醋酸乙酯生產(chǎn)裝置中精餾分離系統(tǒng)的模擬和優(yōu)化

摘 要：酯化塔和精制塔是現(xiàn)有的醋酸乙酯生產(chǎn)裝置精餾分離系統(tǒng)中最重要的兩部分。文章積極運(yùn)用行業(yè)內(nèi)先進(jìn)的仿真模擬軟件，模擬研究并優(yōu)化了現(xiàn)有化工企業(yè)中生產(chǎn)醋酸乙酯產(chǎn)品裝置的精餾分離系統(tǒng)。針對生產(chǎn)流程中的特定因素分析酯化塔和精制塔對醋酸乙酯產(chǎn)品的質(zhì)量影響，以期使工業(yè)化醋酸乙酯生產(chǎn)得到優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：醋酸乙酯；精餾分離；模擬優(yōu)化

我國大多數(shù)醋酸乙酯廠因近年來國內(nèi)甲醇羰基合成法生產(chǎn)醋酸技術(shù)發(fā)展速度較快而采用乙酸和乙醇混合酯化方法酯化法作為醋酸乙酯的生產(chǎn)工業(yè)手段。目前行業(yè)內(nèi)廣泛使用的醋酸乙酯生產(chǎn)裝置中精餾分離系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能上仍存在改進(jìn)空間，能耗較高，能夠從實(shí)際出發(fā)確定詳盡的酯化塔和精制塔系列參數(shù)，將有力推動醋酸乙酯的化工發(fā)展。文中將優(yōu)先推廣運(yùn)用行業(yè)內(nèi)先進(jìn)的仿真模擬軟件Aspen Plus，模擬研究并優(yōu)化現(xiàn)有化工企業(yè)中生產(chǎn)醋酸乙酯產(chǎn)品裝置的精餾分離系統(tǒng)。針對生產(chǎn)流程中的特定因素分析酯化塔和精制塔對醋酸乙酯產(chǎn)品的質(zhì)量影響，通過對比工業(yè)實(shí)際和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化醋酸乙酯生產(chǎn)進(jìn)一步優(yōu)化提高。

1 有關(guān)醋酸乙酯的精餾工藝和精餾分離次序

1.1 醋酸乙酯的精餾工藝

運(yùn)用酯化法進(jìn)行醋酸乙酯工業(yè)生產(chǎn)中的精餾工藝，是指在酯化反應(yīng)器中按比例放入乙酸和乙醇，以硫酸作為催化劑，在反應(yīng)器內(nèi)蒸汽加熱的條件下混合進(jìn)行酯化反應(yīng)，反應(yīng)后將得到醋酸乙酯、水、乙醇混合而成的二元共沸物和三元共沸物進(jìn)入酯化塔分離，酯化塔塔頂物料經(jīng)過冷卻分相后得到粗酯，而塔底會出現(xiàn)沸點(diǎn)較高的成分如醋酸和少量的醋酸乙酯、水等，經(jīng)過上述步驟的分離過程，剩余物質(zhì)將再次返回酯化反應(yīng)器的酯化高壓釜，釜內(nèi)可以進(jìn)行高壓反應(yīng)。整個精餾工藝流程中，醋酸乙酯粗酯將在精制塔中至少完成兩次分離，而在精制塔塔頂將會出現(xiàn)二元及三元共沸物，這些共沸物正是物料經(jīng)過冷卻實(shí)現(xiàn)分相得到的。這時候出現(xiàn)在精制塔塔底的物質(zhì)就是工業(yè)成品醋酸乙酯。

