技术领域
本发明涉及一种反应精馏工艺方法及其装置，具体是指一种利用反应精馏隔 壁塔合成乙酸异丙酯的新型工艺方法及其装置，可将乙酸异丙酯的合成、产物分 离及提纯合并在一个塔中完成。
背景技术
乙酸异丙酯是一种重要的有机化工原料和有机溶剂，具有优良的耐碱性、疏 水性，乙酸异丙酯具有比目前广泛使用的乙酸乙酯和乙酸正丁酯更加优越的性 能，其溶解性能优于乙酸乙酯，而其挥发性能优于乙酸正丁酯。因此可以替代乙 酸乙酯、乙酸正丁酯，应用于医药、涂料、油墨、粘合剂等行业。目前工业上生 产乙酸异丙酯的工艺有酸醇酯化法，异丙醇与乙酸乙酯酯交换法(CN 1785955A)，以及乙酸与丙烯直接酯化法(CN 1260203C)等，其中广泛应用的 是酸醇酯化法。
传统的酸醇酯化法生产工艺是：采用乙酸和异丙醇作原料酯化生产乙酸异丙 酯，该方法以浓硫酸或强酸性树脂作催化剂，在反应器内进行反应，得到接近平 衡的反应混合物，同时有一系列副产物生成，将由此得到的混合物在蒸馏塔内精 馏，蒸馏出接近于异丙醇、乙酸异丙酯和水三元非均相共沸物的混合物。然后对 由此得到的三元非均相共沸物的有机相进行蒸馏分离。该工艺的主要缺点是水、 异丙醇和乙酸异丙酯等之间能形成复杂的共沸物，不易进一步精制成高纯度乙酸 异丙酯，给产品的精制和原料回收都带来一定困难，并且反应物的后处理要经过 中和、水洗以除去硫酸，该工艺存在设备腐蚀严重、副反应多、产品分离困难、 生产成本高、废水处理麻烦等诸多问题。
反应精馏技术的出现，成功解决了这一问题。反应精馏合成工艺将反应过程 和精馏提纯过程有机地耦合在一起，反应物乙酸与异丙醇在反应的同时，反应产 物乙酸异丙酯及水及时离开反应区，提高了反应物乙酸与异丙醇在反应区中的浓 度，从而抑制了逆反应的进行，因此反应精馏可有效提高反应速率和乙酸的转化 率。专利CN1194957C公开了一种反应精馏联产乙酸乙酯和乙酸异丙酯的方法， 该方法以费-托法醇混合物与乙酸在酸催化剂的作用下发生酯化反应生成乙酸乙 酯与乙酸异丙酯，然后将乙酸乙酯与乙酸异丙酯的混合物作为塔顶馏出物移出反 应塔，该馏出物经冷凝分相后得到含有酯混合物的有机相与水相，然后经过一系 列精馏过程从有机相中回收乙酸乙酯和乙酸异丙酯。
但是上述反应精馏技术仍然存在一定的缺陷：反应精馏塔顶得到复杂的二元 或三元共沸物的混合物，需要后续一系列精馏塔与萃取塔进一步分离才能得到高 纯度的乙酸异丙酯产品，并且会出现常规多元精馏过程中中间组分的返混现象， 热力学效率较低。这导致能耗和设备投资较高，不利于提高经济效益。
而利用反应精馏隔壁塔技术可有效解决上述问题。反应精馏隔壁塔是将反应 精馏过程应用于隔壁塔中，是一种高度集成的化工生产技术。在反应精馏隔壁塔 中，乙酸异丙酯产品由侧线抽出，在一个塔内同时完成酯化反应、乙酸异丙酯提 纯等任务，省去了一个精馏塔与一个冷凝器，而且，反应精馏隔壁塔可有效避免 常规多元精馏过程中中间组分的返混效应，过程的热力学效率较高，从而降低能 耗和设备投资，提高经济效益。
发明内容
本发明涉及一种利用反应精馏隔壁塔实现乙酸异丙酯合成及产物分离的高 度耦合的工艺方法及其装置。
本发明所采用的装置由反应精馏隔壁塔、分相器、冷凝器、再沸器及附属设 备构成。反应精馏隔壁塔是在一普通精馏塔内部设置一垂直隔壁，隔壁从塔的上 部延伸到塔的下部，其右侧底部封闭。反应精馏隔壁塔内装有塔板或填料或塔板 与填料的组合，该塔分为五个区域：公共精馏段(I)、精馏段(II)、反应段(III)、 塔釜(IV)以及侧线提馏段(V)，反应段(III)及塔釜(IV)下部装有催化剂， 催化剂为酸性阳离子交换树脂，塔顶设分相器，塔底无出料。隔壁为偏心或中心 设置，精馏段(II)与侧线提馏段(V)的横截面积比在0.5:1～5:1之间。
