丙烯酸正丁酯生产装置的流程模拟与优化.pdf

精细石油化工 S P E C I A L I T YP E T R O C H E M I C A L S 第3 4 卷第1 期 2 0 1 7 年1 月 丙烯酸正丁酯生产装置的流程模拟与优化 叶启亮，韩银召，李玉安，孙浩，齐鸣斋 ( 华东理工大学化工学院，上海2 0 0 2 3 7 ) 摘要：运用A s p e nP l u s 软件，对某公司8 万t a 丙烯酸正丁酯生产装置进行了流程模拟，模拟结果与实际值吻 合良好。在此基础上，分别对洗涤塔、醇拔头塔和酯提纯塔的工艺参数进行了模拟优化，确定了优化后的工艺 参数：洗涤塔溶剂比为0 2 6 ，洗涤塔进料温度确定为3 5 ，醇拔头塔回流比为1 5 0 ，酯提纯塔回流比为0 8 0 ， 酯提纯塔塔顶馏出率为0 9 6 。在此条件下，丙烯酸正丁酯产品质量分数达到9 9 6 3 ，洗涤塔换热器以及醇 拔头塔和酯提纯塔再沸器的总能耗降低5 6 6 。 关键词：丙烯酸正丁酯流程模拟优化A s p e nP l u s 中圈分类号：T Q 2 2 5 2 4文献标识码：A 丙烯酸正丁酯是一种重要的化工原料，广泛 用于涂料、皮革、纺织、造纸和塑料等多种领 域 1 。2 。当前，丙烯酸正丁酯主要生产工艺为直接 酯化法，即丙烯酸与正丁醇在催化剂的作用下反 应生成丙烯酸正丁酯 3 4 。选择合适的工艺条件， 原料丙烯酸转化率虽然可达9 8 以上 5 ，但由于 存在若干副反应，副产物丙烯酸异丁酯、醋酸丁 酯、丙酸丁酯、丙烯酸二聚物、双丁基醚等 6 混杂 在目的产物丙烯酸正丁酯中。此外，酯化级丙烯 酸原料中有糠醛、苯甲醛等微量杂质混合在产品 丙烯酸正丁蘸中。副产物和杂质的存在严重影响 丙烯酸正丁酯的应用，因此对丙烯酸正丁酯生产 装置进行深入研究具有重要的意义 7 。 A s p e nP l u s 8 1 广泛用于化工流程模拟，笔者 采用该软件对某公司8 万t a 丙烯酸正丁酯生产 装置进行全流程模拟，分析研究洗涤塔、醇拔头塔 和酯提纯塔工艺参数对生产装置的影响，得到优 化后的工艺参数，为丙烯酸正丁酯生产装置的设 计和生产操作提供重要理论依据 9 。 1 丙烯酸正丁酯生产装置流程 1 1 模拟流程 某公司8 万t a 丙烯酸正丁酯生产装置的工 艺流程如图1 所示。将原料正丁醇加入脱水塔， 经脱水塔塔釜进入第一酯化反应器，与原料丙烯 酸在催化剂的作用下生成丙烯酸正丁酯和水。第 一酯化反应器内水、丙烯酸正丁酯和正丁醇存在 共沸，经加热汽化后从底部进入脱水塔，生成的丙 烯酸正丁酯及未反应的丙烯酸和正丁醇进入第二 酯化反应器，丙烯酸和正丁醇继续参加反应，第二 酯化反应器内水、丙烯酸正丁酯和正丁醇共沸物 经加热汽化后从底部进入脱水塔 1 “1 1 。脱水塔 中，由酯化反应器进入的共沸物蒸气与来自醇拔 头塔的正丁醇和水及来自液液分相器的回流酯相 逆向接触，水、正丁醇和丙烯酸正丁酯共沸物由脱 水塔塔顶排出，在液液分相器中分层为水相和酯 相，酯相回流，水相由泵打入洗涤塔。来自第二酯 化反应器的粗丙烯酸正丁酯混合液经过换热器冷 却，由塔底进入洗涤塔，与来自液液分相器的水相 及顶部萃取剂水逆流萃取，萃取相由洗涤塔塔釜 排出，经过换热器加热到8 0 ，进入醇回收塔，萃 余相由洗涤塔塔顶排出，经过换热器加热到8 0 ，进入醇拔头塔。醇拔头塔塔顶出正丁醇和水， 正丁醇和水循环进入脱水塔，釜液为丙烯酸正丁 酯和重组分，进入酯提纯塔。酯提纯塔进一步分 离得丙烯酸正丁酯产品，釜液为重组分。醇回收 塔塔顶出少量的正丁醇和水，釜液为大量的水。 1 2 热力学模型及模块选择 丙烯酸正丁酯生产装置处理的原料中主要组 分为丙烯酸、正丁醇、丙烯酸正丁酯和水等，物系 具有比较强的极性。U N I F A C 活度系数方程适用 于强极性非理想性物系 12 | 。彭昌荣采用U N I F A C 收稿日期：2 0 1 6 0 5 1 4 ；修改稿收到日期：2 0 1 6 1 2 0 9 。 