现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (10) : 225-231. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.10.037

工业技术

甲醇羰基化制乙酸生产过程的模拟与优化分析

黄良德 ¹^,² ,
韦孟宇 ¹^,² ,
童张法 ¹^,² ,
金庸 ³ ,
蒋迎花 ¹^,²^,^*

作者信息 +

Simulation and optimization analysis of methanol carbonylation to acetic acid production process

HUANG Liang-de ¹^,² ,
WEI Meng-yu ¹^,² ,
TONG Zhang-fa ¹^,² ,
JIN Yong ³ ,
JIANG Ying-hua ¹^,²^,^*

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2025-11-26		2026-10-20
Issue Date	Revised Date
2026-10-14	2025-11-26

PDF (2998K)

摘要

为了降低工业上甲醇羰基化生产乙酸过程中的能耗,构建了甲醇羰基化生产乙酸过程的模拟模型,并采用“局部-整体”的优化路线对乙酸生产过程进行工艺改造,最后对工艺进行能耗和费用的评估。局部改造采用热泵辅助精馏技术降低分离塔的能耗,而整体改造则采用夹点技术对整个乙酸生产过程进行换热网络改造。结果表明,所构建的甲醇羰基化制乙酸生产流程能够生产出符合要求的产品;其次,在结合热泵精馏技术之后虽然投资费用增加了23.31%,但是公用工程费用和总费用分别下降了13.76%和7.60%;最后,在热泵技术的基础上结合换热网络,投资费用增加12.47%,但是公用工程费用和总费用分别下降了44.76%和31.57%。这表明所提出的方案是通过提高投资费用从而降低公用工程费用,进而达到降低总费用的目的,为乙酸生产过程的优化提供了有效方案。

Abstract

In order to reduce the energy consumption in the industrial process of acetic acid production via methanol carbonylation,a simulation model of methanol carbonylation to acetic acid was constructed,and the process of acetic acid production was modified using a “local overall” optimization route.Finally,the energy consumption and cost of the process were evaluated.The heat pump-assisted distillation technology was used to reduce the energy consumption of the separation tower in the local transformation,while the pinch technology was used to transform the heat exchange network of the whole acetic acid production process in the overall transformation.The results showed that the process of methanol carbonylation to acetic acid could produce qualified products;Secondly,although the investment cost increased by 23.31% after the combination of heat pump distillation technology,the utility cost and total cost decreased by 13.76% and 7.60% respectively;Finally,based on the heat pump technology and combined with the heat exchange network,the investment cost increased by 12.47%,but the utility cost and total cost decreased by 44.76% and 31.57% respectively.This shows that the proposed scheme is to reduce the cost of utility by increasing the investment cost,so as to reduce the total cost,which provides an effective scheme for the optimization of acetic acid production process.

Graphical abstract

关键词

甲醇羰基化制乙酸 / 热泵精馏 / 换热网络 / 经济性分析

Key words

carbonylation of methanol to acetic acid / heat pump distillation / heat exchanger network / economic analysis

引用本文

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黄良德,韦孟宇,童张法,金庸,蒋迎花. 甲醇羰基化制乙酸生产过程的模拟与优化分析[J]. 现代化工, 2026, 46(10): 225-231 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.10.037

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乙酸是一种重要的化学物质,广泛应用于制药、食品等多个领域^[1]。工业上合成乙酸的方法主要包括甲醇羰基化法^[2]、乙醛氧化法^[3]、乙烯直接氧化法^[4]和乙烷直接氧化法^[5]等。其中,甲醇羰基化法因高效和经济性而成为目前工业上应用最广泛的乙酸生产工艺,约占世界乙酸制造能力的75%^[6]。甲醇羰基化法制备乙酸过程中的反应和分离工段均属于能量密集过程,能源消耗较高。为了减低乙酸生产过程的能源消耗和提高系统的能源利用效率,有必要采用相关节能技术对其进行改造优化。

