基于Aspen Plus的异丁烯氧化法制取MMA流程模拟

张丽君，王炎江，赵紫光

（河北农业大学理工学院，河北沧州061000）

如果想要实现一个完整的化工流程模拟，首先需要查阅文献，寻找模拟设备需要的动力学参数，从而建立合理的流程。然后对流程进行参数优化，包括塔设备以及反应器等，再进行换热网络分析，调节换热网络图，减少冷热工程消耗量，使建立的模拟流程更加合理。

1 建立流程

我们的主要目的是通过异丁烯氧化法制备甲基丙烯酸甲酯（MMA），并且在反应过程中会产生副产物如叔丁醇，二甲醚，甲醇等。我们以C4为原料生产MMA，将流程分为四个工段。

第一工段为C4制取甲基叔丁醚（MTBE）。首先让原料C4和原料甲醇进入原料混合器，混合后经换热器进入反应器。该反应器为固定床式反应器，该反应的适宜温度为35～55摄氏度之间，我们取45摄氏度（该反应器的反应温度参数无需再优化）。在该反应器中，C4中的异丁烯与甲醇反应得到MTBE，同时还会生成少量的副产物。

第二工段是通过MTBE裂解生成高纯异丁烯，来自第一工段的MTBE经过MTBE处理塔后以气相的形式进入裂解反应器，反应后的产物进入冷却吸收塔进行大致提纯，得到的产物异丁烯进入异丁烯水洗塔、异丁烯脱重塔、异丁烯脱轻塔最终获得高纯异丁烯。同时，通过利用甲醇精馏单元对甲醇进行精制，得到的高浓度的甲醇作为副产品。

第三个工段是由高纯异丁烯制备甲基丙烯醛（MAL）。异丁烯、氧气、氮气及水蒸气（原料气的摩尔组成为 I-C4H8：H2O∶O2：N2=1∶1.5∶2∶12）进入混合器混合，加热至反应温度后进入MAL合成反应器，在催化剂80（Mo12Bi1Fe2.0Co7.0V0.2Cs0.1）/20 Si的作用下发生氧化反应，随即反应产物经换热器进入MAL水洗塔，脱水后进入MAL精馏塔。

第四个工段为MAL制取MMA，MMA合成工段主要包括精馏塔，反应器，相分离器。MAL混合物与氧气、甲醇进入混合器混合然后进入MMA合成反应器。反应产物先经进入分离器，然后让脱水后的MMA流进精馏塔最终得到高纯度MMA。精馏塔的作用是采用水作为萃取剂，将来自MMA合成反应器的反应液中的MMA通过萃取精馏分离出来。相分离器的作用是将液体MMA和水通过Decanter液液倾析器模块，塔的中上部采出MMA，塔底采出水。

表1

2 参数优化

模拟的最终目的是为了优化流程，已达到经济效益最好或者节能效果最佳的目的，对塔设备和反应器进行参数优化可达到节能效果。

在建立全流程模拟的过程中，对一些参数已经找到了最优方案，这些参数包括每个精馏塔的塔板数、回流比、进料位置以及吸收塔的气液比等。将整个流程打通之后，先对流程中所用的所有未优化的塔设备进行优化处理，找出最优进料板位置、回流比、理论塔板数以及吸收塔的气液比。其中一些操作压力和进料温度等参数是根据文献确定的最佳操作条件，所以不需要优化这些参数。

3 换热网络的应用

中国国民经济发展迅速，这不可避免地导致能源消耗大幅增加。我国的能源现状不容乐观，大量的能源消耗已经超过了预期消耗值，节约能源和提高能源利用率是实现可持续发展的重要措施。

换热能减少能耗，亦可降低经济费用，因此换热是化工生产过程中必不可少的一部分。本项目分为混合C4制取MTBE工段、MTBE裂解制取高纯异丁烯工段、异丁烯制取MAL工段和MAL制取MMA工段共四个工段。针对整个工艺流程的相关特性和布置情况，进行了如下的换热网络设计。

（1）利用Aspen EnergyAnalyzer的自动导入功能将全流程bkp形式的文件导入软件，对流股进行分析，得出总成本与最小换热温差的关系、夹点个数、夹点温度以及温焓图。

（2）先选择自动换热网络，系统生成自动换热方案。从生成的方案中综合考虑换热器个数，冷热工程消耗量以及由于换热面积所产生的设备投资费用，选取最优方案。

（3）得到初步换热集成网络图后，我们开始进行手动换热，主要从流股不穿过夹点，减少换热器数量，减少换热器的换热面积，减少冷热工程的消耗量等方面入手，在不断地调整之后，获得更加节能的换热网络。

（4）将最终得到的换热网络应用到Aspen Plus流程模拟中，比如更换换热器的类型，将单股换热器换成两股换热器，以便进行股间换热以减少热消耗，其余未换热的流股则通过冷热公用工程实现换热，从而完成整个流程的换热。

该项目基于经济投入和节能的综合效应优化了换热网络。优化后的换热网络所需要的换热器数目为23台，包含用于股流之间的换热的换热器11台。热集成前后冷热公用系统比较如表1。

由上表1可知，换热网络的应用不仅降低了能耗并且达到了节能的目的。