醋酸乙酯反應(yīng)精餾節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

張宇 常亮(兗礦魯南化工有限公司，山東 滕州 277500)

0 引言

兗礦魯南化工有限公司(簡稱“魯南化工”)18萬t/a醋酸乙酯裝置，主要包括酯化、精餾、成品、回收四個生產(chǎn)單元，共計3塔1釜，對比國內(nèi)其他廠家的五塔運行流程，魯南化工乙酯裝置減少了萃取和脫酸兩套工序。所以從工藝流程來說，魯南化工醋酸乙酯裝置處在領(lǐng)先地位。但是魯南化工醋酸乙酯裝置中反應(yīng)釜與精餾塔分開設(shè)置，在實際運行中存在工藝復(fù)雜、反應(yīng)釜組分調(diào)節(jié)難度大、蒸汽單耗高的問題。目前醋酸乙酯產(chǎn)能過剩，市場競爭激烈，要想占領(lǐng)市場，必須對系統(tǒng)進行優(yōu)化和新工藝開發(fā)研究，以提高裝置的運行可靠性，降低產(chǎn)品能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過分析找到癥結(jié)所在，魯南化工對醋酸乙酯裝置實施了反應(yīng)精餾節(jié)能技術(shù)攻關(guān)。

1 現(xiàn)狀

魯南化工醋酸乙酯裝置采取酯化反應(yīng)，反應(yīng)釜與精餾塔分開設(shè)置。醋酸和乙醇混合后進入反應(yīng)釜(R2001)，由蒸發(fā)器循環(huán)泵(P2001)輸送至反應(yīng)釜頂部的降膜再沸器(E2001)，降膜再沸器下部出來的未反應(yīng)物料和新鮮料進一步在反應(yīng)釜中進行可逆反應(yīng)。反應(yīng)釜底部液體被蒸發(fā)器循環(huán)泵連續(xù)送往降膜再沸器。被再沸器加熱的混合料閃蒸成氣液兩相，氣相由反應(yīng)釜頂部進入精餾塔(T2001)底部，液相回到反應(yīng)釜繼續(xù)反應(yīng)。精餾塔目的是將醋酸乙酯和水分離出來，醋酸乙酯、乙醇、水的共沸物從精餾塔(T2001)頂部餾出，而多余的醋酸、乙醇積聚在精餾塔底部，由精餾塔循環(huán)泵(P2002)送回反應(yīng)釜，流程示意圖如圖1所示。

在實際運行中，醋酸乙酯裝置存在以下問題：(1)反應(yīng)釜和精餾塔單獨設(shè)置，中間由泵和管道聯(lián)通，其附屬管道、設(shè)備增加，加之精餾塔、反應(yīng)釜底部裸露，熱量損失大；(2)加熱后出再沸器的混合物料閃蒸氣化，氣相經(jīng)管道進入精餾塔，無形中阻力增加，消耗動能增加；(3)精餾塔底部物料經(jīng)精餾塔循環(huán)泵返回反應(yīng)釜，一方面使工藝流程復(fù)雜化，另一方面增加了設(shè)備運行維護費用和工作量；(4)因反應(yīng)釜與精餾塔分開設(shè)置，在高負(fù)荷運行狀態(tài)下，精餾塔底部液位控制難度大，增加了反應(yīng)釜組分調(diào)節(jié)難度，降低了原料轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)能受限，能耗升高。

圖1 醋酸乙酯生產(chǎn)流程

2 反應(yīng)精餾節(jié)能技術(shù)運用

2.1 可行性分析

醋酸乙酯的反應(yīng)過程是可逆的，反應(yīng)體系中催化劑、反應(yīng)物和生成物的揮發(fā)度逐漸增大，可以將精餾過程和反應(yīng)過程同時進行。相對于原裝置工藝來講，采取反應(yīng)精餾技術(shù)有利于簡化工藝流程、提高轉(zhuǎn)化率、降低蒸汽單耗，從而達到節(jié)能、增產(chǎn)、提質(zhì)、降本的目的，主要優(yōu)點介紹如下：(1)精餾過程和反應(yīng)過程在反應(yīng)精餾塔中同時進行，雖使裝備復(fù)雜化，但是工藝過程得到有效優(yōu)化，簡化了操作過程，能耗低，操作費用低，投資少[1]；(2)醋酸乙酯酯化反應(yīng)為吸熱反應(yīng)[2]，相比反應(yīng)釜和精餾塔分開供熱方式，由反應(yīng)精餾塔再沸器統(tǒng)一供熱，能避免重復(fù)加熱和冷卻，蒸汽單耗得以有效降低；(3)醋酸乙酯的反應(yīng)為可逆過程，生成物(醋酸乙酯和水)被最大可能分離出來，使得化學(xué)平衡向目標(biāo)方向移動，轉(zhuǎn)換率得以提高，降低了粗酯中乙醇含量，成品工序負(fù)荷得以降低，從而提高產(chǎn)品產(chǎn)能與質(zhì)量；(4)反應(yīng)與精餾在同一設(shè)備中進行，相比反應(yīng)與精餾分開進行的工藝，在反應(yīng)釜組分調(diào)節(jié)上更為簡單，調(diào)節(jié)手段更為有效。

