摘 " " "要：異丙醇作為一種重要的有機(jī)化工原料，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。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(jié)能環(huán)保、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)年產(chǎn)10萬(wàn)t異丙醇的生產(chǎn)負(fù)荷，對(duì)異丙醇精制精餾塔進(jìn)行設(shè)計(jì)。

關(guān) "鍵 "詞：異丙醇；生產(chǎn)工藝；精餾塔

中圖分類號(hào)：TQ053.5 " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）07-0979-04

異丙醇（IPA）是一種有機(jī)化合物，分子式為C3H8O，是正丙醇的同分異構(gòu)體，又名仲丙醇、二甲基甲醇。異丙醇為無(wú)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(shù)有機(jī)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(nóng)藥、合成樹(shù)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(jī)合成原材料，廣泛應(yīng)用于化妝品、油漆等領(lǐng)域中。

1 "生產(chǎn)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(yè)上異丙醇的生產(chǎn)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(shè)備腐蝕嚴(yán)重及生產(chǎn)成本高等問(wèn)題，20世紀(jì)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(shù)不成熟等問(wèn)題業(yè)沒(méi)有被廣泛采用，而在已經(jīng)工業(yè)化的丙烯直接水合法生產(chǎn)技術(shù)中，以氣液混相法生產(chǎn)技術(shù)反應(yīng)條件緩和、丙烯轉(zhuǎn)化率高、異丙醇時(shí)空產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)受到人們的廣泛注意和使用。因此，本設(shè)計(jì)采用氣液混相法制備異丙醇。

氣液混相法制備異丙醇生產(chǎn)工藝主要是以丙烯、水為原料，采用丙烯氣液相水合法通過(guò)水合反應(yīng)、分離提純生產(chǎn)高純度異丙醇產(chǎn)品，同時(shí)副產(chǎn)異丙醚。在本設(shè)計(jì)工藝中，異丙醇制備生產(chǎn)共分為 " "4個(gè)工段，分別為反應(yīng)工段、丙烯循環(huán)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(shí)會(huì)產(chǎn)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(diǎn)溫度發(fā)生變化，進(jìn)而便于對(duì)異丙醚、異丙醇進(jìn)行分離。因此，在異丙醇精制工段中，通過(guò)采用變壓精餾的方式來(lái)生產(chǎn)純度高達(dá)99.9%的產(chǎn)品異丙醇。丙烯水合反應(yīng)生成主產(chǎn)物為異丙醇，副產(chǎn)物為異丙醚，其方程式如下。

主反應(yīng)：

CH3CH=CH2+H2O→CH3CHOHCH3。 " （1）

副反應(yīng)：

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

CH3CHOHCH3→CH3（CH2）2OH。 " " "（3）

丙烯與水反應(yīng)過(guò)程中，不可避免地會(huì)生成碳六烴類、異丙醚和重組分等，因此需要通過(guò)精制來(lái)提高異丙醇的純度，本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)異丙醇精制工段精餾塔進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2 "異丙醇精制精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 "設(shè)計(jì)條件

壓力：對(duì)于異丙醇-異丙醚體系，由于其沸點(diǎn)相近，常壓下會(huì)形成二元共沸物難以分離。通過(guò)變壓精餾，不但可以在不引入雜質(zhì)的情況下有效分離二元共沸物，而且工藝簡(jiǎn)單、能耗低，因此在精制過(guò)程中選用減壓精餾。在設(shè)計(jì)中，該塔的操作壓力為0.014 MPa，進(jìn)料壓力為 0.025 MPa。

進(jìn)料狀況：物料的進(jìn)料方式為飽和液體進(jìn)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(jù)工藝中的物質(zhì)特點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)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(jìn)料組成

精餾塔進(jìn)料物料組成如表1所示。

2.2.2 "精餾塔模擬結(jié)果

利用Aspen Plus對(duì)精餾塔進(jìn)行計(jì)算，模擬結(jié)果如表2所示。

通過(guò)表2模擬結(jié)果可知，塔釜異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.4%，未達(dá)到99.9%的純度要求，因此需要對(duì)塔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 "靈敏度分析及優(yōu)化

通過(guò)優(yōu)化使異丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.9%，在保證分離要求的前提下，盡量減少設(shè)備費(fèi)用和操作 "費(fèi)用。

2.3.1 "理論塔板數(shù)優(yōu)化

利用Aspen Plus軟件中的靈敏度分析功能，以理論塔板數(shù)為自變量，研究異丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨理論塔板數(shù)的變化，結(jié)果如圖2所示。