作者简介：叶启亮( 1 9 6 9 一) ，博士，副教授，主要从事反应工 程和分离工程研究。E - m a i l ：y q 【 e c u s t e d u c n 。 万方数据 第3 4 卷第1 期 叶启亮，等丙烯酸正丁酯生产装置的流程模拟与优化 6 1 热力学模型计算了正丁醇与水体系的相平衡数 据，与常压下正丁醇一水的气液平衡文献值十分吻 合L 13 | 。王卫兵采用基于改进U N I F A C 热力学模 型的动态法对萃取精馏法分离乙酸丁酯一正丁醇一 水共沸物的萃取剂进行了高通量筛选，具有良好 的可靠性和适用性口4 | 。U N I F A C 热力学模型利 用基团贡献法可以准确的估算物性参数。因此丙 烯酸正丁酯生产装置中酯化反应器、脱水塔、醇拔 头塔、酯提纯塔、醇回收塔采用U N I F A C 热力学 模型。由于洗涤塔是萃取塔，存在水相和酯相液一 液平衡，属于极性体系，模拟计算时必须选择支持 液一液平衡的热力学模型，U N I F D M D 热力学模 型是基于U N I F A C 热力学模型，可以准确的预测 模拟时的液液平衡数据，专门适用于液一液体系的 热力学模型 8 ，故洗涤塔采用此热力学模型。其 他单元设备采用U N I F A C 热力学模型。 弟一9 目化投厦器弟二醅化反厦器 图1丙烯酸正丁酯生产装置的工艺流程 丙烯酸正丁酯生产装置中脱水塔为汽提塔，醇拔 头塔、酯提纯塔和醇回收塔为精馏塔，模块选用R a d F - r a c 模块，R a d F r a c 是单个塔两相或三相严格计算模 块，适用于普通精馏、汽提、吸收、共沸精馏等，同时适 用于窄沸点和宽沸点以及液相为强非理想性的物 系跚。洗涤塔为萃取塔，模块选用E x t r a c t 模块网。酯 化反应器选用化学计量反应器R S t o i c 模块 8 。 2 模拟结果 某公司8 万t a 丙烯酸正丁酯生产装置中， 丙烯酸流量65 0 5k g h ，温度4 0 ，压力3 2 5 k P a ，组成见表1 所示。正丁醇流量为68 0 0k g h ，温度6 0 ，压力3 2 5k P a ，组成见表1 所示。 对丙烯酸正丁酯生产装置进行流程模拟，主要物 流模拟结果如表2 所示。由表2 可知，丙烯酸正丁酯 产品质量分数为9 9 6 1 ，模拟结果与实际值吻合良 好，因此可以利用该模型对工艺参数进一步优化。 3 工艺参数优化 3 1 洗涤塔溶剂比的优化 在萃取操作中，溶剂比是影响萃取效果的主要 因素 1 引。在理论板数及操作温度不变情况下，改变 溶剂比，考察其对洗涤塔塔顶物流中的丙烯酸和丙 烯酸正丁酯的质量分数的影响，结果如图2 所示。 表1 原料丙烯酸和正丁醇的组成 表2 主要流股模拟计算结果 组分 质量分数， 塔釜反应器出口塔顶塔釜塔顶 术 镒 馨 幢 ￥ 零 z 程 k g 锰 瑷 窿 ￥ 溶剂比， 图2 溶剂比对洗涤塔萃取效果的影响 由图2 可知，随着溶剂比的增加，洗涤塔塔顶 物流中的丙烯酸正丁酯的质量分数呈线性增加。 增加溶剂比，可以降低洗涤塔塔顶物流中丙烯酸 的质量分数，提高丙烯酸正丁酯的质量分数，但溶 剂比的增加将增大废水的后续处理成本。综合考 虑，洗涤塔溶剂比选择0 2 6 比较合适。 3 2 洗涤塔进料温度的优化 洗涤塔的萃取操作温度影响萃取效果，而进 料温度影响着塔内的操作温度。在理论板数和溶 万方数据 精细石油化工 2 0 1 7 年1 月 剂比不变情况下，改变进料温度，考察其对洗涤塔 塔顶物流中的丙烯酸的质量分数和洗涤塔换热器 换热量的影响，结果如图3 所示。 零 霞 裴 斌 ￥ 旨 芒 咖 矮 耧 进料温厦， 图3 进料温度对洗涤塔萃取效果的影响 由图3 可知，随着洗涤塔进料温度的减小，洗 涤塔塔顶物流中的丙烯酸的质量分数逐渐减小，洗 涤塔换热器的换热量增加。降低进料温度，可以降 低洗涤塔塔顶物流中丙烯酸的质量分数，但是能耗 增加。综合考虑，洗涤塔迸料温度选择3 5 。 