萃取精餾分離甲基環(huán)己烷和甲苯工藝過程的模擬

張春勇，鄭純智，唐江宏，張國華，單萬建

(江蘇技術(shù)師范學(xué)院江蘇省貴金屬深加工技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213001)

萃取精餾分離甲基環(huán)己烷和甲苯工藝過程的模擬

張春勇，鄭純智，唐江宏，張國華，單萬建

(江蘇技術(shù)師范學(xué)院江蘇省貴金屬深加工技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213001)

利用Aspen Plus流程模擬軟件，采用雙塔流程，以苯酚為萃取劑，對(duì)萃取精餾分離甲基環(huán)己烷(MC)和甲苯(MB)的過程進(jìn)行模擬計(jì)算，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。考察了萃取精餾塔的萃取劑進(jìn)料位置、原料進(jìn)料位置、萃取劑與原料的摩爾比(溶劑比)和回流比等因素對(duì)分離效果的影響。在滿足MC產(chǎn)品的純度和收率均達(dá)到99%的條件下，模擬優(yōu)化的結(jié)果為：理論塔板數(shù)為24塊，原料在第17塊板進(jìn)料，萃取劑在第5塊板進(jìn)料，溶劑比3.08，回流比5。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，說明采用的模擬方法適用于MC和MB混合物萃取精餾過程的模擬。

Aspen Plus軟件;模擬;萃取精餾;甲基環(huán)己烷;甲苯

甲基環(huán)己烷(MC)和甲苯(MB)是非常重要的精細(xì)有機(jī)化工原料和有機(jī)溶劑［1－3］，其混合物作為反應(yīng)原料和溶劑普遍存在于有機(jī)合成、印刷和醫(yī)藥等行業(yè)［4－5］。開發(fā)經(jīng)濟(jì)的分離MC和MB技術(shù)具有十分重要的意義。

混合物的常見分離方法有普通精餾、萃取、萃取精餾和膜分離等。常壓下純MC與MB的沸點(diǎn)分別為100.9℃和110.68℃，兩者的揮發(fā)度差別很小。因此采用普通精餾方法分離MC和MB所需理論塔板數(shù)非常多，經(jīng)濟(jì)上不合理，也難以操作。萃取精餾操作具有裝置相對(duì)簡單、可立足現(xiàn)有裝置改裝、處理量大和可連續(xù)有效地分離等優(yōu)點(diǎn)，是最為廣泛使用的分離方法之一［6－9］。

本工作采用Aspen Plus流程模擬軟件模擬萃取精餾分離MC和MB的工藝過程，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 模擬部分

1.1 工藝條件和流程

萃取精餾分離MC的工藝條件為：MC和MB混合物的進(jìn)料量0.702 mol/min，n(MC)∶n(MB)= 1∶1.5，進(jìn)料溫度25℃。要求分離得到MC產(chǎn)品的純度(摩爾分?jǐn)?shù)，xMC)和收率(YMC)都要大于等于99%。以苯酚為萃取劑。

萃取精餾分離MC和MB的工藝流程(見圖1)主要包括萃取精餾塔和溶劑回收塔。用萃取精餾塔首先分離出MC，再用普通精餾塔分離MB和萃取劑。

圖1 萃取精餾分離流程Fig 1 Flow sheet of the extractive distillation.

萃取劑在萃取精餾塔的上部加入，以使各塔板上的液相中保持一定比例的萃取劑，原料在萃取精餾塔的中部加入。在萃取精餾塔塔頂?shù)玫礁呒兌鹊腗C產(chǎn)品，塔釜排出MB和萃取劑的混合物，送入普通精餾塔。在普通精餾塔塔頂?shù)玫礁呒兌鹊腗B，塔釜得到萃取劑，并通過混合器與新鮮萃取劑混合后返回萃取精餾塔循環(huán)使用。

萃取精餾塔和普通精餾塔的理論塔板數(shù)均為24塊，塔頂冷凝器均為全凝器，全凝器壓力均為81.06 kPa，再沸器功率均為2 kW。萃取精餾塔塔釜壓力為111.46 kPa;普通精餾塔原料進(jìn)料位置為第14塊塔板，回流比為8。

對(duì)萃取精餾塔采用Aspen Plus流程模擬軟件進(jìn)行模擬，應(yīng)用靈敏度分析模塊對(duì)萃取劑進(jìn)料位置、原料進(jìn)料位置、萃取劑與原料的摩爾比(溶劑比)和回流比進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳工藝參數(shù)。在萃取精餾塔模擬計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)萃取劑苯酚回收工藝進(jìn)行模擬計(jì)算。

1.2 數(shù)學(xué)模型

在利用 Aspen Plus流程模擬軟件建立工藝流程過程中，選用嚴(yán)格精餾模塊 Aspen RadFrac塔模型和混合模塊M ixer模型。對(duì)于MC－MB非理想物系，活度系數(shù)模型選擇 UNIFAC模型［10－15］。因此，在模擬計(jì)算中采用UNIFAC模型作為汽液平衡的計(jì)算模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取精餾塔模擬結(jié)果

