新型反应精馏生产异丙苯过程模拟与分析

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异丙苯是重要的有机合成原料,主要用于生产丙酮和苯酚。现在异丙苯的需求量呈快速增长的趋势。目前主要采用苯与丙烯烷基化生产异丙苯,苯与丙烯烷基化反应工业上有两种工艺路线:第一种工艺是传统烷基化-烷基转移工艺路线,丙烯与过量的苯烷基化,然后烷基化反应液分离得到异丙苯,未反应完的苯在循环,副产二异丙苯烷基转移进一步生产异丙苯。第二种工艺是烷基化催化精馏集成工艺,丙烯与苯在加压的一座催化精馏塔内同时进行反应和精馏的工艺。但是催化精馏塔内催化剂难固定,导致催化精馏塔的结构复杂,而且反应与精馏均在加压下操作,导致精馏能耗高,与在固定床反应器进行先反应后分离的传统工艺相比,其固定投资和能耗优势并不明显。因此苯与丙烯烷基化反应并不适合使用传统塔内耦合的反应精馏方式。  本文提出了一种苯与丙烯烷基化生产异丙苯的侧反应器-精馏塔集成新工艺。这种新型集成方式使反应和精馏在相对独立的空间进行,催化剂固定在反应器内,不在精馏塔内,彻底解决了反应精馏过程的催化剂固定问题。另外,反应与精馏的空间相对独立,使得精馏塔与反应器的操作工况(如温度、压力)在各自最佳操作条件下进行,既可以一致,也可以不同,极大地拓宽了反应精馏集成技术的适用范围,克服传统反应精馏技术的缺陷。  本文以化工流程模拟软件Aspen Plus为研究工具,对苯与丙烯烷基化生产异丙苯的带侧反应器的加压反应-常压精馏集成工艺进行模拟。在新鲜苯与丙烯进料摩尔比为1,固定丙烯转化率99%,异丙苯选择性98%的反应目标下,考察了加压反应-常压精馏集成工艺中侧反应器台数、相邻反应器间隔塔板数、提馏段塔板数、再沸比、丙烯分配比等参数对反应精馏集成工艺的影响规律,实现反应能力与分离能力最优匹配。结果表明,在加压反应-常压精馏集成新工艺中反应精馏塔侧反应器3台、相邻侧反应器间隔塔板数2块、提馏段塔板数5块、再沸比为8、丙烯分配为0.84∶0.14∶0.02时,反应精馏过程的性能达到最优。此外,还对常压反应-常压精馏集成过程进行了研究,并与加压反应-常压精馏集成过程进行对比,结果表明苯与丙烯的常压烷基化反应速率远远低于加压反应,加压反应-常压精馏的集成过程才具有实用性。  论文进一步对先烷基化反应后分离工艺、加压塔内耦合反应精馏工艺、加压反应-常压精馏集成工艺在各自最优操作条件下进行成本分析比较,结果表明,加压反应-常压精馏集成工艺的单位能耗费用是最低的,分别比先反应后分离工艺、加压塔内耦合反应精馏工艺要少25.5%和64.6%。虽然加压反应-常压精馏集成工艺的设备投资费用略高,但是单位总成本比先烷基化反应后分离工艺和加压塔内耦合反应精馏工艺低1.6%和16.8%。而加压塔内耦合反应精馏集成工艺的能耗比先烷基化反应后分离工艺还要高52.6%,单位总成本也高15.5%。说明在反应精馏集成过程中,当反应与分离不在最优条件下进行匹配,反应精馏集成工艺不仅体现不出优势,甚至还不如采用先反应后分离的传统工艺。
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