甲苯－乙醇共沸體系的萃取精餾模擬與優(yōu)化

侯 濤， 高曉新

（1.常州大學(xué)化工設(shè)計(jì)研究院，江蘇常州213164；2.常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇常州213164）

在化工、醫(yī)藥等生產(chǎn)過(guò)程中，甲苯與低級(jí)脂肪醇常被用作良好的助劑，如在阿維菌素精制工藝［1］，乙醇和甲苯被共用作溶劑及浸泡劑。但是，甲苯－乙醇物系形成共沸物，要同時(shí)得到高純度的甲苯和乙醇產(chǎn)品，用常規(guī)精餾無(wú)法實(shí)現(xiàn)。萃取精餾與共沸精餾相比，有許多優(yōu)點(diǎn)：萃取劑比共沸劑更易于選擇，萃取劑一般沸點(diǎn)較高，在操作中基本不汽化，熱耗量較少；萃取劑的可變范圍很大，更加靈活；污染少，溶劑易于回收等。但是，萃取精餾存在溶劑用量大、回收成本高的不足。因此，選擇合適的萃取劑，優(yōu)化萃取精餾效果，是萃取精餾的重要研究課題。

1 萃取劑的選擇及工藝流程

1.1 萃取劑的選擇

萃取精餾是在精餾過(guò)程中添加一種或幾種萃取劑（或稱溶劑），從而改變待分離組分的相對(duì)揮發(fā)度從而使之有效分離，適用于近沸物或共沸物體系的分離［2］。萃取劑的選擇關(guān)系到分離的難易、耗能高低。適宜的萃取劑主要考慮以下幾個(gè)因素：溶劑的高選擇性和溶解性、經(jīng)濟(jì)性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性以及毒性等因素。

萃取劑的選擇方法有：實(shí)驗(yàn)法、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢法［3］、經(jīng)驗(yàn)值方法、計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)法（CAMD）等［4］?？紤]分離組分的極性有助于溶劑的選擇［5］，萃取劑沸點(diǎn)比任一組分沸點(diǎn)要高，基于這些特性，對(duì)萃取劑進(jìn)行初選，然后利用Aspen Plus中的Flash 2模塊得到氣液平衡數(shù)據(jù)［6］，依據(jù)相對(duì)揮發(fā)度計(jì)算公式（1）：

計(jì)算甲苯－乙醇體系的相對(duì)揮發(fā)度，從而選擇最佳的萃取劑。

常壓下乙醇沸點(diǎn)為78.3℃，甲苯沸點(diǎn)為110.7℃。初選萃取劑與甲苯極性相似的極性組分，沸點(diǎn)比甲苯高。萃取劑選擇時(shí)的進(jìn)料狀態(tài)，以常壓下甲苯－乙醇共沸體系為基準(zhǔn)，溶劑質(zhì)量比為1∶1，氣相分率為0.5。計(jì)算出的相對(duì)揮發(fā)度如表1所示。

適宜的溶劑選擇性越大越易于分離，但是如果沸點(diǎn)過(guò)高會(huì)增加溶劑回收塔再沸器的塔底負(fù)荷，綜合以上因素?cái)M選擇正丁苯作為甲苯－乙醇體系的溶劑。

表1 萃取劑的簡(jiǎn)單篩選Table 1 Simple screening of extractant

1.2 工藝流程

甲苯－乙醇體系的萃取精餾分離流程如圖1所示，由萃取精餾塔T1和溶劑回收塔T2組成，待分離物料流股2連續(xù)加入萃取精餾塔T1塔內(nèi)，而溶劑流股1則在進(jìn)料口之上連續(xù)加入，目的是使塔內(nèi)大部分板上維持較高的溶劑濃度。溶劑入口之上需有若干塊塔板，防止溶劑混入塔頂產(chǎn)品中，稱為溶劑回收段［7］。

