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DesignandOptimizationontheEthylAcetateTechnologyProcess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TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1设计任务与设计目标 6\o"CurrentDocument"设计任务 6\o"CurrentDocument"设计目标 6\o"CurrentDocument"2物性数据 6\o"CurrentDocument"3工艺流程的选择和论证分析 7\o"CurrentDocument"4全流程模拟的输入设定 8\o"CurrentDocument"setup设置 8\o"CurrentDocument"组分输入 8\o"CurrentDocument"物性方法设置 9\o"CurrentDocument"Stream输入 9\o"CurrentDocument"Reaction输入 10BLOCK的输入 11精馏塔T1的输入 11\o"CurrentDocument"闪蒸罐模块的输入 12\o"CurrentDocument"反应精馏塔RAD的设置 12\o"CurrentDocument"分离器的输入 14\o"CurrentDocument"5模拟运行 15\o"CurrentDocument"6流程与能量优化 16闪蒸罐 16\o"CurrentDocument"反应精馏塔 17能量集成 19\o"CurrentDocument"7结论 20\o"CurrentDocument"8心得体会 211设计任务与设计目标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1234567890分子甲烷乙醇丙烷正「烷正戊烷甲苯甲醇异丙苯正戊烷乙酸（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相对分子质量相对密度熔点℃沸点℃乙醇46.070.78945-114.378.4乙酸60.051.05016.7118.3乙酸乙酯88.1060.8945-83.677.10水18.0210100甲苯92.140.866-94.9110.6正戊烷72.140.626-129.836.1甲烷16.0430.42-182.5-161.5

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ASPENPLUS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setup设置UnitsofmeasurementFlowbasisinputmode:Stream.class;图4-1setup设置界面^GlobalDescription|AccountingDiagnostic^流程建立以后，点击Next进入参数设置，UnitsofmeasurementFlowbasisinputmode:Stream.class;图4-1setup设置界面^GlobalDescription|AccountingDiagnostic^流程建立以后，点击Next进入参数设置，setup设置如图4-1：Inputdata:Outputresults:Globalsettings?Runtype:Freewater:Operationalvear:FlowsheetTSteadi-State▼CONVENTMole*1.01325barTCT|N°T18766hrTAmbientpressureAmbienttemp.:Validphaser-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。ConventionalETHAC2H60-2C7HS^SelectiorPetroleumNonconyentionalEnterptiseDatabaseDefinecpmponent-skCH4CH4匚口口YBnhci口日IETHANOLConventionalN-PENTANEC5H12-1匚cinvEnticinaITOLUENEACETIC-ACIDC2H402-1ComponentID匚口mpcinentnameConventionalETHAC2H60-2C7HS^SelectiorPetroleumNonconyentionalEnterptiseDatabaseDefinecpmponent-skCH4CH4匚口口YBnhci口日IETHANOLConventionalN-PENTANEC5H12-1匚cinvEnticinaITOLUENEACETIC-ACIDC2H402-1ComponentID匚口mpcinentnameConventionalMETHANEConventionalETHYL-ACETATE匚4H8口2-3Cofiventional\-ATER图4-2组分输入界面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图4-3物性方法选择界面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。^Specifications;FlashOptions；|PSD]ComponentAttr.EOOptions]匚o^ingSubstreamname:RefTemperaturerStateyariablesTemoeraturePressure图4-4Stream输入界面Totalflo.w；Mole▼Substreamname:RefTemperaturerStateyariablesTemoeraturePressure图4-4Stream输入界面Totalflo.w；Mole▼1kmol/hrComposition

Mole-FlowComponentValueCH420ETHA500C520C720►M500EAH20Reaction输入点击Reaction，进入Objectmanager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。包包包包回包口付回-0-0包包包包回包口付回-0-0包-0a包

