_年产1200吨乙酸叔丁酯生产工艺设计

＾聲
独创性声明
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摘要
乙酸叔丁酯是一种重要的有机化工原料，广泛用于涂料、清洁剂、电子、溶剂以及医药中间体等领域。

本设计是根据江西某化工有限公司新建的年产1200吨乙酸叔丁酯生产项目进行的工艺设计。

本设计采用酸烯酯化法直接合成乙酸叔丁酯，工艺采用间歇式反应工艺，通过二次蒸馏实现产物分离，得到高质量产品。

该方法操作条件温和，收率相对较高，工艺比较成熟，是较为理想的生产工艺。

本设计内容主要包括：产品简介，项目背景，设计依据，生产工艺方案，工艺流程设计，物料衡算与能量衡算，主要设备的选型和计算，车间布置设计，环境保护，安全设计及三废处理等内容。

本设计还包括与本项目相关的工艺流程图和车间设备平面布置图等设计图纸。

关键词：乙酸叔丁酯；工艺；设计
I
Abstract
Tert-butyl acetate is a kind of important organic chemical raw material, which is widely used in paint, detergent, electronics, solvents, pharmaceutical intermediates, and etc.
This design is based on a 1200t/a Tert-butyl acetate newly production project of Jinxi xx Chemical Co. Ltd. We employ the olefinic acid esterification method of direct synthesis to tertiary butyl acetate, use intermittent reaction process, and finally, adopt secondary distillation to separate product for high quality products.This method has mild operating conditions, relatively higher yield, more mature technology, which is an ideal production process.
Content in the design mainly includes: product introduction, project background, design foundation, process program, process design, material balance and energy balance, the main equipments selection and calculation of workshop layout design, environmental protection, security design and content of "three wastes" treatment etc. flow diagram, equipment layout design drawings, and etc related to this design are included.
Key words:Tert-butyl acetate technology design
II
目录
摘I
II 目III 1 前 1
1.1 产品简介 (1)
1.1.1 产品名称、化学结构及理化性质 (1)
1.1.2 产品用途 (1)
1.2 项目背景 (2)
1.3 本项目的设计内容 (2)
1.4 设计依据 (3)
2 生产方法与工艺流程 (4)
2.1 生产工艺方案 (4)
2.1.1 乙酸叔丁酯的合成方法 (4)
2.1.2 工艺方案的选择 (6)
2.2 工艺流程设计 (6)
2.2.1 反应流程 (6)
2.2.2 反应原理 (6)
2.2.3 工艺流程简图 (7)
3 物料衡算与能量衡算 (8)
3.1 物料衡算 (8)
3.1.1 衡算依据 (8)
3.1.2 物料衡算过程 (8)
3.1.3 衡算结果 (13)
3.2 能量衡算[17～18] (13)
3.2.1 衡算依据 (13)
3.2.2 衡算过程 (14)
4 主要设备的选型和设计计算 (34)
4.1 设备的选型与设计原则[18] (34)
4.2 容器类选型的依据[19~20] (34)
4.3 主要设备的选型与计算[21～22] (35)
4.3.1 酯化反应设备 (35)
4.3.2 粗蒸过程 (36)
4.3.3 精馏过程 (39)
III
4.3.4 精馏塔 (41)
4.3.5 主要设备一览表 (65)
5 车间布置[20] (66)
5.1 车间布置设计依据 (66)
5.2 车间布置设计原则 (66)
5.3 车间布置设计内容 (68)
5.3.1 车间整体布置方案 (68)
5.3.2 车间设备布置方案 (68)
6 公用工程 (69)
6.1 供电工程 (69)
6.1.1 供电电源选择 (69)
6.1.2 负荷等级 (69)
6.1.3 用电负荷计算 (69)
6.1.4 生产车间供电 (70)
6.2 防雷、防静电接地 (70)
6.3 给排水系统 (70)
6.3.1 给水水源 (70)
6.3.2 给水系统方案 (71)
6.3.3 排水工程 (71)
7 环境保护 (72)
7.1 设计采用标准 (72)
7.2 三废处理 (72)
8 安全设计 (74)
8.1 概述 (74)
8.2 主要危害因素 (74)
8.3 主要安全控制措施 (74)
8.3.1 工艺方面 (74)
8.3.2 建筑方面 (76)
8.3.3 设备方面 (76)
8.3.4 电气方面 (76)
8.3.5 通风方面 (76)
8.3.6 噪声方面 (77)
8.3.7 个体防护方面 (77)
9 劳动组织与人力资源配置 (78)
9.1 工厂组织 (78)
9.2 工作制度 (78)
IV
9.3 人员技术素质要求 (78)
结论 (79)
参考文献 (80)
致谢 (82)
在读期间公开发表论文（著）及科研情况 (83)
附录 (84)
V
年产 1200 吨乙酸叔丁酯生产工艺研究及设计
1 前言
1.1 产品简介
1.1.1 产品名称、化学结构及理化性质
1）产品名称
中文名称：乙酸叔丁酯
中文别名：醋酸叔丁酯；乙酸叔丁酯；乙酸-1,1-二甲基乙基酯；乙酸第三丁酯；乙酸特丁酯；羟基二乳酸合钛；乙酸第三丁基酯；叔丁基醋酸酯
英文名称：tert-butyl acetate
2）化学结构式、分子式及分子量
化学结构式：
分子式：C6H12O2
分子量：116.16
3）物性数据
性状：无色液体，有水果香味。