2.1.1 萃取劑進(jìn)料位置的影響

萃取劑進(jìn)料位置對(duì)塔頂xMC和YMC的影響見圖2。由圖2可見，萃取劑在第1塊塔板上進(jìn)料時(shí)，YMC為99.90%，但xMC只有34.68%;當(dāng)萃取劑進(jìn)料位置從第2塊塔板下移到第5塊塔板時(shí)，xMC和YMC都逐漸增大;當(dāng)萃取劑進(jìn)料位置從第5塊塔板下移時(shí)，xMC和YMC都逐漸降低。萃取劑進(jìn)料位置在第5塊塔板時(shí)，xMC和YMC分別為99.01%和99.00%，均可達(dá)到99%的要求，因此選取萃取劑進(jìn)料位置為第5塊塔板。

圖2 萃取劑進(jìn)料位置對(duì)萃取精餾的影響Fig.2 Effects of the extractant feed position on the column on the extractive distillation.

2.1.2 原料進(jìn)料位置的影響

原料進(jìn)料位置對(duì)萃取精餾的影響見圖3。

圖3 原料進(jìn)料位置對(duì)萃取精餾的影響Fig.3 Effects of the feedstock position on the extractive distillation.

由圖3可見，原料在第1塊塔板上進(jìn)料時(shí)，YMC為94.68%，但xMC只有61.55%;當(dāng)原料進(jìn)料位置從第2塊塔板下移到第17塊塔板時(shí)，xMC和YMC都逐漸增大;當(dāng)原料進(jìn)料位置從第17塊塔板下移時(shí)，xMC和YMC都逐漸降低;原料進(jìn)料位置在第12～21塊塔板之間時(shí)對(duì)xMC和YMC影響不大;但當(dāng)原料進(jìn)料位置偏高或偏低時(shí)，xMC和YMC下降較快，這是因?yàn)樵线M(jìn)料位置偏高或偏低時(shí)，完成精餾任務(wù)需要更多的理論塔板，預(yù)設(shè)的24塊理論塔板對(duì)原料的分離不夠完全，從而導(dǎo)致xMC下降并進(jìn)而影響YMC。原料進(jìn)料位置在第17塊塔板時(shí)，xMC和YMC分別為99.01%和99.00%，均可達(dá)到99%的要求，因此選取原料進(jìn)料位置為第17塊塔板。

2.1.3 溶劑比的影響

溶劑比對(duì)萃取精餾的影響見圖4。由圖4可見，當(dāng)溶劑比較小時(shí)，雖然YMC較高，但xMC達(dá)不到要求，這是由于萃取劑用量少時(shí)，沒有足夠的萃取劑分子與MC作用，使得MC對(duì)MB的相對(duì)揮發(fā)度(α)較小，xMC較低;當(dāng)溶劑比較高時(shí)，xMC較高，但YMC卻下降較快，這是由于溶劑比過大時(shí)，雖然α較大，但溶劑量大，釜液沸點(diǎn)升高較多，在塔釜加熱功率固定的情況下，產(chǎn)生的上升蒸氣量減少，不能使易揮發(fā)組分充分汽化，導(dǎo)致其隨釜液流失較多。若采用較大的溶劑比，萃取精餾塔的液相負(fù)荷增大，會(huì)阻礙氣液相在塔板上的傳質(zhì)，從而使塔板效率降低。提高加熱功率可在保證xMC滿足要求的情況下提高YMC，但這將增大能耗。當(dāng)溶劑比為3.08時(shí)，xMC和YMC分別為99.01%和99.00%，均可達(dá)到99%的要求，因此選取溶劑比為3.08。

圖4 溶劑比對(duì)萃取精餾的影響Fig.4 Effects of the solvent ratio on the extractive distillation.

2.1.4 回流比的影響

回流比對(duì)萃取精餾的影響見圖5。由圖5可見，隨回流比增大，xMC逐漸增大，但YMC逐漸降低。YMC降低是因?yàn)樵诠潭訜峁β实那闆r下，上升蒸氣量固定，塔頂冷凝液量亦固定，回流比增大則塔頂餾出物減少，為維持塔物料平衡，塔釜采出量增多，從而帶出更多的MC，導(dǎo)致YMC降低。如要增大回流比而保持YMC不變，則需增大加熱功率，同時(shí)塔徑也要增加，則操作成本和設(shè)備成本都將增加［16］。若塔項(xiàng)、塔釜采出量不變而加熱功率增加時(shí)，塔頂冷凝器功率要增加，總能耗增大。由圖5還可見，塔釜萃取劑濃度隨回流比的增加而減小。減小萃取劑濃度會(huì)降低α，所需理論塔板數(shù)會(huì)增加，同時(shí)萃取劑的回收成本會(huì)增加。綜合考慮，選擇YMC、塔內(nèi)萃取劑濃度和xMC，選擇回流比為5較適宜。

圖5 回流比對(duì)萃取精餾的影響Fig.5 Effects of the reflux ratio on the extractive distillation.Conditions：extractant feed position 5th plate，feedstock position 17th plate，solvent ratio 3.08.