从生产流程中不同作用的工段来看,产品分离提纯工艺的能耗往往占比很高,同样的甲醇羰基化法制备乙酸通过“脱轻塔-脱水塔-精制塔”多级精馏逐步提纯的过程的能耗也很高,所以针对于这一流程需要采用节能技术使得某个工段流程的能耗降低。常见的一些节能技术有反应精馏技术^[7]、热偶精馏技术^[8-9]和热泵辅助精馏技术^[10]等。其中,热泵辅助精馏技术因为具有改造过程简便和较短的回本周期等优点而广泛应用^[11],基本原理是通过低温热源提取热能,并通过能量转换转移至高温热源,以满足工艺需求。Yang等^[12]为解决传统精馏分离三氯苯混合物能耗高的问题,采用了热集成技术和机械蒸气再压缩热泵技术优化分离流程,能耗和年度总成本分别降低83.5%和22.9%。黄良德等^[13]将热泵精馏应用于乙酸-水体系的分离体系中,采用热泵精馏后乙酸-水分离工艺的综合能耗下降了87.07%。此外,从整体上看,甲醇羰基化法制备乙酸工艺流程中有大量的换热过程,对该过程进行能量评估和诊断,可以有效提高系统的能量利用效率,降低对公用工程的依赖。夹点技术是一种有效的换热网络优化方法,因其方法论的简洁性与工程实用性,被公认为解决大型工业换热网络优化问题的最有效工具之一^[14],例如Aleksandar^[15]基于夹点技术,提出了一种新的通用热交换器网络设计方法,通过将大型热交换器拆分为多个热交换单元,实现多用途使用,从而最大化传热利用率。Linnhoff等^[16]基于夹点技术提出了一种换热网络设计方法,即在给定数量的资本项目下实现最高程度的能量回收。

综上,为了提高甲醇羰基化制乙酸过程的能量利用效率,本文中首先在Aspen Plus中构建出甲醇羰基化制备乙酸的模拟模型,然后提出热泵精馏和夹点技术相结合的“局部-整体”的改造优化策略,最后以一个实际的乙酸生产工厂作为案例阐述了本文中方法的有效性。

1 乙酸生产过程的模拟和优化方法

1.1 生产流程的构建

甲醇羰基化法制备乙酸生产主要分为2个部分,分别是反应工段和分离提纯工段,如图1所示。

在反应工段中,原料进入反应器反应后的物料经过闪蒸罐-2,部分未反应的一氧化碳与反应器中反应产生的其他气体从闪蒸罐顶部进一步分离,冷凝下来的液体部分返回反应器继续参与反应。而气相被送往尾气吸收区的高压甲醇吸收塔,经洗涤后送往火炬处理。

在分离提纯工段中,甲醇羰基化制乙酸的三塔分离系统由脱轻塔、脱水塔和精制塔构成,并且为了更好地回收催化剂甲基碘还构建了精馏塔。反应工段生成的混合物将由物料泵输送至脱轻塔,目的是去除未反应的甲醇及副反应产生的乙酸甲酯等轻组分,以实现初步提纯。在脱轻塔的顶端,轻组分被排出,经过冷凝后输送至精馏塔进行分离。在脱水塔中,含有少量杂质的甲基碘从塔顶馏出,冷凝后通过物料泵输送至闪蒸罐-3进一步提纯得到高纯度的甲基碘。而剩余的物料则从塔底通过物料泵输送至脱水塔进行脱水处理。在脱水塔中,水从塔顶排出,并通过冷凝器冷凝后,收集到乙酸-水分离塔的顶端储槽中,从脱水塔底部流出的乙酸通过出料泵输送至精制塔。在精制塔中,去除残留的丙酸等杂质,这些杂质会从塔底排出,而高浓度的乙酸则通过产品冷却器降温后,进入产品乙酸中间槽。

1.2 优化策略

为了降低乙酸生产过程的能耗和提高能源的利用效率,本文中采用“局部-整体”的优化路线对乙酸生产过程进行工艺改造。其中,局部改造采用热泵辅助精馏技术降低分离塔的能耗,而整体改造则采用夹点技术对整个乙酸生产过程进行换热网络改造。最后,对乙酸生产过程进行能耗和费用的评估,对比改造前后的能耗和经济性。

1.2.1 热泵辅助精馏

热泵精馏可以辅助回收利用工艺中局部中的某些流股的能量,这一工艺是将塔顶物料经过压缩机的绝热压缩后提高其温度,随后作为热源通过换热器蒸发塔釜液体,并且为了避免压缩比过大要求塔顶和塔底的温差一般不超过30℃^[17]。塔釜液体经过闪蒸处理后进行气液分离,其中一部分作为塔底产物,另一部分则回流至塔底。另一方面,压缩气体在换热的过程中冷凝成液体,冷凝液通过节流阀进行减压,并通过分离器进行分流,一部分冷凝液作为塔顶馏出物,而用于回流的另一部分则返回至塔顶。脱水塔的常规精馏工艺改造过程如图2所示。

1.2.2 夹点技术

夹点技术是高效的换热网络优化手段,依托热集成提升系统能量利用率:先借助温焓图分温区开展热平衡计算,定位夹点、核算最小公用工程用量;再针对性优化换热网络设计,最大化余热回收,削减公用工程消耗与成本,兼顾节能与改造经济性。

1.3 经济性分析方法

本文中选用年总费用TAC作为经济评估指数,TAC的计算如式(1)所示。

(1)$TAC=TCC/\mu +TOC$

式中,TCC为投资费用;TOC为操作费用;μ为投资回报周期;投资费用TCC如式(2)所示。

(2)$TCC={C}^{\mathrm{R}\mathrm{c}}+{C}^{\mathrm{F}\mathrm{c}}+{C}^{\mathrm{H}\mathrm{e}\mathrm{X}}+{C}^{\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{m}}$

