摘要：乙酸乙酯是一種非常重要的有機(jī)化工原料。乙醇、乙酸酯化法是國(guó)內(nèi)目前合成乙酸乙酯的主要工藝方法之一，尤其是乙醇儲(chǔ)量豐富的地區(qū)。本文將反應(yīng)精餾及ChemCAD流程模擬軟件等知識(shí)綜合利用，涵蓋了化工工藝學(xué)、化工分離過程、化工原理、化工熱力學(xué)及流程模擬軟件等多門學(xué)科。運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)反應(yīng)精餾體系進(jìn)行模擬計(jì)算。

關(guān)鍵詞：乙酸乙酯? 反應(yīng)精餾? 乙酸? 模擬計(jì)算

1 概述

乙酸乙酯是工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(qiáng)溶解性能，在乙酸纖維、乙烯樹酯、合成橡膠等生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

1.1 乙酸乙酯主要合成方法 現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)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(yè)乙酸乙酯。

1.2 乙酸乙酯生產(chǎn)工藝 在我國(guó)，大多數(shù)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(xù)法依次操作。

工藝特點(diǎn)：酯化釜是進(jìn)行酯化反應(yīng)的主要設(shè)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(diǎn)，酯化塔塔頂有機(jī)相回流中含水量過大，使得回流帶水能力與設(shè)計(jì)要求之間尚有一定差距，所以酯化塔回流只能達(dá)到4～6的水平，并且進(jìn)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(shè)計(jì)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(jī)相回至酯化塔釜持續(xù)反應(yīng)，使得部分水參與了工藝循環(huán)過程，后續(xù)分離塔內(nèi)汽液負(fù)荷較大， 生產(chǎn)能力達(dá)不到預(yù)期水平。

由此可見，只要嚴(yán)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(huán)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(yīng)精餾的模擬計(jì)算

2.1 反應(yīng)精餾體系 酯化反應(yīng)在酯化塔中進(jìn)行。為了提高乙酸乙酯的產(chǎn)量，必須在溶劑中添加適量的催化劑，使化學(xué)溶劑充分反應(yīng)，提高精餾分離效果。反應(yīng)式如下：

CH3COOH+C2H2？圳CH3COOC2H5+H2O

為了使反應(yīng)物加速轉(zhuǎn)化，筆者在塔中部位從不同的進(jìn)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(jīng)過充分的化學(xué)反應(yīng)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(diào)整回流比，從而保證順利出料。

按照前文所述的化學(xué)反應(yīng)過程，整個(gè)反應(yīng)和精餾分離過程均在塔內(nèi)進(jìn)行。操作人員主要根據(jù)反應(yīng)段的塔板數(shù)及塔板持液量、塔釜持液量、回流比、分離段塔板數(shù)、物料循環(huán)量等判定其是否符合相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。塔內(nèi)操作溫度會(huì)隨著操作壓力的調(diào)整呈現(xiàn)高低變化，但是只能在70～110℃之間變動(dòng)，溫度過高或過低都可能影響化學(xué)反應(yīng)的最終效果。

2.2 模擬計(jì)算

乙酸從第6塊塔板進(jìn)料，流量為25kmol/h;含量為86%（摩爾分?jǐn)?shù)）的乙醇水溶液從第13塊塔板進(jìn)料，流量為50 kmol/h。乙酸和乙醇水溶液進(jìn)料的溫度都是70℃，進(jìn)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(yīng)。精餾塔的操作壓力為101.3kPa，回流比為6，再沸器的熱負(fù)荷為8000MJ/h，冷凝器采用全凝器。利用ChemCAD進(jìn)行了模擬計(jì)算。從塔頂?shù)剿姿鍦囟戎饾u增加，溫度隨塔板數(shù)的變化關(guān)系不是線性的。乙酸乙酯的含量從塔頂?shù)剿字饾u減少，水的含量從塔頂?shù)剿资侵饾u增加的。由于進(jìn)料和反應(yīng)的關(guān)系，乙酸的含量在第6塊塔板上達(dá)到最大值，乙醇的含量在的第13塔板上達(dá)到最大值。

3 工藝參數(shù)的優(yōu)化

3.1 進(jìn)料的醇酸比

乙酸的進(jìn)料量25kmol/h，改變乙醇水溶液的進(jìn)料量， 其它條件不變，考察酸醇比對(duì)塔頂乙酸乙酯產(chǎn)量的影響。計(jì)算結(jié)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(shù)除以進(jìn)料乙酸的摩爾數(shù)。

表1? 酸醇摩爾比對(duì)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(dāng)醇酸1.1：1到1.6：1時(shí)乙酸乙酯的收率變化較大。當(dāng)醇酸比大于1.6：1時(shí)，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(fèi)用，醇酸比采用1.6：1為合理。

