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1、丙烯醇分离单元模拟与优化化82 第八小组1 设计目标丙烯醇的合成是醋酸丙烯酯法生产ECH的第二个工段，包括醋酸丙烯酯水解反应系统和丙烯醇分离单元。来自醋酸丙烯酯合成工段的粗醋酸丙烯酯（含有水、醋酸丙烯酯、少量醋酸及轻组分），在水解反应系统中部分转化为丙烯醇。水解反应产物进入丙烯醇分离单元，分离出丙烯醇送往氯化工段，未反应的醋酸丙烯酯返回水解反应器，同时回收醋酸循环回氧乙酰化反应器。丙烯醇分离单元的设计目标如下：（1）丙烯醇的精制，主要是实现丙烯醇与醋酸丙烯酯的清晰分割；（2）水解反应副反应醋酸的回收；（3）轻组分杂质的脱除；（4）未反应醋酸丙烯酯循环。2 分离方案（1）物性分析丙烯醇的分离是整
2、个工艺的难点。由于丙醇醇、醋酸丙烯酯和水存在比较复杂的共沸关系，因此如何进行组分切割是分离方案的关键。首先利用Aspen分析了各组分及共沸物的沸点关系（1atm），如下表：纯物质沸点/共沸物组成（摩尔分数）沸点/醋酸（AA）118.2水AAC水 0.71794.0水100AAC 0.283醋酸丙烯酯（AAC）104水AAL水 0.55688.6丙烯醇（AAL）97AAL 0.444从表中数据可以得到，醋酸是该体系的最重组分，且不会形成共沸物，可以在某个塔的塔底得到纯净的醋酸。丙烯醇在四种纯物质中沸点最低，但由于其与水形成的共沸物是该体系的最轻组分，所以无法（实际上也不需要）得到纯的丙烯醇，可以
3、将丙烯醇-水的共沸物从某个塔的塔顶馏出。醋酸丙烯酯纯物质虽沸点较高，但同样可与水形成沸点较低的共沸物。因此，在丙烯醇和醋酸丙烯酯的分离中，应该利用它们与水的共沸物性质的差异。（2）分离方案根据各组分的沸点差异，初步确定了如下的分离方案：水解反应产物首先进入醋酸回收塔，AAC和AAL与水的共沸物从塔顶馏出，在塔底得到较为纯净的醋酸循环回氧乙酰化反应器。考虑到氧乙酰化反应和水解反应可能产生的轻组分杂质，醋酸回收塔塔顶共沸物在轻组分塔中脱除轻组分后，进入丙烯醇精制塔。利用AAC-水和AAL-水两种共沸物沸点差异，在丙烯醇精制塔塔顶得到纯净的丙烯醇水溶液，塔底采出醋酸丙烯酯和水，循环回水解反应器。3
4、模拟计算及优化（1）醋酸回收塔T-201首先利用RadFrac模块对醋酸回收塔进行了初步的尝试。在回流比为3的条件下，得到塔顶采出量与塔底AAC、AAL浓度的关系如右：随馏出量增加，塔底AAL含逐渐下降，这是容易理解的，因为AAL-水共沸物是该体系的最轻组分。但塔底AAC含量却有一个先上升后下降的趋势。可从进料组成分析这一过程：组分AAAACH2OAAL摩尔流量kmol/hr64.2113.2126.959.9摩尔分数0.1760.3110.3480.164随馏出量增加，塔顶最先得到的AAL-H20共沸物，为蒸出59.9kmol/hr的AAL，需要同时蒸出75kmol/hr的水，其后蒸出的应为
5、AAC-H2O共沸物，但蒸出113.2kmol/hr的AAC，需要携带287kmol/hr的水，显然，进料中的水是不够的。塔内实际会发生的过程是先馏出AAC-H2O的共沸物，当釜液中的水耗尽时，开始馏出AAC的纯物质。在这种情况下，发现塔底AAC浓度很难达到很低的数值，分离效果不佳，且塔的操作温度提高，再沸器、冷凝器的负荷较大。造成上述情况的原因是没有考虑到蒸出的共沸物冷凝后分相的问题。在实际过程中，回流罐中的液体如果分为两相，则回流和采出将难以操作和控制。通常的做法是用倾析器代替回流罐，倾析为两相后一相作为回流，而另一相作为产品采出。于是，将T-201塔顶馏出气体冷凝后倾析为两相，水相作为回
6、流，而油相送往轻组分塔。在这种情况下，富含AAC、AAL的共沸物不断从塔顶抽出，而水相回流保证了塔釜的水量，可以不断携带出含水的低沸物。通过模拟计算比较在上述两种情况下T-201的若干参数（以相同的醋酸回收量作为基准）。参数非水相回流水相回流分离效果（摩尔分数）塔底AAC5.48E-031.00E-05塔底AAL7.17E-051.14E-09能耗/KW再沸器负荷13497.86180.0冷凝器负荷-13135.9-6357.6设备参数塔径/m3.81.6对T-201塔的设计结果可总结如下：塔顶馏出共沸物冷凝后倾析为两相，富含AAC、AAL的油相送往轻组分塔，水相回流保证了不断将AAC以沸点较
