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摘 要

乳酸是自然界常见的有机酸之一，乳酸具有亲水性强、挥发性低、高温易分解且易自聚合的特性，所以被大量用于食品加工、皮革加工以及合成有较高工业应用价值的聚乳酸。目前工业上生产乳酸的工艺过程相对复杂，且能耗较大。鉴于此，本文设计了乳酸提纯反应精馏新工艺，建立了该装置的非平衡级稳态模型，并对其进行了过程仿真计算和稳态特性优化分析。

本文乳酸提纯反应精馏过程模拟原料乳酸乙酯进料流率为1 kmol/h，水的进料1.1059 kmol/h，原料乳酸乙酯纯度为99.5%。本课题参考了现有的热力学、动力学模型，通过Aspen Plus模拟软件对乳酸乙酯水解反应进行稳态模拟并对其结果进行分析，得到产品乳酸质量纯度得到0.98，乳酸乙酯转化率100%。并进行了塔设备正常操作工况的模拟，验证了该模拟方法的可行性和正确性，最后对换热器进行了设计选型和核算。

关键词：乳酸乙酯 水解 反应精馏 稳态模拟 优化

Steady state simulation of hydrolysis of ethyl lactate

by reactive distillation

Abstract

Lactic acid is the common nature of the organic acid in that lactate has strong drop city, low volatility, high temperature decomposition and easy self polymerization characteristics, so it is widely used in food processing, leather processing and synthesis polylactic acid with high industrial application value. The technological process of producing lactic acid in industry is relatively complex and energy consumption is large. In view of this, the new technology of lactic acid purification reaction distillation is designed, and the non equilibrium steady state model of the device is established, and the simulation and optimization of the steady state of the process are carried out.

In this paper, the feed flow rate of ethyl lactate was 1kmol/h, the feed rate of water was 1.1059 kmol/h, the purity of ethyl lactate was 99.5%. This paper reference to the existing thermodynamic and kinetic model and by the Aspen Plus simulation software on the hydrolysis of ethyl lactate response to steady state simulation and the results were analyzed by lactic acid purity of product quality get 0.98 and ethyl lactate conversion rate of 100%. And tower equipment normal operation simulation verify the feasibility and correctness of the simulation method, the heat exchanger of design, selection and calculation.

Keywords: ethyl lactate; hydrolysis; reactive distillation; steady state simulation optimization

目录

摘要 I

Abstract I

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 乳酸的分离精制方法 1

1.2.1 吸附/离子交换法 1

1.2.2 萃取法 1

1.2.3 膜分离法 1

1.2.4 分子蒸馏法 1

1.2.5 酯化水解法 1

1.3 反应精馏及其在乳酸精制的应用研究 1

1.4 化工过程模拟技术 1

1.4.1 稳态流程模拟技术 1

1.4.2 动态流程模拟技术 1

1.4.3 Exchanger Design and Rating软件 1

1.5 本文研究意义与内容 1

第二章 热力学模型和动力学参数的选择 1

2.1 热力学模型选择 1

2.2 动力学参数的选择 1

第三章 乳酸乙酯水解反应精馏集成过程的稳态模拟 1

3.1 乳酸乙酯水解反应精馏集成的稳态模拟 1

3.2 乳酸乙酯水解反应精馏过程的参数优化 1

3.2.1 进料操作变量的优化设计 1

3.2.2 塔顶采出量的优化设计 1

3.2.3 回流比操作变量的优化分析 1

3.3 塔设备的核算 1

第四章 换热器的选型 1

4.1 概述 1

4.2 选型原则 1

4.3 选型步骤 1

4.3.1 初步计算 1

4.3.2 初步选型 1

4.3.3 EDR核算 1

4.4 换热器选型结果 1

4.4.1 反应精馏塔塔顶冷凝器B1 1

4.4.2 反应精馏塔塔釜再沸器B2 1

第五章 结论 1

参考文献 1

致谢 1

第一章 绪论

1.1 研究背景

乳酸是一种重要的有机酸，它广泛地应用于食品、医药和化学工业^[1]。生产乳酸的方法主要有化学合成法和发酵法。目前我国从发酵液中分离提取乳酸的主要是钙盐法，该法所得产品质量不高。Filachione于1939年提出连续酯化法分离乳酸^[2]，其得到的乳酸纯度较高，可达到药品级标准，但该法由于使用了乙醇，其产品通常不能用于食品和医药工业。本文采用精馏法制备乳酸，取得较好的效果，该方法分为以下两步：首先由乳酸与乙醇酯化合成乳酸乙酯，其次将乳酸乙酯水解得到高纯乳酸。第一步已有较成熟的工艺^[3,4]，而第二步研究工作未见报道。

乳酸乙酯水解动力学是研究乳酸乙酯水解反应过程的速率和反应机理的物理化学分支学科,它的研究对象是物质性质随时间变化的非平衡的动态体系。时间是化学动力学的一个重要变量,通过乳酸乙酯水解动力学的研究，可以知道如何控制反应条件，提高反应的速率,以增加化工产品的产量，可以知道如何抑制或减慢副反应的速率，以减少原料的消耗,减轻分离操作的负担，并提高产品的质量，还可以为科研成果工业化进行最优化设计和最优控制，为现有的生产选择最适宜的操作条件。由此可见乳酸乙酯水解动力学的研究，不论在理论上还是在实践上，都具有重要的意义。反应精馏技术将化学反应与精馏过程有机结合在一起，使反应产物及时分离出反应区域，强化了反应过程，对某些反应体系（如醚化、酯化等）几乎不受原反应平衡的限制，可在很经济的条件下实现反应物的彻底转化反应精馏精制乳酸主要“双塔工艺”和“单塔工艺”。双塔工艺中酯化釜内乳酸酯、水、醇等混合蒸气经精馏塔分离，醇从塔顶馏出，乳酸酯及水由塔底导流至水解釜，水解物为乳酸和醇，醇由精馏塔的塔顶馏出，使反应平衡向正方向移动，从而乳酸酯彻底水解得到高纯乳酸；单塔工艺中省去了酯化釜精馏塔，上升的蒸气直接被导入反应精馏水解塔。双塔工艺和单塔工艺可以生产高纯度乳酸，但是能耗较高，反应时间长，成本高。本文主要研究乳酸乙酯水解反应精馏提纯乳酸。

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