醋酸乙酯反應精餾節能技術的應用

張宇 常亮(兗礦魯南化工有限公司，山東 滕州 277500)

0 引言

兗礦魯南化工有限公司(簡稱“魯南化工”)18萬t/a醋酸乙酯裝置，主要包括酯化、精餾、成品、回收四個生產單元，共計3塔1釜，對比國內其他廠家的五塔運行流程，魯南化工乙酯裝置減少了萃取和脫酸兩套工序。所以從工藝流程來說，魯南化工醋酸乙酯裝置處在領先地位。但是魯南化工醋酸乙酯裝置中反應釜與精餾塔分開設置，在實際運行中存在工藝復雜、反應釜組分調節難度大、蒸汽單耗高的問題。目前醋酸乙酯產能過剩，市場競爭激烈，要想占領市場，必須對系統進行優化和新工藝開發研究，以提高裝置的運行可靠性，降低產品能耗，提高產品質量。通過分析找到癥結所在，魯南化工對醋酸乙酯裝置實施了反應精餾節能技術攻關。

1 現狀

魯南化工醋酸乙酯裝置采取酯化反應，反應釜與精餾塔分開設置。醋酸和乙醇混合后進入反應釜(R2001)，由蒸發器循環泵(P2001)輸送至反應釜頂部的降膜再沸器(E2001)，降膜再沸器下部出來的未反應物料和新鮮料進一步在反應釜中進行可逆反應。反應釜底部液體被蒸發器循環泵連續送往降膜再沸器。被再沸器加熱的混合料閃蒸成氣液兩相，氣相由反應釜頂部進入精餾塔(T2001)底部，液相回到反應釜繼續反應。精餾塔目的是將醋酸乙酯和水分離出來，醋酸乙酯、乙醇、水的共沸物從精餾塔(T2001)頂部餾出，而多余的醋酸、乙醇積聚在精餾塔底部，由精餾塔循環泵(P2002)送回反應釜，流程示意圖如圖1所示。

在實際運行中，醋酸乙酯裝置存在以下問題：(1)反應釜和精餾塔單獨設置，中間由泵和管道聯通，其附屬管道、設備增加，加之精餾塔、反應釜底部裸露，熱量損失大；(2)加熱后出再沸器的混合物料閃蒸氣化，氣相經管道進入精餾塔，無形中阻力增加，消耗動能增加；(3)精餾塔底部物料經精餾塔循環泵返回反應釜，一方面使工藝流程復雜化，另一方面增加了設備運行維護費用和工作量；(4)因反應釜與精餾塔分開設置，在高負荷運行狀態下，精餾塔底部液位控制難度大，增加了反應釜組分調節難度，降低了原料轉化率，產能受限，能耗升高。

圖1 醋酸乙酯生產流程

2 反應精餾節能技術運用

2.1 可行性分析

醋酸乙酯的反應過程是可逆的，反應體系中催化劑、反應物和生成物的揮發度逐漸增大，可以將精餾過程和反應過程同時進行。相對于原裝置工藝來講，采取反應精餾技術有利于簡化工藝流程、提高轉化率、降低蒸汽單耗，從而達到節能、增產、提質、降本的目的，主要優點介紹如下：(1)精餾過程和反應過程在反應精餾塔中同時進行，雖使裝備復雜化，但是工藝過程得到有效優化，簡化了操作過程，能耗低，操作費用低，投資少[1]；(2)醋酸乙酯酯化反應為吸熱反應[2]，相比反應釜和精餾塔分開供熱方式，由反應精餾塔再沸器統一供熱，能避免重復加熱和冷卻，蒸汽單耗得以有效降低；(3)醋酸乙酯的反應為可逆過程，生成物(醋酸乙酯和水)被最大可能分離出來，使得化學平衡向目標方向移動，轉換率得以提高，降低了粗酯中乙醇含量，成品工序負荷得以降低，從而提高產品產能與質量；(4)反應與精餾在同一設備中進行，相比反應與精餾分開進行的工藝，在反應釜組分調節上更為簡單，調節手段更為有效。

