酯交换法醋酸异丁酯生产工艺流程的模拟与优化_霍朝飞.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023酯交换法醋酸异丁酯生产工艺流程的模拟与优化霍朝飞,李俊辰,蒋飞鸿,李 芳(安徽工程大学化学与环境工程学院,安徽 芜湖 241000)摘 要:醋酸异丁酯是一种重要的有机化工原料,本文利用 Aspen Plus 软件对酯交换法醋酸异丁酯生产工艺进行模拟,利用变压精馏完成甲醇的精制与醋酸甲酯的回收,得到了 98%的优等品甲醇以及高纯醋酸甲酯循环利用。利用加压精馏与萃取精馏得到工业优等品醋酸异丁酯产品和 99.6%高纯异丁醇循环利用。最后,利用 Sensitivity 模块对塔的操作参数进行了模拟优化,为酯交换法醋酸异丁酯生产工艺在我国的工业化提供一种新的思路。关键词:Aspen Plus;醋酸异丁酯;模拟优化;萃取精馏中图分类号:TQ223 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0214-03 基金项目:安徽工程大学人才引进启动经费(2019YQQ013);安徽省大学生创新创业训练项目(S202110363262)。第一作者:霍朝飞(1986-),博士,高级工程师,教师,主要从事化工工艺设计。Simulation and Optimization of Isobutyl AcetateProductionby Transesterification MethodHUO Chao-fei,LI Jun-chen,JIANG Fei-hong,LI Fang(School of Chemical and Environmental Engineering,Anhui Polytechnic University,Anhui Wuhu 241000,China)Abstract:Isobutyl acetate is an important organic chemical raw material.Aspen Plus software was used to simulatethe isobutyl acetate production by transesterification method.The refining of methanol and the recovery of methyl acetatewere completed by pressure swing distillation,and 98wt%of high-quality methanol and high-purity methyl acetate wererecycled.Highpurity 99.99wt%isobutyl acetate and 99.6wt%were obtained by high pressure distillation and extractivedistillation,respectively.Finally,the sensitivity module was used to simulate and optimize the operating parameters of thecolumns.The technological process provided a new idea for the industrialization of isobutyl acetate production bytransesterification methodin China.Key words:Aspen Plus;isobutyl acetate;simulation optimization;extractive distillation醋酸异丁酯是一种有机化合物,主要用作硝化纤维、漆的溶剂并作为醋酸丁酯与甲基异丁基酮的替代溶剂,以及化学试剂、调制香料等1。目前,工业上常采用酸性催化剂来催化醋酸和异丁醇酯化反应的方法来生产醋酸异丁酯2。该方法采用硫酸作催化剂,虽有活性高且价格低廉的优点,但是由于硫酸会严重腐蚀设备,容易发生副反应,因此后续处理相对复杂,产率低,从而出现粗产品质量差,生产周期长及三废污染大的问题3。因此,研究开发新型醋酸异丁酯的生产工艺具有重要的现实意义。本文提出利用聚乙烯醇(PVA)生产过程中的副产物醋酸甲酯与异丁醇发生酯化反应生成醋酸异丁酯和甲醇,而甲醇仍可用于生产 PVA。通过对醋酸异丁酯生产装置的模拟与优化研究,为酯交换法醋酸异丁酯在我国的工业化提供一种新的思路。1 工艺流程模拟本工艺包括原料及反应工段、甲醇精制及醋酸甲酯回收工段、醋酸异丁酯精制及异丁醇回收工段。