原料异丙醇与乙酸由塔釜(IV)上部空间加入塔内，在反应段(III)及塔釜 (IV)下部乙酸与异丙醇在催化剂酸性阳离子交换树脂的作用下发生酯化反应生 成乙酸异丙酯；生成的乙酸异丙酯与水及异丙醇形成二元和三元共沸物，经过精 馏段(II)及公共精馏段(I)的精馏作用除去其中的乙酸后，在塔顶得到接近 于乙酸异丙酯、水及异丙醇非均相共沸物的混合物流，该物流经冷凝后在分相器 内分为水相及酯相，水相排出系统，而酯相作为回流打入塔顶；在隔壁顶部，一 部分液相混合物流进入精馏段(II)为其提供液相回流，另一部分液相混合物进 入侧线提馏段(V)，经其分离作用除去少量异丙醇及水后，在其底部得到高纯 度的乙酸异丙酯产品。
反应精馏隔壁塔操作压力为80～200kPa。乙酸进料的体积空速为0.3～1.5h-1， 异丙醇与乙酸进料摩尔比为1:1～1.1:1。塔顶操作温度为70～100℃，分相器操 作温度为40～60℃，催化剂床层温度为100～135℃。由隔壁顶部流入精馏段(II) 的液相质量流量与流入侧线提馏段(V)的液相质量流量比值为2:3～4:1。本发 明中乙酸异丙酯产品质量分数达99％以上，乙酸接近于全部转化。
本发明将反应过程、产品分离与提纯有机地结合在一个塔中同时进行，并可 以直接得到高纯度的乙酸异丙酯产品，简化了常规反应精馏流程，而且最大限度 地提高反应转化率，有效地降低了能耗和设备投资费用。
附图说明
图1、乙酸异丙酯合成的反应精馏隔壁塔流程示意图
图中：1反应精馏隔壁塔；2隔壁；3冷凝器；4分相器；5、6再沸器；7催 化剂；I公共精馏段；II精馏段；III反应段；IV塔釜；V侧线提馏段
具体实施方案
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：
如附图1所示，本发明所采用的装置主要由反应精馏隔壁塔(1)、冷凝器(3)、 分相器(4)、再沸器(5、6)及其他辅助设备构成。反应精馏隔壁塔(1)是在 一普通精馏塔内部设置一垂直隔壁(2)，隔壁(2)从塔的上部延伸到塔的下部， 其右侧底部封闭，隔壁(2)为偏心或中心设置，精馏段(II)与侧线提馏段(V) 的横截面积比为0.5:1～5:1，反应精馏隔壁塔(1)内装有塔板或填料或二者的组 合，反应段(III)及塔釜(IV)下部装有催化剂(7)，催化剂(7)为酸性阳离 子交换树脂，塔顶设分相器(4)，塔底无出料。
反应精馏隔壁塔操作压力为80～200kPa。原料乙酸按照体积空速为0.3～ 1.5h-1，异丙醇按照异丙醇与乙酸摩尔比为1:1～1.1:1的流量由塔釜(IV)上部 空间加入塔内，在反应段(III)及塔釜(IV)下部，乙酸与异丙醇在催化剂(7) 酸性阳离子交换树脂的作用下发生酯化反应生成乙酸异丙酯，催化剂床层(7) 温度为100～135℃。生成的乙酸异丙酯与水及异丙醇形成二元和三元共沸物， 经过精馏段(II)及公共精馏段(I)的精馏作用除去其中的乙酸后在塔顶得到 接近于乙酸异丙酯、水及异丙醇非均相共沸物的混合物流，该物流经冷凝器(3) 冷凝后在分相器(4)内分为水相及酯相，水相排出系统，而酯相作为回流打入 塔顶，塔顶操作温度为70～100℃，分相器操作温度为40～60℃。隔壁(2)顶 部液相按一定比例分别流入精馏段(II)与侧线提馏段(V)，其中，流入精馏 段(II)的液相质量流量与流入侧线提馏段(V)的液相质量流量比值为2:3～ 4:1，流入侧线提馏段(V)的物流经其分离作用除去少量异丙醇及水后，在其 底部得到高纯度的乙酸异丙酯产品。侧线提馏段(V)底部与塔底分别设有再沸 器(5、6)为反应精馏隔壁塔提供热量。
