不断降低，釜内操作参数（如温度）随着时间而变化。②. 间歇精馏塔只有精馏段而无提镏段③. 塔顶产品组成随着操作方式不同而异。

1. 工业正丁酯标准（最新国标） ①外观：透明液体，无悬浮杂质。

2. 醋酸丁酯的物理化学性质 ⑴物理性质： 名称

中文名称：乙酸丁酯 中文名称：醋酸丁酯，乙酸正丁酯，醋酸正丁酯，乙酸丁脂 英文别名：Butyl Acetate ，n-Butyl acetate，n-Butyl acetate (sequencing)，Acetic acid butyl ester CAS 号：123-86-4[1] 化学式

结构简式：CH 3COO(CH2) 3CH 3 分子式：C 6H 12O 2

具有愉快水果香味的无色易燃液体。25℃时溶于约120份水。易燃。蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限1.4%-8.0%（体积）。有刺激性。高浓度时有麻醉性 折射率 n20/D 1.394(lit.) 闪点 74 °F

储存条件 Flammables area color ≤10(APHA)

水溶解性 0.7 g/100 mL (20 ºC) 凝固点 -77.9℃ Merck 14,1535 BRN 1741921

熔点 −78 °C(lit.) 沸点 124-126 °C(lit.)

密度 0.88 g/mL at 25 °C(lit.) vapor density 4 (vs air)

vapor pressure 15 mm Hg ( 25 °C)

FEMA 2174 (2)化学性质

能与醇、醚等一般有机溶剂混溶。乙酸丁酯与低级同系物相比，乙酸丁酯难溶于水，也较难水解。但在酸或碱的作用下，水解生成乙酸和丁醇。 3. 醋酸丁酯的用途

1 涂料工业：广泛用于聚氯酯漆、丙烯酸树酯漆、硝基漆、过氧乙烯漆等稀释剂。 ○

2 生产日光灯：在日光灯生产中作萤光粉粘合剂的溶剂。 ○

3 针织布泡沫人造革（涂饰剂）：在涂饰剂中作溶剂。 ○

4 医药工业：在医药工业中可作生产红霉素的有机溶剂。 ○

5 还可用作樟脑、矿油、油脂、合成树脂、天然及合成橡胶、照相软片、香料等的○良好溶剂。

常用有机溶剂。检定铊、锡和钨。测定钼和铼。抗生素萃取剂。 4. 储存与包装

贮于低温通风处，远离火种、热源。库温不用防爆型照明，与氧化剂、酸碱类等分储分运。禁止使用易产生火花的工具。

醋酸丁酯干燥时对金属无明显的腐蚀性，可用软钢或铝制容器储存。

二、工艺流程概述

按间歇操作，HAC 与正丁醇在酯化釜内与浓SA 催化剂和112-127℃0.14-0.17MPa 的条件下进行反应，制得酯含量≥96%的粗正丁酯，然后经过中和使酸值降到0.010%以下，再经过精馏工序，使水分降到0.05%以下，并使外观色泽杂质等符合质量要求，从而得到成品醋酸丁酯，最后铁桶包装并验收。

醋酸丁酯工艺流程图总汇

图1 间歇法生产醋酸丁酯工艺流程图 1.配料：每批料比为乙酸：乙醇=1:1.1（摩尔比)

2. 酯化

酯化反应：CH 3COOH+CH3CH 2CH 2CH 2OH

浓硫酸

加热

CH 3COOCH 2CH 2CH 2+H2O

3. 当反应温度高于130℃时，还可能产生二次反应（甚至生成碳） 4. 因原料中的杂质引起其他副反应如： 2CH 3COOH →CH 3CH 2CH 2CH 2OCH 2CH 2CH 2CH 3+H2O CH 3CH 2CH 2CH 2OH →CH 3CH 2CH=CH2↑+H2O 酯化操作步骤： （1）升温：

（2）全回流：在精馏操作中，塔顶上升蒸汽经冷凝后全部回流至塔内，这种操作方法称为全回流。全回流时的回流比R 等于无穷大。 （3）分水:主要是除去水及沸点在90℃左右的共沸物。 （4）甩头：主要是出去醋酸及沸点低于120℃左右的共沸物。

酯化的工艺条件：酯化釜装料系数取0.85，生产过程中产品因溶解、甩头及其他损，耗其得率为90%，甩头每批甩出物料量为110升（密度为900㎏/m³）

图2酯化工序工艺流程图

3. 中和

中和操作是：酯化合成的粗酯中，含有一定的酸度，加碱中和除去。

图3中和操作流程方框图

①配碱：

②中和：相当量的酸和碱互相作用生成盐和水。所生成的物质失去酸和碱的性质。 ③分水:用分水器将反应生成的水层上面的有机层不断流回到反应瓶中，而将生成的水除去。

4精馏:一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用○

最广的液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。

图4精馏工艺工序流程图 ○5回收

:

图5回收工序工艺流程图

三、原材料质量要求及其性质

1. 冰醋酸（Acetic acid）

(1)物理性质： 乙酸（acetic acid ）分子中含有两个碳原子的饱和羧酸，是烃的重要含氧衍生物。分子式C 2H 4O 2，简式CH 3COOH ，结构式

冰醋酸 纯的无水乙酸（冰醋酸）是无色的吸湿性液体，凝固点为16.6 °C (62 °F) ，凝固后为无色晶体。尽管根据乙酸在水溶液中的离解能力它是一个弱酸，但是乙酸是具有腐蚀性的，其蒸汽对眼和鼻有刺激性作用。乙酸是一种简单的羧酸，是一个重要的化学试剂。乙酸也被用来制造电影胶片所需要的醋酸纤维素和木材用胶粘剂中的聚乙酸乙烯酯，以及很多合成纤维和织物。乙酸在常温下是一种有强烈刺激性酸味的无色液体。乙酸的熔点为16.6℃（289.6 K ）。沸点117.9℃（391.2 K ）。相对密度1.05，闪点39℃，爆炸极限4%～17%（体积）。纯的乙酸在低于熔点时会冻结成冰状晶体，所以无水乙酸又称为冰醋酸。乙酸易溶于水和乙醇，其水溶液呈弱酸性。乙酸盐也易溶于水。 (2)化学性质：

乙酸具有羧酸的典型性质，主要表现在以下两个方面：

① 酸性：乙酸具有明显的酸性，在水溶液里能电离出部分氢离子，它是一种弱酸。 乙酸的电离常数Ki 是1.8×10-5(25℃) ，其酸性比碳酸（25℃时第一级Ki 是4.3×10-7）强。乙酸具有酸的通性。例如，它能使蓝色石蕊试纸变红；能跟金属反应，也能跟碱、碳酸钠和碳酸氢钠等反应。 CH 3COOH+NaOH→CH3COONa +H2O

2CH 3COOH +Na2CO 3→2CH 3COONa+ CO2↑ +H2O CH 3COOH +NaHCO3→CH 3COONa +CO2↑+ H2O

② 酯化反应：乙酸跟乙醇在浓硫酸存在下加热，生成具有香味的乙酸乙酯。 用氧的同位素示踪，可以知道上述酯化反应过程中，乙酸分子中的羟基跟醇分子羟基上的氢原子结合成水，其余部分结合成酯。

酸跟醇作用生成酯和水的反应叫做酯化反应。酯化反应是可逆反应，不仅有机酸能发生酯化反应，而且无机酸如硝酸、硫酸等也能跟醇发生酯化反应。例如，浓硝酸跟丙三醇反应生成的酯叫做硝酸甘油酯，它是制炸药的原料。

各种衍生物，如乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯等，可作为涂料和油漆工业的极好溶剂。乙酸酐与纤维素作用生成的醋酸纤维素可用于制造胶片、喷漆等，还是染料、香料、药物等工业不可缺少的原料，并被广乙酸能中和碱金属氢氧化物，能与活泼金属生成盐，这些金属盐都有重要用途。乙酸也可生成泛用做溶剂。 也可用作溶剂及制取醋酸盐、醋酸酯（醋酸乙酯、醋酸乙烯酯）、维尼纶纤维的原料。 乙酸无水则几乎不导电，加水稀释时电离度增大，H 离子浓度也随之加大，但稀释至2mol/L以下则电离度仍徐徐增加，而H 浓度缓缓下降。与碳酸盐反应有二氧化碳生成，表明其酸性比碳酸强，具有弱酸的通性。与醇可发生酯化反应，并要有浓硫酸和加热为条件，可用于合成各种醋酸果香酯类香精；与乙炔于醋酸锌催化剂和170～250℃条件下反应生成醋酸乙烯酯，可聚合成聚醋酸乙烯，用作乳胶和制维尼纶纤维： CH ≡CH+CH3COOH →CH 3COOCH=CH2

在一定条件下脱水生成乙烯酮，再与醋酸反应生成醋酸酐： CH 3COOH →CH 2=C=O+H2O

其与纤维素发生酯化生成醋酸纤维素，用于制照相底片与电影胶片： 此外可合成医药如氯乙酸、乙酰水杨酸、乙酰苯胺等。

（3）工业冰醋酸质量应符合（最新国标） GB/T 1628.1-2000 要求

1外观:透明液体，无悬浮物和机械杂质。 ○

2工业冰乙酸的质量应符合表1的要求。

○

（4） 包装运输：

小开口铝桶；玻璃瓶或塑料桶（罐）外普通木箱或半花格木箱；磨砂口玻璃瓶或螺纹口玻璃瓶外普通木箱；螺纹口玻璃瓶、铁盖压口玻璃瓶、塑料瓶或金属桶（罐）外普通木箱；螺纹口玻璃瓶、塑料瓶或镀锡薄钢板桶（罐）外满底板花格箱、纤维板箱或胶合板箱。

2. 工业正丁醇（n=Butyl alcohol） （1） 物理性质：

中文名称：正丁醇 英文名称：butyl alcohol；1-butanol 别名：丁醇（也有叫四丁醇的） 分子式：C 4H 10O ；CH 3(CH2) 3OH 分子量：74.12 熔点：-88.9℃ CAS 编号：71-36-3 沸点：117.25 相对密： d(20,4)=0.8098； 蒸汽压：35℃(蒸汽压：0.82kPa/25℃) 溶解性：微溶于水，溶于 、醚多数有机溶剂、稳定： 稳定 外观与性状：无色透明液体，具有特殊气味 危险标记：（易燃液体） 用 途：用于制取酯类、塑料增塑剂、医药、喷漆，以及用作溶剂 无色液体，有酒味。 燃烧热(kJ/mol): 2673.2 临界温度(℃) ：287 临界压力(MPa)： 4.90 饱和蒸汽压：0.82(25℃) 折射率(n20D ) ：1.3993 闪点：35℃(闭口) ，40℃(开口) 自燃点：365℃ 粘度：2.95mPa.s(20℃) 张力：24.6mN/m(20℃) 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) 。爆炸极限：1.45-11.25(体积) 。公共场所空气中容许浓度150/m3。 与水可形成共沸物，共沸点92摄氏度（含水量37%）。 比重：at 201 20℃ 0.81-0.813 。 （2）化学性质：