2.2 研發(fā)改造

研究開發(fā)醋酸乙酯反應(yīng)精餾系統(tǒng)，實現(xiàn)原裝置工藝技術(shù)升級，達到節(jié)能降耗目標(biāo)。具體研發(fā)內(nèi)容如下：(1)設(shè)計反應(yīng)精餾系統(tǒng)的初步工藝流程。參考相關(guān)文獻，并對體系的特點進行理論上的分析，設(shè)計出采用反應(yīng)精餾技術(shù)生產(chǎn)醋酸乙酯的初步工藝流程。(2)根據(jù)所設(shè)計的工藝流程創(chuàng)建反應(yīng)精餾系統(tǒng)的模擬模型。Aspen Plus是一種廣泛應(yīng)用于化工過程的研究開發(fā)、設(shè)計，生產(chǎn)過程的控制、優(yōu)化及技術(shù)改造等方面的性能優(yōu)良的軟件[3]。使用AspenPlus軟件，創(chuàng)建醋酸乙酯反應(yīng)精餾工藝流程模型，并進行模擬。(3)收集裝置運行數(shù)據(jù)，通過實驗研究，補充部分反應(yīng)和精餾數(shù)據(jù)。由于本研究采用模擬軟件對上述流程進行建模、模擬計算和優(yōu)化，需要利用一部分現(xiàn)有裝置生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)對模型進行校核和修正。因此，在對流程進行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)模擬計算的經(jīng)驗和需要，收集現(xiàn)場裝置運行數(shù)據(jù)。(4)通過物性模擬軟件擬合相關(guān)的反應(yīng)和熱力學(xué)參數(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和熱力學(xué)模型，并利用這些參數(shù)對模擬模型進行修正。為更準(zhǔn)確地對反應(yīng)精餾合成醋酸乙酯的流程進行模擬，需要對創(chuàng)立模型進行參數(shù)修正。根據(jù)魯南化工現(xiàn)有醋酸乙酯裝置的運行數(shù)據(jù)，對所建立的模擬模型進行參數(shù)的修正。(5)利用修正后的模型，對反應(yīng)精餾系統(tǒng)進行模擬計算和優(yōu)化設(shè)計，對初步的工藝流程進行改進，并得到較適宜的操作條件。修正模擬模型，并對新工藝流程進行模擬優(yōu)化，不斷優(yōu)化進料比、塔盤溫度、壓差、采出比等變量，得到最佳的工藝操作條件，以便提升產(chǎn)品純度，提高產(chǎn)品產(chǎn)量及降低蒸汽單耗。(6)實施改造，建立反應(yīng)精餾系統(tǒng)，優(yōu)化調(diào)整工藝指標(biāo)，提升工藝技術(shù)，從而達到節(jié)能降耗、提質(zhì)增產(chǎn)的目的。優(yōu)化后的反應(yīng)精餾裝置如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后反應(yīng)精餾裝置

3 應(yīng)用效果

3.1 項目實施前后工藝流程對比

項目實施前，精餾塔底部物料經(jīng)精餾塔循環(huán)泵打回反應(yīng)釜，一方面增加了動力消耗和熱量損失，另一方面增加了設(shè)備維護的費用和檢修工作。同時，反應(yīng)釜與精餾塔是分離的，在系統(tǒng)高負(fù)荷運行的狀態(tài)下，精餾塔液位的控制難度很大，同時加大反應(yīng)釜組分調(diào)節(jié)難度，為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)埋下隱患。通過項目實施反應(yīng)釜與精餾塔組合成反應(yīng)精餾塔，精餾塔內(nèi)物料依靠重力返回至反應(yīng)釜，取消了精餾塔循環(huán)泵，簡化了工藝操作，便于反應(yīng)釜組分調(diào)節(jié)。

3.2 項目實施前后產(chǎn)量和蒸汽單耗數(shù)據(jù)對比

項目實施前裝置產(chǎn)量和蒸汽單耗如表1所示。其中平均蒸汽單耗2264kg/t，平均班產(chǎn)量180t/班。

項目實施后，裝置進行了72h性能考核，相關(guān)運行數(shù)據(jù)如表2所示。其中平均蒸汽單耗1730kg/t，平均班產(chǎn)量195t/班。

項目實施后，醋酸乙酯產(chǎn)品蒸汽單耗為1730kg/t，比項目實施前蒸汽單耗2264kg/t降低了534kg/t。

表1 項目實施前裝置產(chǎn)量和蒸汽單耗統(tǒng)計表

表2 項目實施后裝置產(chǎn)量和蒸汽單耗統(tǒng)計表

項目實施后醋酸乙酯產(chǎn)品平均班產(chǎn)量195t/班，比項目實施前平均班產(chǎn)量180t/班提高了15t/班，年產(chǎn)能可提升1.5萬t/a。

3.3 項目實施前后產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)對比

項目實施前后裝置產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 項目實施前后裝置產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計表

項目實施后醋酸乙酯產(chǎn)品質(zhì)量由99.83%提升到99.91%，雜質(zhì)乙醇含量由0.021%降至0.003%，雜質(zhì)水含量保持不變，雜質(zhì)酸含量由0.0035%降至0.0031%。

4 結(jié)語

采用反應(yīng)精餾技術(shù)，將反應(yīng)釜與精餾塔組合成反應(yīng)精餾塔，精餾塔內(nèi)的物料依靠重力返回至反應(yīng)釜，取消了精餾塔循環(huán)泵，便于反應(yīng)釜組分調(diào)節(jié)，提升了醋酸乙酯工藝技術(shù)，簡化了工藝操作。采用反應(yīng)精餾技術(shù)，使得工藝流程得到優(yōu)化，去除了相關(guān)動力設(shè)備，有效降低了動力設(shè)備運行維護費用和工作量。醋酸乙酯的反應(yīng)為可逆過程，生成物(醋酸乙酯和水)被最大可能分離出來，使得化學(xué)平衡向目標(biāo)方向移動，轉(zhuǎn)換率得以提升，降低了粗酯中乙醇含量，成品工序負(fù)荷得以降低，使得產(chǎn)品蒸汽單耗大幅度降低，產(chǎn)能得到進一步提升。