變壓精餾及萃取精餾分離乙醇-苯共沸物

韓祺祺

中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟(jì)南 250101

設(shè) 計(jì) 技 術(shù)

變壓精餾及萃取精餾分離乙醇-苯共沸物

韓祺祺*

中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟(jì)南 250101

使用Aspen Plus分別研究變壓精餾及萃取精餾分離乙醇-苯二元共沸物的工藝流程。兩種分離流程的塔設(shè)備費(fèi)用相近，萃取精餾工藝較傳統(tǒng)變壓精餾工藝節(jié)能顯著，再沸器節(jié)能約34%；熱集成變壓精餾工藝較萃取精餾工藝節(jié)能約17.2%，且所需蒸汽品位更低。

熱集成變壓精餾 萃取精餾 共沸物 乙醇-苯

在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到欲分離組分之間形成共沸物的系統(tǒng)。對(duì)于形成共沸物的系統(tǒng)難以用普通精餾的方法將其分離。常采用的分離共沸物的方法有：萃取精餾、變壓精餾、共沸精餾、膜分離、吸附等。

乙醇(沸點(diǎn)78℃)和苯(沸點(diǎn)80℃)混合物在常壓下形成二元最低共沸物，其共沸點(diǎn)溫度為68.24℃, 共沸組成中含有44.8 mol%的乙醇[1]。因此，一般的精餾方法不能達(dá)到分離要求。對(duì)于乙醇-苯物系，壓力變化對(duì)共沸組成影響明顯[1]，可以采用變壓精餾分離。已有文獻(xiàn)報(bào)道采用變壓精餾分離乙醇-苯共沸物的方法[2-3]。此方法中，乙醇-苯共沸物分別從高壓塔及低壓塔塔頂蒸出，能耗較大。與變壓精餾相比，萃取精餾通過加入萃取劑改變待分離組分間的相對(duì)揮發(fā)度，且萃取劑不需要從塔頂蒸出，能耗較少。筆者使用Aspen Plus模擬軟件分別對(duì)乙醇-苯共沸物的變壓精餾工藝及萃取精餾工藝進(jìn)行模擬，從設(shè)備投資和能耗對(duì)比兩種分離工藝，并提出了熱集成變壓精餾工藝。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供理論參數(shù)，對(duì)于該類共沸物分離過程的工業(yè)設(shè)計(jì)有一定意義。

1 工藝原理

1.1 分離原理

對(duì)于乙醇-苯共沸物，當(dāng)壓力從101.3 kPa增至507 kPa時(shí)，共沸物組成中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)由44.8% 變?yōu)?0%，共沸點(diǎn)溫度由68℃上升到119℃[4]。據(jù)此，可以使用變壓精餾方法分離乙醇苯的混合物。

除變壓精餾外，萃取精餾也是常用的有效分離二元共沸物的方法。根據(jù)萃取劑的選取原則[5]，對(duì)于乙醇-苯共沸物選用二甲基亞砜(DMSO)作為萃取劑。利用Aspen Plus軟件可以作出該體系的剩余曲線見圖1。

圖1 乙醇/苯/二甲基亞砜體系剩余曲線

從圖1中可見，選擇二甲基亞砜作為萃取劑是合適的。

1.2 熱力學(xué)方法

模擬采用UNIQUAC方程作為熱力學(xué)方法。使用Aspen Plus求得乙醇-苯在不同壓力下的汽液平衡數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]的對(duì)比見圖2。對(duì)于二甲基亞砜-乙醇及二甲基亞砜-苯體系，尚未有文獻(xiàn)提供完整的汽液平衡數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)中僅提供了恒溫條件下，汽液平衡時(shí)系統(tǒng)壓力與液相組成的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[6，7]的對(duì)比見圖3和圖4。由圖2～4可見，Aspen Plus的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值基本一致。

圖2 乙醇-苯汽液平衡數(shù)據(jù)

圖3 乙醇-二甲基亞砜汽液平衡數(shù)據(jù)

圖4 苯-二甲基亞砜汽液平衡數(shù)據(jù)

