【正文】 華南理工大學(xué)化工學(xué)院過程模擬與優(yōu)化課程設(shè)計論文醋酸乙酯生產(chǎn)裝置的過程設(shè)計與能量優(yōu)化過程模擬與優(yōu)化課程設(shè)計醋酸乙酯醋酸丁酯聯(lián)產(chǎn)工藝設(shè)計完成人：李謙袁金彪指導(dǎo)教師：錢宇完成時間：2001年12月目錄1. 項目介紹 32 項目分析 3 醋酸乙酯、醋酸丁酯生產(chǎn)工藝 3 醋酸乙酯與醋酸丁酯的主要性質(zhì) 4 工藝分析 4 乙酯－丁酯聯(lián)產(chǎn)工藝 5 物料衡算 5 操作條件分析 6 改造方案 7 醋酸乙酯生產(chǎn)裝置改造方案 7 丁酯生產(chǎn)裝置的改進(jìn) 83 計算機(jī)模擬 94 乙酯生產(chǎn)裝置的能量集成 105 結(jié)論 11參考文獻(xiàn) 11附錄：完成的流程圖 121. 項目介紹廣州溶劑廠位于廣州市東郊，隸屬廣州珠江化工集團(tuán)股份公司，是一家以生產(chǎn)醋酸乙酯、醋酸丁酯等化工溶劑為主的中型國營輕化工企業(yè)。該廠現(xiàn)有醋酸乙酯裝置兩套、醋酸丁酯裝置四套、脲醛樹脂裝置七套、甲醛裝置四套以及配套的公用工程系統(tǒng)。該廠的醋酸乙酯、醋酸丁酯生產(chǎn)具有較長的歷史，并具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和一定的市場競爭能力。目前兩種產(chǎn)品的市場情況良好。在此基礎(chǔ)上，該廠準(zhǔn)備進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)能力，提出了設(shè)計醋酸乙酯、丁酯聯(lián)產(chǎn)裝置的設(shè)計要求:年產(chǎn)5萬噸醋酸乙酯/醋酸丁酯聯(lián)產(chǎn)新工藝要求為：1. 醋酸乙酯/醋酸丁酯采用聯(lián)產(chǎn)方式，在同一反應(yīng)器中反應(yīng)。2. 優(yōu)化分離流程，以節(jié)約操作費用。3. 進(jìn)行能量優(yōu)化。4. 產(chǎn)品指標(biāo)：醋酸乙酯醋酸丁酯密度含量=99%含量=%水分=%水分=%酸度=%酸度=%2 項目分析醋酸乙酯和醋酸丁酯是重要化工原料。廣泛應(yīng)用于油漆、涂料、油墨、人造纖維、醫(yī)藥等許多化工企業(yè)。目前，處于環(huán)?？紤]，采用醋酸乙酯和醋酸丁酯類溶劑來取代揮發(fā)性較強(qiáng)的有機(jī)物溶劑如苯等已成為趨勢，從而導(dǎo)致市場對醋酸乙酯和醋酸丁酯的需求逐年增加。%。因此該項目的研究具有很大的現(xiàn)實意義。通過文獻(xiàn)查閱并結(jié)合廠方提供的資料，我們對本項目進(jìn)行了項目分析。 醋酸乙酯、醋酸丁酯生產(chǎn)工藝醋酸乙酯的主要生產(chǎn)方法有：A. 醋酸乙醇酯化法B. 醋酸乙醛縮合法C. 乙醇脫氫法D. 醋酸乙烯加成法目前，珠江化工廠采用的是醋酸乙醇酯化工藝，酯化法的優(yōu)點在于工藝簡單，操作方便，目前在我國被廣泛使用；主要缺點酯化后分離困難，能耗較大。醋酸乙醇酯化法制備醋酸乙酯的工藝流程為：醋酸丁酯的主要生產(chǎn)方法為：A. 醋酸丁醇酯化法B. 醋酸丁烯加成法珠江化工廠現(xiàn)采用醋酸丁醇酯化工藝，流程與乙酯工藝相同。值得注意的是，酯化法目前在國際上已經(jīng)逐步被醋酸乙烯直接加成法所代替。加成法制備的醋酸乙酯無論從能耗、質(zhì)量上都優(yōu)于傳統(tǒng)的酯化法。目前加成法的核心技術(shù)仍然為國外少數(shù)公司所壟斷。如BP阿莫科公司。 醋酸乙酯與醋酸丁酯的主要性質(zhì)60醋酸乙酯：分子式：C4H8O2結(jié)構(gòu)式：CH3COOC4H9分子量：醋酸丁酯：分子式：C6H12O2結(jié)構(gòu)式：CH3COOC4H9分子量：醋酸乙酯、丁酯的共沸物成分：醋酸乙酯mol%水mol％乙醇mol％共沸點℃二元0二元三元9醋酸丁酯mol%水mol％丁醇mol％共沸點℃二元0二元三元數(shù)據(jù)來源：廣州溶劑廠、《溶劑手冊》。 