与乙醇/乙醚及其他多种有机溶剂混溶，蒸气与空气形成爆炸性混合物。 （3）工业正丁醇质量应符合（最新国标）： GB/T 6027-1998

要求

1外观:透明液体，无可见杂质。 ○

2工业正丁醇应符合表1要求。

○

1. 理化常数 EINECS 号：231-639-5 性状：无色无味澄清油状液体。 成分/组成：浓硫酸98.0%(浓)

2. 溶解放热 浓硫酸溶解时放出大量的热，因此浓硫酸稀释时应该“酸入水，沿器壁，慢慢倒，不断搅。”若将水倒入浓硫酸中，温度将达到173℃，导致酸液飞溅，造成安全隐患。硫酸是一种无色黏稠油状液体，是一种高沸点难挥发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。

3. 共沸混合物 熔点：10℃ 沸点：290℃（100%酸），沸点：338℃（98.3%酸） ,但是100%的硫酸并不是最稳定的，沸腾时会分解一部分，变为98.3%的浓硫酸，成为338℃（硫酸水溶液的）共沸混合物。加热浓缩硫酸也只能最高达到98.3%的浓度。

4. 吸水性 它是良好的干燥剂。用以干燥酸性和中性气体，如CO ₂，H ₂，N ₂，NO ₂，HCl ，SO ₂等，不能干燥碱性气体，如NH 3，以及常温下具有还原性的气体，如H 2S 。吸水是物理变化过程 ,吸水性与脱水性有很大的不同：吸水原来就有游离态的水分子，水分子不能被束缚。将一瓶浓硫酸敞口放置在空气中，其质量将增加，密度将减小，浓度降低，体积变大，这是因为浓硫酸具有吸水性 [2]

(2)化学性质：

1．脱水性 脱水指浓硫酸脱去非游离态水分子或脱去有机物中氢氧元素的过程。

(1)脱水性简介 就硫酸而言，脱水性是浓硫酸的性质，而非稀硫酸的性质，浓硫酸有脱水性且脱水性很强。

(2)可被脱水的物质 物质被浓硫酸脱水的过程是化学变化的过程，反应时，浓硫酸按水分子中氢氧原子数的比(2:1)夺取被脱水物中的氢原子和氧原子或脱去非游离态的结晶水，如五水合硫酸铜(CuSO4·5H 2O) 。

(3)炭化 可被浓硫酸脱水的物质一般为含氢、氧元素的有机物，其中蔗糖、木屑、纸屑和棉花等物质中的有机物，被脱水后生成了黑色的炭。浓硫酸如C 12H 22O 11−浓硫酸−−→12C+11H2O

(4)黑面包反应 在200mL 烧杯中放入20g 蔗糖，加入几滴水，水加适量，搅拌均匀。然后再加入15mL 质量分数为98%的浓硫酸，迅速搅拌。观察实验现象。 可以看到蔗糖逐渐变黑，体积膨胀，形成疏松多孔的海绵状的炭，还会闻到刺激性气味气体。

（5）络合反应 将SO 3通入浓H 2SO 4中，则会有“发烟”现象。 H 2SO 4+SO3=H2S 2O 7(亦写为H 2O ·SO 3·SO 3) [2]

2．强氧化性

（1）跟金属反应 ①常温下浓硫酸能使铁、铝等金属钝化。②加热时，浓硫酸可以与除金、铂之外的所有金属反应，生成高价金属硫酸盐，本身一般被还原成二氧化硫Cu+2H2SO 4(浓)=加热=CuSO4+SO2↑+2H2O 2Fe+6H2SO 4(浓)=加热=Fe2(SO4)3+3SO2↑+6H2O在上述反应中，硫酸表现出了强氧化性和酸性。

（2）跟非金属反应 热的浓硫酸可将碳、硫、磷等非金属单质氧化到其高价态的氧化物或含氧酸，本身被还原为二氧化硫。在这类反应中，浓硫酸只表现出氧化性。 C+2H2SO 4(浓)=加热=CO2↑+2SO2↑+2H2O S+2H2SO 4 (浓)=加热=3SO2↑+2H2O 2P+5H2SO 4(浓)=加热=2H3PO 4+5SO2↑+2H2O （3）跟其他还原性物质反应 浓硫酸具有强氧化性，实验室制取硫化氢、溴化氢、碘化氢等还原性气体不能选用浓硫酸。H 2S+H2SO 4(稀)=S↓+SO2↑+2H2O 2HBr+H2SO 4(稀)=Br2↑+SO2↑+2H2O 2HI+H2SO 4(稀)=I2↓+SO2↑+2H2O

3．难挥发性 制氯化氢、硝酸等（原理：高沸点酸制低沸点酸）如，用固体氯化钠与浓硫酸反应制取氯化氢气体 NaCl(固)+H2SO 4 (浓)=NaHSO4+HCl↑(常温)

