文 献 综 述

一、课题背景及其意义

醋酸叔丁酯( TBAC )是一种重要的非有害污染物、非挥发性有机溶剂, 有优良的耐碱性, 对塑料、硝化纤维等有良好的溶解能力. 另外, 还可用于汽油的防震添加剂. 目前, 国内外有关醋酸叔丁酯的合成方法主要有醋酐法、乙酰氯法、乙酰氯- 镁法 以及醋酸加成酯化法, 其中酸烯加成酯化反应生成醋酸叔丁酯属于原子经济反应工艺,发展前景看好, 但是有关产物精馏分离过程的研究报道较少。本设计采用流程模拟软件Aspen Plus对酸烯加成酯化反应生成醋酸叔丁酯反应液的精馏分离过程进行研究 , 确定分离流程、精馏塔配置参数和操作参数, 为工业分离过程的设计奠定基础.

二、酸和烯烃烯加成酯化合成有机酯的反应及分离流程简介

醋酸和异丁烯在催化剂的作用下发生之花加成反应，同时也伴随一些副反应的发生，主反应为异丁烯和体系中水的加成反应，副反应为异丁烯的聚合反应[1]。其反应式为：

主反应：醋酸＋异丁烯→醋酸叔丁酯

副反应：异丁烯＋异丁烯→二异丁烯

根据醋酸与异丁烯加成酯化反应工艺实验, 了解要分离的反应液主要组分为醋酸叔丁酯、醋酸、异丁烯、二异丁烯, 其原料组成及沸点如表1所示, 轻、重关键组分的回收率设定如表2所示[1].

表1 原料组成

表2脱酸塔和提纯塔的参数设定值

醋酸和异丁烯在反应器里发生酯化反应产生醋酸叔丁酯，使得反应器里的混合物有异丁烯、醋酸、醋酸叔丁酯和二异丁烯。异丁烯是气体，从反应器的气体阀中排出，把剩下的混合溶液加入到精馏塔中进行分离，醋酸叔丁酯从塔顶提出，醋酸和二异丁烯从塔底排出。[2]

图1 醋酸叔丁酯精馏分离流程

三、 工业精馏自动控制方案

精馏过程是石油和化工生产中应用极为广泛的生产过程，它是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行分离以提取达到规定纯度要求的产品。 精馏过程是一个非常复杂的过程，其关键设备是精馏塔。在精馏操作中，被控变量多，可以选用的操作变量也多，它们之间又可以有多种不同组合，所以控制方案繁多。欣斯基经研究提出了精馏塔控制变量配对的三条准则：

1. 当仅需要控制塔的一端产品时，应选用物料平衡方式控制该端产品的质量

2. 塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的产品质量

3. 当塔两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少，杂质较多的一端采用物料平衡方式控制其质量，对含纯产品较多，杂质较少的一端采用能量平衡方式控制器质量。

1.按提馏段指标的控制方案

如果对釜底出料的成分要求高于塔顶出料，塔顶或精馏段板上温度不能很好地反映组分变化和实际操作回流比大于几倍最小回流比时，可采用提馏段控制。提馏段温度是衡量质量指标的间接指标，而以改变再沸器加热量作为控制手段的方案，就是提馏段温控[3]。

2.按精馏段指标的控制方案

如果对塔顶出料的成分要求高于釜底出料时，或者全部为气相进料时，或当塔底提馏段板上的温度不能很好地反映产品组分变化时，则可采用精馏段控制。精馏段温度也是衡量质量指标的间接指标，它是以改变回流量作为控制手段的方案，称为精馏段温控。

3.常压精馏塔的塔压控制

精馏塔的塔压的恒定是采用温度作为间接质量指标的前提，因此，塔压需要控制。影响塔压的因素有：进料流量、进料成分、进料温度、塔釜加热蒸汽量、回流量、回流液温度、冷却剂压力等[4]。