熔点（℃）：-77.9。

沸点（℃）：96。

相对密度（水＝1）：0.86（25℃）。

相对蒸气密度（空气＝1）：4。

闪点（℃）：16.6~22.2
溶解性：不溶于水，溶于乙醇、乙醚、乙酸等多数有机溶剂。

1.1.2 产品用途
乙酸叔丁酯[1]应用广泛，可用于涂料、清洁剂、电子、溶剂以及医药中间体等领
1
工程硕士专业学位论文
域。

1）涂料，油墨，胶黏剂：乙酸叔丁酯可用于装饰和工业涂料配方中，可包装油墨和压敏黏合剂。

它是一种挥发性有机化合物，羟基磷灰石兼容涂料，油墨和粘合剂。

2）清洁剂：主要用于溶剂型清洗，包括金属脱脂和专业设备清洗，乙酸叔丁酯提高了甲苯，矿物油，烘烤油和锂润滑脂的效率。

3）电子领域：乙酸叔丁酯可能会取代其他溶剂，用于半导体加工中光阻的配方。

4）溶剂：乙酸叔丁酯与丁酮、甲基异丁酮、醋酸乙酯有类似的蒸发率和溶解度。

乙酸叔丁酯溶剂由于其优越的抗胺性，可以在聚酰胺环氧树脂涂料中作甲苯的替代物。

5）制药行业：乙酸叔丁酯可用于医药中间体用于多肽合成、伐瑞拉迪、安普那韦、他汀类中间体、醇镁化合物等合成[2~3]。

1.2 项目背景
乙酸叔丁酯是一种重要的有机化工原料，广泛用于涂料、清洁剂、电子、溶剂以及医药中间体等领域。

近年来，由于政策支持力度的加大，以及乙酸叔丁酯市场的复苏，中国乙酸叔丁酯投资环境大大改善，大量资本进入中国乙酸叔丁酯领域，海内外、多主体的联合投资成为乙酸叔丁酯投资的主流形式。

国内对其需求量也越来越高，目前，我国乙酸叔丁酯规模比较大的生产厂家是上海东盐、顺德顺冠、广州溶剂厂、江门谦信、江阴百川、山东金沂蒙、唐山冀东溶剂厂等，在近几年，我国乙酸叔丁酯市场消费水平增长较快，2004－2010年，我国乙酸叔丁酯年均消费增长率约8%，需求
量达105万吨；预计2010－2020年，我国乙酸叔丁酯的年均消费增长率约5%，需求量达170万吨左右[4~5]。

因此乙酸叔丁酯产品有很大的发展潜力。

年产1200吨乙酸叔丁酯生产项目是江西某化工有限公司在企业原有的基础上新建的项目。

该建设项目符合国家产业政策，循环经济，清洁生产等要求，不仅可以为
企业带来经济效益，同时还可以促进企业的快速发展。

1.3 本项目的设计内容
通过对乙酸叔丁酯的生产工艺的分析，采用乙酸和异丁烯直接酯化法合成乙酸叔丁酯，主要包括以下内容：
1）分析、确定乙酸叔丁酯生产工艺路线；
2
年产 1200 吨乙酸叔丁酯生产工艺设计
2）1200t/a 乙酸叔丁酯生产项目的工艺流程设计；
3）1200t/a 乙酸叔丁酯生产项目的主要设备设计；
4）1200t/a 乙酸叔丁酯生产项目的车间设备布置设计；
5）对环境保护、安全、劳动组织等内容进行分析设计。

本设计的设计内容还包括带控制点的工艺流程图、车间设备平面布置图及精馏塔设计图等。

1.4 设计依据
1）江西某化工有限公司提供的相关技术资料；
2）《化工工艺设计手册》（第二版）；
3）《化工工艺设计手册》（第四版）；
4）《化工设备设计手册》；
5）《建筑设计防火规范》GB20016－2014；
6）其他相关的法律、法规、规范。

3
2 生产方法与工艺流程
2.1 生产工艺方案
目前，生产乙酸叔丁酯的方法主要有酸醇直接酯化法、乙酰氯法、酰化法、酸烯法。

酯化工艺主要有间歇式釜式合成工艺、连续式生产工艺、列管式固定床反应工艺、反应精馏工艺、膜反应技术等。

2.1.1 乙酸叔丁酯的合成方法
1）酸醇直接酯化法
反应方程式：
催化剂
(CH3)3COH＋CH3COOH(CH3)3COOCCH3＋H2O 酸醇直接酯化反应是一种传统的酯化反应，是以乙酸和叔丁醇为原料，硫酸为催化剂合成乙酸叔丁酯，该反应过程比较简单，因此国内部分中小型企业采用此反应进行乙酸叔丁酯的生产[6]。

但是该反应也存在明显不足：
反应中用硫酸作为催化剂，硫酸对设备有一定的腐蚀性，反应过程中会产生大量的废液。

2）乙酐法
主反应：
(CH3CO)2O＋(CH3)3COH CH3COOC(CH3)3＋CH3COOH 副反应：
(CH3)3COH(CH3)2＝CH2＋H2O
(CH3CO)2O＋H2O CH3COOH
乙酐法就是用乙酸酐与叔丁醇在催化剂作用下发生酯化反应。