−−→Na 2SO 4+2HCl↑(加热) 再如，利用浓盐酸与浓硫酸2NaCl(固)+ H 2SO 4 (浓) −加热

可以制氯化氢气体。 酸性：制化肥，如氮肥、磷肥等 2NH 3+ H 2SO 4 =(NH4) 2SO 4 Ca 3(PO4) 2+2 H 2SO 4=2CaSO4+Ca(H2PO 4) 2 稳定性：浓硫酸与亚硫酸盐反应 Na 2SO 3+ H 2SO 4 =Na2SO 4+H2O+SO2↑[3]

4. 强酸性 纯硫酸是无色油状液体，10.4°C 时凝固。加热纯硫酸时，沸点290°C ，并分解放出部分三氧化硫直至酸的浓度降到98.3%为止，这时硫酸为恒沸溶液，沸点338°C 。无水硫酸体现酸性是给出质子的能力，纯硫酸仍然具有很强的酸性，98%硫酸与纯硫酸的酸性基本上没有差别，而溶解三氧化硫的发烟硫酸就是一种超酸体系了，酸性强于纯硫酸。但是广泛存在一种误区——稀硫酸的酸性强于浓硫酸，这

种想法是错误的。的确，稀硫酸第一步电离完全，产生大量的水合氢离子H 3O ；但是浓硫酸和水一样，自身自偶电离会产生一部分硫酸合氢离子H 3SO 4，正是这一部分硫酸合质子，就导致纯硫酸具有非常强的酸性，虽然少，但是酸性却要比水合质子强得多，所以纯硫酸的哈米特酸度函数高达-12.0。纯硫酸是无色、粘稠，导电性能极高的油状液体，并不易挥发，但是加热沸腾前会产生大量的白雾状硫酸酸雾。纯硫酸是一种非常极性的液体，其介电系数大约为100。因为它分子与分子之间能够互相质子化对方，造成它极高的导电性，这是由于它发生自偶电离生成的两种离子所致，这个过程被称为质子自迁移。这种反应机理是和纯磷酸以及纯氢氟酸所同出一辙的。但纯硫酸达成这种反应平衡所需要的时间则比以上两者快得多，差不多是即时性的。 2H 2SO 4==H3SO 4++HSO4- Kap(25°C)=[H3SO 4+][HSO4-]=2.7×10-4 在硫酸溶剂体系中，（H 3SO 4+）经常起酸的作用，能质子化很多物质产生离子型化合物：NaCl+ H2SO 4→NaHSO 4+HCl 【不加热都能很快反应】 KNO3+ H 2SO 4→（K +）+（HSO 4-）+HNO3 HNO 3+

++-+-H 2SO 4→（NO 2）+（H 3O ）+2（HSO 4） CH 3COOH+ H2SO 4→〔CH 3C （OH ）2〕+（HSO 4）

+-+

HSO 3F+H2SO 4→（H 3SO 4）+（SO 3F ）【氟磺酸酸性更强】上述与HNO 3的反应所产生的（NO 2），有助于芳香烃的硝化反应 [3]

(3)工业硫酸质量应符合（最新国标）

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（4）包装运输：

耐酸坛或陶瓷瓶外普通木箱或半花格木箱；磨砂口玻璃瓶或螺纹口玻璃瓶外普通木箱。

运输注意事项：本品铁路运输时限使用钢制企业自备罐车装运，装运前需报表进行配装。起运有关部门批准。铁路非罐装运输时应严格按照铁道部《危险货物运输规则》中的危险货物配装时包装要完整，装载应稳妥。运输过程中要确保容器不泄漏、不倒塌、不坠落、不损坏。严禁与易燃物或可燃物、还原剂、碱类、碱金属、食用化学品等混装混运。运输时运输车辆应配备泄漏应急处理设备。运输途中应防曝晒、雨淋, 防高温。公路运输时要按规定路线行驶，勿在居民区和人口稠密区停留 [8] 4. 工业碳酸钠 ⑴物理性质： 1.1 名称

中文名称：十水碳酸钠

英文名称：sodium carbonate CAS 号：497-19-8[1] 中文别名：纯碱、块碱、苏打(Soda) 、口碱（历史上，一般经张家口和古北口转运全国，因此又有“口碱”之说。）、碱面（食用碱）。 存在于自然界（如盐水湖）的碳酸钠称为天然碱。 无结晶水的碳酸钠的工业名称为轻质碱，有一个结晶水碳酸钠的工业名称为重质碱。 1.2 化学式 Na 2CO 3-10H 2O 1.3 相对分子质量

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1.4 性状

碳酸钠为白色粉末或颗粒。无气味。有碱性。是碱性的盐。有吸湿性。露置空气中逐渐吸收 1mol/L水分(约15%)。400℃时开始失去二氧化碳。遇酸分解并泡腾。溶于水(室温时3.5份，35℃时2.2份) 和甘油，不溶于乙醇。水溶液呈强碱性，pH=11.6。相对密度2.53。熔点851℃。半数致死量(30日)(小鼠，腹腔)116.6mg/kg。有刺激性。可由氢氧化钠和碳酸发生化学反应结合而成。 1.5溶解性

碳酸钠易溶于水，甘油，微溶于无水乙醇，不溶于丙醇。 碳酸钠是一种强碱盐，溶于水后发生水解反应(碳酸钠水解会产生碳酸氢钠和氢氧化钠) ，使溶液显碱性，有一定的腐蚀性，能与酸进行复分解反应（Na 2CO 3+H2SO 4==Na2SO 4+H2O+CO2) ，生成相应的盐并放出二氧化碳。 1.6稳定性