原料中易揮發(fā)組分（乙醇）由T1塔頂蒸出，難揮發(fā)組分（甲苯）和溶劑由塔釜排出進(jìn)入溶劑回收塔T2。在塔T2中難揮發(fā)組分與溶劑得到分離，其中難揮發(fā)組分由塔T2的塔頂餾出，溶劑則由塔釜采出送至萃取精餾塔循環(huán)使用。一般整個(gè)流程溶劑的損失不大，只需添加少量新鮮溶劑補(bǔ)償即可。

Fig.1 Flowsheet of extractive distillation圖1 萃取精餾流程

2 萃取精餾模擬與優(yōu)化

2.1 模擬規(guī)定

擬分離的物料如下：進(jìn)料量3 500kg／h，其中含甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)28%，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)72%，初始溫度為25℃。規(guī)定分離得到的甲苯產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于9 9.5%，乙醇產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于99.9%。為了保證精餾段與提留段中溶劑濃度大致相等，原料采用氣相加料。溶劑溫度初定為78.0℃，溶劑質(zhì)量比初定為2∶1。為保證塔底再沸器溫度不至于過(guò)高，能用水蒸氣加熱，采用負(fù)壓操作，萃取精餾塔定為90kPa，溶劑回收塔定為50kPa。模擬軟件采用Aspen Plus，兩塔均選用RadFrac嚴(yán)格精餾模型；熱力學(xué)方程選用WILSON，并用基團(tuán)貢獻(xiàn)法UNIFAC進(jìn)行剩余相互作用參數(shù)的估算［8］。

2.2 靈敏度分析與參數(shù)優(yōu)化

初步模擬后許多參數(shù)還不是最優(yōu)，并且產(chǎn)品純度還沒(méi)有達(dá)到分離要求。利用Aspen Plus軟件中的靈敏度分析模塊對(duì)加料板及回流比進(jìn)行模擬分析，以期得到最佳工藝參數(shù)。在其它條件不變的情況下，進(jìn)料位置不同分離效果也將不同，存在最佳的進(jìn)料位置。

2.2.1 進(jìn)料位置的影響 對(duì)萃取精餾塔的原料進(jìn)料位置和溶劑進(jìn)料位置以及溶劑回收塔的進(jìn)料位置進(jìn)行靈敏度分析，計(jì)算模擬結(jié)果如圖2，3所示。

Fig.2 Effect of feed stage on separation in extractive distillation tower圖2 萃取精餾塔進(jìn)料位置對(duì)分離效果的影響

Fig.3 Effect of feeding plate on separation in solvent recovery tower圖3 溶劑回收塔原料進(jìn)料位置對(duì)分離效果的影響

結(jié)果表明，萃取精餾塔的進(jìn)料位置為第19塊塔板，溶劑進(jìn)料為第8塊塔板，溶劑回收塔進(jìn)料位置為第13塊塔板時(shí)達(dá)到最佳分離效果。

2.2.2 回流比的影響 回流比在精餾過(guò)程中是一個(gè)十分重要的工藝參數(shù)，關(guān)系到分離效果和能耗。圖4，5分別是萃取精餾塔和溶劑回收塔回流比的靈敏度分析。對(duì)于萃取精餾塔并非回流比越大分離效果越好，由圖4可以看出，當(dāng)回流比為1.1時(shí)分離效果達(dá)到最佳。

Fig.4 Effect of reflux ratio on separation in extractive distillation tower圖4 萃取精餾塔回流比對(duì)分離效果的影響

Fig.5 Effect of reflux ratio on separation in solvent recovery tower圖5 溶劑回收塔回流比對(duì)分離效果的影響

對(duì)于溶劑回收塔回流比的影響與一般精餾塔類似，隨著回流比的增加，分離效果會(huì)越好，然后趨于穩(wěn)定。從圖5可以看出當(dāng)回流比為2.1時(shí)，曲線開(kāi)始變化不大，此時(shí)分離達(dá)到了分離要求，因此取溶劑回收塔的最佳回流比為2.1。