常用的催化剂为氯化锂、氯化锌、高氯酸锂、吡啶、DMAP（4－二甲氨基吡啶）、硝酸铈銨、碳酸氢钠、无水碳酸钾、无水碳酸钠、无水乙酸钠等。

[6]
由于叔丁醇本身具有很大的空间位阻作用，且在氯化锌的催化作用下，使得生成产物伴随着很多的副产物，导致生产成本增加，产物收率较低，因此在工业生产中受到限制。

[7]
盛永莉等[8]通过使用不同的催化剂（氯化锌、吡啶、三乙胺、和DMAP）催化乙
4
酸酐和叔丁醇合成乙酸叔丁酯，结果表明DMAP的催化效果最好，产物收率≥87%。

3）乙酰氯法
化学反应式：
CH3COCl＋(CH3)3COH催化剂CH3COOC(CH3)3＋HCl 但乙酰氯价格较高且毒性较大、遇水引起剧烈分解，而且腐蚀性强，其挥发性也很强，使用过程中有大量氯化氢气体产生，此方法使得该路线生产成本较高，不适用于工业化生产。

[9]
4）酸烯酯化法
反应方程式：
CH3COOH＋(CH3)2C＝CH2催化剂CH3COOC(CH3)3 主要副反应：
(CH3)2C＝CH21/2(CH3)3CCH2C(CH3)＝CH2 反应机理[10]：
酸烯酯化法是乙酸和异丁烯在催化剂条件下合成乙酸叔丁酯的反应，美国专利US005866714A[11]、US005994578A[12]报道了通过异丁烯与与醇（酸催化）反应来生成乙酸叔丁酯，通过对比前三种合成方案，该方法操作条件温和，收率相对较高，工艺成熟[13~14]：
（1）工艺流程短、生产和操作成本较低，经济性良好；
（2）催化剂采用固体酸催化剂，该催化剂相比硫酸等液体催化剂来讲腐蚀性小，所以后期处理相对来说简单方便；
（3）酸烯酯化法在工业生产上属于典型的绿色化工工艺，对环境无污染且生产效率高。

此方法也有一定的弊端，由于反应过程中催化剂可能会失活和副产物异丁烯二聚物的积累，会形成泥状沉积物，并且由于副产物异丁烯二聚物的生成，从而导致产品乙酸叔丁酯TBA的分离难度加大。

2.1.2 工艺方案的选择
通过对上述合成方法和工艺的分析，本设计方案采用酸烯法，生产工艺采用间歇
式反应工艺。

在工艺设计过程中，考虑异丁烯的利用率，同时又考虑到乙酸回收的成本，酸烯比需控制在合适的比例，因此本设计乙酸和异丁烯的投料比为2:1。

催化剂采用阳离子交换树脂[15]，反应温度为50~60℃，反应在常压下进行。

通过二次蒸馏分
离，得到高纯度的产品。

2.2 工艺流程设计
2.2.1 反应流程
（1）酯化反应
原料乙酸（通过高位槽加入）和催化剂投入主合成反应釜中，开启搅拌升温，控
制温度为40℃。

停止加热，缓慢通入异丁烯气体，在10～12小时时间内充入异丁烯气体，尾气（未反应完全的异丁烯）通过副反应釜（反应釜内加入乙酸、催化剂）进
行反应，反应釜内温度控制在50～60℃。

反应后的尾气采用活性炭吸附塔进行吸附处理。

二个反应釜轮流作为主、副反应釜循环，便于提高生产效率和异丁烯利用率。

（2）过滤工序
该工序的目的主要是过滤掉固体催化剂，将生产反应后的物料经过滤器过滤。

（3）粗蒸过程
将过滤后的物料通过泵送到蒸馏釜中进行粗蒸，蒸馏温度为118℃左右，常压蒸馏。

蒸馏出的粗产品乙酸叔丁酯（TBA）采用接收罐接收，塔釜剩余的乙酸经过冷却
后回收再利用。

（4）精馏过程
将粗蒸后得到的TBA粗产品送至精馏塔进行连续精馏操作，采用泡点进料，精
馏进料温度为98℃。

塔顶产品经过冷却器冷却到30℃进入产品暂存罐，然后装桶。

2.2.2 反应原理
CH3COOOH＋(CH3)2＝CH2 CH3COOC(CH3)3
2.2.3 工艺流程简图
3 物料衡算与能量衡算
3.1 物料衡算
3.1.1 衡算依据
本设计涉及的原料及副产品性质如下：
表3－1物料性质一览表
序号化学名称物料状态CAS 号分子式密度（g/cm3) 沸点（℃）
1 异丁烯气态115-11-7 C4H8 0.627 -6.89
2 乙酸液态64-19-7 C2H4O2 1.05 117.9
3 二异丁烯液态107-39-1 C8H16 0.723 101.44
4 乙酸叔丁酯液态540-88-
5 C6H12O2 0.8
6 96
产品名称：乙酸叔丁酯（TBA）；
产品规格：含量99%；
年工作日：300天；
生产能力：年产1200t。