工藝分析從以上介紹可知，目前酯化法生產(chǎn)乙酯、丁酯的技術(shù)已比較成熟，對反應(yīng)原理、機(jī)制已經(jīng)了解的比較透徹，所以我們的設(shè)計主要應(yīng)集中于工藝過程的優(yōu)化，以及能量利用系統(tǒng)的分析、優(yōu)化方面。圖1 醋酸乙酯酯化裝置從醋酸乙酯的核心生產(chǎn)裝置酯化裝置著手，進(jìn)行分析。酯化工段工藝如圖1所示：原料經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入酯化塔底部，反應(yīng)后的醋酸乙酯主要以酯水二元共沸物的形式從塔頂蒸出，經(jīng)冷凝后進(jìn)入液液分離器分層，廢水從分離器底部排出，粗酯一部分回流，另一部分作為產(chǎn)品送精制部分。該反應(yīng)是一個可逆反應(yīng)。增加反應(yīng)物的濃度和減少生成物的濃度有利于反應(yīng)向正方向移動。實際生產(chǎn)中，廠方采用醋酸過量，且通過蒸餾把生成的醋酸乙酯與水除去的方法提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。由于醋酸的沸點較高，精餾塔頂主要成分為醋酸乙酯和水共沸物。：1，而酯－醇－：1，而反應(yīng)生成的乙酯與水的mol比為1：1。為了把過多的水從釜中帶出，只得采用乙酯回流的方式。生產(chǎn)的乙酯大量回流，導(dǎo)致能耗升高，同時大大限制了裝置的生產(chǎn)能力。圖2乙酯－丁酯聯(lián)產(chǎn)裝置醋酸丁酯的生產(chǎn)工藝與乙酯相同，問題也類似。反應(yīng)生成的丁酯以共沸物的形式蒸出，共沸物中水的含量大大高于丁酯的含量，為了把多余的丁酯帶出酯化釜，需要把大量的水回流。從而造成了很高的能量消耗。 乙酯－丁酯聯(lián)產(chǎn)工藝 物料衡算從物性參數(shù)可知，乙酯共沸物中，水含量少，而丁酯共沸物中水含量過多，因此，我們設(shè)想將乙酯生產(chǎn)與丁酯生產(chǎn)結(jié)合起來，用乙酯過剩的水來補(bǔ)充丁酯不足的水，以減少外加乙酯和水的回流，降低能耗。乙酯共沸物共沸點約70℃，丁酯共沸物共沸點約90℃，相差20℃，可能用精餾的方法分離?；诖耍覀兲岢龅拇姿嵋阴ィ□ヂ?lián)產(chǎn)裝置如圖2所示：在同一套設(shè)備中生產(chǎn)乙酯與丁酯，乙酯從精餾塔頂分離，丁酯從側(cè)線采出。作物料衡算如下：假設(shè)理想狀況，反應(yīng)完全，物料以三元共沸物的形式蒸餾得到。令酸過量以提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，乙酯、丁酯產(chǎn)量為個1kmol/hr。聯(lián)產(chǎn)方案：反應(yīng)物生成物乙酸乙醇水乙酯乙酸乙醇水1－101乙酸丁醇－丁酯丁酸丁醇水1－101如果以三元共沸物的形式蒸餾分離，尚需要補(bǔ)充水（+）2＝原始工藝（乙酯、丁酯單獨生產(chǎn)）： 乙酯：反應(yīng)物生成物乙酸乙醇水乙酯乙酸乙醇水1101為了把反應(yīng)產(chǎn)生的水完全帶出反應(yīng)器，需要回流乙酯1/＝；乙醇：＝丁酯：反應(yīng)物生成物乙酸丁醇丁酯丁酸丁醇水1101為了把反應(yīng)產(chǎn)生的丁酯完全帶出反應(yīng)器，＝兩種方法相比：聯(lián)產(chǎn)單產(chǎn)差值蒸出量kmol外加回流kmol蒸出量kmol外加回流kmolkmol乙酯1乙醇丁酯11丁醇水兩種方法比較可知，聯(lián)產(chǎn)時，生產(chǎn)乙酯過剩的水可以由丁酯完全帶出，因此不需要回流乙酯。同時，丁酯所需的回流水量也減少了近1kmol。與傳統(tǒng)方法相比較，可以大大地降低能耗，同時，后續(xù)工序的處理負(fù)荷也有所降低。由于回流量大大減小，有可能增加現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力。 操作條件分析為了找到操作的平衡點，可以用以下公式計算，x、y為設(shè)備生產(chǎn)乙酯、丁酯的百分比。乙酯占產(chǎn)量的百分比圖3 聯(lián)產(chǎn)裝置操作線可以求得操作的平衡點為x＝，y＝，即設(shè)備不需外加補(bǔ)充回流。