3.2 乙酸進(jìn)料板位置

在給定設(shè)備操作和進(jìn)料條件下，既要兼顧分離效果和生產(chǎn)能力，又要盡量降低公用工程的消耗。如果再沸器的熱負(fù)荷降低，冷凝器的熱負(fù)荷也相應(yīng)降低。在達(dá)到同樣分離效果和生產(chǎn)能力的前提下，應(yīng)該盡量降低再沸器熱負(fù)荷。其它條件不變，調(diào)正乙酸進(jìn)料板位置，考察進(jìn)料板位置對(duì)再沸器熱負(fù)荷的影響。模擬計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

在一定回流比的情況下，當(dāng)乙酸進(jìn)料位置太靠下時(shí)，由于反應(yīng)段的減少使反應(yīng)量減少，多余乙酸必須靠更多乙酸乙酯夾帶，則有機(jī)相回流量增加，即塔釜上升蒸汽量增大，導(dǎo)致塔釜熱負(fù)荷上升;而乙酸的進(jìn)料位置太靠上時(shí)精餾段減少，使乙酸和酯不能有效分離，這時(shí)同樣需要增加有機(jī)相回流量，于是塔釜熱負(fù)荷升高。乙酸在第10塊進(jìn)料時(shí)可達(dá)到最小熱負(fù)荷，選擇第10塊塔板為最優(yōu)進(jìn)料位置。

3.3 乙醇進(jìn)料板位置

其它條件與3.2相同，調(diào)正乙醇水溶液的進(jìn)料板位置，考察進(jìn)料板位置對(duì)再沸器熱負(fù)荷和塔頂乙酸乙酯產(chǎn)量的影響。模擬計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。

我們希望再沸器熱負(fù)荷盡可能小，塔頂乙酸乙酯產(chǎn)量盡可能大。根據(jù)圖2和圖3，隨著乙醇進(jìn)料板位置的增加，塔頂產(chǎn)品中乙酸乙酯的量增加，但是熱負(fù)荷也隨之增加。當(dāng)進(jìn)料板位置從13增加到18時(shí)，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(fù)荷從4142.22增加到4360.59

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

3.4 回流比

回流比在生產(chǎn)中是至關(guān)重要的操作參數(shù)，需要對(duì)反應(yīng)精餾工藝的回流比進(jìn)行分析，以獲得回流比與塔頂物料流股中乙酸乙酯的質(zhì)量含量之間的關(guān)系，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

在分析過程中，乙酸第10塊塔板進(jìn)料。乙醇第13塊塔板進(jìn)料，乙酸進(jìn)料量25kmol/h，乙醇水溶液進(jìn)料量46kmol/h，其它條件與2-3相同，調(diào)整回流比進(jìn)行模擬計(jì)算，塔頂產(chǎn)品中乙酸乙酯量與回流比的關(guān)系圖4。

結(jié)果表明，塔頂產(chǎn)品乙酸乙酯含量與回流比的關(guān)系曲線呈現(xiàn)一極值點(diǎn)，回流比在1.8左右時(shí)乙酸乙酯產(chǎn)量達(dá)到最大。這是精餾分離過程中常見現(xiàn)象，尤其在可逆反應(yīng)中會(huì)高頻出現(xiàn)。在極值點(diǎn)前，乙酸乙酯的最終產(chǎn)量多或少，主要取決于反應(yīng)平衡對(duì)反應(yīng)程度的約束作用。一般來講，回流比越大，越能使反應(yīng)物與產(chǎn)物加速且充分地分離，產(chǎn)量就越多。但是回流比越大，塔板上的液相停留時(shí)間就越短。當(dāng)回流比達(dá)到一定值后，能否快速、充分地轉(zhuǎn)化，還要看反應(yīng)速率。反應(yīng)速率越慢，產(chǎn)量就會(huì)相應(yīng)的減少。鑒于此，在制備乙酸乙酯時(shí)，必須科學(xué)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(chǎn)量。但是具體情況要具體對(duì)待，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)該按照產(chǎn)品純度要求、后續(xù)工藝特點(diǎn)來設(shè)計(jì)回流比，以期實(shí)現(xiàn)成本最低、產(chǎn)量最高的生產(chǎn)目標(biāo)。

4 結(jié)論

綜上所述，本文所描述的工作和相關(guān)結(jié)論如下：

本文提出乙醇乙酸酯化法生產(chǎn)乙酸乙酯的反應(yīng)精餾系統(tǒng)，并運(yùn)用ChemCAD軟件對(duì)工藝進(jìn)行了模擬計(jì)算。

乙酸的進(jìn)料流量為25kmol/h，乙醇的進(jìn)料流量50kmol/h。乙酸和乙醇水溶液進(jìn)料的溫度都是70℃，進(jìn)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(duì)反應(yīng)精餾模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，乙酸在第10塊，乙醇第13塊進(jìn)料為最優(yōu)進(jìn)料位置，降低了公用工程用量;進(jìn)料酸醇比1.6：1，保證醇的轉(zhuǎn)化率和精餾塔塔頂乙酸乙酯的產(chǎn)量;質(zhì)量回流比取1.8較為合理。

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作者簡(jiǎn)介：

秦宇（1986-），男，遼寧撫順人，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：化學(xué)。