本发明属于精馏技术领域，涉及乙酯异丙酯的生产方法，具体地说，涉及一种用于制备乙酸异丙酯的热泵分隔壁反应精馏塔及其生产方法。
背景技术：
乙酸异丙酯是一种重要的羧酸酯类产品。是合成树脂和涂料的原料，也可以用作某些香料组分，脱水剂、涂料的溶剂，印刷油墨的溶剂，并且可以作为提取剂应用到一些药物合成的工艺中。乙酸异丙酯有“万能溶剂”之称，可以与醇、酮、醚类等有机溶剂混溶。
目前合成乙酸异丙酯的生产工艺主要有三种，一种方法就是乙酸与异丙醇为原料，在强酸性催化剂的作用下直接酯化生成乙酸异丙酯，如CN103214367所公开的方法，此法以浓硫酸做为催化剂，由于催化剂易得，价格低，但其主要缺点是装置易腐蚀、易污染环境、产品复杂难分离，反应后有等摩尔质量的水产生，后处理流程较长。另一种方法是采用乙酸和丙烯直接合成乙酸异丙酯，如CN102757341所公开的方法。该方法缩短了反应流程，节省了原料的消耗，酸与烯烃直接酯化是一个分子的酸与一个分子丙烯发生反应，生成一分子的乙酸异丙酯，反应中没有其余的副产物产生，但该工艺也存在不足之处，反应中会发生烯烃的低聚物累积，造成后续分离过程困难。
在聚乙烯醇生产工艺中，作为副产物的乙酸甲酯产量非常大。每生产一吨聚乙烯醇约产生1.68吨的乙酸甲酯。乙酸甲酯利用价值不高，因此需要将其转化成更有价值的酸或酯。乙酸甲酯水解能耗较高，限制了其应用。若改用与异丙醇酯交换法回收醋酸甲酯，在生产节能与经济效益上有明显的优势。CN104945251A提出一种以乙酸甲酯与异丙醇为原料，酯交换法合成乙酸异丙酯的反应精馏工艺。
虽然酯交换法合成乙酸异丙酯的反应精馏工艺可以得到应用价值更高的酯类，但其较高的能耗也成为此法在工业中广泛应有面临的问题之一。专利CN105017019提出了一种采用高压反应精馏塔和常压乙酸甲酯回收塔进行热集成生成乙酸异丙酯的节能工艺。
技术实现要素：
本发明针对上述技术存在的不足，提出一种以乙酸甲酯与异丙醇为原料，酯交换法合成乙酸异丙酯的热泵分隔壁反应精馏工艺，该工艺集合了热泵精馏和分隔壁反应精馏的特点，具有能耗低，产品纯度高的优点。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种乙酸异丙酯热泵分隔壁反应精馏塔,包含具有分隔壁的主塔、塔顶冷凝器，塔釜乙酸异丙酯再沸器、塔釜甲醇再沸器，主塔内部分为反应分离区域，甲醇回收区域和塔顶分离区域。反应分离区域和甲醇回收区域位于精馏塔的中下部，两者通过竖直的隔板分隔开来，竖直的隔板下端与精馏塔塔釜连接，上端延伸到塔顶分离区域下方。
塔顶分离区域顶部向外连接蒸汽管，蒸汽管一分为二，一根连接压缩机，另一根连接塔顶冷凝器；反应分离区域的精馏塔外部连接有原料异丙醇进料管和原料乙酸甲酯进料管，反应分离区域的底部设有出料管，出料管一分为二，一根连接塔釜乙酸异丙酯再沸器再连接反应分离区域，另一根采出乙酸异丙酯；甲醇回收区域的底部设有出料管，出料管一分为二，一根连接塔釜甲醇再沸器再连接甲醇回收区域，另一根采出甲酯。
反应分离区域中部填充固体催化剂，上、下部填充高效规整填料或塔板，起到精馏分离作用；塔顶分离区域和甲醇回收区域填充高效规整填料或塔板，起到精馏分离作用。
利用本发明的热泵分隔壁反应精馏塔制备乙酸异丙酯的方法为：异丙醇和乙酸甲酯分别进入热泵分隔壁反应精馏塔的反应分离区域与催化剂接触进行反应分离，甲醇和乙酸甲酯的汽相混合物由塔顶分离区域流出，汽相混合物分为两股，一股经压缩机压缩后给反应分离区域底部乙酸异丙酯再沸器提供再沸热量，然后经过节流阀后与另一股汽相混合物混合，经过冷凝后一部分回流塔内，另一部分与原料乙酸甲酯混合重新返回反应分离区域。目标产物高纯度的乙酸异丙酯由反应分离区域下部采出，甲醇由甲醇回收区域下部采出。
所述的催化剂是固体酸催化剂，可为Amberlyst-15、Amberlyst-35、Amberlyst-46等强酸性阳离子交换树脂。
热泵分隔壁反应精馏塔操作压力为100～600kPa，塔顶分离区域塔顶操作温度为50～80℃，理论板数为5～15块，反应分离区域底部温度为90～150℃，其中精馏段9～12块板，反应段40～50块板，反应段填装固体催化剂，提馏段10～15块板。甲醇回收区域操作温度为64～72℃，理论板数为5～15块。