每天生产4000kg，分两批次生产，每批次2000kg，其中纯TBA1980kg。

2）各生产工序收率如下：
反应工序：酯化反应过程中，原料异丁烯（含量99.7%）与乙酸（含量99.8%）含量较高。

反应过程中有5%的异丁烯参与副反应，1%的异丁烯未反应，产品的收率为94%。

过滤工序：该部分产品的收率为100%。

粗蒸工序：该部分产品的收率为99%。

精馏工序：本工序对粗产品进行精馏提纯，获得高纯度的TBA产品，该部分的收率为99%。

3）计算基准：
物料衡算以批为计算基准，单位为kg。

3.1.2 物料衡算过程
1）化学方程式：
8
CH3COOOH＋(CH3)2＝CH2 CH3COOC(CH3)3 （1）
60 56 116
(CH3)2C＝CH2 1/2(CH3)3CCH2C(CH3)＝CH2 （2）
56 112
2）投料
表3－2 原料配比表
序号原料名称规格摩尔比批投料量折纯量分子量
1 异丁烯含量99.7% 1 1040.642kg 1037.520 56
2 乙酸含量99.8% 2 2230kg 2225.540 60
3 催化剂－－5kg －－
3）计算过程
（1）酯化反应（两个反应釜轮换）
在物料衡算过程中，为了方便计算，在此将主反应釜与副反应釜看成一个体系。

①主反应过程：
CH3COOH＋(CH3)2＝CH2 CH3COOC(CH3)3
6056116
异丁烯的投料量为1040.642kg（折纯量1040.642×99.7%＝1037.520kg），该反应收率为94%。

则：
根据上述反应方程式可计算乙酸叔丁酯（TBA）生成的量为：
1037.520×94%×116÷56＝2020.200kg
未参加反应的异丁烯的量为：1037.520×1%＝10.375kg（作尾气处理，采用活性炭吸附塔进行吸附处理）
乙酸的消耗量为：1037.520×94%×60÷56＝1044.931kg
乙酸的剩余量为：2225.540－1044.931＝1180.609kg
②副反应过程：
在上述酯化反应过程中，反应原料异丁烯发生自聚反应生成二异丁烯，反应的化
学方程式为：
(CH3)2C＝CH2 1/2(CH3)3CCH2C(CH3)＝CH2
56112
在整个反应过程中，约5%的异丁烯发生副反应，生成二异丁烯，则二异丁烯的
生成量为：
1037.520×0.05÷56×1/2×112＝51.876kg
整个反应过程中杂质的量：
异丁烯中的杂质含量＋乙酸中的杂质含量
＝1040.642×（1－99.7%）＋2230×（1－99.8%）＝7.582kg
表3－3 酯化反应过程物料衡算一览表
序号物料进料量（kg）出料量（kg）
1 异丁烯1040.64
2 10.375
2 乙酸2230 1180.609
3 催化剂 5 5
4 TBA 0 2020.200
5 二异丁烯0 51.876
6 杂质0 7.582
7 合计3275.642 3275.642
注：未反应的异丁烯作为尾气被活性炭吸附处理。

（2）过滤过程
该反应工序主要是在物料进行粗蒸前过滤掉固体催化剂。

由于催化剂含量少，所以在此过程中对产品的损失量极小，可忽略不计。

表3－4过滤过程物料衡算一览表
序号物料进料量（kg）
出料量（kg）
液相固相
1 乙酸1180.609 1180.609 －
2 催化剂 5 － 5
3 TBA 2020.200 2020.200 －
4 二异丁烯51.876 51.876 －杂质7.582 7.582 －
5 合计3265.267
3265.267 （3）粗蒸过程
该反应工序主要是蒸出TBA和二异丁烯，回收大部分的乙酸。

使用蒸馏釜进行蒸馏，蒸馏温度控制在118℃左右，TBA粗品的收率为99%。

各物料沸点如下表所示：
表3－5 各物料沸点一览表序号物料名称沸点（℃）
1 TBA 96
2 二异丁烯101.44
3 乙酸117.9 注：杂质沸点与相应原料相近
可得物料平衡为下表：
表3－6粗蒸工序物料衡算一览表
序号物料进料量（kg）
出料量（kg）
接收罐（kg）釜底（kg）
1 乙酸1180.609 11.806 1168.803
2 TBA 2020.200 1999.998 20.202
3 二异丁烯51.876 51.357 0.519
4 其他杂质7.582 7.506 0.076
5 合计3260.267 2070.667 1189.6
3260.267
4）精馏过程[16]
采用连续精馏将TBA粗品进行分离。