稳定性较强，但高温下也可分解，生成氧化钠和二氧化碳。长期暴露在空气中能吸收空气中的水分及二氧化碳，生成碳酸氢钠，并结成硬块。吸湿性很强 ，很容易结成硬块，在高温下也不分解。含有结晶水的碳酸钠有3种：Na 2CO 3·H 2O 、Na 2CO 3·7H 2O

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和 Na2CO 3·10H 2O 。 1.7 热力学函数

在(298.15K，100k) 的热力学函数： 状态：s 标准摩尔生成热ΔfHm θ(kJ·mol^-1)：-1130.7 标准摩尔生成吉布斯自由能ΔfGm θ(kJ·mol^-1)：-1044.4 标准熵Sm θ(J·mol^-1·K^-1)：135.0 1.8 所属类别

碳酸钠属于强碱弱酸盐（纯碱是盐，不是碱，是强碱弱酸盐。由于碳酸钠的水溶液电离出的碳酸根离子与水中氢离子结合成碳酸氢根离子，导致溶液中氢离子减少，剩下电离的氢氧根离子，所以溶液pH 显碱性） Na 2CO 3 ==== 2Na++CO32- CO 32- +H2O ==== HCO3- + OH- HCO3-+ H2O ==== H2CO 3+ OH - ⑵化学性质： 2.1 风化

在空气中易风化。 2.2 与酸反应

Na 2CO 3+ 2HCl(过量) ==== 2NaCl + H2O + CO2↑ Na 2CO 3+ HCl(少量) ==== NaCl + NaHCO3 2.3 与碱反应

Na 2CO 3+ Ca(OH)2==== 2NaOH + CaCO 3↓(碳酸钙白色沉淀，难溶于水，但可溶于酸) 【Na 2CO 3与NaOH 不反应。】 2.4 与盐反应

Na 2CO 3+ BaCl2==== 2NaCl + BaCO3↓(碳酸钡白色沉淀，难溶于水，但可溶于酸) 3Na 2CO 3+ Al 2(SO4) 4+ 3H 2O ==== 2Al(OH)3↓+ 3Na 2SO 4+ 3CO 2↑ (氢氧化铝白色沉淀，难溶于水，可溶于酸、碱) 2.5 与H 2O 、CO 2反应

Na 2CO 3+H2O + CO2=== 2NaHCO3(于碱性环境中沉淀析出） （3）工业碳酸钠质量应符合（最新国标） GB210.1-2004 要求

1 外观:轻质碳酸钠为白色结晶粉末，重质碳酸钠为白色细小颗粒。 ○

2 工业碳酸钠应符合表1要求：

○

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四、酯化法生产醋酸丁酯的理论依据

1. 酯化反应式：CH 3COOH+CH3CH 2CH 2CH 2OH

浓硫酸

加热

CH 3COOHC 4H 9+H2O

反应条件：加热、浓硫酸作催化剂，在酸性条件或碱性条件都可以，不过酯化反应是可逆反应，它的逆反应是水解反应，一般酯化是在酸性条件下进行，而酯的水解则在碱性条件下进行（因为水解生成酸，而碱能和酸反应，更有利于反应的进行）。 2. 特征：属于可逆反应，一般情况下反应进行不彻底，依照反应平衡原理，要提高酯的产量，需要用从产物分离出一种成分或使反应物其中一种成分过量的方法使反应正方向进行。酯化反应属于单行双向反应, 属于取代反应。

反应机理：在酯化反应中，存在着一系列可逆的平衡反应步骤。步骤②是酯化反应的控制步骤，而步骤④是酯水解的控制步骤。这一反应是SN2反应，经过加成－消除过程。

采用同位素标记醇的办法证实了酯化反应中所生成的水是来自于羧酸的羟基和醇的氢。但羧酸与叔醇的酯化则是醇发生了烷氧键断裂，中间有碳正离子生成。 在酯化反应中，醇作为亲核试剂对羧基的羰基进行亲核攻击，在质子酸存在时，羰基 碳更为缺电子而有利于醇与它发生亲核加成。如果没有酸的存在，酸与醇的酯化反应很难进行 [2]

3. 平衡常数

在一定温度下，可逆反应无论从正反应开始还是从逆反应开始，无论反应混合物的起始浓度是多少，

当反应达到平衡状态时，正反应速率等于逆反应速率，反应混合物中各组成成分的含量保持不变，即

各物质的浓度保持不变。生成物浓度的幂次方乘积与反应物浓度的幂次方乘积之比是常数，这个常数

叫化学平衡常数，用K 表示。

机理： 在酯化反应中，存在着一系列可逆的平衡反应步骤。步骤②是酯化反应的控制步骤，而步骤④是酯水解的控制步骤。这一反应是SN2反应，经过加成－消除过程。 4. 反应速度：

采用同位素标记醇的办法证实了酯化反应中所生成的水是来自于羧酸的羟基和醇的氢。但羧酸与叔醇的酯化则是醇发生了烷氧键断裂，中间有碳正离子生成。 在酯化反应中，醇作为亲核试剂对羧基的羰基进行亲核攻击，在质子酸存在时，羰基碳更为缺电子而有利于醇与它发生亲核加成。如果没有酸的存在，酸与醇的酯化反应很难进行 [2]

