醋酸生產精餾工藝研究

高 希 徐航 宋菲菲

上海建安化工設計有限公司 （上海 200437）

工作研究

醋酸生產精餾工藝研究

高 希 徐航 宋菲菲

上海建安化工設計有限公司 （上海 200437）

某公司生產助劑醋酸酯，副產醋酸，因醋酸質量分數較低不能滿足產品要求，為了提高醋酸產品的附加值，采用精餾塔對醋酸進行濃縮提純，并探討了回流比、理論塔板數對精餾過程的影響。

醋酸 醋酸酯 精餾

醋酸是重要的有機化工原料之一，是大宗化工產品中最重要的有機酸之一。醋酸又名乙酸，主要用于生產乙酸乙烯、乙酸酯和醋酸纖維素等。聚醋酸乙烯酯可用來制備薄膜和黏合劑，也是合成纖維維綸的原料；醋酸纖維素可制造人造絲和電影膠片；乙酸酯是優良的溶劑，廣泛應用于工業生產。醋酸還可用來合成丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯、鹵代乙酸等，制造藥物（如阿司匹林），生產醋酸鹽等。醋酸在農藥、醫藥和染料、藥品制造、織物印染和橡膠工業中都有廣泛應用。某公司在生產醋酸酯的過程中副產大量醋酸，但由于醋酸質量分數較低需要將其濃縮提純，以達到國家標準要求，增加產品的附加值。根據節能降耗的原則，本研究采用單塔精餾的方式處理副產醋酸，達到節約能源、減少費用的目的。

1 精餾原理

利用醋酸和醋酸酯揮發性的差異，通過液相和氣相的回流，使氣、液兩相逆向多級接觸，在熱能驅動和相平衡關系的約束下，使得輕組分醋酸不斷從液相向氣相中轉移，而難揮發組分醋酸酯由氣相向液相中遷移，從而使混合物不斷分離，該過程稱為精餾。精餾過程中，傳熱、傳質同時進行，屬傳質過程控制。原料從塔中部適當位置進塔，將塔分為兩段，上段為精餾段，下段含進料板為提餾段，冷凝器從塔頂提供液相回流，再沸器從塔底提供氣相回流。氣、液相回流是精餾的重要特點。在精餾段，氣相醋酸在上升過程中不斷得到精制，體積分數逐漸增加，最終在塔頂獲得輕組分產品。在提餾段下降過程中，液相中的輕組分醋酸不斷被提餾出來，使重組分在液相中不斷地被濃縮，最終在塔底獲得重組分產品。

1.1 物性方法

Renon和Prausnitz發展了Wilson的局部組成概念，在關聯局部組成與總體組成的Boltzmann型方程中，引入新的參數導出非隨機雙液相（NRTL）模型[1]。NRTL方程屬于局部組成概念模型。采用該算法的原因是因為水和醋酸互溶,并且醋酸分子間的強氫鍵引起氣相分子的締合，使得醋酸-水體系的非理想性強烈，不能被忽略。對于二元體系，NRTL方程通式為：

式中，τji=(gji-gii)/RT，Gji=exp(-ajiτji)，aji=aij。

GE為超額吉布斯（Gibbs）自由能；R即通用氣體常數，取8.314 J/(mol·K)；T為溫度；i，j，k，l為組元；xi為組元i的總體平均物質的量分數；yi為真實溶液中組元i的活度系數；gij為i-j分子對的相互作用能；gii是i-i分子對的相互作用能；aij是組元i和組元j之間的參數，稱為非隨機參數。

2 流程模擬

2.1 原料組成

副產醋酸組成見表1。

表1 原料組成

2.2 設計條件

裝置處理量為2.5 t/d，產品質量分數為0.99，每年實際生產時間為7200 h。

2.3 流程簡述

由圖1可見，原料由原料進料泵（P101）泵入精餾釜（E101）中，E101采用蒸汽加熱，控制塔釜溫度為139℃；在醋酸精餾塔（T101）中實現氣液分離，醋酸經過塔頂冷凝器（E102）進行冷凝，通過回流控制器控制回流比，在前餾分罐（V101）產出合格的醋酸產品。各設備中，塔頂冷凝器為石墨材質，精餾釜、醋酸精餾塔、前餾分罐均為搪瓷材質。

2.4 精餾過程模擬計算

2.4.1 理論塔板數和回流比的關系

在保證醋酸質量分數大于99%的前提下，進行回流比和理論塔板數關系分析，理論塔板數與回流比的關系結果見圖2。當回流比較小時，為了保證產品質量，所需的理論塔板數較多；但當回流比在4.0～4.5之間變化時，相應的理論塔板數變化不大。

2.4.2 回流比與加熱量、冷凝量的關系

在精餾過程中，回流比與加熱量、冷凝量的關系對于能量的消耗具有重要意義。回流比與加熱量、冷凝量的關系見圖3。

從圖3可以看出，精餾塔的加熱量、冷凝量主要與回流比有關，并且成正相關關系，隨著回流比的增加，加熱量、冷凝量也相應增加。

圖1 流程簡圖

圖2 理論板數與回流比的關系

圖3 回流比與加熱量、冷凝量的關系

綜合對圖2和圖3的分析，選擇回流比為4.0～4.5，理論塔板14～18塊，則醋酸精餾流程計算結果如表2所示。

3 工程應用

根據本設計計算結果進行工程設計，精餾塔采用常壓操作，塔的設計直徑為700 mm，填料層高度為9000 mm，實際操作回流比為4，塔頂溫度為117℃，塔底溫度為140℃；塔頂醋酸經過換熱器冷卻到54℃，作為合格產品出裝置。采用該精餾塔現場生產醋酸的質量分數不低于99%，滿足工業醋酸的國標要求，說明設計達到預期的目的。

表2 流程計算結果

4 結語

（1）為提高副產物醋酸的質量分數，增加一個精餾塔，對醋酸進行精制，使其變成高附加值產品，并在實際運用中取得了很好的效果。

（2）對精餾過程進行模擬計算,并討論了影響精餾過程的主要因素（回流比、理論塔板數等）。得到了精餾操作的較佳操作條件：回流比為4.0～4.5，理論塔板14～18塊，并給出了產品的物料組成。

（3）此套精餾塔投產后，年產醋酸30萬t，表明所采取的精餾方案切實可行，工藝合理，裝置運行平穩且產品質量合格。該裝置減少了廢液、廢氣排放量，改善了工廠的環境，同時提高了產品收率。

[1]朱自強,徐迅.化工熱力學 [M].北京,化學工業出版社, 1991.

Study on Distillation Process of Acetic Acid Production

Gao Xi Xu Hang Song Feifei

A company produces additive acetate,and the by-product is acetic acid.Because the content of acetic acid is low and can not meet the requirements of direct use.In order to increase the added value,the distillation column is used to concentrate the acetic acid.The influences of reflux ratio and theoretical plate number on the distillation process are also discussed.

Acetic acid;Acetate;Distillation

TQ028.3+1

2017年4月

高希 女 1983年生 碩士 工程師 主要從事化工設計工作