異丙醇精制精餾塔設計

摘 " " "要：異丙醇作為一種重要的有機化工原料，廣泛應用于各個行業。以丙烯、水為原料，采用氣液混相法制備異丙醇，具有能耗低、節能環保、產品純度高等優點。根據年產10萬t異丙醇的生產負荷，對異丙醇精制精餾塔進行設計。

關 "鍵 "詞：異丙醇；生產工藝；精餾塔

中圖分類號：TQ053.5 " " 文獻標識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）07-0979-04

異丙醇（IPA）是一種有機化合物，分子式為C3H8O，是正丙醇的同分異構體，又名仲丙醇、二甲基甲醇。異丙醇為無色透明液體，易燃，有似乙醇和丙酮混合物的氣味，溶于水、醇、醚、苯、氯仿等多數有機溶劑。異丙醇具有特殊的香氣，是含在水果、蔬菜、乳制品和酒類等食品中的天然成分之一，主要用于油墨、農藥、合成樹脂，也可作為防凍劑、清潔劑等。除此之外，異丙醇還是一種重要的有機合成原材料，廣泛應用于化妝品、油漆等領域中。

1 "生產工藝

異丙醇的制備工藝包括丙烯水合法、丙酮加氫法、酯交換法和醋酸異丙酯加氫法等。目前，工業上異丙醇的生產方法主要是丙烯水合法和丙酮加氫法，丙烯水合法可分為丙烯間接水合法和丙烯直接水合法兩種。丙烯間接水合法因“三廢”污染、設備腐蝕嚴重及生產成本高等問題，20世紀80年代后這種方法就被逐漸淘汰。其他制備異丙醇工藝因技術不成熟等問題業沒有被廣泛采用，而在已經工業化的丙烯直接水合法生產技術中，以氣液混相法生產技術反應條件緩和、丙烯轉化率高、異丙醇時空產率高等優點受到人們的廣泛注意和使用。因此，本設計采用氣液混相法制備異丙醇。

氣液混相法制備異丙醇生產工藝主要是以丙烯、水為原料，采用丙烯氣液相水合法通過水合反應、分離提純生產高純度異丙醇產品，同時副產異丙醚。在本設計工藝中，異丙醇制備生產共分為 " "4個工段，分別為反應工段、丙烯循環工段、脫水工段和異丙醇精致工段。由于異丙醚、異丙醇在分離時會產生二元共沸物不方便分離，而改變壓力后可使得他們的共沸點溫度發生變化，進而便于對異丙醚、異丙醇進行分離。因此，在異丙醇精制工段中，通過采用變壓精餾的方式來生產純度高達99.9%的產品異丙醇。丙烯水合反應生成主產物為異丙醇，副產物為異丙醚，其方程式如下。

主反應：

CH3CH=CH2+H2O→CH3CHOHCH3。 " （1）

副反應：

2CH3CHOHCH3→（CH3）2CHOCH（CH3）2+H2O。 （2）

CH3CHOHCH3→CH3（CH2）2OH。 " " "（3）

丙烯與水反應過程中，不可避免地會生成碳六烴類、異丙醚和重組分等，因此需要通過精制來提高異丙醇的純度，本設計主要是針對異丙醇精制工段精餾塔進行設計計算。

2 "異丙醇精制精餾塔設計計算

2.1 "設計條件

壓力：對于異丙醇-異丙醚體系，由于其沸點相近，常壓下會形成二元共沸物難以分離。通過變壓精餾，不但可以在不引入雜質的情況下有效分離二元共沸物，而且工藝簡單、能耗低，因此在精制過程中選用減壓精餾。在設計中，該塔的操作壓力為0.014 MPa，進料壓力為 0.025 MPa。

進料狀況：物料的進料方式為飽和液體進料。

塔頂冷凝方式及塔底加熱方式：塔頂采用部分冷凝器，塔底采用間接蒸汽加熱。

物性方法及回流比：根據工藝中的物質特點，在本設計中物性方法選擇NRTL，回流比 " " " "R=（1.1～2.0）Rmin。

2.2 "模型建立

精餾塔模型如圖1所示。

2.2.1 "精餾塔進料組成

精餾塔進料物料組成如表1所示。

2.2.2 "精餾塔模擬結果

利用Aspen Plus對精餾塔進行計算，模擬結果如表2所示。

通過表2模擬結果可知，塔釜異丙醇的質量分數為99.4%，未達到99.9%的純度要求，因此需要對塔進行優化設計。

2.3 "靈敏度分析及優化

通過優化使異丙醇質量分數達到99.9%，在保證分離要求的前提下，盡量減少設備費用和操作 "費用。

2.3.1 "理論塔板數優化

利用Aspen Plus軟件中的靈敏度分析功能，以理論塔板數為自變量，研究異丙醇質量分數隨理論塔板數的變化，結果如圖2所示。

在精餾過程中，增加理論塔板數可以增大塔內氣液兩相的接觸時間，從而提高分離效果，但是當理論塔板數增加到一定值時，對分離效果的影響會減弱，而且理論塔板數的增加會造成設備費用的增加。從圖2中可以看出，隨著理論塔板數的增加，異丙醇質量分數提高，但是24塊塔板以后，隨著塔板數的增加，異丙醇的質量分數變化不大。由于塔板數的多少體現了設備費用的大小，綜合考慮經濟成本，選擇最優理論塔板數為24塊塔板。