5. 浓硫酸催化剂存在时反应机理：

浓硫酸中真正体现它的化学性质的只有氢离子和+6价硫原子。前者提供酸性，

14

这是浓硫酸和稀硫酸共有的。后者体现浓硫酸的强氧化性，而稀硫酸中不体现，原因是稀硫酸中每个硫酸根离子周围都有大量水分子将其包围，使它难以发挥氧化性，而浓硫酸中水分子很少，绝大多数硫酸根都是裸露的，有利于直接作用于其他分子。 吸水的本质：所有物质都有尽量趋向混合的趋势，热力学上称之为“熵增”。就是说，凡是熵增加（也就是分子的混乱程度、无序程度增加）的情况，一般都是可以自发进行的，反之熵减的过程常常需要人为地干涉才能进行。举一例：你把食盐溶于水，这个过程非常迅速，不需要别的手段，但你想把食盐从溶液中分离出来，就需要加热、吹风等手段，这个例子可以说明物质的混合容易，而分离困难。因为越混合，就越符合物质在自然界分布的初始状态，也就越稳定。同样，纯硫酸也有这样的趋势去吸收水分，因为吸了水，浓度降低，有利于溶液的稳定存在。这并非是由于哪种具体的粒子具有什么特别的作用，磷酸、氢氧化钠固体也会吸水，只是一种天然的趋势而已。另外，高中应该已经说过放热反应了吧，无论是反应还是溶解这样的物理过程，只要是放热的，产物都会比初始状态更稳定，从而能自发进行，我想这个解释对你来说比较容易接受。

脱水的本质：硫酸把有机物中的氢、氧原子按照水的组成比（2：1）脱除，而有机物的分子就只剩下碳原子了，即炭化。实际也是源自硫酸的强氧化性。 五、酯化工序主要设备选型

根据年产醋酸丁酯600吨，年生产日为300天计，则一天要生产20吨。酯化釜选1500L 的搪瓷釜（四分厂如此）。由于反应中有HAC 、SA ，所以选搪瓷起防酸腐蚀作用。酯化工序HAC 的转化率为90%（以上有关数据来自四分厂生产数据，可作为设计时的已知数）。配料采用醇过量，采用醋酸：丁醇=1:1.1（mol 比），配料时加入回收料150升。酯化釜的装料系数为0.85. 设整个生产过程中产品因溶解、甩头及其他损耗导致其得率为90%。 酯化容积计算如下：

1. 一个酯化釜一批应产出的纯丁醇量

=

年设计生产量

年生产天数

⨯每天生产批数

⨯产品得率

=

600300⨯0. 3⨯0. 9

=0. 7407吨批

2. 酯化釜一批投料量

由设计方程知，生成的丁酯kmol 量与消耗掉得HACkmol 量相同，再考虑HAC 转化率约为90%，因此： ①投入HAC 量/批=

6. 3990%

kmol/批=

6. 39⨯6090%

=

426㎏/批=

4261050

=0.41m3/批，其中：

HAC 的密度ρ=1050㎏/m3

②投入丁醇量/批=（投入量HAC 量/批）×1.1=74=577.94㎏/批=

577. 94810

≈

6. 39⨯1. 190%

=7.81kmol/批=7.81×

0.71m 3/批，其中：丁酯的密度为ρ=810㎏/m3

3. 酯化釜容积

由于釜内一批装入反应物料的总体积（即有效容积）为（不计浓SA ，因为它的量太少可忽略）：HAC 加入量＋丁醇加入量＋回收料加入量，即

V 有效

=0.41+0.71+0.15=1.27m3

15

∴

酯化釜总体积（（容积）V =

V 有效装料总数

=

1. 270. 85

≈1. 494≈1. 5

m 3)

4. 酯化塔选择

酯化塔选择搪瓷填料塔（或不锈钢），填料选矩鞍形填料。因矩鞍形填料装在塔内时相互重叠可能性小，有较好的比表面积，阻力小，不宜堵塔。规格选2.5×3.3。塔径选400㎜，塔高取8.7m （均为生产厂数据）。塔顶冷凝器流动方式采用逆流换热。

六、酯化工序物料衡算

已知有关数据：酯化釜装料系数0.85；丁醇/醋酸=1/0.62（体积比）；醋酸总投料量为420L （一批）；回收料投料量150L （一批）；回收料比重为0.9；回收料组成为酯：醇：水=2:2：1（质量）；浓硫酸投料量3㎏（一批）。 流程分析说明

酯化反应后，要分水、甩头后留下粗酯。

⑴分水：主要除去水及沸点在90℃左的共沸物，即除去水（bp.100℃）、（酯+水）二元共沸物（bp.90℃）、（醇+水）二元共沸物（bp.92.4℃）、（酯+醇+水）三元共沸物（bp.98.4℃）。所以分水分出的物料种类为：水、酯、醇。

⑵甩头：主要除去醋酸及沸点低于120℃左右的共沸物。即除去醋酸（bp.118.1℃）、丁醇（bp.117.7℃）、（酯+醇）二元共沸物（bp.117.2℃）。所以甩头甩出料种类为：乙酸、酯、醇。