利用上述热泵分隔壁反应精馏塔制备乙酸异丙酯的方法，按照下述步骤进行：异丙醇和乙酸甲酯分别进入热泵分隔壁反应精馏塔的反应分离区域，高沸点的反应物异丙醇从反应分离区域上部进料，低沸点的乙酸甲酯和从塔顶分离区域塔顶冷凝器返回的乙酸甲酯与甲醇混合物混合，从反应分离区域下部进料，两原料在固体催化剂作用下在反应分离区域发生酯交换反应，生成目标产物乙酸异丙酯和副产物甲醇，其中目标产物乙酸异丙酯经反应分离区域进一步分离后，从反应分离区域底部采出。其它组分进入塔顶分离区域进一步分离，在塔顶分离区域顶部得到的甲醇和乙酸甲酯的汽相混合物分为两股，一股经压缩机压缩提高压力温度后进入乙酸异丙酯再沸器与反应分离区域塔釜物流换热，提供再沸热量，然后经过节流阀后与另一股汽相混合物混合，经过塔顶冷凝器冷凝后一部分回流回塔顶分离区域，另一部分与原料乙酸甲酯混合重新返回反应分离区域。在热泵分隔壁反应精馏塔的甲醇回收区域，甲醇与未反应的乙酸甲酯进一部分离，塔釜得到高纯度的甲醇。整个过程通过塔釜乙酸异丙酯再沸器完成了热量的耦合。
相对于现有技术，本发明的效果在于：在热泵分隔壁反应精馏塔中实现高纯度的乙酸异丙酯的生产，将传统的反应精馏和后续分离提纯工艺的多塔整合到一座分隔壁反应精馏塔中，节省了设备投资，同时，通过塔内气液相流股的能量耦合，充分利用塔顶气体的潜热，减少外部热源的能量，降低了能耗。热泵分隔壁反应精馏塔未反应的原料回流重复使用，提高了总转化率。
附图说明
图1为本发明的热泵分隔壁反应精馏塔装置结构和工艺流程。
图中标号如下：1－分隔壁反应精馏塔，2－塔顶分离区域，3－乙酸异丙酯回收区域，4－甲醇回收区域，5－乙酸异丙酯再沸器，6－甲醇再沸器，7－塔顶冷凝器，8－压缩机，9－节流阀，10－原料异丙醇进料管，11原料乙酸甲酯进料管，12－分隔壁反应精馏塔塔顶蒸汽管，13－压缩机汽相进料管，14－乙酸异丙酯再沸器蒸汽进料管，15－节流阀出料管，16－塔顶冷凝器进料管，17－塔顶回流管，18－分隔壁反应精馏塔塔顶采出循环管，19－乙酸异丙酯回收区域底部采出管，20－甲醇回收区域底部采出。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的叙述：
如图1所示：本发明的乙酸异丙酯热泵分隔壁反应精馏塔包括具有分隔壁的主塔1、塔顶冷凝器7，乙酸异丙酯再沸器5、甲醇再沸器6，主塔内部分为塔顶分离区域2，反应分离区域3和甲醇回收区域4。反应分离区域3和甲醇回收区域4位于精馏塔的中下部，两者通过竖直的隔板分隔开来，竖直的隔板下端与精馏塔塔釜连接，上端延伸到塔顶分离区域2下方。
塔顶分离区域2顶部向外连接蒸汽管，蒸汽管一分为二，一根连接压缩机8，另一根连接塔顶冷凝器7；反应分离区域3的精馏塔外部连接有原料异丙醇进料管和原料乙酸甲酯进料管，反应分离区域3的底部设有出料管，出料管一分为二，一根连接塔釜乙酸异丙酯再沸器5再连接反应分离区域，另一根采出乙酸异丙酯；甲醇回收区域4的底部设有出料管，出料管一分为二，一根连接塔釜甲醇再沸器6再连接甲醇回收区域，另一根采出甲酯。
反应分离区域3中部填充反应催化剂，上、下部填充高效规整填料或塔板，起到精馏分离作用；塔顶分离区域2和甲醇回收区域4填充高效规整填料或塔板，起到精馏分离作用。
本发明所采用的热泵分隔壁反应精馏塔制备乙酸异丙酯的工艺流程为：原料异丙醇和乙酸甲酯分别进入热泵分隔壁反应精馏塔R1的反应分离区域3，高沸点的反应物异丙醇从反应分离区域3上部进料，低沸点的乙酸甲酯和从塔顶冷凝器7返回的乙酸甲酯与甲醇混合物混合，从反应分离区域3下部进料，两原料在固体催化剂作用下在反应分离区域3发生酯交换反应，生成目标产物乙酸异丙酯和副产物甲醇，其中目标产物乙酸异丙酯经反应分离区域3进一步分离后，从反应分离区域塔底部采出。其它组分进入塔顶分离区域2进一步分离，在塔顶分离区域2顶部得到的甲醇和乙酸甲酯汽相混合物分为两股，一股经压缩机8压缩，提高压力温度后进入乙酸异丙酯再沸器5与反应分离区域3底部物流换热，提供再沸热量，然后经过节流阀9与另一股汽相混合物混合，经过塔顶冷凝器7冷凝后一部分回流回塔顶分离区域2，另一部分与原料乙酸甲酯混合重新返回反应分离区域3。在热泵分隔壁反应精馏塔1的甲醇回收区域4，甲醇与未反应的乙酸甲酯进一部分离，甲醇回收区域4底部得到高纯度的甲醇。由于充分利用塔顶气体的潜热，减少了外部热源的能量，降低了能耗。
实施例1
采用附图1所示的工艺流程，所采用的热泵分隔壁反应精馏塔1为直径2300mm,45米的填料塔，塔顶分离区域2内装规整填料5米，理论板数为10块；反应分离区域3内装规整填料35米，理论板数为74块，其中精馏段9块板，反应段43块板，反应段填装固体催化剂，所用催化剂为Amberlyst-15强酸性阳离子交换树脂，提馏段12块板。甲醇回收区域Ⅲ内填装规整填料5米，热泵分隔壁反应精馏塔RDWC操作压力为1atm，塔顶分离区域2顶部温度为54℃，反应分离区域3底部温度为91℃，甲醇回收区域4底部温度为65℃.
