醋酸乙酯生產裝置中精餾分離系統的模擬和優化

摘 要：酯化塔和精制塔是現有的醋酸乙酯生產裝置精餾分離系統中最重要的兩部分。文章積極運用行業內先進的仿真模擬軟件，模擬研究并優化了現有化工企業中生產醋酸乙酯產品裝置的精餾分離系統。針對生產流程中的特定因素分析酯化塔和精制塔對醋酸乙酯產品的質量影響，以期使工業化醋酸乙酯生產得到優化。

關鍵詞：醋酸乙酯；精餾分離；模擬優化

我國大多數醋酸乙酯廠因近年來國內甲醇羰基合成法生產醋酸技術發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工業手段。目前行業內廣泛使用的醋酸乙酯生產裝置中精餾分離系統在結構和性能上仍存在改進空間，能耗較高，能夠從實際出發確定詳盡的酯化塔和精制塔系列參數，將有力推動醋酸乙酯的化工發展。文中將優先推廣運用行業內先進的仿真模擬軟件Aspen Plus，模擬研究并優化現有化工企業中生產醋酸乙酯產品裝置的精餾分離系統。針對生產流程中的特定因素分析酯化塔和精制塔對醋酸乙酯產品的質量影響，通過對比工業實際和計算機系統的計算結果，能夠實現工業化醋酸乙酯生產進一步優化提高。

1 有關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

運用酯化法進行醋酸乙酯工業生產中的精餾工藝，是指在酯化反應器中按比例放入乙酸和乙醇，以硫酸作為催化劑，在反應器內蒸汽加熱的條件下混合進行酯化反應，反應后將得到醋酸乙酯、水、乙醇混合而成的二元共沸物和三元共沸物進入酯化塔分離，酯化塔塔頂物料經過冷卻分相后得到粗酯，而塔底會出現沸點較高的成分如醋酸和少量的醋酸乙酯、水等，經過上述步驟的分離過程，剩余物質將再次返回酯化反應器的酯化高壓釜，釜內可以進行高壓反應。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二元及三元共沸物，這些共沸物正是物料經過冷卻實現分相得到的。這時候出現在精制塔塔底的物質就是工業成品醋酸乙酯。

1.2 精餾分離次序分析

從醋酸乙酯的酯化反應器頂部出來的各物料主要為醋酸乙酯、水、乙醇和已呈現氣體狀的醋酸物質。醋酸乙酯生產裝置中精餾分離系統的工作機理也是完成醋酸乙酯、水、乙醇和已呈現氣體狀的醋酸各種初期物質或混合生成物的分離。根據二元共沸物和三元共沸物中測定出的共沸物溫度統計研究，結合相關的文獻數據能夠得出醋酸乙酯的酯化反應器中所有物質具有較為規律的分離順序。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器的酯化塔產出，這種做法是出于設備材料在內料的處理過程中防止精制塔免受醋酸的強腐蝕性破壞。經過研究可知，仿真模擬軟件Aspen Plus中內嵌的NTRL-HOC熱力學模型，能夠準確的模擬預測出酯化反應器中物質的共沸點溫度，能夠分析出與實際文獻數據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 精餾分離系統的相關模擬結果

2.1 精餾分離環境中各指數模擬結果

以某化工廠為例，其廠區設置的醋酸乙酯生產裝置能夠實現年產十萬噸生產任務，從醋酸乙酯酯化塔頂部排出的氣體狀態物量為每小時0.104？鄢103噸，在酯化反應器中，醋酸乙酯的質量分數為26.2%、醋酸的質量分數為65.6%、水的質量分數為7.6%、乙醇的質量分數為0.6%。保持醋酸乙酯生產裝置中精餾分離系統中的酯化塔和精制塔均在常壓狀態。通過實地考察確定兩個塔內都是用板波紋填料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50塊；精制塔的填料高度測得為9米，理論板數擁有35塊。根據行業國家標準可知，酸乙酯優等品醋酸乙酯的質量分數應該等于或者超過99.7%，乙醇的質量分數應該等于或者限制低于0.1%，水的質量分數應該等于或者限制低于0.05%，醋酸的質量分數應該等于或者限制低于0.004%。

2.2 模擬熱力學方程進行非理想性校正

要對整個精餾分離系統進行氣象非理想性校正時，應該采用相應的模擬熱力學方程來輔助完成。可以選用的狀態方程應該是能夠保證實現研究目的的標準方程。氣相狀態的逸度系數選用Hayden-O'connell模型計算，液相狀態的活度系數則選用NRTL模型計算，精餾塔的相關狀態設計描述采用RadFrac模塊完成。

2.3 生產裝置中酯化塔的相關模擬結果

（1）回流比測定值。精餾分離系統中的整個分離能夠實現，主要是根據回流原理來完成，即酯化反應器運作時大量高溫熱量在酯化高壓釜集聚積聚，使得在酯化高壓釜內產生更多的蒸汽，蒸汽上升后接觸塔頂發生冷凝作用，使得熱量迅速回落變為酯化高壓釜的液態物質，液態物質再次進入由高溫汽化開始上升，回流現象即產生。回流比的測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。根據這樣的描述我們應該積極減小回流比，才能確保整個生產裝置能量的過渡消耗。

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

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

2.4 生產裝置中精制塔的相關模擬結果

（1）回流比測定。通過軟件模擬統計能夠得出，當醋酸乙酯生產裝置中的精制塔將進料溫度設定為50度，將回流溫度設定為40度時，整個空間內的加熱量和冷凝量將隨著回流比的變化而出現正比變化。一旦回流比增加，加熱量和冷凝量的值就發生相應增加。

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

（3）精制塔中的進料溫度。通過上述各部分模擬研究結果，能夠確定當回流比為2.34時，當精制塔中的回流溫度設定在40度時，精制塔塔底是否能夠產出不同質量分數的醋酸、乙醇、水和醋酸乙酯取決于進料溫度的控制和改變。進料的控制中其預熱環節可以通過精制塔塔底的物料供熱來實現。如果進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荷，有效降低高壓釜中的蒸汽消耗。一般通過實際測試，精制塔的進料溫度一般可以預熱到50度，而其塔底的出料溫度為79.5℃。

2.5 模擬優化結論

從模擬優化提取數據能夠確定，酯化塔最佳工業運轉條件應該保持酯化塔塔頂回流溫度為25℃，回流比為2.75；精制塔最佳工業運轉條件應該保持塔頂回流溫度40℃、進料溫度為50℃、塔底出料溫度為79.5℃、回流比為2.34。醋酸乙酯產品質量能夠達到符合國家標準的乙酯優等品醋酸乙酯產品要求。

3 結束語

上文積極運用行業內先進的仿真模擬軟件，模擬研究并優化了現有化工企業中生產醋酸乙酯產品裝置的精餾分離系統，為了能使化工企業的醋酸乙酯產品質量達到符合國家標準的乙酯優等品醋酸乙酯產品要求。應該積極在酯化塔和精制塔的回流比、回流溫度、進出料溫度等因素上重點考察，應該嚴格控制各種物質的質量分數，不斷對生產工藝和各環節操作進行優化，推動醋酸乙酯工業生產穩步前進。

參考文獻

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