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摘 要

特戊酸是具有高附加值的化工原料，其广泛应用于农药、医药、引发剂、涂料和精细用品领域。本项目是以异丁烯、水和CO为原料在硫酸催化条件下进行Koch反应生成特戊酸。作为本项目的子课题则将重点研究以下三个方面：（1）Aspen Plus工艺流程模拟；（2）Aspen Energy Analyzer系统换热网络模拟与优化；（3）设备设计与优化。整个流程实现产品精细化、物料回收套用、减轻废水处理负荷并减少原料投入、实现过程能量的回收利用。

关键词： 特戊酸，异丁烯，生产设计，Koch反应，Aspen Plus

Abstract：Pivalic acid is a kind of chemical raw material with high added value, which is widely used in the fields of pesticide, medicine, initiator, coating and fine articles. In this project, isobutene, water and CO are used as raw materials to produce pivalic acid in the Koch reaction under the condition of sulfuric acid catalysis. As a sub-topic of this project, it will focus on the following three aspects : (1) Aspen Plus process simulation; (2) simulation and optimization of heat exchange network of Aspen Energy Analyzer system; (3) equipment design and optimization. The whole process realizes product refinement, material recycling application, waste water treatment load reduction and raw material input, and process energy recovery and utilization.

Keywords：Pivalic acid，Isobutene，Production design，Koch reaction，Aspen Plus

目 录

1 前言 3

1.1 项目概述 3

1.2 原料与产品的选择 3

1.3 生产工艺的选择 8

1.4 工艺流程 10

1.5 本项目的研究内容 11

2 Aspen Plus工艺流程模拟 11

2.1 工艺流程模拟 11

2.2 Aspen Plus模拟结果输出 15

2.3 Aspen Plus设备优化举例（硫酸浓缩塔） 15

2.4 EDR设计并校核换热设备 17

3 过程节能以及流程优化 20

3.1 换热网络集成 20

3.2 构建优化换热网络 20

4 设计创新说明 21

4.1 工艺路线创新 21

4.2 催化剂浓缩回流工艺 22

4.3 换热网络的优化 24

结 论 25

参考文献 26

致谢 27

附录1 羰化反应工序物料衡算 28

附录2 粗产品提纯工序物料衡算 29

附录3 硫酸浓缩循环工序物料衡算 30

附录4 羰化反应工序能量衡算 30

附录5 粗产品提纯工序能量衡算 30

附录6 硫酸浓缩循环工序能量衡算 31

附录7 全流程工艺图与优化版工艺图 31

附录8 优化全流程工艺设备信息 32

1 前言

特戊酸，CAS号为75-98-9，物性为无色结晶，应用领域广泛。

表1 特戊酸基本信息

中文名称	特戊酸	化学式	C5H10O2
英文名	Pivalic acid	分子量	102
别称	叔戊酸，三甲基乙酸	熔点	32-35℃

本项目是以用异丁烯为原料，采用Koch反应法，年产两万吨特戊酸。异丁烯为重要的化工原料，其下游产品众多，特戊酸在其下游产品中论生产工艺和经济效益都有较好表现，三废少，附加值高，且市场需求逐步上升，满足生产经济性和环境友好性的现实要求。通过Aspen Plus模拟特戊酸生产工艺，根据文献所得参数并给予调整，模拟设计整个生产流程。使用Aspen Energy Analyzer软件来进行流程中的热量集成，并进行参数的优化，经过换热优化后，提升整体能量利用，根据系统给出优化方案来替换设备，达到全流程系统优化的目的。

总结流程工艺以及使用设备，根据模拟要求进行适当调整。学习并使用Aspen Plus模拟生产工艺：熟识生产设备、设置生产要求、寻求设备最优参数、检验流程可行性、使用热分析软件进行换热集成、优化流程体系、设计并校核设备尺寸、使用EDR针对换热器进行选型校核及尺寸设计。

1.1 项目概述

本项目的任务是设计一座以异丁烯为原料、年产两万吨特戊酸的分厂。本装置综合利用总厂的异丁烯为原料，利用外购的一氧化碳、硫酸、环己烷为辅助原料，经羰基化反应、萃取分离、水解分离、粗产品提纯工序获得高纯度的产品：质量分数为99.9%的特戊酸。

1.2 原料与产品的选择

1.2.1 高纯异丁烯

高纯异丁烯来源主要有以下几个途径：

（1）硫酸萃取法

提纯异丁烯最早的方法，生产能耗低，产品纯度高，废水处理负荷大^[1]。

（2）甲醇醚化-裂解法

目前，我国用来生产高纯度异丁烯的主要方法，工艺流程复杂，设备投资大，能量消耗高。

（3）水合—脱水法

利用异丁烯在酸的催化下的水合及脱水反应，此法的优点是无腐蚀性，低投资成本和低环境的污染。然而，在反应中使用的催化剂在高温下具有低强度和易破碎的特性。获得优良活性的催化剂和合理有效的反应器是此方法的技术重点和难点^[1]。

（4）丁烷脱氢法

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