乙酸乙酯的制备与分离流程模拟

乙酸乙酯的制备与分离流程模拟

Design and Optimization on the Ethyl Acetate

Technology Process

一级学科：化学工程与技术 学科专业：化学工程与技术 学 号： 班 级： 姓 名： 指导教授：

北京化工大学化学工程学院

二零一七年 五月

目 录

1 设计任务与设计目标 .................................................................... 6 1.1 设计任务 ........................................................................... 6 1.2 设计目标 ........................................................................... 6 2 物性数据 .............................................................................. 6 3 工艺流程的选择和论证分析 .............................................................. 7 4 全流程模拟的输入设定 .................................................................. 8 4.1 setup设置 .......................................................................... 8 4.2 组分输入 ........................................................................... 8 4.3 物性方法设置 ....................................................................... 9 4.4 Stream输入 ......................................................................... 9 4.5 Reaction输入 ...................................................................... 10 4.6 BLOCK的输入 ....................................................................... 11 4.6.1 精馏塔T1的输入 ................................................................. 11 4.6.2 闪蒸罐模块的输入 ................................................................ 12 4.6.3 反应精馏塔RAD的设置 ............................................................ 12 4.6.4 分离器的输入 .................................................................... 14 5 模拟运行 ............................................................................. 15 6 流程与能量优化 ....................................................................... 16 6.1 闪蒸罐 ............................................................................ 16 6.2 反应精馏塔 ........................................................................ 17 6.3 能量集成 .......................................................................... 19 7 结论 ................................................................................. 20 8 心得体会 ............................................................................. 21

1 设计任务与设计目标

1.1 设计任务

我的学号是。。。，包含数字0、1、2、6、9，设计任务中有甲烷、乙醇、甲苯、正戊烷、乙酸5种物质，乙醇与乙酸反应生成乙酸乙酯和水。

表1-1 设计任务物质列表

学号 分子

（1）进口物料：压力2atm 温度120 ℃

流量：乙酸和乙醇各500kmol/h，其他组分分别为20kmol/h （2）乙酸乙酯纯度达到99%以上

1 甲烷 2 乙醇 3 丙烷 4 正丁烷 5 正戊烷 6 甲苯 7 甲醇 8 异丙苯 9 正戊烷 0 乙酸 1.2 设计目标

（1）工艺流程的选择和论证分析 （2）全流程模拟 （3）流程优化

（4）能量集成和优化 （至少有一种） （5）动态分析 （选作）

2 物性数据

各物质的主要物性数据如表2-1所示：

表2-1 各物质主要物性参数

物质 乙醇 乙酸 乙酸乙酯 水 甲苯 正戊烷 甲烷

相对分子质量 46.07 60.05 88.106 18.02 92.14 72.14 16.043 相对密度 0.78945 1.050 0.8945 1 0.866 0.626 0.42 熔点℃ -114.3 16.7 -83.6 0 -94.9 -129.8 -182.5 沸点℃ 78.4 118.3 77.10 100 110.6 36.1 -161.5

3 工艺流程的选择和论证分析

根据合成及分离要求，通过对过程的分析，在ASPEN PLUS软件上建立乙酸乙酯制备与分离的工艺流程图，如图3-1所示：

图3-1 工艺流程图

原料液FEED首先进入精馏塔T1进行初步的乙酸与乙醇的分离，塔顶得到轻组分T1D，主要包含乙醇与正戊烷、甲苯和甲烷，塔釜得到重组分AC，主要为乙酸。物流T1D进入闪蒸罐FLASH进行乙醇与正戊烷、甲苯、甲烷的初步分离，闪蒸罐上部的气相物流FLA-OUT主要包括大部分的正戊烷和甲烷及小部分的甲苯，闪蒸罐下部液相物流ETHA主要包括乙醇及部分甲烷等。

回收的乙醇ETHA和乙酸AC物流分别从不同位置进入精馏塔RAD，进行酯化反应，塔顶物流RAD-D主要为生成的乙酸乙酯和水，以及未发生反应的乙醇，塔釜物流RAD-W主要为未发生反应的乙酸，可选择回收程序回收使用。带有产物乙酸乙酯的物流RAD-D被送入组分分离器SEP进行分离，最终得到产物物流PRODUCT，其中乙酸乙酯的纯度为99.9%。

