一種熱泵分隔壁反應精餾塔生產乙酸異丙酯的方法與流程

2023-07-10 03:18:16 1

本發明屬於精餾技術領域，涉及乙酯異丙酯的生產方法，具體地說，涉及一種用於製備乙酸異丙酯的熱泵分隔壁反應精餾塔及其生產方法。

背景技術：

乙酸異丙酯是一種重要的羧酸酯類產品。是合成樹脂和塗料的原料，也可以用作某些香料組分，脫水劑、塗料的溶劑，印刷油墨的溶劑，並且可以作為提取劑應用到一些藥物合成的工藝中。乙酸異丙酯有「萬能溶劑」之稱，可以與醇、酮、醚類等有機溶劑混溶。

目前合成乙酸異丙酯的生產工藝主要有三種，一種方法就是乙酸與異丙醇為原料，在強酸性催化劑的作用下直接酯化生成乙酸異丙酯，如CN103214367所公開的方法，此法以濃硫酸做為催化劑，由於催化劑易得，價格低，但其主要缺點是裝置易腐蝕、易汙染環境、產品複雜難分離，反應後有等摩爾質量的水產生，後處理流程較長。另一種方法是採用乙酸和丙烯直接合成乙酸異丙酯，如CN102757341所公開的方法。該方法縮短了反應流程，節省了原料的消耗，酸與烯烴直接酯化是一個分子的酸與一個分子丙烯發生反應，生成一分子的乙酸異丙酯，反應中沒有其餘的副產物產生，但該工藝也存在不足之處，反應中會發生烯烴的低聚物累積，造成後續分離過程困難。

在聚乙烯醇生產工藝中，作為副產物的乙酸甲酯產量非常大。每生產一噸聚乙烯醇約產生1.68噸的乙酸甲酯。乙酸甲酯利用價值不高，因此需要將其轉化成更有價值的酸或酯。乙酸甲酯水解能耗較高，限制了其應用。若改用與異丙醇酯交換法回收醋酸甲酯，在生產節能與經濟效益上有明顯的優勢。CN104945251A提出一種以乙酸甲酯與異丙醇為原料，酯交換法合成乙酸異丙酯的反應精餾工藝。

雖然酯交換法合成乙酸異丙酯的反應精餾工藝可以得到應用價值更高的酯類，但其較高的能耗也成為此法在工業中廣泛應有面臨的問題之一。專利CN105017019提出了一種採用高壓反應精餾塔和常壓乙酸甲酯回收塔進行熱集成生成乙酸異丙酯的節能工藝。

技術實現要素：

本發明針對上述技術存在的不足，提出一種以乙酸甲酯與異丙醇為原料，酯交換法合成乙酸異丙酯的熱泵分隔壁反應精餾工藝，該工藝集合了熱泵精餾和分隔壁反應精餾的特點，具有能耗低，產品純度高的優點。

為達此目的，本發明採用以下技術方案：

一種乙酸異丙酯熱泵分隔壁反應精餾塔,包含具有分隔壁的主塔、塔頂冷凝器，塔釜乙酸異丙酯再沸器、塔釜甲醇再沸器，主塔內部分為反應分離區域，甲醇回收區域和塔頂分離區域。反應分離區域和甲醇回收區域位於精餾塔的中下部，兩者通過豎直的隔板分隔開來，豎直的隔板下端與精餾塔塔釜連接，上端延伸到塔頂分離區域下方。

塔頂分離區域頂部向外連接蒸汽管，蒸汽管一分為二，一根連接壓縮機，另一根連接塔頂冷凝器；反應分離區域的精餾塔外部連接有原料異丙醇進料管和原料乙酸甲酯進料管，反應分離區域的底部設有出料管，出料管一分為二，一根連接塔釜乙酸異丙酯再沸器再連接反應分離區域，另一根採出乙酸異丙酯；甲醇回收區域的底部設有出料管，出料管一分為二，一根連接塔釜甲醇再沸器再連接甲醇回收區域，另一根採出甲酯。