式中,C^Rc为反应器成本;C^Fc为精馏塔成本;C^HeX为换热器成本;C^Com为压缩机成本。反应器的成本如式(3)所示。

(3)${C}^{\mathrm{R}\mathrm{c}}=80\mathrm{ }500\times {V}^{0.45}$

式中,V为反应器体积。精馏塔的成本如式(4)所示。

(4)${C}^{\mathrm{F}\mathrm{c}}={C}^{\mathrm{V}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{l}}+{C}^{\mathrm{S}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{g}\mathrm{e}}+{C}^{\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{n}}+{C}^{\mathrm{R}\mathrm{e}\mathrm{b}}$

式中,C^Vessel为塔身成本;C^Stage为塔板成本;C^Con为冷凝器成本;C^Reb为再沸器成本。塔身成本如式(6)所示。

(5)${C}^{\mathrm{V}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{l}}=7\times (\mathrm{M}\mathrm{S}/280)\times 937.636\times {D}^{1.066}\times $

(6)$\mathrm{H}=0.61\times ({\mathrm{N}}_{T}-2)\times 1.2$

式中,D为塔内径;H为塔高;N_T为理论塔板数;F_c、F_m均为经济衡算中的系数;F_p为压力校正系数;M&S为Marshall & Swift系数。

塔板成本计算如式(7)所示。

(7)${C}^{\mathrm{S}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{g}\mathrm{e}}=7\times (\mathrm{M}\mathrm{S}/280)\times 97.243\times {D}^{1.066}\times H\times {F}_{\mathrm{c}}$

(8)${\mathrm{F}}_{c}={\mathrm{F}}_{f}+{\mathrm{F}}_{a}+{\mathrm{F}}_{m}$

换热器成本计算如式(9)~(11)所示。

(9)$\begin{array}{c}C^{\mathrm{HeX}}=7 \times(\mathrm{M} \& \mathrm{~S} / 280) \times 474.668 \times \\A^{0.65}\left(2.29+F_{\mathrm{c}}\right)\end{array}$

(10)${\mathrm{F}}_{c}=({\mathrm{F}}_{d}+{\mathrm{F}}_{p}){\mathrm{F}}_{m}$

(11)$\mathrm{A}=\mathrm{Q}/(\Delta \mathrm{t}\times \mathrm{\kappa })$

式中,Q为热负荷;A为换热面积;κ为热交换因子;Δt为对数平均温差。

压缩机成本计算如式(12)所示。

(12)${C}^{\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{m}}=7\times (\mathrm{M}\mathrm{S}/280)\times 2\mathrm{ }074.24\times b{p}^{0.82}$

式中,bp为压缩机功率。

操作费用TOC计算如式(13)所示。

(13)$TOC=7\mathrm{ }200{C}^{\mathrm{N}\mathrm{R}\mathrm{G}}$

能耗费用计算如式(14)所示。

(14)${C}^{\mathrm{N}\mathrm{R}\mathrm{G}}={\sum }_{\mathrm{i}}^{}{F}_{i}·{P}_{i}$

式中,C^NRG为能耗费用;F_i为i种公用工程的用量;P_i为i类公用工程的价格。

2 案例分析

2.1 基础数据

数据来源于广西某乙酸生产工厂,反应物甲醇由甲醇加料泵输送至反应器内,一氧化碳经多级压缩后通过反应器内的一氧化碳分布器直接喷入反应器,反应器的停留时间为40 min,甲醇的转化率为99%,选择性为86%,产率为84%。经过模拟和灵敏度优化之后所得乙酸生产模拟流程中反应和分离工段的流程模拟参数如表1所示。根据本文中所构建的甲醇羰基化乙酸生产过程模拟模型和生产条件,可以获得乙酸生产过程的物料流股平衡图,如图3所示。从图3可见,所生产的产品符合工业冰乙酸Ⅰ型的技术要求。

2.2 热泵优化

在乙酸生产流程的分离工段中,根据热泵精馏的安装条件和乙酸生产流程的具体情况,可以得知脱水塔比较适合热泵集成。脱水塔的塔顶、塔底温度分别为100、117℃,采用热泵集成后的乙酸生产流程如图4所示。在图4中,脱水塔的水蒸气压力为0.1 MPa,经过压缩机加压后提高至0.19 MPa,水蒸气温度上升至178℃后作为热源为塔底物料提供热能,换热之后的蒸气经过降压冷凝后部分排出,塔底的乙酸产品部分回到脱水塔,另一部分则进入下一工艺继续提纯。