1.2 精餾分離次序分析

從醋酸乙酯的酯化反應(yīng)器頂部出來的各物料主要為醋酸乙酯、水、乙醇和已呈現(xiàn)氣體狀的醋酸物質(zhì)。醋酸乙酯生產(chǎn)裝置中精餾分離系統(tǒng)的工作機(jī)理也是完成醋酸乙酯、水、乙醇和已呈現(xiàn)氣體狀的醋酸各種初期物質(zhì)或混合生成物的分離。根據(jù)二元共沸物和三元共沸物中測定出的共沸物溫度統(tǒng)計(jì)研究，結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)能夠得出醋酸乙酯的酯化反應(yīng)器中所有物質(zhì)具有較為規(guī)律的分離順序。即在醋酸乙酯、水、乙醇和醋酸中，首先會分離出醋酸，然后分離出少部分水，再分離出醋酸乙酯和少部分水，剩余醋酸和乙醇。醋酸會首先被分離從反應(yīng)器的酯化塔產(chǎn)出，這種做法是出于設(shè)備材料在內(nèi)料的處理過程中防止精制塔免受醋酸的強(qiáng)腐蝕性破壞。經(jīng)過研究可知，仿真模擬軟件Aspen Plus中內(nèi)嵌的NTRL-HOC熱力學(xué)模型，能夠準(zhǔn)確的模擬預(yù)測出酯化反應(yīng)器中物質(zhì)的共沸點(diǎn)溫度，能夠分析出與實(shí)際文獻(xiàn)數(shù)據(jù)誤差較小的共沸物組成成分比例，能夠做到在對醋酸乙酯工藝流程完成行之有效的模擬。

2 精餾分離系統(tǒng)的相關(guān)模擬結(jié)果

2.1 精餾分離環(huán)境中各指數(shù)模擬結(jié)果

以某化工廠為例，其廠區(qū)設(shè)置的醋酸乙酯生產(chǎn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)年產(chǎn)十萬噸生產(chǎn)任務(wù)，從醋酸乙酯酯化塔頂部排出的氣體狀態(tài)物量為每小時0.104？鄢103噸，在酯化反應(yīng)器中，醋酸乙酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.2%、醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.6%、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.6%、乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%。保持醋酸乙酯生產(chǎn)裝置中精餾分離系統(tǒng)中的酯化塔和精制塔均在常壓狀態(tài)。通過實(shí)地考察確定兩個塔內(nèi)都是用板波紋填料350Y作為本塔的填料類型，酯化塔的填料高度測得13米，塔身擁有板數(shù)50塊；精制塔的填料高度測得為9米，理論板數(shù)擁有35塊。根據(jù)行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)可知，酸乙酯優(yōu)等品醋酸乙酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該等于或者超過99.7%，乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該等于或者限制低于0.1%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該等于或者限制低于0.05%，醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該等于或者限制低于0.004%。

2.2 模擬熱力學(xué)方程進(jìn)行非理想性校正

要對整個精餾分離系統(tǒng)進(jìn)行氣象非理想性校正時，應(yīng)該采用相應(yīng)的模擬熱力學(xué)方程來輔助完成?？梢赃x用的狀態(tài)方程應(yīng)該是能夠保證實(shí)現(xiàn)研究目的的標(biāo)準(zhǔn)方程。氣相狀態(tài)的逸度系數(shù)選用Hayden-O'connell模型計(jì)算，液相狀態(tài)的活度系數(shù)則選用NRTL模型計(jì)算，精餾塔的相關(guān)狀態(tài)設(shè)計(jì)描述采用RadFrac模塊完成。

2.3 生產(chǎn)裝置中酯化塔的相關(guān)模擬結(jié)果

（1）回流比測定值。精餾分離系統(tǒng)中的整個分離能夠?qū)崿F(xiàn)，主要是根據(jù)回流原理來完成，即酯化反應(yīng)器運(yùn)作時大量高溫?zé)崃吭邗セ邏焊鄯e聚，使得在酯化高壓釜內(nèi)產(chǎn)生更多的蒸汽，蒸汽上升后接觸塔頂發(fā)生冷凝作用，使得熱量迅速回落變?yōu)轷セ邏焊囊簯B(tài)物質(zhì)，液態(tài)物質(zhì)再次進(jìn)入由高溫汽化開始上升，回流現(xiàn)象即產(chǎn)生?；亓鞅鹊臏y定取值直接反饋出酯化高壓釜的蒸汽加熱量和塔頂冷凝量。根據(jù)這樣的描述我們應(yīng)該積極減小回流比，才能確保整個生產(chǎn)裝置能量的過渡消耗。

