反应精馏法生产氯乙酸乙酯的工艺替代方案：提升转化率与能效的创新策略

本文系统探讨了采用非均相催化剂Amberlyst 15的反应精馏（RD）技术优化氯乙酸乙酯（ECA）生产的工艺路径。通过对比化学计量进料、乙醇过量及夹带剂三种方案，揭示了乙醇过量配置在实现近完全转化、降低能耗（1715 kcal/kg ECA）方面的显著优势，为类似挥发性体系（如乳酸、水杨酸酯化）提供了可推广的工程范式。

　　

Section snippets

Phase equilibria and kinetics

相平衡建模采用Aspen Plus V12中的UNIQUAC活度系数模型，该模型在处理非理想、极性和卤代体系时表现出色。由于安全限制和单氯乙酸（MCA）易结晶堵塞传统VLE装置的特性，未能获得乙醇-单氯乙酸体系的实验VLE数据。因此，二元相互作用参数取自Aspen热力学数据库。多特蒙德UNIFAC基团贡献法用于预测缺失的相互作用参数。

Methodology

ASPENPLUS中的RADFRAC模块与UNIQUAC热力学模型被选用于模拟研究。该模块采用平衡级模型，假设离开塔内任何级的汽液流处于相平衡状态。模拟模型包含MESH（物料平衡、相平衡、加和定律和热量平衡）方程。考虑了最通用的塔配置，即包含精馏段、反应段和提馏段的混合塔。

Discussion

本节比较了本研究中的所有替代方案（表7）。为优化反应精馏过程，进行了全面的参数研究，重点关注精馏段、反应段和提馏段的理论塔板数、乙醇进料位置、回流比和乙醇流速等关键变量。代表性案例（案例IIb）的详细敏感性图表见支持信息（S.1–S.6节）。

Conclusion

氯乙酸乙酯（ECA）的生产是反应体系的一个典型案例，其中一种反应物挥发性最高，另一种最重。此外，多重共沸物为反应精馏提供了多种工艺替代方案。在此类情况下，尽管RD可行，但其经济性仍存疑。因此，我们概念化并模拟了多种配置，以获取每种情况下的最佳设计。化学计量过量乙醇的方案在能量消耗和催化剂需求方面展现出最佳性能，总能耗为1715 kcal/kg ECA。该策略可推广至类似挥发性顺序的反应体系，如乳酸或水杨酸的酯化过程。