27kg 。

所以各物料投料量如下：（ 比重按2计，水的比重按1计，醋酸丁酯的比重按0.882

计算中用到：HAC 密度=1.049㎏/l，丁醇密度=0.81㎏/l，回收料密度=0.90㎏/l 根据反应方程式计算，考虑到醋酸转化率已知为90%

16

(1)水分：进塔水量=分出水量 ∴分出水量=酯化结束时所有水量= 957㎏ 而酯在水中溶解度为1% ∴水带走的酯量= 145.957×1%= 1.4597 ㎏ 醇在水中溶解度为9% ∴水带走的醇量=145.957×9%=13.136㎏ 故：分水分出的总量= 145.957 + 1.46 + 13.14 =160.553㎏

(2)甩头：甩头甩出总料量=110L，其比重为0.9，所以总量=110×0.9=99㎏ 其中：醋酸量=酯化结束时剩余醋酸量-粗酯中残余的醋酸量 而粗酯量=体系总料量-水分分出总料量-甩头甩出总料量 =1127.29-160.553-99=867.737㎏ ∴醋酸量=44.058-867.737×0.6%=38.852㎏

丁醇量丁醇量

=60. 147⨯0.53=31. 878 ⎫

⎬ (酯+醇) 二元共沸物，其组成为：酯：醇

=60. 147⨯0.47=28. 270⎭

=0.53:0.47

(3)留下粗酯:粗酯量前已算出=867.737㎏

其中：丁酯量= 820.607-1.460-31.878=787.269㎏ 醋酸量=867.737×0.6%=5.206㎏

丁醇量=粗酯总量-其中的（酯量+醋酸量+ H 2SO 4 量） =867.737-(787.269+5.206+3)=72.262㎏

验算出料中:

酯= 820.6652 kg ⎫

⎪

醇= 56.666 kg

⎪⎪

水= 145. 957k g ⎬

⎪

醋酸= 44. 058k

g

⎪⎪硫酸= 3kg ⎭醋酸： 440.58kg 丁醇： 548.71kg 丁酯： 54kg 水： 27kg 硫酸： 3kg

合计1127.29k g

⎫⎪

⎪

投入量⎪−−−−⎬⎪⎪⎪⎭

− −−−→1127.29k g

注：其中有回收料中的丁醇54㎏, 丁酯54㎏，水27㎏。

17

○1 145.957 kg ⎧ 水 ：

分水(160.553kg )⎪−−−−−−−−→⎨ 丁酯：1. 4596 kg

⎪

⎩ 丁醇：13. 136 kg

○2⎧醋酸： 38.852 kg

b 甩头（99）⎪

−−−−−−→⎨丁酯：31. 878 kg

⎪

⎩丁醇：28. 270 kg

合计1127.29kg

○3H 4SO 4 3kg ○4

⎧ 醋酸：5. 206kg

粗酯(861.737)⎪

−−−−−−−−→⎨ 丁酯：787. 269kg

⎪

⎩ 丁醇： 72.262kg

酯化物料收支平衡示意图 ∴物料是平衡的

七、能量衡算

在此只对酯化塔移水（分水）的冷凝器做热量衡算。由物料衡算知:酯化后的酯 则混合物之平均比热

C P =0.689×10.1%+0.489×3.9%+0.459×73%+1×13%=0.5537kmol/㎏℃ 已知数据：物料进冷凝器温度为105℃，出冷凝器温度为40℃（均为设定值）

18

则热负荷Q=GC P （T 1-T 2）=1124.67×0.5537×（105-40）=40477.44kcal/h 注：此处计算很粗略，仔细考虑，计算量是有漏洞的。比如物料在冷凝器中冷凝一定是有相变的，则其热负荷一定比上值要大得多，请参考时注意！ 八、酯化移水（分水）精馏塔的设计

间歇操作的酯化釜是反应器，而酯化塔实质是个精馏塔，其目的是除去产生的水（即移水或分水）。由于该产物体系为多元系物，所以设计中应采用一些合理的假设处理：

（1）将该多元物系近似为二元物系处理，即：水相（包括水，醇酯一起）和醋酸相。 （2）按理想二元物系进行模拟设计，采用极限假设：

设：水相量为7.35kmol/h(即认为醋酸量为7.35kmol/h)；顶部镏出液量为D=7.35kmol/h；底部残液量为W=7.35kmol/h。 则：塔进料量F=镏出液量D+残液量W=14.7kmol/h 对易挥成分：Fx F 又工艺要求：x F

=Dx

D

+Wx W

=0. 500，x W =0. 010，x D =0. 995

（均指水的分率）

（3）已确定出水，醋酸，在1atm 下，不同温度时的饱和蒸汽压（根据clausius-clapEgron 公式）列表如表8-1 (4)计算出不同温度下气液相组成（A-表示轻组分水） 依泡点方程x A =

P -P B

00

P A -P B

，露点方程 y A

=

P A P

x A

计算如下表示（表8-1）。其中P-溶液上方蒸汽总压KPa P=760mmHg表8-1

19

（5）由表8-1的两侧数据，作出x-y 相图（即 x A -y A 相图）

不同温度下气液相的x-y 相图及图解理论塔板数

（6）在读 x-y相图上，用经选法试做操作线（只有精馏段操作线），画出条合适的精馏操作线，作出理论塔板数。然后再在图上作一条平行于该操作线的平行线，分别与平衡线及对角线交点之横标数为（x -x D ）再分别作出（x - 表8-2

