催化精馏合成乙二醇正丁醚模拟研究
乙二醇正丁醚(Ethylene Glycol Monobutyl Ether，EGMBE)是环氧乙烷的重要衍生物，是一种绿色环保溶剂，在工业领域有着十分广泛的应用。现有的EGMBE生产工艺不仅无法满足日益增大的市场需求，而且存在副产物多、能耗高、资源和能源利用效率低等问题，开发新型高效节能的乙二醇正丁醚合成工艺的具有十分重要的意义。催化精馏是典型的化工过程强化技术，已成功应用于150多种化工产品的工业化生产，将催化精馏工艺应用于EGMBE的生产，具有目标产物选择性高、能量利用率高、能耗低、成本低等优势，因此加快催化精馏合成EGMBE工艺的工业化进程十分重要。本文旨在建立可靠的数学模型，利用数学模拟技术，研究操作条件对乙二醇正丁醚催化精馏合成工艺的影响，考察反应和分离之间的耦合行为；对工艺进行了热力学分析，考察了不同工况下催化精馏塔的热利用情况，并对催化剂浓度分布与环氧乙烷进料分配方式进行了优化，为乙二醇正丁醚催化精馏合成工艺的改进和模拟放大等提供理论支持。
(1)建立了稳态平衡级数学模型，采用Newton-Raphson法求解，并基于VisualC++6.0平台实现了计算机代码的编写和运行。利用此数学模型，对乙二醇正丁醚催化精馏塔进行了模拟计算，考察了关键操作参数(操作压力、再沸比、醇烷进料比)对环氧乙烷转化率和目标产物EGMBE选择性的影响，考察了反应动力学对环氧乙烷转化率和目标产物EGMBE选择性的影响。
通过模拟，得到了适宜的操作条件：操作压力2atm，再沸比9，醇烷进料1.8，在此基础上，通过模拟取得塔内温度、汽液相流量及组分组成的分布特性，并通过实验对模拟结果进行了验证，研究表明，模型结果与实验数据吻合良好，验证了模型的可靠性。
研究表明，增加Damkohler number(Da)有助于提高环氧乙烷的转化率：Da数较小时，EO不能完全转化，随着Da的增加，EO转化率迅速增大，直至达到100％；增加Da有助于提高目标产物的选择性：当Da小于4时，目标产物的选择性不足50％；随着Da的增大，EGMBE的选择性逐渐增大，当Da增大到9以后，目标产物的选择性维持在94%。
(2)建立了有效能分析模型，利用稳态平衡级模拟结果，采用热力学分析方法，得到了EGMBE催化精馏塔内的有效能损失分布曲线，找到了工艺的能量损失的主要部位。
研究表明，塔内有效能损失主要集中在环氧乙烷进料板上，环氧乙烷的进位置和正丁醇的进料量对全塔的有效能损失有很大影响，环氧乙烷的进料位置越靠下，正丁醇的进料量越大总有效能损失越小。当其他条件不变时，进料位置是第7板，正丁醇的进料量为0.8 kmol·hr-1时的有效能损失最小。
(3)建立了热效应分析模型，计算了体系的热利用因子的大小，分析了温度对热利用因子的影响，利用稳态平衡级模拟结果，得到了塔内反应放热分布曲线，并考察了热效应对塔内汽液相流量的影响。
研究表明，本体系属于具有强热效应的体系，在反应精馏塔的设计中应考虑热效应的影响：温度越高热利用因子越大，反应放热主要集中在环氧乙烷的进料板上，即与环氧乙烷的进料位置有关；热效应对汽液相流量分布有很大影响：不同正丁醇进料量下，塔内汽液相流量分布主要差异在第7块塔板。当正丁醇进料量较小(0.3 kmol·hr-1)时，第七块塔板上的汽相流量大于液相流量，随着进料流量的增大，汽相流量逐渐减小液相逐渐增大，两者差距逐渐缩小，当达到0.7kmol·hr-1时，二者几乎相等，因此，为了能使反应段发挥提馏作用，存在一个最小醇烷进料比。
(4)模拟考察了不同工况下，当环氧乙烷完全转化，目标产物EGMBE选择性为90％时所需的最小再沸器热负荷，基于总复合曲线(CGCC)，对催化剂浓度分布及环氧乙烷进料分配方式进行了优化。
模拟结果表明，催化剂浓度分布情况对能耗有很大影响：当催化剂在反应段均匀分布时，所需要再沸器热负荷为140.08kW，对催化剂分布进行优化后能降低能耗42％。
研究还表明，环氧乙烷的进料分配方式对催化精馏塔的能耗也有较大影响：随着环氧乙烷进料流股的增加，再沸器热负荷逐渐减小，将环氧乙烷由单股进料优化为五股进料后，能耗降低45％，塔底再沸器热负荷仅为77.12kW。
乙二醇正丁醚;催化精馏;有效能分析;热效应
中国海洋大学
硕士
化学工程
安维中
2012
中文
TQ223.24;O643.32
79
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）