1.3 原料和產(chǎn)品規(guī)格

擬分離的物料參數(shù)：進(jìn)料量600 kmol/h，溫度35℃，壓力1.5bar。原料和產(chǎn)品規(guī)格見表1。

表1 原料和產(chǎn)品規(guī)格 (mol%)

2 變壓精餾模擬

2.1 工藝流程

分離乙醇-苯的工藝流程見圖5。

圖5 變壓精餾分離乙醇-苯工藝流程

工藝流程中主要由兩個(gè)不同操作壓力的塔組成，低壓塔(C1)和高壓塔(C2)。乙醇-苯混合物以及從高壓塔塔頂循環(huán)回來的液相混合后進(jìn)低壓塔。低壓塔塔底得到乙醇產(chǎn)品；低壓塔塔頂所得乙醇和苯的共沸物經(jīng)冷凝后，一部分作為回流，一部分由增壓泵升壓后進(jìn)高壓塔，高壓塔塔底得到苯產(chǎn)品。同樣，高壓塔塔頂所得乙醇和苯的共沸物經(jīng)冷凝后，一部分作為回流，一部分經(jīng)減壓后，作為循環(huán)物流進(jìn)低壓塔。

2.2 雙塔壓力的選取

本模擬中，低壓塔采用常壓塔，高壓塔采用加壓塔。經(jīng)模擬分析可知，增大加壓塔的壓力，乙醇-苯的共沸組成變化增大，循環(huán)物流量減小，能耗及設(shè)備投資減少；但壓力增加，兩組分相對(duì)揮發(fā)度減小，加壓塔的理論板及回流比均增加，加壓塔塔底溫度亦升高。經(jīng)初步優(yōu)化，兩塔壓力選定為101.3 kPa和507 kPa。已有文獻(xiàn)報(bào)道[2-3]使用減壓塔及常壓塔分離乙醇-苯混合物，此方法需提供真空，消耗額外的動(dòng)力，對(duì)設(shè)備要求高，投資增加。

2.3 模擬結(jié)果

低壓塔和高壓塔內(nèi)的液相摩爾濃度分布分別見圖6和圖7。塔板序號(hào)自上而下，其中第一塊板為冷凝器，最后一塊板為再沸器。低壓塔和高壓塔塔頂組成接近塔頂壓力對(duì)應(yīng)的共沸組成，塔底得到滿足要求的產(chǎn)品。高壓塔塔頂物料中乙醇摩爾分?jǐn)?shù)為59%，原料中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)為65%，兩者與低壓塔中第7塊理論板上乙醇濃度接近，因此將高壓塔塔頂產(chǎn)品與原料混合后從第7塊理論板進(jìn)低壓塔是合理的。

3 萃取精餾模擬

3.1工藝流程

用二甲基亞砜作萃取劑萃取精餾分離乙醇-苯的工藝流程，見圖8。

圖6 低壓塔內(nèi)液相摩爾濃度分布

圖7 高壓塔內(nèi)液相摩爾濃度分布

圖8 萃取精餾分離乙醇-苯工藝流程

二甲基亞砜從萃取精餾塔(C3)的上部入塔，乙醇和苯從萃取精餾塔的中下部入塔，在萃取劑作用下將乙醇脫除，苯從塔頂采出；萃取精餾塔塔底物料進(jìn)溶劑回收塔(C4)，塔頂?shù)玫揭掖籍a(chǎn)品，塔底物料為萃取劑二甲基亞砜，經(jīng)換熱冷卻后循環(huán)返回萃取精餾塔。

3.2 溶劑比的選取

溶劑比越大，各塔板上溶劑濃度越大，共沸物中輕重相對(duì)揮發(fā)度越大，分離效果越佳。溶劑比過大時(shí)，分離效果變化不明顯，且增大溶劑回收塔的負(fù)荷及萃取精餾塔的能耗，經(jīng)濟(jì)上不合理。經(jīng)初步優(yōu)化，本模擬中選取溶劑比為1.67。

