ASPEN PLUS模擬與優化乙酸異丙酯提濃塔

高 蕾

（上海工程化學設計院有限公司，上海 200235）

ASPEN PLUS模擬與優化乙酸異丙酯提濃塔

高 蕾

（上海工程化學設計院有限公司，上海 200235）

以試驗數據為基礎，采用ASPEN PLUS建立乙酸異丙酯提濃塔的模型，并考察進料板位置、回流比、塔板數等操作條件對目標產物的影響。結果表明，當進料板位置2～17、回流質量比1.5～2.5、理論塔板數為25塊時，提濃塔塔釜采出的低沸物的質量分數在0.02%以下，塔釜采出乙酸異丙酯的質量分數可達到98.68%；尤其當回流比為1.5時，比原操作條件的塔釜熱負荷減少24%。

乙酸異丙酯；提濃；模擬；ASPEN PLUS

乙酸異丙酯又名醋酸異丙酯，常溫下為無色透明液體，有特殊水果香味，能與醇、酮、醚等多種溶劑互溶，廣泛應用于有機合成、涂料、造漆、醫藥、油墨、香料等行業。一般以乙酸和異丙醇為原料，催化合成乙酸異丙酯[1-4]。目前，生產乙酸異丙酯可采用間歇法和連續反應精餾法[5-6]。而連續反應精餾法具有原料轉化率高、乙酸異丙酯純度高、勞動強度小等優點。在連續反應精餾工藝中，提濃單元是其中一個重要部分。

以乙酸異丙酯提濃塔為研究對象，在試驗數據的基礎上，采用ASPEN PLUS建立模型并優化操作條件，為進一步工藝放大提供理論基礎。乙酸異丙酯的規格及產品目前尚沒有統一的國家標準，均為企業標準。乙酸異丙酯產品技術指標：乙酸異丙酯、水和異丙醇的質量分數分別為≥99.5%、≤0.05%和≤0.10%，酸度≤0.01%（以HAC計）。提濃塔模擬采出高含量乙酸異丙酯中低沸點物質的質量分數控制在0.02%以下。

1 模擬方法

1.1 模型建立

乙酸異丙酯提濃塔流程如圖1所示，提濃塔、冷凝器、冷卻器、分相器、低酯槽均在常壓下操作。原料粗乙酸異丙酯（F）經預熱器從塔中進料，塔頂餾出富含水、異丙醇的物料（V），經冷凝冷卻、酯水分離后，低酯中一部分回收（CP），其他作為回流低酯（RP），廢水（WW）全部回收；塔釜采出高含量乙酸異丙酯（W）的物料。ASPEN PLUS模擬的流程按圖1設置。

1.2 參數

原料：25 ℃，0.2 MPa（表），原料質量流量 2 kg/h（水、異丙醇、乙酸、乙酸甲酯、乙酸異丙酯的質量分數分別為 2.87%、4.18%、1%、0.12%、91.83%）。

精餾塔：塔徑50 mm，填料高度1.5 m（相當于30塊理論板），全塔壓降0.03 kPa，塔釜操作溫度89.2℃，回流質量比2.5（對采出低酯而言）。

冷凝器、冷卻器出口溫度分別為40、25℃，分相器溫度25℃。

表1 乙酸異丙酯體系恒沸物文獻與模擬預測結果Tab 1 Comparison of literature data and simulation forecast data in azeotrope system of isopropyl acetate

2 模擬結果

2.1 熱力學模型

考察體系主要涉及水（H2O）、乙酸（C2H4O2）、異丙 醇 （C3H8O）、 乙 酸 甲 酯 （C3H6O2） 和 乙 酸 異 丙 酯（C5H10O2）的汽液分離和液液分離過程，其中水、乙酸異丙酯、異丙醇可形成二元和三元恒沸物，在選用汽液熱力學模型時主要考慮了水-異丙醇，異丙醇-乙酸異丙酯，水-乙酸異丙酯二元恒沸物、水-異丙醇-乙酸異丙酯三元恒沸物的預測。

汽液熱力學模型選用Wilson-HOC方法，結果見表1。

從表1可以看出，均相二元恒沸物（水-異丙醇、異丙醇-乙酸異丙酯）和三元共沸物（水-異丙醇-乙酸異丙酯）的沸點誤差和組分誤差較小，在7%以內；而非均相二元恒沸物（水-乙酸異丙酯）誤差偏大，不過沸點和主組分乙酸異丙酯誤差在5%以內。

曾有研究者采用UNIQUAC和NRTL方法回歸和預測水-異丙醇-乙酸異丙酯的液-液平衡[7]。這里選用誤差較小的NRTL模型。

按上述條件進行乙酸異丙酯提濃塔的模擬，結果見表2。

表2 乙酸異丙酯提濃塔試驗與模擬數據Tab 2 Experimental and simulation data of isopropyl acetate concentration tower