1x D -x

）图以备后用。

20

1x D -x

设：

由该表8-1作出x -图

（7）确定实际塔板数N P ：由x-y 相图 作的理论塔板数知：N T =21块 塔板效率η=0.65，∴

N P

=

21-10. 65

=30.7≈31块

（8）计算馏出液中易挥发组分的摩尔分率x D 由公式ln

F W

=

⎰

X

F

1X

D

X W

-X

dx

(见天大编《化工原理》下册P 40)

F W

从图知（x -

1x D -x

图

）：ln

=

曲线下横轴从0.01-0.285间图示的（因为经优

选试做所得到的精馏操作曲线和对角线交于横标读数0.995（工艺要求）而与平衡线交于横标读数0.285处） 阴影面积=ln

W =

F 2. 012

︒

F W =

=

0.699∴

14. 7

F W

=

2.012

2. 012

≈7. 306kmol

D =14. 7-7. 306=7. 394kmol

D ∙x D =Fx

F

-Wx W 要求x W =0. 01(工艺要求)

D

又∴

x D =

Fx

-Wx W

F -W

=

14. 7⨯0. 5-7. 306⨯0. 01

14. 7-7. 306

≈0. 984=98. 4︒

注：以上部分的设计及方法参考《化工原理》有关“间歇精馏”章节 （9）塔高计算Z : 由公式Z

=(N P -1) ⨯H T

(见《化工原理》天大编下册P 152式3-1)

21

D =

取板间距H T

=0. 300m ∴Z =30⨯0. 3=9m

（10）塔径计算D :

4V S

πμ

(见《化工原理》天大编下册P 153式3-2)

取空塔气速u=0.5m/s,操作条件下气体体积流量为V S m/s

V S =

22. 4⨯V 3600

⨯T +t m

T

⨯P P 0

, t m

=

113+92. 58

2

+273=373. 15K , T =273K

其中设定：塔底温度为113℃，塔顶温度为92.85℃ p 而V

=塔顶馏出的量

=D =7. 394kmol /h

=p 0=1atm

3

=0. 157

∴V S =

22. 4⨯7. 394

36004V S

=

⨯

273+100. 15

2734⨯0. 06293. 14⨯0. 5

⨯

11

=0. 0629m /s

x D

∴D =

πμ

=0. 4m

（11）回流比R 计算

从x-y 相图知，操作线与y 轴交点截距为0.157，即R

0. 995-0. 157

0. 157

+1

∴R ==5. 337

九、结束语

随着毕业日子的到来，毕业设计已到最后阶段。经过这几个月的奋战我们的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面、太短浅了。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我们才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这次毕业设计中，不但查询了许多书籍，而且很好的利用了网络来获取知识信息，同时也要感谢我在工厂里的师傅和同事们以及学校的刁香老师对我们细心的指导

22

和帮助，多谢他们的鼓励加支持，在大家的帮助下，我学到了很多书本上没有的知识，锻炼了自己的实践经验！使自己能够成功的完成我的毕业设计！虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我们终身受益。

十、参考资料

参考文献

1 匡国柱，史启才主编．化工单元过程及设备课程设计．北京：化学工业出版社，2002

2 国家医药管理局上海医药设计院．化工工艺设计手册．第二版，上下册，北京：化学工业出版社，1996

3 陈敏恒等．化工原理，上下册．北京：化学工业出版社，2005 4 娄爱娟、吴志泉等．化工设计．上海：华东理工大学出版社，2002 5 百度、谷歌等网络搜索

专业： 班级： 姓名： 一、设计题目：年产600吨醋酸丁酯工艺设计（间歇法） 二、有关数据：

1．年工作日为300天，每天生产3批。

2．每批料比为 乙酸︰丁醇=1︰1.1（摩尔比），回收料每批加入150升，回收料组成为酯︰醇︰水=2︰2︰1（质量比），浓硫酸每批加入3 kg ，酯化釜装料系数取

23

学号：

0.85，生产过程中产品因溶解、甩头及其他损耗其得率为90%。丁醇︰乙酸=1︰0.62（体积比），每批乙酸总投料量为420升。乙酸转化率为90%，甩头每批甩出物料量为110升（密度为900kg/m3）。

3．乙酸的密度取1050kg/m3, 丁醇的密度取810kg/m3, 回收料密度取900kg/m3。酯在水中的溶解度为1%（即每100kg 水中溶解1kg 酯），醇在水中的溶解度为9%（即每100kg 水中溶解9kg 醇）。

4．精馏塔设计时可将该多元体系近似为拟二元体系，水、醇、酯合并为轻组分（称“水相” ，A 组分），醋酸相重组分（称B 组分）。

精馏塔投料量为14.7kmol ，A 组分含量为50%（摩尔分率），馏出液A 组分含量为99.5%，釜液A 组分含量为1%。

塔板效率取65%，塔板间距取300mm ，空塔气速取0.5m/s，塔底温度为113℃，塔顶温度为92.85℃，操作压力为1atm 。

A 、B 组分的饱和蒸汽压与温度关系数据表

毕业设计说明书

题目：醋酸丁酯生产工艺设计

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专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师：

陕西国防工业职业技术学院

目 录

绪 言

第一部分：产品概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 第二部分：原料及产品规格„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„第三部分：生产工序及流程简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第四部分：生产工艺设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 一、酯化工序设计计算

25

二、精馏工序设计计算

第五部分：生产安全及环境保护„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第六部分：结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第七部分：参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第八部分：附件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

生产工艺流程图吸收塔图

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