&..…&…：&…：&..…&..…&……-…：& &…&..…&…：&…：&…时SetupComponentsPropertiesFlowsheetStreamsBlocksUtilitiesReactions・…Q]Chemistry《勃ReactionsL--…◎R-lConvergenceFlowsheetingOptionsModelAnalysisToolsEOConfigurationResultsSummaryDynamicConfigurationNameTypeStatusR-1REAC-DISTInputCompleteObjectrridnager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。7R-1- 7由图[metl上。<<[All»口豳国N予臂/K嘴RxnNo.ReactiontypeStoichiometry1那ET略ETHA+AA->EA+H202klMET亡.EA+H207ETHA+MStoichiometry|Kinetic5Stoichiometry|Kinetic5Equilibrium|Conversion]Salt|SubroutineStreamsBlocksUtilitiesReactions・…Chemistry砂Reactions：■R-iConvergenceFlowsheetingOptionsModelAnalysisToolsEOConfigurationResultsSummaryDynamicConfigurationNew...I EditI Delete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。yStoichiometryyKineticjEquilibriumConversionS.altSubroutine,Usebuilt-inPowerLaw-Useuserkinetic^ubroutine1)ETHA+M->EA+H20Rsaltingphase:Rsaltingphase:EditreactionsEditreactionsIfTois.speciiied: Kineticfactor=k(T/To)ne任'R]口打/，To]IfToitnotspecified:.Kinetic：factor=kTne-E『RTK：.n:E:To:[Ci]ba邮图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4.6BLOCK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。

SetupoptionsCalculationtype:Equilibrium,二Number口「斌明遴25/StagewizardCondenser:TotalTReboiler:|KetHeTValidphases:'|/apor-L.iquid ▼Convergence:Azeotropic/uptidrinyspecincdiiurisDistillaterate 中Mole▼600kmol/hr ，Refluxratio 寸Mole▼2二JFreewaterrefluxratio:Feedbasis1J匚。nfiguratimnySbeams|yPressure.yCondenserThermosiphonConfig.'yReboiler;3-Pha&e图4-11反应精馏塔RAD的设置界面3-Pha&e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：3-PhasejyConfigurationystreami-^Pressure.yCondenser1IhermdsiphonConfig.yReboile:3-PhasejFeedstreamsNameStageConventionETHA1Above-StageAC25Above-StageProduct,.streamsName:StagePh喊eBasi^ Flow. UnitsFlowratioFeedspec$.RAD-D1LiquidMolekmol/hrFeedbasisRAD-W25LiquidMoleFeedbasis图4-12反应精馏塔RAD进料位置设置界面

Top：Etage/CondenserpressureStage2■pressure(optional)>.*^tage.2pressure:^"ConfigurationStream5^Pressure^Condenser| Th曰m萌Top：Etage/CondenserpressureStage2■pressure(optional)>.*^tage.2pressure:^"ConfigurationStream5^Pressure^Condenser| Th曰m萌phcm匚cmfig. ^Reboiler3-PhaseStage1/匚cmderis囱pressure: 1Condenserpressuredrop:*<Stagepressuredrop:Columnpreparedrop:Top：/!Bottom图4-13反应精馏塔RAD压力设置界面atm ▼atm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^/Specifications精馏塔的Reaction选项，设置反应R-1参数:^/SpecificationsHoldupsyResidenceTimes'ConveFsionReactionnamesStartingsltageEnding,stageReactionIDReactioriuserChemistryID725R-1,米图4-14反应精馏塔反应塔板区间设置ySpecificationsHoldup?^ResidenceTimesCotiyersJon图4-15图4-15反应精馏塔反应停留时间设置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:*/Specificati«J3i£feedFlashOutletFlashUtilitySubstream:MIXEDOutletstream:|PRC^LICT年ComponentIDTstSpec.-2ndSpecCH4Splitfraction0MolefracETHASplitfraclionPMolefrac；C5Splitfraction-0 二MolefracC7SplitfractionMolefracg⑤plitfractionMolefracEL■Splitfraction0.999 :MolefraoH20Splitfraction0.001Molefrac.二i：8tream<$pec:[Splitfraction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ACETHAFEEDFLA-OUTPRODUCTRAD-DRAD-WSEP-OUTT1DTemperatureC118901209067.667.611867.6-79.3Pressureatm122211111VaporFrac000.57110000.0320MoleFlowkmol/hr500388.2461060171.754211.54600288.246388.46560MassFlowkg/hr30019.29318571.37956667.4718076.79918623.18931281.92417308.74812658.73626648.178VolumeFlowcum/hr31.76125.7158517.6632464.19622.09937.4218.31357.30430.007EnthalpyGcal/hr-56.352-23.924-84.402-7.911-23.874-48.333-32.498-24.655-35.838MassFlowkg/hrCH4trace10.279320.855310.57610.279trace10.279320.855ETHA23.03517070.24823034.525941.2377346.3610.0037346.36123011.485C5trace239.1111443.0061203.895239.111trace239.1111443.006C70.0051222.4911842.81620.3141222.496<0.0011222.4961842.805AA29996.2529.2530026.280.77715.0117305.0515.0130.026