原料异丙醇以3005kg/h从反应分离区域3上部进料，低沸点的乙酸甲酯3704kg/h和从顶部冷凝器E3返回的乙酸甲酯与甲醇混合物3785kg/h混合，从反应分离区域3下部进料，两原料在固体催化剂作用下在反应分离区域3发生酯交换反应，生成目标产物乙酸异丙酯和副产物甲醇，其中目标产物乙酸异丙酯经反应分离区域3进一步分离后，从反应分离区域3底部采出，得到质量分数为99.7％的乙酸异丙酯5099kg/h。其它组分进入塔顶分离区域2进一步分离，从塔顶分离区域2塔顶得到的甲醇和乙酸甲酯的汽相混合物分为两股，一股经压缩机8压缩，提高压力温度后进入乙酸异丙酯再沸器5与反应分离区域3底部物流换热，提供再沸热量，然后经过节流阀9与另一股汽相混合物混合，经过塔顶冷凝器7冷凝后一部分回流塔顶分离区域2，另一部分与原料乙酸甲酯混合重新返回反应分离区域3。在热泵分隔壁反应精馏塔1的甲醇回收区域4，甲醇与未反应的乙酸甲酯进一部分离，从甲醇回收区域4底部采出质量分数为99.5％的甲醇1612kg/h。压缩机8能耗为880kW，塔顶冷凝器7能耗为-1110kW,甲醇回收区域Ⅲ底部甲醇再沸器6能耗为387kW。由于充分利用塔顶气体的潜热，减少外部热源的能量，降低了能耗。
实施例2
采用附图1所示的工艺流程，所采用的热泵分隔壁反应精馏塔1为直径2100mm,高50米的板式塔，塔顶分离区域2内设塔板10块；反应分离区域3内塔板数为76块，其中精馏段10块板，反应段44块板，反应段填装固体催化剂，所用催化剂为Amberlyst-15强酸性阳离子交换树脂，提馏段12块板。甲醇回收区域4内设塔板6块，热泵分隔壁反应精馏塔1操作压力为2atm，塔顶分离区域2顶部温度为73℃，反应分离区域3底部温度为113℃，甲醇回收区域4底部温度为83℃.
原料异丙醇以3005kg/h从反应分离区域3上部进料，低沸点的乙酸甲酯3704kg/h和从塔顶冷凝器7返回的乙酸甲酯与甲醇混合物3520kg/h混合，从反应分离区域3下部进料，两原料在固体催化剂作用下在反应分离区域3发生酯交换反应，生成目标产物乙酸异丙酯和副产物甲醇，其中目标产物乙酸异丙酯经反应分离区域3进一步分离后，从反应分离区域3底部采出，得到质量分数为99.6％的乙酸异丙酯5099kg/h。其它组分进入塔顶分离区域2进一步分离，从塔顶分离区域2塔顶得到的甲醇和乙酸甲酯的汽相混合物分为两股，一股经压缩机8压缩，提高压力温度后进入塔釜乙酸异丙酯再沸器5与反应分离区域3底部物流换热，提供再沸热量，然后经过节流阀9与另一股汽相混合物混合，经过塔顶冷凝器E3冷凝后一部分回流塔顶分离区域2，另一部分与原料乙酸甲酯混合重新返回反应分离区域3。在热泵分隔壁反应精馏塔1的甲醇回收区域4，甲醇与未反应的乙酸甲酯进一部分离，从甲醇回收区域4底部采出质量分数为99.5％的甲醇1611kg/h，压缩机8能耗为1121kW，塔顶冷凝器7能耗为-1237kW,甲醇回收区域Ⅲ塔釜甲醇再沸器6能耗为375kW。由于充分利用塔顶气体的潜热，减少外部热源的能量，降低了能耗。