3 3 醇拔头塔回流比的优化 在进料状况、塔顶馏出率和理论板数不变的 情况下，改变回流比，考察其对醇拔头塔塔釜物流 中的正丁醇的质量分数和醇拔头塔塔釜再沸器热 负荷的影响，结果如图4 所示。 蕾 岜 柱 臻 稚 爨 世 回流比 图4回流比对醇拔头塔的影响 由图4 可知，随着醇拔头塔回流比增加，醇拔 头塔塔釜再沸器热负荷呈线性增加。回流比增 大，增加了塔内的物料循环量，有利于组分的分 离，但回流比增大使能耗增加。综合考虑，醇拔头 塔回流比选择1 5 0 比较合适。 3 4 酯提纯塔回流比的优化 在进料状况、理论板数和塔顶馏出率不变的 情况下，改变回流比，考察其对酯提纯塔塔顶产品 中的丙烯酸正丁酯的质量分数和酯提纯塔塔釜再 沸器热负荷的影响，结果如图5 所示。 冰 程 k H 斑 雏 腔 Y 塞 墓 蠢 茬 凹流比 图5回流比对酯提纯塔分离的影响 由图5 可知，随着酯提纯塔回流比增加，酯提 纯塔塔顶物流中的丙烯酸正丁酯的质量分数逐渐 增加，酯提纯塔塔釜再沸器热负荷呈线性增加。 回流比的增大，增加了塔内的物料循环量，有利于 组分分离，但回流比增大使能耗增加。综合考虑， 酯提纯塔回流比选择0 8 0 比较合适。 3 5 酯提纯塔塔顶馏出率的优化 在迸料状况、理论板数和回流比不变的情况 下，改变酯提纯塔塔顶馏出率，考察其对酯提纯塔 塔顶物流中的丙烯酸正丁酯和糠醛的质量分数的 影响，结果如图6 所示。 馏出翠， 图6 塔顶馏出率对酯提纯塔分离的影响 由图6 可知，随着塔顶馏出率的增加，酯提纯 塔塔顶物流中的丙烯酸正丁酯的质量分数先增加 后减小，糠醛的质量分数逐渐增加。综合考虑，塔 顶馏出率选择0 9 6 比较合适。 优化前后模拟结果对比如表3 所示。由表3 可知，优化后丙烯酸正丁酯产品质量分数达到 9 9 6 3 ，洗涤塔换热器以及醇拔头塔和酯提纯塔 再沸器的总能耗降低5 6 6 。 4 结论 a 采用A s p e nP l u s 软件，对丙烯酸正丁酯生 产装置进行了全流程模拟，模拟结果与实际值吻 合良好，验证了热力学模型适用于丙烯酸正丁酯 咖珊瑚咖鲫仰姗咖 2 2 2 2 l 1 1 1 l 8 万方数据 第3 4 卷第1 期 叶启亮，等丙烯酸正丁酯生产装置的流程模拟与优化 6 3 生产装置，该模拟流程可进一步用于装置的工艺 参数优化，模拟结果对同类装置的研究有一定的 参考价值。 表3 优化前后模拟结果对比 b 优化工艺参数是：洗涤塔溶剂比为0 2 6 ，洗 涤塔进料温度确定为3 5 ，醇拔头塔回流比为1 5 0 ，酯提纯塔回流比为0 。8 0 ，酯提纯塔塔顶馏出率 为0 9 6 。通过工艺参数优化，丙烯酸正丁酯产品 质量分数达到9 9 6 3 ，洗涤塔换热器以及醇拔头 塔和酯提纯塔再沸器的总能耗降低5 6 6 。 C 通过对丙烯酸正丁酯生产装置进行流程模 拟和优化，确定了该装置优化后的工艺参数，进一 步提高了产品质量，减少了能量消耗，并为同类装 置的设计和生产操作提供重要的理论依据。在此 基础上，还可以对醇回收塔工艺进行适当改进，将 废水进行处理，循环利用，减少排放并提高原料正 丁醇的回收率。 1 2 参考文献 吕常钦丙烯酸及酯生产与管理 M 中国石化出版社， 2 0 0 9 ：1 - 5 ， M a c h h a m m e rO ，D o c k n e rT ，E n g e r tGJ ，e ta 1 P r e p a r a t i o no f a c r y l i ca c i da n de s t e r s ：C A ，U S5 8 1 7 8 6 5A P 1 9 9 8 3 纪世雄，赵义军，何春丙烯酸丁酯合成工艺的研究进展 C 中国化工学会2 0 1 0 年石油化工学术年会2 0 1 0 4 曹维良，张敬畅，吕青C Z 固体酸催化剂的应用及最佳反 应工艺条件的优化 J 石油化工高等学校学报，2 0 0 0 ，1 3 ( 1 ) ：4 1 4 5