論文題目：酸烯法生產(chǎn)醋酸仲丁酯的模擬優(yōu)化與節(jié)能研究
論文選題的目的和意義(題目來(lái)源、國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)、預(yù)期的應(yīng)用價(jià)值、社會(huì)效益)：
醋酸仲丁酯,即乙酸仲丁酯,也稱(chēng)醋酸另丁酯、醋酸第二丁酯、乙酸1-甲基丙酯, 英文名稱(chēng) sec-butyl acetate (SBAC)、2-butanol acetate，是醋酸丁酯的四種異構(gòu)體之一。醋酸丁酯是一類(lèi)無(wú)色、易燃、具有果實(shí)味的液體，可溶解多種樹(shù)脂及有機(jī)物，醋酸仲丁酯與其它異構(gòu)體的性能在大多數(shù)情況下都相似，現(xiàn)已被廣泛作為香料、溶劑、醫(yī)藥、萃取劑組分、反應(yīng)介質(zhì)組分、金屬漆清洗劑組分等。醋酸仲丁酯的醇酯化法生產(chǎn)工藝早已有之。70年代前，國(guó)內(nèi)外均有生產(chǎn)，美國(guó)Union Oil Company的Amosco曾有溶劑用醋酸仲丁酯銷(xiāo)售。由于原料仲丁醇價(jià)格偏高，而且酯化反應(yīng)速率慢，平衡轉(zhuǎn)化率也較低，生產(chǎn)技術(shù)難度大，因此醋酸仲丁酯逐漸被醋酸正丁酯、醋酸正丙酯等溶劑取代。80年代后，隨著MTBE的發(fā)展，出現(xiàn)大量副產(chǎn)正丁烯，推動(dòng)了醋酸-丁烯一步加成法合成醋酸仲丁酯工藝的發(fā)展，2006年，世界首套1萬(wàn)噸/年丁烯法醋酸仲丁酯裝置在湖南中創(chuàng)化工投產(chǎn)，至2013年醋酸仲丁酯年產(chǎn)能達(dá)到85萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2014年將達(dá)到150萬(wàn)噸。
現(xiàn)裝置均采用醚后碳四與過(guò)量醋酸反應(yīng)，工藝路線為醚后碳四經(jīng)過(guò)精制除去有含雜質(zhì)、提高正丁烯含量，與過(guò)量醋酸反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入脫碳四塔脫出不反應(yīng)碳四，剩余反應(yīng)產(chǎn)物利用共沸精餾手段分離過(guò)量醋酸得到粗酯產(chǎn)品，而后進(jìn)行精制得到終產(chǎn)品。
1) 加成反應(yīng)
2) 疊合反應(yīng)
在烯酸加成工藝中，丁烯的疊合是不希望發(fā)生的副反應(yīng)，是物料結(jié)焦、變黑的基礎(chǔ)。丁烯二聚與三聚的反應(yīng)式如下：
酸烯加成為放熱反應(yīng)，目前此部分熱量由冷卻水移走，造成能量浪費(fèi)，王聰對(duì)冷卻水的用量做了優(yōu)化研究，張志炳等提出采用催化精餾塔利用此部分熱量作為加熱熱源，但受催化精餾設(shè)備本身的限制未工業(yè)化;共沸精餾是利用低沸點(diǎn)共沸將醋酸(沸點(diǎn)118℃)與醋酸仲丁酯(112℃)分離，采用水作為共沸劑，共沸劑添加量影響分離能耗，胡先念、潘羅其、趙薇等對(duì)此做了相應(yīng)研究;化工精餾塔再沸器產(chǎn)生的蒸汽凝水(0.7MPaG、140℃)作為低溫?zé)嵩囱b置利用率低，需要加以綜合利用，沈潺潺等對(duì)常壓蒸餾裝置低溫余熱的回收進(jìn)行了研究;裝置加熱全部靠外供熱源、冷卻/冷凝全部靠外供冷源，能源消耗大、成本高，采用夾點(diǎn)技術(shù)與Aspen plus模擬技術(shù)相結(jié)合對(duì)裝置換熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，楊錦、李軍、梁搏云、白玫、劉德申等分別對(duì)環(huán)氧氯丙烷、醋酸乙烯、MTBE及裂解、碳酸二甲酯裝置進(jìn)行了換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模擬。
根據(jù)調(diào)查，現(xiàn)醋酸仲丁酯裝置單噸產(chǎn)品蒸汽能耗為2.2噸，若經(jīng)過(guò)節(jié)能優(yōu)化單噸蒸汽能耗可降低0.5噸，蒸汽按照150元/噸計(jì)算，一套10萬(wàn)噸/年醋酸仲丁酯裝置將年節(jié)約成本750萬(wàn)元，按照年150萬(wàn)噸產(chǎn)能計(jì)算，可為社會(huì)節(jié)約燃煤8萬(wàn)噸標(biāo)煤，減少二氧化碳排放21.28萬(wàn)噸，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
研究方案(論文擬解決的問(wèn)題、技術(shù)路線、實(shí)施方案)：