從表2可以看出，提濃塔的塔頂溫度和塔釜溫度模擬誤差在0.5%以內，塔釜乙酸異丙酯組成誤差為0.05%，異丙醇和乙酸甲酯總質量分數<0.02%；塔釜采出水含量的模擬與試驗結果有一些偏差，在模擬優化過程中，塔釜采出水的質量分數控制在0.1×10-6。另外，模擬塔頂采出低酯中乙酸異丙酯的質量分數為80.37%，與試驗低酯中乙酸異丙酯的質量分數81.21%比較，誤差為1.03%。

2.2 操作條件的優化

2.2.1 進料板位置

當提濃塔的理論塔板數為30塊，塔釜采出質量流量1.53 kg/h時，調整進料位置，預測塔釜采出各組分的含量，結果如圖2。

圖2 進料板與塔釜采出乙酸異丙酯、異丙醇含量的關系Fig 2 Relationship of feed board and content of isopropyl acetate and isopropand extracted from tower bottom

從圖2可以看出，進料位置在塔板數2～21時，塔釜采出物W中異丙醇的質量分數在0.02%以下。隨著進料位置下移，乙酸異丙酯的含量越來越低。當進料塔板小于17時，進料位置對塔釜采出乙酸異丙酯及塔釜熱負荷影響較小。

2.2.2 回流比

回流比是精餾過程中的重要影響因素，回流比與塔釜采出異丙酯、異丙醇含量的關系，不同回流比塔釜熱負荷與原操作條件（R=2.5）熱負荷的關系見圖3和圖4。

圖3 回流比與塔釜采出異丙酯、異丙醇含量的關系Fig 3 Relationship of reflux ratio and content of isopropyl acetate and isopropand extracted from tower bottom

圖4 不同回流質量比塔釜熱負荷與原操作條件（R=2.5）熱負荷的關系Fig 4 Thermal load relationship of tower bottom with different reflux mass ratio and with original operating conditions（R=2.5）

從圖3和圖4可以看出，隨著回流比增加，塔釜采出物中乙酸異丙酯含量越來越高，但塔釜熱負荷越來越高。當回流質量比＞1.5時，塔釜采出異丙醇的質量分數＜0.02%，乙酸異丙酯的質量分數≥98.68%。與原試驗條件R=2.5比，當R=2時，熱負荷減少約12%；當R=1.5時，塔釜熱負荷減少約24%。

2.2.3 塔板數

提濃塔的理論塔板數為30塊，各塔板上平衡液相各組分的質量分數變化見圖5。

從圖5可以看出，從塔頂到第15塊塔板到塔釜的乙酸異丙酯含量逐漸提高；第15塊塔板到第30塊塔板，各組分含量變化不大，尤其第25到30塊塔板。因此，在其他參數不變情況下，提濃塔塔板可以從30塊減少為25塊，此時塔釜采出乙酸異丙酯的質量分數可達到98.68%，水、異丙醇的質量分數可控制在0.02%以下，并且可以降低裝置的設備投資。

圖5 各塔板液相含量分布Fig 5 Liquid concentration distribution of each tower board

3 結論

根據乙酸異丙酯提濃塔的試驗數據，采用ASPEN PLUS建立了提濃塔的模型，所得的模擬結果與試驗數據誤差在3%以內。

在所建立模型的基礎上，改變進料板位置、回流比、塔板數得到優化結果：1）進料板位置在2～17塊，塔釜采出流股中低沸物的質量分數控制在0.02%以內；2）提濃塔的回流質量比在1.5～2.5時，塔釜采出流股中低沸物的質量分數可以控制在0.02%以內；當回流質量比為1.5時，較原操作的塔釜熱負荷減少約24%；3）提濃塔的理論塔板數可以從30塊減少為25塊，減少設備的投資。

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[8]程能林.溶劑手冊[M].4版.北京：化學工業出版社,2008：403.

Simulation and Optimization of Isopropyl Acetate Concentration Tower by ASPEN PLUS

Gao Lei
（ShanghaiChem Engineering Incorporation,Shanghai 200235）

Based on the experimental data,a model of isopropyl acetate concentration tower was established by ASPEN PLUS and the influence of the feed stage,reflux ratio and theoretical plate number on target product were investigated.The optimum results were obtained when the feed stage was 2～17,the reflux ratio was 1.5～2.5,and theoretical plate number was 25.Quality score of low-boiler extracted from concentration tower bottom was below 0.02%,and isopropyl acetate could reach 98.68%;especially,when the reflux ratio was 1.5,the thermal load was reduced by 24%compared with the original experimental condition.

isopropyl acetate;concentration;simulation;ASPEN PLUS

TQ225.24+1

A DOI10.3969/j.issn.1006-6829.2012.03.008

2012-03-15