基于Aspen Plus的異丁烯氧化法制取MMA流程模擬

張麗君，王炎江，趙紫光

（河北農業大學理工學院，河北滄州061000）

如果想要實現一個完整的化工流程模擬，首先需要查閱文獻，尋找模擬設備需要的動力學參數，從而建立合理的流程。然后對流程進行參數優化，包括塔設備以及反應器等，再進行換熱網絡分析，調節換熱網絡圖，減少冷熱工程消耗量，使建立的模擬流程更加合理。

1 建立流程

我們的主要目的是通過異丁烯氧化法制備甲基丙烯酸甲酯（MMA），并且在反應過程中會產生副產物如叔丁醇，二甲醚，甲醇等。我們以C4為原料生產MMA，將流程分為四個工段。

第一工段為C4制取甲基叔丁醚（MTBE）。首先讓原料C4和原料甲醇進入原料混合器，混合后經換熱器進入反應器。該反應器為固定床式反應器，該反應的適宜溫度為35～55攝氏度之間，我們取45攝氏度（該反應器的反應溫度參數無需再優化）。在該反應器中，C4中的異丁烯與甲醇反應得到MTBE，同時還會生成少量的副產物。

第二工段是通過MTBE裂解生成高純異丁烯，來自第一工段的MTBE經過MTBE處理塔后以氣相的形式進入裂解反應器，反應后的產物進入冷卻吸收塔進行大致提純，得到的產物異丁烯進入異丁烯水洗塔、異丁烯脫重塔、異丁烯脫輕塔最終獲得高純異丁烯。同時，通過利用甲醇精餾單元對甲醇進行精制，得到的高濃度的甲醇作為副產品。

第三個工段是由高純異丁烯制備甲基丙烯醛（MAL）。異丁烯、氧氣、氮氣及水蒸氣（原料氣的摩爾組成為 I-C4H8：H2O∶O2：N2=1∶1.5∶2∶12）進入混合器混合，加熱至反應溫度后進入MAL合成反應器，在催化劑80（Mo12Bi1Fe2.0Co7.0V0.2Cs0.1）/20 Si的作用下發生氧化反應，隨即反應產物經換熱器進入MAL水洗塔，脫水后進入MAL精餾塔。

第四個工段為MAL制取MMA，MMA合成工段主要包括精餾塔，反應器，相分離器。MAL混合物與氧氣、甲醇進入混合器混合然后進入MMA合成反應器。反應產物先經進入分離器，然后讓脫水后的MMA流進精餾塔最終得到高純度MMA。精餾塔的作用是采用水作為萃取劑，將來自MMA合成反應器的反應液中的MMA通過萃取精餾分離出來。相分離器的作用是將液體MMA和水通過Decanter液液傾析器模塊，塔的中上部采出MMA，塔底采出水。

表1

2 參數優化

模擬的最終目的是為了優化流程，已達到經濟效益最好或者節能效果最佳的目的，對塔設備和反應器進行參數優化可達到節能效果。

在建立全流程模擬的過程中，對一些參數已經找到了最優方案，這些參數包括每個精餾塔的塔板數、回流比、進料位置以及吸收塔的氣液比等。將整個流程打通之后，先對流程中所用的所有未優化的塔設備進行優化處理，找出最優進料板位置、回流比、理論塔板數以及吸收塔的氣液比。其中一些操作壓力和進料溫度等參數是根據文獻確定的最佳操作條件，所以不需要優化這些參數。

3 換熱網絡的應用

中國國民經濟發展迅速，這不可避免地導致能源消耗大幅增加。我國的能源現狀不容樂觀，大量的能源消耗已經超過了預期消耗值，節約能源和提高能源利用率是實現可持續發展的重要措施。

換熱能減少能耗，亦可降低經濟費用，因此換熱是化工生產過程中必不可少的一部分。本項目分為混合C4制取MTBE工段、MTBE裂解制取高純異丁烯工段、異丁烯制取MAL工段和MAL制取MMA工段共四個工段。針對整個工藝流程的相關特性和布置情況，進行了如下的換熱網絡設計。

（1）利用Aspen EnergyAnalyzer的自動導入功能將全流程bkp形式的文件導入軟件，對流股進行分析，得出總成本與最小換熱溫差的關系、夾點個數、夾點溫度以及溫焓圖。

（2）先選擇自動換熱網絡，系統生成自動換熱方案。從生成的方案中綜合考慮換熱器個數，冷熱工程消耗量以及由于換熱面積所產生的設備投資費用，選取最優方案。

（3）得到初步換熱集成網絡圖后，我們開始進行手動換熱，主要從流股不穿過夾點，減少換熱器數量，減少換熱器的換熱面積，減少冷熱工程的消耗量等方面入手，在不斷地調整之后，獲得更加節能的換熱網絡。

（4）將最終得到的換熱網絡應用到Aspen Plus流程模擬中，比如更換換熱器的類型，將單股換熱器換成兩股換熱器，以便進行股間換熱以減少熱消耗，其余未換熱的流股則通過冷熱公用工程實現換熱，從而完成整個流程的換熱。

該項目基于經濟投入和節能的綜合效應優化了換熱網絡。優化后的換熱網絡所需要的換熱器數目為23臺，包含用于股流之間的換熱的換熱器11臺。熱集成前后冷熱公用系統比較如表1。

由上表1可知，換熱網絡的應用不僅降低了能耗并且達到了節能的目的。