4 全流程模拟的输入设定

4.1 setup设置

流程建立以后，点击Next进入参数设置，setup设置如图4-1：

图4-1 setup设置界面

4.2 组分输入

根据设计要求，原料中包括甲烷、乙醇、乙酸、正戊烷、甲苯组分，同时产物中包括乙酸乙酯和水，组分输入界面如图4-2。

图4-2 组分输入界面

4.3 物性方法设置

组分输入完成后点击Next进入Properties界面，选择物性方法NRTL-HOC，如图4-3。

图4-3 物性方法选择界面

4.4 Stream输入

物性方法选择完成后，点击Next查看相互作用系数后，再次点击Next进入物流Streams输入界面，完成对进料物流FEED的输入，进料条件为：温度120℃、压力2atm，乙酸与乙醇流量为500kmol/hr，甲烷、甲苯与正戊烷流量为20kmol/hr，如图4-4。

图4-4 Stream输入界面

4.5 Reaction输入

点击Reaction，进入Object manager界面，设置化学反应R-1，选择反应类型为REAC-DIST，如图4-5所示。

图4-5 设置化学反应R-1界面

定义R-1反应的正、逆反应，选择反应类型为KINETIC，设置后如图4-6所示。

图4-6 正、逆反应设定

设置正、逆反应的反应动力学，如图4-7、4-8。

图4-7 正反应反应动力学设置界面

图4-8 逆反应反应动力学设置界面

4.6 BLOCK的输入

4.6.1 精馏塔T1的输入

点击Next，进入BLOCK模块，精馏塔T1主要用于乙醇和乙酸的分离，根据题目要求，在精馏塔模块中，确定全塔压降均为2atm，回流比设定为1.7，并根据任务确定塔顶轻组分乙醇和重组分乙酸的摩尔分率分别为0.999和0.001，精馏塔T1输入情况如图4-9所示。

图4-9 精馏塔T1的设置界面

4.6.2 闪蒸罐模块的输入

点击Next，进入BLOCK模块输入，闪蒸罐FLASH主要用于分离乙酸和乙醇，设置如图4-10所示。

图4-10 闪蒸罐FLASH的设置界面

4.6.3 反应精馏塔RAD的设置

反应精馏塔采用RADFRAC模块进行模拟，精馏塔模块参数设置如图4-11所示。

图4-11 反应精馏塔RAD的设置界面

乙醇物流从塔下部第25块塔板进入精馏塔，乙酸从第7块塔板进料，压力设置为1个大气压，如图4-12、4-13所示:

图4-12 反应精馏塔RAD进料位置设置界面

图4-13 反应精馏塔RAD压力设置界面

塔板参数确定后，需要设置反应在精馏塔内的塔板区间，同时设置反应在反应的停留时间，点击反应精馏塔的Reaction选项，设置反应R-1参数：

图4-14 反应精馏塔反应塔板区间设置

图4-15 反应精馏塔反应停留时间设置

4.6.4 分离器的输入

根据分离要求，确定分离器SEP模块，将乙酸乙酯分离出来，输入情况如图4-16所示：

图4-16 分离器的设置界面

5 模拟运行

各模块参数配置完成后，运行流程得到如下的模拟结果：

表5-1 模拟结果

Temperature

C Pressure atm Vapor Frac Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow cum/hr Enthalpy Gcal/hr CH4 ETHA C5 C7 AA

AC 118 1 0 500 30019.29

3 31.761 -56.352

ETHA 90 2 0 388.246 18571.37

9 25.715 -23.924

FEED 120 2 0.571 1060 56667.47

1

FLA-OUT 90 2 1 171.754

PRODUCT 67.6 1 0 211.54

RAD-D 67.6 1 0 600 31281.92

4 37.42 -48.333

RAD-W 118 1 0 288.246 17308.74

8 18.31 -32.498

SEP-OUT 67.6 1 0.032 388.46 12658.73

6 357.304 -24.655

T1D -79.3 1 0 560 26648.17

8 30.007 -35.838

8076.799 18623.189

22.099 -23.874

8517.663 2464.196 -84.402

-7.911

Mass Flow kg/hr

trace 23.035 trace 0.005 29996.25

10.279 17070.24

8 239.111 1222.491 29.25

320.855

310.576

10.279 7346.361 239.111 1222.496 15.01

trace 0.003 trace < 0.001 17305.05

10.279 7346.361 239.111 15.01

320.855 23011.48

5 1443.006 30.026

23034.52 5941.237 1443.006 1203.895 1842.81 30026.28

620.314 0.777

1222.496 1842.805

4

EA H2O

续表5-1

AC trace 767 PPM trace 167 PPB 0.999 trace 0.5 trace < 0.001 499.5 trace 1000 PPM trace 109 PPB 0.999