操作點以上，需補(bǔ)充水，操作點以下，需補(bǔ)充酯回流。如圖3所示。％時，需補(bǔ)充回流水，以滿足丁酯的分離需要。％時，不需補(bǔ)充回流用乙酯，可以用丁酯代替乙酯，以提高帶出水的效率。后者約為前者的60倍。經(jīng)過以上分析我們認(rèn)為，采用聯(lián)產(chǎn)工藝，可能極大的節(jié)省蒸餾分離所需的能耗，降低生產(chǎn)成本，且具有可行性。但是，在目前的條件下直接進(jìn)行工業(yè)級的設(shè)計，存在一些困難，主要在于：精餾過程存在多種二元、三元共沸物，缺乏必要的實驗數(shù)據(jù)。同時，新工藝需要新建一套反應(yīng)設(shè)備和兩套分離裝置，設(shè)備投資較大。為了慎重起見，我們提出，首先對現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)，從設(shè)備挖掘潛力入手，充分發(fā)揮設(shè)備的生產(chǎn)能力，同時在改造設(shè)備的運行中積累必要的試驗數(shù)據(jù)以用于新設(shè)備的設(shè)計工作。 改造方案改造方案是對現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行工藝優(yōu)化和能量集成，以在提高現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力的同時降低能量消耗。同時，設(shè)法積累試驗數(shù)據(jù)以用于下一步設(shè)計工作。該廠目前有醋酸乙酯裝置兩套，醋酸丁酯裝置四套，目前存在的主要已在上一節(jié)討論。我們提出的改造方案如下： 醋酸乙酯生產(chǎn)裝置改造方案醋酸乙酯生產(chǎn)裝置的改造方案如圖4所示：在現(xiàn)有乙酯裝置中加入少醋酸丁酯把多余的水蒸出。丁酯－水共沸物從側(cè)線采出。每生產(chǎn)1kmol的醋酸乙酯物料衡算見下表：反應(yīng)物生成物乙酸乙醇水乙酯乙酸乙醇水1101通過物料平衡可知，每生產(chǎn)1kmol乙酯()。如果用丁酯帶出水分，二元共沸（丁酯水體系），；三元共沸（丁酯水丁醇體系）。以現(xiàn)乙酯生產(chǎn)裝置能力20000噸計，需補(bǔ)充丁酯3452噸，丁醇4203噸，丁醇裝置精餾塔的負(fù)荷增加約為10%，在可以承受的范圍以內(nèi)。因此，不需對丁酯裝置作改動，只需增加一個副塔，就可以滿足要求。HAC酯化塔乙醇蒸汽酯化釜酯化重沸器H2SO4頭油凝結(jié)水蒸汽凝結(jié)水丁酯、丁醇醋酸來自萃取塔去乙酯分離去丁酯裝置副塔圖4 聯(lián)產(chǎn)裝置工藝流程圖4 乙酯生產(chǎn)裝置改造方案工藝圖改造方案的優(yōu)勢在于：l 充分利用現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力l 對原工藝改變不大，只需增加一個副塔，就可以大幅度降低能耗。l 加入酯量減少，可以利用剩余的設(shè)備能力增加乙酯的產(chǎn)量。l 丁酯生產(chǎn)裝置負(fù)荷增加不大，不需要進(jìn)行改造。l 可以為聯(lián)產(chǎn)設(shè)計提供必要的實驗數(shù)據(jù)。 丁酯生產(chǎn)裝置的改進(jìn)丁酯裝置目前存在的主要問題是：l 需大量回流水帶出丁酯。l 水汽化潛熱大。因此，裝置能耗較大。可能的方案：尋找另一種物質(zhì)l 可與丁酯構(gòu)成共沸體系l 形成的共沸物丁酯含量高l 易于下一步分離l 該物質(zhì)的氣化潛熱低3 計算機(jī)模擬使用Aspen對醋酸乙酯生產(chǎn)裝置和圖4所示的改造工藝分別進(jìn)行了模擬。通過比較，我們選定了NTRLRK模型作為熱力學(xué)模型。該模型液相采用活度系數(shù)法計算、氣相采用狀態(tài)方程法計算，適合于本項目所涉及的非理想體系，同時該方法的數(shù)據(jù)庫也較全。