2.2 研發改造

研究開發醋酸乙酯反應精餾系統，實現原裝置工藝技術升級，達到節能降耗目標。具體研發內容如下：(1)設計反應精餾系統的初步工藝流程。參考相關文獻，并對體系的特點進行理論上的分析，設計出采用反應精餾技術生產醋酸乙酯的初步工藝流程。(2)根據所設計的工藝流程創建反應精餾系統的模擬模型。Aspen Plus是一種廣泛應用于化工過程的研究開發、設計，生產過程的控制、優化及技術改造等方面的性能優良的軟件[3]。使用AspenPlus軟件，創建醋酸乙酯反應精餾工藝流程模型，并進行模擬。(3)收集裝置運行數據，通過實驗研究，補充部分反應和精餾數據。由于本研究采用模擬軟件對上述流程進行建模、模擬計算和優化，需要利用一部分現有裝置生產運行數據對模型進行校核和修正。因此，在對流程進行分析的基礎上，根據模擬計算的經驗和需要，收集現場裝置運行數據。(4)通過物性模擬軟件擬合相關的反應和熱力學參數，建立相應的數學模型和熱力學模型，并利用這些參數對模擬模型進行修正。為更準確地對反應精餾合成醋酸乙酯的流程進行模擬，需要對創立模型進行參數修正。根據魯南化工現有醋酸乙酯裝置的運行數據，對所建立的模擬模型進行參數的修正。(5)利用修正后的模型，對反應精餾系統進行模擬計算和優化設計，對初步的工藝流程進行改進，并得到較適宜的操作條件。修正模擬模型，并對新工藝流程進行模擬優化，不斷優化進料比、塔盤溫度、壓差、采出比等變量，得到最佳的工藝操作條件，以便提升產品純度，提高產品產量及降低蒸汽單耗。(6)實施改造，建立反應精餾系統，優化調整工藝指標，提升工藝技術，從而達到節能降耗、提質增產的目的。優化后的反應精餾裝置如圖2所示。

圖2 優化后反應精餾裝置

3 應用效果

3.1 項目實施前后工藝流程對比

項目實施前，精餾塔底部物料經精餾塔循環泵打回反應釜，一方面增加了動力消耗和熱量損失，另一方面增加了設備維護的費用和檢修工作。同時，反應釜與精餾塔是分離的，在系統高負荷運行的狀態下，精餾塔液位的控制難度很大，同時加大反應釜組分調節難度，為系統的安全穩定生產埋下隱患。通過項目實施反應釜與精餾塔組合成反應精餾塔，精餾塔內物料依靠重力返回至反應釜，取消了精餾塔循環泵，簡化了工藝操作，便于反應釜組分調節。

3.2 項目實施前后產量和蒸汽單耗數據對比

項目實施前裝置產量和蒸汽單耗如表1所示。其中平均蒸汽單耗2264kg/t，平均班產量180t/班。

項目實施后，裝置進行了72h性能考核，相關運行數據如表2所示。其中平均蒸汽單耗1730kg/t，平均班產量195t/班。

項目實施后，醋酸乙酯產品蒸汽單耗為1730kg/t，比項目實施前蒸汽單耗2264kg/t降低了534kg/t。

表1 項目實施前裝置產量和蒸汽單耗統計表

表2 項目實施后裝置產量和蒸汽單耗統計表

項目實施后醋酸乙酯產品平均班產量195t/班，比項目實施前平均班產量180t/班提高了15t/班，年產能可提升1.5萬t/a。

3.3 項目實施前后產品質量數據對比

項目實施前后裝置產品質量數據如表3所示。

表3 項目實施前后裝置產品質量統計表

項目實施后醋酸乙酯產品質量由99.83%提升到99.91%，雜質乙醇含量由0.021%降至0.003%，雜質水含量保持不變，雜質酸含量由0.0035%降至0.0031%。

4 結語

采用反應精餾技術，將反應釜與精餾塔組合成反應精餾塔，精餾塔內的物料依靠重力返回至反應釜，取消了精餾塔循環泵，便于反應釜組分調節，提升了醋酸乙酯工藝技術，簡化了工藝操作。采用反應精餾技術，使得工藝流程得到優化，去除了相關動力設備，有效降低了動力設備運行維護費用和工作量。醋酸乙酯的反應為可逆過程，生成物(醋酸乙酯和水)被最大可能分離出來，使得化學平衡向目標方向移動，轉換率得以提升，降低了粗酯中乙醇含量，成品工序負荷得以降低，使得產品蒸汽單耗大幅度降低，產能得到進一步提升。