ETHA 554 PPM 0.919 0.013 0.066 0.002 0.641 370.536 3.314 13.268 0.487 0.002 0.954 0.009 0.034 0.001

3

FEED 0.006 0.406 0.025 0.033 0.53 20 500 20 20 500 0.019 0.472 0.019 0.019 0.472

FLA-OUT 0.038 0.736 0.149 0.077 96 PPM

18619.378 3.811 PRODUCT

18638.01

6 3810.651 RAD-D 329 PPM 0.235 0.008 0.039 480 PPM 0.596 0.122 0.641 159.464 3.314 13.268 0.25 211.54 211.523 0.001 0.266 0.006 0.022 417 PPM

2.814 0.878 RAD-W trace 170 PPB trace 17 PPB 1 163 PPM 51 PPM trace < 0.001 trace trace 288.165 0.032 0.049 trace 221 PPB trace 11 PPB 1

18.638 3806.841 SEP-OUT 812 PPM 0.58 0.019 0.097 0.001 0.001 0.301 0.641 159.464 3.314 13.268 0.25 0.212 211.312 0.002 0.411 0.009 0.034 643 PPM

T1D 0.012 0.864 0.054 0.069 0.001 20 499.5 20 20 0.5 0.036 0.892 0.036 0.036 893 PPM

CH4 ETHA C5 C7 AA EA H2O CH4 ETHA C5 C7 AA EA H2O CH4 ETHA C5 C7 AA

Mass Frac

1 205 PPM

Mole Flow kmol/hr 19.359 128.964 16.686 6.732 0.013

211.329 0.212

Mole Frac 0.113 0.751 0.097 0.039 75 PPM

0.999

EA H2O

1000 PPM

0.353 0.353 111 PPM 169 PPM 545 PPM 0.544

从上表可以看出，最后产品的纯度为99.9%，在此基础上，对整个流程进行优化以及能量集成。

6 流程与能量优化

根据流程工艺的要求，对过程中的各个模块进行灵敏度分析，评价闪蒸罐温度、反应精馏塔的参数，并进行优化分析，探究精馏塔的回流比、进料产品流量、乙酸进料位置对乙酸乙酯生成产量的影响等。

6.1 闪蒸罐

为了设置合适的闪蒸罐温度，通过灵敏度分析工具，探讨闪蒸罐温度对塔釜乙醇含量及闪蒸罐能耗的影响，结果见图6-1。

图6-1 闪蒸罐灵敏度分析

由此可知闪蒸罐温度设定为80℃较为合理，在此温度下罐底乙醇含量较多，大部分的正戊烷进入罐顶气相物料中，热负荷较为合理。

6.2 反应精馏塔

为了确定反应精馏塔最合适的设置参数，利用灵敏度分析软件，探究精馏塔的回流比、进料产品流量、乙醇与乙醇进料位置对乙酸乙酯生成产量的影响等。

反应精馏塔的回流比会对塔顶中乙酸乙酯生成量产生一定的影响，见图6-2。

图6-2 回流比对乙酸乙酯生成的影响

由上图可以看出增加回流比可以增加乙酸乙酯的生成量，减少塔顶物流中乙醇和水的含量，但是对其该变量的影响较小。

进料产品流量比会影响乙酸乙酯的生成量，使用灵敏度分析工具进行分析结果见图6-3。

图6-3 进料物流比对乙酸乙酯生成量的影响

由图6-3可以看出增加进料物流比可以增加乙酸乙酯生成量，在0.9时达到较大值，再增加对其影响不大，故最佳进料比为0.9。

乙酸和乙醇进料塔板位置对乙酸乙酯的生成量有一定的影响，结果见图6-3、6-4。

图6-3 乙酸进料位置对乙酸乙酯生成量的影响

图6-4 乙醇进料位置对乙酸乙酯生成量的影响

通过对乙酸乙醇进料位置的分析，得出最佳进料板为乙酸9号板，乙醇25号板。

6.3 能量集成

反应精馏塔中再沸器的热负荷随着回流比的增加而增加，因此应该在保证乙酸乙酯生成量的同时，降低回流比，减少再沸器热负荷，通过灵敏度分析工具进行的分析结果如图6-5。

图6-5 回流比对再沸器热负荷的灵敏度分析

7 结论

根据全程优化以及能量优化分析，尽可能节省能量，同时保证产品的质量，综合考虑，闪蒸罐压力1atm，温度80℃，反应精馏塔回流比2，进料物流比0.9，乙醇进料板为第25号板，乙酸进料板为9号进料板。最终结果如下表。

