酯化法醋酸乙酯裝置生產系統運行優化

孫景明 江在成 張寶才

(兗礦國泰化工有限公司,山東滕州 277527)

酯化法醋酸乙酯裝置生產系統運行優化

孫景明 江在成 張寶才

(兗礦國泰化工有限公司,山東滕州 277527)

酯化法生產醋酸乙酯是目前比較成熟的工藝,應用比較廣泛。企業為了提高市場競爭力,增加效益,應從提高醋酸乙酯產品質量、降低生產消耗等方面入手。本文就酯化法生產醋酸乙酯裝置如何提高產品質量,降低消耗等方面進行了探討。

酯化法;醋酸乙酯;優化運行

0 引 言

醋酸乙酯(EA)又名乙酸乙酯,是醋酸重要的下游產品,也是一種重要的綠色有機溶劑。具有優異的溶解性、快干性,在工業中主要用于生產涂料、黏合劑、乙基纖維素、人造革、油氈著色劑以及人造纖維等的溶劑,也可作為黏合劑用于印刷油墨、人造珍珠等的生產,作為提取劑用于醫藥、有機酸的產品的生產等,此外還可用作生產菠蘿、香蕉、草莓等水果香精和威士忌、奶油等香料的原料,用途十分廣泛,發展前景看好。

醋酸乙醇酯化法是我國大多數生產企業都采用的方法,也是最常見的生產方法。在催化劑存在下,醋酸和乙醇發生直接酯化反應生成粗醋酸乙酯,再經脫水、精餾提純得醋酸乙酯產品[1]。其反應化學方程

1 醋酸乙酯工藝流程簡述

兗礦國泰化工有限公司現有一套醋酸乙酯裝置,采用傳統的酯化合成技術。利用國泰公司生產的醋酸和外購乙醇在催化劑的作用下發生酯化反應,生成醋酸乙酯。醋酸和乙醇在反應釜內發生酯化反應,生成醋酸乙酯和水,再進入精餾塔進行精餾,塔頂采出冷凝、分層后進入成品塔,進一步精餾,成品塔底部采出最終醋酸乙酯產品。簡單的工藝過程如下:

2 醋酸乙酯裝置運行現狀

自運行達產以來,雖然系統生產比較穩定,但產品質量有波動,副產物所占比例較大,部分產品指標離高端客戶的要求還有一定距離,裝置需要進一步優化。主要存在以下問題:

1)酯化反應易生成中沸點物質丙酸乙酯。目前丙酸乙酯很難脫除,將被帶到成品中,它是影響產品醋酸乙酯純度的主要因素;

2)目前精餾塔分層器分層效果不理想,導致成品塔負荷較大;

3)隨著負荷的不斷提高和環保的要求,回收系統處理能力需要提高。

回收塔的作用是處理系統產生的廢水,使其達到環保要求后外送。系統產生的廢水中含有部分有機物,進入回收塔后進行精餾,廢水中的有機物作為輕組分從塔頂餾出,其中含有大部分乙醇和乙酯,餾出物部分作為回收塔回流,部分物料送入反應釜中,其中乙醇繼續參加反應。處理后廢水在回收塔底部采出。為使塔頂餾出物中乙醇含量達到最大,水含量達到最小,但必須使塔底排除廢水COD達到要求,須對回收系統進行優化。

3 裝置優化運行措施

針對出現的問題,為提高產品質量,降低原料、蒸汽等消耗,我們制定了系統運行優化具體實施方案。

3.1 中組份采出優化方案

(1)計算不同組份的共沸物沸點,通過提高反應轉化率和各組份的性質,確定系統整體方案。

與此同時，結構性調整加速優勝劣汰。2017年，“新三板”整體退市率為6.1%，其中只有14.7%的企業達到首次公開募股（IPO）財務標準。[2]繼2017年“世紀天鴻”登陸A股后，2018年6月，“中信出版”和“億童文教”在“新三板”停牌并正式進入IPO審核階段，如果成功則轉板率大大高于其他細分行業。另外，30家“新三板”新聞和出版企業的平均凈資產收益率出現波動，負值企業從2015年的4家上升到2017年的8家，其中2家面臨退市風險。

(2)醋酸和乙醇反應生產醋酸乙酯和水,反應條件采用醋酸過量。乙醇、水、乙酯形成三元共沸物,常壓下沸點在70.1℃。

由于原料醋酸中含有一定量的丙酸,與乙醇反應生成丙酸乙酯,中組份丙酸乙酯生成的多少,跟原料醋酸中的雜質有關,無論原料醋酸中含有多少丙酸都會導致中組份物質的產生。丙酸和乙醇反應生成丙酸乙酯和水,反應方程式如下:

(3)在精餾塔上確定合理的中組份采出口

中組份丙酸乙酯在反應釜內生成后,會跟隨氣相物料進入精餾塔。由于它的沸點比醋酸乙酯、水、乙醇三元共沸物低。要想去除掉中組份,必須在精餾塔中部找出合理的采出口,將其采出至中間罐區。通過對丙酸乙酯在操作壓力下的沸點計算和實際分析數據得知,精餾塔中部第13、15、17層塔板為中組份采出的最佳位置。所以需對精餾塔進行改造,增加中組份采出口。