3.3 模擬結(jié)果

以二甲基亞砜作萃取劑分離乙醇-苯的萃取精餾塔內(nèi)液相摩爾濃度分布見圖9。溶劑回收塔內(nèi)液相摩爾濃度分布見圖10。

圖9 萃取精餾塔內(nèi)液相摩爾濃度分布

圖10 溶劑回收塔內(nèi)液相摩爾濃度分布

塔板序號(hào)自上而下，其中1板為冷凝器，2、3板為再沸器。1～4板為溶劑回收段，從溶劑加入板至塔頂，二甲基亞砜的液相濃度迅速降至零。該段對(duì)乙醇和苯?jīng)]有明顯的分離作用。4～15板為精餾段，二甲基亞砜的濃度近似恒定。由于在16板有液相進(jìn)料，提餾段二甲基亞砜液相濃度明顯降低。再沸器處二甲基亞砜濃度發(fā)生躍升。

4 熱集成變壓精餾模擬

對(duì)于變壓精餾工藝，高壓塔塔頂溫度明顯高于低壓塔塔底溫度，可以采用熱集成變壓精餾分離工藝，即利用高壓塔塔頂氣相作為低壓塔再沸器熱源。

理論上，采用熱集成變壓精餾工藝，高壓塔與低壓塔的操作參數(shù)與變壓精餾工藝相同，但精餾操作所需的熱量及冷凝器所需的冷量可以大幅減少。

5 模擬結(jié)果與討論

通過調(diào)整塔的工藝參數(shù)，使變壓精餾及萃取精餾兩種工藝分離出的產(chǎn)品規(guī)格基本一致。變壓精餾及萃取精餾各塔的較優(yōu)操作條件見表2。變壓精餾、萃取精餾和熱集成變壓精餾能耗比較見表3。

表2 變壓精餾和萃取精餾比較

表3 變壓精餾、萃取精餾和熱集成變壓精餾能耗比較

根據(jù)文獻(xiàn)8中的公式，塔設(shè)備投資與(D)1.066(L)0.802成正比，可知變壓精餾和萃取精餾兩種工藝所使用的塔設(shè)備投資基本一致。

從模擬結(jié)果可見，熱集成變壓精餾工藝能耗最小，其次為萃取精餾。萃取精餾所需的熱量與變壓精餾相比減少約34%，但萃取精餾所需的熱源溫度較高。熱集成變壓精餾所需熱量與萃取精餾相比減少約17.2%，與傳統(tǒng)變壓精餾相比減少約45%，且熱集成變壓精餾工藝所需的熱源溫度較低。

6 結(jié)語

(1)本文研究乙醇-苯共沸物的分離，采用變壓精餾工藝以及萃取精餾工藝均可以實(shí)現(xiàn)乙醇-苯共沸物的分離。萃取精餾工藝采用二甲基亞砜作為萃取劑。

(2)經(jīng)過比較，萃取精餾方法相對(duì)傳統(tǒng)變壓精餾方法在操作成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，也更節(jié)能。

(3)與萃取精餾工藝相比，熱集成變壓精餾工藝分離的產(chǎn)品中未引入其他雜質(zhì)，所需蒸汽品位更低。對(duì)于乙醇-苯共沸物，熱集成變壓精餾工藝優(yōu)于傳統(tǒng)變壓精餾工藝及萃取精餾工藝。

1 Perry R H Perry. 化學(xué)工程手冊(cè)[M].6版 第13篇. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1992: 92-94.

2 張宗飛, 馬正飛, 姚虎卿. 變壓精餾乙醇苯混合物分離工藝模擬計(jì)算[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2006, 28(04):48-51.

3 彭昌榮, 劉期鳳. 乙醇-苯混合物變壓精餾的穩(wěn)態(tài)模擬及優(yōu)化[J]. 化學(xué)工程師, 2006, 10 (10):15-17.

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8 WILLIAM L. LUYBEN. Distillation Design and Control Using AspenTM Simulation[M]. 2nd Edition. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2013:84.

2016-09-19)

*韓祺祺：助理工程師。2014年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)獲工學(xué)碩士。從事化工工藝設(shè)計(jì)工作。 聯(lián)系電話：(0531)55656254，E-mail：hanqiqi_@126.com。