脱水塔经热泵精馏改造前后,通过1.33 MW的压缩机能耗节省了18.6、18.71 MW的冷凝器能耗和再沸器能耗,使得流程节省了93.14%的脱水塔总能耗,所以热泵精馏可以有效地节省脱水塔的能源消耗。

2.3 换热网络优化

乙酸生产过程的总费用系数随着换热温差的变化情况如图5所示。由图5可知,随着ΔT_min上升总费用系数先下降后上升,并且在7~8℃区间内上升得最快。这是因为精制塔塔顶的冷凝器可以提供大量的能量,但是温度不高,并且由于属于相变过程导致温度变化很小。在本文中选择ΔT_min为6℃。当然,ΔT_min也可以由设计师或决策者或实际需求来确定。在ΔT_min等于6℃时,乙酸生产过程的总组合曲线如图6所示。如图6可见,夹点温度为136℃,此时的理论最小冷、热公用工程用量分别为1.618×10⁸、1.938×10⁸ kJ/h。

乙酸生产过程的原始换热网络如图7所示,冷、热公用工程用量分别3.212×10⁸、3.533×10⁸ kJ/h,远大于夹点温度下的公用工程用量。因此,需基于夹点技术对原始换热网络的设计进行重新评估与改进。

根据ΔT_min为6℃和夹点温度为136℃改进后的换热网络如图8所示,改进后的换热网络在原始换热网络的基础上优先使用流程内部的流股作为热源,充分利用了工艺过程中流股的潜热。例如,在原有的换热网络中并没有考虑到精制塔塔顶出料和反应器产物中的余热,在优化后的换热网络中充分回收了这2股物料的余热,从而进一步增强整体经济效益。

改造前后的换热网络的冷、热公用工程能耗分别为1.621×10⁸、1.941×10⁸ kJ/h,与原始换热网络设计相比,优化后的换热网络冷、热公用工程分别降低了45.06%、49.53%,并且总费用系数由原来的0.227 4降低至0.143 0,说明优化后的换热网络不仅减轻了系统的能耗负担,还在经济性方面有显著提升。

2.4 经济性分析

原乙酸生产过程不同阶段各项设备的详细成本、各项公用工程的详细成本、总成本如表2所示。

由表2可见,在结合热泵技术之后增加了热泵和换热器成本而减少了塔的冷凝器和再沸器成本,而在结合换热网络过程中需要更多的换热器,所以换热器成本提升得更为显著;此外,在经过热泵改造之后通过压缩蒸气提供一部分热能,这使得所需电能上升而所需中压蒸气下降,并且在换热网络技术改造之后回收更多的余热,使得蒸气使用量又进一步下降,在中压蒸气方面尤为显著。由表2可见,随着改造的进行投资费用逐渐增加,但是公用工程费用和年总费用逐渐减小。热泵改造后的操作费用降低了13.76%,这一显著降低主要是因为压缩机产生的电力费用远低于塔釜再沸器所需的中压蒸气费用和冷凝器消耗的冷却水费用的总和。尽管总投资费用增加了23.31%,但年总费用仍降低了7.60%。在换热网络优化后投资费用增加了12.47%,但是操作费用却降低了44.76%,年总费用也下降了31.57%。这表明,尽管优化换热网络设计可能会导致初始投资费用的增加,但是却能够大幅度降低乙酸生产工艺对公用工程用量,显著降低操作费用,从而使得年总费用也得以减少。此外,夹点技术对生产工艺进行优化所节省的能源较多于热泵精馏技术,可见从整体进行优化比从局部进行优化能回收更多能量。

3 结论

为了降低甲醇羰基化制乙酸工艺的能耗,本文中通过采用“局部-整体”的方法对乙酸生产工艺进行改造。首先构建出甲醇羰基化制乙酸生产的模拟流程,然后针对脱水塔进行局部热泵精馏塔改造,并在此基础上对整体的换热网络进行优化。结果表明,所构建的甲醇羰基化制乙酸工艺流程能够生产出符合生产要求的乙酸产品;从能耗层面来看,热泵精馏技术能减少脱水塔93.14%的能耗,而优化后的换热网络相较原始网络可以节省整个生产流程的大部分能量;从经济层面上看,虽然在通过热泵辅助精馏技术改造后和换热网络技术改造后投资费用增加了23.31%和12.47%,但是操作费用分别降低了13.76%和44.76%,这也使得整个乙酸生产工艺的年总费用降低了7.60%和31.57%,这说明了这2种改造方法都是从降低公用工程费用的角度来降低年总费用,并且换热网络效果更好。本研究为工业上甲醇羰基化生产乙酸的流程进行流程优化提供了理论基础和技术方案,未来可以在这项研究的基础上结合废液处理技术完善整体的生产流程,或者结合可再生能源和其他的节能技术进一步降低能源的损耗。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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