（1）回流比影響分離效果的結(jié)論。隨著回流比的增大，塔頂餾出物的模擬研究將得出以下結(jié)論：a.回流比大于2.75時，醋酸乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在95.4%左右不變。b.乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持區(qū)間[1.3%，1.4%]范圍。c.水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持區(qū)間[3.2%，4.3%]范圍。d.回流比為2.61時，醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.73%。當(dāng)回流比保持在區(qū)間[2.75，4.47]范圍時，醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在[2.7*10-9，4.37*10-9]范圍。

（3）回流物料溫度的取值。當(dāng)按回流比2.75控制塔頂回流時，回流溫度若較高，超過30℃，粗酯質(zhì)量控制效果降低，醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變高。回流溫度若較低，醋酸乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著粗酯溫度的減小而增加。為控制粗酯的各類物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，選擇回流溫度25℃為最佳。

2.4 生產(chǎn)裝置中精制塔的相關(guān)模擬結(jié)果

（1）回流比測定。通過軟件模擬統(tǒng)計(jì)能夠得出，當(dāng)醋酸乙酯生產(chǎn)裝置中的精制塔將進(jìn)料溫度設(shè)定為50度，將回流溫度設(shè)定為40度時，整個空間內(nèi)的加熱量和冷凝量將隨著回流比的變化而出現(xiàn)正比變化。一旦回流比增加，加熱量和冷凝量的值就發(fā)生相應(yīng)增加。

（2）回流比影響精制塔分離效果的結(jié)論。隨著回流比的增大，塔底餾出物的模擬研究將得出以下結(jié)論：a.醋酸乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加。b.乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，回流比為1.87時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.129%。c.水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，維持區(qū)間（0.08-4.47）*10-6。d.醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在13.4*10-6。

（3）精制塔中的進(jìn)料溫度。通過上述各部分模擬研究結(jié)果，能夠確定當(dāng)回流比為2.34時，當(dāng)精制塔中的回流溫度設(shè)定在40度時，精制塔塔底是否能夠產(chǎn)出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的醋酸、乙醇、水和醋酸乙酯取決于進(jìn)料溫度的控制和改變。進(jìn)料的控制中其預(yù)熱環(huán)節(jié)可以通過精制塔塔底的物料供熱來實(shí)現(xiàn)。如果進(jìn)料物料自身的溫度高，就能介紹酯化高壓釜中再沸器的高溫負(fù)荷，有效降低高壓釜中的蒸汽消耗。一般通過實(shí)際測試，精制塔的進(jìn)料溫度一般可以預(yù)熱到50度，而其塔底的出料溫度為79.5℃。

2.5 模擬優(yōu)化結(jié)論

從模擬優(yōu)化提取數(shù)據(jù)能夠確定，酯化塔最佳工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)條件應(yīng)該保持酯化塔塔頂回流溫度為25℃，回流比為2.75；精制塔最佳工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)條件應(yīng)該保持塔頂回流溫度40℃、進(jìn)料溫度為50℃、塔底出料溫度為79.5℃、回流比為2.34。醋酸乙酯產(chǎn)品質(zhì)量能夠達(dá)到符合國家標(biāo)準(zhǔn)的乙酯優(yōu)等品醋酸乙酯產(chǎn)品要求。

3 結(jié)束語

上文積極運(yùn)用行業(yè)內(nèi)先進(jìn)的仿真模擬軟件，模擬研究并優(yōu)化了現(xiàn)有化工企業(yè)中生產(chǎn)醋酸乙酯產(chǎn)品裝置的精餾分離系統(tǒng)，為了能使化工企業(yè)的醋酸乙酯產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到符合國家標(biāo)準(zhǔn)的乙酯優(yōu)等品醋酸乙酯產(chǎn)品要求。應(yīng)該積極在酯化塔和精制塔的回流比、回流溫度、進(jìn)出料溫度等因素上重點(diǎn)考察，應(yīng)該嚴(yán)格控制各種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，不斷對生產(chǎn)工藝和各環(huán)節(jié)操作進(jìn)行優(yōu)化，推動醋酸乙酯工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)步前進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃煥生，黃科林，楊波，等.乙酸乙酯合成生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2007（36）.

[2]王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3]朱廣勝.新型醋酸乙酯生產(chǎn)工藝的開發(fā)與應(yīng)用[D].上海：華東理工大學(xué)，2011.