TBA粗品中各组份见表3-6。

本工序将TBA与二异丁烯作为关键组分分离。

并在5小时内完成精馏。

要求精馏塔顶得到TBA产品的纯度≥99%，塔釜TBA的含量≤2%。

具体计算过程如下：
要求在5小时内完成精馏，所以每小时进料为：2070.667÷5＝414.133kg
原料液的质量分数为：
ω F＝1999.998
2070.667＝0.956
原料液的平均摩尔质量为：
M F＝0.956×116＋（1－0.956）×112＝115.824kg/kmol 原料液的流率为：
F＝1414
15.
.
824
133
＝3.576kmol/h
原料液中轻组分（TBA）质量分数为ωF＝0.956，其摩尔分率为：
x F = ω / M T ＝0.956 /116 ＝0.955
F BA
ωF / M+ (1-ωF ) / M C H
16 0.956 /116 + 0.044 /112
TBA 8
塔顶轻组分（TBA）质量分数为ω
TBA＝0.99，其摩尔分率为：
x D =x
TBA =
ω
TBA
/M
TBA
＝
0.99 /116
＝0.9896 ω
TBA
/
M TBA
+ω
C8H16 / 0.99 /116 + 0.01/ 112
M C8H16
塔底轻组分（TBA）质量分数为ω'
TBA＝0.02，其摩尔分率为：
x W =x
TBA =
ω'
TBA
/M
TBA
＝
0.02 /116
＝0.0193 ω'
TBA
/M
TBA
+ω
C H
16
/ M C H
16
0.02 /116 + 0.98 /112
8 8
根据全塔物料衡算，得到
F＝D＋W
F×X F＝D×X D＋ W×X W
把已知数据带入上式，得
3.576＝D＋W
3.576×0.955＝D×0.9896＋W×0.0193
解得:D＝3.449kmol/h
W＝0.127kmol/h
即：塔顶产品TBA（馏出液）的流率为：3.449kmol/h。

塔顶馏分的出料量为：3.449×116×5＝2000.42kg
其中纯TBA为：2000.42×0.99＝1980.416kg；
杂质为：2000.42－1980.416＝20.004kg。

塔底馏分的质量为：2070.667－2000.42＝70.247kg
一批次产品TBA的质量为：3.449×116×5＝2000.42kg≈2000kg
表3－7 精馏工序物料衡算一览表
序号物料进料量（kg）
出料量（kg）
塔顶馏分塔釜馏分
1 TBA 1999.998
2000.42
2 乙酸11.806
其中TBA：1980.416
3 二异丁烯51.357 70.247
杂质：20.004
4 杂质7.506
5 合计2070.667 2070.667
3.1.3 衡算结果
物料衡算的结果见表3－8：
表3－8 物料衡算一览表
投入产出
序号名称数量kg 序号名称去向数量kg
1 乙酸2230 1 乙酸回收套用1189.6
2 异丁烯1040.64 2 异丁烯吸附装置吸收10.375
3 催化剂 5 3 催化剂回收 5
4 TBA 产品2000.42
5 残夜污水处理站70.247
合计3275.64 合计3275.64
3.2能量衡算[17～18]
3.2.1 衡算依据
在各个操作单元中，包括物理和化学过程，一般都伴随着能量的变化。

为了保证工艺的顺利进行，则需对各个操作单元进行定量核算，热量衡算是定量核算的基本手段。

该设计主要是对有传热的单元设备进行能量衡算，其热平衡方程式如下：
Q1＋Q 2＋Q 3＝Q 4＋Q 5＋Q 6
其中，Q1：物料带入设备时所携带的热量，kcal；
Q 2：由加热剂或者制冷剂传递给设备和物料的热量，kcal；
Q ：反应过程的热效应，kcal；
Q 4：物料离开设备时所携带的热量，kcal；
Q 5：加热或者冷却设备所消耗的热量，kcal；
Q 6：设备向外界环境散失的热量，kcal。

（1）Q1与Q4的计算：
Q1与 Q4可按下式计算：
Q＝∑ m·t·C p
式中:
m－－－输入或输出设备的物料质量，kg；
T －－－物料的温度，℃；
C p－－－物料的平均比热容，kcal/（kg·℃）。

利用上式计算Q1和Q4时，需要规定标准状态，本设计采用0℃、101.3KPa的标准状态为计算的基准。

由于物料的比热容是温度的函数，所以上式中物料的比热容是进、出口物料的定压平均比热容。

（2）Q3的计算：
Q3为化学过程的热效应，包括了化学反应热及各种物料由于化学反应或其他原因引起的浓度变化或状态变化，如溶解热、蒸发热、熔融热等。

其中，化学反应热由化学反应生成热或燃烧热进行计算；相变热用下式计算：
Q＝m·r
式中：m－－－输入设备的物料质量，kg；
r －－－物料的平均汽化热，kcal/（kg·℃）。

（3）Q5与Q6的计算：
在本设计计算中，参考经验可知，系统的损失热量约为物料带出热量的10%。

即：Q 损失 =Q5＋Q6＝Q4×10%
（4）Q2的计算：
根据以上计算式得到的Q1、Q3、Q4和Q损失后，可通过热量平衡方程式求出设备的热负荷Q2。

3.2.2 衡算过程
1）酯化反应釜
A（25℃）合
C（56℃）成
B（25℃）釜D（56℃）
冷冻盐水
在酯化反应过程中，物料采用常温进料，常压反应，反应温度控制在50~60℃，为方便计算，温度取值56℃。

A－－－乙酸：2230kg（25℃）
B－－－异丁烯：1040.64kg（25℃）
C－－－生成物：TBA：2020.200kg（56℃）
二异丁烯：51.876（56℃）
D－－－未反应完的物质：乙酸：1180.609kg（56℃）
异丁烯：10.375kg（56℃）
（1）Q1的计算：
Q＝∑ m·t·C p
①C p的取值：（25℃~56℃之间的平均比热容）
杂质的比热可以近似看成为纯物质的比热。