2.2 溶劑回收塔模擬結(jié)果

溶劑回收塔的進(jìn)料量為2.574 mol/min，其中MC 0.002 mol/m in，MB 0.418 mol/min，萃取劑苯酚2.154mol/min，進(jìn)料溫度151.63℃，模擬結(jié)果見表1。

表1 溶劑回收塔的模擬結(jié)果Table 1 Simulation result for the solvent recovery column

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室玻璃精餾塔中進(jìn)行，塔徑40 mm，塔身有多個(gè)進(jìn)料口，內(nèi)裝φ6 mm×6 mm的θ絲網(wǎng)填料(天津大學(xué)填料研究所)，填料高1.5 m。用苯－四氯化碳物系對(duì)精餾塔進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)得精餾塔的理論板數(shù)為24塊。

萃取精餾實(shí)驗(yàn)條件為：萃取劑的進(jìn)料量2.154 mol/min，MC和MB摩爾比為1∶1.5的混合物(原料)的進(jìn)料量0.702 mol/min，進(jìn)料溫度25℃，塔頂為全凝器，回流比5，原料進(jìn)料口距填料頂部約100 cm，萃取劑進(jìn)料口距填料頂部約30 cm，冷凝器壓力81.06 kPa，塔釜壓力111.46 kPa，再沸器功率2 kW。

溶劑回收實(shí)驗(yàn)條件為：塔頂為全凝器，回流比8，萃取精餾塔塔釜液為原料，原料進(jìn)料口位置距填料頂部約80 cm，冷凝器壓力81.06 kPa，再沸器功率2 kW。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可見，實(shí)驗(yàn)值與模擬值相差不大，說明基于 UNIFAC模型和 Aspen RadFrac塔模型的模擬方法適用于MC和MB混合物萃取精餾過程的模擬計(jì)算，并說明模擬結(jié)果可靠。

表2 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較Table 2 Comparison between the simulation result and the experiment data

4 結(jié)論

(1)對(duì)MC和MB的混合物進(jìn)行了萃取精餾模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以苯酚為萃取劑能有效提高兩者的相對(duì)揮發(fā)度，可用于MC和MB混合物的萃取精餾。

(2)對(duì)MC和MB混合物進(jìn)行萃取精餾的優(yōu)化條件為：萃取精餾塔為24塊理論塔板，原料在第17塊板進(jìn)料，萃取劑在第5塊板進(jìn)料，溶劑比3.08，回流比 5。在此條件下可使 xMC和 YMC分別達(dá)到99.01%和99.00%。

(3)萃取精餾的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相近，表明基于UNIFAC模型和Aspen RadFrac塔模型的模擬方法適用于MC和MB混合物萃取精餾過程的模擬計(jì)算。

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Process Simulation of Extractive Distillation for Methylcyclohexane and Toluene System

Zhang Chunyong，Zheng Chunzhi，Tang Jianghong，Zhang Guohua，Shan Wanjian

(Jiangsu Key Laboratory of Precious Metal Chemistry and Technology，Jiangsu Teachers University of Technology，Changzhou Jiangsu 213001，China)

Extractive distillation process for methylcyclohexane(MC)and toluene(MB)system was simulated by using Aspen Plus software.Phenol was chosen as the extractant.A process with two columns，namely extractive distillation column and solvent recovery column，was designed for separating the mixture.Effects of the extractant feed position and the mixture feed position on the extractive distillation column，the mole ratio of extractant to feedstock(solvent ratio)，and the reflux ratio on the extractive distillation were investigated.Aimed at the MC mole fraction of 99%in the products and the MC recovery of 99%，the extractive distillation process was simulated to obtain the optimal conditions for the extractive distillation column as follows，number of theoretical plates24，the mixture feed at17th plate，the extractant feed at 5th plate，the solvent ratio 3.08 and reflux ratio 5.The extractive distillation simulation result was verified by the experiment data.

Aspen Plus;simulation;extractive distillation;methylcyclohexane;toluene

1000－8144(2011)05－0532－04

TQ 028.1

A

2010－12－13;［修改稿日期］2011－01－24。

張春勇(1978—)，男，江蘇省東臺(tái)市人，碩士，講師，電話0519－86953273，電郵zhangchunyong@126.com。

江蘇省教育廳高校高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目(JHZD05－036);江蘇技術(shù)師范學(xué)院基金項(xiàng)目(KYX10025)。

(編輯 李治泉)