近年隨著醋酸仲丁酯項(xiàng)目的發(fā)展，對(duì)其催化劑合成、工藝條件、設(shè)備選型、裝置設(shè)計(jì)的研究越來(lái)越多，但在節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)方面未見(jiàn)報(bào)道，本課題的主要任務(wù)是對(duì)裝置進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)技術(shù)路線、工藝條件等進(jìn)行優(yōu)化整合，利用Aspen plus對(duì)裝置操作條件進(jìn)行優(yōu)化模擬;其次結(jié)合溴化鋰余熱制冷技術(shù)、HR余熱回收技術(shù)、噴射式蒸汽混合器技術(shù)對(duì)裝置低溫?zé)嵩催M(jìn)行回收利用，蒸汽凝水降溫后回鍋爐系統(tǒng);后利用夾點(diǎn)技術(shù)分析優(yōu)化整個(gè)裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)。
表1 醋酸仲丁酯裝置典型操作參數(shù)
反應(yīng)單元 脫C4精餾塔 第一共沸精餾塔 第二共沸精餾塔 醋酸精制塔
操作溫度/℃ 塔頂 70-150 30-60 60-100 70-90 100-150
塔底 100-200 100-300 100-300 125-200
操作壓力/MPa 0.6-2 0.05-1 0.1 0.1 0.1
注：反應(yīng)單元操作溫度與催化劑活性密切相關(guān)，催化劑進(jìn)入活性后期需要提高操作溫度，但在實(shí)際操作用宜控制在110℃以下，為經(jīng)濟(jì)。
研究計(jì)劃進(jìn)度：
20XX年11月～20XX年02月 ： 進(jìn)行中外文獻(xiàn)檢索，查閱相關(guān)資料。
20XX年03月～20XX年04月 ： 設(shè)計(jì)方案，開(kāi)題。
20XX年05月～20XX年11月 ： 裝置模擬核算。
20XX年12月～20XX年01月 ： 整理數(shù)據(jù)，總結(jié)。
20XX年02月～20XX年04月 ： 撰寫(xiě)論文，準(zhǔn)備答辯工作。
預(yù)期成果及創(chuàng)新之處：
1、裝置單噸能耗降到1.7噸蒸汽/噸醋酸仲丁酯;
2、在醋酸仲丁酯項(xiàng)目中引入HR余熱回收技術(shù)、噴射式蒸汽混合技術(shù)等新技術(shù);
3、利用夾點(diǎn)技術(shù)及Aspen plus對(duì)醋酸仲丁酯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。
主要參考文獻(xiàn)目錄：
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論文選題的目的和意義(題目來(lái)源、國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)、預(yù)期的應(yīng)用價(jià)值、社會(huì)效益)：
醋酸仲丁酯,即乙酸仲丁酯,也稱(chēng)醋酸另丁酯、醋酸第二丁酯、乙酸1-甲基丙酯, 英文名稱(chēng) sec-butyl acetate (SBAC)、2-butanol acetate，是醋酸丁酯的四種異構(gòu)體之一。醋酸丁酯是一類(lèi)無(wú)色、易燃、具有果實(shí)味的液體，可溶解多種樹(shù)脂及有機(jī)物，醋酸仲丁酯與其它異構(gòu)體的性能在大多數(shù)情況下都相似，現(xiàn)已被廣泛作為香料、溶劑、醫(yī)藥、萃取劑組分、反應(yīng)介質(zhì)組分、金屬漆清洗劑組分等。醋酸仲丁酯的醇酯化法生產(chǎn)工藝早已有之。70年代前，國(guó)內(nèi)外均有生產(chǎn)，美國(guó)Union Oil Company的Amosco曾有溶劑用醋酸仲丁酯銷(xiāo)售。由于原料仲丁醇價(jià)格偏高，而且酯化反應(yīng)速率慢，平衡轉(zhuǎn)化率也較低，生產(chǎn)技術(shù)難度大，因此醋酸仲丁酯逐漸被醋酸正丁酯、醋酸正丙酯等溶劑取代。80年代后，隨著MTBE的發(fā)展，出現(xiàn)大量副產(chǎn)正丁烯，推動(dòng)了醋酸-丁烯一步加成法合成醋酸仲丁酯工藝的發(fā)展，2006年，世界首套1萬(wàn)噸/年丁烯法醋酸仲丁酯裝置在湖南中創(chuàng)化工投產(chǎn)，至2013年醋酸仲丁酯年產(chǎn)能達(dá)到85萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2014年將達(dá)到150萬(wàn)噸。
現(xiàn)裝置均采用醚后碳四與過(guò)量醋酸反應(yīng)，工藝路線為醚后碳四經(jīng)過(guò)精制除去有含雜質(zhì)、提高正丁烯含量，與過(guò)量醋酸反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入脫碳四塔脫出不反應(yīng)碳四，剩余反應(yīng)產(chǎn)物利用共沸精餾手段分離過(guò)量醋酸得到粗酯產(chǎn)品，而后進(jìn)行精制得到終產(chǎn)品。
1) 加成反應(yīng)
2) 疊合反應(yīng)
