过程模拟与优化课程设计
-醋酸丁酯联产工艺设计
完成人： 李谦
袁金彪
指导教师： 钱宇 完成时间： 2001年12月
醋酸乙酯 华南理工大学化工学院过程模拟与优化课程设计论文
醋酸乙酯生产装置的过程设计与能量优化
目录
1. 项目介绍 ................................................................................................................. 3 2 项目分析 ................................................................................................................. 3
2.1 醋酸乙酯、醋酸丁酯生产工艺 ............................................................... 3 2.2 醋酸乙酯与醋酸丁酯的主要性质 ........................................................... 4 2.3 工艺分析 ................................................................................................... 4 2.4 乙酯－丁酯联产工艺 ............................................................................... 5
2.4.1 物料衡算 ............................................................................................ 5 2.4.2 操作条件分析 .................................................................................... 6 2.5 改造方案 ................................................................................................... 7
2.5.1 醋酸乙酯生产装置改造方案 ............................................................ 7 2.5.2 丁酯生产装置的改进 ........................................................................ 8
3 计算机模拟 ............................................................................................................. 9 4 乙酯生产装置的能量集成 ................................................................................... 10 5 结论 ....................................................................................................................... 11 参考文献 ...................................................................................................................... 11 附录：完成的流程图 .................................................................................................. 12
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醋酸乙酯生产装置的过程设计与能量优化
1. 项目介绍
广州溶剂厂位于广州市东郊，隶属广州珠江化工集团股份公司，是一家以生产醋酸乙酯、醋酸丁酯等化工溶剂为主的中型国营轻化工企业。该厂现有醋酸乙酯装置两套、醋酸丁酯装置四套、脲醛树脂装置七套、甲醛装置四套以及配套的公用工程系统。
该厂的醋酸乙酯、醋酸丁酯生产具有较长的历史，并具有相当的规模和一定的市场竞争能力。目前两种产品的市场情况良好。在此基础上，该厂准备进一步扩大生产能力，提出了设计醋酸乙酯、丁酯联产装置的设计要求:
年产5万吨醋酸乙酯/醋酸丁酯联产新工艺要求为： 1. 醋酸乙酯/醋酸丁酯采用联产方式，在同一反应器中反应。 2. 优化分离流程，以节约操作费用。 3. 进行能量优化。 4. 产品指标：
密度 含量 水分 酸度 1.1 醋酸乙酯 0.897-0.902 >=99% <=0.1% <=0.004% 醋酸丁酯 0.8787-0.883 含量>=99.7% 水分<=0.05% 酸度<=0.03% 2 项目分析
醋酸乙酯和醋酸丁酯是重要化工原料。广泛应用于油漆、涂料、油墨、人造纤维、医
药等许多化工企业。目前，处于环保考虑，采用醋酸乙酯和醋酸丁酯类溶剂来取代挥发性较强的有机物溶剂如苯等已成为趋势，从而导致市场对醋酸乙酯和醋酸丁酯的需求逐年增加。预计1997年-2002年期间世界年平均年需求增长率为4.7%。因此该项目的研究具有很大的现实意义。
通过文献查阅并结合厂方提供的资料，我们对本项目进行了项目分析。
2.1 醋酸乙酯、醋酸丁酯生产工艺
醋酸乙酯的主要生产方法有： A. 醋酸-乙醇酯化法
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醋酸乙酯生产装置的过程设计与能量优化
B. 醋酸-乙醛缩合法 C. 乙醇脱氢法
D. 醋酸-乙烯加成法
目前，珠江化工厂采用的是醋酸-乙醇酯化工艺，酯化法的优点在于工艺简单，操作方便，目前在我国被广泛使用；主要缺点酯化后分离困难，能耗较大。醋酸-乙醇酯化法制备醋酸乙酯的工艺流程为： 原料 酯化 中和 分离 洗涤 精馏 产品 醋酸丁酯的主要生产方法为：
A. 醋酸-丁醇酯化法 B. 醋酸-丁烯加成法
珠江化工厂现采用醋酸-丁醇酯化工艺，流程与乙酯工艺相同。
值得注意的是，酯化法目前在国际上已经逐步被醋酸-乙烯直接加成法所代替。加成法制备的醋酸乙酯无论从能耗、质量上都优于传统的酯化法。目前加成法的核心技术仍然为国外少数公司所垄断。如BP阿莫科公司。
2.2 醋酸乙酯与醋酸丁酯的主要性质
醋酸乙酯：
分子式：C4H8O2
结构式：CH3COOC4H9 分子量：88.07
醋酸丁酯：
分子式：C6H12O2
结构式：CH3COOC4H9 分子量：116.16
醋酸乙酯、丁酯的共沸物成分：
二元 二元 三元 二元 二元 三元
醋酸乙酯mol% 68.83 37.39 82.6
醋酸丁酯mol% 27.80 41.81 11.07
水mol％ 31.17 9 水mol％ 72.20
75.45
乙醇mol％ 0 62.61 8.4 丁醇mol％ 0 58.19 13.48
共沸点℃ 70.38 71.8 70.23 共沸点℃ 90.2 117.2 89.4
数据来源：广州溶剂厂、《溶剂手册》。
2.3 工艺分析
从以上介绍可知，目前酯化法生产乙酯、丁酯的技术已比较成熟，对反应原理、机制已经了解的比较透彻，所以我们的设计主要应集中于工艺过程的优化，以及能量利用系统的分析、优化方面。
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醋酸乙酯生产装置的过程设计与能量优化
从醋酸乙酯的核心生产装置-酯化装置着手，进行分析。酯化工段工艺如图1所示：原料经预热器预热后进入酯化塔底部，反应后的醋酸乙酯主要以酯-水二元共沸物的形式从塔顶蒸出，经冷凝后进入液-液分离器分层，废水从分离器底部排出，粗酯一部分回流，另一部分作为产品送精制部分。原料预热以及酯化塔用0.3兆帕的蒸汽加热。 该反应是一个可逆反应。增加反应物的浓度和减少生成物的浓度有利于反应向正方向移动。实际生产中，厂方采用醋酸过量，且通过蒸馏把生成的醋酸乙酯与水除去的方法提高反应的转化率。由于醋酸的沸点较高，精馏塔顶主要成分为醋酸乙酯和水共沸物。醋酸乙酯-水的二元共沸物组成的mol比为2.21：1，而酯－醇－水三元共沸物中乙酯与水的mol比更高达9.1：1，而反应生成的乙酯与水的mol比为1：1。为了把过多的水从釜中带出，只得采用乙酯回流的方式。生产的乙酯大量回流，导致能耗升高，同时大大限制了装置的生产能力。
图1 醋酸乙酯酯化装置
醋酸丁酯的生产工艺与乙酯相同，问题也类似。反应生成的丁酯以共沸物
的形式蒸出，共沸物中水的含量大大高于丁酯的含量，为了把多余的丁酯带出酯化釜，需要把大量的水回流。从而造成了很高的能
图2乙酯－丁酯联产装置
量消耗。
2.4 乙酯－丁酯联产工艺 2.4.1 物料衡算
从物性参数可知，乙酯共沸物中，水含量少，而丁酯共沸物中水含量过多，因此，我们设想将乙酯生产与丁酯生产结合起来，用乙酯过剩的水来补充丁酯不足的水，以减少外加乙酯和水的回流，降低能耗。乙酯共沸物共沸点约70℃，丁酯共沸物共沸点约90℃，相差20℃，可能用精馏的方法分离。基于此，我们提出的醋酸乙酯－丁酯联产装置如图2所示：在同一套设备中生产乙酯与丁酯，乙酯从精馏塔顶分离，丁酯从侧线采出。作物料衡算如下： 假设理想状况，反应完全，物料以三元共沸物的形式蒸馏得到。令酸过量以提高反应转化率，乙酯、丁酯产量为个1kmol/hr。
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