本发明可以通过以下实例说明：
实例1：反应精馏隔壁塔为塔径2400mm，高19000mm的填料塔，区域(I)～ 区域(III)及区域(V)填料高度分别为2000mm、4000mm、5500mm、4000mm， 精馏段(II)与侧线提馏段(V)的横截面积比为3.3:1。操作压力为100kPa， 塔顶操作温度为77℃，分相器操作温度为50℃。反应段(III)及塔釜(IV)下 部装有催化剂，催化剂为Purolite CT179酸性阳离子交换树脂，催化剂床层温度 为110～112℃。乙酸进料的体积空速为0.86h-1，异丙醇与乙酸进料摩尔比为 1.04:1。由隔壁(2)顶部流入精馏段(II)的液相质量流量与流入侧线提馏段(V) 的液相质量流量比值为7:3。各物流质量流量及质量组成如表1所示。所得乙酸 转化率为99.83％。
表1 实例1各物流质量流量及质量组成
实例2：反应精馏隔壁塔为塔径2400mm，高19000mm的填料塔，区域(I)～ 区域(III)及区域(V)填料高度分别为2000mm、4000mm、5500mm、4000mm， 精馏段(II)与侧线提馏段(V)的横截面积比为2.1:1。操作压力为150kPa， 塔顶操作温度为88℃，分相器操作温度为50℃。反应段(III)及塔釜(IV)下 部装有催化剂，催化剂为Amberlyst 15酸性阳离子交换树脂，催化剂床层温度为 122～124℃。乙酸进料的体积空速为0.86h-1，异丙醇与乙酸进料摩尔比为1.04:1。 由隔壁(2)顶部流入精馏段(II)的液相质量流量与流入侧线提馏段(V)的 液相质量流量比值为3:2。各物流质量流量及质量组成如表2所示。所得乙酸转 化率为99.78％。
表2 实例2各物流质量流量及质量组成
实例3：反应精馏隔壁塔为塔径2600mm，高2400mm的板式塔，区域(I)～ 区域(III)及区域(V)塔板数分别为8、14、20、14，精馏段(II)与侧线提 馏段(V)的横截面积比为1.4:1。操作压力为130kPa，塔顶操作温度为83℃， 分相器操作温度为50℃。反应段(III)及塔釜(IV)下部装有催化剂，催化剂 为Purolite CT179酸性阳离子交换树脂，催化剂床层温度为117～119℃。乙酸进 料的体积空速为0.86h-1，异丙醇与乙酸进料摩尔比为1.04:1。由隔壁(2)顶部 流入精馏段(II)的液相质量流量与流入侧线提馏段(V)的液相质量流量比值 为1:1。各物流质量流量及质量组成如表3所示。所得乙酸转化率为99.66％。
表3 实例3各物流质量流量及质量组成
实例4：反应精馏隔壁塔为塔径2600mm，高22000mm的填料塔板组合塔， 区域(I)、区域(II)、区域(V)装有塔板，塔板数分别为8、14、14，区域 (III)装有填料，填料高度为5500mm，精馏段(II)与侧线提馏段(V)的横 截面积比为1.9:1。操作压力为120kPa，塔顶操作温度为82℃，分相器操作温度 为50℃。反应段(III)及塔釜(IV)下部装有催化剂，催化剂为Amberlyst 15 酸性阳离子交换树脂，催化剂床层温度为115～121℃。乙酸进料的体积空速为 0.86h-1，异丙醇与乙酸进料摩尔比为1.04:1。由隔壁(2)顶部流入精馏段(II) 的液相质量流量与流入侧线提馏段(V)的液相质量流量比值为3:2。各物流质 量流量及质量组成如表4所示。所得乙酸转化率为99.91％。
表4 实例4各物流质量流量及质量组成