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(wú)法滿足日益增大的市場(chǎng)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(wèn)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(guò)程強(qiáng)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(shì)，因此加快催化精餾合成EGMBE工藝的工業(yè)化進(jìn)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(duì)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(duì)工藝進(jìn)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(duì)催化劑濃度分布與環(huán)氧乙烷進(jìn)料分配方式進(jìn)行了優(yōu)化，為乙二醇正丁醚催化精餾合成工藝的改進(jìn)和模擬放大等提供理論支持。
　　

3、 (1)建立了穩(wěn)態(tài)平衡級(jí)數(shù)學(xué)模型，采用Newton-Raphson法求解，并基于VisualC++6.0平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)代碼的編寫和運(yùn)行。利用此數(shù)學(xué)模型，對(duì)乙二醇正丁醚催化精餾塔進(jìn)行了模擬計(jì)算，考察了關(guān)鍵操作參數(shù)(操作壓力、再沸比、醇烷進(jìn)料比)對(duì)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(dòng)力學(xué)對(duì)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(guò)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(jìn)料1.8，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，研究表明，模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，驗(yàn)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(shí)，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(dá)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(shí)，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(jí)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(jìn)料板上，環(huán)氧乙烷的進(jìn)位置和正丁醇的進(jìn)料量對(duì)全塔的有效能損失有很大影響，環(huán)氧乙烷的進(jìn)料位置越靠下，正丁醇的進(jìn)料量越大總有效能

6、損失越小。當(dāng)其他條件不變時(shí)，進(jìn)料位置是第7板，正丁醇的進(jìn)料量為0.8 kmol·hr-1時(shí)的有效能損失最小。
　　 (3)建立了熱效應(yīng)分析模型，計(jì)算了體系的熱利用因子的大小，分析了溫度對(duì)熱利用因子的影響，利用穩(wěn)態(tài)平衡級(jí)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(duì)塔內(nèi)汽液相流量的影響。
　　 研究表明，本體系屬于具有強(qiáng)熱效應(yīng)的體系，在反應(yīng)精餾塔的設(shè)計(jì)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(jìn)料板上，即與環(huán)氧乙烷的進(jìn)料位置有關(guān)；熱效應(yīng)對(duì)汽液相流量分布有很大影響：不同正丁醇進(jìn)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(jìn)料量較小(0.3 kmol·hr-1)時(shí)，第七塊塔板上的汽相流量大于液相流量，隨著進(jìn)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(dá)到0.7kmol·hr-1時(shí)，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(gè)最小醇烷進(jìn)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(shí)所需的最小再沸器熱負(fù)荷，基于總復(fù)合曲線(CGCC)，對(duì)催化劑濃度分布及環(huán)氧乙烷進(jìn)料分配方式進(jìn)行了優(yōu)化。
　　 模擬結(jié)果表明，催化劑濃度分布情況對(duì)能耗有很大影響：當(dāng)催化劑在反應(yīng)段均勻分布時(shí)，所需要再沸器熱負(fù)荷為140.08kW，對(duì)催化劑分布進(jìn)行優(yōu)化后能降低能耗42％。
　　 研究還表明，環(huán)氧乙烷的進(jìn)料分配方式對(duì)催化精餾塔的能耗也有較大影響：隨著環(huán)氧乙烷進(jìn)料流股的