乙酸的比热容C p可用“Missenard”法估算得到；
异丁烯气体的C p可从《化工工艺设计手册》第2~283页查询；
TBA 液态的 C p可用“Missenard”法估算得到；
二异丁烯液态的C p可用“Missenard”法估算得到；
表3－9物料的物性数据一览表[kcal/kg·℃]
物料名称乙酸异丁烯TBA 二异丁烯
比热0.479 0.362 0.488 0.524
乙酸的进料量为2230kg，比热容为0.479kcal/（kg·℃）。

Q1－A＝∑ m·t·C p＝2230×25×0.479＝26704.254kcal
异丁烯气体的进料量为1040.64kg，比热容为0.362kcal/（kg·℃）。

Q1－B＝∑ m·t·Cp＝1040.64×25×0.362＝9417.792kcal
Q1＝Q1－A＋Q1－B＝26704.254＋9417.792＝36122.046kcal
（2）物料反应热Q3：
①主反应化学方程式为：
CH3COOH＋(CH3)2＝CH2 CH3COOC(CH3)3
根据纯物质化学性质查询软件V1.3.0查得TBA的液相标准生成焓为：∆r H m＝－125.000kcal/mol＝－1076.102kcal/kg
Q3－A＝m1·∆r H m＝2020.200×（－1076.102）＝－2173941.120kcal
②副反应化学方程式为：
(CH3)2C＝CH2 1/2(CH3)3CCH2C(CH3)＝CH2
根据纯物质化学性质查询软件V1.3.0查得二异丁烯的液相标准生成焓为：∆r H m＝－26.386kcal/mol＝－235.138kcal/kg。

Q3－B＝m2·∆r H m＝51.876×（－235.138）＝－12198.014kcal
由于该化学反应为放热过程，为系统提供热量，故Q3为正值。

Q3＝Q3－A＋Q3－B＝2173941.120＋12198.014＝2186139.130kcal
（3）物料带出的热量Q4：
异丁烯的出料量为10.375kg，比热容为0.362kcal/（kg·℃）。

Q4－A＝∑ m·t·C p＝10.375×56×0.362＝213.808kcal
乙酸的出料量为1180.609kg，比热容为0.479kcal/（kg·℃）。

Q4－B＝∑ m·t·C p＝1180.609×56×0.479＝32858.710kcal
TBA 的出料量为 2020.200kg，比热容为 0.488kcal/（kg·℃）。

Q4－C＝∑ m·t·C p＝2020.200×56×0.488＝55202.560kcal
二异丁烯的出料量为51.876kg，比热容为0.524kcal/（kg·℃）。

Q4－D＝∑ m·t·C p＝51.876×56×0.524＝1522.249kcal
Q4＝Q4－A＋Q4－B＋Q4－C＋Q4－D
＝213.808＋32858.710＋55202.560＋1522.249
＝89797.327kcal
：
（4）系统损失的热量Q
损失
Q 损失＝Q4×10%＝89797.327×10%＝8979.733kcal
Q2＝Q4＋Q 损失－Q1－Q3
＝89797.327＋8979.733－36122.046－2186139.130
＝－2123484.100kcal
（6）制冷剂的消耗量：
由于酯化反应为放热反应，在反应过程中会产生一定的热量，为避免系统温度升高，采用25%氯化钙水溶液将反应热移除。

制冷剂的消耗量：
W ＝
-Q
C p(T2-T1)
其中，T1为制冷剂初温，－20℃；
T2为制冷剂末温，10℃；
C p为制冷剂的比热容（－20℃与 10℃间的平均比热容）。

制冷剂为25%氯化钙水溶液，通过《化工工艺设计手册》2~327查得: C p＝0.688kcal/（kg·℃）
W＝-(-2123484.100)＝102881.98kg
⎣⎦
2）粗蒸过程
（1）粗蒸釜
B
A
粗蒸釜
C
A－－－进料：乙酸：1180.609kg（56℃）
TBA：2020.200kg（56℃）
二异丁烯：51.876kg（56℃）
杂质：7.582kg（56℃）
B－－－塔顶出料：乙酸：11.806kg（101.4℃）
TBA：1999.998kg（101.4℃）
杂质：7.506kg（101.4℃）
C－－－塔底出料：乙酸：1168.803kg（118℃）
TBA：20.202kg（118℃）
二异丁烯：0.519kg（118℃）
杂质：0.076kg（118℃）
酯化反应结束经过滤后将物料抽入到粗蒸釜进行间歇蒸馏，进料温度为56℃，蒸馏温度控制在118℃左右。

通过粗蒸釜将TBA从塔顶蒸出得到粗品TBA。

本过程塔顶出料温度在96~101.4℃之间，TBA作为轻组分馏出，副产物二异丁烯和少量乙酸（含杂质）一同馏出，在该计算过程中，为方便计算，塔顶出料温度按101.4℃计算，塔底出料温度按118℃计算。

（1）Q1的计算：
Q1＝∑ m·t·C p
①C p的求取:（56℃~118℃之间的平均比热容）
杂质的比热容可以近似认为是纯物质的比热容。

乙酸（液态）（含杂质）的比热容C p可用“Missenard”法估算得到；
乙酸（气态）（含杂质）的比热容C p可用“Rihani－Doraiswamy”法估算得到；
二异丁烯（液态）的C p可用“Missenard”法估算得到；
二异丁烯（气态）的比热容C p可用“Rihani－Doraiswamy”法估算得到；
TBA（液态）的 C p可用“Missenard”法估算得到；
TBA（气态）的比热容 C p可用“Rihani－Doraiswamy”法估算得到；
表3－10物料的物性数据一览表[kcal/kg·℃]
物料名称
乙酸乙酸TBA TBA 二异丁烯二异丁烯（液态）（气态）（液态）（气态）（液态）（气态）
比热0.553 0.306 0.529 0.393 0.581 0.450 乙酸的进料量为1180.609kg，比热容为0.553kcal/（kg·℃）。