計算機(jī)模擬的結(jié)果見下表：塔操作條件：原生產(chǎn)裝置改造裝置塔頂溫度℃7272塔頂冷凝器熱負(fù)荷(mmKcal/h)塔釜溫度℃121119塔釜熱負(fù)荷(mmkcal/h)塔頂出料：乙酯(kg/h)水(kg/h)塔頂冷凝水(kg/hr)側(cè)線采出：丁酯（kg/h）水(kg/h)公用工程消耗：原生產(chǎn)裝置改造裝置加熱負(fù)荷(mmKcal/year)221218149997冷卻負(fù)荷(mmKcal/year)210695125314加熱用蒸汽量(t/year)468,864268,488冷卻水用量(t/year)12,529,4007,452,720加熱用蒸汽量(t/h)冷卻水用量(t/h)1582941加熱蒸汽量與冷卻水流量按照20000噸/年的產(chǎn)量折算。；冷卻水進(jìn)口溫度以20℃計，出口溫度按照40℃計算，采用Aspen的加熱器模型計算，連續(xù)生產(chǎn)時間以330天計。從以上計算數(shù)據(jù)中，我們可以看出，與原工藝相比，改進(jìn)后系統(tǒng)的加熱負(fù)荷和冷卻負(fù)荷均有較大的下降。，節(jié)省冷卻水用量641噸/小時。計算機(jī)模擬結(jié)果表明我們提出的改造方案是合理的。4 乙酯生產(chǎn)裝置的能量集成在對酯化塔進(jìn)行工藝改造的基礎(chǔ)上，我們對裝置進(jìn)行了能量衡算和分析。廣州溶劑廠歷經(jīng)多次擴(kuò)容、節(jié)能改造，已經(jīng)采用了一些局部的單元過程與設(shè)備及系統(tǒng)集成節(jié)能技術(shù)，如乙酯裝置的鹽水萃取節(jié)能新工藝、丁酯裝置熱回收利用措施等，工藝裝置能耗已顯著降低，用能水平逐步提高。但仍然存在相當(dāng)?shù)墓?jié)能改進(jìn)潛力。我們發(fā)現(xiàn)，在原工藝流程中，酯化塔以及原料預(yù)熱器產(chǎn)生的蒸汽冷凝水直接排放，造成了能量的浪費。為此，我們對酯化塔的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了核算和重新布置，在原料預(yù)熱器前增加了原料換熱器，利用酯化塔和預(yù)熱器產(chǎn)生的蒸汽冷凝水加熱原料，并采用Aspen對改造方案進(jìn)行了核算。熱集成后的工藝流程如圖5所示。圖5 熱集成后的酯化裝置采用熱集成后公用工程消耗如下：公用工程消耗：原生產(chǎn)裝置改造裝置熱集成方案加熱負(fù)荷(mmKcal/year)221218149997149997冷卻負(fù)荷(mmKcal/year)210695125314125314加熱用蒸汽量(t/year)468,864268,488226，942冷卻水用量(t/year)12,529,4007,452,7207,452,720加熱用蒸汽量(t/h)冷卻水用量(t/h)1582941941原工藝與改造工藝的公用工程消耗見圖：可以看出，改造工藝可以使酯化裝置的冷、熱負(fù)荷有較大的下降；采用熱集成則可以進(jìn)一步減小蒸汽的用量。改造后的全裝置生產(chǎn)流程圖見附錄。5 結(jié)論通過文獻(xiàn)調(diào)研、項目分析、初步核算、計算機(jī)模擬等步驟并利用熱集成技術(shù)，提出了醋酸乙酯生產(chǎn)裝置的改進(jìn)工藝流程。改造工藝充分利用了現(xiàn)有設(shè)備，只需要增加一個副塔和相應(yīng)的管線及流體輸送設(shè)備，就可以極大地減少公用工程消耗，同時還可以相應(yīng)的減少流體輸送設(shè)備的電耗，經(jīng)計算機(jī)模擬證明是一個較好的方案。由于時間有限，本題目尚有很多方面可以進(jìn)一步開展工作，主要有：1. 醋酸乙酯丁酯反應(yīng)動力學(xué)的研究和建模。2. 醋酸丁酯裝置的衡算、模擬和改造工藝的提出。3. 利用動態(tài)模擬，優(yōu)化裝置的操作條件。通過對本課程的學(xué)習(xí)，我們掌握了過程模擬的基本知識和過程模擬軟件的應(yīng)用以及過程優(yōu)化理論，并把理論知識應(yīng)用于項目實際中，加深了對工業(yè)設(shè)計、優(yōu)化過程的認(rèn)識。在此，向錢宇老師、陸恩錫老師以及給與我們無私指導(dǎo)和幫助的老師、同學(xué)們致以我們衷心的感謝。作者2001年12月19日參考文獻(xiàn)[1]. Aspen User Guide, Aspen Inc.