2.3.2 "回流比優化

以摩爾回流比為自變量，研究異丙醇質量分數隨回流比的變化，結果如圖3所示。回流是保證精餾塔連續操作的必要條件之一，回流比是精餾分離裝置投資費用和操作費用的重要因素，同時，也顯著影響現有精餾塔的分離效果。對于一定的物系和分離任務，選擇適宜的回流比至關重要。由圖3可以看出，隨著回流比增加，異丙醇質量分數增大，但根據經驗，適宜回流比為最小回流比的1.2～2.0倍，因此，本設計中選8.0為最合適的回流比。將上述優化結果（理論塔板數24，回流比8.0）輸入后重新運行，結果如表3所示。從表3中可以看到，優化后塔釜異丙醇質量分數達到99.98%，滿足分離要求。

2.4 "塔效率

在本精餾塔設計中，實際塔板效率取70%，再沸器效率取90%，由前面計算可知理論塔板數為24塊（不含冷凝器、再沸器），實際板數為24/0.7≈34塊，加上冷凝器、再沸器共36塊，重新設置塔板數，并定義塔板效率。

3 "塔結構校核

選擇該精餾塔為篩板塔。在Aspen Plus的塔內件中選擇交互設計計算進行板式塔設計，塔盤類型選擇SIEVE，起始塔板2，終止塔板35，平型受液盤，弓形降液管，考慮到塔徑和液相負荷等因素，溢流數選1。在塔的尺寸中，可以通過改變塔的板間距，得到一個合理的塔徑。通過運算，得到精餾塔的板間距為0.6 m，塔徑為2.8 m。

將精餾塔板間距和塔徑代入塔核算中，查看是否滿足塔的水力學，運行后結果如表4所示。通過相應文獻可知，最大液泛因子必須小于0.8，最大降液管液位/板間距均需要在0.2～0.5之間。

由表4可知，各塔板液泛率均在40%～60%之間，最大降液管液位/板間距均在0.2～0.5之間，且停留時間均大于4 s，符合載荷要求，因此該精餾塔設計合理。

通過水力學分析可知所設計的精餾塔是否液泛，但是塔是否滿足操作條件，需要分析其負荷性能圖。

4 "精餾塔水力學校核

4.1 "水力學分析

在設計數據的最大負荷下，對全塔進行水力學模擬分析。從表4可知，在最大負荷下，全塔的任何一塊塔板上都不會引起液泛。而第2塊塔板是發生降液管液泛設計上的薄弱環節，因此對第2塊塔板進行塔板負荷性能圖分析。

4.2 "塔板負荷性能圖

塔板的氣液正常操作通常以塔板負荷性能圖表示。塔板的負荷性能圖以氣相負荷為縱坐標，液相負荷為橫坐標繪制而成。它由漏液線、霧沫夾帶線、液相負荷下限線、液相負荷上限線和液泛線5條線組成。每條線代表一個極限操作狀況，5條線包圍部分是正常操作范圍。圖4中Operating Point為操作點，該線為操作線，由圖4可知，第2塊塔板的操作點處于5條線包圍范圍，即滿足操作要求。

5 "結 論

該精餾塔用于對異丙醇-異丙醚共沸混合物進行分離提純，不但可以提高異丙醇的純度，而且可以使副產物異丙醚變為副產品，合理利用資源，實現了變廢為寶。

通過設計計算可知，最優理論塔板數為24塊塔板，適宜回流比為8.0。通過校核，最終選擇板間距為0.6 m、塔徑為2.8 m的精餾塔。在已知工藝條件下，塔釜得到質量分數為99.98%的異丙醇產品，提高了原子利用率。

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Design of Isopropanol Distillation Column

WANG Lei， FAN Feng-lan， WANG Ling-juan

（School of Chemistry and Engineering， Hebei Normal University for Nationalities， Chengde Hebei 067000， China）

Abstract： "As an important organic chemical raw material， isopropanol is widely used in various industries. In this design， using propylene and water as raw materials， isopropanol can be produced by gas liquid miscible method. The method has many advantages， such as low energy consumption， high product purity， energy conservation and environmental protection. In this paper， the distillation tower was designed and calculated according to the production load of 100 kt·a-1 isopropanol.

Key words： Isopropanol; Production process; Distillation column