杂质近似看成为与乙酸物料相近的物质，下同。

Q1－1＝∑ m·t·C p＝（1180.609＋7.582）×56×0.553＝36795.899kcal TBA 的进料量为 2020.200kg，比热容为 0.529kcal/（kg·℃）。

Q1－2＝∑ m·t·C p＝2020.200×56×0.529＝59846.405kcal
二异丁烯的进料量为51.876kg，比热容为0.581kcal/（kg·℃）。

Q1－3＝∑ m·t·C p＝51.876×56×0.581＝1687.838kcal
Q1＝Q1－1＋Q1－2＋Q1－3＝36795.899＋59846.405＋1687.838
＝98330.142kcal
（2）物料状态变化热Q3：
乙酸的汽化热通过纯物质化学性质V1.3.0软件计算可得为：94.972kcal/kg TBA 的汽化热通过 Riedel 法计算可得：68.714kcal/kg
二异丁烯的汽化热通过纯物质化学性质V1.3.0软件计算可得为：65.958kcal/kg 乙酸的汽化热：Q3－1＝m·r＝（11.806＋7.506）×94.972＝1834.099kcal TBA 的汽化热：Q3－2＝m·r＝1999.998×68.714＝137427.863kcal
二异丁烯的汽化热：Q3－3＝m·r＝51.357×65.958＝3387.405kcal
由于汽化过程吸热过程，故Q3为负值。

Q3＝－（Q3－1＋Q3－2＋Q3－3）＝－（1834.099＋137427.863＋3387.405）＝－142649.367kcal
（3）物料带出的热量Q4：
Q4＝∑ m·t·C p
塔顶乙酸的出料量为11.806kg，比热容为0.306kcal/（kg·℃）。

Q'4-1＝∑ m·t·C p＝（11.806＋7.506）×101.4×0.306＝599.220kcal
塔顶TBA的出料量为1999.998kg，比热容为0.393kcal/（kg·℃）。

Q'4-2＝∑ m·t·C p＝1999.998×101.4×0.393＝75700.320kcal
塔顶二异丁烯的出料量为51.357kg，比热容为0.450kcal/（kg·℃）。

Q'4-3＝∑ m·t·C p＝51.357×101.4×0.450＝2343.420kcal
Q'4＝Q'4-1＋Q'4-2＋Q'4-3＝599.220＋75700.320＋2343.420
＝82642.960kcal
塔底乙酸的剩余量为1168.803kg，比热容为0.553kcal/（kg·℃）。

Q''4-1＝∑ m·t·C p＝（1168.803＋0.076）×118×0.553＝76274.030kcal
塔底TBA的剩余量为20.202kg，比热容为0.529kcal/（kg·℃）。

Q''4-2＝∑ m·t·C p＝20.202×118×0.529＝1261.049kcal
塔底二异丁烯的剩余量为0.519kg，比热容为0.581kcal/（kg·℃）。

Q''4-3＝∑ m·t·C p＝0.519×118×0.581＝35.582kcal
Q''4＝Q''4-1＋Q''4-2＋Q''4-3＝76274.030＋1261.049＋35.582
＝77570.661kcal
Q4＝Q'4＋Q''4＝82642.960＋77570.661＝160213.621kcal
：
（4）系统的损失热量Q
损失
Q 损失＝Q4×10%＝160213.621×10%＝16021.362kcal
（5）蒸汽传递给设备和物料的热量Q2：
Q2＝Q4＋Q 损失－Q1－Q3
＝160213.621＋16021.362－98330.142－（－142452.274）
＝220357.115kcal
（6）蒸汽的消耗量：
本设计采用蒸汽压力0.36MPa，蒸汽温度为140℃，该温度下的汽化热可查询《化工工艺设计手册》第2~298页可得：512.3kcal/kg
需要蒸汽的量为：
W 蒸汽＝220357.115÷512.3＝430.133kg
（2）粗蒸釜冷凝器
冷却出水，45℃
A 冷凝器 B
冷却入水，20℃
本项目通过制冷剂将粗蒸釜塔顶出来的粗品TBA蒸汽冷凝。

物料在沸点状态下经过制冷剂由气态全部冷凝为液态。

T1为制冷剂初温，20℃；T2为制冷剂末温45℃。

A－－－乙酸：11.806kg（101.4℃）
TBA：1999.998kg（101.4℃）
二异丁烯：51.357kg（101.4℃）
杂质：7.506kg（101.4℃）
B－－－乙酸：11.806kg（101.4℃）
TBA：1999.998kg（101.4℃）
二异丁烯：51.357kg（101.4℃）
杂质：7.506kg（101.4℃）
（1）物料带入的热量Q1：
Q1＝∑ m·t·C p
① C p的求取:（56℃~118℃之间的平均比热容）
杂质的比热容可以近似认为是纯物质的比热容。