圖6為溶劑質(zhì)量比（萃取劑與原料進(jìn)料的質(zhì)量比）對(duì)分離效果的影響。由圖6可以看出，餾出液中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨回流比的增加而增大，接著趨于平緩。隨著萃取劑用量的增加，過(guò)程的能耗也隨之增加。綜合分離效果和能耗兩個(gè)方面因素的考慮，選取適宜溶劑質(zhì)量比為2.2。

Fig.6 Effect of solvent ratio on separation圖6 溶劑質(zhì)量比對(duì)分離效果的影響

2.2.3 模擬結(jié)果 通過(guò)對(duì)進(jìn)料位置、回流比、溶劑質(zhì)量比等參數(shù)的優(yōu)化，經(jīng)計(jì)算得到了最佳工藝參數(shù)及全流程的模擬結(jié)果，見(jiàn)表2。由于溶劑在精餾過(guò)程中會(huì)有部分損失，為保證連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作需要補(bǔ)加少量萃取劑。經(jīng)計(jì)算后需補(bǔ)加溶劑的量為3.08 kg／h。

表2 優(yōu)化后的工藝參數(shù)Table 2 The optimized process parameters

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）采用Aspen Plus軟件中的Flash 2模塊，通過(guò)設(shè)定溶劑質(zhì)量比，計(jì)算得到了在不同溶劑條件下，甲苯－乙醇體系的相對(duì)揮發(fā)度，從而篩選出了較佳的萃取劑為正丁苯。

（2）基于NRTL－RK物性模型，以正丁苯為萃取劑，用Aspen Plus化工模擬軟件對(duì)甲苯－乙醇體系萃取精餾分離過(guò)程進(jìn)行了模擬。萃取精餾塔理論板數(shù)20塊，溶劑回收塔理論板數(shù)26塊的條件下，優(yōu)化后的操作參數(shù)為：原料的進(jìn)料位置為第19塊塔板，萃取劑的進(jìn)料位置為第8塊塔板，回流比為1.1，溶劑質(zhì)量比為2.2。對(duì)于溶劑回收塔，其進(jìn)料位置為第12塊塔板，回流比為2.1。

（3）優(yōu)化后，乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)99.9%，甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)99.5%，回收率均在99.5%以上，溶劑損失率僅為0.04%，萃取劑可循環(huán)利用，優(yōu)化結(jié)果為工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)提供了相應(yīng)的參考。

（4）利用Aspen Plus中的Flash 2模塊，對(duì)于萃取劑的初步篩選具有重要意義，特別是對(duì)于文獻(xiàn)中報(bào)道較少或幾乎沒(méi)有報(bào)道的共沸物或近沸物系萃取精餾的萃取劑的選取，具有一定的參考價(jià)值。

［1］ 戴君裕，葉德勇.恒沸精餾法分離回收阿維菌素生產(chǎn)殘液中的甲苯和乙醇［J］.化工環(huán)保，2003，23（5）：306－307.

［2］ 胡暉，鄔慧雄.分批萃取精餾新模擬方法［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2008，21（1）：38－42.

［3］ Braam V D，Izak N.Design of solvents for extractive distillation［J］.Ind.eng.chem.res.，2000，39：1423－1429.

［4］ 宋海華，孫偉，王秀麗，等.萃取精餾溶劑選擇的研究進(jìn)展［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2002，19（1）：83－88.

［5］ 鄧修，吳俊生.化工分離工程［M］.北京：科學(xué)出版社，2007：73－81.

［6］ 李肖華，李衛(wèi)坤，宋旭東，等.乙醇－水－離子液體偽二元體系常壓汽液平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定與關(guān)聯(lián)［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36（4）：399－402.

［7］ 與洪芹.萃取精餾過(guò)程流程集成節(jié)能策略的研究［D］.青島：青島科技大學(xué)，2006.

［8］ Aspen Technology Inc.Aspen plus user guider［M］.NewYork：Aspen technology Co.Ltd.press，2006：215－219.