在烯酸加成工藝中，丁烯的疊合是不希望發(fā)生的副反應(yīng)，是物料結(jié)焦、變黑的基礎(chǔ)。丁烯二聚與三聚的反應(yīng)式如下：
酸烯加成為放熱反應(yīng)，目前此部分熱量由冷卻水移走，造成能量浪費(fèi)，王聰對(duì)冷卻水的用量做了優(yōu)化研究，張志炳等提出采用催化精餾塔利用此部分熱量作為加熱熱源，但受催化精餾設(shè)備本身的限制未工業(yè)化;共沸精餾是利用低沸點(diǎn)共沸將醋酸(沸點(diǎn)118℃)與醋酸仲丁酯(112℃)分離，采用水作為共沸劑，共沸劑添加量影響分離能耗，胡先念、潘羅其、趙薇等對(duì)此做了相應(yīng)研究;化工精餾塔再沸器產(chǎn)生的蒸汽凝水(0.7MPaG、140℃)作為低溫?zé)嵩囱b置利用率低，需要加以綜合利用，沈潺潺等對(duì)常壓蒸餾裝置低溫余熱的回收進(jìn)行了研究;裝置加熱全部靠外供熱源、冷卻/冷凝全部靠外供冷源，能源消耗大、成本高，采用夾點(diǎn)技術(shù)與Aspen plus模擬技術(shù)相結(jié)合對(duì)裝置換熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，楊錦、李軍、梁搏云、白玫、劉德申等分別對(duì)環(huán)氧氯丙烷、醋酸乙烯、MTBE及裂解、碳酸二甲酯裝置進(jìn)行了換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模擬。
根據(jù)調(diào)查，現(xiàn)醋酸仲丁酯裝置單噸產(chǎn)品蒸汽能耗為2.2噸，若經(jīng)過(guò)節(jié)能優(yōu)化單噸蒸汽能耗可降低0.5噸，蒸汽按照150元/噸計(jì)算，一套10萬(wàn)噸/年醋酸仲丁酯裝置將年節(jié)約成本750萬(wàn)元，按照年150萬(wàn)噸產(chǎn)能計(jì)算，可為社會(huì)節(jié)約燃煤8萬(wàn)噸標(biāo)煤，減少二氧化碳排放21.28萬(wàn)噸，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
研究方案(論文擬解決的問(wèn)題、技術(shù)路線、實(shí)施方案)：
近年隨著醋酸仲丁酯項(xiàng)目的發(fā)展，對(duì)其催化劑合成、工藝條件、設(shè)備選型、裝置設(shè)計(jì)的研究越來(lái)越多，但在節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)方面未見(jiàn)報(bào)道，本課題的主要任務(wù)是對(duì)裝置進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)技術(shù)路線、工藝條件等進(jìn)行優(yōu)化整合，利用Aspen plus對(duì)裝置操作條件進(jìn)行優(yōu)化模擬;其次結(jié)合溴化鋰余熱制冷技術(shù)、HR余熱回收技術(shù)、噴射式蒸汽混合器技術(shù)對(duì)裝置低溫?zé)嵩催M(jìn)行回收利用，蒸汽凝水降溫后回鍋爐系統(tǒng);后利用夾點(diǎn)技術(shù)分析優(yōu)化整個(gè)裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)。
表1 醋酸仲丁酯裝置典型操作參數(shù)
反應(yīng)單元 脫C4精餾塔 第一共沸精餾塔 第二共沸精餾塔 醋酸精制塔
操作溫度/℃ 塔頂 70-150 30-60 60-100 70-90 100-150
塔底 100-200 100-300 100-300 125-200
操作壓力/MPa 0.6-2 0.05-1 0.1 0.1 0.1
注：反應(yīng)單元操作溫度與催化劑活性密切相關(guān)，催化劑進(jìn)入活性后期需要提高操作溫度，但在實(shí)際操作用宜控制在110℃以下，為經(jīng)濟(jì)。
研究計(jì)劃進(jìn)度：
20XX年11月～20XX年02月 ： 進(jìn)行中外文獻(xiàn)檢索，查閱相關(guān)資料。
20XX年03月～20XX年04月 ： 設(shè)計(jì)方案，開(kāi)題。
20XX年05月～20XX年11月 ： 裝置模擬核算。
20XX年12月～20XX年01月 ： 整理數(shù)據(jù)，總結(jié)。
20XX年02月～20XX年04月 ： 撰寫(xiě)論文，準(zhǔn)備答辯工作。
預(yù)期成果及創(chuàng)新之處：
1、裝置單噸能耗降到1.7噸蒸汽/噸醋酸仲丁酯;
2、在醋酸仲丁酯項(xiàng)目中引入HR余熱回收技術(shù)、噴射式蒸汽混合技術(shù)等新技術(shù);
3、利用夾點(diǎn)技術(shù)及Aspen plus對(duì)醋酸仲丁酯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。
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