乙酸（气态）的比热容C p可用“Rihani－Doraiswamy”法估算得到；
二异丁烯（气态）的比热容C p可用“Rihani－Doraiswamy”法估算得到；
TBA（气态）的比热容 C p可用“Rihani－Doraiswamy”法估算得到；
表3－11物料的物性数据一览表[kcal/kg·℃]
物料名称乙酸（气态）TBA（气态）二异丁烯（气态）
比热0.306 0.393 0.450
②乙酸蒸汽的塔顶出料量为11.806kg，比热容为0.306kcal/（kg·℃）。

Q1-1＝∑ m·t·C p＝（11.806＋7.506）×101.4×0.306＝599.220kcal
TBA 蒸汽的塔顶出料量为 1999.998kg，比热容为 0.393kcal/（kg·℃）。

Q1-2＝∑ m·t·C p＝1999.998×101.4×0.393＝79700.320kcal
二异丁烯蒸汽的塔顶出料量为51.357kg，比热容为0.450kcal/（kg·℃）。

Q1-3＝∑ m·t·C p＝51.357×101.4×0.450＝2343.420kcal
Q1＝Q1-1＋Q1-2＋Q1-3＝599.220＋79700.320＋2343.420
＝82642.960kcal
（2）物料状态变化热Q3：
乙酸的汽化热通过纯物质化学性质V1.3.0软件计算可得为：94.972kcal/kg TBA 的汽化热通过 Riedel 法计算可得为：68.714kcal/kg
二异丁烯的汽化热通过纯物质化学性质V1.3.0软件计算可得为：65.958kcal/kg 所以气态转化为液态的热量计算如下：
＝m·r＝（11.806＋7.506）×94.972＝1834.099kcal
乙酸的冷凝热：Q3
－1
TBA 的冷凝热：Q3－2＝m·r＝1999.998×68.714＝137427.863kcal
由于液化过程为放热过程，故Q3为正值。

Q3＝Q3－1＋Q3－2＋Q3－3＝1834.099＋137427.863＋3387.405
＝142649.367kcal
（3）物料带出的热量Q4：
Q4＝∑ m·t·C p
①C p的求取:（56℃~118℃之间的平均比热容）
杂质的比热容可以近似认为是纯物质的比热容。

乙酸（液态）（含杂质）的比热容C p可用“Missenard”法估算得到；
二异丁烯（液态）的C p可用“Missenard”法估算得到；
TBA（液态）的 C p可用“Missenard”法估算得到；
表3－12物料的物性数据一览表[kcal/kg·℃]
物料名称乙酸（液态）TBA（液态）二异丁烯（液态）比热0.553 0.529 0.581
乙酸液体的出料量为11.806kg，比热容为0.553kcal/（kg·℃）。

Q4-1＝∑ m·t·C p＝（11.806＋7.506）×101.4×0.553＝1082.905kcal TBA 液体的出料量为 1999.998kg，比热容为 0.529kcal/（kg·℃）。

Q4-2＝∑ m·t·C p＝1999.998×101.4×0.529＝107281.093kcal
二异丁烯液体的出料量为51.357kg，比热容为0.581kcal/（kg·℃）。

Q4-3＝∑ m·t·C p＝51.357×101.4×0.581＝3025.615kcal
Q4＝Q4-1＋Q4-2＋Q4-3＝1082.905＋107281.093＋3025.615 ＝111389.613kcal
：
（4）系统的损失热量Q
损失
Q 损失＝Q4×10%＝111389.613×10%＝11138.961kcal
（5）制冷剂从设备和物料中带走的热量Q2：
Q2＝Q4＋Q 损失－Q1－Q3
＝111389.613＋11138.961－82642.960－142649.367
＝－102763.75kcal
（6）制冷剂的消耗量
将馏出液冷凝为液体。

制冷剂采用冷却循环水。

W 水＝
-Q
C p(T2-T1)
其中，C p为水的平均比热容，C p＝0.997kcal/（kg·℃）；
T1为冷却水初温，20℃；T2为冷却水末温，45℃。

需要循环冷却水的量为：
W 循环水＝-(-102763.75)
＝4122.919kg 0.997 ( 45 - 20)
（3）粗品冷却器
冷冻盐水，T2
粗品TBA 冷却器粗品TBA
冷冻盐水，T1
本项目通过冷冻盐水将液态粗品TBA冷却。

T1为冷冻盐水初温，－20℃；T2 为冷冻盐水末温20℃；粗品TBA由沸点冷却到30℃。

（1）物料带入的热量Q1：
Q1＝∑ m·t·C p
①C p的求取:（30℃~101.4℃之间的平均比热容）
杂质的比热容可以近似认为是纯物质的比热容。

乙酸（液态）（含杂质）的比热容C p可用“Missenard”法估算得到；
二异丁烯（液态）的C p可用“Missenard”法估算得到；
TBA（液态）的 C p可用“Missenard”法估算得到；
表3－13物料的物性数据一览表[kcal/kg·℃] 物料名称乙酸（液态）TBA（液态）二异丁烯（液态）比热0.553 0.529 0.581
②乙酸的进料量为11.806kg，比热容为0.553kcal/（kg·℃）。

Q1-1＝∑ m·t·C p＝（11.806＋7.506）×101.4×0.553＝1082.905kcal。