对塔顶压力的恒定要求不高时，可采用常压精馏。他不需要压力控制系统。仅需在精馏设备上设置一个通大气的管道，用于平衡压力。如果空气进入塔顶内会影响产品质量或引起事故时，或对塔顶压力的稳定要求较高时，应采用类似加压塔的压力控制。防止空气吸入塔内并稳定塔压。

有时亦采用常压塔的塔釜压力控制，塔釜的压力恒定等效于控制塔压降恒定。被控变量是塔釜气相压力，操纵变量是加热蒸汽量。分离要求不太严格的常压塔采 用此方案[6]。

4.按产品质量的开环控制

精馏塔的质量开环控制是不采用质量指标作为被控变量的控制。这里，开环控制指没有根据质量指标的控制。因此，精馏塔的质量开环控制主要是根据物料平衡关系，从外围控制精馏塔的D/F（或B/F）和V/F，使其产品满足工艺要求[8]。

四、有机酯反应与精馏的工艺流程模拟

Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为”过程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。1982年为了将其商品化，成立了Aspen Tech公司，并称之为Aspen Plus。该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计[10]。

1）产品具有完备的物性数据库

物性数据对化工流程模拟具有重要的作用，不仅因为流程模拟的运行离不开物性数据的支持，重要的是流程模拟的质量好坏强烈依赖于物性数据的准确性和可靠性，并且流程模拟的计算量的60~80%是在进行热力学性质的计算。

用于流程模拟的物性数据包括反映过程平衡特性的热力学物性数据和反映过程速率特性的传递过程物性数据。在流程模拟软件中的物性数据库一方面包括纯组分性质的基础物性数据库，然而流程模拟通常处理的是混合物，因此物性数据库还包括由纯组分的基础物性预测混合物性质的预测模型，甚至直接由试验测定数据来回归得到模型参数。因此，支持化工过程流程模拟的物性数据库应该具备以下三方面的功能：（1）基础物性数据库，基础物性的存储、检索和修订；（2）物性估算系统，利用已有的基础物性数据和模型估算纯组分和混合组分的热力学性质和传递性质；（3）实验数据处理系统，根据用户提供的试验数据，对其进行筛选和模型参数回归[13]。

2）产品线比较长，集成能力很强

Aspen Plus 是Aspen 工程套件（AES）的一个组份。AES 是集成的工程产品套件，有几十种产品。以Aspen Plus 的严格机理模型为基础，形成了针对不同用途、不同层次的Aspen Tech 家族软件产品，并为这些软件提供一致的物性支持。

五、控制系统的仿真与模拟

Aspen Dynamics将Aspen Plus的稳态模型扩展为动态模型，可以实现过程控制策略的设计与验证，并可以用来进行安全研究、泄压阀选型和开停车等工况变化。Aspen Dynamics是Aspen Tech#8217;s aspen ONEreg;工程套件的一个核心模块。Aspen Dynamics与Aspen Plus完全兼容，可以很容易的由Aspen Plus转化，与Aspen Plus有相似的操作界面。可以使用Aspen Custom Modeler进行自定义模型的模拟，还可以通过修改Aspen Dynamics模型库中的标准操作单元模块来进行修改。其优化与估计工具可以进行参数拟合、数据校正以及稳态和动态的过程优化。它具有灵活的任务语言，可以方便的定义控制策略[15]。

（1） 了解酸和烯烃为原料直接加成酯化合成有机酯的工艺流程

（2） 掌握工业精馏常用基础控制方案的原理与结构

1) 认真阅读相关文献，熟悉精馏塔基本控制方案的分类。

2) 能够准确的根据工艺的要求不同选择不同的控制方案。

（3） 应用aspen plus软件搭建相应的稳态仿真系统

1） 熟悉aspen plus的操作界面、物性数据库及其应用、模型分析功能等。

2） 根据相应的工艺的要求，搭建合成有机酯的稳态模拟系统

（4） 建立有机酯反应的动态模拟系统，设计基础控制策略，并实施运行。

1） 能够根据工艺要求和控制目标来搭建动态模拟系统。

2） 根据自动控制设计要求来设计相应的控制策略。

3） 将搭建好的模拟平台运行并进行扰动分析。