反應分離區域中部填充固體催化劑，上、下部填充高效規整填料或塔板，起到精餾分離作用；塔頂分離區域和甲醇回收區域填充高效規整填料或塔板，起到精餾分離作用。

利用本發明的熱泵分隔壁反應精餾塔製備乙酸異丙酯的方法為：異丙醇和乙酸甲酯分別進入熱泵分隔壁反應精餾塔的反應分離區域與催化劑接觸進行反應分離，甲醇和乙酸甲酯的汽相混合物由塔頂分離區域流出，汽相混合物分為兩股，一股經壓縮機壓縮後給反應分離區域底部乙酸異丙酯再沸器提供再沸熱量，然後經過節流閥後與另一股汽相混合物混合，經過冷凝後一部分回流塔內，另一部分與原料乙酸甲酯混合重新返回反應分離區域。目標產物高純度的乙酸異丙酯由反應分離區域下部採出，甲醇由甲醇回收區域下部採出。

所述的催化劑是固體酸催化劑，可為Amberlyst-15、Amberlyst-35、Amberlyst-46等強酸性陽離子交換樹脂。

熱泵分隔壁反應精餾塔操作壓力為100～600kPa，塔頂分離區域塔頂操作溫度為50～80℃，理論板數為5～15塊，反應分離區域底部溫度為90～150℃，其中精餾段9～12塊板，反應段40～50塊板，反應段填裝固體催化劑，提餾段10～15塊板。甲醇回收區域操作溫度為64～72℃，理論板數為5～15塊。

利用上述熱泵分隔壁反應精餾塔製備乙酸異丙酯的方法，按照下述步驟進行：異丙醇和乙酸甲酯分別進入熱泵分隔壁反應精餾塔的反應分離區域，高沸點的反應物異丙醇從反應分離區域上部進料，低沸點的乙酸甲酯和從塔頂分離區域塔頂冷凝器返回的乙酸甲酯與甲醇混合物混合，從反應分離區域下部進料，兩原料在固體催化劑作用下在反應分離區域發生酯交換反應，生成目標產物乙酸異丙酯和副產物甲醇，其中目標產物乙酸異丙酯經反應分離區域進一步分離後，從反應分離區域底部採出。其它組分進入塔頂分離區域進一步分離，在塔頂分離區域頂部得到的甲醇和乙酸甲酯的汽相混合物分為兩股，一股經壓縮機壓縮提高壓力溫度後進入乙酸異丙酯再沸器與反應分離區域塔釜物流換熱，提供再沸熱量，然後經過節流閥後與另一股汽相混合物混合，經過塔頂冷凝器冷凝後一部分回流回塔頂分離區域，另一部分與原料乙酸甲酯混合重新返回反應分離區域。在熱泵分隔壁反應精餾塔的甲醇回收區域，甲醇與未反應的乙酸甲酯進一部分離，塔釜得到高純度的甲醇。整個過程通過塔釜乙酸異丙酯再沸器完成了熱量的耦合。

相對於現有技術，本發明的效果在於：在熱泵分隔壁反應精餾塔中實現高純度的乙酸異丙酯的生產，將傳統的反應精餾和後續分離提純工藝的多塔整合到一座分隔壁反應精餾塔中，節省了設備投資，同時，通過塔內氣液相流股的能量耦合，充分利用塔頂氣體的潛熱，減少外部熱源的能量，降低了能耗。熱泵分隔壁反應精餾塔未反應的原料回流重複使用，提高了總轉化率。