表7-1 最终运行结果

Temperature C

AC 118 1 0 500 30019.29

3 31.761 -56.352

ETHA 80 2 0 497.986 23955.10

2 32.76 -30.561 38.495 21543.47

5 672.674 1670.569 29.889

FEED 120 2 0.571 1060 56667.47

1

FLA-OUT PRODUCT RAD-D 65.1 1 0 898.187 47981.52

3 55.807 -76.561 38.495 3626.955 672.674

RAD-W 118 1 0 99.799 5992.872 6.339 -11.252 trace 0.003 trace 5991.986 0.669 0.214 trace 477 PPB trace 11 PPB 1 112 PPM 36 PPM

SEP-OUT 65.1 1 0.092 508.789 13700.37

3 1276.754 -32.656 38.495 3626.955 672.674

T1D -79.3 1 0 560 26648.17

8 30.007 -35.838 320.855 23011.48

5 1443.006

80 2 1 62.014 2693.076

65.1 1 0 389.398 34281.151 40.517 -43.989

34274.136 7.015 1 205 PPM

Pressure atm Vapor Frac Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow cum/hr Enthalpy Gcal/hr CH4 ETHA C5 C7 AA EA H2O Mass Frac CH4 ETHA C5 C7 AA EA H2O

8517.663 873.126 -84.402 320.855 23034.52

-2.4 282.36 1468.011 172.236 0.138

Mass Flow kg/hr

trace 23.035 trace 0.005 29996.25

4 trace 767 PPM trace 167 PPB 0.999

1443.006 770.331 1842.81 30026.28

1670.574 < 0.001 1670.574 1842.805 649.341 34308.44

4 7015.04 802 PPM 0.076 0.014 0.035 0.014 0.715 0.146 649.341 34.308 7008.025 0.003 0.265 0.049 0.122 0.047 0.003 0.512 30.026

0.002 0.899 0.028 0.07 0.001 0.006 0.406 0.025 0.033 0.53 0.105 0.545 0.286 0.064 51 PPM 0.012 0.864 0.054 0.069 0.001

Mole Flow kmol/hr

CH4 ETHA C5 C7 AA EA H2O Mole Frac CH4 ETHA C5 C7 AA EA H2O

trace 0.5 trace < 0.001 499.5 trace 1000 PPM trace 109 PPB 0.999 2.4 467.635 9.323 18.131 0.498 0.005 0.939 0.019 0.036 999 PPM

20 500 20 20 500 0.019 0.472 0.019 0.019 0.472 17.6 31.865 10.677 1.869 0.002 0.284 0.514 0.172 0.03 37 PPM 389.009 0.389 0.999 1000 PPM

2.4 78.729 9.323 18.131 10.813 389.398 389.394 0.003 0.088 0.01 0.02 0.012 0.434 0.434

trace < 0.001 trace trace 99.779 0.008 0.012 trace 622 PPB trace 7 PPB 1 76 PPM 119 PPM

2.4 78.729 9.323 18.131 10.813 0.389 389.005 0.005 0.155 0.018 0.036 0.021 765 PPM 0.765

20 499.5 20 20 0.5 0.036 0.892 0.036 0.036 893 PPM

最终保证乙酸乙酯纯度的同时，将乙酸乙酯产量提高到了389 kmol/hr。

8 心得体会

通过对大型应用软件课程的学习，实现了对Aspen软件的使用从一无所知到可以进行基本操作。在老师的讲解下我们对aspen有了初步的认识，算是实现了对这个软件的入门。

在学习使用Aspen的过程中，我了解了aspen的强大之处，它可以瞬间解决需要人工计算好久的问题。有了它，我们可以更高效更准确的解决许多问题。但是在学习使用Aspen的过程中，我发现了自己对化工原理知识的不足，在使用aspen来模拟流程是要基于化工原理等许多理论知识的，知识不足，在使用软件时有很多的问题。其次是学好英语很重要，Aspen软件是全英文的，在使用时遇到很多困难，出现问题有时候看不懂就无法解决，而且由于不懂英语，很多操作界面不敢乱动，在使用时还是懵懂的状态，不知道什么地方出错了。

老师的授课过程中，每一步都讲解的很充分，让我们能够知道操作过程及原理，帮助我们更好的理解Aspen软件，每节课的小作业在上机的时候完成以后能够充分掌握本节课程讲解的内容，通过这种方法，我学会了很多的基本操作。