同時由于精餾塔第13、15、17層塔板三點溫度較高:在115℃左右,需進行降溫后在送入中間罐區,所以中組份采出后需增加冷卻器。將中組份溫度降至40℃左右。工藝流程優化設計簡圖如圖1。

圖1 工藝流程圖

中組份丙酸乙酯物質在精餾塔中部采出后,靠精餾塔內壓力壓入中組份冷卻器,然后送入中間罐區,中組份采出量由新增的調節閥控制。

3.2 分層器結構改造優化

3.2.1 分層原理

醋酸乙酯和水的不互溶性和比重的不同,在分層器中進行上下分層,水的比重較大,在下層;乙酯的比重較輕,在上層。其中乙醇的含量也影響著分層效果,乙醇含量越多,分層效果越不理想。當乙醇含量大于9%時,基本上就不再分層了。

3.2.2 實際運行狀態

目前分層器分層效果不理想,分層器中水相和有機相中有一層混合區域,影響著分層效果。有機相中,酯含量在85%左右,乙醇含量在3%左右。精餾塔分層器有機相、水相物料含量如下表1。

3.2.3 優化方案

(1)在分層器內部增加擋板,將分層器分為兩段,擋板頂端留有一定空間。

(2)在分層器左端底部增加一水相采出管口。

(3)新增水相采出管口連接到原水相采出管線,并增設分層器左端液位調節閥。

方案說明:在分層器內部增加填料和擋板,初步分層后,有機相從頂部越過擋板,水相從擋板穿過。分層器內越接近頂部,乙酯含量越高,從擋板頂部越過的高濃度的有機相相當于進行兩次分層。通過實驗,有機相酯含量可達到92%～93%,乙醇含量可降低到1.5%左右。

表1 精餾塔分層器有機相、水相物料含量表

圖2、圖3為改造前后物料在分層器內的分布情況。

圖2 改造前物料在分層器內的分布

從圖2可以看出,由于分層器進料量較大,造成分層器內混合相較多,影響著有機相和水相的質量。

從圖3可以看出擋板右側分層效果明顯好轉,混合相幾乎沒有。

優化后流程圖如下圖4。

圖3 改造后物料在分層器內的分布

圖4 優化后流程圖

3.2.4 優化后后流程說明

物料進入分層器后,首先在分層器左段進行分層,左端段界面通過新增調節閥進行控制,左段分層器后的有機相通過擋板頂部進入分層器右段,在再進行第二次分層,右段界面通過調節閥進行調節。

3.2.5 優化后分析數據對比如下表2

表2 優化后分析數據對比表

從表2可以看出,優化后作為成品塔進料的有機相的酯含量明顯提高,而水含量也降低,這樣大大降低了成品塔的負荷,減少蒸汽的消耗,提高產品質量。

3.3 回收系統優化

回收塔進料是由精餾塔分層器和成品塔分層器的水相組成,其中含有部分醋酸乙酯和乙醇。物料進入回收塔進行精餾,回收塔頂部餾出物含有乙酯、乙醇和水,目前乙醇含量占32.3%,水含量占10%。這部分物料物被送入合成工段,其中乙醇繼續參加反應,乙酯則用來帶出反應釜內的水,過量的水進入反應釜后,會阻止反應向生產酯的方向進行。因此要避免回收塔頂產生過量的水。為減少原料消耗和精餾塔的負荷,需減少回收塔頂采出的水含量,增加乙醇含量。

根據乙酯、乙酯和水的共沸物的特點,找出回收塔底合理的操作溫度和回收塔合理的回流量,來提高塔頂采出的乙醇的含量,降低水含量。

成品塔底部所排廢水COD含量與塔底蒸汽、回收塔進料組份有關,在確保塔頂餾出物的質量前提下,進一步降低廢水COD含量是難點。通過對回收塔進料組成的優化(酯化、精餾系統的優化)來保證回收塔進料質量(增加進料水含量)。通過計算和化學分析來確定回收塔底部、頂部的最佳溫度控制指標。

4 優化后運行效果

整個裝置經過優化改造后,經過不斷地操作控制,同時進行反應釜組份、分層器有機相、中組份、輕組分、回收塔頂部餾出物、醋酸乙酯成品的分析,指標逐漸向優化后指標靠攏。成品塔蒸汽用量每小時減少1～2t,產品質量進一步提高,每噸產品價格可增加200元,增加公司效益。同時排放廢水COD將降至150×10-6以下,減少公司污水處理量。

[1] 宋勤華,邵守言.醋酸及其衍生物[M].北京:化學工業出版社,2008:197-208.

Operation Optimization of Production System for Ethyl Acetate Plant

SUN Jing-ming,JIANG Zai-cheng,ZHANGBao-cai
(Yankuang Cathay Coal Chemical Co.,Ltd,Tengzhou277527,China)

It is more mature and extensive to produce ethyl acetate by esterification.In order to improve market competition and increase profits,enterprises should emphasize on such things like increasing ethyl acetate quality and decreasing production consumption,etc.This article discusses such issues in ethyl acetate plant by esterification like product’s quality improvement and consumption reduction,etc.

esterification;ethyl acetate;optimized operation

F426.7

A

1003-6490(2010)03-0045-04

2010-08-15

孫景明(1979-),男,黑龍江省北安市人,2003年畢業于黑龍江科技學院化工工藝專業,助理工程師,現從事煤化工生產技術管理工作。聯系電話:13455069667