在精餾過(guò)程中，增加理論塔板數(shù)可以增大塔內(nèi)氣液兩相的接觸時(shí)間，從而提高分離效果，但是當(dāng)理論塔板數(shù)增加到一定值時(shí)，對(duì)分離效果的影響會(huì)減弱，而且理論塔板數(shù)的增加會(huì)造成設(shè)備費(fèi)用的增加。從圖2中可以看出，隨著理論塔板數(shù)的增加，異丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，但是24塊塔板以后，隨著塔板數(shù)的增加，異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大。由于塔板數(shù)的多少體現(xiàn)了設(shè)備費(fèi)用的大小，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本，選擇最優(yōu)理論塔板數(shù)為24塊塔板。

2.3.2 "回流比優(yōu)化

以摩爾回流比為自變量，研究異丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨回流比的變化，結(jié)果如圖3所示?；亓魇潜ＷC精餾塔連續(xù)操作的必要條件之一，回流比是精餾分離裝置投資費(fèi)用和操作費(fèi)用的重要因素，同時(shí)，也顯著影響現(xiàn)有精餾塔的分離效果。對(duì)于一定的物系和分離任務(wù)，選擇適宜的回流比至關(guān)重要。由圖3可以看出，隨著回流比增加，異丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，適宜回流比為最小回流比的1.2～2.0倍，因此，本設(shè)計(jì)中選8.0為最合適的回流比。將上述優(yōu)化結(jié)果（理論塔板數(shù)24，回流比8.0）輸入后重新運(yùn)行，結(jié)果如表3所示。從表3中可以看到，優(yōu)化后塔釜異丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.98%，滿足分離要求。

2.4 "塔效率

在本精餾塔設(shè)計(jì)中，實(shí)際塔板效率取70%，再沸器效率取90%，由前面計(jì)算可知理論塔板數(shù)為24塊（不含冷凝器、再沸器），實(shí)際板數(shù)為24/0.7≈34塊，加上冷凝器、再沸器共36塊，重新設(shè)置塔板數(shù)，并定義塔板效率。

3 "塔結(jié)構(gòu)校核

選擇該精餾塔為篩板塔。在Aspen Plus的塔內(nèi)件中選擇交互設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行板式塔設(shè)計(jì)，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(fù)荷等因素，溢流數(shù)選1。在塔的尺寸中，可以通過(guò)改變塔的板間距，得到一個(gè)合理的塔徑。通過(guò)運(yùn)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(xué)，運(yùn)行后結(jié)果如表4所示。通過(guò)相應(yīng)文獻(xiàn)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(shí)間均大于4 s，符合載荷要求，因此該精餾塔設(shè)計(jì)合理。

通過(guò)水力學(xué)分析可知所設(shè)計(jì)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(fù)荷性能圖。

4 "精餾塔水力學(xué)校核

4.1 "水力學(xué)分析

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的最大負(fù)荷下，對(duì)全塔進(jìn)行水力學(xué)模擬分析。從表4可知，在最大負(fù)荷下，全塔的任何一塊塔板上都不會(huì)引起液泛。而第2塊塔板是發(fā)生降液管液泛設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，因此對(duì)第2塊塔板進(jìn)行塔板負(fù)荷性能圖分析。

4.2 "塔板負(fù)荷性能圖

塔板的氣液正常操作通常以塔板負(fù)荷性能圖表示。塔板的負(fù)荷性能圖以氣相負(fù)荷為縱坐標(biāo)，液相負(fù)荷為橫坐標(biāo)繪制而成。它由漏液線、霧沫夾帶線、液相負(fù)荷下限線、液相負(fù)荷上限線和液泛線5條線組成。每條線代表一個(gè)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(diǎn)，該線為操作線，由圖4可知，第2塊塔板的操作點(diǎn)處于5條線包圍范圍，即滿足操作要求。

5 "結(jié) 論

該精餾塔用于對(duì)異丙醇-異丙醚共沸混合物進(jìn)行分離提純，不但可以提高異丙醇的純度，而且可以使副產(chǎn)物異丙醚變?yōu)楦碑a(chǎn)品，合理利用資源，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶。

通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算可知，最優(yōu)理論塔板數(shù)為24塊塔板，適宜回流比為8.0。通過(guò)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.98%的異丙醇產(chǎn)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