附圖說明

圖1為本發明的熱泵分隔壁反應精餾塔裝置結構和工藝流程。

圖中標號如下：1－分隔壁反應精餾塔，2－塔頂分離區域，3－乙酸異丙酯回收區域，4－甲醇回收區域，5－乙酸異丙酯再沸器，6－甲醇再沸器，7－塔頂冷凝器，8－壓縮機，9－節流閥，10－原料異丙醇進料管，11原料乙酸甲酯進料管，12－分隔壁反應精餾塔塔頂蒸汽管，13－壓縮機汽相進料管，14－乙酸異丙酯再沸器蒸汽進料管，15－節流閥出料管，16－塔頂冷凝器進料管，17－塔頂回流管，18－分隔壁反應精餾塔塔頂採出循環管，19－乙酸異丙酯回收區域底部採出管，20－甲醇回收區域底部採出。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細的敘述：

如圖1所示：本發明的乙酸異丙酯熱泵分隔壁反應精餾塔包括具有分隔壁的主塔1、塔頂冷凝器7，乙酸異丙酯再沸器5、甲醇再沸器6，主塔內部分為塔頂分離區域2，反應分離區域3和甲醇回收區域4。反應分離區域3和甲醇回收區域4位於精餾塔的中下部，兩者通過豎直的隔板分隔開來，豎直的隔板下端與精餾塔塔釜連接，上端延伸到塔頂分離區域2下方。

塔頂分離區域2頂部向外連接蒸汽管，蒸汽管一分為二，一根連接壓縮機8，另一根連接塔頂冷凝器7；反應分離區域3的精餾塔外部連接有原料異丙醇進料管和原料乙酸甲酯進料管，反應分離區域3的底部設有出料管，出料管一分為二，一根連接塔釜乙酸異丙酯再沸器5再連接反應分離區域，另一根採出乙酸異丙酯；甲醇回收區域4的底部設有出料管，出料管一分為二，一根連接塔釜甲醇再沸器6再連接甲醇回收區域，另一根採出甲酯。

反應分離區域3中部填充反應催化劑，上、下部填充高效規整填料或塔板，起到精餾分離作用；塔頂分離區域2和甲醇回收區域4填充高效規整填料或塔板，起到精餾分離作用。

本發明所採用的熱泵分隔壁反應精餾塔製備乙酸異丙酯的工藝流程為：原料異丙醇和乙酸甲酯分別進入熱泵分隔壁反應精餾塔R1的反應分離區域3，高沸點的反應物異丙醇從反應分離區域3上部進料，低沸點的乙酸甲酯和從塔頂冷凝器7返回的乙酸甲酯與甲醇混合物混合，從反應分離區域3下部進料，兩原料在固體催化劑作用下在反應分離區域3發生酯交換反應，生成目標產物乙酸異丙酯和副產物甲醇，其中目標產物乙酸異丙酯經反應分離區域3進一步分離後，從反應分離區域塔底部採出。其它組分進入塔頂分離區域2進一步分離，在塔頂分離區域2頂部得到的甲醇和乙酸甲酯汽相混合物分為兩股，一股經壓縮機8壓縮，提高壓力溫度後進入乙酸異丙酯再沸器5與反應分離區域3底部物流換熱，提供再沸熱量，然後經過節流閥9與另一股汽相混合物混合，經過塔頂冷凝器7冷凝後一部分回流回塔頂分離區域2，另一部分與原料乙酸甲酯混合重新返回反應分離區域3。在熱泵分隔壁反應精餾塔1的甲醇回收區域4，甲醇與未反應的乙酸甲酯進一部分離，甲醇回收區域4底部得到高純度的甲醇。由於充分利用塔頂氣體的潛熱，減少了外部熱源的能量，降低了能耗。

實施例1

採用附圖1所示的工藝流程，所採用的熱泵分隔壁反應精餾塔1為直徑2300mm,45米的填料塔，塔頂分離區域2內裝規整填料5米，理論板數為10塊；反應分離區域3內裝規整填料35米，理論板數為74塊，其中精餾段9塊板，反應段43塊板，反應段填裝固體催化劑，所用催化劑為Amberlyst-15強酸性陽離子交換樹脂，提餾段12塊板。甲醇回收區域Ⅲ內填裝規整填料5米，熱泵分隔壁反應精餾塔RDWC操作壓力為1atm，塔頂分離區域2頂部溫度為54℃，反應分離區域3底部溫度為91℃，甲醇回收區域4底部溫度為65℃.

