反應精餾合成乙酸乙酯的模擬與分析

摘要：乙酸乙酯是一種非常重要的有機化工原料。乙醇、乙酸酯化法是國內目前合成乙酸乙酯的主要工藝方法之一，尤其是乙醇儲量豐富的地區。本文將反應精餾及ChemCAD流程模擬軟件等知識綜合利用，涵蓋了化工工藝學、化工分離過程、化工原理、化工熱力學及流程模擬軟件等多門學科。運用計算機模擬，對反應精餾體系進行模擬計算。

關鍵詞：乙酸乙酯? 反應精餾? 乙酸? 模擬計算

1 概述

乙酸乙酯是工業領域廣泛應用的一種脂肪酸酯溶劑，我們通常稱之為醋酸乙酯。目前，這種快干型溶劑因其高強溶解性能，在乙酸纖維、乙烯樹酯、合成橡膠等生產領域發揮了重要作用。

1.1 乙酸乙酯主要合成方法 現階段，國內外工業生產領域主要采用乙醇、乙酸酯化法、乙醇一步氧化法、乙烯加成法和乙醇脫氫法等制備工業乙酸乙酯。

1.2 乙酸乙酯生產工藝 在我國，大多數廠家都用醇酸酯化法制備乙酸乙酯。該方法涉及酯化塔、提濃塔、精制塔、低酯回收塔、廢水回收塔等幾道工序，要求采用連續法依次操作。

工藝特點：酯化釜是進行酯化反應的主要設備，但是要借助共沸精餾脫水和脫醇完成分離過程。在此期間，由于乙酸乙酯-水-乙醇三元共沸體系的特點，酯化塔塔頂有機相回流中含水量過大，使得回流帶水能力與設計要求之間尚有一定差距，所以酯化塔回流只能達到4～6的水平，并且進入精制塔的粗酯含水量大，在這種情況下，為了確保乙酸乙酯的純度、收率更接近設計值，塔頂回流比基本超過8。此外，原工藝為了控制材料消耗，低酯回收塔、精制塔、廢水塔均采出部分有機相回至酯化塔釜持續反應，使得部分水參與了工藝循環過程，后續分離塔內汽液負荷較大， 生產能力達不到預期水平。

由此可見，只要嚴格控制酯化塔頂含水量，就能有效降低操作回流比，從而避免過量的水參與循環過程，最后通過控制能耗有效降低乙酸乙酯制造成本。

2 乙酸乙酯反應精餾的模擬計算

2.1 反應精餾體系 酯化反應在酯化塔中進行。為了提高乙酸乙酯的產量，必須在溶劑中添加適量的催化劑，使化學溶劑充分反應，提高精餾分離效果。反應式如下：

CH3COOH+C2H2？圳CH3COOC2H5+H2O

為了使反應物加速轉化，筆者在塔中部位從不同的進料口分別添加了乙醇、乙酸。為了提高精餾分離效果，需從第6塊板添加乙酸水溶液，從第13塊板添加乙醇，兩種溶液經過充分的化學反應生成乙酸乙酯，最終從酯化塔塔頂出料。塔頂采用全凝器，須參考塔頂溫度及乙酸乙酯的摻量不斷調整回流比，從而保證順利出料。

按照前文所述的化學反應過程，整個反應和精餾分離過程均在塔內進行。操作人員主要根據反應段的塔板數及塔板持液量、塔釜持液量、回流比、分離段塔板數、物料循環量等判定其是否符合相關技術指標。塔內操作溫度會隨著操作壓力的調整呈現高低變化，但是只能在70～110℃之間變動，溫度過高或過低都可能影響化學反應的最終效果。

2.2 模擬計算

乙酸從第6塊塔板進料，流量為25kmol/h;含量為86%（摩爾分數）的乙醇水溶液從第13塊塔板進料，流量為50 kmol/h。乙酸和乙醇水溶液進料的溫度都是70℃，進料的壓力都是120kPa。精餾塔含18塊塔板，每塊塔板的持液量為0.02m3，板效率為0.6，忽略冷凝器，再沸器，第1、2、18塊塔板的反應。精餾塔的操作壓力為101.3kPa，回流比為6，再沸器的熱負荷為8000MJ/h，冷凝器采用全凝器。利用ChemCAD進行了模擬計算。從塔頂到塔底塔板溫度逐漸增加，溫度隨塔板數的變化關系不是線性的。乙酸乙酯的含量從塔頂到塔底逐漸減少，水的含量從塔頂到塔底是逐漸增加的。由于進料和反應的關系，乙酸的含量在第6塊塔板上達到最大值，乙醇的含量在的第13塔板上達到最大值。

3 工藝參數的優化

3.1 進料的醇酸比

乙酸的進料量25kmol/h，改變乙醇水溶液的進料量， 其它條件不變，考察酸醇比對塔頂乙酸乙酯產量的影響。計算結果如表1所示，表1中乙酸乙酯收率等于塔頂乙酸乙酯摩爾數除以進料乙酸的摩爾數。