418638.013EA18619.37862.81418.638H2O3.8113810.6510.8783806.841续表5-1ACETHAFEEDFLA-OUTPRODUCTRAD-DRAD-WSEP-OUTT1DMassFracCH4trace554PPM0.0060.038329PPMtrace812PPM0.012ETHA767PPM0.9190.4060.7360.235170PPB0.580.864C5trace0.0130.0250.1490.008trace0.0190.054C7167PPB0.0660.0330.0770.03917PPB0.0970.069AA0.9990.0020.5396PPM480PPM10.0010.001EA10.596163PPM0.001H2O205PPM0.12251PPM0.301MoleFlowkmol/hrCH4trace0.6412019.3590.641trace0.64120ETHA0.5370.536500128.964159.464<0.001159.464499.5C5trace3.3142016.6863.314trace3.31420C7<0.00113.268206.73213.268trace13.26820AA499.50.4875000.0130.25288.1650.250.5EA211.329211.540.0320.212H2O0.212211.5230.049211.312MoleFracCH4trace0.0020.0190.1130.001trace0.0020.036ETHA1000PPM0.9540.4720.7510.266221PPB0.4110.892C5trace0.0090.0190.0970.006trace0.0090.036C7109PPB0.0340.0190.0390.02211PPB0.0340.036AA0.9990.0010.47275PPM417PPM1643PPM893PPMEA0.9990.353111PPM545PPMH2O1000PPM0.353169PPM0.544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。♦罐底乙醇摩尔流量■■■罐顶正戊烷摩尔流量♦闪蒸罐热负荷7.5e-67Q—66.5e^6654

争/于忘ooO505fl群评酬除NJ岭蟹：6.0e+655-6：5.0e+64.5-64.0e-6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。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、VARYLRADCOL-SPECMOLE-RRVARYLRADCOL-SPECMOLE-RR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

2000100500 2 4 6 8 1012142000100500 2 4 6 8 101214161S20222426VARY1RADETHAFEEDS5TAGE501303<3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。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，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^-503<LLI■■_-T-7-7ss£.9.8J二<M>一ncmJJH7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ACETHAFEEDFLA-OUTPRODUCTRAD-DRAD-WSEP-OUTT1DTemperatureC118801208065.165.111865.1-79.3Pressureatm122211111VaporFrac000.57110000.0920MoleFlowkmol/hr500497.986106062.014389.398898.18799.799508.789560MassFlowkg/hr30019.29323955.10256667.4712693.07634281.15147981.5235992.87213700.37326648.178VolumeFlowcum/hr31.76132.768517.663873.12640.51755.8076.3391276.75430.007EnthalpyGcal/hr-56.352-30.561-84.402-2.4-43.989-76.561-11.252-32.656-35.838MassFlowkg/hrCH4trace38.495320.855282.3638.495trace38.495320.855ETHA23.03521543.47523034.521468.0113626.9550.0033626.95523011.485C5trace672.6741443.006770.331672.674trace672.6741443.006C70.0051670.5691842.81172.2361670.574<0.0011670.5741842.805AA29996.25429.88930026.280.138649.3415991.986649.34130.026EA34274.13634308.4440.66934.308H2O7.0157015.040.2147008.025MassFracCH4trace0.0020.0060.105802PPMtrace0.0030.012ETHA767PPM0.8990.4060.5450.076477PPB0.2650.864C5trace0.0