7、低的共沸物形式从塔顶采出。通过设计规定“塔底AAC摩尔分数1e-5”收敛塔模块，在塔底得到醋酸质量分数约97%的含水醋酸（其它杂质含量几乎为零，这里没有将水完全除去，因为该流股醋酸循环回氧乙酰化反应器，含有少量水不会对反应产生影响）。T-201塔顶可回收49.9kmol/hr的醋酸，与所需的进料量49.96kmol/hr相比，可见由于在水解反应中产生的副产物醋酸得到回收，整个工艺只需要补充很少量的新鲜醋酸。（2）烯丙烯精制塔T-203优化1、塔的操作压力塔的操作压力是首先需要考虑的问题，在一般情况下，应该尽量使塔在常压下操作。故先设定塔压为常压，后面将进一步分析常压操作是否合适。2、设计规定的
8、选择首先在一组选定参数下考查设计规定对回流比的影响。取塔板数为40，进料位置为第20块板，可以得到塔顶AAC和塔底AAL质量分数对回流比的影响：设定塔底AAL质量分数为0.001设定塔顶AAC质量分数为0.001塔顶AAC质量分数回流比塔底AAL质量分数回流比0.000122.30.000512.60.000217.20.00111.10.000513.30.0059.00.000812.10.018.50.00111.60.037.90.00210.50.057.6过于严格的设计规定将导致回流比的显著增大，因此，在考虑塔底、塔顶产品组成时，应该尽量做到“卡边操作”，即保证产品质量，也要使能耗
9、尽可能小。T-203塔顶采出丙烯醇水溶液，可以接受的最大AAC质量分数为0.001，否则最张的ECH产品不能达到99.9%的纯度。在塔顶AAC质量分数为0.001的条件下，如果对塔底AAL质量分数的要求同样高，则回流比会较大。考虑到T-203塔底物流将返回水解反应器，其中AAL不会损失（虽然会使水解产率略有下降），故不必对塔底AAL质量分数设定过于严格的规定。最终，将设计规定选择为塔顶AAC质量分数0.001，塔底AAL质量分数0.05。3、进料位置的考查在上述设计规定和总板数40块的条件下，利用灵敏度分析考查了进料位置对回流比的影响，结果如下图所示：可见，在总板数在40块的条件下，最佳进料位
10、置为29块板。这个结论对其它总板数情况是有用的，最佳进料位置与总板数一般符合该比例，可按实际情况做调整。4、回流比的确定考查了总理论板数对回流比的影响，进料位置按最佳位置选取：总板数进料板回流比2014267.4221531.71231718.66251812.7330227.4940295.5460435.1380585.09100725.081501095.07当总板数为20时，回流比异常增大，可认为20为最小理论板数；同样，当总板数增到150块以后，回流比将稳定在5.07，故5.07应该为该塔的最小回流比。将回流比经验地定为最小回流比的1.2倍，实际上，在更严格的要求下，应该通过经济核算
11、确定最优的回流比，在此仅仅是一个初步设计。尝试后发现在35块理论板、进料位置为26块板的条件下，回流比为6.07，为最小回流比的1.2倍。因此将这一组参数作为塔的优化结果。5、重新考虑塔压在上述优化结束后，需要重新考虑塔压是否合适。结果表明，T-203再沸器温度为97.1，冷凝器温度88.1，使用中压蒸汽和冷却水分别作为再沸器热源和冷凝器冷源是合适的，故不再调整塔压6、烯丙醇精制塔T-203设计结果汇总参数数值操作压力0.1MPa总理论板数35进料位置26回流比6.07塔底AAL质量分数（循环物流）0.05塔顶AAC质量分数（产品物流）0.001塔径2.2m结果分析：在T-203塔顶得到了纯净的丙烯醇水溶液，其中丙烯醇摩尔分数为0.444，水为0.555，这个数值实际上就是丙烯醇-水的共沸物组成，这说明在T-203塔顶馏出的就是丙烯醇-水的共沸物，它是该体系的最轻组分。以质量分数计，丙烯醇质量分数为72%，与天津化工醋酸丙烯酯法ECH装置71%的实际值相符合。T-203冷凝器温度88.1，再沸器温度为97.1，与工业装置93.1/100.6的实际值存在一定的差距，分析可能是没有充分考虑氧乙酰化反应和水解反应副产物杂质的影响。7精品文档