原料異丙醇以3005kg/h從反應分離區域3上部進料，低沸點的乙酸甲酯3704kg/h和從頂部冷凝器E3返回的乙酸甲酯與甲醇混合物3785kg/h混合，從反應分離區域3下部進料，兩原料在固體催化劑作用下在反應分離區域3發生酯交換反應，生成目標產物乙酸異丙酯和副產物甲醇，其中目標產物乙酸異丙酯經反應分離區域3進一步分離後，從反應分離區域3底部採出，得到質量分數為99.7％的乙酸異丙酯5099kg/h。其它組分進入塔頂分離區域2進一步分離，從塔頂分離區域2塔頂得到的甲醇和乙酸甲酯的汽相混合物分為兩股，一股經壓縮機8壓縮，提高壓力溫度後進入乙酸異丙酯再沸器5與反應分離區域3底部物流換熱，提供再沸熱量，然後經過節流閥9與另一股汽相混合物混合，經過塔頂冷凝器7冷凝後一部分回流塔頂分離區域2，另一部分與原料乙酸甲酯混合重新返回反應分離區域3。在熱泵分隔壁反應精餾塔1的甲醇回收區域4，甲醇與未反應的乙酸甲酯進一部分離，從甲醇回收區域4底部採出質量分數為99.5％的甲醇1612kg/h。壓縮機8能耗為880kW，塔頂冷凝器7能耗為-1110kW,甲醇回收區域Ⅲ底部甲醇再沸器6能耗為387kW。由於充分利用塔頂氣體的潛熱，減少外部熱源的能量，降低了能耗。

實施例2

採用附圖1所示的工藝流程，所採用的熱泵分隔壁反應精餾塔1為直徑2100mm,高50米的板式塔，塔頂分離區域2內設塔板10塊；反應分離區域3內塔板數為76塊，其中精餾段10塊板，反應段44塊板，反應段填裝固體催化劑，所用催化劑為Amberlyst-15強酸性陽離子交換樹脂，提餾段12塊板。甲醇回收區域4內設塔板6塊，熱泵分隔壁反應精餾塔1操作壓力為2atm，塔頂分離區域2頂部溫度為73℃，反應分離區域3底部溫度為113℃，甲醇回收區域4底部溫度為83℃.

原料異丙醇以3005kg/h從反應分離區域3上部進料，低沸點的乙酸甲酯3704kg/h和從塔頂冷凝器7返回的乙酸甲酯與甲醇混合物3520kg/h混合，從反應分離區域3下部進料，兩原料在固體催化劑作用下在反應分離區域3發生酯交換反應，生成目標產物乙酸異丙酯和副產物甲醇，其中目標產物乙酸異丙酯經反應分離區域3進一步分離後，從反應分離區域3底部採出，得到質量分數為99.6％的乙酸異丙酯5099kg/h。其它組分進入塔頂分離區域2進一步分離，從塔頂分離區域2塔頂得到的甲醇和乙酸甲酯的汽相混合物分為兩股，一股經壓縮機8壓縮，提高壓力溫度後進入塔釜乙酸異丙酯再沸器5與反應分離區域3底部物流換熱，提供再沸熱量，然後經過節流閥9與另一股汽相混合物混合，經過塔頂冷凝器E3冷凝後一部分回流塔頂分離區域2，另一部分與原料乙酸甲酯混合重新返回反應分離區域3。在熱泵分隔壁反應精餾塔1的甲醇回收區域4，甲醇與未反應的乙酸甲酯進一部分離，從甲醇回收區域4底部採出質量分數為99.5％的甲醇1611kg/h，壓縮機8能耗為1121kW，塔頂冷凝器7能耗為-1237kW,甲醇回收區域Ⅲ塔釜甲醇再沸器6能耗為375kW。由於充分利用塔頂氣體的潛熱，減少外部熱源的能量，降低了能耗。