年产 4 万吨醋酸异丁酯全流程如图 1 所示。图 1 全厂工艺流程模拟图Fig.1 Schematic of ASPEN PLUS process modelfor the whole plant1.1 原料及反应工段原料醋酸甲酯是聚乙烯醇生产的副产物,质量纯度为99.64%,其余为甲醇,进料量为 4038.54 kg/h。原料异丁醇质量纯度为 99.56%,其余为正丁醇,总进料量为 4005.22 kg/h。该工段主要实现对原料醋酸甲酯及异丁醇的升温升压和酯交换第 51 卷第 2 期霍朝飞,等:酯交换法醋酸异丁酯生产工艺流程的模拟与优化215 反应生成醋酸异丁酯。进入反应器 R0101 的醋酸甲酯主要来源于醋酸甲酯储罐以及回收工段中循环回收的醋酸甲酯,异丁醇主要来源于异丁醇储罐以及回收工段中循环回收的异丁醇。将原料预热至 338.945 K、压力升至 1.2 bar 后进入酯交换反应器 R0101 中进行反应。反应方程式:(1)化学反应动力学4:k+=8.52107exp(-7.573104RT)(2)k-=3.51106exp(-6.487104RT)(3)正反应的指前因子 k+为 8.52107molg-1h-1,活化能 Ea 为 75.73 kJmol-1,逆反应的指前因子 k-为 3.51 106molg-1h-1,活化能 Ea 为 64.87 kJmol-1。R0101 为列管式固定床反应器,采用 RPlug 模块进行模拟,催化剂为阳离子交换树脂5。异丁醇和醋酸甲酯的物料摩尔比为 1:1.5 至 1:2,在反应器内发生醋酸甲酯与异丁醇的酯交换反应,单程转化率约 60%,出口混合物料送入甲醇精制及醋酸甲酯回收工段。1.2 甲醇精制及醋酸甲酯回收工段甲醇精制及醋酸甲酯回收工段包括:粗分塔 T0201、低压甲醇精制塔 T0202 和高压醋酸甲酯回收塔 T0203。反应后物料送入 T0201 中进行初步分离,T0201 塔顶液相采出主要为醋酸甲酯与甲醇,塔底物料送至醋酸异丁酯精制及异丁醇回收工段。由于醋酸甲酯与甲醇两物料共沸,故采用变压精馏的方式分离醋酸甲酯与甲醇。T0201 塔顶液相首先进入低压甲醇精制塔 T0202,T0202 塔顶冷凝器压力 1 bar,采出液为醋酸甲酯与甲醇形成的共沸物,送入高压醋酸甲酯回收塔进 T0203 行进一步处理;T0202 塔底采出液为副产物甲醇,质量分数为98%,达到工业用优等品要求,进行冷却后送往甲醇储罐区。低压甲醇精制塔 T0202 塔顶的共沸物料经加压后进入高压醋酸甲酯回收塔 T0203 进行醋酸甲酯的回收,进料温度为329.336 K,压力为 21 bar。T0203 塔顶采出液相主要为醋酸甲酯与甲醇形成的共沸物,经减压与冷却后进入 T0202 循环利用;T0203 塔底采出液相为高纯度醋酸甲酯,组成基本与进料醋酸甲酯一致,经减压与冷却后通过完全循环的方式参与酯交换反应。1.3 醋酸异丁酯精制及异丁醇回收工段醋酸异丁酯精制及异丁醇回收工段的工艺目标为实现产品醋酸异丁酯的精制及未反应异丁醇的回收。来料先进行醋酸异丁酯的精制后,剩余部分醋酸异丁酯与异丁醇形成共沸体系,选用萃取精馏进行进一步处理。粗分塔 T0201 塔底的醋酸异丁酯与异丁醇混合物料送至醋酸异丁酯精制塔 T0301,T0301 采用加压塔,能更好的分离醋酸异丁酯。T0301 醋酸异丁酯精馏塔塔压2.2 bar,塔顶液相组成为醋酸甲酯与异丁醇共沸物,送入萃取精馏塔 T0302 进一步处理;T0301 塔底液相组成为主产物醋酸异丁酯,质量分数为 99.6%,达到工业用优等品要求,冷却后送至醋酸异丁酯储罐。萃取精馏塔 T0302 为常压塔,选用 1,3-丁二醇作为萃取剂6,萃取剂用量为 3785.17 kg/h。萃取精馏塔塔顶采出液相为主产物醋酸异丁酯,质量分数为 99.6%,达到工业用优等品要求;塔底采出萃取剂与异丁醇混合物,送至萃取剂回收塔T0303 进行萃取剂的回收。进料温度为 445.331 K、压力为1.2 bar。T0303 塔底为高纯萃取剂 1,3-丁二醇循环使用。T0303 塔顶液相为异丁醇、正丁醇与 1,3-丁二醇混合物料,送至异丁醇回收塔 T0304。异丁醇回收塔 T0304 的塔板数为 53 块,48 块板处侧线采用一股 21 kg/h 的正丁醇废液,质量纯度87%。T0304 塔顶采出为高纯度异丁醇,组成基本与进料异丁醇 T0304 一致。塔底采出液相质量分数为 99.99%的 1,3-丁二醇,进入萃取剂循环。2 工艺参数优化利用 Aspen Plus 模拟软件对各工段进行了模拟优化。优化参数主要包括各精馏塔的理论板数、回流比、D:F 等。