催化精餾合成乙二醇正丁醚模擬研究.pdf

1、乙二醇正丁醚(Ethylene Glycol Monobutyl Ether，EGMBE)是環(huán)氧乙烷的重要衍生物，是一種綠色環(huán)保溶劑，在工業(yè)領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的EGMBE生產(chǎn)工藝不僅無法滿足日益增大的市場需求，而且存在副產(chǎn)物多、能耗高、資源和能源利用效率低等問題，開發(fā)新型高效節(jié)能的乙二醇正丁醚合成工藝的具有十分重要的意義。催化精餾是典型的化工過程強化技術(shù)，已成功應(yīng)用于150多種化工產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)，將催化精餾工藝應(yīng)用于EGMB

2、E的生產(chǎn)，具有目標(biāo)產(chǎn)物選擇性高、能量利用率高、能耗低、成本低等優(yōu)勢，因此加快催化精餾合成EGMBE工藝的工業(yè)化進程十分重要。本文旨在建立可靠的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)模擬技術(shù)，研究操作條件對乙二醇正丁醚催化精餾合成工藝的影響，考察反應(yīng)和分離之間的耦合行為；對工藝進行了熱力學(xué)分析，考察了不同工況下催化精餾塔的熱利用情況，并對催化劑濃度分布與環(huán)氧乙烷進料分配方式進行了優(yōu)化，為乙二醇正丁醚催化精餾合成工藝的改進和模擬放大等提供理論支持。
　　

3、 (1)建立了穩(wěn)態(tài)平衡級數(shù)學(xué)模型，采用Newton-Raphson法求解，并基于VisualC++6.0平臺實現(xiàn)了計算機代碼的編寫和運行。利用此數(shù)學(xué)模型，對乙二醇正丁醚催化精餾塔進行了模擬計算，考察了關(guān)鍵操作參數(shù)(操作壓力、再沸比、醇烷進料比)對環(huán)氧乙烷轉(zhuǎn)化率和目標(biāo)產(chǎn)物EGMBE選擇性的影響，考察了反應(yīng)動力學(xué)對環(huán)氧乙烷轉(zhuǎn)化率和目標(biāo)產(chǎn)物EGMBE選擇性的影響。
　　 通過模擬，得到了適宜的操作條件：操作壓力2atm，再沸比9，醇

4、烷進料1.8，在此基礎(chǔ)上，通過模擬取得塔內(nèi)溫度、汽液相流量及組分組成的分布特性，并通過實驗對模擬結(jié)果進行了驗證，研究表明，模型結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好，驗證了模型的可靠性。
　　 研究表明，增加Damkohler number(Da)有助于提高環(huán)氧乙烷的轉(zhuǎn)化率：Da數(shù)較小時，EO不能完全轉(zhuǎn)化，隨著Da的增加，EO轉(zhuǎn)化率迅速增大，直至達到100％；增加Da有助于提高目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性：當(dāng)Da小于4時，目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性不足50％；隨著D

5、a的增大，EGMBE的選擇性逐漸增大，當(dāng)Da增大到9以后，目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性維持在94%。
　　 (2)建立了有效能分析模型，利用穩(wěn)態(tài)平衡級模擬結(jié)果，采用熱力學(xué)分析方法，得到了EGMBE催化精餾塔內(nèi)的有效能損失分布曲線，找到了工藝的能量損失的主要部位。
　　 研究表明，塔內(nèi)有效能損失主要集中在環(huán)氧乙烷進料板上，環(huán)氧乙烷的進位置和正丁醇的進料量對全塔的有效能損失有很大影響，環(huán)氧乙烷的進料位置越靠下，正丁醇的進料量越大總有效能

6、損失越小。當(dāng)其他條件不變時，進料位置是第7板，正丁醇的進料量為0.8 kmol·hr-1時的有效能損失最小。
　　 (3)建立了熱效應(yīng)分析模型，計算了體系的熱利用因子的大小，分析了溫度對熱利用因子的影響，利用穩(wěn)態(tài)平衡級模擬結(jié)果，得到了塔內(nèi)反應(yīng)放熱分布曲線，并考察了熱效應(yīng)對塔內(nèi)汽液相流量的影響。
　　 研究表明，本體系屬于具有強熱效應(yīng)的體系，在反應(yīng)精餾塔的設(shè)計中應(yīng)考慮熱效應(yīng)的影響：溫度越高熱利用因子越大，反應(yīng)放熱主要集中在

7、環(huán)氧乙烷的進料板上，即與環(huán)氧乙烷的進料位置有關(guān)；熱效應(yīng)對汽液相流量分布有很大影響：不同正丁醇進料量下，塔內(nèi)汽液相流量分布主要差異在第7塊塔板。當(dāng)正丁醇進料量較小(0.3 kmol·hr-1)時，第七塊塔板上的汽相流量大于液相流量，隨著進料流量的增大，汽相流量逐漸減小液相逐漸增大，兩者差距逐漸縮小，當(dāng)達到0.7kmol·hr-1時，二者幾乎相等，因此，為了能使反應(yīng)段發(fā)揮提餾作用，存在一個最小醇烷進料比。
　　 (4)模擬考察了不同

8、工況下，當(dāng)環(huán)氧乙烷完全轉(zhuǎn)化，目標(biāo)產(chǎn)物EGMBE選擇性為90％時所需的最小再沸器熱負荷，基于總復(fù)合曲線(CGCC)，對催化劑濃度分布及環(huán)氧乙烷進料分配方式進行了優(yōu)化。
　　 模擬結(jié)果表明，催化劑濃度分布情況對能耗有很大影響：當(dāng)催化劑在反應(yīng)段均勻分布時，所需要再沸器熱負荷為140.08kW，對催化劑分布進行優(yōu)化后能降低能耗42％。
　　 研究還表明，環(huán)氧乙烷的進料分配方式對催化精餾塔的能耗也有較大影響：隨著環(huán)氧乙烷進料流股的