表1? 酸醇摩爾比對乙酸乙酯收率的影響

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從表1可以看出，乙酸乙酯的收率隨著醇酸摩爾比的增加而增加，當醇酸1.1：1到1.6：1時乙酸乙酯的收率變化較大。當醇酸比大于1.6：1時，乙酸乙酯的收率變化很少，所以為了降低原料成本和分離費用，醇酸比采用1.6：1為合理。

3.2 乙酸進料板位置

在給定設備操作和進料條件下，既要兼顧分離效果和生產能力，又要盡量降低公用工程的消耗。如果再沸器的熱負荷降低，冷凝器的熱負荷也相應降低。在達到同樣分離效果和生產能力的前提下，應該盡量降低再沸器熱負荷。其它條件不變，調正乙酸進料板位置，考察進料板位置對再沸器熱負荷的影響。模擬計算結果如圖1所示。

在一定回流比的情況下，當乙酸進料位置太靠下時，由于反應段的減少使反應量減少，多余乙酸必須靠更多乙酸乙酯夾帶，則有機相回流量增加，即塔釜上升蒸汽量增大，導致塔釜熱負荷上升;而乙酸的進料位置太靠上時精餾段減少，使乙酸和酯不能有效分離，這時同樣需要增加有機相回流量，于是塔釜熱負荷升高。乙酸在第10塊進料時可達到最小熱負荷，選擇第10塊塔板為最優進料位置。

3.3 乙醇進料板位置

其它條件與3.2相同，調正乙醇水溶液的進料板位置，考察進料板位置對再沸器熱負荷和塔頂乙酸乙酯產量的影響。模擬計算結果如圖2和圖3所示。

我們希望再沸器熱負荷盡可能小，塔頂乙酸乙酯產量盡可能大。根據圖2和圖3，隨著乙醇進料板位置的增加，塔頂產品中乙酸乙酯的量增加，但是熱負荷也隨之增加。當進料板位置從13增加到18時，塔頂乙酸乙酯的量從2112.31增加到2115.31kg/h，變化幅度為0.15%，但是熱負荷從4142.22增加到4360.59

MJ/h，變化幅度為5.5%。熱負荷隨進料板位置的變化要比乙酸乙酯產量隨進料板位置的變化靈敏，綜合考慮選擇第13塊塔板為乙醇進211.5料板。

3.4 回流比

回流比在生產中是至關重要的操作參數，需要對反應精餾工藝的回流比進行分析，以獲得回流比與塔頂物料流股中乙酸乙酯的質量含量之間的關系，為實際生產提供指導。

在分析過程中，乙酸第10塊塔板進料。乙醇第13塊塔板進料，乙酸進料量25kmol/h，乙醇水溶液進料量46kmol/h，其它條件與2-3相同，調整回流比進行模擬計算，塔頂產品中乙酸乙酯量與回流比的關系圖4。

結果表明，塔頂產品乙酸乙酯含量與回流比的關系曲線呈現一極值點，回流比在1.8左右時乙酸乙酯產量達到最大。這是精餾分離過程中常見現象，尤其在可逆反應中會高頻出現。在極值點前，乙酸乙酯的最終產量多或少，主要取決于反應平衡對反應程度的約束作用。一般來講，回流比越大，越能使反應物與產物加速且充分地分離，產量就越多。但是回流比越大，塔板上的液相停留時間就越短。當回流比達到一定值后，能否快速、充分地轉化，還要看反應速率。反應速率越慢，產量就會相應的減少。鑒于此，在制備乙酸乙酯時，必須科學地把控回流比。一般來說，回流比控制在1.8就可以保證乙酸乙酯的產量。但是具體情況要具體對待，在實際生產時，應該按照產品純度要求、后續工藝特點來設計回流比，以期實現成本最低、產量最高的生產目標。

4 結論

綜上所述，本文所描述的工作和相關結論如下：

本文提出乙醇乙酸酯化法生產乙酸乙酯的反應精餾系統，并運用ChemCAD軟件對工藝進行了模擬計算。

乙酸的進料流量為25kmol/h，乙醇的進料流量50kmol/h。乙酸和乙醇水溶液進料的溫度都是70℃，進料的壓力都是120kPa。每塊塔板的持液量為0.02m3，板效率為0.6，精餾塔的操作壓力為101.3kPa。

對反應精餾模型參數進行優化分析，乙酸在第10塊，乙醇第13塊進料為最優進料位置，降低了公用工程用量;進料酸醇比1.6：1，保證醇的轉化率和精餾塔塔頂乙酸乙酯的產量;質量回流比取1.8較為合理。

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作者簡介：

秦宇（1986-），男，遼寧撫順人，助理工程師，學士學位，研究方向：化學。