本论文以醋酸异丁酯精制塔(T0301)为例介绍模拟优化过程。2.1 优化目标优化目标:由醋酸甲酯与异丁醇酯化合成醋酸异丁醇的过程,对原料的纯度要求比较高。因此在对异丁醇进行回收时,要确保异丁醇的浓度为 99.6%,在保证分离要求的前提下,尽量减小设备费用和操作费用。2.2 塔板数优化塔板数是精馏塔最为重要的操纵参数之一。塔板数的增加可以提高分离效率,但是随着塔板数的增加,塔的设备费就越高。图 2 表示的是在进料板位置/总理论板数、温度、进料热状况、回流比等操纵参数不变的情况下,塔板数与塔顶冷凝器和塔底再沸器热负荷的关系。随着塔板数的增加,塔顶冷凝器及塔底再沸器的热负荷逐渐减小,在实际工业生产过程中,塔板数的增多意味着投资费用增加,而回流比的增加意味着操作费用增加。本设计选择塔板数为 48 块,在该点塔板数对热负荷的影响已进入平缓区,再继续增加塔板数对精馏塔的操作费用影响较小。图 2 塔板数对塔顶冷凝器和塔底再沸器热负荷的影响Fig.2 Influence of stage number on condenser and reboiler duties2.3 回流比的优化回流比在精馏塔的所有操纵参数中是最为重要的操纵参数之一。回流比的大小不仅会影响塔分离效果而且还会影响能耗的大小。图 3 表示的是在塔板数、馏出物进料比、进料热状况、进料位置等操纵参数不变的情况下,回流比与塔底产品醋酸异丁酯的纯度的关系。由图 3 可知,随着回流比的增大,塔底醋酸异丁酯的纯度越来越高,但是再沸器的能耗也相应地增大,即精馏塔的操作费用渐增大。所以在满足分离标准的条件下,综合考虑能耗和分离效果两个因素,应该尽可能的让回流比取较小的值。因此本设计选择回流比为 3.5。216 广 州 化 工2023 年 1 月图 3 回流比对塔顶异丁醇浓度和再沸器热负荷的影响Fig.3 Influence of reflux ratio on isobutanol purity andreboiler duty2.4 D:F 优化根据之前优化的模拟结果,得到满足分离要求的塔板数与回流比,在 RadFac 模块进行严格计算。由于要求醋酸异丁酯的浓度为 99.6%,在塔内设计规定中设置塔釜采出液中醋酸异丁酯的浓度为 0.996,通过调节馏出物进料比参数使其达到要求。结果显示,当塔板数为 48,回流比为 3.5 时,塔釜采出液中醋酸异丁酯浓度为 0.996 的优化馏出物进料比为 0.1482。2.5 综合优化结果在权衡设备投资费用和操作费用后,在满足分离要求的前提下优化得到醋酸异丁酯精制塔 T0301 的总板数为 48 块,回流比为 3.5,通过一个设计规定优化得到塔的馏出物进料比为0.1482。同样方法,得到其他塔的优化结果,见表 1。表 1 各塔优化结果Table 1 Optimization results of each column理论板回流比D/F进料板T02012411.380.600312T0202242.540.582412续表 1T0203422.80.536532T0301483.50.148234T0302502.60.054836/8T0303100.70.19605T0304534.80.6338183 结 论(1)以 PVA 生产过程中的副产物醋酸甲酯为原料,利用Aspen Plus 模拟了酯交换法醋酸异丁酯生产工艺,包括原料及反应工段、甲醇精制及醋酸甲酯回收工段、醋酸异丁酯精制及异丁醇回收工段。(2)对于醋酸异丁酯产品精制,先采用加压精馏塔,再利用 1,3-丁二醇作为萃取剂,萃取精馏实现醋酸异丁酯与异丁醇的分离。(3)在初步模拟计算的基础上,在保证分离要求的前提下,尽量减小设备费用和操作费用,对各塔的操作参数进行灵敏度分析并获得优化参数,在此基础上获得了 99.6%的工业优级品醋酸异丁酯。参考文献1 苏丽红,白秀丽.相转移催化合成乙酸异丁酯 J.长春师范大学学报,2004,23(2):19-20.2 陈平.合成乙酸异丁酯的催化剂研究进展 J.应用化工,2004,33(2):4-6.3 李海英.反应精馏合成乙酸异丁酯的经济优化与动态控制 D.青岛:青岛科技大学化工学院,2019.4 闫瀚钊,曹志,张子劼,等.酯交换法制备醋酸异丁酯的动力学研究J.2021,57(4):654-658.5 王坤.乙酸异丁酯与甲醇酯交换反应动力学J.山东化工,2020,49(2):51-53.6 刘艳杰,王桂英,戴传波.食用级醋酸异丁酯精制工艺模拟与优化J.天津科技大学学报,2018,33(6):50-52.(上接第 164 页)20 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